镰刀菌毒素的毒性及其对动物肠道健康的影响

陈祥兴，孟令霞，张相伦，魏湘璎，袁 凯，董炳敏

（1.淄博市畜牧渔业服务中心，山东 淄博 255000；2.山东药品食品职业学院，山东 威海 264210；3.山东省农业科学院畜牧兽医研究所，济南 250100；4.淄博市农业农村局，山东 淄博 255000）

镰刀菌（Fusarium）常常通过寄生或者腐生的形式侵入植物体内，在繁殖过程中产生的代谢产物即为镰刀菌毒素（Fusariumtoxin）。从粮食安全和畜牧发展的角度来说，镰刀菌毒素有着极大的危害性。镰刀菌毒素包含多种毒素，其中单端孢霉烯族化合物（Trichothecenes）、玉米赤霉烯酮（ZEN）和烟曲霉毒素（FUM）是与动物生产以及健康密切相关的。一般在粮食和饲料中产生毒性作用的单端孢霉烯族化合物包括3-乙酰基呕吐毒素、双乙酸基草镰刀菌醇、T-2 毒素和HT-2 毒素。ZEN 在谷物中含量通常较低，但在日本、新西兰和南非等地谷物或饲料中的含量高于世界平均值。烟曲霉毒素（FUM）在泰国、阿根廷和南非等地均为玉米或者饲料最主要的污染物。在我国，根据中国饲料和饲料原料中霉菌毒素调查的总结报告所述，对玉米起主要污染作用的毒素包含呕吐毒素（DON）、ZEN 和FUM，尤其是DON，阳性检出率和绝对含量均非常高[1]。

1 镰刀菌毒素的理化性质及毒性

1.1 玉米赤霉烯酮的理化性质及毒性

玉米赤霉烯酮（ZEN，C18H22O6）的化学名为6-（10-羟基-6-氧基-十一-碳烯基）-β-雷锁酸内酯，最初是从禾谷镰刀菌污染了的玉米中分离而得，是一类真菌毒素，属于镰刀菌毒素[2]。ZEN 不溶于水，但能够溶解在含结晶水的碱以及有机溶剂中。ZEN的理化性质在储存、铣削、加工和烹饪期间表现稳定，并且具有热稳定性[3]。动物机体在口服ZEN 后，肠道和肝脏作为主要器官参与ZEN 的生物转化过程，但不同物种间的代谢过程存在明显差别。兔的主要代谢器官为肝脏，ZEN会被还原为α-ZOL 和β-ZOL，然后再与尿和胆汁排泄物中的葡糖醛酸相结合[4]。而猪在误食ZEN后，机体会迅速吸收毒素，并且在小肠细胞内进行代谢。不同物种的雌性动物对ZEN 产生不同的雌激素效应。报道指出ZEN 会引起雌性动物生长速度的下降以及免疫作用和生殖力的降低，还可以改变肾上腺、甲状腺和脑垂体的重量以及血清黄体激素、雌二醇的含量[5]。ZEN 对雄性动物的生育和生殖影响也是极其负面的，研究表明，ZEN能显著降低雄性动物的精子活力[6]。小鼠、公猪、奶牛上的研究证实，ZEN能够抑制精子产生并诱导动物雌性化，从而引起生育率的下降[7-9]。动物免疫器官的发育和免疫细胞的组成同样受到ZEN 的影响。小鼠体内注入高剂量的ZEN 会改变淋巴细胞数量，升高机体血红蛋白并降低血小板数量[10]。最近的研究报道，刀豆素A 会引起猪外周单核细胞的增殖，而ZEN 及其代谢产物能抑制上述过程，并且当毒素浓度＞5 μmol·L-1时，能显著降低细胞内免疫球蛋白IgA、IgG或IgM 以及肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的水平[11]。

1.2 呕吐毒素的理化性质及毒性

呕吐毒素(DON)又名脱氧雪腐镰刀菌烯醇，是一种单端孢霉烯族毒素，化学名为3a,7a,15-三羟基-12,13 环氧单端孢霉-9 烯-8 酮。DON 易溶于水以及甲醇、乙醇和氯仿等有机溶剂。由于DON 的环氧基团不易受亲核试剂的攻击破坏，因而其化学性质十分稳定。有报道指出DON 如果出现往往会伴有其他毒素的出现[12]。研究表明，动物在摄入DON 后会出现采食量降低，引起胃肠炎，症状表现为恶心、呕吐和腹泻等[13]。在众多畜种中，猪被认为是最易受到DON 侵害，猪在摄取了高剂量的DON 后会产生呕吐等现象。畜牧生产中除了少数急性中毒情况的发生，亚慢性或慢性的DON 中毒往往会引起动物生产性能和机体免疫功能的下降，从而造成养殖场户的减产损失[14]。极高剂量的DON摄入会引起小鼠的白细胞凋亡，而较低剂量的DON 则会增加小鼠各种细胞因子的表达量并提高血清IgA，具体的机制值得深入研究[15-16]。此外，DON 可通过乙酰化、氧化、脱环氧化或糖基化降解成各种衍生物[17-18]。DON的衍生物通常比DON本身的毒性要低，因而在检测DON 时，通常将3-乙酰基DON、15-乙酰基DON 和3-葡糖苷-DON 衍生物作为检测的主要对象[19]。

1.3 烟曲霉毒素的理化性质及毒性

烟曲霉毒素（FUM）是由串珠镰刀菌和多育镰刀菌等几种镰刀菌产生的聚酮类真菌毒素，串珠和多育镰刀菌都是玉米的常见病原体[20]。FUM 的骨架结构是由19或20个碳原子直链的双酯化合物组成，骨架结构两侧分布有各种羧基、羟基及酯键。FUM溶于水但不溶于有机溶剂，100 ℃蒸煮30 min 也不能破坏其结构[21]。FUM在玉米中天然存在的主要类似物包括烟曲霉毒素B1（FB1）、烟曲霉毒素B2（FB2）和烟曲霉毒素B3（FB3）[22]。研究人员已经分离出28种FUM 类似物，其中含量最高的是FB1，约占总量的70%～80%，FB2占到15%～25%[23]。尽管在不同领域中关于FUM 的研究已经有近30 年的历史，但FUM 的作用机制还有待进一步的探究。从畜牧科研领域来讲，已证实含有FUM 毒素的饲粮会对养殖场和实验室动物的健康产生负面影响。研究表明，FUM 及其类似物的毒性作用与马的脑白质软化症、猪的肺水肿综合征以及大鼠的肝肾毒性有关[24]。部分国家的流行病学研究表明FUM 的摄入量与食管癌的发生几率之间有一定的联系，而主要类似物FB1与神经管缺陷有关系，这是由于FB1减少了细胞系中叶酸的摄取量[25]。因此，通过大量的试验数据参考，国际癌症研究机构已把FB1列为可能的人类致癌物[26]。

2 镰刀菌毒素对动物肠道健康的影响

2.1 对肠道组织的损伤作用

镰刀菌毒素会损伤动物肠道细胞，从而调动小肠局部防御机制。DON 能够损伤肠道内皮细胞，造成肠道黏膜细胞浸润以及未成熟的隐窝细胞坏死。猪采食低剂量的镰刀菌毒素（ZEN 400 μg·kg-1）饲粮，肠道的黏膜形态结构没有发生显著的变化，但提高了肠道的杯状细胞和内分泌细胞以及小肠隐窝底部潘氏细胞的活性[27]。原代培养新生仔猪肠上皮细胞（PIEC）并对其进行不同浓度梯度的DON（0、2、4 mg·kg-1）和ZEN（0、5、10 mg·kg-1）联合攻毒实验，结果表明PIEC 的增殖受到了抑制[28]。采用不同浓度的DON（0.25～2 μmol·L-1）与ZEN 或FUM（2.5～40 μmol·L-1）对仔猪空肠上皮细胞进行单独和联合攻毒实验，结果表明，毒素之间存在交互作用，进而降低了空肠上皮细胞的存活率[29]。抗氧化和免疫系统是动物肠道重要的防御机制，已证实镰刀菌毒素能够调动机体抗氧化和免疫系统的反应。研究表明，饲喂仔猪含有ZEN 0.04 mg·kg-1的试验饲粮能够降低空肠黏膜的抗氧化相关酶活[30]。猪的空肠上皮细胞攻毒试验结果也表明，采用ZEN10 μM 处理过的细胞中谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化氢酶的基因水平发生了显著改变[31]。

2.2 对肠道二糖酶活性的影响

动物消化道黏膜和内容物中存在着大量的二糖酶，而动物整个消化过程的决定性步骤即为二糖酶参与的水解过程。二糖酶是一类消化酶，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（麦芽糖酶）、低（聚）-1, 6-葡糖苷酶（异麦芽糖酶或极限糊精酶）以及β-D-半乳糖苷酶（乳糖酶）等。动物肠道内的二糖酶分布在不同部分且分布不均匀，小肠内的二糖酶绝大部分分布在黏膜表面，而二糖酶在大肠中则主要集中在内容物里。二糖酶的活性与动物种类有密切联系，在机体内的变化也呈现一定的规律。大鼠肠道内的乳糖酶是在妊娠第18天的胎儿期开始出现，活力最高时是出生后的7 d 内，到出生第2 周则达到成熟水平；麦芽糖酶的活力是在出生两周后开始逐渐上升并达到稳定值，出生后14 d 内的活力很低；蔗糖酶的活力是在出生后第4周时达到成熟水平，一般在出生后第16 天才开始显示活力。而研究表明，猪从出生后20 d～体成熟阶段，肠道蔗糖酶与日龄对数成正比例增加，乳糖酶同前者发育规律相反，麦芽糖酶开始随日龄对数的增加而增加至最后达到稳定。采用不同浓度梯度的DON（0、2、4 mg·kg-1）和ZEN（0、5、10 mg·kg-1）对原代培养PIEC 进行联合攻毒实验， 结果表明毒素抑制了PIEC 的增殖进而降低了二糖酶活性[28]。体内实验结果也表明，配制镰刀菌毒素饲粮（ZEN 0.90 mg·kg-1，DON 1.43 mg·kg-1，FUM 5.85 mg·kg-1）饲喂断奶仔猪后，仔猪十二指肠的乳糖酶活性、空肠的乳糖酶和蔗糖酶活性以及回肠的蔗糖酶和麦芽糖酶活性均显著降低（P＜0.05）[32]。

3 结 论

镰刀菌毒素对谷物和动物饲料的危害性极大，是由农作物的重要病原菌镰刀菌产生，通常由脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）、15-乙酰基脱氧雪腐镰刀菌烯醇（15-DON）、玉米赤霉烯酮（ZEN）和烟曲霉毒素（FUM）等毒素组成。动物机体中，肠道既是营养物质消化吸收的主要场所，又是机体抵御外界病原微生物的第一道防线。饲料中镰刀菌毒素会损伤动物肠道组织，引起抗氧化和免疫系统的反应，同时对肠道二糖酶活性产生负面影响。但目前影响机制的研究相对较少，因此，关于镰刀菌毒素对动物肠道健康的影响及其机制研究将成为科研热点。