ACS Nano：微塑料对不同动物肠道微生物群的影响—基于机器学习

文摘 2025-01-13 09:02 瑞士

原文献信息：Yin, L.; Yang, M.; Teng, A.; Ni, C.; Wang, P. et al. Unraveling microplastic effects on gut microbiota across various animals using machine learning. ACS Nano 2024.

摘要：

微塑料作为一种迅速扩散且持久的污染物，已被证实会对多种动物的肠道微生物群产生显著影响。然而，全面对比微塑料对这些物种肠道微生物群影响的分析仍然有限，且驱动这些影响的关键因素仍有待阐明。为解决这些问题，我们收集了来自六个动物类别的 1352 个肠道微生物群样本，运用机器学习进行深入的荟萃分析。我们的研究表明，与其他动物相比，小鼠不仅对微塑料的毒性影响更为敏感 —— 表现为肠道微生物群多样性降低、厚壁菌门 / 拟杆菌门比率增加、微生物网络不稳定以及有益菌和有害菌平衡被破坏，而且与蚯蚓和昆虫不同，小鼠降解微塑料的潜力有限。此外，机器学习模型证实，暴露时长是驱动微塑料引起肠道微生物群变化的关键因素。我们还确定了乳酸杆菌、幽门螺旋杆菌和假单胞菌可作为检测动物肠道微塑料毒性的潜在生物标志物。总体而言，这些发现为深入了解多种动物物种微塑料暴露相关的健康风险和驱动因素提供了宝贵见解。

文章结果部分从多个方面展示了微塑料对不同动物肠道微生物群的影响、关键驱动因素及潜在生物标志物，具体如下：

1. 微塑料暴露对肠道微生物群的影响

多样性和群落组成变化：微塑料暴露使小鼠和昆虫肠道微生物 α 多样性降低，鱼上升；β 多样性在小鼠、昆虫和鱼中显著改变，且微塑料改变小鼠肠道微生物群落结构，使其厚壁菌门 / 拟杆菌门比例及网络复杂度改变，稳定性下降，对鸡、蚯蚓和软体动物也有不同程度影响。

功能通路变化：微塑料对不同动物肠道微生物功能影响不同，小鼠、鱼、昆虫和蚯蚓细菌功能变化大于鸡和软体动物，代谢功能变化显著，且在不同动物中的具体代谢通路受影响情况不同。

共现网络和稳定性变化：微塑料使鱼和软体动物肠道微生物群网络复杂性降低，小鼠、昆虫和蚯蚓增加，且小鼠肠道微生物群从拟杆菌门主导转变为厚壁菌门共同主导，网络稳定性在小鼠、鱼、昆虫和蚯蚓中下降，软体动物中上升，对鸡影响不显著。

BHD 细菌变化：微塑料降低小鼠、蚯蚓和软体动物中有益细菌总体丰度，增加小鼠、鸡、蚯蚓和软体动物中有害细菌水平，提高昆虫和蚯蚓肠道中降解细菌丰度，但对小鼠肠道中降解细菌丰度几乎无影响。

2. 微塑料影响肠道微生物群的关键驱动因素

暴露时长至关重要：回归模型表明微塑料暴露时长、大小及环境因素（温度和光照）影响肠道细菌多样性，且暴露时长对微生物多样性和功能均重要，是影响 BHD 细菌（尤其是有益细菌）的首要因素。

功能冗余影响模型对功能通路的预测：回归模型预测细菌多样性准确性高于功能通路，可能因肠道微生物群功能冗余使模型难捕捉功能通路变化，但不同功能通路受影响程度不同。

3. 识别对微塑料效应敏感的潜在生物标志物

有益细菌更敏感：二元分类模型显示有益细菌对微塑料暴露更敏感，其中乳酸杆菌是突出潜在生物标志物，因其在维持肠道稳态和健康中起关键作用，且相对丰度和多样性高，可反映微塑料对动物毒性影响。

有害和降解细菌中的潜在标志物：有害细菌中的弧菌、幽门螺旋杆菌、不动杆菌和大肠杆菌，以及降解细菌中的假单胞菌和芽孢杆菌，也可能作为生物标志物，因其在模型中具有较高特征重要性和相对丰度。

文中图表：

微生物生态 iMcro

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