图文导读
近日，滨海与深海生态环境研究中心团队联合中国环境监测总站、广西大学海洋学院在国际微生物生态学顶级期刊 《The ISME Journal》 发表评论性综述论文“Deciphering the Universal Role of Gut Microbiota in Pollutant Transformation”。该综述首次从“一个星球，一个健康（One Planet, One Health）”的视角，系统阐述了从无脊椎动物到人类等13个类群生物的肠道微生物群对超过490种环境污染物（包括持久性有机污染物、重金属、药品和个人护理品、工业添加剂等）的转化能力。文章还揭示了肠道微生物群在污染物转化中的普遍作用，探讨了肠道微生物转化对污染物生物利用度、毒性和命运的影响，同时提出了“污染物—肠道微生物群—宿主”相互作用的系统化研究方向，倡导将肠道微生物的转化能力整合到跨学科研究范式中。
滨海与深海研究中心冯景春教授和广西大学徐向荣教授为研究论文的共同通讯作者，广东工业大学侯瑞教授和中国环境监测总站金小伟正高级工程师为本文共同第一作者；南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）张偲院士、广东工业大学杨志峰院士、薛靖川教授、俄克拉荷马大学周集中院士、澳大利亚弗林德斯大学张卫院士、香港科技大学钱培元教授、广西大学余克服教授、重庆医科大学陈承志教授、华大基因研究院邹远强研究员等为本文的共同作者。该研究得到了国家自然科学基金（42277390, 42322710, 42325603, 42494884）、广东省基础与应用基础研究（2024B1515020074）和广西科技计划（AD25069075）等项目支持。
文字摘要
肠道微生物作为宿主体内一个关键却未被充分探索的“第二基因组”，在地球生态系统的污染物转化过程中发挥着核心驱动作用。本文综述了当前对涵盖多种生物的490余种污染物的研究进展，揭示了肠道微生物普遍参与调节污染物暴露的重要角色。研究表明，肠道微生物通过进化上保守的代谢通路，对广泛的环境污染物进行转化，从而深刻改变其在宿主体内的生物可利用性、归趋及毒性潜力。本文系统阐明了污染物转化反应及其与特定肠道微生物所演化出的代谢酶之间的关联，突出了微生物转化过程相较于宿主代谢所具有的高度特异性和互补性特征。通过整合多学科研究，我们揭示了肠道微生物、宿主生理状态与环境污染物之间复杂而动态的相互作用，并提出了参与该生物转化过程的关键驱动因素。此外，本文批判性评估了现有研究方法，并展望了新一代技术手段在揭示肠道微生物驱动污染物转化机制中的应用前景。本综述强调系统化研究“污染物—肠道微生物—宿主”交互作用的必要性，呼吁将肠道微生物的污染物转化角色纳入毒理学、微生物学与生态学等多学科交叉研究范式之中。
引言
环境污染在人类世对生态和人类健康构成严峻挑战。传统毒理学聚焦于宿主与污染物的直接作用，而最新证据表明肠道微生物是环境暴露与毒性响应的关键中介。这一复杂群落包含数万亿微生物，基因库远超宿主，行使外源物转化等多种关键功能，被视为宿主的“外部器官”。肠道微生物通过影响污染物的吸收、分布、代谢和排泄（ADME），重塑了环境毒理学。作为饮食污染物的首道屏障，其结构和功能易受抗生素、重金属等各类环境毒物的扰动，并通过“肠-X轴”引发肠道损伤、肝病等多种毒性效应。同时，肠道微生物拥有的丰富酶系可驱动污染物的生物转化，显著改变其生物可利用性和毒性。近期研究在污染物转化方面取得进展，涉及：1）关键微生物及其活性；2）转化路径与机制；3）毒性变化。这些发现推动了从单纯宿主导向到重视“宿主-微生物共生”的综合毒理学范式转变。
尽管已有综述探讨了污染物对菌群的影响，但针对肠道微生物驱动污染物转化的机制性总结，尤其在“One Health”框架下涵盖多物种的综述仍然不足。肠道菌群的多域组成（细菌、古菌、真菌、病毒）、物种间差异、污染物特性以及宿主因素（遗传、环境）共同导致了转化机制的复杂性和多样异质性，理解污染物-微生物-宿主互作下的转化调控仍待深入探讨。因此，本综述整合毒理、微生物和生态学知识，旨在提供理解肠道微生物驱动转化如何塑造污染物归宿和影响的框架，内容涵盖：1）其在ADME中的作用全景；2）转化途径、功能微生物及毒性效应总结；3）“污染物-菌群-宿主”互作驱动因素分析；4）方法学进展与未来挑战。
成果简介
01 肠道微生物群驱动的转化及其对污染物吸收、分布、代谢和排泄（ADME）过程影响
污染物在生物体内的吸收、分布、代谢与排泄过程共同决定其内在暴露水平与毒性效应。在这一复杂网络中，宿主与肠道微生物之间的协同转化作用是影响最大却尚未被充分认知的过程。宿主代谢（以肝脏为代表）主要在富氧环境下通过细胞色素P450等酶系催化氧化及结合反应，而肠道微生物则因其栖居于低氧或厌氧环境，更偏向于驱动还原、水解等反应。首先，经摄食途径的污染物在进入体内循环前会经历肠道微生物的“首过代谢”；另外，部分经肝脏代谢后由胆汁排泄的II相结合物，也可在肠道被微生物酶（如β-葡萄糖醛酸酶）解离，重新释放出活性母体化合物，产生“肠肝循环”，延长其在体内的滞留时间。根据污染物的化学特性与暴露途径，肠道微生物的转化作用可归纳为四种典型情景（Box 1）：直接转化；间接转化（涉及肠肝循环）；不显著的转化；以及真实环境中混合暴露下的协同转化。正确区分这些转化场景对于准确评估污染物在真实暴露条件下的毒理学行为至关重要。
Box 1. Overview of the complex metabolic network of pollutants in the host-gut microbiota cooperative process (A) and the four proposed scenarios of pollutant transformation with respect to the gut microbiota (B).
02 肠道微生物群驱动的污染物转化的普遍性
通过数据汇总，本研究发现肠道微生物转化环境污染物的能力具有显著的底物广度与跨物种普遍性（图1）。传统有机污染物如持久性有机污染物（POPs）和农药可经由微生物介导的脱卤、偶氮还原、硝基还原等途径被转化；金属类污染物（如砷、汞）则经历复杂的还原、甲基化与硫代化过程，显著改变其生物有效性与毒性。药品及个人护理产品（PPCPs）中许多前药设计依赖肠道微生物的还原或水解作用以实现靶向释放；霉菌毒素、聚合物（如塑料）以及新兴污染物（如阻燃剂、增塑剂）也均可被肠道微生物不同程度地修饰。对13个动物分类群的比较分析显示，还原反应是无脊椎动物到脊椎动物中最为普遍的微生物转化类型，水解及官能团去除反应也广泛存在。尽管氧化反应因肠道厌氧环境而相对受限，但在部分无脊椎动物及含有兼性厌氧菌的脊椎动物肠道中仍有发生。物种间转化效率与路径的差异主要归因于肠道微生物组成、宿主生理结构以及外部环境因素的综合影响。
Figure 1. The distribution of pollutant biotransformation by gut microbes from mammals and non-mammal fauna. (A) The consensus evidences with pollutant-microbe-reaction triads (with detailed information from Tables S1–S6). Reaction types are annotated by color (oxidation [red], reduction [blue], hydrolysis [gray], and functional group transfer [green]). (B) Diversity of transformable pollutants and reaction types across 13 taxonomic groups. The size of the circles represents in the left the number of transformable pollutants for a particular category. The symbols in the right indicate whether a certain reaction was reported for the gut microbial transformation within a certain taxonomic group. Organisms categorized as follows (top to bottom): other invertebrates, diptera insects, worm, fish, chicken, horse, cattle, sheep, pig, dog, rabbit, rat and human. Abbreviations for some types of the pollutants: organophosphate pesticides (OPs), nitrated polycyclic aromatic hydrocarbons (NPAHs), persistent organic pollutants (POPs), and pharmaceuticals and personal care products (PPCPs).
03 驱动肠道微生物生物转化的主要因素
本综述进而提出了肠道微生物对污染物的转化效率与路径的调控因素：污染物本身结构，微生物功能酶系统，以及宿主生理状态（图2）。从化学结构视角，污染物分子中若含偶氮基、硝基、酯键、环氧基等易受攻击的子结构，则更易被特定微生物酶识别与转化。同时，污染物（如抗生素、重金属）也可能对微生物产生直接抑制毒性，从而削弱其整体转化能力。在微生物机制层面，厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门等细菌类群是外源物代谢酶（如偶氮还原酶、硝基还原酶、β-葡萄糖醛酸酶）的主要来源；此外，古菌和真菌等非细菌成员也在砷甲基化、聚合物降解等过程中发挥作用。宿主因素方面，肠道形态结构、食性、消化道停留时间以及个体遗传背景等均能通过调控微生物群落结构与代谢活性，间接影响污染物转化效率。理解这三方面因素的交互作用，是揭示物种间差异及真实环境中转化动态的关键。
Figure 2. Key goals for investigating gut microbiota-driven transformation and multidisciplinary research in light of “pollutant–gut microbiota–host” interactions.
04 呼吁采用新方法阐明肠道微生物驱动的污染物转化
本综述认为当前研究范式在解析“污染物 微生物 宿主”复杂互作网络方面仍面临方法学挑战（图3）。在计算预测方面，已有工具如BioTransformer、GutBug等可基于化学结构预测微生物转化路径，但受限于肠道微生态的复杂性与可用高质量数据的缺乏，预测准确性仍有待提高。实验模型方面，体外批量培养与连续模拟系统（如SHIME）能部分模拟肠道环境，但难以完全复现宿主 微生物互作的真实生理环境；无菌动物、抗生素干预及粪菌移植等体内模型虽能提供功能证据，却存在外推性差、操作复杂等问题。未来应着力发展人源化微生物模型、肠道类器官及微流控芯片肠道等仿生系统，并结合稳定同位素示踪技术（如DNA SIP、¹³C 代谢流分析）与多组学整合分析，以实现对转化路径、关键微生物及代谢通路的精确解析。在毒理学评估层面，建议将效应导向分析、生理基毒代动力学模型等工具纳入研究体系，从而系统量化微生物在污染物毒性结局中的作用。
Figure 3. Existing methodologies and development directions for gut microbiota-driven pollutant transformation. Abbreviations: database (DB), artificial intelligence (AI), gut microbiota (GM), high-resolution mass spectrometry (HRMS), stable isotope probing (SIP), physiologically based toxicokinetics (PBTK), absorption, distribution, metabolism and excretion (ADME), molecular initiating event (MIE), key event (KE), modes of action (MOA), toxicity identification evaluation (TIE), and effect-directed analysis (EDA).
结论与展望
本综述阐明，肠道微生物通过还原、水解、官能团去除及氧化等多种反应广泛参与环境污染物的转化，深刻影响其生态风险与健康效应。未来研究应致力于揭示长期低剂量暴露与复合污染下的微生物转化规律，阐明关键功能微生物及其互作机制，并发展宿主微生物系统生物学模型以整合多层次互作信息。将“污染物 肠道微生物 宿主”相互作用嵌入“同一个健康”框架，不仅有助于革新化学品风险评估与污染控制策略，也将为精准毒理学、环境医学及生态健康管理等跨学科领域提供新视角。对这一前沿领域的持续探索，有望在人类世背景下为维系生态系统稳定与生物多样性保护提供科学基础。
原文信息
Rui Hou,1 Xiaowei Jin,1Jingchun Feng,* Jingchuan Xue, Yuanqiang Zou, Xiangrong Xu,* Kefu Yu, Peiyuan Qian, Jizhong Zhou, Si Zhang, Zhifeng Yang. Deciphering the Universal Role of Gut Microbiota in Pollutant Transformation. The ISME Journal 2025, wraf215.
