环境中的氧四环素残留物改变了肠道微生物群，进而威胁到一种多食性果蝇的生命周期特征

《Journal of Hazardous Materials》：Gut-microbiota reshaping by environmental oxytetracycline residues threatens life-history traits in a polyphagous fruit fly

　　

杨玉欣|高峰|贾晓云|金德才|哈立德·哈迪|李志红|赵志华

中国农业大学植物保护学院，农业与林业生物安全国家重点实验室，植物检疫性有害生物监测与管理马拉重点实验室，北京100193，中国

摘要

氧四环素（OTC）的持续使用和过度滥用与环境污染、生态毒性以及抗菌素耐药性的出现密切相关。除了直接的抗菌作用外，环境中的OTC残留还可能通过影响生物的生命史特征来干扰非目标生物。在本研究中，我们让东方果蝇（Bactrocera dorsalis）长期暴露于OTC环境中，以观察其肠道微生物群的变化及相应的生命史反应。研究结果表明，环境中的OTC残留会延长幼虫的发育时间，降低蛹的重量，并抑制B. dorsalis的卵巢成熟。微生物组分析显示，OTC暴露会减少有益细菌的数量，同时增加机会主义细菌的种类，且在OTC暴露条件下有多种机会主义细菌数量增多。这种由OTC引起的微生物组成变化可能与特定氨基酸的缺乏有关，进而影响蛹的重量和卵巢的发育。重要的是，补充乳酸菌（Lactiplantibacillus plantarum和Levilactobacillus brevis）以及氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸和谷氨酸）能够显著缓解OTC带来的不良影响。总体而言，我们的研究结果表明，OTC残留会改变肠道微生物群的组成和代谢功能。最后，我们提出了一个概念框架，说明OTC引发的微生物群重组如何影响昆虫的生命史特征，从而为理解环境中的抗生素残留所带来的生态风险提供依据。

引言

在全球范围内，抗生素被广泛用于人类和兽医治疗、农作物保护以及水产养殖领域[1]、[2]。抗生素的广泛应用导致了大量环境残留，这引发了公众健康和食品安全方面的严重担忧[3]、[4]。这些残留的抗生素会在食物链（如鸡蛋、肉类和牛奶）以及生态系统（如土壤和水生环境）中持续存在，对生物体和人类健康构成威胁[5]、[6]、[7]。四环素类抗生素（包括氧四环素OTC）是农业中使用最广泛的抗生素，它们经常在粪便、牲畜废水和生活污水中被检测到[8]。此外，抗生素的滥用不仅会增加残留的风险，还会促进抗生素耐药基因的传播，从而催生“超级细菌”的出现[9]、[10]。近年来，人们建立了建模框架来预测抗生素和耐药细菌的时空动态，以便对水生生态系统进行定量风险评估[11]。另外，抗生素的非特异性抗菌作用还可能破坏宿主相关微生物群的稳定性，进而引发继发感染或代谢紊乱[12]、[13]。

短期接触抗生素可能会降低肠道微生物的多样性，减少诸如Mycobacterium这样的关键物种的数量，从而为机会主义病原体创造生存空间[14]。昆虫肠道微生物组被称为“第二基因组”，对宿主的生理功能至关重要，它影响着宿主的摄食/代谢、发育/繁殖、解毒以及免疫功能[15]、[16]。此外，肠道微生物还能产生抗菌物质，调节激素合成，并产生直接影响宿主健康的代谢信号[17]、[18]、[19]、[20]。抗生素暴露会导致家蝇Musca domestica的幼虫发育受阻，这与Pseudomonas细菌数量的减少有关[21]。另外，肠杆菌科细菌也会影响营养物质的代谢，进而影响小果实蝇Anastrepha fraterculus的交配和繁殖能力[22]。

尽管关于抗生素对肠道微生物影响的报道已经很多，但与环境浓度相关的OTC对昆虫长期生命史的影响仍有待进一步研究[23]、[24]、[25]。肠道微生物如何介导宿主表型变化的分子机制目前仍不十分清楚。东方果蝇Bactrocera dorsalis（双翅目：实蝇科）是一种多食性害虫，能够侵害250多种水果，这体现了它极高的生态适应性[26]、[27]、[28]。该物种具有很强的生命史可塑性和适应能力，能够根据不同的环境条件调整基因表达[29]、[30]。这些特性使得它能够在全球范围内成功入侵并定殖，因此被视为一种具有全球影响力的入侵害虫[31]。我们以B. dorsalis为模式生物，结合微生物组学和代谢组学技术，研究了肠道微生物群在长期OTC暴露下的动态变化，阐明了微生物群如何影响宿主的生命史特征，构建了一个多组学技术体系，将OTC引起的肠道菌群失调与肠道氨基酸组成的变化以及宿主生命史功能的受损联系起来。此外，我们还进行了乳酸菌和氨基酸补充实验，为肠道微生物群和关键代谢物在介导OTC效应中的作用提供了实验依据。

章节节选

昆虫饲养

我们建立了一个实验室培育的B. dorsalis种群，该种群最初于2018年从中国广东省的芒果中采集，之后在实验室培养箱中持续饲养。幼虫孵化后，按照先前的方法[32]、[33]，用人工饲料（蔗糖125克、啤酒酵母31克、小麦麸皮235克、蒸馏水600毫升）进行饲养。羽化的成虫则被提供人工饲料（蔗糖:大豆蛋白胨=3:1）和水。所有的B. dorsalis幼虫和成虫都饲养在

OTC暴露对Bactrocera dorsalis的影响

三种处理组中B. dorsalis幼虫的发育时长存在显著差异（F_2,282 = 231.576，P < 0.001），这说明摄入含OTC饲料的幼虫比对照组发育时间更长（见图1a）。高剂量OTC处理组中幼虫的死亡率比对照组高出31%，这一差异具有统计学显著性（F_2,6 = 8.383，P = 0.018；见图1b）。此外，OTC暴露并未

讨论

昆虫的共生细菌与其宿主共同进化，对宿主的生长、发育和繁殖起着至关重要的作用[44]。在本研究中，长期OTC处理降低了B. dorsalis肠道微生物组的多样性，同时还对其生命史特征产生了负面影响。为了探究其中的潜在机制，我们采用了多组学方法，研究OTC暴露、肠道微生物群失衡、氨基酸含量下降以及生命史功能受损之间的关联。

结论

本研究表明，在幼虫阶段长期暴露于OTC会显著改变B. dorsalis的肠道微生物群组成，进而导致其生命史特征发生改变，表现为幼虫发育时间延长、蛹的重量降低，以及卵巢发育和成熟卵子数量减少。此外，长期OTC暴露还会导致肠道氨基酸含量显著下降，同时使抗生素耐药性和机会主义细菌的数量增加，比如E.这类细菌。

环境意义

环境中的氧四环素（OTC）残留会改变Bactrocera dorsalis的肠道微生物群，增加抗生素耐药性和机会主义细菌的数量（如Enterococcus faecium、Pseudomonas aeruginosa），同时抑制有益的乳酸菌的生长。这种菌群失衡会降低肠道中的氨基酸水平，进而影响幼虫的发育、蛹的重量以及卵巢的成熟。这些研究结果凸显了OTC的非目标生态风险，它通过破坏昆虫与微生物之间的共生关系以及影响宿主的健康状况，对生态系统造成危害。

CRediT作者贡献声明

贾晓云：方法学、数据整理。哈立德·哈迪：写作——审阅与编辑。金德才：写作——审阅与编辑。赵志华：写作——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念设计。李志红：写作——审阅与编辑、监督。高峰：写作——审阅与编辑、监督。杨玉欣：写作——审阅与编辑、初稿撰写、方法学、正式分析、数据整理。

利益冲突声明

作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了中国国家自然科学基金（项目编号32472653）、农业与林业生物安全国家重点实验室联合研究计划（SKLJRP2509）、中国农业大学教学团队计划以及中国农业大学2115人才发展计划的资助。