香港科大刘红斌研究团队首次揭示浮游动物肠道微生物如何帮助宿主实现银纳米粒子解毒

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原标题:香港科大刘红斌研究团队首次揭示浮游动物肠道微生物如何帮助宿主实现银纳米粒子解毒

实验设计

最近香港科技大学刘红斌研究团队博士研究生李英东与王文雄研究团队博士研究生颜能合作首次揭示了杀菌纳米银材料对浮游动物及其肠道微生物构建的共生体的作用。这一研究结果发表在国际环境纳米科学杂志 Environmental science Nano上 (中科院环境科学与生态学领域一区,Top期刊),并被杂志选作当期背封面页发表,为环境排放的纳米银材料相关的生物影响提供了实验证据,阐释了浮游动物依靠其肠道微生物解除纳米银毒性的机制,对人类污染物给浮游生物共生体带来的毒性研究具有重大意义。

靶向聚合荧光标记实验:CDE为转接了正常浮游动物微生物又暴露低浓度纳米银21天的结果,F图为为转接了连续三代暴露低浓度纳米银具有潜在解毒能力的肠道微生物后又暴露低浓度纳米银21天的实验结果

浮游动物在全球生物地球化学循环过程中发挥着至关重要的作用。近年来细菌与浮游生物之间紧密的共生关系成为了生态学和水生生物学研究的核心问题之一。然而近年来人为大量排放的杀菌纳米银材料对浮游生物与细菌的共生关系造成了极大的潜在威胁。在纳米银对浮游生物造成的负面效应研究中,此前主要集中于纳米银对浮游生物的直接毒性影响,并有研究表明由于采取滤食行为纳米材料更易富集于浮游动物的肠道内,但研究纳米银对浮游生物和细菌共生关系负面影响的研究尚处于空白。因此,研究接近自然环境中纳米银浓度对浮游生物-细菌共生体的影响具有重要的生态意义。

结果示意图

香港科技大学的研究团队应用宏转录组和生物成像技术结合的研究方法,研究了富集于浮游动物模式物种大型蚤(Daphnia magna)肠道中纳米银材料对其肠道微生物以及两者间代谢互作的影响,以此来揭示杀菌纳米银材料对浮游生物共生体的负面影响。通过对解刨出的浮游动物肠道的转录组测序,我们发现经过21天低浓度纳米银暴露,浮游动物的肠道微生物被大量杀死,较难得到肠道微生物相关的转录组序列,然而浮游动物却并未死亡。但在接近沉积物中高浓度纳米银的暴露实验中浮游动物在七天内全部死亡。进一步的实验结果现实,当经过连续三代(63天)的低浓度纳米银暴露后,浮游动物肠道微生物相关的转录组序列有显著提升并伴随宿主各项生长指标的向好转变。转录组分析发现恢复的肠道微生物显著地提高了合成H2S和鞭毛蛋白的基因表达量,其作用机制可能是细菌通过负二价硫来结合纳米银中释放的银离子来解除纳米银毒性,并通过鞭毛蛋白和纳米材料结合形成沉淀解除纳米材料的毒性。此外相比较24小时短时暴露实验组,第三代连续暴露实验组中肠道微生物更显著上调了分泌短链脂肪酸的相关基因。作为辅助宿主提高食物吸收能力的重要小分子,肠道微生物短链脂肪酸分泌能力的恢复也与宿主在长期毒性暴露实验中较多和较长的产卵和身长相对应。为进一步验证转录组分析结果,荧光染料标记的纳米银材料被用于验证浮游动物肠道中纳米银被解毒的过程。通过实施肠道微生物转接实验,我们验证了在转接正常实验组肠道微生物又暴露21天低浓度纳米银材料后,纳米银材料的荧光信号依旧显著富集于浮游动物肠道内;而在转接了第三代肠道微生物到浮游动物体内另外暴露21天后,纳米银材料的荧光信号显著减弱了,浮游动物相应的生长指标也明显好转。这一结果直接证明了存在于长期暴露纳米银的肠道微生物相关的解毒机制。同时进一步的少量Na2S添加实验也证实不论如何加大纳米银的浓度,浮游动物也都不会死亡,即使纳米银的浓度已远超浮游动物的48小时LC50指标,这一结果也直接证明了负二价硫离子在纳米银解毒过程中的重要作用。

研究结果表明,在长时间高浓度纳米银暴露实验中,浮游动物的死亡是由于丧失肠道微生物及其相关的解毒机制促使纳米银大量累积导致的。而在低浓度的纳米银中,浮游动物的毒性症状是由肠道微生物群调控的,毒性水平受暴露时间的影响,并且长时间暴露会促使肠道微生物富集和提高相应的抵抗能力。这一成果为抗菌污染物的排放管理以及相关的生态系统影响提供了新的研究结果和突破。

论文连接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/EN/C9EN00587K#!divAbstract

Li, Y., Yan, N., Wong, T. Y., Wang, W.-X., & Liu, H. (2019). Interaction of antibacterial silver nanoparticles and microbiota-dependent holobionts revealed by metatranomic analysis. Environmental Science: Nano, 6(11), 3242-3255.

信息来源:香港科大刘红斌研究团队

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