近日，河南师范大学水环境与流域污染控制团队冯精兰和刘梦琳老师在环境领域著名期刊《Environment International》上发表了题为“First insight into in vivo and in vitro biotransformation of 6:2 fluorotelomer carboxylic acid (6:2 FTCA) in zebrafish (Danio rerio)”的研究论文。该研究通过将斑马鱼暴露于6:2 FTCA中21天，系统探究了6:2 FTCA在生物体内的组织特异性分布特征；采用靶向与非靶向筛查相结合的分析方法，鉴定并解析了肝脏和肠道中6:2 FTCA的生物转化产物；通过整合体内暴露实验、体外孵育实验、分子对接技术和肠道菌群分析，阐明了6:2 FTCA的生物转化机制。该研究为深入理解6:2 FTCA在水生生物体内的累积与转化机制提供了重要依据。
图文摘要
引言
PFOA作为典型的传统PFAS，因其热稳定性与化学稳定性强、表面活性高、兼具疏水疏油性而被广泛应用于商业和工业产品中。然而，鉴于其环境持久性、生物累积潜力及多种毒理活性，PFOA的生产、使用与排放已在全球范围内受到限制。为满足市场需求，各类PFOA替代品不断被研发与应用。结构中含有非氟化α碳的6:2 FTCA，在我国已被用作PFOA的替代加工助剂，或在氟聚合物生产过程中作为该工艺的副产物产生。此外，6:2 FTCA也是全氟羧酸前体物生物转化过程中的重要中间产物。随着6:2 FTCA及其前体物的广泛应用，该物质已在多种环境介质中被检出。然而，目前关于6:2 FTCA在水生生物（特别是鱼类）体内生物转化过程的研究极为有限。因此，本研究通过将斑马鱼暴露于6:2 FTCA中21天，系统探究了6:2 FTCA在生物体内的组织特异性分布特征；采用靶向与非靶向筛查相结合的分析方法，鉴定并解析了肝脏和肠道中6:2 FTCA的生物转化产物；通过整合体内暴露实验、体外孵育实验、分子对接技术和肠道菌群分析，阐明了6:2 FTCA的生物转化机制。该研究为深入理解6:2 FTCA在水生生物体内的累积与转化机制提供了重要依据。
图文导读
图1. 6:2 FTCA及其代谢物在体内及体外孵育实验中的浓度变化。
6:2 FTCA能被斑马鱼从水中快速吸收并在肝脏、肠道、脑、鳃和肌肉中检出。6:2 FTCA呈现组织特异性分布特征，肝脏中浓度最高，其次为肠、鳃、脑，肉中浓度最低。在6:2 FTCA暴露组中，肝脏与肠道均检测到以PFHpA、6:2 FTUCA、PFHxA、PFPeA及PFBA为主要代谢产物，而PFPrA与TFA的浓度低于方法检测限；对照组中则未检出这些代谢物。这表明6:2 FTCA在斑马鱼体内发生了向其他多氟化合物的生物转化。随着暴露时间延长，代谢产物的浓度逐步上升，但在第18天出现小幅下降，随后于第21天回升，这可能与体内酶含量及肠道菌群组成的变化有关。PFPeA是含量最丰富的代谢物，其次为6:2 FTUCA、PFHxA、PFBA及PFHpA。暴露第21天时，6:2 FTCA在肝脏与肠道的总转化率分别为18.0%和13.4%。其中α氧化、脱HF反应及β氧化产生的代谢产物在肝脏中分别占1.66%、3.09%和13.2%，在肠道中分别占1.04%、2.99%和9.39%。肝脏与肠道中相似的代谢产物组成表明，6:2 FTCA在这两个器官中经历了相似的转化途径，且β氧化是其主要转化途径。体外孵育60小时后，肝脏与肠道孵育体系中6:2 FTCA的浓度分别下降了9.26%和6.42%（p < 0.05）。代谢产物浓度随时间持续升高，且两种孵育体系中均观察到相似的代谢产物组成。在肝脏与肠道孵育体系中，PFPeA均是主要的代谢产物，其次为6:2 FTUCA、PFBA和PFHpA，这与体内生物转化结果一致。体外实验结果进一步证实，6:2 FTCA确实在肝脏与肠道中均发生了生物转化。肝脏与肠孵育体系中6:2 FTCA的转化率分别为2.67%和2.10%，这与观察到的体内肝脏较高转化率相符。其中，6:2 FTCA的α氧化、脱HF反应及β氧化途径在肝脏孵育体系中分别贡献了0.07%、1.07%和1.52%，在肠道孵育体系中则分别为0.03%、0.80%和1.27%。由此可见，β氧化产物被确认为主要代谢物，这印证了体内外转化实验的结果。
图2. (A) 6:2 FTCA及其代谢产物在体内及体外孵育实验中肝脏与肠道的相对强度。(B) 和 (C) 分别为暴露阶段最后三个采样点斑马鱼肝脏与肠道中CYP450酶活性的动态变化。
第13、18和21天暴露组肝脏中CYP450酶浓度分别为2.11±0.25、1.24±0.05和2.02±0.44 mg/mg prot，显著高于对照组（分别为1.12±0.12、1.02±0.07和1.19±0.04 ng/mg prot）。值得注意的是，第13天和第21天的CYP450酶浓度高于第18天，这与肝脏中代谢产物浓度的变化趋势一致。这些结果表明，CYP450酶在肝脏中催化了6:2 FTCA的转化。另一方面，第13天和第18天暴露组肠道中CYP450酶浓度分别为1.63±0.01和1.18±0.08 ng/mg prot，高于对照组（分别为0.77±0.31和0.75±0.09 ng/mg prot），而第21天的浓度（0.53±0.02 ng/mg prot）则低于对照组（0.63±0.07 ng/mg prot）。随着CYP450酶的减少，肠道中代谢产物的浓度从第13天到第18天显著下降，但在第21天又显著上升。这一结果表明，除CYP450酶外，可能还有其他因素参与了6:2 FTCA的代谢。值得注意的是，肝脏中CYP450酶的含量显著高于肠道，这也解释了肝脏中代谢产物浓度高于肠道的原因。与CYP450浓度的变化趋势不同，暴露组肝脏和肠中GST的浓度与相应对照组相比无显著差异（p＞0.05）。
图3.通过分子对接模拟分析预测6:2 FTCA与主要CYP450酶亚型之间的结合模式。
上述结果共同表明，CYP450是催化鱼体内6:2 FTCA转化的潜在关键酶。为深入验证这一推测，本研究选取斑马鱼体内参与生物转化的五种CYP450亚型，与6:2 FTCA进行分子对接分析。结果显示，6:2 FTCA通过形成单个或多个氢键，以相似结合模式嵌入所有CYP450亚型的内部结合口袋。6:2 FTCA与CYP1A、CYP1B1、CYP2R1、CYP2U1及CYP3A65的结合亲和力分别为-7.6、-6.6、-7.6、-6.8和-6.9 kcal/mol。结果表明，6:2 FTCA与五种主要CYP450亚型均具有强结合亲和力，其中与CYP1A和CYP2R1的结合最强，这证实了斑马鱼肝脏和肠中的CYP450酶能够直接催化6:2 FTCA的转化。
图4. 6:2 FTCA对对照组和暴露组肠道菌群组成与功能的影响。
如前所述，第21天肠道中CYP450酶浓度下降，而代谢产物浓度却呈现上升趋势。因此，我们提出假设：肠道菌群可能在第21天参与了6:2 FTCA的转化。第21天的肠道16S rRNA测序数据结果如下：α多样性分析显示，暴露于6:2 FTCA后肠道菌群的Ace指数显著降低（p = 0.03），表明肠道菌群丰富度下降。PCoA揭示了对照组与6:2 FTCA暴露组间肠道菌群组成的显著差异，且在属水平上优势菌种的丰度也存在显著差异。这些结果表明，与对照组相比，6:2 FTCA暴露引起了肠道菌群的显著改变。KEGG结果显示6:2 FTCA暴露后，肠道菌群中碳水化合物代谢、氨基酸代谢、能量代谢及外源性物质代谢等多个关键代谢通路表达发生明显变化。FAPROTAX结果显示6:2 FTCA刺激了烃类降解、芳香烃降解及脂肪族非甲烷烃降解等功能的活性。这些结果表明肠道菌群可能参与了6:2 FTCA的代谢与生物转化过程。
图5. 6:2 FTCA暴露引起的肠道菌群组成变化。
通过LEfSe分析和LDA识别关键菌株，结果显示Paracoccus、Gemmobacter和Pelomonas在6:2 FTCA暴露组中成为优势菌属，其LDA分值分别为4.44、4.41和4.05（p值分别为0.02、0.03和0.03）。Paracoccus、Gemmobacter和Pelomonas的相对丰度与PFPeA和PFHxA浓度呈显著正相关，凸显了它们在6:2 FTCA生物转化中的关键作用。这三个菌属均属于变形菌门，能够分泌多种代谢酶，在持久性有机污染物的高效降解方面具有独特优势。与对照组相比，6:2 FTCA暴露组中Gemmobacter和Pelomonas的丰度变化倍数分别达65.1和60.5倍。Paracoccus在暴露组中具有较高相对丰度，而在对照组中未被检出。这可能是第21天肠道CYP450酶浓度下降的情况下，6:2 FTCA仍能持续转化的重要原因。上述结果表明，CYP450酶与Paracoccus、Gemmobacter和Pelomonas共同参与了肠道中6:2 FTCA的转化过程。
研究展望
本研究首次系统评估了6:2 FTCA在鱼类体内的组织分布与生物转化规律。体内暴露实验与体外孵育结果共同证实，6:2 FTCA的生物转化不仅发生于肝脏，肠道也是重要代谢场所，其中β-氧化为主要代谢途径，PFCAs为最终产物。体内代谢酶浓度检测与分子对接分析结果共同表明，CYP450酶在肝脏转化6:2 FTCA过程中发挥关键作用；而在肠中，CYP450酶与肠道菌群协同参与了6:2 FTCA的生物转化。本研究深化了对6:2 FTCA在鱼类体内生物累积与组织分布特征的认识，并揭示了其生物转化的内在机制。值得注意的是，本研究通过生理现象、群落结构、功能预测、关键菌属特征及强相关性等多重证据，证实了肠道菌群参与肠道内6:2 FTCA的转化过程。然而，这些关键菌属是否具备直接代谢6:2 FTCA的能力仍需进一步探究。因此，未来研究应着重分离纯化本研究中鉴定的关键菌属，探索其在无菌培养条件下直接代谢6:2 FTCA的能力，并揭示其转化的潜在分子机制。
论文链接
Menglin Liu, Jinping Wu, Hao Yu, Yuwei Wang, Shujun Yi, Liping Yang, Jinglan Feng, Zhiguo Cao, Lingyan Zhu. First insight into in vivo and in vitro biotransformation of 6:2 fluorotelomer carboxylic acid (6:2 FTCA) in zebrafish (Danio rerio). Environment International, 2026, 207: 109973. DOI:10.1016/j.envint.2025.109973
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