锑形态依赖的雄性小鼠肠道微生物组中抗生素与金属抗性基因的富集及转录活性

《Journal of Environmental Management》：Antimony species-dependent enrichment and transcriptional activity of antibiotic and metal resistance genes in the gut microbiome of male mice

　　

摘要

肠道微生物组是抗生素抗性基因（ARGs）的储库，并对环境污染物敏感。环境和宿主相关微生物组中的 ARGs 可通过与金属抗性基因（MRGs）的共选择作用被金属及类金属元素富集。然而，作为一种普遍存在的毒性类金属元素，锑（Sb）诱导肠道微生物组中 ARGs 改变的机制尚不明确。在这里，通过整合基因组分辨宏基因组学和宏转录组学，我们表征了暴露于含 Sb(III)- 和 Sb(V)- 污染饮用水的小鼠肠道微生物组中 ARGs 和 MRGs 的基因组潜力和转录活性。我们发现 Sb(III) 和 Sb(V) 均显著增加了 ARGs 的丰度，但只有 Sb(III) 增强了 ARGs 的转录（288.40 ± 41.67 TPM，P < 0.05）。通过宏基因组组装基因组（MAGs）分析观察到 ARGs 和 MRGs 的共选择作用，并确定了驱动这一过程的关键分类群（例如 Eubacterium_J 和 Lachnospiraceae_COE1）。Sb(III)，而不是 Sb(V)，诱导了大环内酯 - 林可酰胺 - 链糖霉素抗性基因和 arsRABC 操纵子的协同调控。可移动遗传元件（MGEs）丰度和转录的增加表明，在 Sb(III) 胁迫下 ARGs 传播的潜在风险更高。本研究推进了我们对肠道微生物组中 Sb 和 ARGs 相互作用的 理解，并突出了 ARGs 潜在的依赖于化学物种的富集和转录激活。

引言

锑（Sb），一种高毒性的重金属类元素，在环境中普遍存在（He 等，2019）。据报道，Sb 化合物具有遗传毒性，并对皮肤、肺和胃肠道系统产生不利影响（Boreiko 和 Rossman，2020；Gebel，1997）。Sb 在环境中的毒性、迁移性和生物有效性取决于其化学物种。Sb 位于元素周期表第 15 族，外层轨道电子构型为 s²p³，其物种在环境中主要以 +3 和 +5 氧化态存在。具体来说，在好氧环境中，锑酸盐（Sb(OH)₆^-，Sb(V)）是主导物种，而在近中性 pH 条件的厌氧环境中，亚锑酸盐（Sb(OH)₃，Sb(III)）占优势（Filella 等，2002）。例如，美国爱达荷州一个采矿业附近湿地地表水中 Sb(V) 和 Sb(III) 的浓度分别高达 1503 μg L^?1 和 5.54 μg L^?1（Dovick 等，2016）。

肠道微生物组与宿主健康以及各种疾病的发生密切相关，例如炎症性肠病（Mehta 等，2023）、肾损伤（Tian 等，2023）和 2 型糖尿病（Fan 和 Pedersen，2021）。肠道微生物群的微生物群落结构和功能特征对环境污染物（如砷（Lu 等，2014）、多环芳烃（Redfern 等，2021）和细颗粒物（Zhao 等，2022））敏感。例如，暴露于亚砷酸盐后，小鼠肠道微生物组中丹毒丝菌科（Erysipelotrichaceae）的丰度减少了 10 倍以上，伴随吲哚乳酸产生减少 11.6 倍（Lu 等，2014）。由 Sb 暴露引起的肠道微生物组扰动越来越令人担忧。一项前瞻性队列研究揭示了 Sb 暴露与妊娠糖尿病之间的相关性，并推测肠道微生物组有所贡献（Zhang 等，2021）。暴露于 Sb(III) 会减少环毛蚓 Eisenia fetida 肠道微生物群落的多样性和稳定性（Huang 等，2021）。在 Sb(III) 暴露后，斑马鱼（Danio rerio）肠道微生物群发生显著扰动，例如梭杆菌门（Fusobacteriota）和放线菌门（Actinomycetes）增加（Wang 等，2022）。然而，哺乳动物肠道微生物组对 Sb 的反应仍然知之甚少。

重金属污染被广泛报道通过共选择作用促进抗生素耐药性，从而加剧全球抗生素耐药性（AMR）负担，并对人类健康和生态系统构成威胁（Gao 等，2025）。预计到 2050 年，AMR 每年将在全球范围内导致约 1000 万人死亡（Murray 等，2022）。基因组分析显示，共选择主要源于 ARGs 和 MRGs 在同一基因组元件（如质粒）上的共定位（Gao 等，2025）。在采矿影响的环境中，已显示多重耐药基因与多金属抗性基因共存（Yi 等，2022）。具体来说，在铜污染土壤中观察到 ARGs 丰度和多样性的升高，并伴随与 MGEs 的正相关，表明 ARGs 富集和传播的潜力高（Hu 等，2016）。同样，据报道高剂量砷暴露会增强婴儿肠道微生物组中 ARGs 的富集（Xiong 等，2025）。

肠道微生物组已被认为是 ARGs 的储库及其传播的关键热点（Zeng 等，2026）。饮用水可以显著改变肠道微生物组的耐药组特征（Zhou 等，2024）。已显示 ARGs 的高多样性和丰度可通过饲养动物进行传播，肠道作为 ARGs 获取和积累的热点（Su 等，2017）。此外，据报道暴露于锌、铜和铅胁迫会促进肠道微生物组内 ARGs 的转移（Lin 等，2023）。然而，受 Sb 污染的水对肠道微生物组中 ARGs 的影响及其潜在机制仍然未知。

在本研究中，我们旨在阐明不同化学物种的 Sb（Sb(III) 和 Sb(V)）对肠道微生物组中 ARGs 的影响，并揭示潜在机制。进行了基因组分辨宏基因组学和宏转录组学分析，以表征暴露于含 Sb(III)- 和 Sb(V)- 污染饮用水的小鼠中 ARGs 和 MRGs 的基因组潜力和转录反应。通过基于宏基因组组装基因组（MAG）的分箱分析，确定了与 Sb(III) 和 Sb(V) 暴露相关的生物标志物分类群。确定了驱动 Sb 诱导的 ARGs 积累和转录激活的关键参与者。总之，本研究为 Sb 暴露下 ARGs 的富集和传播提供了新见解，并为“同一健康”行动框架下的 ARGs 风险评估做出了贡献。

章节摘要

动物实验

为了研究受 Sb 污染的饮用水对肠道微生物组的影响，从中国北京维通利华实验动物技术有限公司购买了总共 18 只小鼠（六周龄，雄性，无特定病原体（SPF），C57BL/6J）。小鼠驯化一周后，随机分为三组：（1）Sb(III)-处理组，饲喂含有 10 mg L^?1 Sb(III) 的水，该水使用酒石酸锑钾半水合物（K(SbO)C₄H₄O₆·1/2H₂O）制备；（2）Sb(V)-处理组，饲喂水

肠道和全身炎症评估

测量了两种肠道炎症敏感生物标志物脂卡琳 -2（Lcn-2/NGAL）和钙卫蛋白的粪便浓度。如图 1 所示，Sb(III)-处理组的粪便 Lcn-2 水平（47.57 ± 7.22 ng/g）显著高于对照组（27.38 ± 2.94 ng/g，P = 0.045）。Sb(V)-处理组的 Lcn-2 水平也升高了（59.99 ± 7.88 ng/g，P = 0.005）。同样，Sb(III)-处理组的粪便钙卫蛋白水平

讨论

在这项工作中，我们首次揭示了受 Sb 污染的饮用水诱导的肠道微生物组中 ARGs 的依赖于化学物种的富集和转录激活。尽管 Sb 对斑马鱼（Wang 等，2022）和环毛蚓（Huang 等，2021）肠道微生物群落、植物根际（Yu 等，2021）、土壤（Sun 等，2017）和尾矿（Xiao 等，2016）的有害影响被广泛报道，但 Sb 对哺乳动物肠道

结论

在本研究中，我们首次报道了受 Sb 污染的饮用水诱导的肠道微生物组中 ARGs 的依赖于化学物种的富集和转录激活。基因组分辨宏基因组学和宏转录组学揭示，Sb(III) 和 Sb(V) 均显著增加了 ARGs 的丰度，但只有 Sb(III) 增强了它们的转录活性。ARGs 富集主要通过 与 MRGs 的共选择作用发生，由 COE1、Eubacterium_J 和 Anaerotruncus 驱动

CRediT 作者贡献声明

尹志鹏：撰写 – 审查与编辑，撰写 – 初稿，可视化，方法论，调查，资金获取，形式分析。平华：撰写 – 审查与编辑。李成：撰写 – 审查与编辑，资源，方法论，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何可能影响本文所报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（42407501）、北京农林科学院优秀青年科学基金（YKPY2026009）、山东省自然科学基金（ZR2024QD094）、质量标准与检测技术研究所科研基金（ZBSKFKT202504 和 ZBSKFKT202501）、北京农林科学院科技创新能力建设项目（KJCX20251007）、北京市农林科学院青年基金

尹志鹏|平华|李成

北京市农林科学院质量标准与检测技术研究所，北京，100097，中国