微生物是地球上分布最广的生物群体，占所有生物质总量的60%以上。他们几乎无处不在，以各种方式对人类生活和生产活动产生影响。对微生物代谢物的研究也是近年来的热点，特别是对微生物在受到不同刺激和环境变化后的代谢途径和代谢产物的准确鉴定和分析，这些信息可以帮助我们更好地了解并解决疾病的产生和预防、环境污染和治理、或者食品的生产和保存等重大难题。
随着分析技术的突飞猛进，各种新的分析工具和手段开始应用到微生物代谢组学这个领域。最近，来自中国广州分析测试中心的向章敏研究员等科研团队在知名期刊上发表了一系列文章，开发了创新的样品吸附材料，并使用雪景科技固态热调制器配套安捷伦气相色谱-四级杆飞行时间质谱仪（GCxGC-QTOF），实现了对微生物代谢产物及其生物标志物的高效全面分析。
首先，为了提高样品吸附效率，开发了一种全新的固相微萃取（SPME）纤维吸附材料 [1]。
在对35种标样VOCs的SPME分析实验中发现，使用新型的SPME纤维材料，相比传统的PDMS或DVB/CAR/PDMS材料，对所有目标分子的吸附容量都有了不同程度的提高，有效减少了样品歧视和对某些化合物吸附效率不高的问题。
在其中一篇应用报道中，团队对5种常见的食源性疾病病原体的挥发性代谢物进行了分析 [2]，分别是Shigella sonnei（宋内志贺菌）, Escherichia coli（大肠杆菌）, Salmonella typimurium（伤寒沙门氏菌）, Vibrio parahaemolyticus（副溶血性弧菌）, Staphylococcus aureus（金黄色葡萄球菌）。用新型SPME吸附材料对不同病原体培养液上方的空气进行采集富集并脱附进入全二维气相色谱-飞行时间质谱（GCxGC-QTOF），新型SPME材料表现出更大的吸附容量和吸附效率，谱图上得到了更多的化合物。
在对这些不同病原体的挥发性代谢物进行全二维分析和数据预处理后，鉴定得到了相应了几十种挥发性有机物，化合物种类相比之前的研究有所增加，而且定性准确性也显著提高。
这些挥发性物质经PCA分析后，呈现出比较明显的分类特征。
为了实现快速鉴定食物污染和病原体种类，需要准确鉴定这些食源性病原体的代谢标志物。在对这几种微生物的代谢物和对照组进行对比分析后，采用OPLS-DA模型，找到了差异较大的几种化合物。
另外，研究还对真实食物包括牛奶、牛肉、虾和鸡肉等感染了这些食源性病原体后产生的代谢物进行了分析，证实了这几种代谢标志物确实可以反映相应病原体的代谢特征。
在另一项研究中，团队通过比较研究暴露在不同环境下大肠杆菌（Escherichia coli）的生长情况及其代谢挥发性有机物组成，揭示了微塑料颗粒（PS）和有毒有机物对微生物生长代谢的协同作用 [3]。研究发现，随着培养液中DDT农药浓度的逐渐增加，微生物的生长受到了抑制。这种抑制作用和外界农药的浓度呈线性关系。而加入了微塑料颗粒后，在高浓度和中等浓度有毒物环境下，微生物原先被抑制的生长有所缓解，表明微塑料颗粒对有毒化合物有一定的吸附，从而减少了一部分微生物生长的抑制作用。
为了进一步阐明不同环境条件下微生物的代谢变化过程，研究采用了上述的新型SPME吸附萃取材料和全二维气相色谱-飞行时间质谱技术（GCxGC-QTOF），对大肠杆菌培养液释放的挥发性代谢产物进行了详细的定性鉴定和轮廓分析（profiling），确定了31种比较关键的代谢标志物。
对样品进行无监督PCA及有监督的OPLS-DA分析结果表明，不同暴露浓度下的微生物所产生的代谢产物表现出明显的差异。对这些代谢标志物和所有样本之间的聚类分析生成的热图展示了在不同暴露水平下大肠杆菌代谢物的指纹特征。
该研究成果有助于进一步探索微塑料和有毒化学物质对微生物的生理和代谢过程的影响，并通过识别这些代谢标志物，加深理解这些代谢的途径和机理，为后续的环境毒理和环境修复研究提供重要参考。
参考文献
[1] Liu, S., Fang, S., Huang, Y., Xiang, Z., Ouyang, G., A heterogeneous pore decoration strategy on a hydrophobic microporous polymer for high-coverage capture of metabolites. Chem. Commun. 56 (2020) 7167–7170.
[2] Fang, S., Liu, S., Song, J., Huang, Q., Xiang, Z., Recognition of pathogens in food matrixes based on the untargeted in vivo microbial metabolite profiling via a novel SPME/GC × GC-QTOFMS approach, Food Research International 142 (2021) 110213
[3] Liu, S., Fang, S., Xiang, Z., Chen, X., Song, Y., Chen, C., Ouyang, G., Combined effect of microplastics and DDT on microbial growth: A bacteriological and metabolomics investigation in Escherichia coli, Journal of Hazardous Materials 407 (2021) 124849
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