摘要
重金属是环境的主要污染物之一，由于其难以在环境中转化和降解，且易通过食物链蓄积，严重威胁人体健康。近年来，虽然生物吸附剂去除重金属的研究比较热门，但应用到体内作为重金属生物吸附剂的研究还处于起步阶段。越来越多的学者发现乳酸菌能够有效去除水环境中重金属，表明乳酸菌具有缓解重金属毒性的可行性。但是重金属对乳酸菌和肠道微生物的影响以及剂量效应关系等科学问题不清楚。本研究在研究重金属对乳酸菌和肠道微生物生长机制的基础上，基于乳酸菌对重金属的吸附去除作用，探讨应用于人体食品重金属污染通过肠道微生物去除的可能性。获得如下创新性结果： （1）本研究从人体粪便中筛选到 5 株乳酸菌，经 16S rDNA 测序和鉴定，为Lactobacillus plantarum（植物乳杆菌）、Lactococcus lactis（乳酸乳球菌）、Lactobacillus fermentium（发酵乳杆菌）、Lactobacillus gasseri（加士乳杆菌）、Lactobacillus brevis （短乳杆菌）。经过正交试验获得三株耐受重金属 Cr6+、Cd2+、Cu2+的菌株，Lf3.2 （Lactobacillus fermentium）、Ll6064（Lactococcus lactis）、Lp121（Lactobacillus plantarum）。这三株乳酸菌对Cr6+、Cd2+、Cu2+的吸附能力最强。Cr6+、Cd2+、Cu2+被吸附的最适浓度分别为3 mg/L、0.2 mg/L、10 mg/L；最适菌体浓度分别为3×109 CFU/mL、4×109 CFU/mL、5×109 CFU/mL；最适pH分别为6、7、6；最适吸附时间分别为4 h、2.5 h、1.5 h。 （2）乳酸菌在塑化剂（DBP）和重金属离子双重暴露下，吸附重金属的能力没有受到显著影响；乳酸菌在剥离了细胞壁之后，其吸附重金属效果会显著降低；在体外模拟动态小鼠消化系统中，乳酸菌能够吸附重金属排出体外，有效的减少Cr6+、Cd2+、Cu2+在小鼠胃肠道的残留。 （3）当重金属 Cr6+、Cd2+、Cu2+的浓度分别达到 2 mg/L，1 mg/L和 2 mg/L以上时，乳酸菌的对数生长期间隔延长，最大菌体量减少。当Cr6+、Cd2+、Cu2+的浓度达到20 mg/L、10 mg/L和10 mg/L时，抑制了乳酸菌的生长，傅里叶红外光谱结果显示Cr6+对菌株Ll6064官能团3397 cm-1（-COOH）和2927 cm-1（-CH2-）产生影响；Cd2+对菌株Lf3.2官能团3385 cm-1（-COOH）、1653 cm-1 （-O=C-N-)、 1455 cm-1 (-C=C-)产生了影响；Cu2+对菌株 Lp121官能团的影响为 2360 cm-1（-O=C=O-)和 1058 cm-1 （-N-H）等。该浓度重金属使乳酸菌形态也发生改变。主要表现在 Cr6+使 Ll6064菌体细胞发生严重的皱缩， Cd2+使Lf3.2细胞产生了大量的胞外多糖分泌物和蛋白附着在菌体表面，而Cu2+进入Lp121细胞内部，致使菌体细胞溃烂。 （4）参照《食品安全国家标准食品中污染物的限量》中对重金属Cu 、Cd、 Cr限量浓度≤10mg/L、0.05-2mg/L、0.5-2 mg/L，利用培养组学体外构建肠道菌群培养系统，从宏观角度研究Cu2+（2、4和10 mg/L）、Cd2+（0.05、0.1和2.5 mg/L）、Cr6+（0.5、1和10 mg/L）对肠道微生物群落的影响。在门水平上，Firemicutes (厚壁菌门) 的占比随Cu2+的浓度的增加呈现先上升后下降的趋势，从 38.73±2.55%上升至 92.91±4.12%，又下降至35.95±3.123%；Bacteroidetes（拟杆菌门）从空白对照中的占比2.28 ±0.56%上升至 55.20±5.12%；Proteobacteria（变形菌门）从空白对照中的占比 53.75±3.12%下降至 6.55±4.3%；Actinobacteria（放线菌门）随着 Cu2+离子浓度的增高出现下降的趋势，重金属 Cr6+、Cd2+对于肠道微生物在门水平的影响结果和 Cu2+类似。在属水平上，Cu2+抑制 Lactobacillus、Bifidobacterium、Lactococcus、Pediococcus、Enterococcus、Weissella、等益生菌的生长，干扰菌群生物膜的形成。Cd2+的浓度达到 0.1mg/L时，促进了Lactobacillus的生长，抑制了Bifidobacterium的生长，影响菌株之间的信息传递，导致两株菌株互惠共生的关系被打破；Cr6+的浓度达到 10mg/L 促进了 Clostridium、Leuconostoc、 Coprococcus、Gracilibacter、Blautia等致病菌的生长。 （5）重金属 Cu2+抑制了肠道群落中丙酸和丁酸的产量，Cr6+促进了丙酸和丁酸、戊酸的产量， Cd2+抑制了丙酸的产量。当体系中含有 Cu2+ 、Cr6+、Cd2+时肠道菌群对氨基酸分解和利用率下降。
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