基于环境代谢组学的人为污染物生态毒理学评价

环境科学与生态技术5（2021）100081审查基于环境代谢组学的人为污染物生态毒理学评价张丽娟a，陆倩a，丁凌云a，王磊b，黄明红c，Hu-Chun Taoa，*北京大学深圳研究生院环境与能源学院重金属污染控制与资源化重点实验室中国广东省深圳市b北京大学城市与环境学院地表过程实验室，北京，100871c中国香港大埔香港教育大学科学及环境研究系健康、环境、教育及研究联盟我的天啊N F O文章历史记录：2020年11月30日收到2021年1月62021年1月23日接受保留字：环境生物代谢组学A B S T R A C几十年来，人们一直非常关注不断增长的人为污染物及其对生物体和周围环境的生态和毒理学影响。代谢组学是细胞活动的功能性读出器，可以捕获生物体对各种污染物相关应激源的反应，获得直接的信号以更好地说明人为污染物的环境行为。本文综述了代谢组学在环境生物（如动物）代谢反应研究中的应用（啮齿动物、鱼类、甲壳类动物和蚯蚓）和微生物（细菌、酵母和微藻）对不同人为污染物的影响，包括重金属、纳米材料、农药、医药和个人产品、持久性有机污染物，并结合近5年来发表的文献，对其生态毒理学影响进行了评价。污染物诱导的代谢改变和代谢途径的上调/下调在典型的生物体中被揭示。所获得的全球代谢变化的见解提供了对人为污染物如何对生物体的特定代谢途径产生影响的独特理解。因此，环境代谢组学的新生态技术，人为污染物的风险评估是深刻的 证明。版权所有©2021作者。由爱思唯尔公司出版我代表中国环境科学学会哈 尔 滨 工 业 大 学 、 中 国 环 境 科 学 研 究 院 这 是 一 个 在 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍代谢组学是最新的“组学”技术之一代谢组学的发展和应用在过去二十年中迅速增长，这反映在各种研究领域的出版物不断增加（图1）。代谢组学的生物学影响已经扩展到简单生物标志物的常规识别之外，以探索分子机制[2]。由于代谢组学在分子水平上探索生物与环境的相互作用，它在环境科学中显示了其能力，这被称为环境代谢组学。*通讯作者。电子邮件地址：taohc@pkusz.edu.cn（H.- C. Tao）。环境代谢组学最初被定义为“研究自然界中自由生活的生物体和模拟自然条件下实验室饲养的生物体的代谢组学”[ 3 ]。一般来说，代谢组学的实际应用侧重于解释器官与其周围环境之间的相互影响[4]。与传统的目标终点/分析相比，环境代谢组学允许检测和识别各种代谢物，这有助于发现特定代谢途径响应环境压力的直接变化[4]。此外，代谢物变化能够解释一般观察结果，例如导致妊娠期间暴露于放射性碘的雌性大鼠后代神经元活动异常的皮质代谢物变化[5]。定量代谢组学与代谢物谱一样意义深远，可以开发代谢特征作为生物标志物，推测环境中影响个体生物的污染物的可能类型和含量。与这些https://doi.org/10.1016/j.ese.2021.1000812666-4984/©2021作者。由Elsevier B.V.代表中国环境科学学会、哈尔滨工业大学、中国环境科学研究院出版。这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表环境科学与生态技术期刊主页：www.journals.elsevier.com/environmental-science-and-www.example.comL- J. 张丽钱湖，加-地Y. Ding等人环境科学与生态技术5（2021）1000812图1.一、 1999年至2019年期间在Web of Science中使用主题“代谢组学”搜索的出版物和代表性研究领域的数量。环境代谢组学的优势在于它可以通过对广泛分布的污染物对生态系统的风险评估来对生态毒理学做出贡献。在这篇综述中，我们的主要目的是给一个概述的一般程序应用于环境代谢组学。然后，我们重点介绍了2015年至2020年期间环境代谢组学的代表性应用，以描述暴露于不同人为污染物的各种生物体的代谢反应，并进一步探讨其毒理学影响。2. 环境代谢组学2.1. 与环境有关的生物和人为污染物在环境代谢组学研究中，生物体及其生存环境是两个关键因素。环境代谢组学的典型应用是研究生物体对各种环境生物和非生物胁迫的反应。生物压力源是指来自于占据相似生态位的其他物种或生物的压力源，如捕食者或同一群体中的雄性竞争者。非生物应激源与自然因素（例如，光照、温度、盐度和干燥度）与人为因素（例如，环境污染物）。随着人类活动对环境污染影响的日益扩大，近年来环境代谢组学的研究主要集中在人为污染物对生态系统的毒性效应上。这些研究一般可归入环境毒理学领域环境代谢组学实验的第一步是选择一种模式生物（无论是在现场还是从实验室）和一种环境污染物。最近用于环境代谢组学的环境相关生物主要包括动物（啮齿动物、鱼类、甲壳类动物和蚯蚓）和微生物（细菌、酵母和微藻）。所示表1，这些研究主要调查人为因素的生态毒性，包括重金属（HMs），纳米材料，农药，药品和个人护理产品（PPCPs），持久性有机污染物（POP）和其他环境污染物。下面的实验步骤是设置污染物暴露模式。污染物的暴露情景通常发生在实验室中，模拟自然条件下的暴露情景，但将环境代谢组学应用于复杂生态系统的兴趣越来越大。2.2.代谢产物和途径仪器分析是代谢物鉴定和后续途径分析中最关键的步骤适于分析大量代谢物的仪器包括质谱法（MS）和核磁共振（NMR）。快速发展的MS分析仪可以定性甚至定量地分析复杂混合物中的代谢物，具有高度的选择性和灵敏度[6]，其中光时间（TOF）和Orbitrap通常应用于环境代谢组学[7]。MS技术可与气相色谱（GC）、液相色谱（LC）和毛细管电泳联用，或通过直接输注单独使用[8]。结合色谱分离和MS检测代谢产物已被广泛用于研究环境生物对环境胁迫的反应。GC-MS设计用于分析衍生化后的挥发性和热稳定性化合物，其检测限可达到nmol/pmol水平，具有高度的分析重现性[9]。它非常适合分析小分子有机酸、氨基酸、脂肪酸、糖和胺[10，11]，在低仪器成本下优于LC-MS和NMRLC-MS在最近的代谢组学研究中得到了普及，因为它不需要样品衍生化，并且适合于分析极性、半极性和非极性代谢物。超高压液相色谱-质谱联用技术（UPLC-MS）越来越多地用于高通量分析3表12015- 2020年基于动物的人为污染物胁迫下环境代谢组学的代表性研究应激源浓度检测微生物干扰代谢物/途径参考方法重金属作为1/10 LD50 UPLC-MS/SD大鼠苯丙氨酸代谢;氨酰-tRNA，[19个]MSCu 25、62.5、125和187.5 mM GC-MS贻贝（Perna canaliculus）苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、泛醌和类萜醌生物合成氧化应激和细胞凋亡参与转硫途径;谷胱甘肽和牛磺酸代谢[20个]Hg 0.77 ±0.09 mg/kg沉积物1He13 CNMR蚯蚓（蚯蚓）渗透调节、氨基酸和能量代谢[21]金属（类）：V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Cd、Sb和Pb纳米材料0.01e 2745.73mg/L NMR食蚊鱼（Gambusiaholbrooki）天冬氨酸、组氨酸、肌醇、牛磺酸和胆碱[14]AgNPs 0.02和1 ppbGC/LC-Q-水蚤氨基酸（丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸）、脂肪酸[22、23]TOF-Ms（Daphnia similis）（花生四烯酸）和糖（D-阿洛糖）代谢;蛋白质消化和吸收8 mg/kga NMR BALB/c小鼠抗氧化防御、免疫调节和解毒; TCA循环[24日]TiO2 NPs 0、5、50和500 mg/kg GC-MS蚯蚓（蚯蚓）谷氨酸代谢（甘氨酸和焦谷氨酸）; [25]碳水化合物、蛋白质和脂质的合成GO 0、0.01、0.1和1.0mg/L GC-MS斑马鱼（Danio氨基酸、脂肪酸和能量相关途径[26日]农药啶虫脒和氯吡嘧磺隆rerio）1/10 LC50GC-MS斑马鱼（Brachydaniorerio）（例如TCA循环）氨基酸代谢; TCA循环（苹果酸和富马酸）;神经递质平衡（谷氨酸、牛磺酸和甘氨酸）[27日]3.36、1.68、0.84和0.42纳克/平方厘米对于接触测试; 1.0，0.75，0.5，0.375、0.25和0.05毫克/千克（土壤测试）NMR蚯蚓（蚯蚓）麦芽糖，葡萄糖，谷氨酸，谷氨酰胺，苹果酸，富马酸，[28]ATP，乳酸/苏氨酸，肌醇，精氨酸，赖氨酸，酪氨酸，亮氨酸，苯丙氨酸，肌苷，异亮氨酸，甜菜碱、缬氨酸、丙氨酸、色氨酸和鲨肌醇乙草胺，溴苯腈，246，12，22.5，35，22.5，15.5，12，NMR WistarTCA循环;能量产生和储存;脂质，[29日]克百威、矮壮素、乙烯利、苯丙吗啉、草甘膦、吡虫啉12.5m g/kg/dCrl：WI（Han）大鼠碳水化合物和氨基酸代谢药物和个人护理产品双酚A 1 mg/L NMR蠓（摇蚊）能量代谢;蛋白质生物合成;代谢产物生成;蛋氨酸途径[30个]氟西汀、N，N-二乙基-Meta甲苯甲酰胺、17 α-乙炔基乙胺和苯海拉明1m g/L GC-MS牡蛎（Crassostreavirginica）细胞能量学（即，Krebs循环中间体）、氨基酸和脂肪酸;厌氧代谢;渗透压氧化应激磺胺甲恶唑10mg/LHPLC-HRMS持久性有机污染物氨基酸（天冬氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸和天冬氨酸）galloprovincialis）色氨酸），参与渗透调节和能量代谢，一些核苷酸（鸟苷和肌苷）和一种羧酸[32个]苯并[a]芘5mM和50 nMLC-MS/MS小鼠肝癌Hepa1c1c7细胞氨基酸、酰基肉毒碱和甘油磷脂[33]1和10mg/L NMR牡蛎（马氏珠母贝）能量代谢;渗透压调节;免疫反应[34、35]2.0 mg/kg/d GC-MS SD大鼠能量、酪氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸和谷胱甘肽代谢;长时程增强[36、37]2，20，4，40-tetrabromodiphenylether0.1or1mg/kg/dGC-MSSDrats氨基酸（缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和精氨酸），[38]脂类、碳水化合物和能量代谢0、0.002和0.2 mg/kg NMR ICR小鼠脂质代谢[39]1、10和100 mg/kg/d LC-Orbitrap-MSC57 BL/6小鼠嘌呤、天冬氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和谷胱甘肽丙氨酸[第四十届]其他污染物[41]PM2.5 3 mg/kg GC-MS C57 BL/6小鼠能量、胆固醇、花生四烯酸、磷酸肌醇[41]和天冬氨酸代谢40 mg/kg NMR BALB/c小鼠氨基酸、能量、辅因子和维生素、脂质和碳水化合物代谢;蛋白质生物合成88.2mg/m3GC/LC-MS C57 Bl/6 J小鼠蛋白质的消化和吸收;甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、D-丙氨酸和碳代谢; ATP结合盒转运蛋白[第四十二届][四十三]污水处理厂废水eNMR和GC-MS斑马鱼（Danio）能量、氨基酸和脂质代谢[44]rerio）eLC-HRMS贻贝（贻贝）氨基酸、神经激素、嘌呤和嘧啶代谢;柠檬酸循环中间产物;氧化应激[45个]缩略语：NP，纳米颗粒; GO，氧化石墨烯;PM，颗粒物质; UPLC，超高效液相色谱; HPLC，高效液相色谱; Q，四极杆; TOF，停留时间; HRMS，高分辨率质谱; LD50，半数致死量; SD，Sprague-Dawley; ICR，癌症研究所a体重。L- J. 张丽钱湖，加-地Y. Ding等人环境科学与生态技术5（2021）1000814代谢组学研究，由于色谱柱中的小孔径（小于2mm），显著缩短了分析时间，同时保持了高分离效率[12]。目前，MS的相关技术正在动态发展，以改善分离和测量过程，使其成为代谢组学领域有前途的工具，受到越来越多的关注。NMR是一种非侵入性方法，可提供有关溶液状态下代谢物结构的丰富不需要像基于MS的代谢组学那样对代谢物进行分离和衍生化高场NMR光谱仪的采集时间（2 e5 min）比GC/LC-MS短得多，而在定量1 H NMR分析中，准确度和精密度约为1%[13]。这些特性使NMR成为污染场地环境生物毒理学评估的有力工具[14]。然而，NMR的缺点包括低灵敏度、非选择性和重叠的分辨率[15，16]，使其不适合靶向代谢组学。低灵敏度的挑战可以通过最近开发的更高场磁体（900 MHz）和低温冷却探头来克服[17]。重叠共振的问题可以通过二维采集技术在很大程度上解决[18]。通过结合MS和NMR，可以获得更全面的代谢信息。3. 动物环境代谢组学代谢组学在潜在的污染物诱导的细胞代谢变化方面显示出优越性，即使在形态学、死亡率、繁殖和体重减轻等传统终点方面没有显著差异[21，25]。它还可以识别特定的生物标志物并阐明环境污染物的作用模式，主要是在啮齿动物、蚯蚓和水生生物的目标动物中。3.1. 重金属虽然金属通过参与许多生物过程在生物圈中发挥作用，但通过人类活动进入环境的过量金属可能对自由生活的生物体产生不利影响。已经进行了大量的代谢组学研究，旨在研究各种器官对各种HMs的反应，如As [46，47]，Cd [48e50]，Cr [51]，Cu [20，52]，Hg[21，53]，Pb [54，55]，Se [56]，Zn [57，58]和混合HMs金属污染[58e60]。许多关于陆生哺乳动物环境代谢组学的研究都采用啮齿动物作为靶生物，因为它们是最成熟的哺乳动物模型[62]。不同的啮齿动物器官，包括睾丸[19]，大脑[63]，肺[64]，海马和小脑[65]，已经被靶向阐述代谢物的特定功能，然后为动物提供防御机制或策略以应对HM应激。代谢组学研究结果表明，HM诱导的代谢变化主要与氧化应激和能量代谢有关。生物体在重金属胁迫下的保护反应和防御机制可以通过其关键代谢产物来揭示。HM可以通过提高活性氧（ROS）水平诱导氧化应激[20]。肾脏和肝脏是HM的主要靶点[66]，其细胞通过抗氧化酶防御系统受到保护免受ROS诱导的损伤。镉暴露后，大鼠尿液和肝组织中超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的抗氧化活性均下降，这意味着对两个器官的氧化损伤[48，67]。在HMs诱导的各种生物中观察到能量代谢扰动[55]。为了应付HM生物体往往会改变能量需求，这可以通过几种方法来满足，如调节三羧酸（TCA）循环和糖酵解。As和Zn暴露的水生生物在能量代谢方面表现出相似的例如，砷和锌分别在摇蚊和岩鱼中诱导刺激糖酵解和抑制TCA循环[47，57]。然而，Cd暴露导致多毛纲双齿围沙蚕体内葡萄糖含量耗尽[49]，而低水平的Hg则导致赤子瓢虫体内ATP和TCA循环的中间水平增加[21]。许多ROS、TCA和葡萄糖相关代谢物是神经毒性和DNA损伤的潜在前体[68]，值得在应激生物中仔细监测。新陈代谢的变化，虽然数量上不同-在不同的生物体之间，可以通过多组代谢物来指示。这些代谢物可被鉴定为响应HM毒性的生物过程的生物标志物Melvin等人[14]认为，蚊鱼体内的天冬氨酸、肌醇、组氨酸、胆碱和牛磺酸的代谢物组合可能是复杂环境中金属毒性的指标特别是天冬氨酸，一种剂量-反应代谢物显示出分配暴露水平的潜力Xu等人[50]分别筛选出镉、毒死蜱及其混合物暴露的大鼠尿液生物标志物组研究发现，暴露会导致蛤Scrobicularia plana消化腺的膜结构和功能损伤[46]。作为一种解毒机制，同型半胱氨酸和蛋氨酸的增加与无机砷向无害的砷甜菜碱的转化增强有关，导致甲基化循环中毒性较低的此外，19种蛋白质和2种代谢物（酪氨酸和别孕烯醇酮），特别是与雄性生殖有关的，在雄性大鼠中被发现由于As治疗而显著改变[19]。 这些发现表明，与蛋白质和酶的结构、功能和活性密切相关的氨基酸[69]可能是减轻HM毒性的敏感指示剂，具有独特的指纹。因此，在各种HM的压力下，可以将显著变化的代谢物指定为不同生物体中的常见生物标志物。3.2.纳米材料随着纳米技术的稳步发展，工程纳米材料已被应用于广泛的领域[70]。发现纳米颗粒（NP）的环境浓度在ng/L范围内（例如ZnONP为10至 500 ng/L），甚至计算为mg/L（例如TiO2 NP为0.7至16mg/L）[71，72]。纳米颗粒的独特特征，包括非常微小的尺寸和巨大的表面积，决定了它们的行为、生物效应和毒性，这可能导致器官损伤、神经损伤、炎症和致癌作用[73]。作为显着的抗菌剂[74]，银纳米颗粒（AgNPs）可以释放Ag纳米粒子 ， 有 助 于 其 生 态 毒 性 [75] 。 Li 等 人 [76] 比 较 了 AgNPs 和 AgNO3（AgNO3）处理的大型蚤（Daphnia magna）的代谢组学特征，并证明AgNO3对能量代谢和氧化应激的急性干扰起主要作用在慢性AgNP暴露后，决定性别比例的关键脂肪酸花生四烯酸在相似水蚤中减少[23]。在暴露于低剂量AgNP的相同水蚤物种中观察到花生四烯酸水平的降低，对应于较低的繁殖率（Wang et al.，2018年f）。这些观察结果表明，花生四烯酸补充剂可能是至关重要的水蚤物种，以提高繁殖下AgNP压力。除了器官特异性反应外，Jarak等人还验证了AgNP在小鼠中诱导的器官特异性反应。[24]第10段。NMR代谢组学显示，L- J. 张丽钱湖，加-地Y. Ding等人环境科学与生态技术5（2021）1000815防御、免疫调节和解毒对减轻小鼠肝脏损伤至关重要，心脏中的TCA循环增强，但肺中的TCA循环下调。金属氧化物（例如纳米材料制造中的另一种流行成分TiO 2 NPs也因其对生物群的潜在毒性而受到严重关注。Zhu et al. [25]证实了谷胱甘肽Meta（甘氨酸和焦谷氨酸）以及碳水化合物、蛋白质和脂质生物合成的显著变化。在长期暴露于TiO2 NPs的条件下，然而，调控核糖体生物合成的基因被上调，而蚯蚓的生长和繁殖这些结果揭示了常规终点无法实现的总体缓解。碳基纳米材料引起了越来越多的关注。然而，它们也可能造成急性细胞毒性，甚至遗传损伤[77]。因此，对碳纳米材料进行风险评估势在必行，代谢组学是一个有用的工具。[26]证明了斑马鱼Daniorerio代谢组对氧化石墨烯（GO）处理的响应发生了显着变化代谢组学也被应用于在分子水平上研究富勒烯引起的兴奋效应，观察到的代谢变化表明氧化应激、缺氧和能量代谢紊乱[78，79]。纳米聚苯乙烯的毒性[80]和激光打印机发射的纳米粒子[81]，起源于其他现代技术，对生物体也是一个令人关注的问题。这必然要求在环境代谢组学研究中进行更复杂的实验设计和仪器分析。3.3.农药杀虫剂，包括杀虫剂、除草剂、杀真菌剂、杀啮齿动物剂、杀线虫剂和其他物质[82]。目的是防止、消灭、驱除或减轻害虫[83]。它们具有生物毒性、持久性、对环境的巨大输入和生物放大性等特征[84e86]，这些特征与各种生态和健康问题密切相关。水生生物直接受到农药的影响，主要是通过农田径流。各种鱼类[87e 90]、甲壳类[91e 94]和两栖类[95e 97]通常被视为水生风险评估的目标。斑马鱼在毒理学实验中很受欢迎，因为它们在生理和遗传上与哺乳动物相似[98e 100]。特别是，胚胎或仔鱼极易受到外来压力的影响[101]，因此更容易受到杀虫剂的发育毒性影响。在暴露于氟虫腈和氟虫腈的斑马鱼胚胎和幼体中观察到发育畸形（运动缺陷和脊索变形），这可归因于氨酰- tRNA生物合成途径的改变[102，103]。不幸的是，氟虫腈和氟虫腈在斑马鱼胚胎/幼体中诱导了DNA和RNA的进一步损伤，并伴有核苷酸（嘌呤和吡啶）代谢紊乱[102，104]。这可能会改变基因表达和转录，从而增加生物体对农药的抗性。因此，环境代谢组学将是一个很有前途的工具，代谢表型与潜在的生物标志物和显性基因。土壤是储存各种杀虫剂的巨大水库。蚯蚓在土壤生态系统中发挥着不可或缺的作用，参与土壤形成和结构维持、通气、排水和肥力[105]。监测农药代谢物组应表明土壤的健康状况，并评估农药的生态毒性[106]。在土壤暴露实验中，已经使用了各种各样的植物，其中，E.fetida是最受欢迎的，由经济合作组织推荐，发展大多数代谢组学研究针对全虫提取物[28，107，108]。然而，体腔囊液是许多生物活动的中心 它的提取是侵入性较低，更简单，并承担较少的损失[109]。事实上，与整个蠕虫和体腔细胞相比，在接触百菌清的蚯蚓中检测到体腔粘液是最敏感的基质[110]。一种新的代谢物，苹果酸谷氨酸盐，被鉴定并假定在整个脑内稳态中发挥作用，这是由于体腔内分泌液组分产生的背景更简单[111]。此外，体腔芳香代谢组学可以通过物种特异性芳香代谢物在表型上区分不同物种[112]。扩大的生物材料，包括体腔液、体腔细胞和组织，将对土壤生态系统中农药毒性的系统评估做出重大小鼠的血液、尿液和器官也在代谢组学实验中越来越受欢迎[113e116]。Bonvallot等人[29]提出了八种农药混合物对孕鼠及其后代的作用模式理论，并采用基于NMR的血浆、肝脏和大脑代谢组学。结果表明，母体暴露于农药混合物导致肝脏功能障碍，改变脂肪酸组分和脂质含量，而大脑样本显示母鼠和雄性后代的能量代谢受到影响考虑到>30%的农药是手性的[117]，如甲霜灵、戊唑醇和丙溴磷，许多研究使用小鼠来证明和研究手性农药的对映体选择性代谢效应和不同的生态毒性[118e120]。环境代谢组学的范围更广，可以通过进行实验来实现，涉及农药胁迫下更多的生物体目标。3.4.药物和个人护理产品PPCP在世界范围内广泛使用[121，122]。它们不断地被排放到生活/工业污水系统中[123]，而传统污水处理厂（WWTPs）对它们的去除效率有限[124]。作为新兴污染物，PPCPs因其在环境中的普遍性、假持久性和生物活性[125，126]以及对生态系统的意外不利影响[127]而引起了极大关注。水生生物是主要的关注点，因为它们持续暴露于PPCPs，并遇到最大的暴露风险[128e135]。PPCPs对可食器官的代谢影响值得关注。抗生素因其在环境中的普遍存在、相应诱导的耐药基因以及对人类的潜在影响而受到特别关注[136]。代谢组学研究发现鱼类和甲壳类动物的氨基酸代谢发生了重大变化。磺胺二甲嘧啶是一种广泛用于控制细菌感染的抗生素，已被证明会干扰海洋青鳉Oryzias melanoma中的氨基酸分布[137]。发现肝脏损伤、免疫功能缺陷、氧化应激和随之而来的防御、能量转移、代谢调节和核苷酸代谢与海洋贻贝中磺胺甲恶唑应激下氨基酸水平的变化相关[32]。由于氨基酸代谢紊乱，人类食用鱼类和贻贝的营养价值会受到抗生素的影响，这可能表现在膳食蛋白质的质量不同。抗生素也可能引起抗氧化应激，导致紫贻贝中蛋白质的加速降解[138]。从人类健康的角度来看，进一步评估PPCPs对维生素、脂质和其他有价值的代谢物生物合成的影响具有重大意义，这些代谢物是由于动物来源的膳食暴露造成的。内分泌化学品（内分泌干扰物），包括激素L- J. 张丽钱湖，加-地Y. Ding等人环境科学与生态技术5（2021）1000816[31]、塑料和增塑剂（例如双酚和邻苯二甲酸酯）[139E142]，可破坏激素系统和机体内的稳态。由于广泛使用、严重污染和内分泌干扰作用，激素近年来逐渐受到关注，包括类固醇雌激素（如天然雌酮、17 β-雌二醇和合成17 α-乙炔基雌二醇）、孕激素、雄激素和糖皮质激素[143]。研究提供证据表明，这些内分泌干扰物在实验室体外/体内模型中影响性腺、甲状腺、肾脏、神经内分泌和心血管系统[144]，代谢组学研究了其与代谢物变化的相关性。例如，17-α-乙炔基-曲拉迪奥诱导的脂质代谢紊乱，破坏类固醇激素的稳态并导致生殖细胞中的能量剥夺[145]。这些是导致鲫鱼繁殖不良的原因[145]。与能量剥夺相反，牡蛎可能利用其脂质储备来满足17 α-乙炔基苯酚引起的能量需求增加[31]，并且青鳉中的蛋白质水解被刺激以产生更多能量来代谢和消除2，4-二氯苯酚[146]。内分泌干扰物还可以通过抑制或促进精子发生，干扰配子的产生和发育，从而干扰生殖[147]。据报道，精子发生的跨代下降，伴随着暴露于邻苯二甲酸二（正丁基）酯的大鼠睾丸中甜菜碱高半胱氨酸S-甲基转移酶活性的降低[148]。此外，双酚A、S、F和AF可引发其他影响，包括肥胖和DNA/组蛋白甲基化[30，149，150]。尽管对代谢性疾病进行了大量的研究，但暴露于新出现的EDCs的生物体的现有机制仍然不清楚，代谢组学可能为解决不确定性提供科学基础。3.5.持久性有机污染物持久性有机污染物是有毒物质，可在全球范围内传播，在环境中持久存在，并在食物网中放大[151，152]。它们的污染是一个全球性问题，已经制定了联合战略来控制它们的排放和环境影响[153]。多环芳烃（PAH）已被证实具有致癌性和致突变性[154]。许多多环芳烃通过污染的空气被生物体吸入，然后威胁呼吸系统。气道细胞膜的损伤强调了一种可能的机制[155，156]。为了更深入地了解PAH的毒性，许多研究都集中在生物体组织的代谢组的改变上，包括脑、肺、肝、鳃和腺体。在不同动物中，能量代谢、渗透压调节和氨基酸代谢紊乱被确定为PAH应激下的主要代谢功能障碍[33e 35]。苯并[a]芘是一种典型的PAH，其靶向发育中的大脑，导致神经系统损伤。苯并[a]芘的神经毒性通过与大鼠小脑损伤相关的代谢变化得到证实[36]。苯并[a]芘暴露加重了能量消耗，而糖酵解异常和肌酸/磷酸肌酸激酶系统中断表明能量供应不足。这将引起ROS的产生和蛋氨酸循环的紊乱，导致进一步负责神经行为障碍。因此，氨基酸代谢加快，以弥补能量不足，特别是缬氨酸和亮氨酸的代谢。同样，在大鼠海马中观察到苯并[a]芘诱导的谷胱甘肽、酪氨酸和糖酵解代谢异常，最终分别影响抗氧化系统、神经递质合成和能量供应[37]。这些应该可以解释成年大鼠实际的学习和记忆缺陷。因此，非靶向代谢组学响应有效地满足了关于PAH特定毒性对发展中生物系统的信息要求溴化甜菜碱阻燃剂（BFR）是最受欢迎的甜菜碱阻燃剂[157，158]。在市场上现有的75种以上溴化阻燃剂中[159]，六溴环十二烷是一种高度生物累积的基团，而多溴二苯醚和四溴双酚A则大量生产[160] 。 溴 化 阻 燃 剂 具 有 神 经 毒 性 、 免 疫 毒 性 和 致 癌 性 [40 ，161e163]，可对内分泌系统，特别是甲状腺激素、生殖和类固醇体内平衡产生毒性影响[159，164e166]。肥胖是BFR暴露的负面结果之一当然. 它被证明是2，20，4，40-四溴二苯醚在低剂量下会导致雄性大鼠后代和母鼠体重增加，母体血清代谢组变化可能是一个可能的促成因素[38]。这些性别特异性效应归因于性类固醇和甲状腺激素产生的明显改变。不同血清代谢物提示氨基酸代谢紊乱最严重，其中支链氨基酸含量下降，推测其可能转移至后代，增加肥胖风险。一些研究报告，高脂肪饮食刺激肥胖，并在接受BFR处理的雄性小鼠后代中诱导更明显的Meta变化[39，167]。持久性有机污染物接触与其他疾病之间可能存在的联系也可以在具有代谢证据的模式生物中得到证实。其他种类的普遍存在的持久性有机污染物，如短链氯化石蜡，已被证明会显著影响大鼠肝脏/肾脏[168，169]和斑马鱼胚胎/幼体[170]的生物体代谢。二恶英和许多卤代化合物已被证明可诱导斑马鱼[171]、水蚤[172]、线虫[173]、蚯蚓[174]和大鼠/小鼠[175e 177]的全身代谢功能障碍。3.6.其他污染物除了上述各类污染物外，人类活动产生的许多其他污染物也值得深入探讨其生态毒性。这些物质包括阻燃磷酸盐[178，179]、微塑料[180]、微囊藻毒素[181]、无机氯、硫和氮[182e 184]、物理应激物[185e 187]和其他污染物混合物。由于多溴联苯醚和多氯联苯被列入《斯德哥尔摩公约》的禁用清单，因此有机磷阻燃剂被用作替代品[188]。磷酸三苯酯是环境中最广泛使用和最常检测到的有机磷酸盐阻燃剂之一[189，190]。尽管不像某些BFR那样持久，但在小鼠新生儿暴露中报告了磷酸三苯酯的性别特异性和剂量依赖性代谢紊乱[ 191]，在胎儿剂量下进一步研究了肥胖和代谢综合征[188]。在我们之前的研究中，在甲藻提取物中研究了磷酸三苯酯的降解代谢物，并将新的代谢物鉴定和分类为硫醇结合物和葡萄糖苷结合物[192，193]。这些新的生物转化产物揭示了人为污染物的代谢，这是暴露生物体的关键解毒实际上，环境中存在着大量的污染物，生物体在不同的、不可控的、变化的和不规则的条件下，不断地面临着各种污染物的组合这些污染物相互作用，对生活环境产生协同或拮抗作用在一个沿海泻湖接受大量的农业和城市污染物，氨基酸，渗透保护剂和核苷酸的代谢产物增加后，7天的暴露，并急剧减少，L- J. 张丽钱湖，加-地Y. Ding等人环境科学与生态技术5（2021）1000817在较长的暴露时间下，蛤仔的消化腺[194]。 传统的污水处理厂的设计并不能去除有害物质、纳米颗粒、农药、PPCP和持久性有机污染物。当排放到水生环境中时，流出物通常含有许多新出现的污染物，尽管水平相对较低[195]。 几项代谢组学研究将废水排放物视为污染源，并阐明了这种暴露对淡水或海洋生物的生物效应[196]。结果表明，贻贝长期暴露于低浓度的38种药物活性化合物和4种农药后，其氨基酸、嘌呤、嘧啶和神经激素途径的代谢产物水平受到影响。galloprovincialis [45].对斑马鱼D. rerio在地表水接收复杂的污染物混合物从污水处理厂[44]。细颗粒物（如PM2.5）是一种主要的空气污染物，通常由HMs，PAH，无机矿物质甚至病原体组成[197]。它会对呼吸和心血管系统产生不利影响[198]。然而，关于它对代谢途径的干扰作用的研究却很少。PM 2.5暴露影响激素代谢物和昼夜节律生物标志物，如褪黑激素、视网膜和5-甲氧基乙醇[43]，或诱导神经损伤[41]。显然，由PM 2.5的水溶性成分引起的代谢变化可以与水不溶性成分引起的代谢变化区分开来[42]。总体而言，由于应激生物体的总体代谢物特征，可以表征具有变异性和复杂性的共存污染物的特异性或全身性生物学效应因此得出结论，环境代谢组学可以有效地评估生物对各种污染物的综合反应。4. 微生物环境代谢组学微生物是环境中普遍存在的微生物，已成为污染物细胞毒性和细胞反应的常用指标。微生物代谢组学越来越多地用于揭示一系列影响生态系统健康的因素，这些因素由有毒化合物引起，包括HMs [199]，NPs[200e203]，PAH [204]，农药[84]，氨，磷酸盐和海洋酸化[115，184，205]（表2）。模型微生物，例如大肠杆菌，已经被很好地表征用于阐明外源性物质的细胞毒性，特别是通过“组学”技术[ 209 ]。大多数环境污染物都会产生氧化应激，主要通过ROS的产生来确认，并触发防御系统[213]。发现TiO 2和ZnO纳米颗粒都能增加E. [214，215]，Pathakoti等人[210]通过基于GC-TOF-MS的代谢组学进一步阐明了其细胞毒性的机制。在甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、精氨酸和脯氨酸代谢中观察到显著波动。结合基于NMR的代谢组学和基于MS的蛋白质组学，在E. coli [216]。在另一项研究中，Bhat等人[212]提出，E.大肠杆菌对亚致死水平的2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）除草剂的耐受性，并将其形态学变化与细胞内代谢变化相结合。2，4-D诱导E.大肠杆菌，表2基于微生物的环境代谢组学研究2015e 2020。应力源浓度检测方法生物体干扰代谢物/途径参考重金属Cu1、3和6 mMLC-MS酵母（Saccharomyces）氧化应激和DNA损伤[199]酿酒）0、0.3、6和10微克/升气相色谱-飞行时间-MS平板硅藻黑粉蚧名称：不饱和脂肪酸，饱和脂肪酸，2-棕榈酰甘油、甘油和二萜类化合物[第206话]Zn30、500和1000mg/L气相色谱-飞行时间-MS平板硅藻黑粉蚧脂肪酸、氨基酸、萜类化合物、甘油、磷酸盐、蔗糖和抗氧化系统和细胞外离子螯合[第207话]（胞外多糖，frustulins）纳米材料AgNPs0、1、10和100mg/LGC-Q-TOF-Ms微藻（栅藻）D-半乳糖、蔗糖、 D-果糖和甘氨酸[二百零一]100毫克/千克土壤GC-MS土壤微生物糖、氨基酸和脂肪酸代谢[第208期]CeO2纳米粒子10 mg/Lft-ICR淡水鱼（衣原体）与能量代谢[二百]reinhardtii）二硫化钼纳米片100和1000mg/mLGC-MS大肠杆菌甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸和丙酮酸代谢;尿素循环;蛋白质生物合成[209]第二百零九话TiO2和ZnO纳米颗粒2.5e 10和0.025e 0.2 mg/L时气相色谱-飞行时间-MS大肠杆菌精氨酸、脯氨酸、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢[210]第一章GO和CNT0.01e 10 mg/LGC-MS微藻（小球藻碳水化合物、氨基酸、脂肪酸和尿素[211]vulgaris）农药2，4-D10 mMGC-MS大肠杆菌氧化磷酸化; ABC转运;肽聚糖生物合成;[212]氨基酸、核苷酸和糖代谢1 ppmLC-Q-小鼠肠道尿素降解、氨基酸和碳水化合物代谢[一百一十四]TOF-MS）微生物持久性有机污染物菲、芘和47.36± 0.34，50.13±1.42和9.66 ±0.77 mg/kg气相色谱-飞行时间-质谱土壤微生物脂肪酸、碳水化合物和氨基酸[204]苯并（a）芘海洋三苯磷酸eUPLC-HRMS0.01e 10 mg/L GC/LC-QTOF-MS大型褐藻（Lobophorarosacea）微藻（小球藻和栅藻）Loborenols B和C其他氧脂素衍生物[205]呼吸;代谢调节;膜脂合成和脂解[115]缩写：CNT，碳纳米管; 2，4-D，2，4-二氯苯氧乙酸; FT-ICR，傅里叶变换离子回旋共振。L- J. 张丽钱湖，加-地Y. Ding等人环境科学与生态技术5（2021）1000818表现为谷胱甘肽代谢物从抗氧化物质中消耗到保护作为细胞氧化还原状态的调节剂，谷胱甘肽是第二丰富的代谢物，作为抵御氧化剂的第一道防线[217]。缺乏它是细胞分裂抑制和肽聚糖生物合成改变的原因[218]，表现为重塑的细胞包膜、膜缺陷和表面粗糙度/电荷的变化[212]。因此，模式物种的代谢组学研究为全面理解微生物在环境暴露下的生物学反应如图2，大多数污染物对不同生物体的生态毒性可能存在共同的机制，例如HMs、NPs、杀虫剂、PPCPs、POP和其他污染物对动物或微生物的剂量依赖性效应，具有相似的氨基酸种类变化，具有不同的表型变化。肠道微生物群是肠道中的一组微生物，能够影响宿主代谢，并与多种疾病相关[219]。肠道微生物群很容易受到外部应激因素的影响，表现为肠道微生物群组成以及代谢组的改变，因此通过与宿主密切相互作用进一步扰乱宿主代谢途径[220]。小鼠肠道微生物组越来越多地用作环境代谢组学的指标。在毒死蜱的干扰下，在小鼠中表现出某些肠道细菌和改变的尿液代谢物，例如，双歧杆菌科与甘油、苯乙酰甘氨酸和石胆酸盐呈正相关[116]。通过粪便代谢组学发现，与职业相关剂量的2，4-D深刻改变了小鼠肠道相关代谢途径，包括尿素降解、氨基酸和碳水化合物代谢，与观察到的小鼠肠道微生物群组成和多样性变化一致[114]。此外，口服暴露于TiO2纳米颗粒改变大鼠肠道微生物群及其相关代谢。因此，肠道微生物群的代谢紊乱和随后的肠道中的炎症反应和氧化应激[221]。 这些结果表明，污染物和肠道微生物群之间的相互作用可能被大大低估了。肠道微生物组的生态失调必须与宿主肠道中的营养平衡和相关疾病相关联地进行研究更多关于调节代谢物和途径的生物信息学数据可能为更好地维持宿主健康提供线索由于生态系统是一个含有许多污染物的巨大水箱，毫无疑问，这些污染物干扰不同的在土