Nat. Microbiol. I肠道菌群：“永久化学物”PFAS的隐形捕手与代谢枢纽

原创

来源：胡少芳

2026-03-18 11:18:38

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核心提示：《Nature Microbiology》研究首次揭示人类肠道细菌（特别是拟杆菌门）能于3分钟内高效富集全氟和多氟烷基物质（PFAS），并在胞内形成聚集体，颠覆了传统认为PFAS仅与细胞膜结合的认知。该研究证实肠道菌群组成直接决定宿主经粪便排出PFAS的效率，其富集耐受过程受TolC外排泵调控，为解析“永久化学物”的人体代谢机制及开发菌群靶向排毒策略提供了关键依据。

全氟和多氟烷基物质（PFAS）凭借极强的化学稳定性与环境持久性，被定义为“永久化学物”，广泛渗透于环境介质、食品供应链与人体代谢体系中，其潜在的内分泌干扰、生殖毒性与致癌风险已成为全球公共卫生与环境毒理学领域的核心议题。人体肠道作为污染物暴露的首要界面，肠道菌群构成了宿主与外源性化学物互作的关键屏障，然而肠道细菌对PFAS的富集机制、胞内定位及对宿主代谢的调控作用，长期处于认知盲区。既往研究普遍认为PFAS仅结合于细菌细胞膜表面，但其能否穿透细胞膜、不同菌株的富集能力差异、以及菌群对PFAS体内排泄的调控效应，均缺乏系统性实证。近期发表于《Nature Microbiology》的研究Human gut bacteria bioaccumulate per- and polyfluoroalkyl substances，通过多维度实验设计，首次揭示人类肠道细菌对PFAS的高效生物富集机制，颠覆传统认知，为PFAS毒代动力学研究与健康干预策略提供了全新微生物视角。

一、多维实验体系：从体外筛选到体内验证的机制解析

该研究构建了“体外筛选-能力评估-动力学分析-分子机制-原位成像-体内验证”的全链条研究范式，系统解析肠道细菌与PFAS的互作逻辑：

1. 高通量污染物筛选：构建42种食品污染物文库，对20株代表性肠道细菌进行共培养，精准锁定PFAS高清除菌株；

2. 广谱富集能力评估：覆盖89株微生物（肠道菌、益生菌、酵母），明确不同链长PFAS（C7-C10）的菌株富集差异；

3. 动态耐受特性分析：通过时间梯度（分钟级至7天）与浓度梯度（nM至mM）实验，测定代表性菌株的富集速率、容量及生长耐受阈值；

4. 分子转运机制解析：结合大肠杆菌TolC外排泵突变体、蛋白质组学与代谢组学，揭示PFAS跨膜转运与细胞应激响应通路；

5. 原位三维成像验证：采用冷冻聚焦离子束-二次离子质谱（FIB-SIMS），直观呈现PFAS在细菌胞内的聚集形态；

6. 体内菌群调控验证：基于定植不同人类肠道菌群的无菌小鼠模型，证实菌群组成对宿主PFAS粪便排泄的决定性作用。

二、核心突破：肠道菌群富集PFAS的颠覆性发现

（一）拟杆菌门为PFAS高效富集主体，革兰氏阴性菌主导富集效应

研究证实，人类肠道菌群具备广泛且高效的PFAS生物富集能力，38株高富集菌株中革兰氏阴性菌占比76%，拟杆菌门（Bacteroidota）菌株表现出极强富集活性。其中，内脏气味杆菌（Odoribacter splanchnicus）24小时内可清除74%的全氟壬酸（PFNA），单形拟杆菌（Bacteroides uniformis）在纳摩尔级暴露浓度下，可将胞内PFNA浓缩50倍，微摩尔级暴露下胞内浓度可达5-10 mM，远超天然代谢物水平，且不影响菌株正常生长。

（二）瞬时高效富集，形成不可逆胞内聚集

PFAS的生物富集过程具有瞬时性，3分钟内即可完成高效捕获，且富集程度与暴露浓度呈正相关，无明显细菌生长抑制。FIB-SIMS成像首次证实，PFAS并非仅附着于细胞膜，而是大量聚集于细菌胞内形成致密聚集体，通过“自隔离”机制降低毒性，实现高浓度耐受，这一发现彻底颠覆“PFAS仅膜结合”的传统认知。

（图片引自参考文献）

（三）主动外排系统构成细菌防御关键防线

大肠杆菌通过TolC依赖的外排泵主动将胞内PFAS泵出，维持低胞内浓度；敲除tolC基因后，菌株对PFAS敏感性显著提升，富集量大幅增加，表明主动外排是细菌抵御PFAS毒性的核心机制，而高富集菌株可能通过弱化外排、强化胞内封存实现高效富集。

（四）肠道菌群调控宿主PFAS排泄，决定体内暴露水平

小鼠体内实验证实，定植人类肠道菌群的小鼠，粪便PFNA排泄量显著高于无菌小鼠；定植高富集能力菌群的小鼠，经菌群生物量校正后的PFNA排泄量显著高于低富集菌群组，直接证明肠道菌群是调控宿主PFAS清除效率的关键因子，菌群组成差异直接影响个体PFAS体内蓄积水平。

三、深远意义：重构PFAS毒理学认知，拓展健康干预新路径

该研究突破了PFAS毒代动力学的传统框架，从微生物层面揭示了人体清除“永久化学物”的天然机制，具有三重核心价值：

1. 个性化风险评估新维度：个体肠道菌群组成的异质性，导致PFAS富集与排泄能力差异，为精准评估PFAS暴露风险、制定个性化健康防护策略提供科学依据；

2. 靶向干预新策略：通过益生菌补充、饮食调控等方式优化肠道菌群结构，提升高富集菌株丰度，可作为增强人体PFAS自然清除能力的潜在干预手段，为环境污染健康防护提供非药物解决方案；

3. 环境毒理学新课题：细菌胞内高浓度PFAS的形成机制、食物链传递效应，以及对微生物生态系统的潜在影响，为PFAS污染生态风险评估开辟全新研究方向。

论文原文DOI: 10.1038/s41564-025-02032-5

参考文献：Lindell, A.E., Grießhammer, A., Michaelis, L. et al. Human gut bacteria bioaccumulate per- and polyfluoroalkyl substances. Nat Microbiol 10, 1630–1647 (2025).