乳酸菌对动物重金属污染减毒作用机制的研究进展

乳酸菌在肠道内具有抑制有害菌生长、增强免疫力、强化肠道黏膜屏障、提高饲料转化率、降低血液胆固醇水平等功能。肠道是乳酸菌发挥作用的主要场所,它们通过恢复肠道氧化损伤、保护肠道黏膜、吸附金属离子等作用机制来缓解重金属给动物机体带来的危害。本文介绍了乳酸菌对动物重金属减毒的作用机制以及这一领域的最新研究进展,以期为乳酸菌在养殖中的应用提供参考。

随着工业化进展,我国对重金属的开采、冶炼、加工以及工业废水的大量排放造成了大量的镉、铅、铜等重金属进入大气、水以及土壤。动物食用含有重金属的食物后难以在体内降解,通过食物链富集,重金属最终进入人体,严重影响着人类的健康。一般在处理环境中被污染的水体或土壤时,人们青睐于使用微生物吸附法,因为这种方法具有操作简单、清除效率高、成本低、副产物少等优势。乳酸菌类微生物饲料添加剂如今已经广泛应用于畜牧、水产养殖、医药保健等领域,并取得了较好的效果。通过微生物吸附法缓解动物重金属中毒,不仅能减少养殖业的生产成本而且能有效保障肉源性产品的食用安全。因此,本文综述了乳酸菌对动物重金属减毒的作用机制以及最新的研究进展,以期为乳酸菌在养殖中更好地应用提供参考。

1 乳酸菌缓解动物重金属污染的作用机制

研究表明乳酸菌至少有以下4种作用机制。①强化肠道屏障功能。细胞间的质膜紧密融合有利于维持肠道黏膜的通透性,以免屏障功能受到氧化应激的破坏,乳酸菌通过改变肠道上皮细胞紧密连接蛋白的表达量来改善肠道屏障功能。②修复机体氧化损伤。乳酸菌具有恢复超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)等抗氧化酶活性的能力,有些还可能拥有完整的谷胱甘肽系统,这些特性可以提高机体内总抗氧化水平,有效地清除活性氧(ROS)。③对重金属离子具有很强的耐受及吸附能力,具有表面络合及胞内积累作用,从而减少机体吸收重金属离子。④调节免疫系统。乳酸菌及其代谢产物能诱导机体产生干扰素、活化免疫细胞、促进免疫球蛋白产生,还能生成相应细胞因子激活辅助性 T 细胞(Th1)免疫应答、调节传递信号 NF-κB 的作用、增强自然杀伤细胞(NK)的活力等。

1.1 强化肠道屏障 乳酸菌与肠道上皮细胞、下层免疫细胞共同构成了3个屏障,分别是机械屏障、化学屏障和免疫屏障,它们通过促进黏液层形成、分泌抗菌因子、促进肠道分泌型免疫球蛋白A(sIgA)的分泌、竞争粘附肠道上皮细胞、增加紧密连接形成等方式来增强肠道屏障功能的作用。重金属进入动物的肠道后导致肠道氧化损伤及肠道上皮细胞活性降低,这迫使肠道增加了金属离子的吸收。乳酸菌强化肠道屏障的功能缓解了重金属对机体的损伤。Lorenzo 等发现,植物乳杆菌(PCS26)可提高肠道黏膜的完整性,并能促进肠道上皮细胞的活性。Simeoli 等验证了干酪乳杆菌(B21060)有助于修复受损伤的小鼠肠道屏障,增加β- 防御素及黏蛋白的表达。Zhai等研究发现,乳酸杆菌(CCFM8610)能保护肠道上皮细胞紧密连接并减少小鼠肠道的通透性,从而抑制肠道对重金属镉的吸收。Kozakova 等研究发现,鼠李糖(LOCK0900)、鼠李糖乳杆菌(LOCK0908)和干酪乳杆菌(LOCK0919)3种菌株混合物通过增强小鼠肠细胞的顶端连接复合体并恢复延伸到终端网中的微丝结构,从而改善肠屏障。Segawa等分离并确定了短小乳杆菌(SBC8803)分泌的细胞保护性化合物多聚磷酸盐(poly P),该化合物具有在小鼠小肠中诱导细胞保护性热休克蛋白的能力,并能抑制小鼠小肠中的氧化剂诱导肠通透性,从而证实polyP是负责维持肠屏障作用的分子。综上所述,乳酸菌通过保护、强化宿主肠道屏障,不仅能修复重金属对肠道细胞黏膜的损伤,而且抑制重金属在肠道内的吸收、减少动物机体内重金属的蓄积,从而达到减毒作用。

1.2 修复机体氧化损伤 机体内的氧化作用是新陈代谢的必要环节,在这过程中机体会产生ROS。在正常情况下,ROS的产生和清除处于一种动态平衡的状态;当机体受到外界刺激,ROS的产生量将会超过机体的负荷量,引起氧化损伤,因而出现氧化应激反应。过量的金属离子是导致氧化应激发生的一类重要因素。近年来的研究表明,乳酸菌能够清除肠道内的活性氧分子,通过促进或降低酶类抗氧化物的活性来保持氧化和抗氧化的平衡,从而减轻重金属对机体的氧化损伤。TaKashi等从鱼肠道中分离出了6株具有较强抗氧化性的乳酸菌,通过鉴定后发现,4株植物乳杆菌以及2株乳酸乳球菌和戊糖片球菌对DPPH自由基、羟自由基均具有较强的清除能力。Kullisaar等发现,发酵乳杆菌E-3和E-18均能耐受过氧化氢,而且对羟自由基的清除能力也较强。Majid等使用48只成年大鼠为试验模型,饲喂暴露于汞的大鼠乳杆菌和芽孢杆菌后测量评估其体内的氧化应激变化。结果显示,乳酸菌对大鼠肝脏和肾脏内的SOD、GPX、天冬氨酸转氨酶(AST)、丙氨酸转氨酶(ALT)、肌酐、尿素和胆红素的指标产生了积极的影响,从而缓解了汞对机体的损伤。Gong等研究表明,给维斯塔尔大鼠烧伤模型口服谷氨酰胺配合益生菌可显著降低机体内一氧化氮的合成,有效地抑制烧伤引起的肠道炎症及氧化应激。Guo等还深入研究了双歧杆菌和嗜酸乳杆菌中Sir2基因家族参与调节氧化应激反应的相关机制,敲除Sir2基因的菌株抗氧化活力降低,而当再次引入Sir2基因后菌株恢复了抗氧化活性。

1.3 对重金属离子的吸附作用 近年来许多学者发现,乳酸菌具有与重金属结合的能力,能有效地清除残留于液体中的重金属,并且在胃肠道及重金属溶液中有很强的生存能力。其细胞表面的活性位点与金属离子之间具有范德华力或静电力,而且细胞壁也具有独特的物理结构,能将金属结合在细胞表面。刘文等从喂养高铜高锌饲料的仔猪粪便中筛选出了8株高耐受性的菌株,通过16S rDNA 序列同源性分析,初步鉴定出这些菌株主要是嗜酸乳杆菌、嗜淀粉乳杆菌和罗伊氏乳杆菌。选取其中2株高耐受性的菌株和发酵乳杆菌标准菌进行铜离子结合试验,发现3株菌都对铜(Cu)有很强的结合能力。张何等在模拟肠道环境下考察了肠道益生菌对铬(Cr)、Cd、铅(Pb)的吸附特性,发现3种肠道益生菌虽然对Pb的吸附作用不明显,但是对 Cr、Cd 均具有较强的吸附作用。微生物吸附重金属的过程非常复杂,其吸附重金属的过程可能还存在不同的作用机理。Chakravarty 等研究发现,乳酸菌可通过静电力和络合反应吸附Cd;Magdalena 等证明了乳酸菌能从水溶液中有效地去除Cd,去除率最高能达到85%。电位分析表明,乳酸菌细胞表面在pH为3~10 时具有负电荷,羧基、酰胺和磷酸酯基等的存在增加了细胞表面与Cd的结合。Guo 等研究了变形假单胞菌对Cd 的吸附机理,发现络合反应和离子交换为主要的作用机制。由此推测,乳酸菌的吸附机制包括与重金属离子的胞外络合反应、离子交换、物理吸附、微沉淀和胞内扩散。上述研究均证明了乳酸菌通过吸附不同种类的重金属离子,从而来减少动物机体对重金属离子的吸收量,缓解重金属离子对机体的毒性作用。

1.4 调节免疫系统 重金属中毒导致动物免疫能力的下降,而乳酸菌具有强大的免疫调节功能。口服活性乳酸菌菌株能激活常见的黏膜免疫系统以及机体内相关信号通路。Kamiya 等研究表明,乳酸菌具有调节T细胞效应子及黏膜免疫功能,小鼠口服嗜热链球菌(ME553)后机体细胞所产生的干扰素γ(IFN-γ)和白介素17(IL-17)含量均显著增加。Ai 等研究发现,饲喂乳酸菌可调节机体中Th1和Th2平衡并增加调节性T细胞的数量。Ren等发现,植物乳杆菌 CCFM634、发酵乳杆菌CCFM381等菌株对细胞受体(TLR2、TLR6)具有刺激作用,其分泌的白介素(IL-10、IL-6)能刺激THP1巨噬细胞。Hwang 等研究结果表明,10株乳酸菌细胞壁提取物均不会影响小鼠脾细胞或肠系膜淋巴细胞的增殖,并能增加Th1及干扰素γ(IFN-γ)的产生。Villena 等研究发现,鼠李糖杆菌CRL1505能够在猪上皮细胞(IEC)中诱导干扰素α及β(IFN-α&β)的产生;改善响应于TLR2或TLR9信号传导poly(I:C)的I型IFN的含量;通过TLR2在IEC 中诱导IL-6和TNF-α的mRNA 表达。此外,该菌株显著增加肠内抗原呈递细胞(APC)中的表面分子表达及细胞因子产生。综上所述,乳酸菌对于动物机体的免疫调节能力不容小觑。由于乳酸菌激活信号通路的相关深入研究还较少,其具体作用机制还有待进一步研究。

2 小结及展望

目前乳酸菌在饲料添加剂领域得到广泛的应用,但人们对其认知仅仅停留在增强抵抗力、促进消化吸收等方面,对其作用机理以及与动物机体关系的了解依然十分有限。从目前研究来看,乳酸菌发挥功效的主要途径是通过肠道黏膜免疫系统的交互作用来实现,其他的作用机制仅仅是推测或停留在试验阶段,而且不同种类乳酸菌的作用机制也可能存在差异。所以还需要继续开展深入的研究,从而全面地揭示乳酸菌在缓解重金属中毒方面所发挥的重要作用,为饲用乳酸菌在养殖行业得到更有力的发展提供理论基础。

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