益生菌可以降低重金屬——益生菌對重金屬危害的生物減除——陳衛(wèi)教授在BFC會(huì)議上的報(bào)告
江南大學(xué)副校長
陳衛(wèi) 教授
據(jù)環(huán)境保護(hù)部統(tǒng)計(jì)，我國超過10%的耕地收到重金屬污染，重金屬占土壤污染物的80%以上。據(jù)國土資源部統(tǒng)計(jì)，我國1200萬噸糧食遭受重金屬污染，損失超200億元。重金屬污染土壤和水源之后，一部分被作物吸收，一部分進(jìn)入家畜家禽體內(nèi)，通過食物鏈蓄積進(jìn)入人體。重金屬及其污染對農(nóng)業(yè)及食品安全產(chǎn)生極大危害。
一、重金屬的危害及防治和減除策略
重金屬污染存在于大氣、水源、土壤和食物等日常生活的方方面面，已成為嚴(yán)重的公共安全問題。在重金屬污染里面，危害最嚴(yán)重的是大家比較熟悉的鉛、鎘和汞等。
（一）食品污染中的典型重金屬——鉛
據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)和師姐衛(wèi)生組織發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，全球1.2億人暴露于含鉛過高環(huán)境，中國兒童血鉛超標(biāo)率10.45%。鉛暴露（超標(biāo)）對成人包括兒童影響非常大，如果達(dá)到重度的水平，會(huì)危及生命。臨床上有慢性鉛中毒和急性鉛中毒，0-6歲的兒童對鉛高度敏感。中毒癥狀表現(xiàn)為智力減退、神經(jīng)系統(tǒng)損傷、骨骼發(fā)育不良、癱瘓和呼吸衰竭等。由于農(nóng)業(yè)面源污染，我國重金屬超標(biāo)地區(qū)主要集中在人口稠密的地區(qū)。2003-2013年，在陜西鳳翔縣、安徽懷寧縣等地，礦業(yè)、冶煉業(yè)、電池制造業(yè)等排污造成當(dāng)?shù)貎和笠?guī)模鉛中毒。
（二）食品污染中的典型重金屬——鎘
鎘(Cadmium,Cd)是一種毒性極強(qiáng)的重金屬,為最易在體內(nèi)蓄積的毒物之一，被列為第6位危害人類健康的有毒物質(zhì)。鎘暴露會(huì)導(dǎo)致肝臟、腎臟、生殖器官、骨骼以及心血管等多種器官的病變。2014年我國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)表明鎘已成為點(diǎn)位超標(biāo)率最高的污染物，鎘污染和鎘中毒已成為重要的公共衛(wèi)生安全問題。2006、2010和2013年，湘江流域的鎘大米事件影響非常大。上游礦區(qū)、企業(yè)排污導(dǎo)致河水鎘污染，長期澆灌被污染的河水導(dǎo)致土壤污染，進(jìn)而引起當(dāng)?shù)厮a(chǎn)稻米鎘嚴(yán)重超標(biāo)。
（三）重金屬危害的防治策略
重金屬中毒的傳統(tǒng)治療方法是使用螯合劑促進(jìn)機(jī)體排出重金屬，但副作用大，臨床上表現(xiàn)很強(qiáng)的腎毒性，只有達(dá)到重度的中毒水平才會(huì)使用。城市重金屬超標(biāo)有一個(gè)閾值，如鉛是200 ppm。如果在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以下，溫和的營養(yǎng)干預(yù)或膳食療法，如補(bǔ)充微量元素、維生素、果蔬及植物提取物等，常作為預(yù)防或緩解重金屬暴露風(fēng)險(xiǎn)的手段，但效果有限、沒有針對性。目前仍沒有任何一種治療鎘中毒的特異性方法得到確認(rèn)。
（四）重金屬危害的微生物減除策略
用微生物來管控干預(yù)重金屬的危害，在環(huán)境領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。如，用微生物吸附來治理土壤重金屬污染，常用的微生物有銅綠假單胞菌、枯草芽孢桿菌、假絲酵母和小球藻等。然而，用于吸附土壤重金屬的微生物不是食品級菌種，考慮到食品安全性的要求，不能用于緩解重金屬暴露對人體的危害。益生菌（乳酸菌）是公認(rèn)的可食用的安全菌。有報(bào)道發(fā)現(xiàn)，在體外，干酪乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、發(fā)酵乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、羅伊氏乳桿菌等益生菌可以吸附食品中的鉛和鎘等有害金屬。但是，我們更希望，乳酸菌在體內(nèi)也有相同的作用。
二、乳酸菌吸附鎘的特異性及其耐受機(jī)制
乳以乳酸菌的鎘吸附、鎘耐受、抗氧化以及對模擬胃腸道環(huán)境的耐受能力為評價(jià)指標(biāo)對菌株進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）CCFM8610 在不同初始鎘濃度條件下均具有最強(qiáng)的鎘吸附能力；同時(shí)具有極強(qiáng)的鎘耐受能力，其最小抑制鎘濃度超過1000 mg/L，顯著高于其它測試菌株。說明該菌株可以在高濃度鎘污染環(huán)境以及鎘暴露宿主的腸道中較好地存活。
（一）乳酸菌吸附重金屬的特異性
1. 植物乳桿菌 CCFM8610鎘吸附的電鏡觀察和能譜掃描
通過植物乳桿菌 CCFM8610 吸附鎘的超薄切片透射電鏡照片來看，菌體表面出現(xiàn)了明顯的沉積物。對該區(qū)域的能量色散 X 射線光譜（EDX）掃描圖譜顯示，確實(shí)出現(xiàn)了鎘元素的波峰，而未接觸鎘的空白對照組在任何區(qū)域都無法發(fā)現(xiàn)鎘峰，因此證明這些沉積物確實(shí)是鎘。觀察透射電鏡結(jié)果同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，鎘全部穿過了菌體的胞外多糖，蓄積在菌體的表面，但較少進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)內(nèi)部；且鎘在表面的分布呈不連續(xù)狀，說明菌體對鎘的吸附可能涉及特異的吸附位點(diǎn)。
2. 植物乳桿菌 CCFM8610各細(xì)胞組分對鎘的吸附能力
組分分離法分別檢測了植物乳桿菌CCFM8610 細(xì)胞壁與原生質(zhì)體對鎘離子的吸附，結(jié)果表明，40%以上的鎘都被吸附在細(xì)胞壁上，僅有 12%進(jìn)入原生質(zhì)體。逐層剝離法分別檢測了CCFM8610 胞外多糖、細(xì)胞壁、細(xì)胞周質(zhì)及原生質(zhì)體對鎘離子的吸附。結(jié)果表明，表明菌體的胞外多糖幾乎不吸附鎘離子，絕大部分的鎘都被吸附在細(xì)胞壁和細(xì)胞膜表面及它們之間的區(qū)域。
3. 植物乳桿菌 CCFM8610表面基團(tuán)在鎘吸附中的作用
通過基團(tuán)掩蔽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞壁和細(xì)胞膜表面的氨基和羧基起主要作用。通過熱力學(xué)測評，發(fā)現(xiàn)該菌的理論最大吸附量是24.69 mg/g菌體干重量，遠(yuǎn)超LGG（13.2 mg/g）和代田株（12.1 mg/g）。
4. 植物乳桿菌 CCFM8610鎘吸附的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析
CCFM8610對鎘離子的吸附最符合L-F模型，吸附動(dòng)力學(xué)特性符合二級動(dòng)力學(xué)方程（R2= 0.99），說明吸附過程可能涉及物理吸附、化學(xué)吸附和離子交換過程。
（二）乳酸菌對重金屬的耐受機(jī)制
CCFM8610對鎘具有很強(qiáng)的耐受性，以對鎘耐受性很弱的菌株CCFM191作為對照，進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CCFM 8610存在鎘耐受的特異性蛋白——前噬菌蛋白P2b 18，其濃度大概是CCFM 191的七倍。受到鎘刺激之后，CCFM191的P2b18沒有變化，而CCFM8610的P2b18濃度提高了4.5倍。說明與鎘外排、鎘吸附相關(guān)的不僅是蛋白，還有這樣一個(gè)由特殊能量代謝模式和膜脂質(zhì)組成的通道，特殊的膜脂肪酸組成，使細(xì)胞膜具有更低的流動(dòng)性，更高的胞內(nèi)滲透物質(zhì)濃度，更強(qiáng)的胞外聚合物（EPS）合成能力，更有利于對抗外界壓力脅迫。
三、CCFM 8610在宿主體內(nèi)對重金屬的減除作用
以小鼠為研究對象，使用CCFM 8610，對鎘暴露后的小鼠進(jìn)行干預(yù)預(yù)防和治療，證實(shí)CCFM 8610在宿主體內(nèi)對重金屬也具有減除作用。
（一）促進(jìn)糞便排鎘，減少肝臟鎘含量
慢性鎘處理組（Cd only組和 Cd+CCFM8610組）小鼠糞便里的鎘含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空白對照組和僅灌胃CCFM8610小鼠（1000倍以上）。相比于鎘造模組，灌胃植物乳桿菌 CCFM8610有效地提高了糞便中的鎘含量。
（二）降低組織鎘含量，緩解組織損傷
腎臟和肝臟是重金屬鎘的靶器官。急性鎘暴露導(dǎo)致小鼠組織鎘含量顯著上升，而灌胃CCFM8610活菌或死菌都顯著降低了組織鎘含量。綜合考慮不同乳酸菌處理方式（預(yù)防組和治療組；活菌和死菌）的效果，治療組的活菌處理組顯示出最佳的降鎘作用。
急性鎘暴露導(dǎo)致了小鼠肝臟嚴(yán)重的病理損傷。治療組的CCFM8610 活菌處理組顯著地恢復(fù)了上述癥狀，但其他乳酸菌處理組的保護(hù)效果并不明顯。相比于肝臟，鎘暴露對腎臟的病理損傷并不顯著，無論是造模組還是乳酸菌處理組都未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重組織病變。
（三）保護(hù)腸道屏障，抑制腸道鎘吸收
慢性鎘暴露導(dǎo)致了小鼠腸道機(jī)械和免疫屏障的損傷，具體體現(xiàn)在緊密連接蛋白表達(dá)量下調(diào)、s Ig A 水平降低及腸道炎癥因子水平上升，小鼠腸道通透性也隨之顯著升高。這進(jìn)一步加劇了腸道對鎘的吸收。
鎘進(jìn)入體內(nèi)有兩個(gè)跨膜途徑，一個(gè)是細(xì)胞旁路途徑，一個(gè)是跨細(xì)胞的途徑。細(xì)胞旁路途徑主要是通過破壞緊密連接蛋白，跨細(xì)胞途徑主要是通過引發(fā)細(xì)胞損傷和凋亡，以及炎癥反應(yīng)。鎘暴露對緊密連接蛋白的破壞會(huì)導(dǎo)致鎘離子更加容易被腸道吸收，導(dǎo)致機(jī)體鎘蓄積惡化。
腸道機(jī)械屏障的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)即為完整的腸上皮細(xì)胞以及上皮細(xì)胞間的緊密連接。CFM8610的鎘吸附及抗氧化特性都能緩解鎘暴露導(dǎo)致的宿主腸道屏障損傷，恢復(fù)鎘暴露導(dǎo)致的上述腸道屏障損傷，從而降低鎘的腸道吸收。
（四）緩解氧化應(yīng)激
鎘在機(jī)體中致毒的一項(xiàng)主要機(jī)制即為誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，進(jìn)一步導(dǎo)致組織病變。MDA 是脂質(zhì)過氧化的重要產(chǎn)物和指示物。灌胃 CCFM8610 對慢性鎘暴露（腹腔注射）小鼠肝臟和腎臟中 MDA 水平的降低說明，盡管無法抑制腸道鎘吸收及降低組織鎘水平，該菌株依然能緩解鎘暴露導(dǎo)致的氧化應(yīng)激，因此這種氧化應(yīng)激的調(diào)控作用是獨(dú)立于抑制腸道鎘吸收之外的。與這個(gè)推斷吻合，CCFM8610 保護(hù)了小鼠的生理指標(biāo)和組織病變，說明菌株能直接通過緩解氧化應(yīng)激而對抗鎘毒性。
（五）提高腸道免疫能力
相比于造模組小鼠，喂食植物乳桿菌 CCFM8610 顯著恢復(fù)了鎘暴露對各項(xiàng)細(xì)胞因子的改變，恢復(fù)分泌性免疫球蛋白（sIgA）含量，調(diào)節(jié)細(xì)胞因子水平，恢復(fù)鎘暴露小鼠的腸道免疫屏障。
四、結(jié)語
在食品上面，CCFM8610對重金屬的吸附能力表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。益生菌飼料顯著降低羅非魚和肉雞組織及肌肉中的重金屬含量，但對Ca、Fe、Mg、Zn等微量元素的含量并無影響，對Zn含量甚至有促進(jìn)作用。益生菌菌粉顯著降低人群的血鉛含量。益生菌發(fā)酵豆乳和果蔬汁顯著降低原料及宿主體內(nèi)的重金屬含量。
益生菌（CCFM8610）有望為鎘暴露人群提供一種膳食干預(yù)和保健策略；其原理并非是由于直接去掉了糧谷或食物中的金屬鎘，它更多的作用是在宿主體內(nèi)！
