超声在工业和医学领域应用广泛,以高频低强度为特征的诊断超声可用于研究超声的最低剂量影响。以空化效应和热效应为损伤机制的诊断超声,其安全性在病理学和流行病学研究中已被证实。然而,诊断超声在分子和细胞水平对生物体具的作用机制有待深入剖析。大肠杆菌是在分子和细胞生物学中研究最多的模型生物之一,有助于基于直系同源物对高级生物功能进行预测。为此,本研究选用对胁迫响应灵敏的大肠杆菌作为研究对象,采用高频低强度的诊断超声,探究超声的最低生物影响。将大肠杆菌暴露于超声探头C1-5-D、M5s-D和9L,暴露时长为10和20 min,检测超声的热量和羟基自由基产生量、大肠杆菌的细胞膜损伤、胞内ROS水平、细胞蛋白质、重要蛋白mRNA和小分子有机酸的表达,并对比分析暴露后24 h菌体生长状况。诊断超声在暴露过程中可引起可测量的热效应和空化效应。在暴露过程中,大肠杆菌长时间暴露下增殖受到抑制,但膜损伤先增强后减弱,胞内ROS水平不变。不同探头和处理时间影响大肠杆菌的蛋白质表达。对热反应和翻译负调控显著差异,蛋白质肽基脯氨酰异构化水平的提高主要用于胞内挽救未折叠或聚集的蛋白。长时间暴露削弱了碳水化合物的摄取和代谢,引起天冬氨酸、赖氨酸和天冬酰胺的缺乏;TCA循环由于物质流向谷氨酸而下调,大量的谷氨酸合成谷氨酰胺引起其他下游产物减少。丝氨酸和sn-3-磷酸甘油被消耗以维持代谢的稳定性。探头C1-5-D和M5s-D诱使胞内Cu⁺外排,并在周质中转化为Cu²⁺来保护铁硫簇的生物合成。超声暴露加剧了DNA损伤,但不引发氧化应激和细胞凋亡,因此谷胱甘肽代谢也不发挥抗氧化作用。对于暴露后24 h的大肠杆菌,尽管生长速度会受到影响,细菌的最终菌体密度及细胞膜损伤正常,仅RC10和RL20处理后的细胞具有过高的ROS水平。回复生长24 h的大肠杆菌谷胱甘肽代谢和精氨酸与脯氨酸代谢有显著差异,谷胱甘肽代谢的差异变化与ROS水平有关。重要差异蛋白的mRNA相对表达量支持了iTRAQ结果,并表明大肠杆菌暴露于探头C1-5-D后恢复正常的可能性最高,长时间暴露于探头M5s-D后有较多mRNA呈现显著差异。基于重要差异蛋白AsnB、TdcB、CopA、IscA、IscU和RecA以及差异代谢物2-氨基己二酸、GABA、琥珀酸、卡达维林、半胱氨酸、L-谷氨酸、L-赖氨酸、脯氨酸、N-乙酰基腐胺、鸟氨酸和腐胺为基础预测出一系列相关联的人类通路及疾病,这对进一步通过分子水平研究和开展流行病学调查研究超声潜在风险有借鉴作用。