鐮刀菌毒素的毒性及其對動物腸道健康的影響

陳祥興，孟令霞，張相倫，魏湘瓔，袁 凱，董炳敏

（1.淄博市畜牧漁業服務中心，山東 淄博 255000；2.山東藥品食品職業學院，山東 威海 264210；3.山東省農業科學院畜牧獸醫研究所，濟南 250100；4.淄博市農業農村局，山東 淄博 255000）

鐮刀菌（Fusarium）常常通過寄生或者腐生的形式侵入植物體內，在繁殖過程中產生的代謝產物即為鐮刀菌毒素（Fusariumtoxin）。從糧食安全和畜牧發展的角度來說，鐮刀菌毒素有著極大的危害性。鐮刀菌毒素包含多種毒素，其中單端孢霉烯族化合物（Trichothecenes）、玉米赤霉烯酮（ZEN）和煙曲霉毒素（FUM）是與動物生產以及健康密切相關的。一般在糧食和飼料中產生毒性作用的單端孢霉烯族化合物包括3-乙酰基嘔吐毒素、雙乙酸基草鐮刀菌醇、T-2 毒素和HT-2 毒素。ZEN 在谷物中含量通常較低，但在日本、新西蘭和南非等地谷物或飼料中的含量高于世界平均值。煙曲霉毒素（FUM）在泰國、阿根廷和南非等地均為玉米或者飼料最主要的污染物。在我國，根據中國飼料和飼料原料中霉菌毒素調查的總結報告所述，對玉米起主要污染作用的毒素包含嘔吐毒素（DON）、ZEN 和FUM，尤其是DON，陽性檢出率和絕對含量均非常高[1]。

1 鐮刀菌毒素的理化性質及毒性

1.1 玉米赤霉烯酮的理化性質及毒性

玉米赤霉烯酮（ZEN，C18H22O6）的化學名為6-（10-羥基-6-氧基-十一-碳烯基）-β-雷鎖酸內酯，最初是從禾谷鐮刀菌污染了的玉米中分離而得，是一類真菌毒素，屬于鐮刀菌毒素[2]。ZEN 不溶于水，但能夠溶解在含結晶水的堿以及有機溶劑中。ZEN的理化性質在儲存、銑削、加工和烹飪期間表現穩定，并且具有熱穩定性[3]。動物機體在口服ZEN 后，腸道和肝臟作為主要器官參與ZEN 的生物轉化過程，但不同物種間的代謝過程存在明顯差別。兔的主要代謝器官為肝臟，ZEN會被還原為α-ZOL 和β-ZOL，然后再與尿和膽汁排泄物中的葡糖醛酸相結合[4]。而豬在誤食ZEN后，機體會迅速吸收毒素，并且在小腸細胞內進行代謝。不同物種的雌性動物對ZEN 產生不同的雌激素效應。報道指出ZEN 會引起雌性動物生長速度的下降以及免疫作用和生殖力的降低，還可以改變腎上腺、甲狀腺和腦垂體的重量以及血清黃體激素、雌二醇的含量[5]。ZEN 對雄性動物的生育和生殖影響也是極其負面的，研究表明，ZEN能顯著降低雄性動物的精子活力[6]。小鼠、公豬、奶牛上的研究證實，ZEN能夠抑制精子產生并誘導動物雌性化，從而引起生育率的下降[7-9]。動物免疫器官的發育和免疫細胞的組成同樣受到ZEN 的影響。小鼠體內注入高劑量的ZEN 會改變淋巴細胞數量，升高機體血紅蛋白并降低血小板數量[10]。最近的研究報道，刀豆素A 會引起豬外周單核細胞的增殖，而ZEN 及其代謝產物能抑制上述過程，并且當毒素濃度＞5 μmol·L-1時，能顯著降低細胞內免疫球蛋白IgA、IgG或IgM 以及腫瘤壞死因子-α（TNF-α）的水平[11]。

1.2 嘔吐毒素的理化性質及毒性

嘔吐毒素(DON)又名脫氧雪腐鐮刀菌烯醇，是一種單端孢霉烯族毒素，化學名為3a,7a,15-三羥基-12,13 環氧單端孢霉-9 烯-8 酮。DON 易溶于水以及甲醇、乙醇和氯仿等有機溶劑。由于DON 的環氧基團不易受親核試劑的攻擊破壞，因而其化學性質十分穩定。有報道指出DON 如果出現往往會伴有其他毒素的出現[12]。研究表明，動物在攝入DON 后會出現采食量降低，引起胃腸炎，癥狀表現為惡心、嘔吐和腹瀉等[13]。在眾多畜種中，豬被認為是最易受到DON 侵害，豬在攝取了高劑量的DON 后會產生嘔吐等現象。畜牧生產中除了少數急性中毒情況的發生，亞慢性或慢性的DON 中毒往往會引起動物生產性能和機體免疫功能的下降，從而造成養殖場戶的減產損失[14]。極高劑量的DON攝入會引起小鼠的白細胞凋亡，而較低劑量的DON 則會增加小鼠各種細胞因子的表達量并提高血清IgA，具體的機制值得深入研究[15-16]。此外，DON 可通過乙酰化、氧化、脫環氧化或糖基化降解成各種衍生物[17-18]。DON的衍生物通常比DON本身的毒性要低，因而在檢測DON 時，通常將3-乙酰基DON、15-乙酰基DON 和3-葡糖苷-DON 衍生物作為檢測的主要對象[19]。

1.3 煙曲霉毒素的理化性質及毒性

煙曲霉毒素（FUM）是由串珠鐮刀菌和多育鐮刀菌等幾種鐮刀菌產生的聚酮類真菌毒素，串珠和多育鐮刀菌都是玉米的常見病原體[20]。FUM 的骨架結構是由19或20個碳原子直鏈的雙酯化合物組成，骨架結構兩側分布有各種羧基、羥基及酯鍵。FUM溶于水但不溶于有機溶劑，100 ℃蒸煮30 min 也不能破壞其結構[21]。FUM在玉米中天然存在的主要類似物包括煙曲霉毒素B1（FB1）、煙曲霉毒素B2（FB2）和煙曲霉毒素B3（FB3）[22]。研究人員已經分離出28種FUM 類似物，其中含量最高的是FB1，約占總量的70%～80%，FB2占到15%～25%[23]。盡管在不同領域中關于FUM 的研究已經有近30 年的歷史，但FUM 的作用機制還有待進一步的探究。從畜牧科研領域來講，已證實含有FUM 毒素的飼糧會對養殖場和實驗室動物的健康產生負面影響。研究表明，FUM 及其類似物的毒性作用與馬的腦白質軟化癥、豬的肺水腫綜合征以及大鼠的肝腎毒性有關[24]。部分國家的流行病學研究表明FUM 的攝入量與食管癌的發生幾率之間有一定的聯系，而主要類似物FB1與神經管缺陷有關系，這是由于FB1減少了細胞系中葉酸的攝取量[25]。因此，通過大量的試驗數據參考，國際癌癥研究機構已把FB1列為可能的人類致癌物[26]。

2 鐮刀菌毒素對動物腸道健康的影響

2.1 對腸道組織的損傷作用

鐮刀菌毒素會損傷動物腸道細胞，從而調動小腸局部防御機制。DON 能夠損傷腸道內皮細胞，造成腸道黏膜細胞浸潤以及未成熟的隱窩細胞壞死。豬采食低劑量的鐮刀菌毒素（ZEN 400 μg·kg-1）飼糧，腸道的黏膜形態結構沒有發生顯著的變化，但提高了腸道的杯狀細胞和內分泌細胞以及小腸隱窩底部潘氏細胞的活性[27]。原代培養新生仔豬腸上皮細胞（PIEC）并對其進行不同濃度梯度的DON（0、2、4 mg·kg-1）和ZEN（0、5、10 mg·kg-1）聯合攻毒實驗，結果表明PIEC 的增殖受到了抑制[28]。采用不同濃度的DON（0.25～2 μmol·L-1）與ZEN 或FUM（2.5～40 μmol·L-1）對仔豬空腸上皮細胞進行單獨和聯合攻毒實驗，結果表明，毒素之間存在交互作用，進而降低了空腸上皮細胞的存活率[29]。抗氧化和免疫系統是動物腸道重要的防御機制，已證實鐮刀菌毒素能夠調動機體抗氧化和免疫系統的反應。研究表明，飼喂仔豬含有ZEN 0.04 mg·kg-1的試驗飼糧能夠降低空腸黏膜的抗氧化相關酶活[30]。豬的空腸上皮細胞攻毒試驗結果也表明，采用ZEN10 μM 處理過的細胞中谷胱甘肽過氧化物酶和過氧化氫酶的基因水平發生了顯著改變[31]。

2.2 對腸道二糖酶活性的影響

動物消化道黏膜和內容物中存在著大量的二糖酶，而動物整個消化過程的決定性步驟即為二糖酶參與的水解過程。二糖酶是一類消化酶，是按照作用底物而命名的。二糖酶主要包括α-D-葡糖水解酶（蔗糖酶）、α-D-葡糖苷酶（麥芽糖酶）、低（聚）-1, 6-葡糖苷酶（異麥芽糖酶或極限糊精酶）以及β-D-半乳糖苷酶（乳糖酶）等。動物腸道內的二糖酶分布在不同部分且分布不均勻，小腸內的二糖酶絕大部分分布在黏膜表面，而二糖酶在大腸中則主要集中在內容物里。二糖酶的活性與動物種類有密切聯系，在機體內的變化也呈現一定的規律。大鼠腸道內的乳糖酶是在妊娠第18天的胎兒期開始出現，活力最高時是出生后的7 d 內，到出生第2 周則達到成熟水平；麥芽糖酶的活力是在出生兩周后開始逐漸上升并達到穩定值，出生后14 d 內的活力很低；蔗糖酶的活力是在出生后第4周時達到成熟水平，一般在出生后第16 天才開始顯示活力。而研究表明，豬從出生后20 d～體成熟階段，腸道蔗糖酶與日齡對數成正比例增加，乳糖酶同前者發育規律相反，麥芽糖酶開始隨日齡對數的增加而增加至最后達到穩定。采用不同濃度梯度的DON（0、2、4 mg·kg-1）和ZEN（0、5、10 mg·kg-1）對原代培養PIEC 進行聯合攻毒實驗， 結果表明毒素抑制了PIEC 的增殖進而降低了二糖酶活性[28]。體內實驗結果也表明，配制鐮刀菌毒素飼糧（ZEN 0.90 mg·kg-1，DON 1.43 mg·kg-1，FUM 5.85 mg·kg-1）飼喂斷奶仔豬后，仔豬十二指腸的乳糖酶活性、空腸的乳糖酶和蔗糖酶活性以及回腸的蔗糖酶和麥芽糖酶活性均顯著降低（P＜0.05）[32]。

3 結 論

鐮刀菌毒素對谷物和動物飼料的危害性極大，是由農作物的重要病原菌鐮刀菌產生，通常由脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（DON）、15-乙酰基脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（15-DON）、玉米赤霉烯酮（ZEN）和煙曲霉毒素（FUM）等毒素組成。動物機體中，腸道既是營養物質消化吸收的主要場所，又是機體抵御外界病原微生物的第一道防線。飼料中鐮刀菌毒素會損傷動物腸道組織，引起抗氧化和免疫系統的反應，同時對腸道二糖酶活性產生負面影響。但目前影響機制的研究相對較少，因此，關于鐮刀菌毒素對動物腸道健康的影響及其機制研究將成為科研熱點。