全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类持久性污染物，对环境和健康构成重大威胁。尽管已有一些研究表明某些环境细菌可以结合PFAS，但PFAS与人体肠道细菌之间的相互作用尚不明确。本文报告了38种肠道细菌菌株在浓度范围从纳摩尔到500微摩尔的情况下对PFAS的生物积累能力。其中，均匀拟杆菌（Bacteroides uniformis）表现出显著的PFAS积累，细胞内浓度达到毫摩尔级，同时保持生长能力。大肠杆菌（Escherichia coli）中，在缺乏TolC外排泵的情况下，PFAS的生物积累增加，表明存在主动跨膜运输。低温聚焦离子束二次离子质谱（cryo-FIB-SIMS）确认了全氟壬酸（PFNA）在大肠杆菌细胞内的定位。对PFNA处理细胞的蛋白质组学和代谢组学分析，以及实验室进化后鉴定的突变，均支持这些发现。最后，植入人体肠道细菌的小鼠粪便中的PFNA水平高于无菌对照组或植入低积累菌株的小鼠。这些结果共同揭示了肠道细菌对PFAS的高生物积累能力。
我们的研究揭示了肠道细菌生物积累PFAS的能力，这对理解PFAS如何与生物系统相互作用具有重要意义。我们发现这种生物积累具有高容量和快速动力学的特点。在细菌颗粒中观察到PFAS超过50倍的富集，意味着细胞内的浓度在毫摩尔范围内。PFAS的内部化得到了分析和生物学证据的支持。后者包括多组学分析、成像技术、生物积累菌株的系统发育分组，以及大肠杆菌外排泵突变体中生物积累的增加。
面对如此高的细胞内有效表面活性剂（如PFAS）水平，生物积累细胞如何维持其生存能力和生长？低温FIB-SIMS成像显示，PFAS分子聚集在密集的簇中（图3和扩展数据图6）。将PFAS隔离到密集的细胞内聚集体似乎能最大限度地减少对关键细胞过程的干扰，这可能解释了细菌的生存能力和生长。这一点通过PFAS对细菌蛋白质组和代谢组的相对有限影响得到了支持。然而，这些变化可能在群落或宿主环境中产生影响。我们观察到膜蛋白表达的变化，包括转运蛋白，以及氨基酸分泌的减少，这可能会减少微生物群落中的交叉喂养机会。需要在合成和离体群落中进行研究，以调查PFAS引起的细菌生理变化如何影响其他群落成员。细胞分裂后生物积累PFAS的重新分布仍然是一个未解决的问题。对处于PFAS环境下的生长细胞进行FIB-SIMS分析可以帮助阐明细胞分裂期间PFAS的重新分布。
考虑到肠道环境中复杂的筛选压力，细菌不太可能演化出特定的PFAS耐受机制。我们认为，PFAS进入细胞及其在胞浆中的聚集是由于PFAS的物理化学性质允许其与非膜细胞成分相互作用的结果。对于人类血清中的PFAS与蛋白质的相互作用已经有相关记录。此外，水溶液中的研究表明PFAS分子会自我聚集。我们的推测进一步得到了观察结果的支持，即生物积累能力在系统发育上是分隔的，并且可以在大肠杆菌中通过基因方式进行调节。另一个表明PFAS生物物理特性关键作用的迹象是链长与生物积累之间的正相关关系（图1g）。最近一项关于志愿者摄入PFAS化合物的研究发现，长链PFAS在人体内生物积累最多。总之，生物物理因素和我们的数据表明，转运蛋白的相互作用和PFAS在胞浆中的自我聚集可能是导致细菌细胞内观察到的PFAS凝聚物的原因。因此，PFAS在细胞内的生物积累很可能是PFAS的生物物理特性的结果，而不是一个活跃的、受调控的细菌过程。
一个关键的未解问题是PFAS吸收的机制。鉴于PFAS的表面活性剂特性以及我们在大肠杆菌中观察到的主动排出，膜被动扩散显得不太可能。PFAS在肠道细菌中的生物积累与之前观察到的药物生物积累数据之间没有相关性，这表明存在不同的导入机制。事实上，革兰氏阴性菌对PFAS的高生物积累与其通常较低的药物和异生物质吸收率形成对比。肠道细菌对PFAS吸收的动力学非常迅速（在几分钟的时间尺度；扩展数据图2f），与环境细菌较慢的积累形成对比，后者是在数天内发生的。这种差异可能反映了细菌膜组成、表面特性或转运蛋白特性和表达的差异。因此，通过功能基因组学方法识别参与PFAS导入的肠道细菌转运蛋白将是全面阐明微生物PFAS隔离的关键。
通过详细揭示微生物PFAS生物积累，本研究提供了一个框架，用于研究微生物对PFAS毒代动力学的贡献。我们的无菌小鼠研究表明，肠道细菌在体内环境中也会生物积累PFAS。然而，这些实验使用了一次性剂量，而大多数人群经历的是低浓度慢性暴露。因此，追踪PFAS摄入量、血液水平、尿液和粪便排泄以及微生物群组成的群体研究将是重要的下一步。
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