Sci Total Environ | 16S+代谢组学研究环境污染对鱼类健康的影响

鹿明生物

2022.5.12

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前言

2021年1月，日本广岛市初名市马瑞士2-17-5号水产研究与教育署国立水产与内海环境研究所在Sci Total Environ期刊发表的题为 “Alterations of stool metabolome, phenome, and microbiome of the marine fish, red sea bream, Pagrus major, following exposure to phenanthrene: A non-invasive approach for exposure assessment”的研究成果，通过16s肠道微生物测序+代谢组学研究方法，发现了苯丙氨酸暴露改变了红海稠鱼类与腐胺和胆固醇代谢相关的粪便含量，同时改变了该鱼类粪便的微生物菌群组成，对探究海洋环境污染对鱼类健康有着重要的影响作用。

基本信息

中文标题：暴露于苯丙氨酸后海洋鱼类-红鲷鱼，粪便代谢组、微生物组的变化:一种非侵入性的暴露评估方法

研究对象：海洋红绸鱼

发表期刊：Sci Total Environ

影响因子：7.963

发表时间：2021.01

运用生物技术：GC-MS非靶向代谢组学、16s肠道微生物测序

研究背景

化石燃料不完全燃烧产生的多环芳烃对水生生物有潜在的严重生物效应。苯丙氨酸包含三个苯环，是最丰富的多环芳烃。在海洋环境中苯丙氨酸有时以微克/升出现，范围从14.6到1460微克/升，这些浓度高到足以损害鱼类的生长和生理功能。本研究旨在通过16s肠道微生物测序+代谢组学两种组学技术评估苯丙氨酸暴露对于海洋鱼类健康的影响。

研究思路

研究结果

暴露于苯丙氨酸环境，对鱼类的行为和粪便外观的影响

苯丙氨酸暴露对鱼的行为和粪便外观产生了不利影响，表现出明显的运动迟缓和粪便的绿色，这些影响在第一周最为突出。有可能胆红素本身被氧化成胆绿素，以清除Phe诱导的氧化应激，随着SOD的增加，粪便的绿色被认为是肝-胆-肠轴对苯丙氨酸的第一生理反应之一。

图1 | 暴露于苯丙氨酸环境下鱼的粪便外观

暴露于苯丙氨酸环境中，鱼体内苯丙氨酸残留含量的检测

在整个实验期间，肠道中的苯丙氨酸浓度高于肌肉中的苯丙氨酸浓度。即使在实验鱼被转移到清水中13天后，在肠中仍然检测到大约6%的苯丙氨酸浓度，并且在肠中发现的苯丙氨酸残留物比在肌肉中发现的多(p<0.05)，这说明肠道在通过排便消除鱼体中的化学物质方面也起着重要作用。

图2 | 暴露于苯丙氨酸环境下，鱼类粪便红的苯丙氨酸含量

粪便中代谢组学的变化

基于GC-MS非靶向代谢组学成功鉴定了82种代谢物，包括氨基酸、糖、维生素和脂肪酸。这些代谢物被认为是从饲料中吸收营养、宿主代谢、肠道微生物群代谢或共代谢的结果。在第6天，代谢物(14个中的13个)出现了最显著的减少，它们包括氨基酸、多胺腐胺、糖和α-生育酚(维生素E)。还观察到胆固醇升高(p = 0.009)和粪甾烷醇减少(p = 0.01)，然而，这些差异在FDR调整后被认为是不显著的。在第13天，尽管实验鱼已经连续暴露于苯丙氨酸，但是只有四种代谢物发生了变化。

粪便表型微阵列分析

在第13天，苯丙氨酸暴露组的TWCD显著高于其他治疗组。分析结果表明碳源被苯丙氨酸暴露显著改变。在显示显著变化的18种碳源中，6种底物显示增加，这表明它们在暴露于苯丙氨酸的鱼的微生物细胞中比在对照鱼的微生物细胞中利用得更多。与对照粪便相比，粪便中微生物细胞对腐胺的利用显著增加了14倍。其他12种碳源显示减少，表明它们在暴露于苯丙氨酸的鱼的微生物细胞中的使用水平较低。

暴露于苯丙氨酸环境下，粪便中微生物群落分析

暴露于苯丙氨酸的鱼的微生物群落的α多样性的Shannon指数在第13天高于SC组。PCoA评分图显示，苯丙氨酸暴露和持续时间都改变了肠道微生物群落的结构。在门的水平，所有样品中变形菌是14个门中最丰富的，其次是拟杆菌门。在第13天，与SC组相比，在Phe暴露组中，拟杆菌门和β变形菌纲、δ变形菌纲和ε变形菌纲显著较高，而γ变形菌的丰度较低。在属的水平上(至少有一个样本> 2%)，在两个采样日期，苯丙氨酸暴露组中发光细菌的丰度显著增加。此外，在暴露于苯丙氨酸的组中，弧菌的丰度在第13天显著降低。

图3 | 第6天和第13天粪便中门(A)和属(B)的相对丰度

图4 | 与腐胺代谢相关的KEGG途径和KEGG直向同源物(KO )

研究结论

综合以上结果，我们得到结论，暴露于苯丙氨酸环境下的鱼类受到了不利影响，主要表现为血清和肝脏样本中超氧化物歧化酶和EROD水平的升高。这些生理变化主要包含与对苯丙氨酸诱导的氧化应激的清除反应有关。此外，由于我们在粪便直接暴露于苯丙氨酸后没有观察到粪便特征的显著差异。此外，在实验鱼被允许净化16天后，肠道已经积累了大约3000微克/千克的苯丙氨酸，约为苯丙氨酸暴露浓度(18微克/升)的170倍，这意味着肠道在通过排便消除鱼体中的化学物质方面也起着重要作用。

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本研究通过GC-MS非靶向代谢组学+16s肠道菌群分析了苯丙氨酸暴露下鱼类粪便代谢组，发现苯丙氨酸暴露对于肠道菌群的群落结构有较大的影响。

文末看点｜lumingbio

欧易/鹿明生物推出的16s+代谢组学的多层组学研究思路继本篇文章前已先后助力了浙江工业大学、中国农科院、青岛农业大学等在微生物一区顶刊Microbiome、医学一区顶刊GUT发表文章。

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