综述：海洋食品中砷的生物转化作用与肠道微生物群：对其生态毒理学及健康风险影响的综述

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Biotransformation of seafood arsenic by intestinal microbiota: A critical review on ecotoxicological and health risk implications

本文系统综述了肠道微生物对海产品中砷的代谢转化机制，包括无机砷（iAs）的氧化、还原和甲基化路径，以及有机砷（如AsB、AsSugars、AsLipids）的生物降解过程。研究发现，微生物通过硫代、甲基化等反应显著改变砷形态，生成高毒性中间产物，并影响宿主健康风险。提出需整合微生物组、代谢组学及毒理学方法建立新型风险评估模型。

　　砷是一种广泛存在于海洋环境中的有毒元素，是人类通过饮食暴露的主要途径之一。海鲜，尤其是藻类、贝类、鱼类和甲壳类动物，是砷的主要来源。砷在海鲜中的存在形式复杂多样，包括低毒性的有机砷化合物，如砷胆碱（AsB）和砷糖（AsSugars），以及高毒性的无机砷（iAs）。尽管人类肠道微生物群已知在砷代谢中起关键作用，但目前对于这些复杂生物转化过程，特别是有机砷的系统性总结仍显不足。本文旨在填补这一知识空白，通过全面分析微生物介导的砷代谢机制，为改善生态毒理模型、准确评估海鲜摄入相关的健康风险以及制定基于科学证据的公共卫生指南提供支持。

在海鲜中，砷的分布和毒性因种类而异。鱼类，如鲑鱼和金枪鱼，通常含有较高的总砷含量，但其主要形式为砷胆碱，占总砷的95%以上，而无机砷的比例通常较低。贝类，如牡蛎、蛤蜊和贻贝，因其滤食特性，能够从海水和沉积物中吸收砷，其总砷含量通常在3-27 mg/kg之间，某些种类如砗磲甚至可以达到57 mg/kg。甲壳类动物，如虾和蟹，其砷含量相对较低，但主要以砷胆碱形式存在，占总砷的80%-95%。藻类，特别是海带和紫菜，不仅富含膳食纤维、维生素和叶酸，还是天然碘的重要来源。然而，海带等某些藻类的无机砷含量较高，如海带中无机砷五价形式（iAsV）占比高达40%-60%，这引发了食品安全方面的担忧。

尽管有机砷通常被认为毒性较低，容易通过尿液排出，但其代谢过程可能涉及去甲基化，转化为更具毒性的母体化合物。此外，无机砷在人体内的代谢可能产生有毒中间产物，导致生物蓄积，因此对砷物种的毒性评估和长期健康风险分析面临重大科学挑战。然而，传统理解往往忽视了人类消化道中的生化环境，其中复杂的宿主-微生物相互作用可能显著改变砷的物种和生物可利用性。越来越多的证据表明，肠道微生物群积极参与砷的生物转化过程，包括氧化还原反应、甲基化和硫化反应。例如，某些藻类和贝类中的砷糖（AsSugars）和砷脂类（AsLipids）可能在肠道微生物的作用下分解为甲基化砷化合物（MeAs）、高毒性无机砷（iAs）以及硫化砷化合物。值得注意的是，长期被认为无活性的砷胆碱（AsB）可能在肠道微生物的转化下生成无机砷（iAs），这一发现暗示了当前风险评估模型可能未能充分考虑微生物活动对砷在人体内的行为。

本文首次系统分析了由人体肠道微生物介导的海鲜来源砷的生物转化过程。通过总结不同海鲜中砷的代谢模式，我们发现砷转化的微生物响应和转化路径具有高度的复杂性和多样性。这些转化过程涉及特定细菌的代谢活动，如某些细菌能够将砷胆碱转化为无机砷，而另一些则参与砷糖和砷脂类的分解。研究还揭示了肠道微生物在调节砷生物毒性及在宿主体内蓄积中的关键作用。然而，目前关于有机砷的代谢研究仍显不足，特别是其与肠道微生物群的相互作用机制仍需深入探讨。

在无机砷的代谢方面，研究显示，肠道微生物能够通过氧化还原反应将其转化为不同形式。例如，无机砷五价（iAsV）可能被还原为三价（iAsIII），而某些微生物则能将三价砷进一步转化为甲基化产物，如单甲基砷酸（MMA）和二甲基砷酸（DMA）。这些转化过程不仅有助于砷的解毒，还可能影响其生物可利用性。然而，目前的研究主要集中在无机砷的代谢上，对有机砷的代谢机制了解仍然有限。

在评估砷的毒理学意义和健康风险时，我们发现，传统风险评估体系通常采用四种方法：体外胃肠道模拟消化、动物模型、砷物种分析与暴露评估指标结合、以及流行病学调查。然而，这些方法大多未能考虑肠道微生物介导的转化过程，导致对砷在人体内的实际行为和毒性评估不够全面。相比之下，基于肠道微生物群的风险评估方法则更加注重微生物在砷代谢中的作用，通过分离培养模型、分子毒性分析、整合宏基因组学、代谢组学和单细胞测序技术，以及体外微生物-肠上皮细胞共培养模型等手段，更全面地评估了砷转化产物对宿主细胞的影响。

在分析方法上，当前的研究主要依赖于高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱（HPLC-ICP-MS）等技术，这些技术能够有效检测大多数常见的海鲜中的砷物种。然而，对于低浓度的甲基化砷化合物，如某些甲基砷同系物和未知的砷脂类衍生物，这些技术可能存在干扰，从而影响对超痕量成分的检测效率。此外，高脂肪海鲜中的砷脂类由于溶解性问题，往往在现有的检测协议中被忽视，导致对实际暴露风险的低估。因此，未来的研究需要开发更精确的检测技术，以提高对低含量砷物种的识别能力，并整合稳定同位素追踪和代谢组学等方法，以解决当前分析方法中的瓶颈问题。

尽管目前的研究已经揭示了肠道微生物在砷代谢中的重要作用，但仍存在三个核心研究空白。首先，低丰度砷物种的代谢机制尚不明确，特别是某些甲基化砷化合物和未知的砷脂类衍生物。其次，微生物与砷之间的动态相互作用机制仍未完全阐明，包括不同细菌群落如何影响砷转化以及膳食纤维和肠道pH等微环境因素的调节作用。第三，缺乏可靠的体内风险评估模型，目前的研究多依赖于体外模型或动物实验，而这些方法存在个体差异，无法全面反映人类肠道微生物的复杂性。

针对这些研究空白，未来的研究方向应包括建立体内和体外风险评估模型，开发模拟肠道环境的微生物培养系统，深入研究砷胆碱、砷糖等化合物在肠道中的转化机制，并量化有毒代谢产物的生成。通过动物实验和对不同人群肠道微生物组成的分析，未来的研究应评估由微生物介导的砷暴露个体化风险，并优化安全阈值的计算。此外，应进一步探索膳食成分如何调节这些细菌的代谢路径，如抑制有毒转化或增强解毒过程，并评估未知中间产物对肠道和全身健康的潜在影响，以弥补传统风险评估方法的不足。

综上所述，本文强调了人体肠道微生物在海鲜中砷代谢中的关键作用，指出微生物介导的转化过程可能改变砷的物种组成、调节其生物可利用性，并在某些情况下生成高毒性代谢产物。虽然当前的研究已经揭示了这些转化途径的毒理学意义，但在微生物-砷代谢和相关健康结果之间的机制性联系方面仍存在较大不确定性。解决这些空白需要将微生物学、分析化学和毒理学相结合，开发动态、机制导向的健康风险评估模型，从而为基于科学证据的海鲜消费指南提供坚实的科学基础。