Ti3C2Tx（MXene）通过抑制发育相关基因表达与诱导肠道菌群失调干扰大型溞生长发育的机制研究

《Frontiers in Microbiology》：Ti3C2Tx (MXene) disrupts growth and development in Daphnia magna by suppressing related genes and inducing gut microbiome dysbiosis

本文系统揭示了新型二维材料Ti3C2Tx（MXene）对水生模式生物大型溞（Daphnia magna）的生长发育抑制作用。研究发现，该材料通过下调蜕皮激素通路关键基因（cyp18a1、ecra、usp、hr3、cpa1）表达，并诱发肠道菌群中变形菌门（Proteobacteria）减少与拟杆菌门（Bacteroidota）增殖，进而干扰宿主体内能量代谢通路，为MXene类材料的生态风险评估提供了分子-微生物跨维度证据。

　　

材料表征与生物累积性

Ti₃C₂T_x材料呈现约100纳米的不规则片层结构，表面电位为-18毫伏，水合粒径约1.8微米。通过光学显微镜观察发现，暴露7天后Ti₃C₂T_x在大型溞肠道内特异性富集，0.01毫克/升与1毫克/升处理组均出现明显黑色颗粒聚集，而对照组无此现象。

生长发育表型异常

Ti₃C₂T_x暴露引发剂量依赖性的生长抑制效应。与对照组相比，1毫克/升处理组个体蜕皮频率由5.15次降至4.70次，体长从2.37毫米缩短至2.09毫米，体宽由1.68毫米减至1.44毫米，绝对生长速率显著降低0.04毫米/天。这表明该材料通过干扰甲壳动物的蜕皮周期与体型扩张过程阻碍正常发育。

基因表达调控网络紊乱

qPCR检测显示，1毫克/升Ti₃C₂T_x显著抑制了与蜕皮激素信号通路相关的5个核心基因表达：蜕皮激素合成关键酶基因cyp18a1、蜕皮激素受体基因ecra、超气门蛋白基因usp、核受体基因hr3及几丁质酶基因cpa1。值得注意的是，0.01毫克/低浓度组出现基因表达响应分异，cyp314和ftz-f1基因表达反而上调，提示低浓度可能激活代偿性调控机制。

肠道微生物群落重构

16S rRNA测序表明，1毫克/升暴露24小时即引起肠道菌群α多样性指数变化：Simpson指数显著降低而Shannon指数呈上升趋势。在门水平上，益生菌变形菌门（Proteobacteria）占比从71.94%降至56.71%，而条件致病菌拟杆菌门（Bacteroidota）从18.35%升至23.87%。属水平上，假单胞菌属（Pseudomonas）和气单胞菌属（Aeromonas）丰度下降，芽孢杆菌属（Bacillus）和粪杆菌属（Phascolarctobacterium）显著增殖。

微生物功能预测异常

Tax4Fun分析显示，暴露组肠道菌群中氨基酸转运代谢、能量产生转换、碳水化合物转运代谢等直接参与宿主能量供应的功能基因丰度下降。同时与细胞运动性相关的间接功能类别也发生紊乱，表明微生物-宿主互作网络被破坏。这种急性菌群失调可能先于生长表型变化，通过干扰能量稳态间接影响发育基因表达。

跨维度毒性机制整合

本研究首次揭示Ti₃C₂T_x通过"基因-微生物"双途径协同抑制水生无脊椎动物发育：一方面直接抑制蜕皮激素信号通路关键基因表达，另一方面通过重塑肠道菌群结构影响能量代谢功能。这种跨维度毒性机制为二维材料的生态风险预警提供了新视角，强调在评估纳米材料生物效应时需关注宿主-微生物共进化关系。