吉林省居民膳食中特定有害金属暴露及其代谢机制研究
作为东北老工业基地的典型地区，吉林省的工业在得到恢复和发展的同时，可能存在膳食重金属长期低剂量暴露的风险。毒理学研究发现大量环境污染物在低浓度时表现出低剂量刺激效应的双相剂量效应关系，所以污染物低剂量暴露可能对人体产生与之前完全不同的生物学效应，而目前吉林省食品中及人体内有害金属污染现状的暴露风险评估及其相应研究还少见报道。 目的： 1.本研究拟通过对吉林省居民的总膳食进行调查，继而对铅、砷、镉和铝四种常见有害金属的污染水平和相关安全问题进行研究。 2.探究膳食中金属铝与镉对肠道菌群的影响及其代谢机制，为吉林省制定膳食中有害金属暴露防控措施提供科学依据。 方法： 1.吉林省膳食中有害金属风险暴露评估：按照调查要求选取了6个能够代表吉林省居民平均膳食组成和水平的调查点。分别为四平市、松原市宁江区2个城市点，榆树市（县级市）、桦甸市（县级市）、东丰县以及通化县4个农村点中的吉林省7700名居民。四种有害金属的含量和消费量数据来源于吉林省第六届全国总膳食研究，同时通过点评估的方法对谷类，肉类，豆类等12个食物组进行四种重金属的膳食暴露评估，并采用健康指导值或基准剂量（benchmarkdose，BMD）分析这四种金属的潜在健康风险。进而选择吉林省居民膳食消费产品中主要来源的铝、镉两种有害金属，通过建立相应动物模型，探讨肠道菌群的影响及其代谢机制。 2.铝暴露模型的建立：将Wistar大鼠分为四组，每组15只。对照组用蒸馏水等体积灌胃，分为高、中、低三个实验组，分别给予1mg/kg·d、10mg/kg·d和100mg/kg·d三个浓度的氯化铝溶液进行28天铝暴露实验，饲养期间记录进食量和饮水量。在实验期采集尿液和粪便。 3.镉暴露模型的建立：将Wistar大鼠分为四组，每组15只。对照组用蒸馏水等体积灌胃，分为高、中、低三个实验组，分别给予2mg/kg·d、8mg/kg·d和32mg/kg·d三个浓度氯化镉溶液进行28天暴露实验，饲养期间记录进食量和饮水量。在实验期采集尿液和粪便。 4.肠道菌群分析：采用IlluminaMiSeq测序系统对大鼠粪便样本中的16SrRNA进行高通量测序。将所有样本序列转化为操作分类单元（operationaltaxonomicunits，OTU），分析菌群丰度，并计算Chao1丰富度指数、ACE丰富度指数、Simpson多样性指数和Shannon指数来分析菌群丰富度和多样性。通过主成分分析（PrincipalComponentAnalysis,PCA）、多维尺度分析（multidimensionalscaling，MDS）和聚类分析，自然分解群落的数据结构，通过对样本进行排序，观察样本之间的差异，分析多样性。 5.代谢物的检测与筛选：样本经预处理后于UPLC/Q-TOF-MS技术平台分析和探讨重金属暴露后机体内代谢物质的变化情况。分析方法上运用PCA和正交偏最小二乘判别分析（orthogonalpartialleast-squaresdiscriminationanalysis，OPLS-DA）进行分析，筛选潜在代谢标志物。 结果： 1.吉林省膳食中四种有害金属风险暴露评估 铅、砷、镉和铝在膳食中的平均含量分别为0.019mg/kg、0.069mg/kg、0.009mg/kg和9.310mg/kg。铅暴露的主要来源为马铃薯及其制品，占铅总暴露的20.49%；镉暴露的主要来源为蔬菜及蔬菜制品，占镉总暴露的31.89%；砷暴露的主要来源为水产品及其衍生物，占砷总暴露的52.13%；铝暴露的主要来源为谷物和谷物制品，占铝总暴露的70.22%。吉林省居民膳食铅平均暴露量为0.32μg/kg·bw/d，MOE值为3.71；砷平均暴露量为0.35μg/kg·bw/d，MOE值为8.57；铝平均暴露量为138.89μg/kg·bw/d，PTMI%为48.61%；镉平均暴露量为0.12μg/kg·bw/d，PTMI%为14.64%。其中，＜18岁年龄组暴露量最高，相应有害金属的MOE值最低，PTMI%最高。 2.膳食中金属铝对肠道菌群的影响及其代谢机制 经铝干预灌胃暴露后，大鼠心、肝、肾等主要器官有一定程度的损伤。高剂量铝暴露（100mg/kg·d）导致肠道菌群多样性降低的同时，显著增加了Aggregatibacter菌属的丰度，降低了Akkermansia，Dorea和rc4-4菌属的丰度（P＜0.05）。通过进一步对菌群功能进行富集，得到包括碳水化合物代谢，感染性疾病，萜类和多酮类代谢等12条通路。此外，与对照组相比，筛选出铝处理组血清差异代谢物hodulosidevi等共12个，尿液中差异代谢物dhurrin6''-glucoside等共68个，相应的富集通路包括α-亚麻酸代谢，甘油磷脂代谢，类固醇生物合成等。菌群与代谢物关联分析表明Aggregatibacter，Dorea和rc4-4与多个差异代谢物相关。 3.膳食中金属镉对肠道菌群的影响及其代谢机制 经镉干预灌胃暴露后，大鼠的脑组织有较为明显的损害。高剂量镉暴露（32mg/kg·d）可以导致肠道菌群丰富度和多样性降低的同时，显著增加了Anaerovibrio，B-42，Blautia，Pseudoxanthomonas和Thermovum菌属的丰度，降低了Actinomyces，Aggregatibacter，Akkermansia，Facklamia，Brachyspira,Gemella，SMB53和Rothia菌属的丰度（P＜0.05）。通过进一步对菌群功能进行富集，得到包括辅助因子代谢、维生素代谢、免疫系统疾病等35条通路。此外，与对照组相比，筛选出镉处理组血清差异代谢物hexylbenzene等共269个，尿液中差异代谢物3-(3-hydroxyphenyl)propanoicacid等共249个，差异代谢物富集通路包括α-亚麻酸代谢，类固醇生物合成，色氨酸代谢，精氨酸生物合成，酪氨酸代谢等。菌群与代谢物关联分析表明Blautia，Anaerovibrio，SMB53，Akkermansia，Facklamia和Brachyspira与多个差异代谢物相关。 结论： 1.马铃薯及其制品，蔬菜及蔬菜制品，水产品及其衍生物和谷物及谷物制品分别是吉林省居民膳食铅、镉、砷和铝暴露的主要来源。吉林省居民膳食有害金属的暴露量随年龄增长呈现降低趋势。 2.高剂量铝暴露可能对大鼠的主要脏器包括心、肝、肾等造成一定程度的损伤，导致肠道菌群多样性降低，显著增加Aggregatibacter菌属的丰度，降低Akkermansia，Dorea和rc4-4菌属的丰度。差异代谢物富集通路主要与脂代谢有关。Aggregatibacter，Dorea和rc4-4可能为铝暴露下起关键调控作用的肠道菌群。 3.高剂量镉暴露可能对大鼠的脑组织造成较为明显的损害，导致肠道菌群丰富度和多样性降低，显著增加Anaerovibrio，B-42，Blautia，Pseudoxanthomonas和Thermovum菌属的丰度，降低Actinomyces，Aggregatibacter，Akkermansia，Facklamia，Brachyspira,Gemella，SMB53和Rothia菌属的丰度。差异代谢物富集通路主要与脂和氨基酸合成代谢有关。Blautia，Anaerovibrio，SMB53，Akkermansia，Facklamia和Brachyspira可能为镉暴露下起关键调控作用的肠道菌群。
居民膳食;重金属;肠道菌群;代谢组学
吉林大学
博士
营养与食品卫生学
刘娅
2023
中文
R995
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）