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陈卫教授:益生菌对重金属危害的生物减除

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-09-22  浏览次数:3443
核心提示:江南大学副校长陈卫 教授据环境保护部统计,我国超过10%的耕地收到重金属污染,重金属占土壤污染物的80%以上。据国土资源部统计,
 

江南大学副校长

陈卫 教授

据环境保护部统计,我国超过10%的耕地收到重金属污染,重金属占土壤污染物的80%以上。据国土资源部统计,我国1200万吨粮食遭受重金属污染,损失超200亿元。重金属污染土壤和水源之后,一部分被作物吸收,一部分进入家畜家禽体内,通过食物链蓄积进入人体。重金属及其污染对农业及食品安全产生极大危害。

一、重金属的危害及防治和减除策略

重金属污染存在于大气、水源、土壤和食物等日常生活的方方面面,已成为严重的公共安全问题。在重金属污染里面,危害最严重的是大家比较熟悉的铅、镉和汞等。

(一)食品污染中的典型重金属——铅

据国际原子能机构和师姐卫生组织发布的数据显示,全球1.2亿人暴露于含铅过高环境,中国儿童血铅超标率10.45%。铅暴露(超标)对成人包括儿童影响非常大,如果达到重度的水平,会危及生命。临床上有慢性铅中毒和急性铅中毒,0-6岁的儿童对铅高度敏感。中毒症状表现为智力减退、神经系统损伤、骨骼发育不良、瘫痪和呼吸衰竭等。由于农业面源污染,我国重金属超标地区主要集中在人口稠密的地区。2003-2013年,在陕西凤翔县、安徽怀宁县等地,矿业、冶炼业、电池制造业等排污造成当地儿童大规模铅中毒。

(二)食品污染中的典型重金属——镉

镉(Cadmium,Cd)是一种毒性极强的重金属,为最易在体内蓄积的毒物之一,被列为第6位危害人类健康的有毒物质。镉暴露会导致肝脏、肾脏、生殖器官、骨骼以及心血管等多种器官的病变。2014年我国土壤污染状况调查公报表明镉已成为点位超标率最高的污染物,镉污染和镉中毒已成为重要的公共卫生安全问题。2006、2010和2013年,湘江流域的镉大米事件影响非常大。上游矿区、企业排污导致河水镉污染,长期浇灌被污染的河水导致土壤污染,进而引起当地所产稻米镉严重超标。

(三)重金属危害的防治策略

重金属中毒的传统治疗方法是使用螯合剂促进机体排出重金属,但副作用大,临床上表现很强的肾毒性,只有达到重度的中毒水平才会使用。城市重金属超标有一个阈值,如铅是200 ppm。如果在这个标准以下,温和的营养干预或膳食疗法,如补充微量元素、维生素、果蔬及植物提取物等,常作为预防或缓解重金属暴露风险的手段,但效果有限、没有针对性。目前仍没有任何一种治疗镉中毒的特异性方法得到确认。

(四)重金属危害的微生物减除策略

用微生物来管控干预重金属的危害,在环境领域已被广泛应用。如,用微生物吸附来治理土壤重金属污染,常用的微生物有铜绿假单胞菌、枯草芽孢杆菌、假丝酵母和小球藻等。然而,用于吸附土壤重金属的微生物不是食品级菌种,考虑到食品安全性的要求,不能用于缓解重金属暴露对人体的危害。益生菌(乳酸菌)是公认的可食用的安全菌。有报道发现,在体外,干酪乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、发酵乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、罗伊氏乳杆菌等益生菌可以吸附食品中的铅和镉等有害金属。但是,我们更希望,乳酸菌在体内也有相同的作用。

二、乳酸菌吸附镉的特异性及其耐受机制

乳以乳酸菌的镉吸附、镉耐受、抗氧化以及对模拟胃肠道环境的耐受能力为评价指标对菌株进行筛选,发现植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)CCFM8610 在不同初始镉浓度条件下均具有最强的镉吸附能力;同时具有极强的镉耐受能力,其最小抑制镉浓度超过1000 mg/L,显著高于其它测试菌株。说明该菌株可以在高浓度镉污染环境以及镉暴露宿主的肠道中较好地存活。

(一)乳酸菌吸附重金属的特异性

1. 植物乳杆菌 CCFM8610镉吸附的电镜观察和能谱扫描

通过植物乳杆菌 CCFM8610 吸附镉的超薄切片透射电镜照片来看,菌体表面出现了明显的沉积物。对该区域的能量色散 X 射线光谱(EDX)扫描图谱显示,确实出现了镉元素的波峰,而未接触镉的空白对照组在任何区域都无法发现镉峰,因此证明这些沉积物确实是镉。观察透射电镜结果同时可以发现,镉全部穿过了菌体的胞外多糖,蓄积在菌体的表面,但较少进入细胞质内部;且镉在表面的分布呈不连续状,说明菌体对镉的吸附可能涉及特异的吸附位点。

2. 植物乳杆菌 CCFM8610各细胞组分对镉的吸附能力

组分分离法分别检测了植物乳杆菌CCFM8610 细胞壁与原生质体对镉离子的吸附,结果表明,40%以上的镉都被吸附在细胞壁上,仅有 12%进入原生质体。逐层剥离法分别检测了CCFM8610 胞外多糖、细胞壁、细胞周质及原生质体对镉离子的吸附。结果表明,表明菌体的胞外多糖几乎不吸附镉离子,绝大部分的镉都被吸附在细胞壁和细胞膜表面及它们之间的区域。

3. 植物乳杆菌 CCFM8610表面基团在镉吸附中的作用

通过基团掩蔽试验发现,细胞壁和细胞膜表面的氨基和羧基起主要作用。通过热力学测评,发现该菌的理论最大吸附量是24.69 mg/g菌体干重量,远超LGG(13.2 mg/g)和代田株(12.1 mg/g)。

4. 植物乳杆菌 CCFM8610镉吸附的热力学和动力学分析

CCFM8610对镉离子的吸附最符合L-F模型,吸附动力学特性符合二级动力学方程(R2= 0.99),说明吸附过程可能涉及物理吸附、化学吸附和离子交换过程。

(二)乳酸菌对重金属的耐受机制

CCFM8610对镉具有很强的耐受性,以对镉耐受性很弱的菌株CCFM191作为对照,进行蛋白质组学分析。结果发现,CCFM 8610存在镉耐受的特异性蛋白——前噬菌蛋白P2b 18,其浓度大概是CCFM 191的七倍。受到镉刺激之后,CCFM191的P2b18没有变化,而CCFM8610的P2b18浓度提高了4.5倍。说明与镉外排、镉吸附相关的不仅是蛋白,还有这样一个由特殊能量代谢模式和膜脂质组成的通道,特殊的膜脂肪酸组成,使细胞膜具有更低的流动性,更高的胞内渗透物质浓度,更强的胞外聚合物(EPS)合成能力,更有利于对抗外界压力胁迫。

三、CCFM 8610在宿主体内对重金属的减除作用

以小鼠为研究对象,使用CCFM 8610,对镉暴露后的小鼠进行干预预防和治疗,证实CCFM 8610在宿主体内对重金属也具有减除作用。

(一)促进粪便排镉,减少肝脏镉含量

慢性镉处理组(Cd only组和 Cd+CCFM8610组)小鼠粪便里的镉含量远远高于空白对照组和仅灌胃CCFM8610小鼠(1000倍以上)。相比于镉造模组,灌胃植物乳杆菌 CCFM8610有效地提高了粪便中的镉含量。

(二)降低组织镉含量,缓解组织损伤

肾脏和肝脏是重金属镉的靶器官。急性镉暴露导致小鼠组织镉含量显著上升,而灌胃CCFM8610活菌或死菌都显著降低了组织镉含量。综合考虑不同乳酸菌处理方式(预防组和治疗组;活菌和死菌)的效果,治疗组的活菌处理组显示出最佳的降镉作用。

急性镉暴露导致了小鼠肝脏严重的病理损伤。治疗组的CCFM8610 活菌处理组显著地恢复了上述症状,但其他乳酸菌处理组的保护效果并不明显。相比于肝脏,镉暴露对肾脏的病理损伤并不显著,无论是造模组还是乳酸菌处理组都未发现严重组织病变。

(三)保护肠道屏障,抑制肠道镉吸收

慢性镉暴露导致了小鼠肠道机械和免疫屏障的损伤,具体体现在紧密连接蛋白表达量下调、s Ig A 水平降低及肠道炎症因子水平上升,小鼠肠道通透性也随之显著升高。这进一步加剧了肠道对镉的吸收。

镉进入体内有两个跨膜途径,一个是细胞旁路途径,一个是跨细胞的途径。细胞旁路途径主要是通过破坏紧密连接蛋白,跨细胞途径主要是通过引发细胞损伤和凋亡,以及炎症反应。镉暴露对紧密连接蛋白的破坏会导致镉离子更加容易被肠道吸收,导致机体镉蓄积恶化。

肠道机械屏障的结构基础即为完整的肠上皮细胞以及上皮细胞间的紧密连接。CFM8610的镉吸附及抗氧化特性都能缓解镉暴露导致的宿主肠道屏障损伤,恢复镉暴露导致的上述肠道屏障损伤,从而降低镉的肠道吸收。

(四)缓解氧化应激

镉在机体中致毒的一项主要机制即为诱导氧化应激,进一步导致组织病变。MDA 是脂质过氧化的重要产物和指示物。灌胃 CCFM8610 对慢性镉暴露(腹腔注射)小鼠肝脏和肾脏中 MDA 水平的降低说明,尽管无法抑制肠道镉吸收及降低组织镉水平,该菌株依然能缓解镉暴露导致的氧化应激,因此这种氧化应激的调控作用是独立于抑制肠道镉吸收之外的。与这个推断吻合,CCFM8610 保护了小鼠的生理指标和组织病变,说明菌株能直接通过缓解氧化应激而对抗镉毒性。

(五)提高肠道免疫能力

相比于造模组小鼠,喂食植物乳杆菌 CCFM8610 显著恢复了镉暴露对各项细胞因子的改变,恢复分泌性免疫球蛋白(sIgA)含量,调节细胞因子水平,恢复镉暴露小鼠的肠道免疫屏障。

四、结语

在食品上面,CCFM8610对重金属的吸附能力表现出了巨大的应用潜力。益生菌饲料显著降低罗非鱼和肉鸡组织及肌肉中的重金属含量,但对Ca、Fe、Mg、Zn等微量元素的含量并无影响,对Zn含量甚至有促进作用。益生菌菌粉显著降低人群的血铅含量。益生菌发酵豆乳和果蔬汁显著降低原料及宿主体内的重金属含量。

益生菌(CCFM8610)有望为镉暴露人群提供一种膳食干预和保健策略;其原理并非是由于直接去掉了粮谷或食物中的金属镉,它更多的作用是在宿主体内!

本文内容根据陈卫教授在BFC·第五届中国生物饲料科技大会上的报告整理而成,未经本人审阅。

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