益生菌可以降低重金屬——益生菌對重金屬危害的生物減除——陳衛教授在BFC會議上的報告
江南大學副校長
陳衛 教授
據環境保護部統計，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。據國土資源部統計，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，一部分進入家畜家禽體內，通過食物鏈蓄積進入人體。重金屬及其污染對農業及食品安全產生極大危害。
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，已成為嚴重的公共安全問題。在重金屬污染里面，危害最嚴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
據國際原子能機構和師姐衛生組織發布的數據顯示，全球1.2億人暴露于含鉛過高環境，中國兒童血鉛超標率10.45%。鉛暴露（超標）對成人包括兒童影響非常大，如果達到重度的水平，會危及生命。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。中毒癥狀表現為智力減退、神經系統損傷、骨骼發育不良、癱瘓和呼吸衰竭等。由于農業面源污染，我國重金屬超標地區主要集中在人口稠密的地區。2003-2013年，在陜西鳳翔縣、安徽懷寧縣等地，礦業、冶煉業、電池制造業等排污造成當地兒童大規模鉛中毒。
（二）食品污染中的典型重金屬——鎘
鎘(Cadmium,Cd)是一種毒性極強的重金屬,為最易在體內蓄積的毒物之一，被列為第6位危害人類健康的有毒物質。鎘暴露會導致肝臟、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查公報表明鎘已成為點位超標率最高的污染物，鎘污染和鎘中毒已成為重要的公共衛生安全問題。2006、2010和2013年，湘江流域的鎘大米事件影響非常大。上游礦區、企業排污導致河水鎘污染，長期澆灌被污染的河水導致土壤污染，進而引起當地所產稻米鎘嚴重超標。
（三）重金屬危害的防治策略
重金屬中毒的傳統治療方法是使用螯合劑促進機體排出重金屬，但副作用大，臨床上表現很強的腎毒性，只有達到重度的中毒水平才會使用。城市重金屬超標有一個閾值，如鉛是200 ppm。如果在這個標準以下，溫和的營養干預或膳食療法，如補充微量元素、維生素、果蔬及植物提取物等，常作為預防或緩解重金屬暴露風險的手段，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。
（四）重金屬危害的微生物減除策略
用微生物來管控干預重金屬的危害，在環境領域已被廣泛應用。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）是公認的可食用的安全菌。有報道發現，在體外，干酪乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、發酵乳桿菌、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，乳酸菌在體內也有相同的作用。
二、乳酸菌吸附鎘的特異性及其耐受機制
乳以乳酸菌的鎘吸附、鎘耐受、抗氧化以及對模擬胃腸道環境的耐受能力為評價指標對菌株進行篩選，發現植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）CCFM8610 在不同初始鎘濃度條件下均具有最強的鎘吸附能力；同時具有極強的鎘耐受能力，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，菌體表面出現了明顯的沉積物。對該區域的能量色散 X 射線光譜（EDX）掃描圖譜顯示，確實出現了鎘元素的波峰，而未接觸鎘的空白對照組在任何區域都無法發現鎘峰，因此證明這些沉積物確實是鎘。觀察透射電鏡結果同時可以發現，鎘全部穿過了菌體的胞外多糖，蓄積在菌體的表面，但較少進入細胞質內部；且鎘在表面的分布呈不連續狀，說明菌體對鎘的吸附可能涉及特異的吸附位點。
2. 植物乳桿菌 CCFM8610各細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 細胞壁與原生質體對鎘離子的吸附，結果表明，40%以上的鎘都被吸附在細胞壁上，僅有 12%進入原生質體。逐層剝離法分別檢測了CCFM8610 胞外多糖、細胞壁、細胞周質及原生質體對鎘離子的吸附。結果表明，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胞壁和細胞膜表面及它們之間的區域。
3. 植物乳桿菌 CCFM8610表面基團在鎘吸附中的作用
通過基團掩蔽試驗發現，細胞壁和細胞膜表面的氨基和羧基起主要作用。通過熱力學測評，發現該菌的理論最大吸附量是24.69 mg/g菌體干重量，遠超LGG（13.2 mg/g）和代田株（12.1 mg/g）。
4. 植物乳桿菌 CCFM8610鎘吸附的熱力學和動力學分析
CCFM8610對鎘離子的吸附最符合L-F模型，吸附動力學特性符合二級動力學方程（R2= 0.99），說明吸附過程可能涉及物理吸附、化學吸附和離子交換過程。
（二）乳酸菌對重金屬的耐受機制
CCFM8610對鎘具有很強的耐受性，以對鎘耐受性很弱的菌株CCFM191作為對照，進行蛋白質組學分析。結果發現，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、鎘吸附相關的不僅是蛋白，還有這樣一個由特殊能量代謝模式和膜脂質組成的通道，特殊的膜脂肪酸組成，使細胞膜具有更低的流動性，更高的胞內滲透物質濃度，更強的胞外聚合物（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行干預預防和治療，證實CCFM 8610在宿主體內對重金屬也具有減除作用。
（一）促進糞便排鎘，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遠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。
急性鎘暴露導致了小鼠肝臟嚴重的病理損傷。治療組的CCFM8610 活菌處理組顯著地恢復了上述癥狀，但其他乳酸菌處理組的保護效果并不明顯。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現嚴重組織病變。
（三）保護腸道屏障，抑制腸道鎘吸收
慢性鎘暴露導致了小鼠腸道機械和免疫屏障的損傷，具體體現在緊密連接蛋白表達量下調、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。這進一步加劇了腸道對鎘的吸收。
鎘進入體內有兩個跨膜途徑，一個是細胞旁路途徑，一個是跨細胞的途徑。細胞旁路途徑主要是通過破壞緊密連接蛋白，跨細胞途徑主要是通過引發細胞損傷和凋亡，以及炎癥反應。鎘暴露對緊密連接蛋白的破壞會導致鎘離子更加容易被腸道吸收，導致機體鎘蓄積惡化。
腸道機械屏障的結構基礎即為完整的腸上皮細胞以及上皮細胞間的緊密連接。CFM8610的鎘吸附及抗氧化特性都能緩解鎘暴露導致的宿主腸道屏障損傷，恢復鎘暴露導致的上述腸道屏障損傷，從而降低鎘的腸道吸收。
（四）緩解氧化應激
鎘在機體中致毒的一項主要機制即為誘導氧化應激，進一步導致組織病變。MDA 是脂質過氧化的重要產物和指示物。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致的氧化應激，因此這種氧化應激的調控作用是獨立于抑制腸道鎘吸收之外的。與這個推斷吻合，CCFM8610 保護了小鼠的生理指標和組織病變，說明菌株能直接通過緩解氧化應激而對抗鎘毒性。
（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 顯著恢復了鎘暴露對各項細胞因子的改變，恢復分泌性免疫球蛋白（sIgA）含量，調節細胞因子水平，恢復鎘暴露小鼠的腸道免疫屏障。
四、結語
在食品上面，CCFM8610對重金屬的吸附能力表現出了巨大的應用潛力。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含量甚至有促進作用。益生菌菌粉顯著降低人群的血鉛含量。益生菌發酵豆乳和果蔬汁顯著降低原料及宿主體內的重金屬含量。
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！
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