摘要：霉菌毒素的高毒性和强致癌性严重威胁动物生产性能和人类健康，每年给畜牧业和食品工业带来巨大经济损失。因物理和化学去毒方法存在诸多应用缺陷，故作为一种安全、高效、环保的方法，霉菌毒素生物降解法备受关注。本文对霉菌毒素毒性的作用机制、生物降解的研究进展进行综述，对目前生物降解研究存在的困难提出策略和建议，为饲料和食品中霉菌毒素的生物解毒提供理论基础和实践依据。

关键词：霉菌毒素; 生物降解; 微生物; 细菌; 酶

引言

霉菌毒素（mycotoxin）是霉菌在生长过程中产生的有毒次级代谢产物，主要包括黄曲霉毒素（aflatoxin，AF）、单端孢霉烯族毒素（trichothecenes，如T-2 毒素、新茄病镰刀菌烯醇NEO 和呕吐毒素DON）、玉米赤霉烯酮（zearalenone，ZEN）、赭曲霉毒素A（ochratoxin A，OTA）及烟曲霉毒素（fumonisins）等。谷物等原料在田间就会被霉菌污染，在运输、加工、储存过程中如果环境温度、湿度适合，霉菌会继续生长，毒素含量也会相继增加。据联合国粮农组织（FAO）估计，全世界每年有25%的谷物受到霉菌毒素的污染，平均有2%不能食用；加之因毒素污染导致动物中毒引起的疾病和死亡，给粮食工业和畜牧业造成巨大的经济损失。对中国28 个省市自治区194份饲料及原料玉米、麦麸的调查结果显示，DON、T-2毒素和ZEN 的污染率分别为50.0%、18.1%和26%。调查发现，动物性原料鱼粉同时被多种霉菌毒素污染的情况也很普遍。动物采食霉变饲料后，会引起体重下降或引发疾病。2003 年末至2004 年秋，由于养猪行业大量使用发霉玉米，动物出现多种并发传染病，养殖场出现难以控制的局面。据调查，仅河南省死亡猪只就达1 000 万头。如果以平均每头100 元计算，经济损失达10 亿元；如果再考虑饲料转化率低下、动物药品消耗增加，则2004 年中国范围仅养猪业损失就在100 亿元以上。霉变的饲料被动物采食后，毒素及其代谢产物可残留在畜产品及其加工制品中，通过食物链进入人体，这些具有极强致病及致癌作用的毒素严重威胁人类的健康。人类AF 急性中毒表现为急性肝炎，慢性中毒意味着肝细胞将发生癌变。1973 年，湖北省黄冈、天门等10 个县发生3 000 余人霉菌毒素中毒的现象，安徽省也有200 余人中毒。1991 年，安徽、河南部分地区因特大洪涝灾害造成粮食霉变，灾区民众出现较大范围的霉菌毒素中毒，一些地区的发病率超过70％。研究表明，肝癌高发区的地理分布与该地区食物被AF 污染程度呈正相关。中国有多个肝癌高发区，如江苏启东县及广西扶绥县，肝癌的平均发病率为61/10 万和130.8/10 万。对扶绥居民膳食原料的检测表明，样品中黄曲霉毒素B1（aflatoxin B1，AFB1）阳性率为48.8%、超标率为27.l%。因此，霉菌毒素污染已经成为全球畜禽饲料和人类食品安全无时不在的威胁因素；所以，有效控制和解决霉菌毒素对粮食和饲料的污染，对改善动物生产性能和提高人类食品安全有非常重要的意义。

传统的物理和化学方法去除霉菌毒素存在效果不稳定、营养成分损失大、饲料适口性差，难以规模化生产等缺点，较难广泛用于生产实践。微生物及生物酶解毒因具有效率高、特异性强、对饲料和环境无污染等特点和优势，备受研究者的关注。霉菌毒素生物降解指微生物、植物及其代谢产生的酶与毒素作用，使其分子结构中毒性基团被破坏而生成无毒降解产物的过程。本文综合霉菌毒素毒性作用机制、毒素生物降解的研究进展，提出了目前生物解毒存在的困难和今后霉菌毒素生物解毒研究策略，旨在对饲料和食品中霉菌毒素的生物防控及高效降解提供理论基础和实践依据。

1 霉菌毒素毒性作用机制

不同霉菌毒素中毒会引起动物不同的生理反应和临床症状。AF 是肝毒素，低剂量可致动物肝损伤、免疫机能抑制，长期接触可引发动物和人类癌变致死。单端孢霉烯族毒素大都属于组织刺激因子和致炎物质，可直接损伤动物消化道黏膜；中毒症状一般表现为食欲减退或废绝，胃肠炎症和出血，呕吐、腹泻等。ZEN 中毒的临床症状包括饲料转化率降低、器官重量变化、动物生育力下降及行为异常等。OTA 是肾毒素，中毒会引起肾皮质变性、髓质出血等病变。粮食和饲料中的霉菌毒素并非单一存在，当几种毒素协同作用时对动物健康和生长性能的毒害比一种毒素单独作用更大。霉菌毒素间的互作可改变动物中毒的临床症状，导致一系列诊断特征不同于单独毒素作用的症状之和。

霉菌毒素对动物的毒性作用机制归纳起来包括：①抑制蛋白质、DNA 和RNA 的合成。研究表明，AFB1被细胞色素P450（CYP450）酶氧化成代谢物AFB1-8，9-环氧化合物，其与鸟嘌呤N7 共价结合，在目标细胞中形成AFB1-N7-鸟嘌呤化合物，从而使核苷酸上的G 被T 取代，DNA 被修复、损伤、突变，最后导致癌变。单端孢霉烯毒素通过核糖体亚基结合位点而抑制肽转移酶活性，进而阻止蛋白质合成。动物细胞蛋白质合成减少导致胃肠道病变，包括坏死、肌胃糜烂、出血以及营养吸收障碍。②改变细胞膜结构，诱导细胞凋亡。T-2 毒素亲脂，能嵌入细胞质膜的脂质和蛋白质，干扰氨基酸、核苷酸、葡萄糖的转运及Ca-K离子通道的活性。③竞争受体的结合位点。ZEN 具有类雌激素作用，可与子宫内雌激素受体不可逆结合从而影响动物的生殖生理。④影响鞘脂的代谢。伏马毒素最主要的作用机制是通过抑制鞘氨醇N-酰基转移酶，打破血清、肝、肾中二氢鞘氨醇（Sa）与鞘氨醇（So）之间的平衡，影响鞘脂的代谢。⑤免疫损害。镰刀霉菌毒素和AF 均能破坏和抑制动物的免疫机能，导致动物对疾病的敏感性增加，出现持续性的健康问题，还可致免疫接种失败。⑥大脑神经化学改变。镰刀菌霉菌毒素具有药物活性作用，会影响大脑神经化学的改变，最常见的症状是导致大脑局部性5-羟色胺浓度上升，进而导致动物行为发生变化，如饲料采食量减少、肌肉协调性丧失、嗜睡等。

2 霉菌毒素生物降解研究进展

霉菌毒素在地球上的存在年限甚至比人类的历史还要悠久，虽然其性质稳定，但并未因毒素的积累而造成灾害，故推断自然界本身存在可降解毒素的微生物或其它因素。由于霉菌毒素的毒性与其分子结构中相应的毒性基团有关；因此，只有将各类毒素分子结构中的毒性基团彻底破坏或消除并使之生成无毒的代谢产物，才能从真正意义上解除毒素对动物和人的危害。以下将对AF 等主要毒素生物降解的研究进行综述，总结不同学者研究的效果和思路，综合考虑其实用性和应用价值，为今后霉菌毒素生物解毒提出切实可行的研究策略。

2.1 黄曲霉毒素生物降解的研究

在各类霉菌毒素中，AFB1 的毒性和危害性最大，其分子结构中双呋喃环及氧杂萘邻酮环与其毒性及致癌性密切相关。国内外对AF 生物降解的研究较早也较多，已发现许多真菌、细菌及其代谢产生的酶能够降解AF，目前也有关于植物提取物降解AF 的报道。随着分子生物学及生物技术的发展，降解AF 重组酶的研究将是未来的发展方向。

2.1.1 真菌降解黄曲霉毒素 较早报道的能生物降解AF 的真菌包括霉菌和食用真菌。霉菌有曲霉菌属（Aspergillus sp.）中的黄曲霉、寄生曲霉和少根曲霉，及根霉菌属（Rhizopus sp.）中的少根根霉、葡枝根霉等。孢霉（Dactylium dendroide）和茎点霉菌属（Phoma sp.）也能降解AFB1。报道的能降解AF 的真菌酶包括食用真菌糙皮侧耳（Pleurotusostreatus）和假密环菌（Armillariella tabescens）产生的酶，及来源于白腐真菌（Trametes versicolor）的真菌漆酶等。           

2.1.2 细菌降解黄曲霉毒素 报道的能降解AF的细菌不多，有橙色黄杆菌（Flavobacterium aurantiacum）、分支杆菌（Mycobacterium fluoranthenivorans）、红串红球菌（Rhodococcus erythropolis）和芽孢杆菌（Bacillus sp.）等，其解毒机理为酶解。

中国农业大学动物营养国家重点实验室对AF 生物降解进行了比较系统地研究，从动物粪便、发霉粮食、土壤等样品中得到 199 株细菌；再用AFB1 复筛得到26 株有降解活力的菌株；对其中降解活性大于75%的9 株细菌进行了形态学观察和16SrDNA 鉴定，这9株细菌分别为：嗜麦芽窄食单胞菌（Stenotrophomonas maltophilia）、橙红色黏球菌（Myxococcus fulvus）、枯草芽孢杆菌（ Bacillus subtilis ） 、克雷伯氏菌（Klebsiella sp.）、短波单胞菌（Brevundimonas sp.）、霍氏肠杆菌（Enterobacter hormaechei）、短状杆菌（Brachybacterium sp.）、纤维菌（Cellulosimicrobiumsp.）和炭疽芽孢杆菌（Bacillus anthracis）。

对其中解毒活性高的橙红色黏球菌的培养基和最佳发酵产酶条件进行了优化，在最佳发酵条件下黏球菌对AFB1 的降解率达到80.7%。进一步研究表明，菌胞外代谢物不但可以降解AFB1，对黄曲霉毒素G1（aflatoxin G1，AFG1）和黄曲霉毒素M1（aflatoxinM1，AFM1）也有较高的降解活性。运用蛋白分离纯化技术对黏细菌黄曲霉毒素解毒酶（MADE）进行分离纯化，得到分子质量约为32 kD 的纯酶。研究表明，该酶在pH 6、35℃时活性最佳。通过对比解毒酶处理前后质谱和红外光谱变化，推测其作用机理与AF中氧杂萘邻酮环的芳香内酯和甲氧基发生改变有关。MADE 是目前国内外首先发现并有深入研究的能降解AF 的细菌所产胞外酶。另外，筛选优化的枯草芽孢杆菌，发酵上清液降解AFB1 达到80%、降解AFG1 和AFM1 分别为86%和52%；其发酵液还能显著抑制大肠杆菌、沙门氏菌以及金黄色葡萄球菌，并在胃肠道内可以抵抗胃酸和胆盐，有促进动物生产性能的作用。

2.1.3 重组酶 关于重组酶生物降解AF 的研究较少，目前仅有两种AF 重组酶的相关报道。一种来源于白腐真菌的真菌漆酶，其在黑曲霉中表达的重组漆酶（118 U·L^-1）能降解55%的AFB1。另一种是来源于真菌假密环菌的黄曲霉毒素解毒酶（ADTZ）其在毕赤酵母中的重组酶（1.76 U·g^-1）仅降解25.52%的AFB1。尽管重组酶生物降解AF 的研究少、解毒效率低，但其可提高酶的产量；因此，重组酶的研究始终是毒素生物降解未来的发展方向。

2.2 单端孢霉烯族毒素、玉米赤霉烯酮、赭曲霉毒素生物降解的研究

除AF 生物降解的研究外，对污染粮食作物较为严重的单端孢霉烯族毒素、ZEN 和OTA 生物降解的研究也日趋得到重视。

单端孢霉烯族毒素主要的毒性基团是C-12, 13 环氧环，其次是C-9, 10 位双键，乙酰基和羟基的位置和数量也与毒性有关。该类毒素的生物降解包括毒素分子的去环氧化、脱乙酰、羟化、水解和糖苷化。早期报道的能生物降解此类毒素的微生物多来源于动物消化道的混合物。随着研究技术的进步，近年来一些能降解该类毒素的单一菌株得到分离鉴定。中国农业大学动物营养国家重点实验室与加拿大农业部食品研究所（AAFC，Canada）合作，从鲶鱼肠道内容物中分离筛选到能降解DON 的细菌（Acinetobacter sp., Pseudomonas poae, Leucobacter aridicollis, Empedobacter brevis），其组成的混合物C133 可将DON 降解成DOM-1。从牛瘤胃液分离出的优杆菌（Eubacterium sp.）能使DON 转化成去环氧化合物DOM-1。Yu等用PCR-DGGE 方法从鸡肠道中分离出能将降解DON 的梭菌（ clostridiales ） 、厌氧细杆菌（anaerofilum）、柯林斯氏菌（collinsella）和芽孢杆菌（bacillus）。

ZEN 是一类2, 4-二羟基苯甲酸的内酯化合物，酯环开环可使其毒性去除。粉红黏帚霉（Gliocladiumroseum ）和解毒毛孢酵母（ Trichosporon mycotoxinivorans）可使ZEN 开环生成无毒的非雌激素类化合物。最近报道，枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌也能降解ZEN。来源于粉红黏帚霉的内酯水解酶（lactonohydrolase）能使ZEN 转化成非雌激素化合物而成为无害的代谢物排出体外。来源于恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）降解ZEN 的解毒酶基因被克隆并成功转化到大肠杆菌中进行表达。

OTA 分子结构中苯丙氨酸基团是使母体化合物产生复杂毒力的基团，毒性基团被酶解破坏，其毒性可降低或去除。OTA 生化降解途径有两种：①OTA 酰胺键被水解成无毒的α-赭曲霉毒素（OTα）和L-β-苯丙氨酸；②推测OTA 分子中的内酯环被水解开环，然而开环产物的毒性有待进一步确定。一些细菌、霉菌、酵母和丝状真菌能生物降解OTA。生物降解OTA 的细菌有乙酸钙不动杆菌（Acinetobacter calcoaceticus）、乳杆菌（Lactobacillus sp.）、枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌。霉菌有曲霉属、根霉菌、毛孢子菌属（Trichosporon sp.）等。酵母包括红酵母属（ Rhodotorula sp. ） 、酿酒酵母（ Saccharomyces cerevisiae）、解毒毛孢酵母；白腐真菌糙皮侧耳和黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）也能将OTA 转化成OTα。研究表明，源于牛肝菌属（Bovinus bovis）的羧肽酶A（CPA）、酿酒酵母的羧肽酶Y（CPY）和黑曲霉的脂肪酶均能生化转化OTA。

3 目前霉菌毒素生物降解研究存在的困难及策略

从现有霉菌毒素生物降解的研究成果得出，一些霉菌在降解毒素的同时也能产生毒素；因此，实际生产中较少考虑用霉菌进行解毒；一些真菌与动物真菌性疾病有关也不适合用于实际生产；食用真菌虽有较好的解毒效果，但起作用的真菌酶多源于胞内，产量极低，不易进行提取、纯化，限制了对酶学性质的深入研究；细菌因其繁殖周期短，胞外酶产量相对较多，易于分离纯化，酶活损失少，且部分细菌自身兼有益生性、抗逆性或木聚糖酶、纤维素酶活性，较适于实际生产的应用。因此，寻找和筛选能降解霉菌毒素的细菌，对其所产胞外解毒酶进行特性研究及对解毒酶基因进行克隆和表达是霉菌毒素生物降解研究领域重要突破点和发展方向。

自然条件下，动物出现生长发育性能下降等中毒现象可能是由霉菌毒素间的相互作用造成的。目前，对霉菌毒素生物解毒的研究主要侧重于对降解单一毒素菌株的筛选及解毒能力的研究，对于筛选出高活性、同时降解多种毒素的菌株研究甚少，成效甚微；因此，对筛选能高效去除多种霉菌毒素的微生物，并对其分泌的复合解毒酶进行分离纯化也是成功控制霉菌毒素的关键。研究表明，芽孢杆菌具有较理想的解毒效果，同时因其自身的益生作用，所以未来在开发芽孢杆菌新型饲料和食品酶制剂方面有一定的应用前景。关于霉菌毒素解毒机理及解毒酶特性也缺乏深入的研究和探讨。解毒机理的研究因其涉及毒理学、代谢动力学、分析化学及生物化学等多学科知识，试验过程复杂，所需试验仪器精密，检测费用昂贵等原因限制了对其进行深入研究，也从一定程度上制约了霉菌毒素生物降解研究的进展。

因微生物降解酶分离纯化过程复杂、酶活不稳定、酶作用条件苛刻，较难用于实际生产，故需要考虑应用现代分子生物学方法及基因工程手段将活性高的解毒酶基因进行克隆和高效表达，实现规模化生产。然而解毒酶基因序列的寻找有一定的复杂性和多变性，因此能否准确获得解毒酶基因全长序列直接影响该酶体外表达的酶活。除传统研究方法外，目前还有报道通过分子生物学转座子诱变方法对解毒酶基因进行寻找。随着生物技术和基因工程技术的发展，相信一定能够分离纯化出高活性的解毒酶基因并将其转化到表达系中进行高效表达，在一个表达系表达一种或多种解毒酶，生产出高效、安全的霉菌毒素降解酶，尽管这是一个艰难、复杂的过程。

4 结语

霉菌毒素污染范围广泛，危害程度严重，如何有效防控和降解饲料和食品中的霉菌毒素始终是畜牧业和食品工业亟待解决的科学难题。霉菌毒素生物降解作为一种安全、高效、环保的方法具有特殊性和必要性，备受研究者的关注，现有生物降解的研究成果为饲料和食品中霉菌毒素的生物解毒提供了理论基础和实践依据。随着现代分子生物学技术的发展及其在饲料行业中的应用，已经出现许多微生物酶制剂；其中，应用最广、效果最好的酶制剂有植酸酶、葡聚糖酶和戊聚糖酶，期望微生物来源的霉菌毒素解毒酶是下一个给饲料工业和畜牧业带来价值和效益的新型酶制剂。