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图1.益生菌降低小鼠肠道重金属Cd蓄积的机制

镉(Cd)是一种有毒的重金属，是工农业中最常见的环境危害之一。随着工业化进程的加快和污水灌溉技术的广泛使用，镉污染和中毒事件频发。鉴于Cd具有较强的分子毒性效应，研究Cd对人体健康的潜在作用机制对今后的疾病治疗具有重要意义。本研究结果可能扩大我们对肠道微生物群在镉污染所致健康危害中作用的认识，探索肠道粘膜特征菌群在镉暴露环境中作为生物标志物的作用，并有望为今后从肠道特征菌群生物标志物的方向寻找针对重金属污染所致肠道微生态紊乱的靶向调控提供依据。

样本：雄性昆明种小鼠20只，分为四组，镉(氯化镉)的剂量依次为5ppm、20ppm和100ppm，对照组Zcm、低剂量Cddm、中剂量Cdzm、高剂量Cdgm

测序技术：Illumina Miseq 16S rRNA基因测序

方法：FDA检测小鼠肠黏膜微生物活性，16S rRNA基因测序分析

1.镉暴露对小鼠体重及肝、胸腺、脾脏相对脏器重量变化的影响

与Zcm组相比，Cd各剂量组小鼠体重均有增加趋势。相反，在不同剂量组之间比较时，Cdgm组的体重最低(图2(A))。与Zcm组相比，Cddm组和Cdzm组小鼠肝脏相对重量有下降趋势，其中Cdgm组明显低于Zcm组。与不同剂量组相比，Cdgm组的肝脏相对重量最低(图2(B))。结果发现，脾脏相对重量随染镉剂量的增加而逐渐减轻，以Cdgm组最低(p<0.05)(图2(C))。与Zcm组相比，Cd各剂量组小鼠胸腺相对脏器重量均有增加趋势(p>0.05；p>0.05；p>0.05)，其中Cdgm组胸腺相对脏器重量最高(图2(D))。结果表明，不同剂量的镉暴露对小鼠体重、脾脏和肝脏的相对脏器重量均有负性调节作用。镉暴露与小鼠脾、肝相对脏器重量呈剂量依赖关系，而不同剂量的镉暴露对小鼠胸腺相对脏器重量均有正向调节作用，且存在剂量依赖关系。

图2.镉暴露对小鼠体重、肝、胸腺和脾脏相对器官重量变化的影响

2.镉暴露对小鼠肠黏膜微生物活性变化的影响

与Zcm组相比，Cddm组和Cdzm组的肠粘膜微生物活性显著降低，而Cdgm组的肠粘膜微生物活性显著高于Zcm组，而Cdgm组的肠粘膜微生物活性显著高于Zcm组，而Cdgm组的肠粘膜微生物活性显著高于Zcm组。以上结果提示，不同剂量的Cd对小鼠肠粘膜物质的分解能力不同，其中Cdgm组可能具有更丰富的肠道菌群和更强的分解肠粘膜水解酶的能力，而不同剂量组之间没有明显的剂量依赖关系。结果表明，不同剂量的Cd对小鼠肠黏膜物质的分解能力不同，其中Cdgm组可能具有更丰富的肠道微生物群和更强的分解肠粘膜水解酶的能力。

图3.镉暴露对小鼠肠道微生物活性变化的影响

3.镉暴露对小鼠肠黏膜菌群多样性的影响

Cdzm组和Cdgm组的Chao1和Shannon指数明显高于Cddm组，Cdgm组高于Cddm组，但差异无显著性。提示Cd暴露可影响小鼠肠道微生物群的丰富度和多样性，不同剂量的Cd暴露对小鼠肠黏膜的丰富度和多样性均有剂量依赖性影响。β多样性分析表明，不同剂量Cd组和Zcm组之间的距离大于组内距离，说明不同剂量Cd组和Zcm组之间群落结构存在差异(图4(C))。

图4.镉暴露对小鼠肠道粘膜菌群多样性的影响

4.镉暴露对小鼠肠黏膜菌群相对丰度的影响

图5(A)显示了小鼠肠道粘膜细菌在门水平上的相对丰度，其中四组中的Firmicuts、Proteobacteria、Actinobacteria和Bacteroidete为主要优势门。与Zcm组相比，Cdzm组和Cdgm组的Firmicuts相对丰度显著降低，而Cddm组的相对丰度显著增加(p>0.05)。与Zcm组相比，Cddm组Proteobacteria, Actinobacteria和Bacteroidetes的相对丰度均有所下降，但差异无显著性，与Zcm组相比，Cdzm组的变形菌门、放线菌门和拟杆菌门的相对丰度均有所下降，但差异无统计学意义。Cdzm组Proteobacteria, Actinobacteria和Bacteroidetes的相对丰度较Zcm组有显著提高。Cdgm组Actinobacteria和Bacteroidetes显著增加，Proteobacteria增加无显著性差异(图5(B))。

图5.不同剂量镉暴露组小鼠肠道粘膜菌群的相对丰度(门水平)

图6.不同剂量镉暴露组小鼠肠道粘膜菌群的相对丰度(属水平)

5.镉暴露对小鼠肠道粘膜菌群丰度差异特征组的影响

LEfSe分析表明，在Cdzm和Cdgm组中鉴定出44个和27个优势类群，分别包括24个和9个特征细菌属。在Cdzm组中，Sphingomonas和Microbacterium是主要的特征微生物群。结果表明，Cdzm和Cdgm的肠道粘膜菌群有显著差异，两组间的特征菌群也存在显著差异。虽然LEfSe表明了两组特征菌之间的明显差异，但也表明Cdgm组的5个样品中Desulfovibrio和Mycoplana的相对丰度分布不均匀，而Cdzm的5个样品中Sphingomonas和Microbacterium的分布更均匀。在Cdzm组的5个样品中，phingomonas和Microbacterium的相对丰度分布比较均匀。

图7.镉暴露对小鼠肠道粘膜菌群丰度差异特征组的影响

6.镉暴露对小鼠肠黏膜菌群代谢功能的影响

结合小鼠肠道粘膜菌群的相关数据，通过京都基因与基因组百科全书(KEGG)数据库对其代谢途径进行功能分析。其中，碳水化合物代谢、复制修复、膜运输、细胞运动性、感染性疾病、环境适应在每一类中的丰度最高，推测这些代谢途径可能是镉暴露影响小鼠肠黏膜菌群变化的主要途径。

图8.镉暴露对小鼠肠黏膜菌群代谢功能的影响。横坐标是功能通路的丰度，纵坐标是KEGG二级分类的功能通路，最右边是该通路所属的一级通路

综上所述，镉暴露显著扰乱了小鼠肠道粘膜菌群的多样性和群落结构，表现为增加了有益细菌Lactobacillus的多样性和丰富度，增加了有害细菌Sphingomonas，Microbacterium和Desulfovibrio的相对丰度。同时，镉暴露后小鼠肠黏膜菌群的变化与碳水化合物、氨基酸和脂类代谢有关。此外，不同剂量的Cd对小鼠肠道粘膜物质的分解能力也不同。镉暴露对小鼠肠黏膜菌群免疫功能有调节作用，且呈剂量依赖性。肠道粘膜菌群的紊乱可能是镉暴露引起或加重人类疾病的新途径。然而，不同剂量的镉暴露对肠道粘膜免疫功能和细菌均有影响。种群多样性与代谢功能之间存在剂量依赖关系，控制Cd剂量也是今后需要探索的主要方向。

本研究的高通量测序和部分数据分析工作由武汉永利集团3044组信息有限公司完成。