α-酮戊二酸缓解鲫鱼（Carassius auratus）因碳酸盐-碱性应激引起的肠道损伤的机制：来自代谢组学和微生物组学的见解

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：Mechanisms by which α-ketoglutarate alleviates intestinal injury caused by carbonate-alkaline stress in crucian carp (Carassius auratus): Insights from metabolomics and microbiomics

碳酸碱胁迫导致鲤鱼肠道氧化应激、能量代谢紊乱和微生物群落失调，外源α-酮戊二酸（AKG）通过恢复三羧酸循环、维持氧化还原平衡并改善菌群结构缓解损伤。研究采用代谢组学、16S测序和病理学分析，证实AKG对能量代谢和微生物互作的调控机制，为水生生物抗碳酸碱胁迫提供理论依据。

　　

刘倩文|王静|金晓峰|程红宇|钟冠宇|吴松|杨阳|孙彦春

上海海洋大学食品科学与技术学院食品科学与工程系，上海，201306，中国

摘要

碳酸盐碱度是内陆水体中普遍存在的环境压力源，对水生生物具有毒性风险。虽然已知α-酮戊二酸（AKG）可以缓解鱼类由此产生的肠道损伤，但其保护机制仍不清楚。本研究将鲫鱼（Carassius auratus）暴露于碳酸盐碱度压力（20和40 mmol/L NaHCO₃）环境中，同时添加或不添加外源性AKG，持续56天。通过组织病理学检查、生化测定、16S rRNA分析和代谢组学研究，探讨了碳酸盐碱度压力对肠道氧化还原状态、能量代谢和微生物群落的影响，并评估了外源性AKG补充的缓解机制。结果表明，碳酸盐碱度压力导致了肠道组织病理损伤，表现为活性氧（ROS）和脂多糖增加以及ATP水平下降。16S rRNA测序显示，碳酸盐碱度压力改变了肠道微生物群落，增加了Proteobacteria的数量，减少了Firmicutes的数量。代谢组学分析表明，糖酵解和三羧酸循环（TCA循环）等能量途径受到抑制。同时，嘌呤代谢的激活和谷胱甘肽代谢的抑制表明肠道氧化还原失衡。值得注意的是，外源性AKG补充缓解了这些损伤。代谢组学结果显示，糖酵解和TCA循环中的关键代谢物上调，而嘌呤和谷胱甘肽代谢的异常得到改善。此外，微生物群落结构也发生了变化，Proteobacteria的数量减少，Firmicutes的数量增加。这些发现表明，碳酸盐碱度压力通过破坏能量和氧化还原平衡引发微生物失调和肠道损伤，而外源性AKG补充通过恢复代谢稳态来缓解这一过程。本研究为了解碳酸盐碱度压力下通过代谢干预缓解肠道毒性的机制提供了理论依据。

引言

全球气候变化和人类活动的加剧导致内陆水体盐碱化程度日益严重。在各种类型的盐碱水中，碳酸盐碱水因其广泛的分布和较高的碱度而受到特别关注（Wei等人，2023年）。这些环境中升高的碳酸盐碱度和复杂的离子组成对水生生物造成显著生理压力，常常导致组织损伤和代谢功能障碍（Gao等人，2024年）。以往的毒理学研究主要集中在鳃、肝脏和肾脏等器官上（Zhou等人，2024年；Hua等人，2025年；Kong等人，2025年）。作为营养物质吸收和免疫防御的关键器官（Xue等人，2024年），肠道在碳酸盐碱度压力研究中的关注度逐渐增加。现有研究表明，碳酸盐碱度压力会导致肠道组织病理损伤和微生物失调（Liu等人，2023年）。然而，肠道组织内的代谢功能障碍与肠道微生物群落稳定性之间的内在关系尚未得到充分探索。

作为抵御外部环境压力的重要物理屏障和先天免疫防线，维持肠道结构完整性和免疫功能对水生生物的生存至关重要。这些过程的正常运作高度依赖于充足的能量供应（Sardinha-Silva等人，2022年；Sui等人，2022年）。先前的研究表明，碳酸盐碱度压力会破坏多种硬骨鱼的肠道能量稳态，表现为莫桑比克罗非鱼的糖酵解和TCA循环紊乱（Su等人，2023年）、草鱼的渗透相关能量重新分配和不足（Wen等人，2023年），以及尼罗罗非鱼的代谢紊乱和结构损伤（Fan等人，2025年）。因此，能量不足可能是影响鱼类肠道结构完整性和免疫防御能力的关键因素。值得注意的是，肠道微生物群落中特定微生物群落发酵产生的短链脂肪酸（SCFAs）也是肠道组织的重要能量来源，为维持机体能量稳态提供必要的底物支持（Gao等人，2025年）。然而，碳酸盐碱度压力通常会导致鱼类肠道微生物失调，其特征是机会性病原体（如Proteobacteria）数量增加，而能够产生SCFAs的有益细菌（如Firmicutes或Fusobacteria）数量减少（Hua等人，2025年；Yu等人，2025年）。这种微生物群落结构的变化可能导致肠道SCFA水平下降，进一步破坏肠道能量代谢稳态。尽管肠道能量代谢与微生物群落平衡之间存在密切关系，但碳酸盐碱度压力引起的肠道能量代谢功能障碍与微生物群落结构改变之间的潜在关联尚未完全阐明。

目前，应用功能性添加剂来维持水生生物的代谢稳态是缓解环境压力毒性的有效策略。其中，α-酮戊二酸（AKG）作为一种内源性小分子代谢物，已被广泛证明具有调节能量代谢的功能。作为TCA循环的关键中间体，AKG通过氧化脱羧生成还原型辅酶，随后参与线粒体氧化磷酸化，为ATP合成提供能量支持，从而维持组织能量稳态（Cheng等人，2024年；Yan等人，2024年）。外源性AKG补充的代谢调节效果已在多种鱼类中得到验证。例如，在盐碱压力下，AKG部分恢复了鲫鱼的肾脏能量稳态（Liu等人，2025年），调节草鱼的肝糖原以缓解氨毒性（Tang等人，2020年），并通过调节TCA循环减轻镜鲤（Cyprinus carpio var. specularis）因饮食大豆抗原引起的肠道结构损伤（Luo等人，2023年）。尽管多项研究表明AKG可以有效缓解肾脏、肝脏和肠道等器官的能量代谢功能障碍，但其在碳酸盐碱度压力下是否可以通过恢复能量代谢来改善肠道健康仍不清楚。因此，深入阐明AKG对能量代谢的调节作用及其与肠道屏障功能和微生物群落稳态的潜在联系，对于揭示鱼类应对碳酸盐碱度压力的代谢调节机制具有重要的理论意义。

基于以上考虑，本研究提出假设：外源性AKG补充可以通过调节能量代谢和改善微生物群落结构，部分恢复由碳酸盐碱度压力引起的肠道结构和功能损伤。为了验证这一假设，选择了具有较强环境耐受性的鲫鱼（Carassius auratus）作为实验模型，建立了一个长期暴露模型，包括不同浓度的碳酸盐碱度压力及其相应的AKG缓解组。本研究旨在阐明外源性AKG补充缓解碳酸盐碱度压力引起的肠道组织损伤的保护机制，并为应用代谢调节剂缓解此类压力的毒性效应提供理论基础和潜在干预策略。

实验饮食

实验饮食

本研究选择了中国山东通威饲料公司生产的鲫鱼专用配合饲料作为基础饲料。主要成分包括鱼粉、豆粕、小麦、米糠、矿物质元素、维生素和氨基酸。制造商提供的营养成分如下：粗蛋白≥29.0%，粗脂质≤12.0%，粗纤维≥5.0%，粗灰分≤15.0%，水分≤12.5%，赖氨酸≥1.4%，总磷≥0.6%。我们设置了两个饮食组：

碳酸盐碱度压力和AKG对鲫鱼肠道功能的影响

如图1（A-E）所示，碳酸盐碱度压力导致鲫鱼肠道组织出现不同程度的病理损伤，而外源性AKG补充缓解了这些形态变化。C组的肠道结构完整，绒毛规则地延伸至肠腔内，黏膜上皮细胞排列密集整齐，杯状细胞丰富且分布均匀。没有明显的炎症细胞浸润或组织坏死

讨论

肠道是鱼类的重要黏膜免疫屏障，其结构完整性和生理功能依赖于共生的肠道微生物群落和稳定的能量代谢（Cabillon和Lazado，2019年；Sui等人，2022年）。本研究从多组学角度探讨了碳酸盐碱度压力如何破坏鲫鱼的肠道稳态，并阐明了外源性AKG补充的部分保护作用。

结论

本研究表明，碳酸盐碱度压力主要通过破坏能量代谢、引起肠道微生物失调和氧化还原失衡导致鲫鱼肠道损伤。外源性AKG补充通过补充TCA循环来恢复能量供应，促进微生物群落的稳态重建，并通过谷胱甘肽合成维持氧化还原平衡，从而部分缓解了这些不良影响。

CRediT作者贡献声明

刘倩文：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究设计，概念化。王静：可视化，方法学。金晓峰：研究，数据管理。程红宇：研究。钟冠宇：正式分析，数据管理。吴松：可视化，正式分析。杨阳：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。孙彦春：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目管理，资金获取。

伦理声明

该动物实验获得了中国渔业科学院动物实验伦理委员会的批准（批准编号20240313002）。研究符合当地法律法规和机构要求。

未引用参考文献

Sun等人，2024年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了黑龙江省杰出青年学者自然科学基金（编号JQ2023C007）、中央公益性科研机构基础研究基金，HRFRI（编号HSY202506YB）和中国博士后科学基金会专项支持计划（编号2023T160720）的财政支持。