乳酸菌對動物重金屬污染減毒作用機制的研究進展

乳酸菌在腸道內具有抑制有害菌生長、增強免疫力、強化腸道黏膜屏障、提高飼料轉化率、降低血液膽固醇水平等功能。腸道是乳酸菌發揮作用的主要場所,它們通過恢復腸道氧化損傷、保護腸道黏膜、吸附金屬離子等作用機制來緩解重金屬給動物機體帶來的危害。本文介紹了乳酸菌對動物重金屬減毒的作用機制以及這一領域的最新研究進展,以期為乳酸菌在養殖中的應用提供參考。

隨著工業化進展,我國對重金屬的開采、冶煉、加工以及工業廢水的大量排放造成了大量的鎘、鉛、銅等重金屬進入大氣、水以及土壤。動物食用含有重金屬的食物后難以在體內降解,通過食物鏈富集,重金屬最終進入人體,嚴重影響著人類的健康。一般在處理環境中被污染的水體或土壤時,人們青睞于使用微生物吸附法,因為這種方法具有操作簡單、清除效率高、成本低、副產物少等優勢。乳酸菌類微生物飼料添加劑如今已經廣泛應用于畜牧、水產養殖、醫藥保健等領域,并取得了較好的效果。通過微生物吸附法緩解動物重金屬中毒,不僅能減少養殖業的生產成本而且能有效保障肉源性產品的食用安全。因此,本文綜述了乳酸菌對動物重金屬減毒的作用機制以及最新的研究進展,以期為乳酸菌在養殖中更好地應用提供參考。

1 乳酸菌緩解動物重金屬污染的作用機制

研究表明乳酸菌至少有以下4種作用機制。①強化腸道屏障功能。細胞間的質膜緊密融合有利于維持腸道黏膜的通透性,以免屏障功能受到氧化應激的破壞,乳酸菌通過改變腸道上皮細胞緊密連接蛋白的表達量來改善腸道屏障功能。②修復機體氧化損傷。乳酸菌具有恢復超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)等抗氧化酶活性的能力,有些還可能擁有完整的谷胱甘肽系統,這些特性可以提高機體內總抗氧化水平,有效地清除活性氧(ROS)。③對重金屬離子具有很強的耐受及吸附能力,具有表面絡合及胞內積累作用,從而減少機體吸收重金屬離子。④調節免疫系統。乳酸菌及其代謝產物能誘導機體產生干擾素、活化免疫細胞、促進免疫球蛋白產生,還能生成相應細胞因子激活輔助性 T 細胞(Th1)免疫應答、調節傳遞信號 NF-κB 的作用、增強自然殺傷細胞(NK)的活力等。

1.1 強化腸道屏障 乳酸菌與腸道上皮細胞、下層免疫細胞共同構成了3個屏障,分別是機械屏障、化學屏障和免疫屏障,它們通過促進黏液層形成、分泌抗菌因子、促進腸道分泌型免疫球蛋白A(sIgA)的分泌、競爭粘附腸道上皮細胞、增加緊密連接形成等方式來增強腸道屏障功能的作用。重金屬進入動物的腸道后導致腸道氧化損傷及腸道上皮細胞活性降低,這迫使腸道增加了金屬離子的吸收。乳酸菌強化腸道屏障的功能緩解了重金屬對機體的損傷。Lorenzo 等發現,植物乳桿菌(PCS26)可提高腸道黏膜的完整性,并能促進腸道上皮細胞的活性。Simeoli 等驗證了干酪乳桿菌(B21060)有助于修復受損傷的小鼠腸道屏障,增加β- 防御素及黏蛋白的表達。Zhai等研究發現,乳酸桿菌(CCFM8610)能保護腸道上皮細胞緊密連接并減少小鼠腸道的通透性,從而抑制腸道對重金屬鎘的吸收。Kozakova 等研究發現,鼠李糖(LOCK0900)、鼠李糖乳桿菌(LOCK0908)和干酪乳桿菌(LOCK0919)3種菌株混合物通過增強小鼠腸細胞的頂端連接復合體并恢復延伸到終端網中的微絲結構,從而改善腸屏障。Segawa等分離并確定了短小乳桿菌(SBC8803)分泌的細胞保護性化合物多聚磷酸鹽(poly P),該化合物具有在小鼠小腸中誘導細胞保護性熱休克蛋白的能力,并能抑制小鼠小腸中的氧化劑誘導腸通透性,從而證實polyP是負責維持腸屏障作用的分子。綜上所述,乳酸菌通過保護、強化宿主腸道屏障,不僅能修復重金屬對腸道細胞黏膜的損傷,而且抑制重金屬在腸道內的吸收、減少動物機體內重金屬的蓄積,從而達到減毒作用。

1.2 修復機體氧化損傷 機體內的氧化作用是新陳代謝的必要環節,在這過程中機體會產生ROS。在正常情況下,ROS的產生和清除處于一種動態平衡的狀態;當機體受到外界刺激,ROS的產生量將會超過機體的負荷量,引起氧化損傷,因而出現氧化應激反應。過量的金屬離子是導致氧化應激發生的一類重要因素。近年來的研究表明,乳酸菌能夠清除腸道內的活性氧分子,通過促進或降低酶類抗氧化物的活性來保持氧化和抗氧化的平衡,從而減輕重金屬對機體的氧化損傷。TaKashi等從魚腸道中分離出了6株具有較強抗氧化性的乳酸菌,通過鑒定后發現,4株植物乳桿菌以及2株乳酸乳球菌和戊糖片球菌對DPPH自由基、羥自由基均具有較強的清除能力。Kullisaar等發現,發酵乳桿菌E-3和E-18均能耐受過氧化氫,而且對羥自由基的清除能力也較強。Majid等使用48只成年大鼠為試驗模型,飼喂暴露于汞的大鼠乳桿菌和芽孢桿菌后測量評估其體內的氧化應激變化。結果顯示,乳酸菌對大鼠肝臟和腎臟內的SOD、GPX、天冬氨酸轉氨酶(AST)、丙氨酸轉氨酶(ALT)、肌酐、尿素和膽紅素的指標產生了積極的影響,從而緩解了汞對機體的損傷。Gong等研究表明,給維斯塔爾大鼠燒傷模型口服谷氨酰胺配合益生菌可顯著降低機體內一氧化氮的合成,有效地抑制燒傷引起的腸道炎癥及氧化應激。Guo等還深入研究了雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌中Sir2基因家族參與調節氧化應激反應的相關機制,敲除Sir2基因的菌株抗氧化活力降低,而當再次引入Sir2基因后菌株恢復了抗氧化活性。

1.3 對重金屬離子的吸附作用 近年來許多學者發現,乳酸菌具有與重金屬結合的能力,能有效地清除殘留于液體中的重金屬,并且在胃腸道及重金屬溶液中有很強的生存能力。其細胞表面的活性位點與金屬離子之間具有范德華力或靜電力,而且細胞壁也具有獨特的物理結構,能將金屬結合在細胞表面。劉文等從喂養高銅高鋅飼料的仔豬糞便中篩選出了8株高耐受性的菌株,通過16S rDNA 序列同源性分析,初步鑒定出這些菌株主要是嗜酸乳桿菌、嗜淀粉乳桿菌和羅伊氏乳桿菌。選取其中2株高耐受性的菌株和發酵乳桿菌標準菌進行銅離子結合試驗,發現3株菌都對銅(Cu)有很強的結合能力。張何等在模擬腸道環境下考察了腸道益生菌對鉻(Cr)、Cd、鉛(Pb)的吸附特性,發現3種腸道益生菌雖然對Pb的吸附作用不明顯,但是對 Cr、Cd 均具有較強的吸附作用。微生物吸附重金屬的過程非常復雜,其吸附重金屬的過程可能還存在不同的作用機理。Chakravarty 等研究發現,乳酸菌可通過靜電力和絡合反應吸附Cd;Magdalena 等證明了乳酸菌能從水溶液中有效地去除Cd,去除率最高能達到85%。電位分析表明,乳酸菌細胞表面在pH為3~10 時具有負電荷,羧基、酰胺和磷酸酯基等的存在增加了細胞表面與Cd的結合。Guo 等研究了變形假單胞菌對Cd 的吸附機理,發現絡合反應和離子交換為主要的作用機制。由此推測,乳酸菌的吸附機制包括與重金屬離子的胞外絡合反應、離子交換、物理吸附、微沉淀和胞內擴散。上述研究均證明了乳酸菌通過吸附不同種類的重金屬離子,從而來減少動物機體對重金屬離子的吸收量,緩解重金屬離子對機體的毒性作用。

1.4 調節免疫系統 重金屬中毒導致動物免疫能力的下降,而乳酸菌具有強大的免疫調節功能??诜钚匀樗峋昴芗せ畛R姷酿つっ庖呦到y以及機體內相關信號通路。Kamiya 等研究表明,乳酸菌具有調節T細胞效應子及黏膜免疫功能,小鼠口服嗜熱鏈球菌(ME553)后機體細胞所產生的干擾素γ(IFN-γ)和白介素17(IL-17)含量均顯著增加。Ai 等研究發現,飼喂乳酸菌可調節機體中Th1和Th2平衡并增加調節性T細胞的數量。Ren等發現,植物乳桿菌 CCFM634、發酵乳桿菌CCFM381等菌株對細胞受體(TLR2、TLR6)具有刺激作用,其分泌的白介素(IL-10、IL-6)能刺激THP1巨噬細胞。Hwang 等研究結果表明,10株乳酸菌細胞壁提取物均不會影響小鼠脾細胞或腸系膜淋巴細胞的增殖,并能增加Th1及干擾素γ(IFN-γ)的產生。Villena 等研究發現,鼠李糖桿菌CRL1505能夠在豬上皮細胞(IEC)中誘導干擾素α及β(IFN-α&β)的產生;改善響應于TLR2或TLR9信號傳導poly(I:C)的I型IFN的含量;通過TLR2在IEC 中誘導IL-6和TNF-α的mRNA 表達。此外,該菌株顯著增加腸內抗原呈遞細胞(APC)中的表面分子表達及細胞因子產生。綜上所述,乳酸菌對于動物機體的免疫調節能力不容小覷。由于乳酸菌激活信號通路的相關深入研究還較少,其具體作用機制還有待進一步研究。

2 小結及展望

目前乳酸菌在飼料添加劑領域得到廣泛的應用,但人們對其認知僅僅停留在增強抵抗力、促進消化吸收等方面,對其作用機理以及與動物機體關系的了解依然十分有限。從目前研究來看,乳酸菌發揮功效的主要途徑是通過腸道黏膜免疫系統的交互作用來實現,其他的作用機制僅僅是推測或停留在試驗階段,而且不同種類乳酸菌的作用機制也可能存在差異。所以還需要繼續開展深入的研究,從而全面地揭示乳酸菌在緩解重金屬中毒方面所發揮的重要作用,為飼用乳酸菌在養殖行業得到更有力的發展提供理論基礎。

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