2022年9月，环境领域国际顶级期刊Environmental Science & Technology在线发表了上海交通大学医学院公共卫生学院和单细胞组学与疾病研究中心王慧教授和巴乾研究员团队题为“Mutagenic Characteristics of Six Heavy Metals in Escherichia coli: The Commonality and Specificity”的论文。研究使用细菌模型开展突变累积实验，利用全基因组测序技术全面解析了六种不同重金属低剂量长期持续暴露所致的特定遗传变异和适应性突变特征图谱，以上结果增加了对重金属暴露致突变毒性的认知，为评估其环境毒性危害和制定相关政策提供了重要支撑。

重金属污染及其健康危害是日益受到关注的重大问题，重金属的长期暴露既会诱发环境微生物基因突变，也会引起生物体多样化和适应性变化，这些因素长期持续存在会共同造成环境微生物的遗产改变。为了揭示重金属环境暴露对基因组的信息，巴乾、周婧琪等研究人员对大肠杆菌进行了长期突变累积实验，分析了六种重金属（砷、镉、铬、铜、镍、铅）持续暴露1650代的36个种群的基因组，并在基因组水平上推导重金属特异性进化模式。发现重金属以平均每代每核苷酸3.459×10^-9的平均速率诱导基因突变。尽管每种重金属都显示出特定的突变模式，突变基因在同一金属暴露条件下的平均相似性为54.4%，而在不同金属暴露之间仅为38.8%。功能方面，突变基因主要与基本的细胞生理过程如新陈代谢、运动和运输等有关。

该研究还比较了重金属的突变特征与人类癌症突变图谱特征之间的相似性，揭示了重金属暴露与特定癌症类型显著相关的突变模式以及共性。虽然不同重金属的突变特征和突变位点具有高度特异性，但在突变基因以及基因功能方面却具有一定保守性，提示这些基因可能在适应重金属的趋同过程中发挥关键作用，并且基因和功能层面的特异性和相似性可能反映了不同重金属暴露过程中的共进化事件。由于跨谱系遗传变化可以追溯预测既往的环境影响，该研究结果有助于评估环境中重金属暴露所致的基因组突变负荷并开发潜在的防治策略，为控制重金属污染的健康风险和保障公共安全提供重要依据。

该项工作获得国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助，并得到单细胞组学与疾病研究中心平台的支持。