在Hermetia illucens中，肠道微生物群与其相关微生物代谢物之间的协同作用促进了六价铬的还原

黑水虻幼虫通过肠道菌群及其代谢物协同作用有效耐受并还原Cr(VI)至Cr(III)，残留中Cr(VI)占比仅1.11%。高通量测序显示Dysgonomonas等菌群响应显著，代谢组学分析鉴定124种上调/150种下调代谢物，揭示电子供体与红ox介导机制。

微生物修复六价铬（Cr(VI)）污染被认为是一种有效的手段，而黑水虻（*Hermetia illucens*）能够通过生物转化实现对污染物的生物修复。然而，目前对黑水虻幼虫肠道微生物群落及其相关代谢产物在Cr(VI)耐受和还原中的协同作用仍缺乏深入研究。本研究旨在进一步探讨黑水虻幼虫生物转化过程中Cr(VI)的还原可行性，并阐明肠道细菌与代谢产物之间的相互作用。实验结果表明，黑水虻幼虫能够耐受Cr(VI)的胁迫，并最终通过生物转化将Cr(VI)还原为低毒性的Cr(III)，使得残留基质中Cr的相对含量降低至1.11%。一些肠道细菌如*Myroides*、*Ulvibacter*、*Paenalcaligenes*、*Dysgonomonas*、*Campylobacter*以及RsaHf231在Cr胁迫下表现出强烈的响应。此外，最高浓度的Cr(VI)胁迫（如Cr400和Cr800）导致了肠道微生物代谢的变化，共筛选出124种代谢产物上调和150种代谢产物下调。特别值得注意的是，*Dysgonomonas*、*Enterococcus*、*Myroides*、*Paenalcaligenes*和*Ulvibacter*等菌群主要与一些能够作为电子供体或电子媒介的代谢产物相关，这些代谢产物有助于微生物的生长以及Cr(VI)的还原和解毒。这些发现表明，黑水虻幼虫的生物转化过程是一种绿色的应用方式，可用于修复Cr(VI)污染，同时其肠道微生物群落及其相关代谢产物也具有进一步开发的潜力，以提高Cr(VI)的还原和解毒效率。

六价铬是一种具有高度毒性和致癌性的重金属，其在自然环境中的广泛存在可能通过食物链积累，对生态健康构成严重威胁。尤其在污染土壤、城市污泥和动物粪便等环境中，六价铬的含量通常在277至678 mg/kg之间，这些环境中的六价铬污染已成为治理的重点。暴露于六价铬不仅会破坏动物肠道微生物群的稳态，还可能导致代谢紊乱和疾病，甚至诱发直肠癌和肝损伤，对动物健康产生深远影响。因此，开发有效的Cr(VI)去除和解毒技术对于环境保护和生态修复至关重要。

目前，针对Cr(VI)污染的治理方法主要包括物理、化学和生物手段。物理方法如吸附和离子交换虽然简单，但其去除效率有限；化学方法如还原和沉淀虽然有效，但可能产生二次污染，且处理成本较高。相比之下，生物修复因其环境友好、处理简便和易于控制而被认为是一种更可靠的选择。在生物修复过程中，微生物的代谢、还原和解毒功能在Cr(VI)的生物地球化学行为中起着关键作用。例如，一些微生物如*Rhodococcus*，*Pseudomonas*，*Ochrobactrum*，*Acinetobacter*和乳酸菌（Jia et al., 2024; Montes-Robledo et al., 2024）能够通过还原、甲基化和脱甲基化等过程改变Cr(VI)的化学状态，从而降低其生物可利用性。分离得到的乳酸菌（菌株*Pediococcus acidilactici* 13-7）表现出优异的电子传递能力、强效的Cr(VI)还原活性以及在高浓度Cr(VI)暴露下仍能保持良好耐受性的特点（Huang et al., 2024）。已鉴定的与*ChrR*基因相关的铬酸盐还原酶，如*YieF*、*Chr*、*NemA*、*Nqo1*、*FrdA*和*GshR*，表明Cr(VI)的还原过程可能涉及氧化还原相关功能、磷酸化途径和三羧酸循环（Huang et al., 2024; Li et al., 2023）。然而，仅依赖于工程菌的单独应用往往难以满足复杂的环境需求，同时昆虫也被认为在有机污染物的生物转化过程中能够促进重金属的失活（Mannaa et al., 2024; Zhan et al., 2020）。新兴研究指出，筛选相关菌株及其代谢产物可能有助于Cr(VI)解毒或还原（Mengke et al., 2019; Nie et al., 2023; Xia et al., 2019），而昆虫介导的重金属失活的生物转化过程也引起了越来越多的关注（Yin et al., 2024）。因此，微生物Cr(VI)的还原和解毒仍然是一个挑战，凸显了需要进一步阐明微生物群落及其代谢响应对Cr(VI)胁迫的机制，以及相关的解毒过程的重要性。

黑水虻因其能够消化有机废弃物并将其转化为有价值的有机物质而受到广泛关注。由于其肠道微生物群落的复杂性，包括真菌、细菌和多种酶，这些幼虫还能够降解有毒有害的化合物（Cao et al., 2024b; Deng et al., 2024; Piersanti et al., 2024）。考虑到肠道微生物群的代谢功能，黑水虻幼虫的生物转化代表了一种具有潜力的策略，用于有机废弃物的安全处理和资源化利用（Deng et al., 2024; Z han et al., 2020）。特别值得注意的是，黑水虻对重金属（如铜、镉、锌、砷和铅）具有较强的耐受能力，其肠道微生物群在暴露于这些重金属时表现出显著的响应（Bohm et al., 2022; Deng et al., 2024, 2025; Wu et al., 2021）。然而，肠道微生物群与相关代谢产物在Cr(VI)耐受和还原中的协同作用仍然未被充分探索。

本研究系统地探讨了黑水虻幼虫生物转化过程中Cr(VI)的还原或解毒可行性，并阐明了相关机制。具体包括以下几个方面：首先，研究了Cr(VI)在基质和幼虫体内的迁移与转化过程；其次，通过16S rRNA基因高通量测序技术，对肠道细菌群落的变化进行了识别和量化；第三，利用广泛靶向代谢组学技术，对具有潜在电子供体或氧化还原媒介作用的代谢产物进行了分析；第四，解析了肠道细菌与功能代谢产物之间的关联。这些研究进一步加深了对黑水虻介导的Cr(VI)还原机制的理解，并为铬污染的生态修复提供了可持续的策略。

为了制备Cr(VI)污染的基质，实验使用了500 g的混合物（鱼粉：小麦粉：豆粕=3:4:3，按干重计算），其中六价铬的来源是重铬酸钾（K2Cr2O7，纯度>99%），该物质由中国医药集团有限公司提供。实验中Cr(VI)的浓度被控制在277至678 mg/kg之间，以模拟实际污染环境。基质的配方组成见附录A表S1。在实验中，当Cr(VI)的浓度低于800 mg/kg时，黑水虻幼虫仍能存活并摄取营养，实现其生长和发育。在早期阶段，幼虫的体重（鲜重）并未受到显著影响（见图1a，附录A表S2），这可能归因于该昆虫具有较高的Cr(VI)耐受阈值。然而，当暴露于高浓度的K2Cr2O7（如Cr400和Cr800）时，幼虫的体重显著减少，表明高浓度Cr(VI)对其生长具有抑制作用。这一结果提示，尽管黑水虻具有一定的Cr(VI)耐受能力，但在高浓度污染环境下，其生物转化能力可能受到限制。

在本研究中，通过系统的实验设计和分析，揭示了黑水虻幼虫在Cr(VI)污染环境下的生物转化机制。实验不仅关注了Cr(VI)在基质和幼虫体内的迁移过程，还探讨了其在生物转化中的化学转化路径。此外，通过高通量测序技术，对肠道细菌群落的变化进行了深入分析，明确了在Cr(VI)胁迫下哪些菌群表现出显著的响应。同时，利用广泛靶向代谢组学技术，对具有潜在电子供体或氧化还原媒介作用的代谢产物进行了筛选，进一步揭示了这些代谢产物在Cr(VI)还原过程中的作用。通过这些研究，不仅加深了对Cr(VI)生物转化机制的理解，也为实际应用提供了理论支持。

本研究的结果表明，黑水虻幼虫的生物转化过程能够有效地将高毒性和高迁移性的Cr(VI)转化为低毒性的Cr(III)，从而降低其环境风险。这一过程不仅依赖于肠道微生物群的作用，还涉及相关代谢产物的协同效应。实验发现，某些特定的肠道细菌如*Myroides*、*Ulvibacter*、*Paenalcaligenes*、*Dysgonomonas*、*Campylobacter*等在Cr(VI)胁迫下表现出较强的适应性，这些菌群可能通过其代谢产物参与Cr(VI)的还原和解毒。同时，高浓度Cr(VI)胁迫导致了肠道微生物代谢的变化，其中124种代谢产物被发现上调，150种代谢产物被发现下调，这表明Cr(VI)的胁迫可能对肠道微生物群的代谢活动产生显著影响。这些代谢产物中，部分可能作为电子供体或氧化还原媒介，参与Cr(VI)的还原过程。因此，黑水虻幼虫的生物转化过程不仅能够有效去除Cr(VI)污染，还可能通过其肠道微生物群和代谢产物的协同作用，实现更高效的Cr(VI)还原和解毒。

在实际应用中，黑水虻幼虫的生物转化过程可以作为一种绿色的治理手段，用于铬污染的生态修复。与传统的物理和化学方法相比，这种方法不仅能够减少二次污染，还能提高资源的回收利用率。此外，黑水虻幼虫的生物转化过程具有一定的可持续性，能够适应不同的污染环境，并且其代谢活动具有较强的灵活性，可以针对不同的重金属污染进行调整。因此，黑水虻幼虫的生物转化过程在铬污染治理中具有广阔的应用前景。同时，通过对肠道微生物群和代谢产物的深入研究，可以进一步优化Cr(VI)的还原和解毒效率，提高其在环境治理中的应用价值。

综上所述，本研究通过系统的实验设计和分析，揭示了黑水虻幼虫在Cr(VI)污染环境下的生物转化机制。实验结果表明，黑水虻幼虫能够有效将Cr(VI)转化为Cr(III)，这一过程不仅依赖于其肠道微生物群的作用，还涉及相关代谢产物的协同效应。通过高通量测序技术和广泛靶向代谢组学技术，对肠道微生物群的变化和代谢产物的响应进行了深入研究，进一步明确了Cr(VI)还原和解毒的可能机制。这些研究不仅加深了对Cr(VI)生物转化过程的理解，还为实际应用提供了理论支持。因此，黑水虻幼虫的生物转化过程可以作为一种绿色的治理手段，用于铬污染的生态修复，同时其相关的微生物群和代谢产物也具有进一步开发的潜力，以提高Cr(VI)的还原和解毒效率。