乳酸菌吸附重金屬研究進展

劉少莉，楊貞耐*

（北京工商大學(xué)，食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心，北京 100048）

20世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)和城市現(xiàn)代化建設(shè)得到飛速推進。在促進經(jīng)濟發(fā)展、提高人民生活水平的同時，污染也在不斷加劇。工業(yè)“三廢”、礦業(yè)發(fā)展、機動車尾氣排放、污水灌溉及農(nóng)藥、除草劑、化肥等的濫用導(dǎo)致土壤、水質(zhì)中存在著嚴(yán)重的重金屬污染[1-4]。重金屬在自然環(huán)境中很難被降解或轉(zhuǎn)化，使農(nóng)作物、水產(chǎn)品、果蔬等生物體內(nèi)積累了大量重金屬，通過食物鏈進行生物富集，最終對人體健康造成嚴(yán)重危害[5]。研究表明，重金屬一般能通過消化系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)進入機體，當(dāng)積累超過一定限量會對人體臟器、神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)等造成損害，嚴(yán)重時有一定的致畸、致癌、致突變風(fēng)險[5-6]。因此，有效去除重金屬對維持生態(tài)平衡和人體健康有著至關(guān)重要的作用。

目前，重金屬污染的清除手段主要包括物理沉積法、化學(xué)方法和生物吸附方法。與另外2 種方法相比，生物吸附方法中的微生物吸附具有高效無毒、環(huán)保經(jīng)濟、無二次污染等優(yōu)點，逐漸成為清除重金屬污染的研究熱點[7]。常見的微生物吸附劑有細(xì)菌、真菌和藻類[7]，而乳酸菌由于具有多種生理功能，并且是人及動物腸道內(nèi)的優(yōu)勢菌群和安全的食品級微生物，因此廣泛應(yīng)用于食品加工、微生態(tài)制劑及醫(yī)藥開發(fā)等領(lǐng)域[8-9]。近些年來，越來越多的研究表明乳酸菌具有吸附多種重金屬的能力[10-13]，因此深入研究乳酸菌對重金屬的吸附機理對減少重金屬污染、保障食品安全和人體健康具有重要意義。本文對近些年國內(nèi)外乳酸菌對重金屬吸附的機理進行總結(jié)和展望，為此領(lǐng)域的研究提供借鑒和參考。

1 重金屬污染的來源及危害

重金屬是指密度大于4.5 g/cm3的金屬元素，真正劃入重金屬的有以下10 種元素：銅、鉛、鋅、錫、鎳、鈷、銻、汞、鎘和鉍。環(huán)境中的重金屬污染主要來源于工業(yè)污染、交通污染和生活垃圾污染。食品中的重金屬污染大多來源于含有重金屬的植物性或動物性原材料，其次來源于食品的加工和貯藏過程[14]。

重金屬超標(biāo)對土壤的毒害作用非常大，嚴(yán)重時會不利于作物的生長，導(dǎo)致直接的經(jīng)濟損失[15]。對于水生生物來說，重金屬也會影響其正常的生理代謝和生長發(fā)育[16]。而重金屬污染均會隨食物鏈逐級富集，最終危害到人類健康。研究表明，重金屬通過呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng)進入機體后，逐漸蓄積，超過一定限量則會嚴(yán)重影響人體正常生理功能，造成慢性中毒[17]。食品中汞對人體的損傷主要通過抑制β-微管蛋白、破壞線粒體功能等損害人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)[18]。鎘主要通過與含羥基、氨基、巰基的蛋白質(zhì)分子結(jié)合，形成的復(fù)合物對巰基酶活性具有較強的抑制作用，從而對人體的免疫系統(tǒng)、腎臟及骨骼造成損害[19-20]。砷化合物中毒性最強的是三價砷，三價砷進入機體后引起慢性砷中毒，并通過與機體細(xì)胞酶系統(tǒng)結(jié)合導(dǎo)致酶失活，影響身體各組織器官的正常功能，嚴(yán)重時則會致癌和致畸[21]。鉛進入機體后與線粒體及線粒體膜、細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)相結(jié)合，或者與含氮、氧、硫基團有機物相結(jié)合，形成大分子復(fù)合物，抑制ATP酶活性，使機體無法合成能量。鉛對機體免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)和肝、腎、腦組織等器官等產(chǎn)生有毒作用，引起厭食癥、慢性腎病、神經(jīng)元損傷和阿爾茨海默癥等疾病[22]。

2 乳酸菌對重金屬吸附的研究進展

乳酸菌是能夠發(fā)酵糖類形成乳酸的革蘭氏陽性細(xì)菌的統(tǒng)稱，大部分被認(rèn)為是非致病性的、安全級的微生物。乳酸菌參與體內(nèi)的代謝活動，具有重要的益生特性：緩解乳糖不耐癥、促進營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、改善機體免疫力、有效預(yù)防和治療疾病。目前，大量研究表明乳酸菌具有吸附重金屬的作用。Hyun等[23]在研究中發(fā)現(xiàn)，重金屬暴露會破壞腸道屏障，從而改變腸道通透性，并被機體吸收。夏爽[24]、Lorenzo[25]等研究表明，具有吸附能力的菌株對重金屬有一定的耐受性，能夠修復(fù)對腸道造成的氧化應(yīng)激損傷，提高宿主腸道功能，屏障對重金屬的吸收。

目前已發(fā)現(xiàn)乳酸桿菌屬（Lactobacillus）、魏斯氏菌屬（Weissella）、雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）、腸球菌屬（Enterococcus）、明串珠菌屬（Leuconostoc）及片球菌屬（Pediococcus）等乳酸菌具有吸附重金屬的能力[26]。

翟齊嘯[27]研究發(fā)現(xiàn)，植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）CCFM 8610不僅有較好的抗氧化性，而且具有很強的鎘吸收能力，菌體對鎘的最大吸附率為（31.34±0.14）%。另外，該研究還指出，植物乳桿菌CCFM 8610可修復(fù)鎘暴露對細(xì)胞造成的氧化應(yīng)激反應(yīng)，調(diào)節(jié)細(xì)胞免疫應(yīng)答，并保護細(xì)胞活性。Kinoshita等[28]從牛腸道環(huán)境中分離獲得綠色魏斯氏菌（Weissella viridescens）MYU205，并研究菌株的生物吸附作用，結(jié)果表明，綠色魏斯氏菌MYU205對檸檬酸緩沖液（pH 6.0）中的二價鎘具有較高的吸附能力，當(dāng)菌株濃度為1×107個/mL時吸附率達（19.6±1.9）%，菌株濃度為1×108個/mL時吸附率達（40.8±2.3）%，當(dāng)菌株濃度為1×109個/mL時吸附率達（66.7±1.3）%。熊婧[29]從土壤和人糞便中分離出4 株對鎘具有高耐受性的腸球菌，其對水中鎘的吸附力為21.0%～31.4%。Bhakta等[30]從淤泥樣品中分離篩選出具有良好腸道黏著力的菌株羅伊氏乳酸桿菌（Lactobacillus reuteri）Cd70-13，其對MRS培養(yǎng)基中鎘的清除率為25%。Topcu等[31]研究商業(yè)菌株屎腸球菌（Enterococcus faecium）EF031和M74對鎘和鉛的清除效率，結(jié)果表明，在pH 5的水溶液中吸附48 h后，屎腸球菌EF031對鎘的清除率為77.3%～98.1%，屎腸球菌M74對鎘的清除率為53.5%～91.0%，并且吸附過程較快，1 h即可吸附占總量60.0%的鎘。

Kinoshita等[28]分離篩選出11 株對重金屬具有良好吸附特性的乳酸菌，這些乳酸菌來源于日本泡菜、韓國泡菜、牛和豬腸道、清酒及乳酪等，其中清酒乳桿菌（Lactobacillus sakei）MYU 10和綠色魏斯氏菌（W. viridescens）MYU 205對MRS培養(yǎng)基中的汞具有良好的吸附能力，吸附率分別達99.1%和77.8%，平均每個細(xì)胞吸附0.198 pg和0.052 pg汞。Jadán-Piedra等[32]研究發(fā)現(xiàn)，將10 株乳酸菌加入含有汞（Ⅱ）或甲基汞的水溶液或食品樣品中，并將混合物加入到模擬胃腸消化環(huán)境下，所有菌株在胃腸道消化條件下均能吸附汞和甲基汞，其中干酪乳桿菌（Lactobacillus casei）BL23對汞（Ⅱ）和甲基汞的吸附率分別達72%～98%和74%～97%。

于上富等[13]篩選出德氏乳桿菌（Lactobacillus delbrueckii）KLDS 1.0207，其對水中鉛離子的最高去除率為95.17%。滿兆紅等[33]從雞的腸道中分離篩選出8 株對鉛具有高耐受性的乳酸菌，其中屎腸球菌（E. faecium）JT1可耐受800 mg/L的Pb2＋，體外鉛吸附率達66.95%。Topcu等[31]研究表明，屎腸球菌（E. faecium）M74和屎腸球菌（E. faecium）EF031對水中鉛的吸附率分別達42.9%～93.1%和66.9%～98.9%。徐穎等[34]研究表明，雙歧桿菌（Bifidobacteria，BB）、鼠李糖乳桿菌（Lactobacillus rhamnosus，LR）對鉛的耐受性較好，吸附率分別為97.44%和96.87%。Halttunen等[35]研究發(fā)現(xiàn)，菌株長雙歧桿菌（B. longum）46對PBS溶液中鉛的最大吸附量為175.7 mg/g。其后續(xù)研究表明，菌株B. longum46和發(fā)酵乳桿菌（Lactobacillus fermentum）ME3通過細(xì)胞表面的靜電作用來吸附大量的鉛顆粒[36]。賈原博等[37]從稀土礦區(qū)的土壤和淤泥中分離篩選得到62 株對鉛具有一定耐受能力的乳酸菌，隨著培養(yǎng)時間的延長，菌株對鉛離子的吸附能力增強，其中13 株菌株表現(xiàn)出對鉛的較強耐受性，植物乳桿菌BY-Fa1、BG-Fc2和清酒乳桿菌BG-6b1對鉛的最大耐受質(zhì)量濃度為8 400 mg/L。

3 乳酸菌對重金屬的吸附機制

近些年，微生物對重金屬的吸附機制一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱門課題，但至今仍沒有形成全面、詳細(xì)的理論體系。這主要是由微生物的廣泛性、多樣性以及金屬溶液組成的復(fù)雜性決定的[38]。目前，微生物對重金屬的吸附過程一般分為2 個階段，即生物吸附和生物積累[39]。

生物吸附，又稱胞外結(jié)合或細(xì)胞表面吸附，屬于被動吸附。該階段通過細(xì)胞表面的官能團及胞外產(chǎn)物進行結(jié)合，此過程快速、可逆且無能量代謝[26]。生物吸附的過程包括表面絡(luò)合、胞外沉淀及離子交換等作用[40]。乳酸菌作為典型的革蘭氏陽性菌，細(xì)胞壁的組成主要包括肽聚糖、磷壁酸、多糖和蛋白質(zhì)，這些組分均能參與重金屬吸附過程[41]。肽聚糖和磷壁酸組成的致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利于吸附重金屬離子，其表面羧基、羰基和磷酸二酯鍵等負(fù)電荷基團可與重金屬結(jié)合形成絡(luò)合物，金屬被吸附固定在細(xì)胞表面。有研究表明，帶負(fù)電荷的－COOH和－NH2能夠結(jié)合鎘離子[27]。而且有研究顯示，乳酸桿菌的細(xì)胞壁表面帶有負(fù)電荷的官能團和豐富的S層蛋白[42]，這些形成了金屬結(jié)合位點，具有低特異性，因此能有效地結(jié)合重金屬離子。Gerbino等[43]通過紅外光譜對高加索乳酸桿菌（Lactobacillus kefir）的S層蛋白進行分析，發(fā)現(xiàn)較小的金屬離子（Ni＋、Zn2＋）比大的金屬離子（Pb＋）更容易進入生物膜內(nèi)部，這是由于較小的金屬離子更容易穿過S層并干擾細(xì)胞結(jié)構(gòu)，破壞生物膜的穩(wěn)定性；研究結(jié)果還表明，S層蛋白與重金屬間的交互作用是通過谷氨酸和天冬氨酸殘基側(cè)鏈上的羧基進行吸附的。Avall-J??skel?inen等[44]的研究也表明，短乳桿菌（Lactobacillus brevis）細(xì)胞表面的S層蛋白具有結(jié)合Cd2＋的能力。胞外多糖作為乳酸菌重要的代謝產(chǎn)物，其種類繁多、組成復(fù)雜，化學(xué)結(jié)構(gòu)差異較大，決定了菌株對重金屬的吸附能力。有研究表明，植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）胞外多糖中的一些官能團（如－COOH、－NH2、－COO和－OH）參與了Pb＋的吸附過程[45]。

生物積累屬于主動吸收，通過細(xì)胞表面的一些轉(zhuǎn)運蛋白將表面吸附的重金屬轉(zhuǎn)移至胞內(nèi)，并在細(xì)胞中積累。此過程較為緩慢、不可逆、依賴于能量及代謝系統(tǒng)的調(diào)控[26]。生物積累過程包括跨膜運輸、胞內(nèi)積累、細(xì)胞生理代謝和自身調(diào)節(jié)機制等[46-47]。有研究表明，重金屬可被乳酸菌胞外多糖吸附并轉(zhuǎn)運至細(xì)胞膜內(nèi)，所以細(xì)胞內(nèi)的金屬離子隨著時間增加而增加[48]。乳酸菌可以將金屬從細(xì)胞外通過細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運到細(xì)胞質(zhì)中，并被隔離到特定部位，或者在細(xì)胞質(zhì)中被胞內(nèi)蛋白質(zhì)結(jié)合或被隔離分開，以防止破壞細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)[49]。

此外，國內(nèi)外學(xué)者對乳酸菌吸附重金屬的分子生物學(xué)機制也進行了研究。Tong Yanjun等[50]通過實時定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（quantitative real-time polymerase chain reaction，qRT-PCR）證明L. plantarumCCFM436的轉(zhuǎn)運蛋白MntH1-3是潛在的輸送蛋白，介導(dǎo)Mn2＋的跨膜運輸。該研究表明，L. plantarumMntH1-3受MntR的負(fù)調(diào)控來維持細(xì)胞內(nèi)Mn2＋的正常濃度。肖越[51]對鎘敏感植物乳桿菌CCFM191和鎘耐受植物乳桿菌CCFM8610菌株進行蛋白質(zhì)組學(xué)和比較代謝組學(xué)分析。結(jié)果表明，二者的差異蛋白主要涉及能量代謝、嘌呤和嘧啶代謝、脂質(zhì)及氨基酸代謝、細(xì)胞壁生物合成以及物質(zhì)轉(zhuǎn)運等生物學(xué)過程。差異代謝物質(zhì)主要參與氨基酸代謝、碳代謝、核酸代謝、脂質(zhì)代謝及轉(zhuǎn)運代謝等過程。

4 結(jié) 語

近些年來，不斷加劇的重金屬污染對生態(tài)平衡、經(jīng)濟效益和人類健康都造成了嚴(yán)重?fù)p害。能利用安全、有效的乳酸菌對重金屬進行吸附是目前研究的重要趨勢，該領(lǐng)域的研究已引起人們的重視，并取得一定的研究成果。但是至今沒有形成一套完整的理論體系，特別是分子生物學(xué)方面的機理闡述。因此，針對乳酸菌吸附重金屬的研究不僅要篩選更多、更有效、更耐受的菌株，而且對其機理的研究也要更加深入、系統(tǒng)，形成扎實的理論基礎(chǔ)，并結(jié)合基因工程技術(shù)構(gòu)建具有高耐受性、高吸附能力的菌株，建立優(yōu)勢菌種庫，進一步挖掘此類乳酸菌在環(huán)境、食品等領(lǐng)域中的大規(guī)模應(yīng)用，為重金屬污染的清除做出貢獻。