解淀粉芽孢杆菌 K309 通过协同生物吸附和微生物代谢促进体内铜解毒

《Journal of Hazardous Materials》：Bacillus amyloliquefaciens K309 promotes copper detoxification in vivo through concerted biosorption and microbial metabolism

　　

摘要长期摄食高铜（Cu）饮食会导致育肥猪体内多器官铜蓄积，致使临床铜中毒发生率逐年增加，并对人类食品安全构成潜在风险。肠道益生菌因其能够螯合重金属离子并维持代谢稳态，在预防和治疗铜毒性方面展现出潜力。然而，其作用机制尚不清楚。本研究鉴定出一株从猪体内分离出的具有显著铜离子吸附能力的解淀粉芽孢杆菌 K309（Bacillus amyloliquefaciens K309）。补充解淀粉芽孢杆菌 K309 降低了断奶仔猪的血液和肠道铜水平，但增加了粪便铜排泄，从而减轻了肠道屏障损伤。进一步研究表明，解淀粉芽孢杆菌 K309 干预促进了肝脏胆汁分泌并抑制了 UCP2 表达。此外，在解淀粉芽孢杆菌 K309 干预后富集的肠道微生物群产生的木犀草素，也缓解了铜中毒小鼠的症状。在机制上，木犀草素通过促进 ASB4 对 UCP2 的 K48 连接多聚泛素化降解的靶向，缓解了高铜诱导的肝细胞凋亡。这些发现确立了解淀粉芽孢杆菌 K309 作为预防和治疗铜毒性的关键微生物，揭示了该菌株此前未报道的生物吸附和代谢调节的双重新功能。

引言铜（Cu）是生物体必需的微量元素之一。它以 Cu2+ 和 Cu+ 离子形式存在于动物体内，并维持在相对稳定的浓度 [1]。铜调节动物体内各种重要的生物学过程，促进生长并增强免疫力，因此常被添加到畜牧业动物的饲料中 [2]。然而，过量摄入会导致组织损伤，引起肝肾功能障碍、溶血等严重症状，甚至死亡。过量铜摄入不仅影响动物，也是环境中重要的重金属污染物 [3]。它最终通过作物、畜产品甚至饮用水对公众健康构成风险。

益生菌作为有效的生物修复策略，通过多种机制从体内和环境去除重金属。益生菌吸附重金属（如铜、镉和铅）并缓解动物铜中毒的机制主要涉及生物吸附和代谢过程 [4]。益生菌细胞壁富含羧基（-COOH）和羟基（-OH）等功能基团 [5]。这些基团通过静电吸附、络合和螯合等机制有效吸附重金属离子，从而提高去除效率。例如，韦拉链霉菌 LD22（Streptomyces werraensis LD22）通过其功能基团对六价铬表现出极强的吸附能力 [6]。近期研究表明，凝结芽孢杆菌 XY2（Bacillus coagulans XY2）通过生物吸附缓解铜毒性 [7]。罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus johnsonii）和鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）也可以在宿主体内肠道内螯合 Hg(II) 和甲基汞，从而促进粪便 Hg 排泄并减少组织中的 Hg 蓄积 [8]，[9]。事实上，植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）已被广泛报道主要通过重金属离子的生物吸附来抵消铅、镉和镍等各种重金属的毒性 [10]，[11]，[12]，但有必要进一步研究探索其他菌株作为膳食补充剂用于预防和缓解重金属毒性的潜力。

肠道微生物群还可以通过其代谢活动运输生物活性分子，从而减轻重金属中毒对宿主的有害影响 [13]，[14]。研究表明，铜暴露会导致肠道微生物群失调，伴随短链脂肪酸（SCFA）浓度降低，特别是具有屏障保护功能的丁酸盐水平降低，从而损害结肠上皮屏障 [15]。然而，特定的益生菌如乳杆菌属（Lactobacillus）和梭菌属（Clostridium）可以通过保守的代谢途径促进乙酸和丁酸盐的产生，增加肠道屏障完整性，并通过β-氧化减轻铜毒性引起的氧化损伤 [16]。此外，某些具有强效抗氧化和抗炎特性的膳食黄酮类化合物，被特定的肠道微生物群代谢为生物可利用的活性形式。木犀草素（3′,4′,5,7-四羟基黄酮）是一种具有抗氧化特性的天然黄酮类化合物 [17]。近期研究表明，木犀草素与紫杉醇联合应用可协同抑制上皮 - 间质转化，从而减少细胞迁移并诱导凋亡 [18]。更重要的是，木犀草素对肝损伤表现出强效的肝保护作用。然而，鉴于高铜环境对肠道和肝脏的不利影响，共生微生物调节宿主解毒的潜在机制尚不清楚。

解偶联蛋白 2（UCP2）是位于线粒体内膜的转运蛋白。其主要功能是通过介导线粒体质子泄漏来调节能量代谢和氧化还原平衡，从而降低膜电位 [19]。UCP2 在不同组织和疾病中发挥不同的功能作用。例如，UCP2 敲低会诱导促炎和促纤维化的内皮表型 [20]。在胰岛中，IL-1β通过 UCP2-线粒体 DNA (mtDNA)-STING 轴驱动β细胞自身炎症 [21]。UCP2 在肝细胞中极少表达。然而，在某些病理条件下，肝细胞可以表达高水平的 UCP2。一项研究表明，UCP2 表达促进了急性肝损伤引起的肝细胞凋亡 [22]。尽管已有大量工作研究了 UCP2 在抗氧化应激中的作用，但其在重金属中毒诱导的组织损伤中的作用及其与肠道微生物群的联系仍知之甚少。

我们的研究揭示了解淀粉芽孢杆菌 K309（B. amyloliquefaciens K309）是缓解铜毒性的关键益生菌株。补充解淀粉芽孢杆菌 K309 促进粪便铜排泄，从而降低血清和肠道铜水平。此外，解淀粉芽孢杆菌 K309 干预调节了肠道微生物群组成，改善了宿主代谢，并增加了木犀草素的产生。在机制上，解淀粉芽孢杆菌 K309 通过其生物吸附效应将铜排出体外。同时，解淀粉芽孢杆菌 K309 干预后富集的肠道微生物群代谢产物木犀草素，激活 E3 泛素连接酶锚蛋白重复序列和 SOCS 盒含有 4（ASB4），增强 UCP2 的 K48 连接多聚泛素化，并减轻由 UCP2 不稳定引起的肝细胞凋亡。根据我们的研究，解淀粉芽孢杆菌 K309 在预防和治疗重金属中毒方面具有新功能。

章节片段

动物与实验设计本研究利用来自中国吉林省某农场的 6 周龄地方品种大白猪仔猪。所有仔猪体重均为 8 ± 2 kg。经过一周的适应期后，动物被均匀分配到不同的实验组中。每个猪舍饲养六只仔猪。实验持续 37 天，包括两个阶段：(1) 解淀粉芽孢杆菌 K309 灌胃（第 -7 至 0 天）：所有仔猪均饲喂仔猪日粮（含有 20 mg Cu/kg 硫酸铜）并每日给予解淀粉芽孢杆菌 K309

铜生物吸附相关共生微生物的筛选据报道，乳杆菌属（Lactobacillus）具有广泛的重金属生物吸附能力 [29]。为了进一步筛选其他具有铜生物吸附活性的候选益生菌，我们将先前从健康民猪粪便中分离的多个菌株在硫酸铜溶液中培养。以罗伊氏鼠李糖乳杆菌 GG（L. rhamnosus GG）、罗伊氏乳杆菌（L. reuteri）和植物乳杆菌 NC8（L. plantarum NC8）作为对照，我们测量了培养上清液中未吸附铜的量。与先前报告的结果一致，该

讨论在养猪生产中，高剂量铜补充剂被广泛用于增重和减少细菌性腹泻 [32]。然而，过量铜摄入是一种短视的做法，损害了环境安全和动物的长期健康 [33]。先前的研究表明，高浓度铜会引起猪肠道微生物群失调并损伤黏膜屏障。此外，铜在多种组织中的蓄积可导致肝功能

结论总之，我们首次鉴定出猪源解淀粉芽孢杆菌 K309 菌株在缓解铜毒性方面的双重功能：它通过生物吸附促进铜排泄，同时同时积累代谢产物木犀草素以抑制异常 UCP2 表达，从而发挥治疗效果。这一发现突出了肠 - 肝轴在铜代谢机制中的重要性以及微生物群来源代谢物在重金属治疗中的潜力

环境意义铜是动物必需的微量元素，在正常水平下参与众多生理过程。然而，过量铜摄入不仅引起显著的毒性，还会导致沿食物链逐渐蓄积，最终对人类健康和环境质量构成严重威胁。在本研究中，我们鉴定出一种新型解淀粉芽孢杆菌菌株，命名为 K309，它通过有效缓解铜诱导的肠道和肝脏损伤

伦理批准与参与同意所有动物程序均按照吉林农业大学《实验动物护理与使用指南》执行，并获得了吉林农业大学动物伦理委员会的批准。

意义陈述铜是动物必需的微量元素，在正常水平下参与众多生理过程。然而，过量铜摄入不仅引起显著的毒性，还会导致沿食物链逐渐蓄积，最终对人类健康和环境质量构成严重威胁。在本研究中，我们鉴定出一种新型解淀粉芽孢杆菌菌株，命名为 K309，它通过有效缓解铜诱导的肠道和肝脏损伤

出版同意不适用。

资助本工作得到了国家重点研发计划（2023YFD1800301）、吉林省科技发展计划（20260102183JC）、中国博士后科学基金（2025M783043）以及中国农业农村部农业科研体系（CARS-35）的支持。

CRediT 作者贡献声明 MC 完成了大部分实验。YS、TF、YL、CJ、ML、JW、LJ、WY、NW、HH、XC、YZ 和 HW 为某些实验做出了贡献和/或提供了支持。YS、BZ 和 SF 参与了动物研究并撰写了手稿。YS、TN、ML 和 GY 参与了炎症评估实验。MC 和 YS 分析并解释了数据。MC、GY、CW 和 CS 构思并设计了实验，解释了数据并撰写了手稿。CS 担任本现任

CRediT 作者贡献声明 程明阳：写作 – 初稿，形式分析，概念化。王春峰：写作 – 审阅与编辑，监督，资金获取。范淑辉：调查。刘明晓：方法论。石春伟：写作 – 审阅与编辑，资源，项目管理。王宏远：调查。杨桂连：验证，项目管理。邹博石：数据整理。江晨曦：数据整理。曹鑫：方法论。李明涵：数据整理。曾燕：方法论。南

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