农药暴露对人类肠道菌群代谢影响的系统性研究
作者及机构
本研究由Li Chen（美国俄亥俄州立大学人类营养项目）、Hong Yan（耶鲁大学公共卫生学院）、Shanshan Di（浙江省农业科学院农产品安全与营养研究所）等来自中美多所研究机构的学者共同完成，通讯作者为Jiangjiang Zhu（俄亥俄州立大学）。研究成果于2025年4月30日发表于《Nature Communications》（DOI: 10.1038/s41467-025-59747-6）。
学术背景
研究领域与动机
本研究属于环境毒理学与微生物代谢组学的交叉领域。农药作为全球农业生产的必需品，其残留可通过食物链进入人体，但关于其对肠道菌群代谢的具体影响机制尚不明确。既往研究多关注农药通过氧化应激（oxidative stress）引发的慢性疾病，而肠道菌群作为“第二基因组”，其代谢产物（如短链脂肪酸SCFAs、胆汁酸BAs等）与宿主免疫、代谢疾病密切相关。本研究旨在填补以下空白：
1. 系统性评估18种代表性农药对17种人类核心肠道菌株的生长抑制/促进作用；
2. 解析农药-菌群-代谢物的相互作用网络；
3. 通过小鼠模型验证农药通过菌群代谢紊乱诱导宿主炎症的机制。
研究流程与方法
1. 体外实验：农药对肠道菌群的直接影响
- 研究对象：17种肠道菌株（7种拟杆菌门Bacteroidetes、7种厚壁菌门Firmicutes等），覆盖90%的肠道菌群丰度。
- 浓度梯度：0.05–1 μg/mL（模拟人体实际暴露水平）。
- 关键技术：
- 生长曲线分析：通过96孔深板培养，监测OD590值评估农药剂量依赖性效应（图1c-d）。
- 农药生物累积检测：采用气相色谱-三重四极杆质谱（GC-QQQ MS）定量菌体内农药残留（图1e）。
- 代谢组学与脂质组学分析：通过超高效液相色谱-四极杆轨道阱质谱（UPLC-QE Orbitrap MS）检测468种代谢物和脂质分子（图2-4）。
2. 代谢网络构建
- 数据分析：采用偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和Pearson相关性分析，构建“农药-菌群-代谢物”互作网络（图2b）。
- 关键发现：
- 40条代谢通路显著改变，包括嘧啶代谢（pyrimidine metabolism）、色氨酸代谢（tryptophan metabolism）等；
- 脂质类别中甘油磷脂（glycerophospholipids, GPs）和甘油脂（glycerolipids, GLs）变化最显著（图4c）。
3. 体内验证：小鼠模型
- 实验设计：三组C57BL/6小鼠（抗生素处理组、4,4′-DDE暴露组、B. ovatus定植+4,4′-DDE组），持续8周（图5a-b）。
- 检测指标：
- 16S rRNA测序分析肠道菌群组成；
- 靶向代谢组学检测SCFAs、BAs等；
- qRT-PCR分析炎症通路（TLR4/NF-κB）相关基因表达。
主要结果
1. 农药的菌群特异性效应
- 生长调控：4,4′-DDE在0.5 μg/mL下抑制11种菌株（如B. ovatus），但促进3种菌株（如C. scindens）（图1d）。
- 生物累积：C. bolteae和B. ovatus对有机氯农药（如DDT）累积率最高（补充图2d），提示菌群可能延长农药在宿主体内的残留时间。
2. 代谢重编程
- 色氨酸代谢：B. ovatus暴露后，吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid）水平升高，而B. vulgatus仅显示特定代谢物变化（图3a），表明农药效应具有菌株特异性。
- 脂质重塑：奇数链脂肪酸（如C15:0和C17:0）在B. stercoris中显著改变，可能与宿主胰岛素抵抗相关（图4d）。
3. 体内炎症机制
- B. ovatus定植小鼠中，SCFAs（如丙酸propionic acid）和次级胆汁酸（如脱氧胆酸deoxycholic acid, DCA）水平升高，伴随TLR4/NF-κB通路抑制（图5g），证实农药通过菌群代谢紊乱间接诱发宿主炎症。
结论与价值
科学意义
1. 首次建立农药-菌群-代谢物的全图谱交互网络，为环境污染物毒性机制研究提供新范式；
2. 揭示肠道菌群可作为农药暴露的生物标志物（如C20:0脂肪酸），并为代谢性疾病（如肥胖、糖尿病）的干预提供靶点。
应用前景
- 指导农药风险评估：需考虑菌群代谢介导的长期健康效应；
- 开发菌群调控策略：如补充益生菌缓解农药诱导的代谢紊乱。
研究亮点
1. 多组学整合：结合代谢组学、脂质组学和16S测序，系统性解析农药的微生物毒性机制；
2. 方法创新：开发了基于GC-QQQ MS的农药生物累积检测流程，灵敏度达0.05 μg/mL；
3. 跨物种验证：从体外菌株到小鼠模型，证据链完整。
其他发现
- 农药可通过改变脂多糖（LPS）结构（如C14:0脂肪酸）影响宿主免疫（图4d）；
- 奇数链脂肪酸（OCFAs）的代谢变化或成为新型健康风险指标（补充图7）。
（注：文中所有图表编号均引用原文献，具体数据可参考原文Supplementary Materials。）