研究背景导读
自然界中动物与微生物往往以共生体的形式存在。环境污染物不仅能够直接影响宿主动物的生理生化过程而导致毒性，也能通过干扰共生菌群落结构间接导致宿主损伤。目前大多数研究都聚焦于肠道微生物与宿主的关系，是近年来的一个研究热点，而对于蚯蚓等典型土壤动物来说，表皮微生物深度参与了宿主与环境之间的营养交换，其群落变化可能对宿主毒性产生重要影响。然而当前蚯蚓等典型土壤动物表皮微生物的类型、群落结构与污染响应机制尚不明确，其与宿主毒性的耦合关系有待揭示。
图1. 表皮异养微生物通过摄取宿主蚯蚓的金属元素与营养代谢物加剧纳米零价铁与磷酸三（2-氯乙基）的复合毒性
文章内容概要
基于以上研究背景，浙江大学生态文明研究院生态治理方向林道辉教授团队在Eco-Environment & Health期刊上发表了题为“Epidermal microorganisms contributed to the toxic mechanism of nZVI and TCEP in earthworms through robbing metal elements and nutrients”的研究论文。该论文量化了典型复合污染场景下肠道和表皮共生菌群落变化与宿主蚯蚓毒性效应的耦合关系，强调表皮微生物群落及其营养物质摄取能力可能在主导污染物宿主毒性方面发挥重要作用。
本研究设计了土壤污染（纳米零价铁和磷酸三（2-氯乙基）酯）的单一和组合情景，通过宏基因组等技术比较研究了肠道和表皮共生微生物丰度变化与宿主生长、消化、抗氧化等生理生化毒性终点的耦合关系。结果表明，肠道中29个属的微生物在暴露于nZVI、TCEP或nZVI-TCEP复合暴露后显著变化。在前15个属中，有5个属和3个属分别归入变形菌门和厚壁菌门（图2A）。而在表皮微生物中，有357个属表现出显著的变化。在已知的前15个属中，微杆菌属、农霉菌属、生根瘤菌属、剑菌属和凯斯特亚菌属的丰度相对较高（图2B）。Pearson相关性分析表明（图2C和D），仅有15%的肠道微生物丰度变化与宿主毒性终点高度相关，而高达45%的表皮微生物与宿主毒性终点高度相关，表明该典型复合污染场景下，体表微生物群落变化对宿主毒性具有较大贡献。
图2. 暴露于 nZVI、TCEP 和 nZVI-TCEP 后共生微生物群落及其与宿主毒性终点的关系。蚯蚓肠道（A）和表皮（B）微生物群落（属水平）多物种差异检验直方图；生理生化指标与蚯蚓肠道（C）和表皮（D）微生物（属水平）的 Pearson 相关性分析
通过微生物群落功能分析及文献调研，发现表皮微生物以异养微生物为主，其中多数具有较为突出的金属元素和碳水化合物摄取能力。进一步验证表明，nZVI和磷酸三（2-氯乙基）复合暴露下，一些微生物如短波单胞菌属、微杆菌属、生根瘤菌属和剑菌属等成为优势菌，伴随着与锌、铜和锰吸收相关的金属反应蛋白基因（Fur、CueR、ScaC）以及糖类/氨基酸吸收代谢基因（Bgl、LacZ、PabcT）丰度的显著变化。于此同时，nZVI-TCEP复合暴露下宿主蚯蚓体内锌、铜、锰等微量元素以及葡萄糖、乳糖、谷氨酰胺等能量代谢物出现显著下调，并表现出协同效应。这表明复合暴露下，表皮异养微生物的营养摄取能力提升与宿主蚯蚓体内金属元素以及营养代谢物缺乏的生理生化表现相吻合，由此推测表皮微生物的异养功能加剧了复合暴露导致的蚯蚓营养缺乏症。上述研究结果增进了对环境胁迫下共生菌特别是表皮微生物对宿主毒性效应的认识。
图3. 表皮微生物中关键物种功能及其暴露于 nZVI、TCEP 和 nZVI-TCEP 后功能基因相对丰度。(A) 根据现有文献归纳的微生物功能和弦图；(B) 不同处理组中金属反应蛋白（Fur、CueR、ScaC 和 MntR）和糖类/氨基酸吸收（Bgl、LacZ、NocR 和 PabcT）相关基因表达变化
该论文第一作者为侯杰副研究员，通信作者为林道辉教授。该研究得到国家重点研发计划（2022YFC3702103）等项目资助。
文章引用
Jie Hou, Meirui Yang, Xinyue Wu, Qiqi Chen, Yuqi Lu, Jianying Zhang, Daohui Lin*, Epidermal microorganisms contributed to the toxic mechanism of nZVI and TCEP in earthworms by robbing metal elements and nutrients, Eco-Environment & Health (Eco-Environ. Health), 2023
https://doi.org/10.1016/j.eehl.2023.11.001
第一作者简介
侯杰，浙江大学环境与资源学院副研究员。主要研究方向为纳米材料-生物界面互作过程与环境应用，在ACS Nano、Environ. Sci. & Technol.、Eco-Environ. & Health等刊物发表论文38篇，其中第一作者/通讯作者17篇，主持国家自然科学面上和青年基金项目、国家重点研发计划子课题、浙江省“领雁”研发攻关计划项目等，联系邮箱：hou-jie@zju.edu.cn。
通信作者简介
林道辉，浙江大学求是特聘教授，获国家杰出青年基金，入选国家“万人计划”等，任浙江大学环境过程研究所所长、浙江省有机污染过程与控制重点实验室主任、中国环境科学学会环境化学分会副主任委员，以及Environ. Pollut.、Sci. Total Environ.、Ecotoxicol. Environ. Saf.等SCI期刊编委。科研方向为环境化学，主持国家重点研发计划项目、国家基金重大项目课题/重点项目、浙江省自然科学基金重大项目等。在Nat. Nanotech.、ACS Nano、Small、Environ. Sci. & Technol.、Water Res.、科学通报等刊物发表230余篇学术论文，多年连续入选Elsevier中国高被引学者。目前研究/招生方向主要为纳米材料与污染物的环境行为与生态效应、功能纳米材料及其环境应用等。欢迎有志于科研工作的硕士/博士研究生、博士后、访问学者加盟。个人主页：http://mypage.zju.edu.cn/0098366。联系邮箱：lindaohui@zju.edu.cn。