摘要：本研究通过检测教室灰尘样品中的8种重金属含量，并对灰尘中的微生物及暴露儿童肠道菌群进行宏基因组测序分析，探讨学校环境中重金属对环境微生物、肠道菌群的影响，以及三者之间的互作关系。研究结果为制定针对性的校园环境改善措施提供科学依据，有助于推动健康校园的建设。

学校重金属暴露对儿童肠道菌群的影响及环境微生物的中介作用

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研究论文

● 原文: iMeta (IF 23.8)

● 原文链接:

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● 2025年3月25日，首都医科大学胡翼飞课题组在iMeta在线发表了题为“

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● 第一作者：邹雨辰

● 通讯作者：胡翼飞（huyifei@yahoo.com）

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亮 点

● 铅和铜对校园环境微生物群落结构影响较大；

● 重金属和环境微生物共同影响暴露儿童的肠道菌群群落结构；

● 环境微生物在重金属影响暴露儿童肠道菌群过程中起到关键的中介作用。

摘 要

重金属是一类有毒有害的环境污染物，校园环境中的重金属污染可能对暴露儿童的健康产生不良影响。本研究收集校园灰尘样本和暴露儿童的粪便标本，检测出灰尘中8种重金属的含量，并对灰尘样本进行宏基因组测序；对儿童粪便样本进行16S rRNA和宏基因组测序。研究采用冗余分析、Mantel检验和eXtreme Gradient Boosting等方法，分析被检测重金属对环境微生物和肠道菌群的影响，并利用四角分析探讨了三者之间的相互作用关系。结果表明，校园环境中存在重金属污染现象，在被检测重金属中，铅和铜对环境微生物群落结构的影响更为显著。环境中的重金属和微生物均可以导致暴露儿童肠道微生物群落结构发生紊乱。尽管检出重金属与暴露儿童差异肠道菌群之间的直接相关性不明显，但四角分析结果显示，在引入环境微生物数据后，重金属与差异肠道菌群的相关性增强，表明环境微生物在重金属影响暴露儿童肠道菌群的过程中起到中介作用。

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全文解读

引 言

重金属是一类具有代表性的生物毒害物质，其造成的环境污染备受关注。儿童由于正处于生长发育阶段，对外界环境的敏感性较高，加之其活动性强，更易通过多种途径接触重金属，从而面临更高的健康风险。重金属能够影响环境中微生物的结构与多样性，并且能与环境微生物一同通过环境介质进入人体，经过食道和胃，最终到达肠道，并破坏肠道中的物理和化学屏障，干扰定殖于肠道上皮的微生物群落结构，扰乱肠道微生态平衡，进而对宿主健康造成危害。然而，目前关于重金属、环境微生物和肠道菌群之间相互作用关系的研究仍然有限。本研究通过检测教室灰尘样品中8种重金属：镉（Cadmium，Cd）、钴（Cobalt，Co）、铬（Chromium，Cr）、铜（Copper，Cu）、锰（Manganese，Mn）、镍（Nickel，Ni）、铅（Lead，Pb）和钒（Vanadium，V）的浓度，对灰尘中的环境微生物及暴露儿童粪便样本中的肠道菌群进行测序分析，旨在评估小学教室重金属污染水平及其健康风险，探讨重金属对环境微生物和暴露儿童肠道菌群群落结构的影响，以及三者之间的相互作用关系。研究结果为制定针对性的校园环境改善措施提供了科学依据，有助于推动健康校园的建设，为儿童创造更安全的学习和生活环境。

结果和讨论

小学教室环境中存在重金属污染现象

室内、室外、空调滤网三个收集位点Mn元素浓度最高（室内：537.09±95.72 μg/g，室外：694.69±73.80 μg/g，空调滤网：482.40±104.27 μg/g），Cd元素浓度最低（室内：4.12±1.03 μg/g，室外：4.48±0.60 μg/g，空调滤网：4.72±0.75 μg/g）（表S1和图1A）。重金属之间具有很强的正相关（图1B）。不同采集点的重金属浓度和主成分分析（Principal component analysis，PCA）结果均有显著差异（p

环境微生物和暴露儿童肠道菌群在不同重金属污染水平下呈现出显著差异

物种积累曲线和秩丰度曲线分析结果表明，环境微生物宏基因组测序数据具有充分的覆盖广度和测序深度，能够全面反映微生物群落的多样性特征（图S2A和S2B）。不同采集位点与不同污染等级的环境微生物绝对丰度分别如图S3和图S4所示。不同采集位点之间门、种水平上主要微生物的比例差异明显（图S5A）。尽管Alpha分析显示没有显著差异（图S2C和S2D），但主坐标分析（Principal co-ordinates analysis，PCoA）结果显示不同地点的微生物结构显著分离（pp

肠道菌群16s rRNA测序质量如图S7A和S7B所示。所有重金属健康风险指数均未超过安全阈值1（图S8A）。门和属水平的主要肠道菌群相对丰度如图S8B所示。Alpha分析（图S7C和S7D）和PCoA结果（图S8C）显示三种污染水平下暴露儿童肠道菌群没有显著差异。FC法差异分析结果显示，与轻度污染相比，Butyricimonas和LachnospiraceaeNC2004 group分别在中度和重度污染中显著上调（p Escherichia_Shigella在中度污染中具有更高丰度，Leuconostocaceae/Weissella在重度污染中有更高的丰度（所有p

图1. 被检测重金属和室内环境微生物分布

（A）不同采样位置的重金属浓度；（B）重金属Spearman自相关，上三角形扇形面积表示相关系数，*表示p值等级；相关矩阵下三角形数字为相关系数，叉号表示没有统计学意义；颜色代表相关系数大小，红色代表正相关，蓝色代表负相关；（C）不同采集位置被检测重金属浓度的主成分分析（Principal component analysis，PCA），阴影为95%置信区间；（D）不同采集位置的污染负荷指数（左）和室内样本被检测重金属浓度的PCA（右），Kruskal-Wallis检验p值经过错误发现率（False discovery rate，FDR）校正；（E）门水平（左）和种水平（右）不同污染水平下的室内主要微生物占比；（F）室内微生物门水平（上）和种水平（下）主坐标分析（Principal co-ordinates analysis，PCoA）；（G）差异倍数法筛选出的室内差异微生物，不同的颜色代表不同物种水平；与轻微污染相比，向上三角形表示丰度增加，向下三角形表示丰度降低；（H）室内环境微生物线性判别分析（Linear discriminant analysis Effect Size，LEfSe）结果；（I）室内环境微生物功能差异分析结果，黄线表示显示注释基因的数量，参考上方x轴。采用999次置换检验评估结果的统计学意义，*代表ppp

被检测重金属能够影响校园环境微生物和暴露儿童肠道菌群群落结构和多样性

在环境微生物门和种水平中，8种重金属膨胀因子均小于10，故均纳入冗余分析（Redundancy analysis，RDA）。其中，Pb、Co和V能够影响所有采集位置环境微生物物种结构（表S6和图2A）；Pb、Co、Cd和Ni显著影响室内微生物结构（所有ppp值均

环境微生物是重金属影响暴露儿童肠道菌群的中介因素

在环境-物种-性状分析（Row-Column-Q Analysis，RLQ）物种丰度矩阵结果中，随着污染水平的增加，物种位点向第三象限移动，且第三象限中有47种较轻度污染上调的室内环境微生物（图2G）。Ni、Cd、Cr、Mn、V和肠道微生物Weissella也向第三象限移动（图2H）。Cd与Erysipelatoclostridium（r= -0.06） 和Weissella（r= 0.06）显著相关；Pb与Bacteroidaceae（r= -0.06）、Bacteroides（r= -0.06）、Intestinibacter（r= -0.05）和Butyricicoccus（r= 0.03）显著相关（所有pr= 0.22，p Intestinibacter（r= 0.11）和（r= 0.20）正相关，棕色簇集微生物与（r = -0.21）负相关，蓝色簇集与Intestinibacter（r= -0.11）负相关（图S12C）。簇集之间自相关结果如图S12D所示。上述三种颜色簇集的中枢微生物如图S12E所示。中枢微生物是簇集的网络骨架，例如在红色簇集中，Bifidobacterium作为中枢微生物通过调节红色簇集的整个环境微生物网络影响和Intestinibacter。Intestinibacter有助于消化、吸收、免疫调节和延缓慢性疾病的发展；作为一种与人畜共患疾病相关的病原体，表现出高传染性和致病性。

本研究通过RLQ合并四角分析发现，在引入环境微生物数据后，被检测重金属与差异肠道菌群之间的相关性增强，这表明环境微生物在重金属与肠道菌群之间起到了联结作用。某些细菌或真菌能够通过其细胞表面的官能团与重金属结合，这种吸附过程增加了重金属进入儿童体内的可能性。当这些微生物进入肠道后，其细胞结构可能被破坏，释放出吸附的重金属，进而干扰肠道微生物群的平衡。重金属与环境微生物通过破坏肠道物理和化学屏障，改变肠道上皮的微生物群结构，进而扰乱肠道微生物群稳态。这种失衡可能损害肠道菌群的代谢功能，增加肠道对重金属的吸收效率，放大重金属的毒性效应。环境中的重金属和微生物共同影响暴露儿童肠道菌群的稳定性和多样性，进而对儿童健康造成潜在威胁。本研究存在一定局限性：首先，研究仅分析了校园教室内外灰尘中的重金属和微生物，受限于空气监测点稀疏，未考虑大气颗粒物的动态波动对暴露儿童的影响；其次，儿童生活方式因素未作为协变量纳入分析，这些因素可能对肠道微生物群的结构和功能产生显著影响。未来的研究可以通过扩大采样范围、结合空气颗粒物采集设备，以及纳入儿童生活方式相关协变量来克服这些局限性，更全面地评估环境暴露对儿童健康的影响，为制定更精准的校园环境改善措施提供科学依据。

图2. 被检测重金属对环境微生物和暴露儿童肠道菌群的影响

对环境微生物（A）和室内环境微生物（B）在门水平（上）和种水平（下）进行冗余分析，结果图标题是消除趋势对应分析的趋势最长轴结果；阴影为95%置信区间；箭头长度表示其排名贡献，方向一致的变量具有较高一致性，红色箭头表示具有统计学意义的被检测重金属。对被检测重金属与环境微生物（C）或室内微生物（D）Shannon指数进行SHapley Additive exPlanations分析。Y轴右侧的数字表示因素的重要性指数；红色表示被检测重金属浓度高，蓝色表示低。对重金属与不同采集位置差异微生物（E）或不同污染程度差异微生物（F）和重金属之间进行Spearman秩相关性。（G）环境-物种-性状分析环境微生物矩阵（右）和位于第三象限（左）的47个差异肠道菌群。（H）被检测重金属（左）和差异肠道菌群（右）矩阵，箭头长度表示其排名贡献，方向一致的变量具有较高一致性。（I）FDR法矫正后p值（左）和原始p值（右）的四角分析结果，显著性正相关为红色，显著负相关为蓝色。（J）被检测重金属和差异肠道菌群的Procrustes分析结果。每段连线代表一个样品，实心圆圈代表肠道微生物群数据，另一端的三角形代表重金属数据；连线表示两个排序配置的向量残差，线越短一致性越高。采用999次置换检验评估结果的统计学意义，*代表ppp

结 论

本研究结果提示学校环境中存在部分重金属污染现象，虽未超过安全阈值，但证实重金属对环境微生物群落结构具有显著影响，Pb和Cd对环境微生物的影响尤为突出，校园环境重金属污染不容忽视。此外，重金属和环境微生物均可以影响暴露儿童的肠道菌群结构，其中环境微生物在重金属影响暴露儿童肠道菌群过程中起到了关键的中介作用。这些发现强调了促进健康校园建设的重要性，包括建立和完善重金属污染监测系统、提升环境健康意识以及采取有效措施保护儿童健康。通过加强环境管理和干预措施，可以为儿童创造一个更安全、更健康的学习和成长环境。

方 法

本研究依托北京市东北部开展的北京儿童生长与健康队列，收集队列学校灰尘样本和暴露儿童粪便样本。通过测定教室灰尘中的目标重金属浓度，计算环境污染评价指数。根据PLI将室内环境及暴露儿童分为四类：PLI ≤ 1定义为无污染；1 3为重度污染。对教室灰尘样本进行宏基因组测序，对暴露儿童粪便样本进行16s rRNA和宏基因组测序，分析不同采集位置、不同污染程度微生物差异及被检测重金属对微生物影响。使用R软件（v.4.4.1）进行数据统计分析与结果可视化。样本采集、污染评价、测序方案以及生物信息学和统计分析方法的详细流程与参数已在补充材料中提供。

代码和数据可用性

本研究所使用的原始测序数据已存储在北京基因组研究所数据中心基因组序列档案（Genome Sequence Archive，GSA）（https://ngdc.cncb.ac.cn/gsa/）中，登录号为CRA007279和CRA007303。主要数据和代码已上传至Github网站，网址为：https://github.com/HuLab908/iMeta2025-024。更详细的数据信息可联系通讯作者获取。补充材料（文本、图、表、中文翻译版本或视频）也可从线上（http://www.imeta.science/）获取。

引文格式：

Yuchen Zou, Menglong Li, Tuerxunayi Abudumijiti, Huiming He, Mengying Guan, Yeerlin Asihaer, Miao Li, Nourhan M. Khattab, Mushui Shu, Yifei Hu. 2025. “The impact of school heavy metal exposure on children's gut microbiota: the mediating role of environmental microorganisms.” iMeta4: e70021. https://doi.org/10.1002/imt2.70021.

作者简介

邹雨辰（第一作者）

● 首都医科大学公共卫生学院儿少卫生与妇幼保健学系在读博士研究生。

● 研究方向为环境微生物-污染物互作多组学分析。

胡翼飞（通讯作者）

● 首都医科大学公共卫生学院儿少卫生与妇幼保健学系教授，博士研究生导师。

● 《中国校医》杂志副主编，规划教材《儿童少年卫生学》（第九版）编委与数字教材副主编、首套国家义务教育教材《体育与健康》（人教版）一年级主编。主要从事儿童少年队列、传染病流行病及污水流行病、疾病负担等研究。主持国家自然科学基金组织间合作项目、面上项目等3项，国家外专局项目1项，省部级项目3项，以通信作者身份在Military Medical Research，American Journal of Gastroenterology，J Hepatol，ES&T, JAHA等高影响力杂志发表论文数十篇,参与Lancet、Lancet Public Health，Lancet Child and adolescent health, Lancet Reg Health West Pac等22篇。2024年度AJG top reviewer award，American College of Gastroenterology（ACG）候任委员。

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期刊简介

“iMeta” 是由威立、宏科学和本领域数千名华人科学家合作出版的开放获取期刊，主编由中科院微生物所刘双江研究员和荷兰格罗宁根大学傅静远教授担任。目的是发表所有领域高影响力的研究、方法和综述，重点关注微生物组、生物信息、大数据和多组学等前沿交叉学科。目标是发表前10%(IF > 20)的高影响力论文。期刊特色包括中英双语图文、双语视频、可重复分析、图片打磨、60万用户的社交媒体宣传等。2022年2月正式创刊！相继被Google Scholar、PubMed、SCIE、ESI、DOAJ、Scopus等数据库收录！2024年6月获得首个影响因子23.8，中科院分区生物学1区Top，位列全球SCI期刊前千分之五(107/21848)，微生物学科2/161，仅低于Nature Reviews，学科研究类期刊全球第一，中国大陆11/514！

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来源：微生物组