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研究团队首先发现肠道微生物能够降解两种人工合成碳纳米材料：单壁碳纳米管和氧化石墨烯。通过筛查两种碳纳米材料口服暴露后宿主肠道的代谢产物，发现乙酸和丁酸等短链脂肪酸含量明显升高。进一步建立氧化石墨烯同位素代谢流示踪新方法，分析鉴定出13C-氧化石墨烯降解后通过13C-丙酮酸途径生成13C-丁酸整个代谢链条的产物（13C-氧化石墨烯—13C-葡萄糖—13C-丙酮酸—13C-乙酸—13C-丁酸）；证实了碳纳米材料类似于膳食纤维能够作为碳源被肠道微生物所利用，进行降解发酵，并进入丙酮酸代谢途径，最终生成丁酸的代谢机制。其中，多种关键的微生物代谢酶，包括己糖激酶、丙酮酸激酶、丙酮酸脱氢酶和丁酸激酶等参与碳纳米材料发酵生成丁酸的过程。微生物测序揭示产丁酸菌是利用碳纳米材料生成丁酸的优势菌种。
肠道微生物对碳纳米材料的厌氧发酵过程该论文发表后，被Nature期刊作为亮点进行报道：Gut microbes ‘eat’ nanoparticles — leading to microbiome changes【2】。该研究基于建立的创新分析方法，首次明确了碳纳米材料从源端-中端-终端的代谢全流程，突破传统微生物只能利用碳水化合物合成有机丁酸分子的认知，证实了肠道微生物能够利用人工合成碳纳米材料作为碳源生成内源有机代谢产物的新机制，从而揭示体内碳纳米材料新的生物学命运，为拓展碳纳米材料应用场景提供了重要理论支撑。
国家纳米科学中心崔雪晶副研究员为论文第一作者，国家纳米科学中心陈春英研究员为通讯作者。该研究工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目的支持。
