砷（As）是毒性最强、致癌性最强的物质之一，自然存在于各种环境介质中。砷可以通过冶炼采矿、农业中使用含砷农药和除草剂、工业废水直接排放等途径进入水圈和土壤圈，造成生态环境砷污染日益严重。砷在水生环境中主要以无机形式存在，包括亚砷酸盐（iAsIII）和砷酸盐（iAsV）。这些砷可以被水生生物的胃肠道吸收并通过生物转化和积累保留在体内，进一步在食物链中转移和富集，严重危害人类健康。

有毒的无机砷可以通过还原、氧化、甲基化和硫醇化等代谢作用生物转化为低/无毒的有机砷。砷甲基转移酶（As3mt）是生物体将无机砷甲基化的关键酶，普遍存在于动物和微生物中。对于脊椎动物，As3mt主要在肝脏中表达并发挥作用，也可以通过肠道菌群在肠道中产生。研究表明，肠道微生物可能是影响砷生物转化的重要因素，但其协助砷在体内代谢的确切作用和机制尚不清楚，且具体贡献未被量化。

近日，广东医科大学附属医院张晶晶教授团队及广东医科大学公共卫生学院郭莲仙教授团队合作在Environmental Science & Technology上发表了题为“Effects of Intestinal Microbiota on the Biological Transformation of Arsenic in Zebrafish: Contribution and Mechanism”的研究论文，该研究采用as3mt−/−和野生型斑马鱼进行抗生素或益生菌干预的砷暴露实验，旨在量化宿主与肠道微生物对体内砷代谢的贡献率，阐述无机砷胁迫下肠道菌群对宿主的潜在保护机制，并探究益生菌补充对斑马鱼体内砷生物转化的影响。

抗生素干预的砷暴露实验结束后，首先采集斑马鱼皮肤和肌肉组织进行总砷和形态砷的分析，发现在砷暴露下，宿主as3mt 缺失和抗生素干预均显著增加斑马鱼组织总砷和无机砷的蓄积（图1）。

图1 （a）砷从丰年虾到斑马鱼的营养转移；（b，c）斑马鱼皮肤和肌肉组织的总砷浓度；（d-g）斑马鱼肌肉组织中各砷形态的浓度；（h）斑马鱼肌肉组织中各砷形态分布及比例。

进一步利用砷数据构建结构方程模型，对宿主和肠道微生物对体内砷代谢的贡献进行量化（图2a-b）。结果表明，宿主as3mt和肠道微生物对肌肉组织无机砷代谢的贡献率分别为81.6%和18.4%，对皮肤和肌肉组织总砷代谢的贡献率分别约为56.0%和44.0%。组织病理分析也显示，抗生素干扰加重了砷诱导的斑马鱼肠道和肝脏组织的损害（图2c-d）。以上结果证实了正常的肠道菌群在减轻斑马鱼体内总砷蓄积和促进无机砷生物转化方面发挥着积极和显著的作用，并在砷暴露下发挥保护宿主的作用。

图2 （a，b）宿主as3mt基因和肠道微生物群对组织中无机砷生物转化和总砷代谢的贡献率；（c，d）不同砷暴露情况下野生型和as3mt−/−斑马鱼肠道和肝脏组织切片的病理变化。

进一步对野生型和as3mt−/−斑马鱼各暴露组的肠道微生物进行分析，探究肠道菌群与组织蓄砷之间的相关性。研究显示，当斑马鱼体内缺乏关键的砷转化酶时，其肠道菌群可以积极地响应并调整其结构来协助宿主应对外源性无机砷的胁迫，砷抗性细菌的繁荣和有害细菌的衰减共同协助砷的代谢，保护宿主免受砷的毒性。

最后利用as3mt−/−斑马鱼模型开展益生菌干预的砷暴露实验，探讨饮食中添加益生菌鼠李糖杆菌LGG（短链脂肪酸产生菌）是否通过调节肠道微生物群落和宿主基因表达从而影响组织中的砷生物转化。研究发现宿主的肠道或肝脏基因可以作为中介因子介导某些肠道微生物菌属对组织砷代谢的影响。

该研究通过利用野生型和as3mt−/−斑马鱼模型开展一系列抗生素或益生菌干预的砷暴露实验，证实了在外源无机砷的暴露下，斑马鱼正常肠道菌群可能与宿主之间产生积极“对话”，在减少体内总砷蓄积和促进无机砷生物转化方面发挥着积极作用；此外，创新地量化了宿主和肠道菌群对组织总砷和无机砷代谢的贡献率，阐明了肠道微生物在体内砷解毒中的关键作用。为明确肠道菌群在体内砷代谢中的作用提供证据支持，为探索砷暴露下宿主与肠道微生物相互作用的“对话机制”提供新的见解和参考，为探索安全且可持续的生物解砷毒策略提供科学依据。

图3 图形摘要

广东医科大学公共卫生学院卫生毒理学硕士生钟晓婷为该论文的共同第一作者，广东医科大学附属医院张晶晶教授及广东医科大学公共卫生学院郭莲仙教授为该论文的共同通讯作者。