乳酸菌吸附重金属研究进展

刘少莉，杨贞耐*

（北京工商大学，食品添加剂与配料北京高校工程研究中心，北京食品营养与人类健康高精尖创新中心，北京 100048）

20世纪以来，随着科学技术的迅速发展，工业生产和城市现代化建设得到飞速推进。在促进经济发展、提高人民生活水平的同时，污染也在不断加剧。工业“三废”、矿业发展、机动车尾气排放、污水灌溉及农药、除草剂、化肥等的滥用导致土壤、水质中存在着严重的重金属污染[1-4]。重金属在自然环境中很难被降解或转化，使农作物、水产品、果蔬等生物体内积累了大量重金属，通过食物链进行生物富集，最终对人体健康造成严重危害[5]。研究表明，重金属一般能通过消化系统和呼吸系统进入机体，当积累超过一定限量会对人体脏器、神经系统、免疫系统和生殖系统等造成损害，严重时有一定的致畸、致癌、致突变风险[5-6]。因此，有效去除重金属对维持生态平衡和人体健康有着至关重要的作用。

目前，重金属污染的清除手段主要包括物理沉积法、化学方法和生物吸附方法。与另外2 种方法相比，生物吸附方法中的微生物吸附具有高效无毒、环保经济、无二次污染等优点，逐渐成为清除重金属污染的研究热点[7]。常见的微生物吸附剂有细菌、真菌和藻类[7]，而乳酸菌由于具有多种生理功能，并且是人及动物肠道内的优势菌群和安全的食品级微生物，因此广泛应用于食品加工、微生态制剂及医药开发等领域[8-9]。近些年来，越来越多的研究表明乳酸菌具有吸附多种重金属的能力[10-13]，因此深入研究乳酸菌对重金属的吸附机理对减少重金属污染、保障食品安全和人体健康具有重要意义。本文对近些年国内外乳酸菌对重金属吸附的机理进行总结和展望，为此领域的研究提供借鉴和参考。

1 重金属污染的来源及危害

重金属是指密度大于4.5 g/cm3的金属元素，真正划入重金属的有以下10 种元素：铜、铅、锌、锡、镍、钴、锑、汞、镉和铋。环境中的重金属污染主要来源于工业污染、交通污染和生活垃圾污染。食品中的重金属污染大多来源于含有重金属的植物性或动物性原材料，其次来源于食品的加工和贮藏过程[14]。

重金属超标对土壤的毒害作用非常大，严重时会不利于作物的生长，导致直接的经济损失[15]。对于水生生物来说，重金属也会影响其正常的生理代谢和生长发育[16]。而重金属污染均会随食物链逐级富集，最终危害到人类健康。研究表明，重金属通过呼吸系统和消化系统进入机体后，逐渐蓄积，超过一定限量则会严重影响人体正常生理功能，造成慢性中毒[17]。食品中汞对人体的损伤主要通过抑制β-微管蛋白、破坏线粒体功能等损害人体中枢神经系统[18]。镉主要通过与含羟基、氨基、巯基的蛋白质分子结合，形成的复合物对巯基酶活性具有较强的抑制作用，从而对人体的免疫系统、肾脏及骨骼造成损害[19-20]。砷化合物中毒性最强的是三价砷，三价砷进入机体后引起慢性砷中毒，并通过与机体细胞酶系统结合导致酶失活，影响身体各组织器官的正常功能，严重时则会致癌和致畸[21]。铅进入机体后与线粒体及线粒体膜、细胞膜上的蛋白质相结合，或者与含氮、氧、硫基团有机物相结合，形成大分子复合物，抑制ATP酶活性，使机体无法合成能量。铅对机体免疫系统、神经系统、造血系统和肝、肾、脑组织等器官等产生有毒作用，引起厌食症、慢性肾病、神经元损伤和阿尔茨海默症等疾病[22]。

2 乳酸菌对重金属吸附的研究进展

乳酸菌是能够发酵糖类形成乳酸的革兰氏阳性细菌的统称，大部分被认为是非致病性的、安全级的微生物。乳酸菌参与体内的代谢活动，具有重要的益生特性：缓解乳糖不耐症、促进营养物质的吸收、改善机体免疫力、有效预防和治疗疾病。目前，大量研究表明乳酸菌具有吸附重金属的作用。Hyun等[23]在研究中发现，重金属暴露会破坏肠道屏障，从而改变肠道通透性，并被机体吸收。夏爽[24]、Lorenzo[25]等研究表明，具有吸附能力的菌株对重金属有一定的耐受性，能够修复对肠道造成的氧化应激损伤，提高宿主肠道功能，屏障对重金属的吸收。

目前已发现乳酸杆菌属（Lactobacillus）、魏斯氏菌属（Weissella）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）、肠球菌属（Enterococcus）、明串珠菌属（Leuconostoc）及片球菌属（Pediococcus）等乳酸菌具有吸附重金属的能力[26]。

翟齐啸[27]研究发现，植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）CCFM 8610不仅有较好的抗氧化性，而且具有很强的镉吸收能力，菌体对镉的最大吸附率为（31.34±0.14）%。另外，该研究还指出，植物乳杆菌CCFM 8610可修复镉暴露对细胞造成的氧化应激反应，调节细胞免疫应答，并保护细胞活性。Kinoshita等[28]从牛肠道环境中分离获得绿色魏斯氏菌（Weissella viridescens）MYU205，并研究菌株的生物吸附作用，结果表明，绿色魏斯氏菌MYU205对柠檬酸缓冲液（pH 6.0）中的二价镉具有较高的吸附能力，当菌株浓度为1×107个/mL时吸附率达（19.6±1.9）%，菌株浓度为1×108个/mL时吸附率达（40.8±2.3）%，当菌株浓度为1×109个/mL时吸附率达（66.7±1.3）%。熊婧[29]从土壤和人粪便中分离出4 株对镉具有高耐受性的肠球菌，其对水中镉的吸附力为21.0%～31.4%。Bhakta等[30]从淤泥样品中分离筛选出具有良好肠道黏着力的菌株罗伊氏乳酸杆菌（Lactobacillus reuteri）Cd70-13，其对MRS培养基中镉的清除率为25%。Topcu等[31]研究商业菌株屎肠球菌（Enterococcus faecium）EF031和M74对镉和铅的清除效率，结果表明，在pH 5的水溶液中吸附48 h后，屎肠球菌EF031对镉的清除率为77.3%～98.1%，屎肠球菌M74对镉的清除率为53.5%～91.0%，并且吸附过程较快，1 h即可吸附占总量60.0%的镉。

Kinoshita等[28]分离筛选出11 株对重金属具有良好吸附特性的乳酸菌，这些乳酸菌来源于日本泡菜、韩国泡菜、牛和猪肠道、清酒及乳酪等，其中清酒乳杆菌（Lactobacillus sakei）MYU 10和绿色魏斯氏菌（W. viridescens）MYU 205对MRS培养基中的汞具有良好的吸附能力，吸附率分别达99.1%和77.8%，平均每个细胞吸附0.198 pg和0.052 pg汞。Jadán-Piedra等[32]研究发现，将10 株乳酸菌加入含有汞（Ⅱ）或甲基汞的水溶液或食品样品中，并将混合物加入到模拟胃肠消化环境下，所有菌株在胃肠道消化条件下均能吸附汞和甲基汞，其中干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）BL23对汞（Ⅱ）和甲基汞的吸附率分别达72%～98%和74%～97%。

于上富等[13]筛选出德氏乳杆菌（Lactobacillus delbrueckii）KLDS 1.0207，其对水中铅离子的最高去除率为95.17%。满兆红等[33]从鸡的肠道中分离筛选出8 株对铅具有高耐受性的乳酸菌，其中屎肠球菌（E. faecium）JT1可耐受800 mg/L的Pb2＋，体外铅吸附率达66.95%。Topcu等[31]研究表明，屎肠球菌（E. faecium）M74和屎肠球菌（E. faecium）EF031对水中铅的吸附率分别达42.9%～93.1%和66.9%～98.9%。徐颖等[34]研究表明，双歧杆菌（Bifidobacteria，BB）、鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus，LR）对铅的耐受性较好，吸附率分别为97.44%和96.87%。Halttunen等[35]研究发现，菌株长双歧杆菌（B. longum）46对PBS溶液中铅的最大吸附量为175.7 mg/g。其后续研究表明，菌株B. longum46和发酵乳杆菌（Lactobacillus fermentum）ME3通过细胞表面的静电作用来吸附大量的铅颗粒[36]。贾原博等[37]从稀土矿区的土壤和淤泥中分离筛选得到62 株对铅具有一定耐受能力的乳酸菌，随着培养时间的延长，菌株对铅离子的吸附能力增强，其中13 株菌株表现出对铅的较强耐受性，植物乳杆菌BY-Fa1、BG-Fc2和清酒乳杆菌BG-6b1对铅的最大耐受质量浓度为8 400 mg/L。

3 乳酸菌对重金属的吸附机制

近些年，微生物对重金属的吸附机制一直是国内外学者研究的热门课题，但至今仍没有形成全面、详细的理论体系。这主要是由微生物的广泛性、多样性以及金属溶液组成的复杂性决定的[38]。目前，微生物对重金属的吸附过程一般分为2 个阶段，即生物吸附和生物积累[39]。

生物吸附，又称胞外结合或细胞表面吸附，属于被动吸附。该阶段通过细胞表面的官能团及胞外产物进行结合，此过程快速、可逆且无能量代谢[26]。生物吸附的过程包括表面络合、胞外沉淀及离子交换等作用[40]。乳酸菌作为典型的革兰氏阳性菌，细胞壁的组成主要包括肽聚糖、磷壁酸、多糖和蛋白质，这些组分均能参与重金属吸附过程[41]。肽聚糖和磷壁酸组成的致密网状结构有利于吸附重金属离子，其表面羧基、羰基和磷酸二酯键等负电荷基团可与重金属结合形成络合物，金属被吸附固定在细胞表面。有研究表明，带负电荷的－COOH和－NH2能够结合镉离子[27]。而且有研究显示，乳酸杆菌的细胞壁表面带有负电荷的官能团和丰富的S层蛋白[42]，这些形成了金属结合位点，具有低特异性，因此能有效地结合重金属离子。Gerbino等[43]通过红外光谱对高加索乳酸杆菌（Lactobacillus kefir）的S层蛋白进行分析，发现较小的金属离子（Ni＋、Zn2＋）比大的金属离子（Pb＋）更容易进入生物膜内部，这是由于较小的金属离子更容易穿过S层并干扰细胞结构，破坏生物膜的稳定性；研究结果还表明，S层蛋白与重金属间的交互作用是通过谷氨酸和天冬氨酸残基侧链上的羧基进行吸附的。Avall-Jääskeläinen等[44]的研究也表明，短乳杆菌（Lactobacillus brevis）细胞表面的S层蛋白具有结合Cd2＋的能力。胞外多糖作为乳酸菌重要的代谢产物，其种类繁多、组成复杂，化学结构差异较大，决定了菌株对重金属的吸附能力。有研究表明，植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）胞外多糖中的一些官能团（如－COOH、－NH2、－COO和－OH）参与了Pb＋的吸附过程[45]。

生物积累属于主动吸收，通过细胞表面的一些转运蛋白将表面吸附的重金属转移至胞内，并在细胞中积累。此过程较为缓慢、不可逆、依赖于能量及代谢系统的调控[26]。生物积累过程包括跨膜运输、胞内积累、细胞生理代谢和自身调节机制等[46-47]。有研究表明，重金属可被乳酸菌胞外多糖吸附并转运至细胞膜内，所以细胞内的金属离子随着时间增加而增加[48]。乳酸菌可以将金属从细胞外通过细胞膜转运到细胞质中，并被隔离到特定部位，或者在细胞质中被胞内蛋白质结合或被隔离分开，以防止破坏细胞内结构[49]。

此外，国内外学者对乳酸菌吸附重金属的分子生物学机制也进行了研究。Tong Yanjun等[50]通过实时定量聚合酶链式反应（quantitative real-time polymerase chain reaction，qRT-PCR）证明L. plantarumCCFM436的转运蛋白MntH1-3是潜在的输送蛋白，介导Mn2＋的跨膜运输。该研究表明，L. plantarumMntH1-3受MntR的负调控来维持细胞内Mn2＋的正常浓度。肖越[51]对镉敏感植物乳杆菌CCFM191和镉耐受植物乳杆菌CCFM8610菌株进行蛋白质组学和比较代谢组学分析。结果表明，二者的差异蛋白主要涉及能量代谢、嘌呤和嘧啶代谢、脂质及氨基酸代谢、细胞壁生物合成以及物质转运等生物学过程。差异代谢物质主要参与氨基酸代谢、碳代谢、核酸代谢、脂质代谢及转运代谢等过程。

4 结 语

近些年来，不断加剧的重金属污染对生态平衡、经济效益和人类健康都造成了严重损害。能利用安全、有效的乳酸菌对重金属进行吸附是目前研究的重要趋势，该领域的研究已引起人们的重视，并取得一定的研究成果。但是至今没有形成一套完整的理论体系，特别是分子生物学方面的机理阐述。因此，针对乳酸菌吸附重金属的研究不仅要筛选更多、更有效、更耐受的菌株，而且对其机理的研究也要更加深入、系统，形成扎实的理论基础，并结合基因工程技术构建具有高耐受性、高吸附能力的菌株，建立优势菌种库，进一步挖掘此类乳酸菌在环境、食品等领域中的大规模应用，为重金属污染的清除做出贡献。