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谷禾健康
在现代社会，环境毒物已成为影响人类健康且尚未得到充分研究的风险因素。这些有害物质，从工业化学品和污染物到日常家居用品，均可能通过复杂的生物机制对健康产生深远影响。尤其令人关注的是，研究发现这些环境毒物不仅直接影响人体，还对肠道微生物群这个复杂的生态系统造成显著干扰。
肠道微生物群是我们消化道内的重要组成部分，对调节免疫系统、代谢功能和神经活动等方面起着关键作用。例如，肠道菌群能够通过产生短链脂肪酸（SCFAs）来调节免疫反应，增强肠道屏障的功能，从而降低慢性炎症的风险。然而，若这种微妙的平衡被扰动，将可能引发一系列健康问题，包括慢性炎症、肥胖、糖尿病、癌症和神经退行性疾病等。
研究表明，环境毒物的暴露（如铅、镉、农药和邻苯二甲酸盐等）会导致肠道微生物的组成和功能改变。例如，铅暴露与有益细菌数量的减少相关，导致乳球菌和阿克曼菌减少，而脱硫弧菌和大肠杆菌等机会性致病菌则显著增多。此外，还发现环境毒物影响下维生素和胆汁酸的浓度失衡，以及一氧化氮生成的增加也随之发生。这直接影响宿主的代谢和免疫功能。
相反，肠道微生物组也能影响环境毒物的毒性。例如，某些肠道细菌能够代谢并转化环境中的化学物质，从而减轻它们对宿主的损害。一项研究指出，某些益生菌如植物乳杆菌能够帮助降解体内的有机污染物，减少其生物积累和毒性。此外，肠道微生物能通过直接与环境毒物相互作用、影响其生物利用度，间接改变其对健康的影响。
本文通过综合各领域的研究成果，探讨环境毒物如何通过肠道微生物组影响人类健康，尽量基于研究结论去揭示环境毒物与肠道微生物组之间的复杂关系。本文还将探讨如何通过调整饮食与生活方式来调控肠道微生物反应，从而缓解环境毒物的潜在危害。
我们希望本文不仅能为学术界提供有价值的见解，还能激发公众对环境健康问题的关注，共同应对这一全球性挑战。
▸ 什么是环境毒物？
环境毒物是指广泛存在于空气、水、土壤、食品和日常用品中的有害化学或金属物质，如重金属（铅、汞、镉、砷）、农药、工业有机污染物、增塑剂（邻苯二甲酸盐）等。
它们可通过饮食、饮水、吸入或皮肤接触进入人体，扰乱机体免疫、代谢和神经等系统，进而增加多种慢性疾病甚至癌症的风险。
多种引起毒性的环境毒物
★ 剂量和胃肠道对物质毒性有重要影响
帕拉塞尔苏斯（Paracelsus，1493-1541）提出的名言“仅剂量决定某物不是毒药”奠定了当代毒理学的核心原则，强调评估物质毒性必须关注剂量。
他另一句“生命中最重要的事情发生在消化道的开始和结束之间”，突出了消化系统在毒理学中的重要性。由此引出对环境毒物与胃肠道微生物群相互作用的研究，强调剂量对毒性的关键影响，以及肠道内数万亿微生物对人类健康与疾病的重要作用。
▸ 胃肠道微生物与环境毒物
胃肠系统是人体微生物最密集的区域，细菌量从胃的101–103 CFU/mL到结肠的1011–1012 CFU/mL不等，已鉴定出数千种细菌，显示肠道微生物群高度复杂，以细菌为主，古细菌、真菌和原生动物为次要成分。
微生物群参与胃肠道的形成与稳态，并与免疫和神经系统协同，其与摄入外源性物质存在密切且重要的相互作用。
▸ 环境毒物扰动肠道微生物群
研究表明，环境毒物暴露会显著扰动肠道微生物群。如镉暴露与微生物多样性降低及特定菌群丰度变化相关；汞暴露同样可改变菌群构成，并可能促进其整体毒性作用。
由于肠道微生物群在营养代谢、免疫调节及抵御病原体方面发挥关键作用，这一脆弱生态系统的失衡将损害上述功能，从而危及宿主健康。
微生物组与环境毒物的相互作用
▸ 肠道微生物影响环境毒物毒性
相反，肠道微生物群可以通过各种机制影响环境毒物的毒性。微生物可以改变环境毒物的化学形态，影响其吸收和生物利用度。
此外，某些细菌具有解毒或隔离环境毒物的能力，可能减轻它们对宿主的有害影响。肠道微生物组参与调节炎症和免疫反应，使环境毒物与宿主毒性之间的关系进一步复杂化。
肠道微生物群影响环境毒物的生物利用度和毒性
深入理解肠道微生物与环境毒物之间的复杂互作，是全面认识环境暴露相关健康结局的关键。环境毒物与肠道微生物组之间的精细关系突显了环境毒理学的多维性。随着对肠道微生物组认识的不断加深，其在调控环境毒物健康效应中的核心作用日益清晰。
环境毒物对肠道微生物群及人体的影响
环境毒物影响肠道微生物组，反过来微生物组也调节环境毒物毒性，这一双向作用已成为快速发展的研究热点，对人类健康和环境管理具有重要意义。只有全面阐明环境污染物与胃肠道微生物群的相互作用，才能制定有效策略减轻健康损害，维护个体与生态系统的整体福祉。下面我们将详细具体地阐述日常生活环境中常见有毒物质与肠道微生物群的相互作用及其对人体健康的影响。
▸ 邻苯二甲酸盐(PAE)：来源、健康影响
▸ 什么邻苯二甲酸盐(PAE)？
直接说“邻苯二甲酸盐”（PAE），很多人可能并不了解；但如果说它是一种用来让塑料更柔软、有弹性、不易脆裂的添加剂，这样可能就容易理解多了。
▸ 食品、日用品、玩具、医疗用品中都有PAE
人类接触邻苯二甲酸盐（PAE）可分为直接和间接两类。直接接触指直接使用PAE或含PAE的产品；间接接触则是PAE通过浸出或渗透污染环境或其他产品。研究显示，截至2017年，全球PAE年产量已超过600万吨，其年消耗量持续增加，人群体液样本中PAE代谢物检出频率亦在升高。
食品是人类暴露PAE的重要来源之一，已在酒精饮料、食用油、乳制品、饮用水、肉类、家禽和蔬菜等中检测到。其脂溶性、低熔点、高沸点及易溶于乙醇等特性，促进其由接触材料迁移至食物并被摄入。
在儿童用品中，塑料玩具、牙胶和餐具因价廉耐用而被广泛使用，部分含有邻苯二甲酸酯（PAEs）的产品可能导致儿童通过手口接触和含吮行为摄入该类毒物。
在医疗领域，邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP) 常作为医疗器械增塑剂，为留置类器械提供柔韧性。因其不与塑料形成化学键，使用中易析出并在体内累积。药物制剂中部分杂质来源于增塑剂的浸出或迁移。片剂和胶囊通常包裹聚合物包衣，以调控其在胃肠道内释放的时间和部位。
最常见的邻苯二甲酸盐
多种日常用品，如清洁剂、指甲油、香水和个人护理品中普遍含有PAE，邻苯二甲酸二乙酯(DEP)常作香精定香剂。研究表明，环境PAE可沉积于棉和聚酯纤维，且棉中浓度更高，这些纺织品主要经皮肤致暴露。
此外，PAE还可由家用产品、服装、建材和汽车部件等释放至空气，通过吸入进入人体。
▸ PAE暴露与多种健康问题有关
目前，PAE暴露已被关联于多种健康问题，包括内分泌与生殖功能紊乱、性早熟、子宫内膜异位症、性发育异常、不孕不育、胎儿发育异常、乳腺癌和皮肤癌、肥胖、2型糖尿病、注意力缺陷多动障碍、自闭症谱系障碍，以及心、肝、肾毒性、哮喘和过敏等。
邻苯二甲酸盐对人体健康造成的影响
需强调的是，儿童与成人对PAE的反应可能不同，儿童因频繁手口行为而更易摄入，暴露风险更高。
▸ 邻苯二甲酸盐(PAE)与肠道微生物的互作
邻苯二甲酸盐（PAE）因广泛存在及其潜在健康危害而备受关注。近期研究逐步揭示PAE暴露与肠道菌群（GM）之间的复杂联系，表明其可影响微生物组成及宿主健康。
▸ 暴露于PAE后，乳杆菌和双歧杆菌减少
暴露于常见邻苯二甲酸盐（PAE）化合物邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP) 后，多种关键菌种水平明显变化，其中乳杆菌和双歧杆菌等有益菌显著减少，导致整体菌群多样性和丰度发生重塑。
PAE经摄入或吸收后在体内代谢，产生可干扰微生物生长和代谢的活性产物；同时，PAE还可能损伤微生物细胞结构或关键代谢过程，打破菌群平衡。
▸ PAE可能营造导致菌群失衡的环境
新证据显示，PAE暴露可引发肠道炎症并削弱黏膜屏障，从而营造有利于菌群失衡的环境。人群流行病学研究亦支持这一关联：在成人队列中发现，尿中PAE代谢物水平与肠道微生物多样性及丰度变化之间存在显著相关。
这些结果突显PAE相关菌群生态失调在实际人群中的重要性，并提示其对公共卫生干预具有潜在影响。PAE导致的肠道微生物群改变不仅破坏肠道微生态，还影响宿主整体健康和疾病易感性。肠道微生物群在维持代谢稳态、调节免疫功能及保障肠屏障完整性等方面至关重要；因此，PAE 诱导的菌群失衡可能增加代谢综合征、胃肠道疾病、免疫失调及神经发育异常等多种健康风险。
▸ PAE还通过营养可用性和免疫影响肠道菌群
此外，PAE还可通过改变微生物生长与代谢所需营养和底物的可及性来影响肠道微生物群，干扰肠腔中膳食成分的吸收和利用，并通过调节肠上皮营养转运与代谢相关基因的表达，改变宿主—微生物相互作用。营养供给和宿主信号的变化共同塑造肠道微生物群的结构与功能。
PAE还可通过调节宿主免疫反应间接影响菌群。已有研究将PAE暴露与免疫失调联系起来，如炎症水平升高和免疫细胞功能异常，这会改变肠道微环境和菌群构成。肠道炎症有利于有害菌繁殖并抑制有益菌生长。PAE还与破坏肠上皮屏障完整性相关，导致通透性增加及微生物产物大量进入血液，即“肠漏”现象，从而诱发系统性免疫激活和炎症，进一步影响肠道微生物群的组成和功能。
▸ 肠道菌群调节PAE的代谢和生物效应
邻苯二甲酸盐（PAE）与肠道微生物群之间存在双向关系：PAE可改变肠道微生物群的组成和活性，而肠道微生物群又能调节PAE的代谢和生物效应。
研究发现，肠道细菌具有多种酶，可通过水解、还原和氧化等过程分解PAE。由于肠道微生物群的组成和代谢活性在个体间差异显著，PAE的代谢效率及对其不良作用的易感性亦随之不同。部分菌群可将 PAE 转化为毒性较低或更易排出的代谢物，有助于解毒并降低健康风险；而特定菌种则可能将PAE转化为更具毒性的代谢物，放大其对宿主的危害。
此外，肠道微生物群还能调节机体对 PAE 暴露的免疫和炎症反应，从而影响 PAE 相关疾病的发生风险。例如，肠道细菌可通过与宿主免疫系统互作，改变 PAE 诱导的炎症程度。研究表明，在炎症性肠病（IBD）等慢性炎症性疾病中，菌群失调引起的持续炎症，可进一步加剧 PAE 对肠道健康与功能的负面影响。
▸ 邻苯二甲酸盐(PAE)对肠道健康的影响
▸ 破坏肠道屏障功能
邻苯二甲酸盐（PAE）通过影响紧密连接蛋白破坏肠上皮完整性。PAE 可干扰这些蛋白的表达和组装，使紧密连接减弱、屏障通透性升高。多项研究发现，暴露于PAE会降低关键屏障蛋白水平，导致屏障功能下降。
此外，PAE 可在肠上皮诱导氧化应激（OS）和炎症，进一步削弱屏障功能。其通过提高活性氧（ROS）水平、抑制抗氧化酶活性，导致脂质、蛋白质和 DNA 氧化损伤，并破坏紧密连接结构。
PAE 还能诱导肠黏膜炎症，增加屏障负担，可激活巨噬细胞、树突状细胞等免疫细胞，促进 IL-6、TNF-α、IL-1β 等促炎因子及趋化因子释放，加重炎症并损伤屏障。
同时，PAE 可改变肠道微生物组组成与功能，诱发菌群失调，导致通透性升高和屏障障碍。其暴露会破坏菌群平衡，减少短链脂肪酸产生，部分菌还可将 PAE 代谢为有害或促炎产物，进一步加重屏障损伤。
▸ 邻苯二甲酸盐的促炎作用
PAE与肠道炎症密切相关，多项研究表明其长期暴露可促发并加重消化道炎症。PAE通过激活巨噬细胞、树突状细胞和淋巴细胞，诱导 IL-6、TNF-α、IL-1β、IL-8 等促炎因子和趋化因子产生，招募更多免疫细胞并加剧肠壁损伤和炎症，同时打破促炎与抗炎信号平衡，放大炎症反应。
PAE还能在肠黏膜诱导氧化应激，进一步推动炎症和组织损伤。其通过增加活性氧生成、抑制抗氧化酶活性，导致脂质、蛋白质和 DNA 氧化损伤，并激活炎症通路，放大肠道炎症级联反应。动物研究证实，PAE 暴露可显著引起肠道炎症。
▸ PAE可诱发炎症性肠病、肠易激综合征等疾病
PAE可通过破坏肠道屏障、诱导炎症和干扰肠道微生物群，整体损害肠道健康，并促进炎症性肠病（IBD）、肠易激综合征（IBS）和结直肠癌（CRC）等疾病的发生与进展。
慢性肠炎是炎症性肠病（IBD）核心病理环节，并与结直肠癌风险升高相关。动物研究表明，PAE能导致结肠炎症和氧化应激，产生类似结肠炎的病理改变并增加CRC易感性，提示 PAE 相关炎症可能通过组织破坏、免疫失衡及形成促癌微环境，加速肠道疾病进程。
此外，PAE 对肠道微生物群的干扰也是影响肠道疾病的重要因素。菌群组成和多样性改变（菌群失调）与 IBD、IBS、CRC 等密切相关。PAE 暴露可打乱菌群平衡，减少有益菌、增加有害菌，改变宿主—微生物互作、免疫稳态和代谢途径，从而共同促进肠道相关疾病的发生与恶化。
小结
邻苯二甲酸盐（PAE）广泛存在于消费品中，经摄入或吸收后代谢为具生物活性的产物，可显著改变肠道菌群组成与功能，降低多样性并引发菌群失调。
PAE 对肠道的危害不仅包括破坏屏障和诱导炎症，还在炎症性肠病、肠易激综合征和结直肠癌等疾病的发生与进展中发挥重要作用。通过纵向和机制研究加深对邻苯二甲酸盐–肠道微生物群关系的理解，将为降低PAE暴露相关健康风险提供依据，亦是维护肠道健康和应对环境暴露的关键。
3
农药和肠道微生物群
伴随全球人口增长，对高产与优质农产品的需求推动农药使用急剧增加，以满足粮食供给并追求经济效益。然而，农药的不受控和不合理施用对农产品和整个生态系统构成潜在毒性威胁。由于农药在土壤中的高持久性及其在大气和水体中的残留，非靶标生物（尤其是动物和人类）通过摄入受污染的食物和水而面临更高的农药暴露风险。
大量研究表明，农药暴露与癌症、哮喘、激素紊乱和过敏等疾病相关；同时，多种农药的联合作用可诱发肠道菌群失调，改变微生物组成与功能以及宿主代谢表型。
▸ 肠道菌群失调可作为农药暴露的生物标志物
肠道微生物群的多样性对维持宿主正常生理功能至关重要。最新研究表明，农药暴露会显著影响肠道微生物群，菌群失调可作为评估农药毒性的潜在生物标志物。
▸ 农药导致肠道微生物代谢改变
精确评估特定农药引起的菌群失调及肠道毒性，有助于理解微生物群对污染物暴露的响应机制，并挖掘诊断相关疾病的生物标志物。例如，在二嗪农（一种广谱、高效的有机磷杀虫剂）暴露下，肠道微生物相关信号通路发生改变，导致代谢物谱重塑，并以性别依赖的方式触发神经毒性。这类由微生物产生的神经毒性代谢物可用作二嗪农相关肠道毒性的生物标志物。
各类农药对肠道微生物群的影响
DOI:10.1201/9781003489221-6
农药毒理学风险评估依赖明确且可靠的终点。需要筛选合适的生物标志物，限定其使用条件，界定诊断阈值和异常范围，建立作用机制，并明确其在何种场景下最具适用性。
注：欧洲食品安全局已指出，微生物多样性在环境污染物毒性和健康风险评估中具有重要意义，但仍需进一步界定方法学的局限性、研究空白、纳入/排除标准以及数据处理与解释的标准化要求。
▸ 农药相关毒性还受饮食、年龄、胃肠状况影响
肠道菌群对宿主健康的影响及其在农药相关毒性中的作用极为复杂，还受到饮食、年龄、遗传背景、胃肠动力、地理位置和抗生素使用等多重因素干扰。
要全面理解菌群毒性与宿主健康之间的关系，仍需大量系统研究。针对农药暴露对肠道菌群和宿主健康影响的文献中普遍存在方法学不足：多数研究缺乏体内、体外实验流程及分析手段的标准化与优化。标准化是确保实验可重复性和结果可比性的关键步骤；体外发现也应在体内模型中得到验证。
此外，农药毒理实验的设计必须能准确测定化学残留量及其生物学效应，从而构建可靠的剂量–反应关系，并最终界定慢性暴露水平及其健康风险。
小结
除已阐明的分子通路外，多种细胞过程也可能受到农药毒性的影响，肠道微生物组成与农药毒性之间的关联仍需在人群中深入验证。近期研究已提示子宫内农药污染及其跨代效应，多代暴露人群的肠道微生物组更易发生改变。在农业生态系统中，农民和一线工人因高水平残留及职业暴露而面临严重健康风险；同时，农药在食物链中的渗透污染也亟需持续监测。
因此，有必要系统评估农药污染引起的肠道菌群失调对公众健康的长期影响，并制定有效的干预与缓解策略。对新型和现用农药的风险评估应在透明、统一的框架下进行，系统研究其使用与对人群和环境影响之间的关系。同时，必须为相关实验所得数据的解读制定明确的标准和指南，以规范各类农药风险研究与监管实践。
4
有机污染物和肠道微生物群
近年来，石化、塑料、合成纤维、焦化、印染、印刷等行业的快速发展，导致环境中高浓度有机污染物（OPs）广泛存在。
▸ 常见的有机污染物
有机污染物种类繁多，对环境和人类健康均构成潜在威胁。其来源广泛，包括农用化学品和药品、个人护理品、非法药物、工业污染物、阻燃剂、增塑剂、多环芳烃（PAHs）、卤代多环芳烃、二噁英及其他持久性有机污染物（POPs）残留等。它们通过多种人类活动进入环境，如污水处理厂排放、废弃物无序排放、前体物质降解、海滩塑料碎片累积、工业生产及热处理过程等。
常见的有机污染物类别及示例
DOI:10.1201/9781003489221-7
常见的有机污染物（OPs）包括以下物质：
农药：用于农业、家庭和公共卫生等场景的害虫防治，包括杀虫剂、除草剂、杀菌剂和杀鼠剂。
溶剂：广泛用于清洗、脱脂及化学反应的有机溶剂，如苯、甲苯、二甲苯及三氯乙烯（TCE）等氯代溶剂。
药物：经人畜排泄或不当处置进入环境的药物化合物，包括抗生素、激素、止痛药及其他处方药。
多氯联苯（PCB）：一类曾广泛用于电气设备、液压油和工业过程的合成有机物，属于具有生物累积性的持久性有机污染物。
二噁英：在废物焚烧及含氯化学品生产等工业过程中产生的剧毒副产物，具有高度持久性和生物累积潜力。
▸ 有机污染物与肠道微生物群的互作
▸ 有机污染物引发菌群失调、炎症
研究表明，有机污染物（OP）可扰乱肠道微生物群的平衡和功能，引发菌群失调、炎症，并增加多种疾病风险。
常用除草剂草甘膦（GLP）是其中一例，农产品中常可检出。GLP 暴露会降低动物和人群中的肠道微生物群多样性。研究发现，接触 GLP 会减少双歧杆菌、乳杆菌等有益菌，同时增加梭菌等潜在有害菌。
此外，多氯联苯（PCB）和多溴联苯醚（PBDE）等工业化学品也被证明与肠道微生物群变化相关，PBDE 暴露可导致变形菌增加、拟杆菌减少，引发菌群失调和炎症。
生态失调会导致各种不良的健康结果
DOI:10.1201/9781003489221-7
▸ 有机污染物损害肠屏障、诱发肠炎
有机污染物（OP）还可能损害肠屏障完整性，屏障受损后，微生物产物和毒素更易进入血液，引起炎症，并促进炎症性肠病（IBD）和代谢综合征（MS）等疾病的发生与进展。
同时，OP 还能干扰宿主–微生物互作，打破有益菌与致病菌平衡。空气污染及烧烤、熏制食品中的多环芳烃（PAH）可改变肠道菌群对胆汁酸的代谢，引发失调和炎症。
有机磷杀虫剂与短链脂肪酸（SCFA）异常相关，而 SCFA 对肠道和免疫功能至关重要。长期 OP 暴露可致轻度慢性肠炎，促炎因子和免疫活性升高，进一步加剧菌群失调。研究还发现，多氯二苯并二恶英（PCDD）、多氯二苯并呋喃（PCDF）等工业污染物同样可诱发肠炎并改变特定菌群数量。
▸ 肠道微生物群能改变有机污染物毒性
另一方面，肠道微生物群也可通过多种酶促途径调节有机污染物的毒性。肠道微生物能够将有机磷转化为性质不同的代谢物，其毒性可能升高或降低。
研究显示，肠菌产生的酶可将多环芳烃分解为毒性较低或更易清除的形式。例如，部分梭菌属菌株可将致癌多环芳烃苯并[a]芘（BaP）转化为危害较小的羟基化代谢物；肠道微生物群来源的细胞色素 P450 单加氧酶可氧化多环芳烃，生成具有不同生物效应的代谢物。
对于以高毒性和持久性著称的多氯联苯 (PCB)，肠道微生物群能通过还原脱氯途径促进其代谢，即逐步去除分子上的氯原子。厌氧菌 Dehalococcoidesspp. 已被证实可催化 PCB 脱氯，将高度氯化同系物转化为毒性较低或近乎无毒的产物。类似的微生物过程会影响 PCB 在机体内的生物利用度和实际危害。
▸ 假单胞菌、芽孢杆菌等可减轻有机污染物毒性
肠道细菌还可通过水解与解毒过程分解有机污染物（OP）。假单胞菌（Pseudomonas）、芽孢杆菌（Bacillus）等可产生有机磷水解酶，切断 OP 分子中的磷酸酯键，促进其在胃肠道内的解毒和清除，从而减轻对宿主的毒性。
此外，三氯乙烯（TCE）、四氯乙烯（PCE）等常见于受污染地下水和土壤的氯代溶剂，也可被肠道微生物群通过还原脱氯及其他酶促反应代谢。Dehalococcoides spp. 含有还原性脱卤酶，可去除 TCE 和 PCE 中的氯原子，将其转化为毒性更低的乙烯和乙烷。此类微生物转化过程对环境中氯代溶剂的自然衰减至关重要。
▸ 有机污染物对肠道健康的影响
大量研究表明，不同有机污染物可干扰肠屏障，损害胃肠道健康。
▸ 削弱肠道屏障，上调炎症因子
双酚 A (BPA) 暴露可通过改变紧密连接蛋白的表达和分布削弱肠屏障，而紧密连接蛋白对维持上皮完整性至关重要。
多氯联苯 (PCB)暴露则可诱导氧化应激和肠壁炎症，破坏屏障功能。进一步证实，PCB 同系物混合暴露会提高小鼠肠通透性，并伴随上皮促炎细胞因子增加及 NF‑κB 通路激活。
多种广泛存在于工业和消费品中的化学物质也被证明会影响肠屏障功能。全氟辛烷磺酸（PFOS）暴露会提高小鼠肠通透性，并伴随紧密连接蛋白减少和炎症因子上调。邻苯二甲酸二（2‑乙基己基）酯（DEHP）暴露会增加大鼠肠通透性，与 occludin 和 ZO‑1 表达下降及肠黏膜活性氧升高相关。
▸ 有机污染物会诱发或加重胃肠道疾病
有机污染物（OP）可通过干扰多种胃肠生理过程诱发或加重胃肠道疾病，并参与炎症性肠病（IBD）、肠易激综合征（IBS）和结直肠癌（CRC）的发生发展。
其主要机制包括影响肠道屏障、免疫调节及炎症。双酚A(BPA)暴露会破坏肠屏障并诱导肠黏膜炎症；动物实验表明，多氯联苯(PCB)可增加肠通透性和免疫细胞浸润，从而加剧肠炎并可能触发 IBD。OP 还可通过影响肠蠕动、内脏高敏和免疫反应与 IBS 相关：草甘膦 (GLP)暴露会扰乱肠道微生物群并在动物中诱导内脏高敏；全氟化合物(PFC)则与肠蠕动改变和内脏疼痛有关，提示其可能参与IBS发病。
▸ 调节肠道微生物以解毒有机污染物
肠道微生物群参与药物、环境污染物和膳食成分的代谢与清除，在解毒过程中至关重要。其与外源物之间的复杂相互作用依赖多种微生物酶和代谢途径，对维持宿主健康具有关键意义。
已经提出了几种方法来调整肠道微生物群以增强其解毒能力，包括饮食改变以及益生菌和益生元的使用。
▸ 纤维、多酚和发酵食品的摄入增强肠道菌群的解毒作用
一种策略是通过饮食干预促进有利于解毒的有益肠道菌群。研究表明，膳食纤维、多酚和发酵食品有助于维持肠道微生物群平衡并增强解毒功能。
高纤维、低脂、以植物性食物为主的饮食可促使肠道微生物群朝有利方向改变，如增加产丁酸菌、减少潜在有害菌，并与炎症标志物下降和代谢健康改善相关，从而可能提升机体排毒能力。
富含多酚的食物同样可以调节肠道微生物群并提高解毒潜力。研究发现，补充富含多酚的葡萄提取物可显著增加双歧杆菌和乳杆菌等有益菌，并改善代谢指标和氧化应激标志物，提示解毒能力增强。
▸ 补充益生菌和益生元改善代谢解毒能力
益生菌是活微生物，足量摄入可带来健康益处，而益生元是不可消化的膳食纤维，专门促进肠道有益细菌的生长。研究显示，益生菌补充剂对异生素代谢和解毒有积极影响。
研究发现，给大鼠补充益生菌植物乳杆菌可通过增加粪便排泄帮助去除镉和铅等重金属。另外，添加益生元也能改变肠道微生物组成并增强解毒能力。例如，菊粉作为益生元纤维的添加使益生菌增多，潜在有害菌减少，进而改善代谢指标和炎症标志物，解毒能力提升。
益生菌的干预显示出积极作用
DOI:10.1201/9781003489221-7
▸ 粪菌移植促进解毒和改善健康
此外，粪便微生物群移植（FMT）是一种新兴方法，用于调整肠道微生物组并提高解毒能力。FMT 通过将健康供体的粪便转移到受者体内来恢复健康的微生物组成。研究探索了 FMT 在促进解毒和改善健康方面的潜力。
FMT 也能改变肠道微生物组成，并缓解炎症性肠病（IBD）患者的症状，显示其在疾病状态下促进解毒的前景。
▸ 微生物衍生的酶和代谢物作为潜在治疗剂
微生物衍生的酶和代谢物作为潜在治疗剂也展现了改善解毒的潜力。微生物产生的酶，如葡萄糖醛酸酶和硫酸酯酶，对分解结合代谢物和帮助清除体内异生物质至关重要。
研究表明，添加微生物葡萄糖醛酸酶能促进癌症患者的新陈代谢并增强化疗效果。此外，短链脂肪酸及次级胆汁酸等微生物代谢物可影响宿主的代谢和免疫功能，从而影响解毒过程。例如，短链脂肪酸显著调控肝脏内药物代谢酶的表达与功能，有助于改善解毒和药物清除。
小结
有机污染物（OP）和肠道微生物群之间的复杂关系突显了环境毒理学和人类健康的重要性。该领域的研究揭示了 OP 破坏肠道微生物群和影响宿主生理机能的不同方式。这些机制包括微生物组成的变化、肠道屏障功能的紊乱、炎症反应的触发以及解毒过程的调整。 OP 会加重肠道炎症，破坏代谢平衡，并通过影响肠道微生物群在慢性疾病的发展中发挥作用。
研究有机污染物和肠道微生物群是一个结合了环境毒理学、微生物学和人类健康的动态领域。通过了解背后的机制及其对健康和环境可持续性的影响，研究人员可以帮助创建新方法来降低有机污染物风险并保障公众健康。这一领域的进一步探索对于解决有机污染物带来的复杂问题并加深我们对其对人类健康和环境影响的理解至关重要。
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铅与肠道微生物群
重金属（HM）如汞、铅、镉在环境中广泛存在，并因其毒性而备受关注。铅（Pb）是一个非必需重金属，常见的环境污染物，对人类健康构成重大风险。
▸ 铅的存在情况及危害
研究表明，城市土壤中的铅浓度通常高于环境背景值，范围在100至1000毫克/千克。一项研究发现，经济地位较低和中等的国家儿童的平均血铅含量（0.84 µg/dl）更高，其中埃及为6 µg/dl、印度为5.46 µg/dl、中国为3.71 µg/dl。即使是极低水平（2 µg/dl）的铅暴露也对健康构成威胁，因此需进一步减少铅暴露。
▸ 铅会对神经、消化、免疫等产生危害
铅接触对社会影响深远，可能导致多种疾病，特别是对儿童的神经系统和认知发展造成严重危害。铅中毒可引发神经、血液、心脏、消化、免疫和肾脏等系统的问题。
学术研究表明，铅暴露显著提高死亡率。与其他重金属一样，铅的毒性与其对靶器官的影响密切相关。研究发现，铅可降低免疫反应、增加氧化应激和炎症，并导致金属稳态失调。此外，铅还可能干扰激素功能。尽管铅危害已知，但其中毒机制仍需进一步研究。
▸ 铅对肠道微生物群的改变
▸ 短期接触铅就会显著影响肠道菌群，代谢表达下降
短期接触铅可以直接影响肠道菌群。在一项初步研究中，口服铅两周的成年大鼠肠道微生物群中乳糖阴性大肠杆菌显著增加。
斑马鱼在暴露于30 µg/L铅7天后，其肠道微生物群发生显著变化，包括厚壁菌门和拟杆菌门显著增加，梭杆菌门和变形菌门减少，以及微生物丰度和种类的变化。
其他肝脏代谢组学研究发现与葡萄糖、脂质、氨基酸和核苷酸代谢相关的41种代谢物变化。通过饮水接触500 mg/kg铅14天后，糖酵解和脂质代谢相关基因（如Gk、Aco、Acc1、Fas、Apo和Dgat）的表达持续下降。
铅暴露对肠道微生物群的影响
DOI:10.1201/9781003489221-9
▸ 厚壁菌与拟杆菌比例上升
相较于急性铅暴露，长期铅接触较为少见，但会改变细菌的丰富度和多样性，可能导致肠道微生物群失调。
接触铅可能导致厚壁菌门与拟杆菌门的相对比例（F/B比）上升，厚壁菌门的优势显著增加，而拟杆菌门则相对减少。研究表明，高F/B比与肥胖和脂质代谢疾病密切相关。
▸ 铅接触减少了乳球菌、肠杆菌、阿克曼菌等
早期接触铅影响了六个分类群：乳球菌属、肠杆菌属和柄杆菌目(Caulobacterales)减少，而脱硫弧菌科、Barnesiella和梭状芽胞杆菌XIVb增加。脱硫弧菌将胆碱转化为三甲胺（TMA），后者在肝脏氧化为TMA N-氧化物（TMAO），与结肠癌和心血管疾病相关。
同年发现，在同一浓度和时间下，小鼠出现肾脏和肝脏结构与功能的改变以及认知能力下降，Lachnospiraceae_NK4A136_group显著增加，螺杆菌种群减少。
铅暴露后，微生物组的变化在前四周更为明显，研究人员推测那时肠道菌群处于铅敏感阶段。铅接触显著减少多种微生物，同时长期铅接触加重胃痛，降低瘤胃球菌科的比例，可能加重胃肠不适，且阿克曼氏菌显著下调，已与结肠炎相关。这些变化与肠道炎症和其他胃肠疾病密切相关，例如某些颤杆菌属(Oscillibacter)的戊酸可能与胃肠问题负相关，而某些毛梭菌(Lachnoclostridium)则促进次级胆汁酸的产生。
健康微生物群与受铅暴露影响的患病微生物群
DOI:10.1201/9781003489221-9
▸ 铅对肠道微生物群相关代谢的改变
▸ 维生素E和胆汁酸浓度失衡
研究人员采用多组学技术分析了暴露于10 ppm铅4周和13周的C57 BL/6小鼠的微生物组和代谢特征，结果显示铅暴露显著改变了微生物的代谢过程，包括能量代谢、氧化应激、维生素E及胆汁酸的变化以及防御/解毒机制。
共鉴定出1314种显著变化的分子特征，其中维生素E和胆汁酸浓度失衡。暴露于铅的小鼠胆固醇及其相关物质显著减少。
▸ 增加一氧化氮生成
在正常与异常胃肠道功能中，一氧化氮（NO）起到关键作用。铅暴露还可能引起编码铜亚硝酸还原酶的基因过度表达，从而增加肠道菌群中一氧化氮（NO）的生成。
核磁共振 (1NMR) 研究显示，饮用水中添加0.1 mg/L铅15周后，小鼠盲肠中15种代谢物水平显著变化，如4-胍基丁酸、胆碱和谷氨酸等增加，而β-半乳糖、苯丙氨酸等则减少。这些变化可能影响三羧酸循环、氨基酸代谢和宿主的能量代谢。
▸ 脂质代谢紊乱
有趣的是，铅处理后的小鼠肝脏显示出脂质代谢基因的剂量依赖性上调，包括参与新脂肪酸合成和转运的基因。暴露于铅八周的小鼠粪便中短链脂肪酸如丙酸、丁酸和醋酸盐的浓度显著降低，这可能与脂质代谢紊乱相关。
这些发现与早期研究一致，表明铅接触可能导致肠道微生物群及其代谢产物发生失调，从而影响宿主的代谢过程。
▸ 铅对肠道屏障的影响
铅暴露显著影响了肠道的结构和屏障功能。扫描电子显微镜显示，小肠表面绒毛不均匀，并出现大片退行性病变，有时缺乏肠上皮细胞微绒毛。
▸ 肠道屏障和通透性显著受损
铅几乎完全保留了与肠道屏障功能相关的ZO-1、Foxp3和Foxo4基因，而与炎症相关的基因（如Il1b、Tnf和Ifng）及抗炎基因（如Tgfb和Il-10）的表达显著下降。
在人类细胞模型中，进一步研究显示跨上皮电阻降低。口服高剂量（1 g/L）铅八周后，小鼠的肠道屏障和通透性显著受损，紧密连接（TJ）相关mRNA（ZO-1、claudin-1和occludin）表达下调，瘤胃球菌增多，Turicibacter减少。
▸ 紧密连接受损，微绒毛收缩
研究还发现，铅暴露使小鼠结肠和小肠中ZO-1、ZO-2、claudin-1和occludin基因表达显著降低。在铅处理后，小鼠的紧密连接mRNA表达进一步下调，尽管其肠道菌群已受损。
此外，长期接触铅对日本鹌鹑盲肠的组织学产生重大影响，导致粘膜脱落、利伯库恩腺损伤和淋巴细胞扩张。透射电子显微镜分析显示超微结构缺陷，包括细胞核固缩、线粒体空泡化和微绒毛收缩。盲肠形状的改变与IFN-γ和IL-2表达水平降低，以及TNF-α、NF-κB和IL-6水平升高相关，并且与粪杆菌和双歧杆菌的减少，以及拟杆菌的增加有关。
▸ 益生菌作为铅对抗治疗策略
铅是重要的有毒金属污染物之一，因此关于使用益生菌作为治疗干预以减少铅中毒的研究不断增多。
▸ 屎肠球菌Pb12能够吸收铅，减少生物体内的积累
研究首先测试了两种屎肠球菌株（Enterococcus faecium）EF031和M74在去除水中铅的能力。据初步研究，粪肠球菌能够有效捕获铅。屎肠球菌 Pb12 的变种是去除环境中铅 (Pb) 的有效菌株。这些细菌能够从鱼类胃肠系统中吸收铅，从而减少组织和器官中铅的生物累积。
▸ 罗伊氏乳杆菌也具有铅去除能力
研究发现，罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）P16表现出强大的胆汁和酸抵抗力，以及>15%的铅去除率。喂食P16（108 CFU/g）六周，结果显示可改善生长性能，减少组织铅积累，减轻氧化应激等影响。
从发酵食品中分离出的耐铅菌株肠膜状明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）显著降低肝酶水平并恢复部分雄性生殖功能。给暴露于铅的小鼠喂食特定肠道微生物群，结果显示铅去除和紧密连接蛋白表达增加。
▸植物乳杆菌螯合铅并减少损伤
植物乳杆菌CCFM8661能螯合铅并保护小鼠免受氧化应激。该菌在后续研究中显著降低鱼类的血红细胞核异常，提高铅引起的免疫状态。
综上所述，益生菌可能预防铅中毒，并通过改变肠肝循环、增加胆汁流量及谷胱甘肽的产生，促进胆汁和粪便中铅的排泄。使用FXR激动剂时，这种效果显著减弱。膳食补充剂中的益生菌及其他成分也可能提高抗铅效果，并帮助恢复铅暴露小鼠的记忆和学习能力。
小结与未来展望
近期研究显示，胃肠道中的铅对肠道有直接或间接影响。铅中毒损害肠上皮、紧密连接、免疫功能并引发炎症，导致大分子渗透增加。此外，铅暴露可能导致肠道微生物群失调，破坏肠道屏障，影响微生物多样性和代谢物，导致内毒素血症。
一些研究显示益生菌可能有效解毒和治疗铅中毒，但大多数研究关注铅对微生物种群的整体影响，而非特定菌株。因此，需要更深入的宏基因组和代谢组研究，以了解重要细菌对肠道和其他器官的影响。铅对消化道和其他器官的毒性尚不明确，特别是其对脂多糖和其他微生物副产物的影响，还需探讨益生菌减少铅暴露的机制。
▸ 汞污染及其各种来源
汞是全球普遍存在的污染物，存在多种形式，包括元素汞（Hg）和无机汞（Hg+和Hg2+）。
▸ 食物中的汞污染
食品中的汞污染是一个严重问题，尤其是在工业活动造成环境污染的地区。许多人喜欢食用鱼，而鱼类可能通过生物累积过程储存汞。
此外，作为全球许多人主食的大米，可能是在汞污染的土壤中种植，从而导致汞在谷物中积累。
▸ 药物、环境中的汞污染
含汞药物也增加了汞暴露的风险，尽管低于食品中的汞。过去，牙科汞合金、抗菌霜及其他药物中均含有汞。尽管由于其毒性，药品中使用的汞量有所减少，但它在某些补充和替代医疗中仍然是重要的接触源。
此外，空气中汞沉积在土壤中，一些细菌将其转化为甲基汞，植物吸收后使汞进入食物链，这使得汞更容易从土壤迁移到植物，并最终传递到更高级别的动物中。
▸ 汞的毒性及危害
汞是已知的环境毒素之一，对人类健康产生复杂的负面影响，尤其是对肝脏、肾脏和中枢神经系统。它的毒性源于双重作用，表现为氧化应激增加和对特定器官系统的集中攻击。
汞对肠道屏障、微生物紊乱等的影响
▸ 氧化损伤：汞损害身体的主要方式
汞对身体有害的主要方式之一是引起氧化应激。当元素汞和无机汞相互作用时，会产生活性氧（ROS），如超氧自由基和过氧化氢。当这些活性氧水平过高时，将压垮人体的抗氧化防御系统，导致脂质、蛋白质和DNA的氧化损伤。
汞造成的氧化损伤广泛影响细胞结构，导致膜不稳定和细胞功能障碍。蛋白质的氧化改变了多种生理过程，而氧化应激诱导的DNA损伤则可能引起突变。
▸ 器官特异性毒性：汞的不同目标
汞对某些器官也有独特的影响。汞中毒影响的主要器官是肝脏、肾脏和中枢神经系统。
肝脏作为解毒中心，汞在进入循环系统后通常积聚于此。肝脏尝试清除汞，导致氧化应激增加，长期接触可能损害肝功能并增加肝毒性风险。
肾脏在过滤血液中的汞时，可能会受到损害。无机汞在肾脏组织中的积累会导致肾毒性，干扰其过滤和重吸收功能，进而损害肾功能。
汞的神经毒性特别影响中枢神经系统，因其能穿过血脑屏障。甲基汞的神经毒性尤为明显，影响整体神经健康、运动能力和认知功能。与汞接触相关的神经系统症状部分源于神经递质途径的破坏及炎症激活。
▸ 肠道微生物群影响汞的作用
▸ 微生物基因簇影响汞转化
某些基因簇（如hgcAB和mer操纵子）决定了肠道微生物群在汞转化中的作用。hgcAB基因簇促进无机汞（IHg）转化为甲基汞（MeHg），而mer操纵子（包括merA和merB基因）则将MeHg去甲基化还原回IHg。
肠道中汞生物转化的复杂过程
这些基因簇作为微生物工具，使肠道微生物能够参与汞的复杂变化，其丰度因接触汞而增加，显示出微生物群落的适应性和在肠道汞循环中的重要性。
▸ 影响汞的毒性和生物利用度
肠道微生物群在汞代谢中不仅限于甲基化和去甲基化，还积极改变汞的化学形态，影响生物体的命运。与汞暴露相关的毒理学后果受到微生物群调节汞形态能力的影响。同时，新的研究揭示了汞引起的肠道功能障碍与肠道菌群之间的复杂相互作用，为健康后果提供了新见解。
汞与肠道微生物群的最新研究
▸ 肠道菌群有助于减少汞的吸收和解毒
最新研究发现，肠道细菌在汞的解毒与生物转化中发挥关键作用，可能影响体内的汞形态和生物蓄积。有研究指出可利用人胃中的细菌减少对有害金属如汞的吸收，但两者之间的关系仍需进一步探讨。
益生菌可表达一种酶，将易吸收的汞形式转化为难以吸收的形式，为减少人类接触汞提供了可能的策略，尤其对于弱势群体。此外，研究中还显示，改变肠道微生物群（如通过抗生素或粪便微生物群移植）可以减轻汞暴露引起的肝脏损伤，并展示了汞暴露如何影响肠道微生物的多样性和构成，导致肝脏铁死亡（一种受控细胞死亡过程）。
▸ 汞的接触改变了肠道微生物群的组成
此外，汞暴露显著影响肠道菌群。一项研究显示，湿地植被的存在促进了汞的甲基化，而无植被沉积物中甲基汞的生成与微生物组变化有关。研究还表明，肠道微生物群的去甲基化能力可能受到汞暴露水平和来源的影响，且某些细菌如脱硫弧菌和产甲烷菌可能对肠道甲基汞去甲基化有所贡献。
重金属如汞的接触改变了肠道微生物群的组成，病原菌如气单胞菌（Aeromonas）数量显著增加。这表明健康、肠道微生物群以及重金属暴露之间可能存在密切联系。
坦桑尼亚的一项研究探讨了补充益生菌的酸奶是否能降低幼儿和孕妇的重金属，尤其是汞的含量，结果表明，益生菌酸奶能够防止汞含量上升，从而证明其减少重金属暴露负面影响的潜力。
这些发现强调了肠道微生物群与重金属（如汞）之间复杂而相互的关系，以及益生菌和其他疗法可能减轻重金属暴露负面后果的前景。
镉是一种有毒重金属，来源于自然和人为因素，其渗透到环境中对人类健康构成潜在威胁。
▸ 镉的来源和健康危害
作为一种广泛存在的环境污染物，这种重金属普遍存在于沉积物、溪流水和土壤中。中国同样面临镉暴露问题，在大米中检测到较高的镉含量。
▸ 镉会导致糖尿病、心血管疾病、慢性肾病等
镉与多种严重健康问题相关，包括癌症、糖尿病、心血管疾病、慢性肾病、骨质疏松、肝病和不良的神经发育结果。
研究估计，高浓度镉暴露可导致死亡率增加17%，突显了解决这一环境挑战的紧迫性。历史上，对镉影响健康的研究主要关注与接触相关的有害结果，包括金属动态失衡、氧化应激、炎症、内质网应激和基因组不稳定等问题。
镉毒性的影响
▸ 导致锌、铜等微量元素的失衡
在细胞水平上，镉破坏金属稳态，导致锌和铜等必需微量元素的失衡，主要通过与这些金属竞争结合运输蛋白而实现。这种不平衡损害细胞功能，并引发各种健康问题。
▸ 损害脂质、蛋白质和DNA等细胞成分
从分子层面来看，镉诱发氧化应激，表现为活性氧（ROS）产生与机体对其的清除能力之间的不平衡。镉刺激超氧自由基和过氧化氢等的生成，损害脂质、蛋白质和DNA等细胞成分，导致细胞功能障碍，并激活与炎症和细胞凋亡相关的信号通路。此外，镉还会引发内质网应激，破坏其蛋白质折叠能力。
▸ 增加遗传突变风险，干扰正常内分泌
镉还与基因组不稳定性相关，影响细胞遗传物质的完整性，增加DNA损伤和突变的风险，从而可能导致癌症的发生。此外，镉还充当内分泌干扰物，模仿激素作用并扰乱正常内分泌功能，尤其在生殖和发育过程中影响显著。
总的来说，镉毒性对细胞和分子的影响表现为金属稳态破坏、氧化应激、内质网应激、基因组不稳定性和内分泌干扰。这些复杂机制共同导致与镉暴露相关的各种不良健康结果，反映出其多方面的毒理学影响。
▸ 镉与肠道微生物群的互作
镉的毒性不仅源于直接的细胞相互作用，还涉及肠道微生物群的复杂生态系统。镉一旦摄入，便穿过胃肠道，首先与粘膜内层的多种微生物群接触，可能与产生粘蛋白的杯状细胞相互作用。这些相互作用可能损害肠道屏障的完整性，促进镉向肠道深层的转移。
▸ 镉会诱导氧化应激扰乱肠道微生物平衡
镉诱导的氧化应激能扰乱肠道微生物群的平衡，促进某些细菌生长并抑制其他细菌繁殖。它还倾向于与酶和关键蛋白质的巯基结合，这种结合影响微生物的结构与功能，从而可能中断重要的代谢途径和营养循环。
▸ 镉还会通过肠道微生物群影响免疫功能
镉的影响还延伸至肠道微生物组的免疫调节功能，微生物群与免疫系统的相互作用对维持对病原体的有效反应至关重要。镉引起的微生物组成变化可能触发免疫反应，导致炎症加剧肠道疾病。因此，深入理解镉与肠道微生物组成的复杂相互作用非常重要。
▸ 镉暴露导致乳杆菌、梭状芽胞杆菌等减少
对不同年龄实验动物的研究发现，短期和长期镉暴露都会显著影响肠道微生物组的生理。暴露于镉42天的成年大鼠消化道中的需氧和厌氧乳酸菌均显著减少。镉在属和科水平上引起了肠道微生物群的特殊变化，例如，在饮用水中接触镉45天的小鼠中，
蜡样芽孢杆菌、乳杆菌、梭状芽胞杆菌和大肠杆菌数量显著减少，并呈剂量依赖性。而八周镉暴露则以剂量依赖的方式增加小鼠盲肠中放线菌的相对丰度，但对拟杆菌门和厚壁菌门的影响未达到统计显著性。
在盲肠菌群的科水平上，Coriobacteriaceae和Lactobacillaceae的相对数量以剂量依赖性方式增加，而Lachnospiraceae的百分比下降。尽管在镉暴露的小鼠中，粪便微生物的变化不那么明显，但Odoribacter和Alistipes属的相对丰度显著增加。
注：镉引起的微生物群变化在初期四周更为明显。由于无菌动物不易表现出促炎反应，观察到的NF-kB激活和促炎细胞因子的产生至少部分依赖于镉诱导的肠道微生物群改变。
▸ 镉还影响短链脂肪酸和细菌蛋白的表达
从三周开始，增加剂量的镉显著减少了肠道细菌数量及厚壁菌门与拟杆菌门的比例。乳杆菌的显著降低仅在三周后出现，而双歧杆菌的数量在一周后便开始下降。同时，TNF-α合成增加，伴随与短链脂肪酸（SCFA）相关的基因变化。
研究还表明，镉暴露降低了粪便中的短链脂肪酸含量。除了影响肠道生物多样性，短期镉治疗也对肠道微生物组功能产生影响。研究显示，接触镉后15分钟内，细菌蛋白质组发生显著变化，表明对镉暴露的反应可能与肠道微生物群中蛋白质表达的独特变化有关。
早期体外研究也表明，镉影响整体基因表达，尤其是在能量代谢、转运、细胞周期和结合蛋白基因的表达上，镉暴露后0、5、15和25分钟，相关基因的表达均有所上升，可能涉及脂多糖的生产或运输。
长期低剂量镉(Cd)暴露的影响
这些发现说明，镉几乎立即影响肠道微生物群。婴儿期低剂量镉暴露也显著改变肠道微生物群的数量和种类。在八周龄接触镉的雄性小鼠中，拟杆菌数量显著增加，而厚壁菌相应减少，双歧杆菌和普雷沃菌的数量下降幅度最大。
此外，接触镉的动物体内的粘液鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）数量明显增加，并与较高的肥胖程度相关。另一项研究显示，暴露于镉的五周大雄性小鼠的盲肠厚壁菌门显著降低，而拟杆菌门和g-变形菌门未显著下降。这些变化可能与肝脏能量平衡基因的改变有关，进而影响脂肪酸的生产和运输。
总体上，由于拟杆菌门丰度的增加及厚壁菌门数量的减少，多项研究表明这二者的比率显著上升。有关镉暴露对特定细菌群体影响的不一致性可能与不同的暴露方案（剂量、持续时间、种类）有关。
▸ 镉与肠道通透性和炎症
▸ 镉破坏肠道屏障，提高肠道通透性
研究表明，镉暴露显著降低肠上皮细胞活力，并损害紧密连接，影响细胞旁通透性。后续研究发现，HT-29细胞单层中紧密连接蛋白分布不均，镉暴露小鼠的结肠和空肠中ZO-1、ZO-2、occludin和claudin-1的mRNA表达显著减少。这些变化与肠道通透性提高相关，导致血液中LPS水平升高。
在Caco-2细胞培养中，镉显著破坏紧密连接，造成细胞间连接损伤，并上调与氧化应激、热休克蛋白和胱天蛋白酶3相关的基因。这验证了Caco-2细胞旁通透性显著增加的研究，伴随HSP70水平升高和坏死病变的存在。此外，镉暴露还导致小鼠血清脂多糖结合蛋白水平升高，且呈剂量依赖性。
▸ 提高炎症细胞因子水平，促使肠道炎症
长期接触镉改变肠道组织学，显示绒毛增厚变短，且伴有融合和坏死区域。肠道乳酸菌数量减少，TNF-α、IFN-γ、IL-1β和IL-17水平升高，导致肠道形态改变。肠系膜淋巴结呈现镉诱导的变化，包括细胞增殖和结构变化。
Caco-2细胞模型表明，镉通过I-kBa降解诱导NF-kB激活，促使肠道炎症反应。镉和脂多糖的联合暴露显著增强了肝损伤，相较于单独暴露，氧化、亚硝化应激和炎症反应加剧。共同暴露也影响一氧化氮的生成，并且镉会替代必需金属（Cu、Zn）。
▸ 高镉暴露还会导致内毒素血症
值得注意的是，高镉暴露与代谢综合征的频率显著相关。研究表明，镉可阻碍细胞中的脂多糖信号传导，抑制巨噬细胞中NF-kB通路，降低对感染因子的抵抗力。
镉诱导的氧化应激可能导致小鼠巨噬细胞反应性失调。在患有结肠炎的小鼠中，镉的接触显示促炎细胞因子表达的剂量依赖性减少。迄今的研究表明，镉可能通过增加肠道通透性来诱发内毒素血症，并提高脂多糖水平。然而，脂多糖与镉之间的关系可能表现出拮抗和协同作用，具体取决于剂量和作用机制。
▸ 益生菌作为镉暴露的治疗策略
大量研究表明，益生菌在镉中毒中发挥显著保护作用，可以缓解肠道菌群失调。
▸ 植物乳杆菌和菊粉等有助于减轻镉引起的损伤
含有凝结芽孢杆菌、植物乳杆菌和菊粉的膳食已被证实能减轻镉引起的肝脏和肾脏损伤。具体而言，富含益生菌的饮食显著减少了镉在肝脏和肾脏中的积累，并降低了血液中ALT、AST、肌酐和尿素的水平。
此外，接受益生菌治疗的镉暴露大鼠中，乳酸菌丰度增加，与观察到的健康改善一致。在暴露于镉的HT-29结肠细胞中，植物乳杆菌显著减弱了镉诱导的炎症反应，减少了TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-8的产生。
植物乳杆菌治疗还减少了镉暴露大鼠的内毒素血症、肠道通透性和紧密连接异常，并增强了肾脏和肝脏的抗氧化反应，降低了镉造成的损伤。这些结果促使研究人员认为，与抗氧化疗法相比，益生菌可能是治疗镉中毒的更有效方法。
▸ 益生菌降低了镉的毒性并恢复肠道微生态
值得注意的是，尽管腹腔注射植物乳杆菌对接触镉的动物未能减少器官中镉的积累，但却增强了抗氧化活性并保护组织。含有鼠李糖乳杆菌、嗜酸乳杆菌和长双歧杆菌的益生菌可有效逆转镉诱导的乳酸杆菌和双歧杆菌数量减少，从而显著降低镉的遗传毒性，并减少肝细胞DNA损伤。
此外，益生菌通过与结肠中的金属离子结合，降低其生物可及性，从而对汞暴露产生预防作用，研究发现血液金属浓度下降、粪便中镉水平和乳杆菌含量增加之间存在显著相关性。
在体外模型中，Cd(NO3)2与开菲尔乳杆菌的预孵育显著降低了其对HepG2细胞的毒性。研究表明，益生菌在预防镉中毒方面主要针对镉引起的紧密连接破坏和肠道炎症，此外，添加锌补充剂可能增强益生菌的保护作用。
砷是全球最危险的环境污染物之一，广泛存在于自然环境中，主要来源于地表侵蚀。它与食物、饮水以及空气中土壤和颗粒密切相关，人类活动（尤其是砷采矿和工业使用）进一步加剧了这种污染。
砷化合物对大多数生物构成威胁，长期接触低水平砷也与多种疾病相关。国际癌症研究机构（IARC）已将砷及其无机化合物列为一级致癌物，与皮肤癌、肺癌和膀胱癌密切相关，并且暴露于砷与代谢紊乱、皮肤损伤、糖尿病、心血管疾病等非癌性疾病也有关。
砷存在于多个化学形式中，分别具有不同的毒性和生物可及性，其中As(III)和As(V)是饮用水中最常见的二价和五价形式。
▸ 肠道微生物群对砷的作用
肠道微生物可代谢砷，从而改变其在宿主中的毒性。相反，如果砷导致特定微生物的死亡，则可能削弱它们的保护作用。细菌砷加工的研究主要集中于研究微生物对砷有害影响的“抵抗力”，例如其导致细胞死亡的能力。
▸ 部分肠道细菌具有抗性基因或能编码代谢砷的酶
Ars操纵子是抗性基因簇，最初在大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的质粒中发现，后来在多种医学相关病原体中得到验证，如耶尔森氏菌、单核细胞增生李斯特菌和空肠弯曲菌。Ars操纵子还在人类肠道共生体中被鉴定，如枯草芽孢杆菌和普通拟杆菌。
细菌编码的酶能够通过氧化、还原、甲基化和去甲基化过程改变无机和有机砷，这些过程与特定底物相关联。细菌代谢物可能对胃肠道中砷化合物的转化有显著影响。
砷与肠道微生物群间的相互作用
▸ 肠道微生物群能够改变砷暴露水平
最近的研究表明，大鼠盲肠中的大肠杆菌能够代谢二甲基亚砷酸盐（DMAsV），生成三甲基亚砷酸盐（TMAVO）和一种未确定的砷化合物。研究者还考察了微生物组成员在实验室中的砷吸收。小鼠的微生物组在酶促还原和甲基化无机砷（iAs）的能力方面表现出强大效果。
两项独立研究显示，在模拟人类肠道环境中，微生物群可减少无机砷（iAsV）的浓度并进行甲基化，生成毒性较低的砷化合物。即便在高压灭菌实验对照中，iAsV也仍能转化为iAsIII，这表明非酶机制可能参与此转化。
研究发现，给小鼠服用抗生素会显著减少其粪便中砷的排泄，同时增加其肝脏和肺组织中的砷积累。研究人员推测，抗生素暴露降低了肠道微生物的生物量，从而影响了砷的排泄。其他实验表明，无机砷（iAs）会被吸附到革兰氏阳性细菌的胞外聚合物上，而革兰氏阴性细菌则不然，这可能说明微生物对砷的积累是通过该过程实现的。
▸ 肠道微生物群可降低砷毒性
微生物组的“表型”与宿主内甲基化砷与无机砷比例的变化相关。然而，鲜有研究明确证实微生物组的修饰、变化或缺失与宿主健康之间的直接联系。研究人员使用已人源化且无菌的AS3MT-KO小鼠进行实验，旨在评估微生物组的异质性如何影响疾病结果，特别是死亡率。
研究发现，只有少数细菌始终表现出积极作用（即延长存活时间），这些细菌为人类肠道中一些常见物种。例如，经黏液真杆菌属(Blautia)的两个成员，以及来自毛螺菌科、瘤胃球菌属和粪杆菌科的细菌，与不同供体的生存有强相关性。
▸ 宿主基因决定肠道微生物表型对砷代谢的影响
大量证据表明，个体对砷暴露引发疾病的易感性差异显著，这通常与体内对砷的处理方式不同有关。在此环境中，肠道微生物群对砷代谢及多脏器的全身反应起着直接作用，表明微生物群特征可能影响砷化合物的代谢范围。
然而，宿主遗传学与肠道微生物组如何结合影响砷的生物转化机制尚不明确。我们采用综合方法，将16S rRNA基因测序与HPLC-ICP-MS砷形态分析结合，发现IL-10基因的缺失会显著改变肠道微生物组的组成，从而对砷代谢产生重要影响。
然而，证据表明，保留微生物组的小鼠组比无菌或接受抗生素治疗的小鼠组在砷引起的死亡时间上显著延长。因此，微生物组具有保护宿主免受砷毒影响的潜力。这些发现可能为开发砷中毒的创新治疗和预防方法提供基础。
▸ 砷对肠道微生物群的影响
研究发现砷能够改变肠道微生物群的组成，但其对微生物组功能的影响，尤其是在环境相关剂量下，尚未充分评估。使用16S rRNA测序和宏基因组测序，检查了在100 ppb砷处理下小鼠肠道微生物组的组成和功能。
▸ 影响碳水化合物代谢和维生素合成
结果显示，砷暴露不仅改变了微生物群的组成特征，还导致了α和β多样性的变化。宏基因组分析表明，碳水化合物代谢相关基因的表达显著变化，特别是在丙酮酸发酵、脂肪酸合成和淀粉利用方面。
此外，砷暴露小鼠的肠道微生物群中，脂多糖合成和压力响应基因的表达显著增加，与维生素（如叶酸、维生素B12、B6和K2）合成相关的基因含量也更高。同时，砷治疗后，与药物耐药性和接合转座子蛋白相关的基因表达显著上升。
▸ 破坏胆汁酸的代谢平衡
让 C57BL/6 小鼠的饮用水中砷浓度达到百万分之一 (ppm)，目的是检查砷暴露对胆汁酸平衡的影响。研究结果表明，砷暴露导致初级胆汁酸（特别是那些未结合的胆汁酸）发生明显变化，并持续降低血清和肝脏中的次级胆汁酸。
拟杆菌门与厚壁菌门的比例与血流中胆汁酸的浓度相关。目前的研究提供的证据表明，砷暴露引起的肠道微生物群失衡可能会导致受砷影响的胆汁酸调节的破坏。
最终结果显示，即使在适宜的环境砷水平下，仍会破坏肠道微生物组的整体结构并显著改变一些关键的细菌功能途径。接触100 ppb砷会扰乱小鼠肠道微生物组的典型组成和功能，这对环境具有重要意义。能量代谢基因的表达发生了变化，与脂多糖生成、氧化应激和DNA修复相关的基因广泛上调。
此外，砷暴露还导致与接合转座子蛋白、外排多药元件及维生素合成相关的基因表达增加。这些发现为理解砷对肠道微生物组影响提供了新的见解，尤其是在环境相关的剂量下。
环境毒物无处不在， 如果积累到上限，不仅直接挑战人体的解毒器官，更在悄无声息中重塑着我们体内的“隐形生态”——肠道菌群。科学研究已经证实，环境污染物与肠道微生物之间存在着复杂的双向互作：过量的毒物可以破坏菌群平衡，诱发代谢与免疫紊乱；而健康的肠道菌群和肠道屏障则是人体抵御外源毒素的第一道防线，甚至能协助降解部分有害物质。
面对这一挑战，我们既无需过度恐慌，也不能掉以轻心。未来的健康管理将不再局限于对疾病的被动治疗，而是转向对环境暴露风险的主动评估。
这需要我们在三个维度上通过跨学科的协同努力实现突破：
首先是强化内在防线，通过回归自然饮食，利用富含膳食纤维和植物化学物的全谷物、蔬果来“喂养”体内的有益菌等自然疗法，激发菌群自身的解毒潜能；其次是落实精准医疗，结合基因组与代谢组数据，为不同体质的人群定制个体化的健康管理方案；最后是筑牢社会屏障，推动更严格的环境卫生政策，重点保护儿童及弱势群体。
本文仅供科研交流。
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谷禾健康
在这个充满压力、紧张和焦虑的快节奏世界中，人人都容易患上许多身心疾病。
根据世界卫生组织 (WHO) 的数据，世界上每 8 人中就有 1 人患有精神障碍，其中焦虑症和抑郁症最为常见。尤其经历疫情，仅2020年，全球重度抑郁症患者增加27.6%（95%不确定区间（UI）：25.1-30.3），焦虑症患者增加25.6%（95%不确定区间：23.2-28.0）.
情绪健康对身体健康有直接影响，反之亦然。这背后的原因离不开肠道和大脑之间的双向交流，这两者之间的对话主要是由肠道微生物群介导的。
也就是说，肠道微生物群在神经精神疾病的发病机制中起着至关重要的作用。
精神障碍，包括抑郁、焦虑、恐惧、双相情感障碍、精神分裂症和其他精神病、痴呆、以及自闭症和创伤后应激障碍等，都有一系列症状，比如：异常的思想、感知、情绪、行为和人际关系等。
哪些因素会引发精神疾病？
大多数精神疾病是由环境、心理和生物因素共同引起的。遗传、脑损伤、微生物感染、药物滥用、营养不良或暴露于环境污染物都可能在精神障碍的发展中发挥重要作用。
环境污染物影响精神疾病易感性
随着世界各地工业流程和技术的进步，现代文明产生的各种环境污染物已大大增加。人们在日常生活中会接触到各种各样的污染物，这些污染物会影响肠道微生物群并操纵肠道和大脑之间的双向交流，从而导致精神或神经系统疾病的易感性。
精神益生菌：有助大脑健康的下一代益生菌
精神益生菌是一种能够影响肠-脑轴的益生菌菌株，对改善微生物群以及缓解中枢神经系统疾病的某些症状具有积极作用。常见的精神益生菌包括：乳酸杆菌、链球菌、双歧杆菌、大肠杆菌、肠球菌等。
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本文讨论了各种环境污染物（重金属、邻苯二甲酸盐、双酚 A 、颗粒物等）如何影响错综复杂的微生物群-肠-脑轴，从而影响神经和整体心理健康，总结了精神益生菌如何通过菌群有效缓解多种中枢神经系统疾病的症状及改善心理健康。
本文涉及的专业术语
CNS—中枢神经系统
ENS—肠神经系统
HPA—下丘脑-垂体-肾上腺
GBA—肠脑轴
MGBA—微生物-肠-脑轴
GABA—一种中枢神经系统抑制性神经递质
VN—迷走神经
BDNF—脑源性神经营养因子
在了解环境污染物如何引发精神疾病之前，我们先来了解一下：微生物群-肠-脑轴。
微生物群-肠-脑轴是如何运作的？
它负责协调肠神经系统(ENS)和中枢神经系统(CNS)之间的双向交流，将外周消化活动与大脑的情绪、行为和认知中心联系起来。
微生物群-肠-脑轴 (MGB) 的双向交流
Singh S,et al., Microorganisms.2022
这种关联受皮质醇和下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)激素、迷走神经(VN)系统和免疫反应等激素的调节。迷走神经是副交感神经系统的主要组成部分，可将肠道信号传递到中枢神经系统并刺激反应。
肠道菌群在肠-脑轴中如何发挥作用？
肠道菌群可以通过多种潜在机制改变大脑功能：
同时并产生具有神经活性特性的代谢物，例如短链脂肪酸、支链氨基酸、肽聚糖等。
这在我们之前的文章也有详细阐述过：
深度解读 | 肠道菌群和中枢神经系统的关系
微生物群-肠-脑轴如何影响压力、焦虑等？
肠-脑轴的作用已在几个生理过程中得到证实，例如饱腹感、食物摄入以及脂肪和骨代谢、葡萄糖调节和胰岛素分泌。
此外，宿主行为受肠神经系统和中枢神经系统与肠脑轴相关性的影响。这些系统活动的减少与压力或焦虑增加有关。
已经确定肠脑轴活性受降钙素基因相关肽(CGRP)的调节。当增加的病原微生物破坏肠道微生物群时，神经元可以产生CGRP并将其释放到肠道中。感染可诱导CGRP的分泌，进而激活宿主防御和降钙素受体的相应免疫反应。
微生物-肠-脑轴的存在表明，通过饮食、宿主衍生代谢物和不同环境污染物改变肠道微生物的组成和数量，可以影响中枢神经系统和肠神经系统，从而影响精神疾病的发生和发展。
菌群代谢产物——短链脂肪酸
有助于调节中枢神经系统
短链脂肪酸可以通过单羧酸盐转运蛋白穿过血脑屏障(BBB)，通过过度表达紧密连接蛋白并保持血脑屏障的完整性。
短链脂肪酸可以调节神经营养因子 (BDNF) 的水平，促进神经发生，影响神经胶质细胞的形态和功能，有利于血清素形成并改善神经元稳态和功能，所有这些都有助于调节中枢神经系统中的神经炎症。
短链脂肪酸与这些肠-脑网络的结合可以直接或间接地改变认知、情绪和精神障碍的病理生理学。
通过调节途径（包括犬尿氨酸途径）改变神经递质活性，以及大脑中短链脂肪酸的可用性和影响的变化，都可能对脑源性神经营养因子(BDNF)功能产生影响，包括中枢神经系统中的神经元存活和分化。
如肽酪氨酸酪氨酸 (PYY)、胆囊收缩素(CCK)和胰高血糖素样肽-1(GLP-1)从表达游离脂肪酸受体(FF-R)的肠粘膜肠内分泌细胞中的释放。在啮齿动物中，血源性PYY和GLP-1会渗透到大脑中，并对神经递质和行为产生显著影响。
每天接触各种环境污染物会影响肠道微生物群，损害肠脑轴，它们是如何导致抑郁、焦虑等心理健康问题的？下一章节我们展开讨论。
我们知道，人体各类疾病（免疫性疾病、胃肠道疾病和神经行为疾病）可能是由于微生物群的变化而产生的，微生物群失调后致病菌增多，产生毒力因子，如脂多糖，从而引发一系列导致“肠漏”的过程。
所谓“肠漏”，即肠黏膜通透性增加，这可能使细菌、细菌毒素和其他小分子物质泄漏到血液中并引起全身炎症。
关于肠漏详见：什么是肠漏综合征，它如何影响健康？
细菌毒素因子和代谢物能够转移到远处的目标区域，例如大脑。激素合成、细菌产生的代谢物、模仿宿主产生的因子和表观遗传突变都是肠道菌群失调影响宿主的潜在机制。
✦ 环境污染物通过干扰菌群影响宿主
暴露于环境污染物会针对宿主和常驻肠道微生物群，其干扰可能会产生系统性影响，包括通过微生物群-肠-脑轴改变中枢神经系统的功能。
重金属、有机溶剂和空气污染物是研究最多的与人类精神疾病和心理功能有关的人造和天然毒物类型。
研究人员发现那些生活在土壤中重金属和重金属浓度较高的地区的人，患精神疾病的可能性更高。即使较低的水平也会导致肠道失调和对心理健康的负面影响。
重金属类型：
铅 (Pb)、镉 (Cd )、汞( Hg )等。
重金属可能以四种方式进入人体：
▸ 重金属如何对人类健康的不利影响？
在重金属到达大脑之前，初步的环境暴露预计会与肠道微生物群相互作用。
当重金属到达胃肠道系统时，重金属毒性可能由肠道微生物组通过代谢氧化或还原过程介导。另一方面，重金属会引起氧化应激，改变肠道屏障的通透性，扰乱人体健康的微生物群，导致菌群失调。肠道菌群失调提高了重金属和氧化应激的潜在破坏性影响，这与精神疾病有关。
肠道菌群对重金属的吸收和代谢的直接影响
Duan H, et al., Sci Total Environ. 2020
【 铅 】
铅是一种众所周知的神经毒素，它对单胺信号传导 、下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴和其他几个大脑系统的影响与情绪障碍有关。
几项动物研究表明，接触铅会导致HPA轴永久功能失调。
▸ 重金属导致线粒体功能障碍，与精神疾病有关
在某些精神疾病的病理生理学中，铅和镉等重金属可能导致线粒体生化级联反应发生故障。研究人员记录了 19 例线粒体疾病，这些疾病还伴有抑郁和焦虑等精神问题，确立了线粒体功能障碍和精神疾病之间的联系。
乳酸菌产生的支链氨基酸可以穿过血脑屏障，并通过增强线粒体生物合成来改变宿主生理，从而提高对活性氧的抗氧化作用。这就提供了重金属暴露、肠道微生物组和心理健康之间的重要联系。
根据肠道微环境因素，如 pH 值、氧化还原电位、氧气可用性、易感/耐药微生物的流行程度以及微生物群的总体多样性和代谢活动，推测肠道中有害金属的暴露会对常驻菌群产生不同的影响。
【 汞 】
汞中毒是第二大常见的重金属毒性。有几起因汞中毒引起的精神疾病的报告。汞的神经精神毒性主要涉及元素汞(Hg2+)，它是通过甲基汞通过血脑屏障去甲基化而形成的。
▸ 汞积累可能引发脑损伤
由于大脑是汞的主要靶点，因此其产前暴露会导致人类和实验动物的大脑萎缩、大脑皮层和基底神经节损伤、细胞死亡、脑层紊乱和神经胶质增生。
由于Me-Hg中毒与年龄有关，因此汞中毒和汞沉积的症状因人在接触时的年龄而有很大差异。
▸ 过多接触汞的胎儿存在思维问题
在子宫内暴露于Me-Hg的儿童，可能在认知思维、记忆力、注意力、语言技能、肌肉控制和视觉空间技能方面存在问题。
急性Me-Hg暴露也改变了大鼠肠道微生物群的结构和功能，包括脱硫弧菌目、消化球菌科和幽门螺杆菌，所有这些都与特定的神经代谢物有关，如谷氨酸和γ-氨基丁酸 (GABA)。
在成熟的中枢神经系统中，谷氨酸和γ-氨基丁酸分别是主要的兴奋性和抑制性神经递质。它们的不平衡可能导致不同的精神和神经问题。
关于谷氨酸与肠道菌群详见：兴奋神经递质——谷氨酸与大脑健康
在鱼类中，Me-Hg处理增加了下列菌群：
Xanthomonadaceae，Pirellula，Cloacibacterium，
Comamonadaceae，Deltaproteobacteria FAC87
所有这些都参与了异生物质代谢和金属去除。有机和无机形式的汞通过胃肠道吸收并影响其他系统，包括中枢神经系统，引发心理问题。
【 砷 】
砷，也会导致认知功能障碍和易患情绪障碍，主要是通过破坏血清素和多巴胺代谢。
由于已知有几种肠道微生物有助于这些神经递质的生物合成，因此微生物群中的任何干扰都可能是导致肠脑串扰改变的可能原因。
▸ 砷处理小鼠：拟杆菌↑↑，厚壁菌↓↓，短链脂肪酸↓↓
在几项研究中，小鼠肠道微生物群中砷暴露的时间和剂量依赖性变化被确定为拟杆菌门的增加和厚壁菌门的减少。
研究还发现砷处理促进了与脂多糖产生、多重应激反应、DNA 修复和维生素生物合成有关的细菌基因转录，同时减少了短链脂肪酸生物合成有关的基因转录。
短链脂肪酸减少引起了：
慢性炎症、肠道通透性增加、条件致病菌增殖、金属摄入增加和血脑屏障功能障碍增加。
▸ 砷暴露的人类研究：致病菌↑↑ 共生菌↓↓
一项对尼泊尔人的研究发现，砷暴露通过富集挥发性细菌和致病菌，同时消耗肠道共生菌，从而改变了肠道微生物群组成。
此外，代谢组学分析显示了伴随的影响，几种肠道微生物群相关的代谢物在各种生物基质中被破坏。砷暴露不仅使肠道微生物群在丰度方面变化，还在代谢特征和功能方面也发生了变化 。
下列菌群因接触砷而发生显著变化，并可能与接触砷引起的疾病直接相关：
胃肠道上皮内的重金属离子相互作用或积累导致氧化应激、微生物群失调、细胞损伤和兼性厌氧菌丰度增加（包括变形杆菌和杆菌在内）。因此，上皮细胞可利用的氧气量增加，消耗产生短链脂肪酸的厌氧细菌，并降低抗炎和抗氧化代谢物的产生，这可能进一步破坏血脑屏障的完整性并减少神经发生，导致大脑功能紊乱。
重金属与肠道微生物的相关研究
Oroojzadeh P,et al.J Mol Neurosci.2022
小结
总体而言，重金属暴露会改变微生物组成，从而导致肠道微生物群的代谢改变，从而影响人体新陈代谢。
为了消除外源金属，需要一个稳定有效的肠道微生物群。预计膳食有毒金属缓解治疗可减轻有益肠道菌群的炎症负担，从而减轻精神疾病的发展。
一旦重金属进入人体，一些食物就会与它们螯合。水果和蔬菜提供了大量的抗氧化剂，能够减少重金属的损害。香菜、野生蓝莓、大蒜、柠檬水、小球藻、螺旋藻、咖喱、绿茶、大西洋海藻、大麦草、西红柿和益生菌是可以帮助逐渐去除体内金属的食物或补充剂。
重金属可能存在于：
– 处理过的木材中的防腐剂（砷和铜）
– 家用消毒剂（汞、铜和银）
– 厨具，如锅、锅、刀、汤匙和叉子（铝、铜和铅)
– 油漆（铅、汞、镉、锑）
– 杀虫剂、除草剂和杀菌剂（砷、锑和镉）
– 灭鼠药（铊）
– 鱼（汞）
– 大米（砷）
– 化妆品、染发剂（汞、铅）
– 纹身（汞）
– 地板蜡/抛光剂、织物柔软剂、汞合金填充物（汞）
– 巧克力、汽油、烟草烟雾（铅、镉）
– 罐头食品（铝、铅）
– 发酵粉、面粉、除臭剂、牙膏、胃抗酸剂、铝箔、泻药（铝）
– 自来水（铝， 镉）
– 含铅管道 （铅）
– 空气污染 （柴油机尾气、燃煤厂、钢铁和金属铸造厂、化肥公司）
邻苯二甲酸盐是存在于大量产品中的增塑剂，特别是润滑剂、地板材料和个人护理用品，如洗发水和肥皂。在产品使用和储存过程中，它们的浸出、迁移和氧化会污染各种水源、空气和土壤。
人类通过以下方式暴露于邻苯二甲酸盐：
对多个物种的研究表明，发育中的生物暴露于邻苯二甲酸盐会影响肠道微生物群，降低其多样性，特别是改变细菌代谢物的数量，这可能对健康产生严重影响。
✦ 邻苯二甲酸引起菌群失调：罗氏菌属和长双歧杆菌减少
新生儿的肠道微生物群受到早期药物治疗中接触邻苯二甲酸二酯 (DEHP) 的影响，这可能会影响他们以后的免疫反应。当婴儿静脉注射DEHP 时，会出现暂时的肠道微生物失调。DEHP暴露改变了细菌群落的组成和多样性，包括罗氏菌和长双歧杆菌的减少。
在小鼠中，DEHP暴露会导致肠道微生物群落结构以及粪便代谢物谱和雌性生殖毒性的改变。DEHP暴露引起的肠道菌群失调改变了微生物代谢物的水平，例如短链脂肪酸、支链氨基酸和单糖，它们是微生物群-肠-脑轴的重要组成部分。
对319 名在1999 年- 2006 年间在市中心分娩的不吸烟女性进行了研究，其中检测到了四种邻苯二甲酸酯代谢物：
其中三种邻苯二甲酸酯（DnBP、DiBP和BBzP）与一系列行为问题有关，包括焦虑、抑郁、躯体不适和退缩行为。
▸ 产前邻苯二甲酸酯暴露对儿童的神经发育产生负面影响
这些负面影响包括精神运动、认知和行为结果。通过干扰神经内分泌系统，这种污染物可能会损害神经元的分化和成熟，增加行为和认知缺陷的风险。
✦ 情绪问题通常与HPA轴有关
它会被邻苯二甲酸盐和双酚A等激素破坏。研究记录了青春期和成年小鼠在围产期暴露与DEHP时的焦虑和抑郁行为。在这些试验中，增加的焦虑相关行为与功能失调的HPA轴相关，表现为ACTH增加、皮质酮水平降低以及下丘脑GR水平升高。
▸ DEHP暴露后，小鼠菌群代谢物对甲酚上调
在年轻小鼠中，DEHP暴露通过增加合成代谢物前体的物种的丰度，来抑制丁酸盐合成并上调对甲酚的产生，对甲酚是一种与神经发育和行为问题相关的细菌代谢物。这证明了DEHP的神经毒性作用与肠道菌群失调之间的联系。
双酚A(BPA)是一种内分泌干扰化学品(EDC)，用于生产聚碳酸酯塑料。饮食、空气、水和灰尘都是人类接触双酚A的可能来源。
由于双酚A的广泛使用，它的暴露正成为一个值得关注的问题。根据最近对暴露于双酚A的发育或成年动物调查，双酚可以改变一系列物种的肠道微生物群。
▸ 双酚A暴露减少了双歧杆菌，AKK菌，导致炎症，引发精神障碍
在一项研究中，肠道变化如下：
小鼠产前双酚A暴露减少了双歧杆菌，双歧杆菌已知具有抗炎特性，这可能导致全身炎症，从而导致各种健康问题，包括精神障碍。
▸ 产前母亲尿液双酚A浓度高的孩子，具有更高水平的焦虑和认知异常
各种实验和流行病学调查已将产前母亲尿液双酚A浓度的增加与儿童行为，空间学习和记忆结果联系起来。
更多的研究表明，通过过度激活HPA轴并破坏其基础和压力诱导，产前暴露于双酚A的动物具有更高水平的焦虑和认知异常，通过减少海马 GR 介导的反馈介导的HPA轴抑制，可能会增加在以后的生活中出现压力相关问题的风险。
数据表明，产前双酚A暴露和精神障碍持续增强通过重编程诱导的HPA轴激活联系起来。雌激素EDC已被证明以时间、性别和暴露依赖的方式影响大脑，尤其是下丘脑。
▸ 双酚A降低短链脂肪酸的水平，诱发炎症，损害认知
根据16SrRNA 扩增子测序分析，暴露于双酚A会导致β多样性的差异，而短链脂肪酸生产者的相对丰度显著下降。双酚A还降低了粪便短链脂肪酸的水平，同时增加了氧化应激 、全身脂多糖水平和肠道通透性，所有这些都是炎症引起的慢性疾病的早期迹象。
根据最近的一项调查，小鼠中双酚A暴露引起的神经毒性可能部分归因于MGBA的破坏。暴露于双酚A的雄性小鼠的结果表明，增加的神经炎症损害了它们的认知功能。神经递质血清素、其前体色氨酸及其代谢物5-羟基吲哚乙酸 (5-HIAA) 的脑、结肠和血清水平在暴露于双酚A后都会降低。
▸ 双酚A诱导的肠道菌群变化使粘蛋白、丁酸、血清素降低
随着肠道微生物群的改变，发现结肠中的粘蛋白水平和粘液分泌降低，丁酸水平也是如此。双酚A诱导的肠道菌群变化部分地调节了双酚A对心理和代谢健康的负面影响。
双酚A降低了粪便中短链脂肪酸和大脑中血清素水平，以及参与色氨酸代谢的不同类型的微生物，导致神经递质信号发生变化。双酚A改变了肠血屏障(GBB)和血脑屏障（BBB）的完整性，这可能与肠道和大脑的生态失调、认知能力下降和炎症增加有关。
内分泌干扰物与肠道微生物的相关研究
Oroojzadeh P,et al.J Mol Neurosci.2022
空气污染中最常见的化学物质包括一氧化碳、颗粒物、臭氧、二氧化氮和其他构成固体和液体成分（包括道路灰尘、车辆尾气和风吹土壤）。
▸ 空气污染物影响肠道菌群，诱发炎症，损害神经认知
空气污染已被证明会改变肠道微生物群的组成和功能，导致有害代谢物的产生，调节免疫反应，影响代谢途径，引发局部炎症，最后破坏肠血屏障，所有这些可能会进一步破坏血脑屏障并改变大脑功能。
空气污染会产生严重的神经认知后果，从行为改变到神经退行性疾病，这些后果可能会产生可怕的心理健康后果。
研究人员发现了长期和短期暴露于空气污染物（CO、PM10、PM2.5、NO2、SO2和O3)和精神障碍，如注意力缺陷多动障碍、抑郁症、自杀，焦虑和各种行为问题有关。
颗粒物与肠道微生物的相关研究
Oroojzadeh P,et al.J Mol Neurosci.2022
▸ 氧化应激升高和促炎细胞因子的产生
对PM、NO2和SO等空气污染物暴露的几项研究在各种动物模型中报告了氧化应激升高和促炎细胞因子的产生，以及脑组织中抗氧化活性降低导致精神障碍，这意味着空气污染暴露与心理健康问题之间存在关系。
▸ 通过血脑屏障或沿嗅觉神经易位到达大脑，引发促炎反应
根据人体尸检发现和动物实验研究，空气污染物，特别是细颗粒和超细颗粒，能够通过血脑屏障或沿嗅觉神经易位到达大脑。通过破坏血管调节过程，这些颗粒还可以在大脑中引发促炎反应。
通过改变肠道菌群的组成并通过活性氧产生和核因子NF-kB激活在体内引起持续的促炎倾向，空气污染物对肠道菌群产生有害影响。污染物通过破坏结肠上皮细胞中的紧密连接蛋白而导致肠道通透性增加。
▸ PM和臭氧：激活HPA轴
PM和臭氧是两种具有不同特性和反应性的常见污染物，已在实验中显示可激活HPA轴并释放糖皮质激素应激激素作为神经内分泌应激反应的一部分。这可能通过与肾上腺素能受体的作用相当的受体来调节肠道菌群的组成。
根据一项结合多组学和多指标技术进行的流行病学研究，PM2.5可能通过改变肠道菌群、色氨酸代谢、炎症因子和关键HPA轴激素来激活肠脑轴，从而导致神经和心理功能障碍。
▸ 空气污染导致的菌群及其代谢物变化
空气污染成分与增加和促炎细胞因子释放到肠道有关，以及拟杆菌门、厚壁菌门和疣微菌的相对数量发生显著变化，导致体内炎症水平升高，这与几种精神疾病的开始和发展有关。
短链脂肪酸的产生在接受治疗的小鼠中也发生了变化，盲肠中的支链脂肪酸（如异丁酸和异戊酸）丰度增加。它还导致丁酸盐耗竭，这与屏障功能的降低和对粘膜炎症的更易感性有关。
由于微生物代谢物从肠道迁移到体循环，空气污染物引起的肠道通透性增加，可能在增加全身炎症水平方面发挥重要作用，这将对中枢神经系统产生影响并促进精神疾病的发展。
考虑到微生物群-肠-脑轴在中枢神经系统功能中的重要性，调节微生物群-肠-脑轴的干预措施是改善心理健康的有希望的方法。
肠道微生物群已成为心理健康的重要渠道和前瞻性干预目标。益生菌、益生元、合生元和后生元都可以作为精神益生菌，其中一些是精神障碍的治疗干预措施。
“精神益生菌”：益生菌、益生元和所有微生物群靶向干预措施，它们可以操纵微生物群-肠-脑信号并对情绪、认知和焦虑等神经功能产生积极影响。
精神益生菌对心理的积极影响
Oroojzadeh P,et al.J Mol Neurosci.2022
➤ 益生菌
许多研究表明，以合适剂量服用益生菌可以减轻健康人群的压力、焦虑和抑郁。乳酸杆菌和双歧杆菌是用于精神心理研究最多的菌株。各种益生菌菌株的混合物也可用于产生协同效应或提高功效。
益生菌会影响血清素、脑源性神经营养因子、多巴胺和中枢神经系统抑制性神经递质的水平。迷走神经和肠神经系统在这方面起着至关重要的作用。益生菌还通过产生包括色氨酸和短链脂肪酸在内的代谢物间接改变中枢神经系统功能。
➤ 益生元
当宿主微生物有选择地利用益生元时，它会给宿主带来健康益处。具有双歧化特性的益生元，如低聚果糖、低聚半乳糖和短链低聚果糖，都已因其心理生物效应而受到研究。
除了这些多酚，Omega-3脂肪酸和母乳低聚糖，如具有益生元特性的 3’唾液酸乳糖 (3’SL) 或 6’唾液酸乳糖 (6’SL)，在适量服用时显示出对心理健康的益处。
益生元可以通过增加双歧杆菌和减少致病菌来恢复肠道中的益生菌状态，从而潜在地缓解焦虑和抑郁等心理健康问题。
例如，短链脂肪酸对细胞系统的影响是通过免疫系统和内分泌途径以及神经和体液途径介导的。短链脂肪酸激活游离脂肪酸受体并与免疫和肠上皮细胞相互作用，从而影响肠黏膜的安全性和功能。
在环境方面，它还分别通过分泌白细胞介素和控制小胶质细胞的形态和功能来影响全身炎症和神经炎症。它还诱导肠道激素如胰高血糖素样肽1的分泌，这些激素通过迷走神经和全身通路将间接信号传递到大脑。所有这些途径最终都会影响学习、情绪和记忆。
➤ 合生元
合生元正在发展为通过调节肠道微生物群来改变情绪和行为的另一种方式。在多项研究中，合生元已被证明可以减轻特定人群的压力和焦虑样行为。
➤ 后生元
后生元，或故意灭活的全细胞或其成分，通过微生物群的变化、改善肠道屏障功能、调节代谢或免疫反应或神经系统信号传导来提供健康益处。
几项关于人类和动物模型的研究表明，后生元具有抗抑郁和抗焦虑作用。
对精神益生菌在人体的研究
Singh S,et al.Microorganisms.2022
对精神益生菌的动物研究
Singh S,et al.Microorganisms.2022
精神益生菌的可能作用方式
HPA轴的调节、免疫反应和炎症的调节以及神经激素和神经递质的产生是精神益生菌发挥作用的主要机制。
精神益生菌通过恢复肠道中的益生菌状态和减轻精神障碍来影响细菌-肠道-大脑的关系。
✦ 精神益生菌调节神经递质，影响情绪
心理、智力、生理和神经元指数的变化是精神益生菌抗精神病作用的特征。精神益生菌可以调节神经递质和蛋白质，例如儿茶酚胺、乙酰胆碱、血清素和脑源性神经营养因子。它们影响情绪、认知表现、学习和记忆，以及维持大脑中的兴奋-抑制平衡。
当肠道中神经递质浓度升高时，血浆色氨酸水平下降，导致肠道细胞将化学物质释放到大脑中，从而缓解精神疾病。通过G-蛋白偶联受体产生主要作用的短链脂肪酸是精神益生菌对双向肠脑轴的另一个重要的拟议作用途径。短链脂肪酸可能通过加强血脑屏障、改变神经传递、改变神经营养因子水平和帮助记忆巩固来直接影响大脑功能。
精神益生菌的潜在作用模式
Singh S,et al.Microorganisms.2022
✦ 精神益生菌调节激素，改善认知
通过激素途径作用于大脑，影响身体的应激反应系统，即HPA轴，涉及肾上腺和大脑；当这种情况发生时，它会破坏压力荷尔蒙的产生和功能。这很可能是导致认知问题的主要因素。
精神益生菌可以通过调节HPA轴来降低糖皮质激素水平。糖皮质激素会破坏肠道屏障功能，降低上皮完整性，将细菌向外移动并引发炎症免疫反应。
✦ 精神益生菌调节免疫系统
精神益生菌可以通过直接减轻促炎细胞因子或通过增加抗炎细胞因子以迂回的方式减少炎症和恢复血脑屏障完整性来调节免疫系统的功能。管腔外的细菌迁移也可以通过增加促炎细胞成分的水平直接影响炎症。
✦ 调节肠脑轴中特定神经化学受体的表达，抗抑郁
一些可以产生中枢神经系统抑制性神经递质、去甲肾上腺素和血清素等神经递质的肠道微生物有：
嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、婴儿双歧杆菌、长双歧杆菌、大肠杆菌、芽孢杆菌、酵母菌、念珠菌、链球菌、肠球菌。
这些可以通过调节肠脑轴中特定神经化学受体的表达来产生抗焦虑和抗抑郁作用。尽管对人类微生物组的研究仍处于初期阶段，但研究结果表明肠道微生物可能会影响人们的认知健康、行为和情绪。
一些能产生神经递质或神经激素的肠道微生物
Oroojzadeh P,et al.J Mol Neurosci.2022
生活方式、饮食、衰老和遗传等一系列因素促成了神经退行性疾病的发生和发展。益生菌对肠脑轴的影响可以通过影响中枢神经系统来实现。
肠道微生物群对神经系统疾病的影响
Oroojzadeh P,et al.J Mol Neurosci.2022
阿尔兹海默病是神经系统疾病中痴呆的主要原因。痴呆症通常发生在 60岁以上的人群中。这种疾病没有明确和有效的治疗方法。
研究表明，阿尔茨海默病的主要表现与细胞内Tau 神经原纤维缠结和细胞外淀粉样斑块的产生有关。
更好地了解这种疾病所涉及的生理机制可以帮助确定有效的治疗方法。
肠道微生物与阿尔茨海默症
鉴于肠道微生物群的损害可能与阿尔茨海默症等神经退行性疾病有关，因此调节肠道菌群是治疗阿尔茨海默症的一种可能方法。
炎症和氧化应激会破坏中枢神经系统中的神经细胞，从而导致阿尔茨海默症。
预防胆碱能神经元破坏以及大脑中乙酰胆碱水平的增加是成功治疗阿尔茨海默症所需要的。
已经证明，持续应用D-半乳糖可能会通过增加氧化应激和活性氧物质而导致认知异常和记忆障碍。
一些益生菌，包括植物乳杆菌，能够产生乙酰胆碱，并且可以保护由D-半乳糖消耗引起的记忆缺陷。
几种关于益生菌菌株补充的研究：
关于阿尔茨海默病与肠道菌群详见：阿尔茨海默病de饮食-微生物-脑轴
阿尔兹海默症与2型糖尿病
阿尔兹海默症的一个重要危险因素是2型糖尿病。胰高血糖素样肽-1（GLP-1）在肠道和中枢神经系统（尤其是脑干）中产生，并与神经保护以及认知功能和葡萄糖代谢有关。
GLP-1受体在不同组织（肾、肺、心脏、中枢神经系统等）中表达，可以上调参与脑细胞修复和分化的各种基因的表达。GLP-1还可以促进高血糖状态下的胰岛素分泌。
以前的研究表明，GLP-1在中枢神经系统中作为神经保护因子，可诱导神经细胞增殖/凋亡，改善学习和记忆，降低Aβ斑块沉积，保留多巴胺能神经元，刺激神经再生。
▸ GLP-1工程益生菌减少记忆障碍
研究人员研究了GLP-1工程益生菌(Lactococcus lactis MG1363)口服给药后对AD小鼠模型的影响。脂多糖和1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(MPTP)分别诱导记忆障碍和运动功能障碍。
结果表明，工程菌株能够通过两种信号通路减少记忆障碍和运动功能障碍。此外，工程益生菌降低了病原体的丰度，并增加了Akkermansia muciniphila的丰度。
还观察到炎症反应下调、阻断NF-κB信号和 MAPKs/PI3K/AKT。已确定GLP-1和GIP（葡萄糖依赖性促胰岛素多肽）作为神经保护因子对2型糖尿病治疗的有效性。
探讨GLP-1/GIP/胰高血糖素三位一体治疗（30天）对AD小鼠认知行为的影响。结果表明，该治疗通过减少认知障碍和病理变化对阿尔茨海默病产生有益影响。
小结
总的来说，这些信息阐明了在阿尔兹海默症中用益生菌操纵肠道微生物群可以改善葡萄糖代谢受损、延缓阿尔兹海默症进展并减少神经炎症，从而有利于胰高血糖素样肽1的作用。
帕金森病是第二种常见且主要的神经退行性疾病。该疾病与突触核蛋白积累和多巴胺能神经元的进行性丧失有关，并以运动和非运动症状为特征。肠道功能异常的非运动症状主要是体重减轻、胃轻瘫、便秘和排便功能障碍。
目前，在治疗帕金森病时，服用精神生物药物备受关注。报告说，食用益生菌混合物对释放多巴胺的神经元提供有效保护，并随后减少小鼠的运动功能障碍恶化。
✦ 补充益生菌能改善帕金森病的相关症状
研究确定了益生菌副干酪乳杆菌对帕金森病大鼠运动障碍的影响，并且与对照组相比，有益生菌的大鼠运动障碍更少。
在一项临床研究中，评估了含有的L.casei Shirota发酵乳对帕金森病患者5周的效果，并报告了腹胀减少、便秘减少和腹痛减少。
每天一次服用含有多种益生菌菌株和益生元的发酵乳，持续4周，并报告改善了帕金森病患者的便秘。
每片使用60毫克两种益生菌：嗜酸乳杆菌和婴儿双歧杆菌，每天两次，持续3个月，40名帕金森病患者腹痛和腹胀缓解。
报告称，在接受8×10^9 CFU/天益生菌12周的帕金森病患者中，过敏反应降低，丙二醛水平降低，谷胱甘肽水平升高。
关于帕金森与肠道菌群详见：肠道微生物与帕金森以及相关影响因素
多发性硬化症是一种涉及中枢神经系统的自身免疫性疾病，其中髓鞘覆盖的轴突被破坏。
遗传和环境因素以及病毒感染被认为是多发性硬化症发展的主要风险因素。然而，这种疾病的确切原因尚不清楚。
✦益生菌可以改善多发性硬化症
越来越多的证据表明，益生菌可以通过改变肠道微生物组、抑制炎症通路和调节免疫系统来改善多发性硬化症患者的免疫系统。
评估了含有发酵乳杆菌、干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌和双歧杆菌的益生菌菌株的效果对接受益生菌混合物12周的多发性硬化症患者的心理健康、残疾和代谢状况的影响。
证明益生菌菌株增加了多发性硬化症小中抗炎细胞因子包括IL-4、IL-5、IL-10的表达，并减少了促炎 IFN-γ和IL-1β的分泌。
自闭症谱系障碍是社会交流、感觉运动行为和有限兴趣方面的一系列缺陷。
自闭症谱系障碍的表现始于儿童早期。自闭症患者表现出胃肠道症状。自闭症儿童的胃肠道功能障碍通常与攻击性行为、易怒和睡眠障碍有关。
✦益生菌对自闭症的有益影响
报告了益生菌对自闭症患者行为和胃肠道表现的有益影响。使用含有嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和长双歧杆菌的益生菌菌株治疗孤独症儿童3个月后，双歧杆菌和乳酸杆菌的数量增加，体重减轻，胃肠道症状改善。
此外，接受益生菌菌株1个月的自闭症儿童的自闭症核心症状有所改善，腹部症状有所减轻。
扩展阅读：自闭症，抑郁症等与维生素缺乏有关
抑郁症和焦虑症是常见的疾病之一。这两种疾病大多同时发生。抗抑郁药、抗焦虑药和催眠药通常用于治疗。临床上，抑郁与下丘脑-垂体-肾上腺失调之间存在关联。
研究表明，健康个体和重度抑郁症患者的肠道微生物群是不同的。重度抑郁患者双歧杆菌和乳杆菌减少，同时梭菌、链球菌、克雷伯菌、颤杆菌和Allistipes增加。
胃肠道细菌通过迷走神经通路激活压力回路。长期暴露于压力源会导致去甲肾上腺素的长期分泌，这会改变肠道微生物群并使肠道对细菌和毒素更具渗透性，然后是HPA轴的压力反应。
✦益生菌能降低压力改善焦虑
研究了益生菌菌株B. breve CCFM1025对粪便微生物组成和脑神经系统改变以及皮质酮、细胞因子和短链脂肪酸的血清水平的影响。总体而言，抑郁和焦虑样行为减少了。
研究指出，益生菌菌株B. longum 1714 能够降低压力水平并改善健康志愿者的记忆力。
评估了鼠李糖乳杆菌HN001对423名孕妇产后焦虑和抑郁表现的影响，并指出益生菌治疗组的抑郁状况显著降低。
益生菌菌株L. plantarum 299v可降低犬尿氨酸水平并增强重度抑郁症患者的认知功能。然而，其他调查并未报告接受益生菌的患者与对照组在焦虑和幸福感评分方面有任何显著差异。
有学者指出益生菌菌株长双歧杆菌NCC3001可以提高肠易激综合征患者的生活质量，并可以减少这些病例的抑郁症。
关于抑郁症与肠道菌群详见：抑郁症，恐惧，压力和肠道微生物群脱不开的关系
失眠
充足的睡眠是影响生活质量的关键因素。肠道菌群通过微生物-肠-脑轴影响宿主的精神状态和睡眠状态。
宿主的昼夜节律和睡眠质量取决于微生物组谱和代谢特性。益生菌被认为可以改善睡眠健康。GABA 是一种抑制性神经递质，能够通过减少焦虑来促进放松。
L.brevis DL1-11 是一种具有高GABA生产能力的益生菌菌株，其改善小鼠睡眠的潜力已得到证实。
关于睡眠与肠道菌群详见：肠道菌群与睡眠：双向调节
精神分裂症
精神分裂症是一种慢性衰弱性疾病。研究表明，肠道微生物群的破坏会增加全身炎症。因此，神经炎症会导致精神分裂症。
精神分裂症患者通常患有营养状况受损、压力反应高、炎症状态增加和乳糖不耐症。具有抗炎和免疫调节特性的益生菌可能有助于减轻精神分裂症患者。
✦ 益生菌减轻精神分裂症症状
报道了丁酸梭菌、粪链球菌和肠系膜芽孢杆菌的益生菌混合物可以减轻精神分裂症的症状。研究表明，益生菌菌株B. lactis Bb12 亚种的组合B. lactis Bb12 GG和鼠李糖乳杆菌菌株可以减少精神分裂症患者的肠道障碍。
研究了鼠李糖乳杆菌菌株GG和动物双歧杆菌乳亚种在慢性精神分裂症的可能免疫调节作用。报告称，血管性血友病因子浓度显著降低，同时脑源性神经营养因子、巨噬细胞炎性蛋白-1β、单核细胞趋化蛋白-1和RANTES（受激活、正常T细胞表达和分泌的调节）水平升高。因此，精神分裂症患者服用益生菌补充剂可能会改善胃肠道渗漏。
B. lactis Bb12有助于使男性患者的白色念珠菌抗体水平和白色念珠菌相关肠道不适正常化。
糖尿病性神经病变是一种与轴突萎缩、脱髓鞘疾病、再生能力下降、神经元炎症和周围神经病变有关的营养性神经退行性疾病。
糖尿病神经病变可通过神经元肠脑轴、门静脉（调节中枢神经系统中的能量代谢）和外周神经元传导丧失改变血糖调节以及肠道葡萄糖吸收不良。
2型糖尿病的特征是葡萄糖代谢失调，导致空腹和餐后高血糖。胰岛素和胰高血糖素分泌和功能受损是这种疾病的主要原因。
▸ 胰高血糖素样肽1（GLP-1）
GLP-1是肠细胞响应葡萄糖而分泌的一种肠促胰岛素激素，用于2型糖尿病治疗。它通过特定受体激活肠道神经元并调节肠道转运，增加胰岛β细胞的增殖，增强葡萄糖依赖性胰岛素分泌，减少胰岛α细胞的胰高血糖素分泌。
因此，它会降低2型糖尿病患者的血糖和食物摄入量。当 GLP-1被激活时，它会向迷走神经传递一个神经信息，该信息通过肠脑轴参与血糖调节。GLP-1 还具有神经保护和神经源性潜力，研究表明它在来自背根神经节的神经元的原代培养物中诱导轴突。因此，它可以有效地治疗糖尿病神经病变。
✦ 益生菌增强胰岛素分泌，改善肠神经系统
研究发现益生菌通过上调G蛋白偶联受体 、胰高血糖素原和转化酶原活性，通过葡萄糖触发的GLP-1 分泌来增强胰岛素分泌。
已经确定，当无菌小鼠被健康的肠道微生物群稳态定植时，肠神经系统和迷走神经的神经元活动得到恢复，但糖尿病小鼠的肠道微生物群却没有。
研究发现用罗伊氏乳杆菌喂养大鼠9天可以通过靶向肠道感觉神经中的钙依赖性钾通道来改善肠神经系统。
一些乳酸杆菌菌株（L. farciminis, plantarum, fermentum）可以产生一氧化氮作为神经递质，它能够影响神经元对GLP-1和葡萄糖代谢的反应。
✦ 益生菌降低胰岛素抵抗，增加抗氧化能力
研究了GLP-1在2型糖尿病大鼠体内，白藜芦醇和益生菌作用。给大鼠喂食各种益生菌，包括植物乳杆菌、保加利亚乳杆菌、干酪乳杆菌、婴儿双歧杆菌、嗜酸乳杆菌、长双歧杆菌、短双歧杆菌，剂量为 50 × 10^9 4周。发现与糖尿病组相比，这些益生菌和白藜芦醇可以降低葡萄糖和胰岛素抵抗（p < 0.001），并增加GLP-1以及总抗氧化能力（p < 0.001）。
发现两种菌株，L. kefiranofaciens M 和 L. kefiri K可以通过诱导GLP-1分泌，抑制细胞因子产生（促炎和炎症因子），增加IL-10的产生，改变肠道菌群向LAB和双歧杆菌的方向发展，减少产气荚膜梭菌和大肠菌群，从而降低小鼠模型中T1D的进展。
这些结果揭示了益生菌在增加GLP-1水平中的作用，这可以随后缓解高血糖症，并可能被认为是糖尿病治疗的潜在候选者。
关于2型糖尿病和肠道菌群详见：2型糖尿病如何做到可防可控？肠道菌群发挥重要作用
神经性厌食症是另一种重要的精神障碍，与严重的体重减轻、精神合并症、对肥胖的恐惧和饮食限制有关。
根据对肠脑相互作用的深入了解以及益生菌对该轴的积极作用，可以为神经性厌食症治疗提供几种新的治疗策略。
✦ 益生菌改善神经性厌食症中的胃肠道不适
分析了益生菌对神经性厌食症患者的疗效，并通过分析血清和粪便样本测量了体重指数、心理/神经心理参数。他们报告了神经性厌食症中肠道微生物群落的正调节，以改善体重增加、胃肠道不适和炎症减少。
通过低聚果糖1.67g/天和益生菌（Saccharomyces boulardii 5×10^8 CFU）干预评估益生菌对神经性厌食症的影响。饮食限制后，与健康状态相比，总微生物群和代谢物减少，但补充低聚果糖和布拉式酵母通过改变以下菌群来恢复微生物群落。
研究显示了两种饮食（酸奶或牛奶）的积极作用，包括保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌，它们能够诱导IFN-γ产生对抗儿童腹泻和神经性厌食症患者的感染。
值得注意的是，抗生素和25%的药物可能会影响微生物群，患者需要基于益生菌治疗来实现主要目标，如能量收集、体重增加、降低肠道通透性、炎症过程以及肠道微生物组群的改变等。
益生菌的作用主要是增强肠道健康。食用含有益生菌的健康食品在预防中枢神经系统疾病和通过调节肠道微生物群控制相关症状方面具有重要作用。这种效应通过微生物群-肠-脑轴发生，可以整合到临床试验中。
酸奶、开菲尔、豆豉和泡菜等发酵食品富含益生菌。一些益生菌产生活性神经元化合物或充当载体。一些双歧杆菌和乳酸杆菌菌株分泌γ-氨基丁酸 (GABA)。此外，对健康人的粪便样本进行分析，发现拟杆菌属、副拟杆菌属和埃希氏菌属物种能够调节产生GABA的途径。
GABA的功能障碍与抑郁和焦虑有关。GABA 是乳酸菌 (LAB) 的分泌代谢产物之一。它是哺乳动物中枢神经系统中抑制性传播的主要介质。食品工业通过生产含有能够产生 GABA 的益生菌物种的功能性食品，在减少抑郁和焦虑方面发挥着关键作用。
开菲尔颗粒含有Acetobacter aceti, L. fructivorans, Acetobacter sp., Enterococcus faecium, Leuconostoc spp., L. delbrueckii delbrueckii, L. fermentum, L. kefiranofaciens, Candida famata, Candida krusei.
益生菌菌株L. helveticus从发酵乳中分离得到，可以改善老年人和中年人的认知功能。
用短乳杆菌L. brevis BJ20浓缩发酵海带, 以确定其对老年人体质和短时工作记忆的影响。研究人员说，食用这种发酵食品可以为老年人的痴呆症提供保护机制。
由于包括牛奶、乳制品和豆制品在内的发酵产品的广泛使用，其他研究表明，含有干酪乳杆菌的发酵乳可以改善学生的情绪、增加粪便中的血清素并降低压力水平，瑞士乳杆菌影响认知功能。
含有发酵乳杆菌、干酪乳杆菌混合物的发酵牛奶降低了小鼠的亚硝化应激参数。含有B. lactis BB12和L. acidophilus LA5益生菌的酸奶可显著增强整体健康并减轻焦虑、抑郁和压力。
使用含有短乳杆菌L. brevis FPA 3709的发酵黑豆浆能够产生 GABA 在小鼠中显示出抗抑郁活性。
个体微生物组会受到宿主条件和环境的影响。肠道微生物群的紊乱会对宿主的生理反应和整体健康产生巨大影响。
大量证据表明，环境污染物与微生物群相互作用，而微生物群在肠脑轴中发挥着关键作用。长时间处于污染环境下，肠道生态失调，对宿主造成系统性和长期的影响。
精神益生菌在控制中枢神经系统疾病症状方面具有有效的特征，或将辅助治疗各类疾病。然而神经精神类疾病病情复杂，原因不一，有些益生菌也并不一定对所有患者有效，通过肠道菌群检测，可以了解个体肠道菌群，从而有针对性地采取相关干预措施。
主要参考文献
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谷禾健康
随着工业革命的发展，城市化进程的加快和经济的发展导致能源消耗和废物排放激增，在过去的几十年里，环境污染物已成为一种日益普遍的健康危害。
最近的研究还表明，人类微生物组可以代谢环境化学物质，进而可能会受到化学物质暴露的影响。
这种直接相互作用表明，在风险评估中可能需要考虑微生物组。
目前越来越多的证据表明，接触这些环境化学物质是导致多种健康障碍发展的重要因素之一。例如，体外、体内和流行病学研究已将人类暴露于内分泌干扰的化学物质与肥胖、代谢综合征和 2 型糖尿病联系起来。
此外，接触环境污染物与产前缺陷、呼吸系统疾病、心脏病和精神障碍以及患癌可能性增加和预期寿命缩短有关，而胃肠道微生物群对各种宿主代谢和免疫功能起着至关重要的作用。
Jin Y et al. Environ Pollut. 2017.
尽管大多数环境污染物并不直接针对肠道微生物群，但一些污染物可以通过不同途径进入人体并与肠道微生物群相互作用。
先前的多项研究表明，暴露于环境污染物会改变肠道微生物群的组成，导致能量代谢、营养吸收和免疫系统功能障碍或产生其他毒性症状。有人提出胃肠道微生物可能通过改变环境化学物质的吸收、处置、代谢和排泄来影响肥胖和糖尿病等疾病。
肠道微生物群对药物、饮食以及环境污染物都非常敏感，包括抗生素、重金属、持久性有机污染物、杀虫剂、纳米材料和食品添加剂等。
环境污染物可能对肠道微生物群的影响及其对健康的产生后续影响。
我们每个人的肠道中都携带着数千种细菌以及一些其他类型的微生物。虽然说所有人都具有非常相似的微生物群，但没有两个人的肠道中细菌种类的组成完全相同，换句话说，每个人的微生物群可能会像指纹一样独特。
不过，不同的细菌物种在人与人之间可能存在很大差异，但这些物种往往编码相同的代谢途径。
通过查阅文献得出肠道微生物具有广泛的代谢环境化学物质的能力，污染物的细菌依赖性代谢会调节宿主的毒性。相反，来自各种化学家族的环境污染物已被证明会改变胃肠道细菌的组成和/或代谢活动，这可能是影响个体微生物群的重要因素。
直接代谢排出
几十年来，人们已经知道胃肠道微生物参与异生物质的生物转化。
注：异生物质，是指由人工合成的化学物质。如农药、洗涤剂及化工原料等，其中各种合成农药占绝大多数。异生物质是对身体来说是异物的物质。
早在 1973 年，Scheline 就提出，胃肠道微生物群代谢外来化合物的潜力与肝脏不差上下。此后已为胃肠道微生物群鉴定了 40 多种药物底物，并强调肠道微生物对药物进行多种化学转化的能力，包括：
还原、水解、琥珀酸基团的去除、脱羟基、乙酰化、脱乙酰、N-氧化物键的裂解、蛋白水解、脱硝、解偶联、噻唑开环、去糖基化、去甲基化
胃肠道是异生物质进入人体的主要途径。细菌代谢的速率和程度受到达远端肠道的异生物质数量的影响，在那里细菌丰度最高。环境化学物质在摄入后可能吸收不良，随后被蠕动扫到远端小肠和盲肠，或者，它们及其代谢物可能会穿过肠壁从血液中分离出来。因此，许多化学物质可以被胃肠道微生物群直接代谢。
环境化学物质（或其代谢物）也可能从胆汁中排出。大多数外源性物质是非极性的，因此在胃肠道中被吸收并通过门静脉血输送到肝脏进行解毒。肝脏通常氧化异生素并产生葡萄糖醛酸、硫酸盐或谷胱甘肽结合物。在大多数情况下，结合反应促进排泄，结合物从尿液中消除。
然而，结合物也可以在胆汁中排泄。决定一种化学物质是否排泄到胆汁中的因素尚不完全清楚，一般规则是低分子量化合物 (<325 kDa) 很少排泄到胆汁中，而较高分子量 (>325) 的化合物可以显着排出。分泌到胆汁中的结合物进入小肠，那些未被吸收的向下移动到大肠，在那里它们可能被微生物群代谢。
Claus SP et al. NPJ Biofilms Microbiomes, 2016
解偶联，形成肝脏循环
胃肠道微生物群可以通过解偶联并减少肝脏异生物质代谢物，导致形成低分子量的非极性分子，这些分子很容易被重吸收。这些非极性分子的重吸收和它们返回肝脏被称为“肠肝循环”。肝肠循环控制着体内内源性底物（如胆汁酸和类固醇）的储存和再利用。然而，它也延迟了体内环境化学物质的消除。
胃肠道细菌介导的环境异生物质转化的例子, 如下：
Claus SP et al., NPJ Biofilms Microbiomes, 2016
胃肠道微生物群的异生物质代谢酶
尽管已经将各种化学反应归因于胃肠道微生物，但只有少数酶家族被确定为胃肠道微生物异生物质代谢。
主要偶氮还原酶、nitroreductases、β-葡糖醛酸酶、硫酸酯酶和β-裂解酶。
胃肠道微生物群的异生物质代谢酶，如下：
(i) 偶氮 (N=N) 键的还原裂解由细菌偶氮还原酶进行。
(ii) 细菌硝基还原酶还原硝基 (–NO2) 官能团到相应的胺。
(iii) 内源性硫酸酯在胃肠道中被细菌来源的硫酸酯酶水解。
(iv) 异生素的谷胱甘肽结合物也大量排泄在胆汁中。它们被各种哺乳动物酶（γ-谷氨酰转肽酶和羧肽酶）降解，形成半胱氨酸结合物。这些半胱氨酸结合物可能会到达含有 ß-裂解酶活性的胃肠道的一部分，并转化为相应的硫醇。
(v) β-葡糖醛酸酶存在于整个胃肠道中，并在异生物质葡糖醛酸苷的水解中发挥作用，异生物质葡糖苷酸是胆汁中排泄的最大一类异生物质结合物。肠道微生物被认为是 ß-葡萄糖醛酸酶的主要来源。
肠道细菌和人体细胞合作，制造生命所需的酶
据 NIEHS 科学家领导的一个团队称，人类肠道中的细菌与人体细胞合作，制造出一种生命必不可少的分子。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD) 分子是细胞生存必须完成的数百个生化反应所必需的。
研究人员还发现，一些肿瘤内的细菌保护肿瘤免受靶向 NAD 的抗癌药物的侵害。研究结果于2020年3 月 3 日在线发表在 Cell Metabolism 上。
该研究的主要作者指出，NAD 水平会随着哺乳动物的年龄增长而降低。他说有些人服用补充剂来促进 NAD 的产生。Shats 解释说，他的小组的最新研究表明，这些化合物的功效取决于肠道微生物群。
“如果你的肠道细菌没有发现负责促进 NAD 合成的酶，那么补充剂的效率就会低得多”。
内分泌干扰化学物质 (EDC) 由一大类化学物质组成，这些化学物质会改变内分泌系统并影响人类的发育和繁殖。EDC 的来源包括工业化学品、药品和个人护理产品、除草剂、有机氯杀虫剂和添加剂等。
EDC 被美国环境保护署描述为外源性因素，因为它可以干扰内源性激素，从而解除对发育过程的管制。由于内分泌系统对器官的影响，EDCs对身体具有深远的全身影响。EDC 已通过消化道对动物和人类健康产生不利影响，例如炎症、代谢紊乱、先天性异常，菌群失调。
Li N, et al. Environ Pollut. 2021
抗生素：直接改变或者杀死微生物
我们现在知道人类和动物除了故意给药外，还可以通过多种途径被动摄入抗生素。通常，抗生素可以对微生物造成直接的影响。因此，即使某些抗生素的浓度非常低，动物肠道微生物群的组成也可能发生变化。人们越来越注意到，环境抗生素引起的肠道菌群失调与人类健康密切相关。
在过去的 50 年中，全世界开发了大量抗生素用于人类和兽医学。由于它们在人和动物体内的吸收不完全，部分摄入的抗生素通过粪便或尿液排出到环境中。
越来越多的研究发现，在中国和其他国家的河流和湖泊沉积物、地表水、农业土壤和废水等自然环境中发现了高浓度的各种抗生素。
先前的研究发现，抗生素治疗并没有减少肠道微生物群的总数，而是改变了人类和动物中某些物种的相对数量。此外，抗生素暴露通常会通过增加或减少多样性来改变微生物组的多样性。
更重要的是，抗生素对人类肠道微生物群的影响可持续数年。如克拉霉素和甲硝唑治疗持续改变肠道微生物群组成长达 4 年。婴儿完成抗生素治疗后，虽然微生物群组成的某些方面恢复到治疗前的水平，但某些细菌种类的丰度发生了永久性改变。这种变化对婴儿有害，扰乱他们的早期发育。值得注意的是，不同的环丙沙星治疗对个体微生物群影响也略有不同。
在生命早期向小鼠施用低剂量的青霉素，可通过降低乳酸菌Lactobacillus, Candidatus, Arthromitus, Allobaculum的水平来增强代谢表型并促进脂质积累。另一份报告显示，给小鼠服用青霉素 G、红霉素或两者结合可以增加脂质积累并诱导炎症反应。所有这些处理都降低了拟杆菌属/厚壁菌门的比率。
接触某些抗生素可能会加重某些疾病的严重程度。例如，艰难梭菌是抗生素引起的腹泻的主要原因，它会大大增加住院患者的发病率和死亡率。
用克林霉素和氨苄青霉素这两种最常用的抗生素进行治疗，通过减少 Clostridium scindens菌（胆汁酸代谢的二级调节剂）来增加患者对艰难梭菌感染的易感性。
链霉素治疗可以增加Porphyromonadaceae 和 Bacteroidaceae 两个科的水平，它们的存在与小鼠对肺炎和结肠炎的易感性或超敏性呈正相关。
甲硝唑治疗减少了小鼠结肠的内部粘液层，从而通过减少厌氧拟杆菌的组成，以及增加包括乳酸杆菌在内的耐氧细菌的组成来增加对柠檬酸杆菌引起的结肠炎的易感性。
抗生素治疗还增加了大肠杆菌等病原菌的入侵，抗生素治疗后肠道微生物群中富集了抗生素抗性基因，造成抗生素抗性。
由于使用抗生素治疗，一些非微生物驱动的疾病会更频繁地发生。
在生命早期给小鼠施用万古霉素会通过增加乳杆菌科和疣微菌科的丰度来增强过敏性哮喘，并且这些微生物群的变化与 Treg 细胞减少有关。
最近，一项研究报告称，口服链霉素、粘菌素和氨苄青霉素的组合或单独使用万古霉素治疗会增加小鼠胰腺 b 细胞死亡和 I 型糖尿病的发病率。
万古霉素处理小鼠在属水平上增加了埃希氏菌、乳杆菌和 Sutterella 的水平，并减少了属于梭菌目和毛螺菌科、普氏菌科和 Rikenellaceae 科的细菌。联合抗生素治疗导致肠道微生物群几乎完全消失。这些微生物组结构变化与回肠和结肠固有层中产生白细胞介素 (IL)17 的细胞的出现密切相关，表明肠道微生物群在免疫稳态中发挥着非常重要的作用。
然而，抗生素引起的肠道微生物群的改变有时对疾病有益。囊性纤维化是一种常染色体隐性疾病，可导致肠道细菌过度生长。链霉素治疗小鼠 9 周通过减少肠道细菌过度生长、通过降低乳酸杆菌丰度来调节 T 细胞谱以及增加肺和肠系膜淋巴结中的免疫细胞水平来改善这种疾病。
对肝硬化患者施用利福昔明可降低韦荣球菌科的丰度并增加真杆菌科的丰度。这些微生物组成的变化改变了患者的代谢特征并降低了疾病的严重程度。诺氟沙星可以减少肝硬化患者的细菌移位，改善肠道屏障功能，从而降低自发性细菌性腹膜炎的风险。
总之，抗生素很容易引起肠道微生物群失调，并对健康产生不利影响。人类和动物可能会长期被动地暴露于环境中低浓度的抗生素中。因此，环境衍生的抗生素对人和动物的健康风险不容忽视。
重金属：导致肠道微生物群失调
近年来，环境中的重金属已成为严重的健康风险。作为一种常见的环境污染形式，重金属与多种毒性作用有关，包括致癌作用、氧化应激和 DNA 损伤，以及对免疫系统的影响。最近，几项研究表明，重金属暴露也可能导致肠道微生物群失调。
砷 (As) 是一种已知的致癌物质，是一种常见的有毒污染物，广泛分布在我们的环境中。砷通常以砷酸盐 [As(V)] 的形式附着在固体表面上。摄入 As(V) 后，肠道微生物群暴露于砷会诱导 As 硫醇化和甲基化。
据此前报道，砷暴露与多种疾病有关，如皮肤癌、膀胱癌、肺癌和肝癌；糖尿病; 和心血管疾病。此外，暴露于 10 mg/L 砷 4 周会显着扰乱小鼠的微生物组组成和代谢组学特征。一般而言，As 暴露后厚壁菌门的丰度显着下降，而拟杆菌门的丰度显着增加。
还观察到这些变化与脂质代谢物、含吲哚的代谢物、异黄酮代谢物和胆汁酸代谢物密切相关。长期接触砷会导致结肠微生物组的结构和组成发生变化，并促进雄性小鼠宿主的氮和氨基酸代谢。
镉 (Cd) 经常且广泛地用于制造许多产品，例如电池、金属电镀、颜料和塑料。在一些国家，尤其是中国等发展中国家，在水生系统、沉积物和土壤中观察到高浓度的 Cd。
据报道，镉毒性与致癌作用、肝毒性、氧化应激和免疫毒性有关。最近，研究报告雄性小鼠亚慢性暴露于低剂量 Cd（饮用水中 10 毫克/升）10 周会降低厚壁菌门和变形菌门的相对丰度，并增加盲肠和粪便中拟杆菌门的相对丰度。肠道微生物组组成的这些变化与雄性小鼠血清中脂多糖 (LPS) 水平升高、肝脏炎症甚至能量代谢失调有关。
铅 (Pb) 也是一种剧毒金属，疾病控制和预防中心非常重视。事实上，环境铅是一种普遍存在的全球健康危害，因为它广泛用于各种消费品，例如汽油中的四乙基铅。由于它在空气、土壤、水、旧油漆和食物中的持久性，人类和动物可以通过摄入、吸入和皮肤吸收吸收铅。铅中毒还通过其能量产生和其他代谢过程的中断而与肥胖的发展有关。
最近的一份报告显示，围产期铅暴露（饮用水中 32 毫克/升）持续 40 周会导致成年雄性小鼠体重增加，但不会导致雌性小鼠体重增加。接触铅后微生物组中没有观察到拟杆菌/厚壁菌的比例下降； Desulfovibrionaceae、Barnesiella 和 Clostridium XIVb的丰度在科水平上有所增加；接触铅后，乳球菌、肠杆菌和柄杆菌Caulobacterales的丰度下降。此外，Akkermansia nuciniphila在暴露于铅的小鼠中。
Li N, et al. Environ Pollut. 2021
持久性有机污染物：改变微生物组成，导致炎症
持久性有机污染物 (POPs) 包括有机氯农药、多氯联苯 (PCBs)、多溴联苯醚和多环芳烃 (PAHs) 是合成化合物，具有持久性、半挥发性和高毒性，可在生物组织中积累。
持久性有机污染物受到了特别关注，因为它们是导致近年来全球肥胖、糖尿病、自身免疫疾病和一些发育障碍发病率上升的众多因素之一。摄入食物和水被认为是主要的 POP 接触途径。
PCB 是一种致癌物质，因其介电特性和化学稳定性而被用于制造电容器、变压器、冷却液、液压油和润滑剂。PCBs 可以在小鼠暴露后 2 天内显着改变肠道微生物群的组成。
肠道中的产气荚膜梭菌(Clostridium perfringens)和拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii )可以通过去除氯原子和打开苯环来降解多氯联苯。
暴露于一种 PCB，2, 3, 7, 8 四氯二苯并呋喃 (TCDF)，以 24 毫克/公斤体重的剂量连续 5 天会降低厚壁菌门/拟杆菌门的比率，增加黄杆菌(Flavobacteria)的水平，并降低盲肠中的梭菌。
这些微生物群组成的变化与胆汁酸代谢的改变有关。此外，在分子水平上，TCDF 还可以抑制法尼醇 X 受体 (FXR) 信号通路，由于细菌发酵而引发宿主体内显着的炎症和代谢紊乱。此外，TCDF 诱导的变化以芳烃受体 (AHR) 依赖性方式发生。
PAH 被认为是高度优先的环境污染物，因为它们对人类具有毒性、致癌性和假定的雌激素或抗雌激素特性。人类接触高分子量多环芳烃的途径主要是通过口服炭烤、烤和熏肉或摄入未清洁干净的蔬菜。
摄入的多环芳烃到达小肠肠细胞和肝脏肝细胞并作为 AHR 配体。此外，结肠中的微生物群可以催化多环芳烃转化为雌激素。这种生物活化可能是 PAH 毒性的潜在机制。另一种 AHR 调节剂二恶英也有可能影响小鼠肠道微生物组的组成。
最近， 据报道，2, 3, 7, 8-四氯二苯-对-二恶英 (TCDD) 给药（6 毫克/千克体重）26 周显着增加厚壁菌门的丰度并降低拟杆菌门的丰度。在科水平上，TCDD暴露后粪便中乳酸杆菌科和脱硫弧菌科的含量显着增加，普氏菌科的含量下降。这些肠道微生物组的变化与链脲佐菌素诱导的高血糖小鼠的肝脏和免疫毒性相关。
农药/杀虫剂：改变微生物组成
农药残留是一个长期存在且严重的环境问题，因为在食品材料、水和土壤中检测到了大量农药。近年来，关于农药对动物影响的健康问题也有所增加。由于某些杀虫剂的抗菌活性，杀虫剂有可能改变肠道微生物组并诱发动物的其他症状。
氯菊酯 (PEM) 是最具代表性的拟除虫菊酯化合物之一，在低剂量和长期治疗的情况下（Nasuti 等人，2016）可以降低拟杆菌、普氏菌和卟啉单胞菌的丰度，并增加肠杆菌科和乳杆菌的丰度。肠道微生物群的这些变化可能导致 PEM 的神经毒性。
五氯苯酚 (PCP) 是世界范围内广泛使用的农药。即使在非常低的浓度下，五氯苯酚暴露也会导致水生动物的遗传和生殖毒性。PCP可在鱼类肝脏和肠道内蓄积，抑制鱼类生长，引起肝脏氧化和组织病理学损伤。此外，在金鱼中，接触五氯苯酚 (100 毫克/升) 28 天也通过降低厚壁菌门/拟杆菌门的比率来改变微生物组的组成。拟杆菌的相对丰度增加，金黄色杆菌、微杆菌、节杆菌和军团菌的相对丰度在属水平上下降。
环氧环唑 (EPO) 是一种广谱唑类杀菌剂，可有效防治小麦叶斑病 (Septoria tritici) 和锈病 (Puccinia triticina)，被广泛用作农业抗真菌剂。据报道，EPO 对大鼠具有胎儿毒性作用，这与母体血浆中睾酮增加和雌二醇减少密切相关。
当大鼠以高剂量 EPO饮食喂养 90 天时，粪便中厚壁菌门的相对丰度下降，拟杆菌门和变形菌门的相对丰度增加。此外，毛螺菌科和肠杆菌科的相对数量被选择性地富集。作者进一步指出这些由 EPO 引起的微生物群组成的改变与肝功能受损有关。
毒死蜱 (CPF) 是一种有机磷杀虫剂，常用于处理水果、蔬菜作物和葡萄园。
CPF 可以被肝脏和肠道中的细胞色素 P450 酶代谢。围产期 CPF 暴露降低了幼鼠的体重和身长，并抑制了它们的肠道发育。
此外，CPF 诱导较高水平的拟杆菌、肠球菌和梭状芽孢杆菌，同时导致较低水平的乳杆菌属和双歧杆菌属。CPF 诱导的微生物群失调会破坏粘膜屏障，增加细菌易位，并刺激先天免疫系统。
多菌灵（CBZ；2-苯并咪唑氨基甲酸甲酯）是一种内吸性广谱苯并咪唑杀菌剂，被广泛用于防治真菌病害。 CBZ 对健康有多种不利影响，例如肝脏氧化应激和水肿、生殖毒性和内分泌紊乱。
在最近的一项研究中，我们观察到，以高剂量向小鼠口服 CBZ 28 天会增加肝脏脂质积累和体重，此外还会增加血清中促炎细胞因子 IL-1b 和 IL-6 的水平。
这些变化与 CBZ 诱导的肠道微生物群失调有关，包括在门水平上拟杆菌的相对水平降低和厚壁菌、变形菌和放线菌的相对水平增加。在科水平上，脱硫弧菌科、瘤胃球菌科、毛螺菌科和去铁杆菌科的相对丰度增加，而S24-7、副普雷沃氏菌科、瑞肯菌科、普雷沃氏菌科、拟杆菌科、卟啉单胞菌科、金银藻科（Christensencealae）的相对丰度减少。
最近，口服暴露（100 毫克/公斤体重）至 IMZ 28 天可导致小鼠肠道微生物群失调和结肠炎症。在盲肠中，49.3% 的细菌在 IMZ 暴露后发生了变化。在门水平上，拟杆菌、变形菌和蓝藻的丰度下降，而绿弯菌Chloroflexi、厚壁菌、放线菌和酸杆菌的丰度增加。在属水平上，梭菌、毛螺菌科、螺杆菌科和螺杆菌的丰度显着增加，而S24-7、理肯菌科、普氏菌、厌氧菌和柠檬酸杆菌的丰度显着降低。
微塑料：诱发肠道菌群失调和炎症
全球塑料污染问题太普遍了，因为塑料的大规模生产在过去 70 年左右的时间里呈爆炸式增长，从每年约 200 万吨增加到约 3.8 亿吨。每年约有 800 万吨塑料到海洋中，塑料碎片为水生环境中的微生物提供了稳定的基质和新的生态位，被称为“塑料圈”。
塑料降解的自然过程非常缓慢。例如，一个 PET 瓶的寿命可能长达数百年。这为环境中存在的各种微生物对这些化合物做出反应提供了足够的进化时间，并且在之前的研究中发现了许多不同的酶，它们具有降解不同塑料的能力。
在塑料污染严重的地方，更多的微生物可以降解塑料。具有降解塑料能力的微生物酶的数量正在增加，这与当地塑料污染水平有关。
最近发表在科学杂志mBIO 上的这项新研究分析了来自世界各地数百个地点的环境 DNA 样本。研究人员使用计算机建模来搜索具有塑料降解潜力的微生物酶，在污染最严重的地区增加酶的数量增加，换句话说，塑料降解酶的数量和多样性正在增加，直接响应当地的塑料污染水平。
总共发现了超过 30,000 种酶“同源物”，它们有可能降解 10 种不同类型的常用塑料。同源物是具有相似特性的蛋白质序列的成员。一些含量最高的地点是众所周知的高污染地区，例如来自地中海和南太平洋的样本。
这么多不同的微生物和环境栖息地中发现如此多的酶。这是一个令人惊讶的发现，真正说明了问题的严重性，这也说明对抗全球塑料危机的潜在途径。
塑料造成的环境污染已成为公共卫生问题。然而，微塑料对肠道微生物群、炎症发展及其潜在机制的影响尚未得到很好的表征。
用高浓度的微塑料处理增加了肠道微生物种类的数量、细菌丰度和菌群多样性。喂养组显示葡萄球菌丰度显着增加，同时副杆菌属显着减少丰度，与空白（未处理）组相比。此外，所有喂养组血清白细胞介素1α水平均显着高于空白组。
值得注意的是，微塑料处理降低了 CD4 +细胞中 Th17 和 Treg 细胞的百分比，而在 Th17/Treg 细胞比率方面，空白组和处理组之间没有观察到显着差异。喂食高浓度微塑料的小鼠的肠道（结肠和十二指肠）表现出明显的炎症和较高的 TLR4、AP-1 和 IRF5 表达。因此，聚乙烯微塑料可诱发肠道菌群失调和炎症，为微塑料相关疾病的防治提供了理论依据。
大多数塑料碎片上定植的细菌多样性高于周围水域。塑料碎片也可能比周围的水积累更多的潜在病原体。源头追踪结果表明，下游塑料圈从上游继承的细菌类群比例远高于浮游细菌。下游水中约 92.3-99.7% 的细菌群落不是来自上游，而是来自下游人类活动的输入。相反，下游塑料圈中高比例的细菌分类群与上游密切相关。塑料圈比浮游细菌具有更高的生态功能多样性。
城市和下游农业和水产养殖业的密集人类活动对乌鲁木齐河微生物群结构和功能群有很大影响。Pastisphere 群落比浮游细菌更能抵抗人类干扰。与周围的水相比，塑料圈增加了上游微生物结构和功能的遗传，也增加了下游水中病原体的存活和繁殖，其中含有高浓度的抗生素。
Li N, et al. Environ Pollut. 2021
空气污染物：增加肠道通透性
空气污染是指空气中可能由自然和人类活动导致的有害物质的存在。空气污染是一种复杂的气体混合物（包括臭氧、二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳和二氧化氮）、颗粒物，包括化石燃料/汽车尾气的燃烧、多环芳烃/PAHS、花粉、孢子、微生物颗粒、矿物粉尘、有机碳、硝酸盐和硫酸盐。
大气颗粒物，尤其是空气污染是世界性的环境问题，会引发多种健康问题。颗粒物质其直径范围为2.5 μM-10 μM。
事实上，世界不同地区的几项基于队列的研究已经解决了长期暴露于空气污染与死亡率之间的相关性。他们已经证明长期暴露于细颗粒物与心血管和肺部疾病风险增加以及肺癌风险增加之间存在关联。空气污染可能与炎症性肠病的病理生理有关，从而与胃肠道疾病相关。
作为空气污染成分的颗粒物和臭氧现在被认为具有严重的健康问题，因为臭氧和颗粒物会增加肠道通透性，而且它们可能会破坏肠道细胞壁中存在的紧密连接。由于空气污染对肠道微生物群的影响而发生的变化知之甚少。当颗粒物被摄入时，它会被肠道微生物群代谢成其他一些对整个肠道有害的有毒代谢物，如果这种代谢物进入循环，那么它可能会引起其他一些影响。
生物学研究的最新进展表明，空气污染正在导致肠道微生物群的组成和生理发生改变。人类中，吸入的 PM 会迅速从肺部清除并运输到肠道，在那里它可能会导致菌群发生改变。
在炎症性肠病 (IBD) 的小鼠模型中，口服环境 PM10的浓度代表了在高水平空气污染期间可能发生的剂量，已被证明会显着影响肠道微生物群。厚壁菌门的比例增加，而拟杆菌门减少，炎症反应和肠道通透性得到提高。
肠道微生物群相对浓度的这种显着变化导致支链脂肪酸（异丁酸和异戊酸）的形成，从而导致丁酸浓度降低。丁酸是结肠细胞和肠黏膜细胞必需的脂肪酸，丁酸的减少会导致肠道屏障受损，也会导致黏膜炎症。
另一项研究表明，当小鼠暴露于另一种污染物，即多氯联苯 (PCB) 时，与肠道微生物群相关的组成和代谢过程也会发生改变。
流行病学证据表明，空气污染物也与人类 IBD 风险增加有关。有人提出，一般而言，空气污染和 PM 可能会促进人类的胃肠道疾病。
除了 IBD 外，暴露于空气污染与 2 型糖尿病和肥胖症有关，这可能是由于对肠道微生物群的影响。与 NOX暴露相关的特定肠道细菌家族，Bacteroidetes增加，而 Coriobacteriaceae减少。这些变化与发展为 2 型糖尿病的空腹血糖水平升高有关。
纳米材料和食品添加剂：直接改变或者杀死微生物
纳米粒子 (NP)被广泛用于制造许多产品，例如电子元件、无刮痕涂料、药品、运动器材、化妆品、食品容器和膳食补充剂。
由于它们的体积非常小，NPs 能够通过吸入、摄入、皮肤渗透或注射进入人体。作为一种新的环境污染物，NPs 会诱导氧化应激，这被认为是最具毒性的细胞内和体内机制。一些纳米颗粒在体外显示出抗菌特性。例如，银纳米颗粒 (Ag NPs) 对细菌、病毒和真菌生物体具有明显的细胞毒性。摄入后，Ag NPs 可以被小肠吸收并被回肠组织内的派尔氏斑吸收。碳纳米管与细胞壁结合，破坏细胞膜，并对球状或杆状形态的革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌具有抗菌活性。
考虑到 NPs 的生物分布和抗菌活性的潜力，NPs 有可能通过口服和非口服途径影响肠道微生物群。然而，关于纳米颗粒对肠道微生物群的影响的研究很少。
银纳米颗粒(Ag NPs)： 最近的一项研究报告称，给予 Ag NPs（1 mg/mL 在 2 mM 柠檬酸盐缓冲液中或在 100 mg/mL 聚乙烯吡咯烷酮水溶液中持续 28 天）不会改变小鼠肠道微生物组的组成、结构或多样性。然而，另一项研究表明，暴露于 Ag NPs13 周会降低门水平厚壁菌的丰度，并扰乱大鼠回肠中免疫调节基因的表达。
此外，Ag NPs 对果蝇幼虫有毒，因为它们会降低幼虫肠道微生物群的多样性。需要更多证据确定 NPs 是否具有抗菌活性或对肠道微生物群的其他影响。
无热量人造甜味剂 (NAS)可为不含高热量糖分的食物提供甜味，是无糖汽水、谷物和无糖甜点中的常见成分，推荐用于减肥和患有葡萄糖耐受不良的人 或 2 型糖尿病。
最近的一份研究表明，长期给小鼠喂食 NAS（包括糖精、三氯蔗糖和阿斯巴甜）会导致更高的葡萄糖耐受性，并且与肠道中拟杆菌属和梭菌属细菌的丰度增加有关。这种葡萄糖耐受不良的增加依赖于肠道微生物群；NAS 在无菌小鼠或抗生素治疗小鼠中均未引起葡萄糖耐受不良；然而，将肠道微生物群从 NAS 处理的小鼠或体外暴露于 NAS 的细菌转移到无菌小鼠或抗生素处理的小鼠，会损害葡萄糖稳态。
乳化剂是食品添加剂，通常存在于加工食品（如面包）中，以延长保质期和新鲜度。
最近的一项研究表明，乳化剂的类似洗涤剂的特性可能会对肠道微生物群和肠道组织的完整性产生负面影响。给小鼠喂食羧甲基纤维素或聚山梨醇酯-80（乳化剂）12 周，增加了粘液溶解细菌（如瘤胃球菌）的丰度，并降低了粪便中拟杆菌的丰度。微生物群的这些变化伴随着肠道粘液厚度的减少、轻度炎症和代谢综合征的症状，包括肥胖增加和葡萄糖失调。有趣的是，乳化剂对无菌小鼠没有影响。
此外，这些变化可以通过从乳化剂处理的小鼠身上转移微生物群来转移到无菌小鼠身上。此外，作者观察到乳化剂在 IL-10 缺陷和 Toll 样受体 5 (TLR5) 缺陷小鼠中促进了强烈的结肠炎，这表明乳化剂可能会促进易感宿主的强烈结肠炎，并诱发低度炎症。
大规模的环境污染和由此产生的抗健康问题是当前主要的公共卫生问题。
当环境污染物改变肠道微生物群组成时，微生物群代谢物，包括短链脂肪酸和胆汁酸，将首先受到影响。这些特性支持短链脂肪酸影响能量代谢、肠道免疫、癌症甚至神经系统功能。
环境污染物会直接影响肠道微生物群并导致代谢物和免疫系统发生变化。生物多样性的丧失和污染物的暴露最终会导致免疫系统失衡，并增加威胁公众健康的炎症性疾病。
环境污染对肠道微生物群的影响及其后续影响
Li N, et al. Environ Pollut. 2021
需要注意的是，环境毒理性研究大多数来自动物模型，主要是大小鼠。确定动物结果对推测人类的重要性并不容易，因为它们没有相同的环境暴露以及物种差异。没有人能排除环境污染物可能对人类肠道菌群和表型产生长期影响的可能性，而这些影响迄今为止在动物身上不存在，短期使用是规则。
总之，动物实验和流行病学研究并不完全平行。因此，即使有足够的证据支持基于动物模型结果的“三向相互作用”理论，仍需要更多的流行病学证据来验证。
几十年来，评估环境化学品健康风险的核心要素保持不变（参见相关报道）。迄今为止，还没有研究方法明确考虑人类微生物组的潜在影响。因此，微生物组在改变人类对环境相关暴露的毒性易感性方面的作用在很大程度上仍不确定。
值得庆幸的是，许多已知的微生物转化必须与酶和基因相关联，为临床研究中的诊断标志物提供特定目标。对肠道菌群异物代谢的分子理解将为毒理学风险评估提供信息，并为环境污染中毒的治疗提供新的靶点。
建议今后应该确定以下几方面：
许多微生物在人类存在之前就已经存活在大自然中，它们也在不断进化从而适应环境。微生物群与人类、环境和它们自身相互作用或许远超出我们想象。
微生物群检测是我们人类得以了解它们的一个通道，对于环境微生物群的深入了解，或许能成为我们了解微生物群与人体关系的一块重要拼图。
主要参考文献
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Li N, Li J, Zhang Q, Gao S, Quan X, Liu P, Xu C. Effects of endocrine disrupting chemicals in host health: Three-way interactions between environmental exposure, host phenotypic responses, and gut microbiota. Environ Pollut. 2021 Feb 15;271:116387. doi: 10.1016/j.envpol.2020.116387. Epub 2020 Dec 24. PMID: 33401209.
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