01?文章信息

文章主題：聚乙烯微塑料通過腸道微生物群誘導的肝臟脂肪酸代謝功能障礙，抑制雞的生長

發(fā)表期刊：Journal of Hazardous Materials

組學技術(shù)：轉(zhuǎn)錄組&代謝組&16S rRNA

研究團隊：南開大學環(huán)境科學與工程學院孫紅文教授課題組

02?研究思路

03?研究背景

微塑料（MPs）因在生態(tài)系統(tǒng)中廣泛存在且常被發(fā)現(xiàn)于生物體內(nèi)，已成為全球關(guān)注的問題，其會對陸地生物如小鼠、蚯蚓和雞的生長發(fā)育產(chǎn)生負面影響，可能與干擾肝臟脂質(zhì)代謝有關(guān)，但影響肝臟脂肪酸代謝的機制尚不明確。同時，生物在自然環(huán)境中還會接觸到其他有機化合物，如常用作增塑劑的鄰苯二甲酸酯（PAEs），它易從塑料中釋放，在農(nóng)業(yè)土壤中普遍存在。MPs 和 PAEs 常產(chǎn)生 “協(xié)同” 效應(yīng)，增加對動物的毒性。雞在陸地食物網(wǎng)中生態(tài)位較高，易暴露于 MPs，且作為重要經(jīng)濟動物，對食品安全意義重大，然而 MPs 和 PAEs 對雞的綜合影響研究較少。此外，攝入的 MPs 會破壞腸道微生物平衡，進而可能通過腸 - 肝軸影響肝臟功能，多種肝臟代謝疾病與腸道微生物紊亂導致的脂肪酸代謝異常有關(guān)，但腸道微生物與肝臟脂肪酸代謝之間的聯(lián)系仍不清楚。

04?研究內(nèi)容

（1）微塑料影響雞的生長

體重增長受抑制：實驗中對照組雞平均增重 0.25 千克，其他組均減少，其中 10% 添加 PAEs 的微塑料組減少最多，達 71.2% ，且微塑料劑量越高，體重增量越少，生長速率也越低。此前研究表明微塑料對生長的影響呈劑量依賴性，不同濃度對鯽魚生長影響不同，高濃度抑制雞生長可能與肝臟細胞排列異常有關(guān)。

肝臟生化指標改變：微塑料暴露使雞肝臟甘油三酯（TG）水平降低，PAEs 添加組更顯著，且微塑料含量與TG含量呈負相關(guān) 。同時，添加微塑料會使總蛋白含量增加，而總膽固醇（T-CHO）水平在處理組和對照組間無明顯差異，這反映出微塑料暴露，尤其是含增塑劑的微塑料，會導致肝臟生化指標變化和代謝紊亂。

（2）轉(zhuǎn)錄組差異分析

在本研究中，作者發(fā)現(xiàn)微塑料暴露會抑制雞的生長并影響肝臟生化指標。為了解這些負面影響背后的機制，本研究對對照組和高劑量微塑料暴露組雞肝臟中的基因表達模式進行了比較和分析。對差異表達基因進行主成分分析（PCA）后發(fā)現(xiàn)，對照組和高劑量清潔MPs組的肝臟樣本聚集緊密，但與高劑量PAE污染MPs組組的樣本距離較遠。這表明對照組和清潔微塑料組的肝臟基因表達譜相似，而與添加鄰苯二甲酸酯（PAEs）的微塑料組不同。這些結(jié)果表明，含有PAEs的微塑料具有更顯著的生物學影響。此外，與對照組相比，添加PAEs的聚乙烯微塑料（PE MPs）在雞肝臟中誘導產(chǎn)生的差異表達基因數(shù)量，比清潔 PE MPs更多（圖1b）。同樣，添加PAEs的PE MPs組與清潔微塑料組相比，產(chǎn)生了2343個差異表達基因（圖 1b）。這些發(fā)現(xiàn)表明，PAEs 和微塑料對肝臟基因表達具有協(xié)同作用，且比微塑料單獨作用的影響更顯著。高劑量PAE污染MPs組中差異表達基因數(shù)量的增加，與觀察到的雞生長性能下降和甘油三酯（TG）水平降低相關(guān)。

GO 富集分析表明，T?對比T?組的差異表達基因主要與能量穩(wěn)態(tài)相關(guān)的小分子代謝過程有關(guān)，涉及氨基酸、有機酸和羧酸的代謝與合成，這意味著清潔微塑料會影響雞肝臟的能量代謝。而T?對比T?的差異表達基因在脂質(zhì)代謝、免疫和炎癥反應(yīng)方面顯著富集，相關(guān)細胞成分包含內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分子功能涉及多種酶活性等，表明這類微塑料會顯著影響雞肝臟的脂質(zhì)代謝并引發(fā)免疫/炎癥反應(yīng)。此外，T?對比T?的結(jié)果與T?對比T?相似，但未涵蓋免疫相關(guān)過程，主要與脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)相關(guān)。

KEGG 富集分析結(jié)果顯示，T?對比T?組有顯著富集的多種氨基酸和藥物代謝通路。T?對比T?的差異表達基因在不飽和脂肪酸生物合成、細胞黏附分子、細胞因子-細胞因子受體相互作用等多個通路富集，其中參與不飽和脂肪酸生物合成、蛋白質(zhì)加工和輸出的基因主要下調(diào)，同時在細胞黏附分子和細胞因子-細胞因子受體相互作用這兩個免疫反應(yīng)相關(guān)通路中，上調(diào)基因多于下調(diào)基因，表明該組微塑料不僅破壞脂肪酸代謝，還能引發(fā)免疫反應(yīng)。

圖1 轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果

（3）代謝物差異分析

主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘法判別分析（OPLS-DA）結(jié)果均顯示，對照組T?和清潔PE MPs組T?的肝臟樣本呈現(xiàn)出相似的代謝譜，與添加 PAEs 的PE MPs 組T?的代謝譜不同。上述結(jié)果表明，與清潔微塑料相比，添加 PAEs 的微塑料對肝臟代謝的干擾更大，代謝物變化越大，表明對雞的毒性越強。與清潔微塑料相比，添加 PAEs的PE MPs 引發(fā)了更多的差異表達代謝物，其中脂質(zhì)和類脂分子是主要類別，其次是有機酸及其衍生物和有機雜環(huán)化合物（圖 2a）。對差異表達代謝物的富集分析還表明，PE MPs 會干擾糖和脂質(zhì)代謝，而添加 PAEs的微塑料不僅會干擾脂質(zhì)代謝，還會影響免疫功能。

同時使用差異表達基因和代謝物進行通路分析后發(fā)現(xiàn)，PE MPs 會影響脂肪酸代謝及相關(guān)輔助因子生物合成（圖2b），添加PAEs的MPs影響更顯著且會激活免疫反應(yīng)；PE MPs，尤其是添加PAEs的MPs，會下調(diào)脂肪酸代謝關(guān)鍵基因（包括 ACACA、ACAT2、FASN、ELOVL1、ELOVL5 和 SCD），改變脂肪酸水平，且基因與代謝物存在顯著相關(guān)性（圖2d-h）；同時，PE MP暴露會影響免疫相關(guān)基因表達，添加 PAEs 的 MPs 效果更明顯，脂肪酸代謝與免疫反應(yīng)存在復雜相互作用，脂肪酸可通過多種功能參與免疫過程（圖2i）。

圖2 代謝組相關(guān)分析

（4）聚乙烯微塑料改變腸道微生物群

宿主動物的肝臟功能在一定程度上會受到腸道微生物群通過腸 - 肝軸的影響 。研究結(jié)果表明，微塑料暴露會影響肝臟中的脂肪酸代謝。為了闡明微塑料對雞產(chǎn)生肝毒性的機制，作者進一步分析了腸道微生物群。此次研究旨在確定在暴露于微塑料后，腸道微生物群與肝臟脂肪酸代謝之間是否存在聯(lián)系。

4.1豐富度和多樣性

PE MPs 降低雞盲腸微生物群多樣性和豐富度，添加PAEs的MPs影響更顯著。相關(guān)指數(shù)顯示，T?組顯著低于T?組，且T?、T?組樣本聚類與T?組明顯分離。微塑料對動物腸道微生物的影響與多種因素有關(guān)，此前研究表明不同類型微塑料對不同動物腸道微生物多樣性影響各異。

4.2門水平的微生物組成

PE MPs 顯著改變微生物組成，添加PAEs的MPs作用更突出。擬桿菌門和厚壁菌門為主要門類，PE MPs 使擬桿菌門減少、厚壁菌門增加，添加PAEs的MPs處理下變化更明顯，該比例失衡與代謝紊亂相關(guān)。此外，PE MPs 還使放線菌門豐度增加、奇異菌門減少，同時改變梭桿菌門豐度，這些微生物均與特定生理功能或疾病相關(guān)。

4.3屬水平的敏感生物標志物

清潔和添加PAEs的MPs處理下改變敏感生物標志物種類并減少其數(shù)量。LEfSe 分析顯示，對照組有 15 種，清潔和添加PAEs的MPs組分別為12種和8種，且添加PAEs的MPs組LDA值最高，影響更顯著。已有研究表明微塑料暴露會改變腸道微生物群組成，其紊亂源于機械損傷、營養(yǎng)競爭和內(nèi)分泌干擾。

圖3 微生物分析結(jié)果

（5）敏感生物標志物、脂肪酸代謝與生長

研究表明，暴露于清潔微塑料和含 PAEs 的微塑料均會擾亂雞肝臟脂肪酸代謝，對雞生長產(chǎn)生不利影響。清潔微塑料引發(fā)的敏感生物標志物與甘油三酯濃度、體重增加量等呈正相關(guān)，與部分脂肪酸呈負相關(guān)；含 PAEs 的微塑料引發(fā)的敏感生物標志物呈現(xiàn)相反趨勢，且放線菌門和變形菌門中的相關(guān)標志物與雞生長及脂肪酸代謝物質(zhì)緊密相關(guān)。雞肝臟脂肪酸代謝紊亂和生長不良與腸道微生物群失衡密切相關(guān)，微塑料會通過腸肝軸干擾膽汁酸穩(wěn)態(tài)、誘導免疫炎癥反應(yīng)，而腸道微生物群失衡也會引發(fā)多種代謝疾病。

圖4 雞腸道微生物與脂肪酸代謝相關(guān)因素的關(guān)聯(lián)分析

05?研究結(jié)論

微塑料（MPs），尤其是含有增塑劑的微塑料，會顯著阻礙雞的生長并損害肝臟功能，降低雞的體重增加量和肝臟甘油三酯水平。含有鄰苯二甲酸酯（PAEs）的微塑料會通過擾亂脂肪酸代謝和引發(fā)免疫炎癥反應(yīng)，進一步加劇這些負面影響。此外，腸道微生物群的改變在介導這些不利影響中起著關(guān)鍵作用。這些研究結(jié)果表明，微塑料和鄰苯二甲酸酯通過腸肝軸產(chǎn)生協(xié)同毒性，凸顯了它們對生態(tài)和農(nóng)業(yè)的威脅。未來的研究應(yīng)評估在環(huán)境相關(guān)濃度下它們所產(chǎn)生的影響。