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ONT全长16S高分文章|暴露于高浓度PFAS的野生淡水龟肠道微生物组的扰动

氟烷基物质(PFAS)是普遍存在于环境中的持久性合成污染物。在动物和人类模型中,已报道PFAS与一系列健康状况相关,包括氧化损伤、肥胖风险增加和肠道炎症等。但目前我们对PFAS在野生动物中的生物积累及其相关潜在毒理学效应的了解仍然有限。本研究从淡水龟的结肠收集新鲜粪便,并使用Nanopore-16S rRNA 基因扩增子测序和代谢组学的方法进行分析,为建立目前尚不清楚的野生动物PFAS暴露的综合模型做出了贡献。

 

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英文标题: Perturbation of the gut microbiome in wild-caught freshwater turtles (Emydura macquarii macquarii) exposed to elevated PFAS levels

标题译名:暴露于高浓度PFAS的野生淡水龟肠道微生物群的扰动

发表时间:2022.05.25

发表期刊:Science of the Total Environment (IF:7.963)

 

研究策略

 

1) PFAS影响位点(PFAS污染下游的高暴露位点)、PFAS对照位点(低暴露位点)和PFAS参考位点(阴性对照)分别捕获淡水龟,并进行病理学解剖

2) 淡水龟血清中的PFAS浓度分析

3) 淡水龟粪便的细菌16S rRNA基因扩增和Nanopore测序

4) 淡水龟粪便的靶向和非靶向代谢组分析

 

主要研究结果

1、 粪便菌群的比较分析

如图1A所示,厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)构成了所有样本龟的优势门,在PFAS暴露增加的淡水龟组中,拟杆菌门的相对丰度降低,而厚壁菌门的相对丰度增加。已知,厚壁菌门与拟杆菌门的比例已被证明是肠道生态失调、肥胖、衰老和炎症的有用标志。图1B展示了基于F:B相关性的淡水龟聚类,表明在同一位置的淡水龟之间有相似的相对比例,图1C显示了F:B比值从参考位点到PFAS对照和PFAS影响位点的增加。

 

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图1 每个地点淡水龟粪便样本的相对门丰度

 

图2A-C显示了每个位点微生物群落之间的分类差异,红色标注的树节点和相关家族成员相对于蓝色标注的具有更高的相对丰度。如图2D所示,与参考位点相比,有29个属在PFAS影响位点的丰度显著降低,15个属的丰富度显著增加。与参考位点相比,26个属和2个属在PFAS对照位点的丰度分别显著减少和增加(图2E)。并确定与高PFAS暴露、低PFAS暴露和阴性对照组相关的每个位点的关键分化物种(图3)。

 

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图2 来自(A) PFAS影响位点、(B) PFAS对照位点和(C)参考位点的细菌科成员的整体相对丰度;(D) PFAS影响位点与参考位点细菌属成员以及 (E)控制位点和参考位点相对丰度的比较

 

图3 高和低PFAS暴露的淡水龟粪便中的关键细菌家族成员

 

2、 PFAS对肠道菌群代谢潜力的影响

在代谢产物方面,主要的代谢产物类别是琥珀酸盐、氨基酸、单糖、酮酸和不饱和脂肪酸(图4)。这些产物的相对比例在不同位点之间存在差异。影响位点的琥珀酸盐的相对丰度降低,对照位点的单糖含量较低,但酚类和乙酸苯酯含量较高。

 

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图4 对确定的中心碳代谢物进行化学本体评估,并对粪便进行非靶向代谢组学分析

 

重要的代谢物类簇如图5所示,已知肠道微生物组会分泌物质以响应污染物暴露。识别出 25 种在三组中发生了显著变化的化合物,并使用人类粪便疾病数据库对 PFAS 影响样本的重要代谢物进行富集分析,最终关联到多种疾病特征,如肠易激综合征、肥胖、慢性疲劳等。氨基酸相关代谢(丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢等)和嘧啶代谢途径在暴露于 PFAS 的淡水龟中受到显著影响。

 

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图5 在暴露于高浓度PFAS的淡水龟粪便中发现了显著的代谢物类簇

 

3、 未来的研究方向

图6概述了一种可能的多组学研究方法。首先,细胞色素C氧化酶亚基1 (COI) 基因和16S rRNA基因扩增子测序用于表征肠道微生物组内的微生物种群,同时也解释了宿主消化的食物来源。此外,需要进行全面的(元)蛋白质组和代谢组分析(包括脂质),以解释肠道内的细菌和宿主蛋白质、脂质和代谢物的贡献。这些基于组学的数据集应整合到一个分子框架中,该框架在微生物群落扰动、生物学功能和测量的单个成分的 PFAS 暴露概况之间建立联系,从而确定 PFAS 对采样宿主肠道微生物组的影响。

 

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图6 拟采用多组学方法进行肠道微生物组PFAS暴露研究,以确定食物、宿主和微生物对受影响肠道微生物组的贡献

 

研究结论

本项研究对暴露于 PFAS 的野生捕获的淡水龟肠道微生物组的变化提供了见解。粪便的微生物群落比例发生了变化,表明受 PFAS 影响的淡水龟处于压力之下或经历了某种形式的肠道生态失调。代谢物的途径富集与生物合成、代谢和降解途径有关。受 PFAS 影响的样本显著富含氨基酸相关代谢和嘧啶代谢途径,而这些代谢途径在人类观察性研究已被确定为肠道生态失调的危险因素。

 

研究进一步指出,需要更多研究来在野生淡水龟的背景下对这些数据集的食物、宿主和细菌贡献需要进行表征,并与每次分析的可测量 PFAS 暴露水平联系起来。随后的收集不需要终止宿主以收集合适的样本,用于 PFAS 暴露的微生物组调查以及与宿主健康的联系。

 

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.156324

 

本期推荐关键词:三代测序   Nanopore   ONT全长16S  微生物   肠道菌群

 
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