霉菌毒素的形成及对作物的影响

霉菌毒素的形成及对作物的影响

蘑菇毒素是指由一些有毒菌株引起的次级代谢产物。具体来说,霉菌毒素是在特定的物理、化学及生物条件下产生于缩合反应的多酮化合物,这个过程由霉菌来完成,它发生在当脂肪酸生物合成过程中酮组不再减少时。这些脂肪酸是一种被霉菌用作能源的初级代谢物。霉菌毒素通常形成于霉菌生长的对数生长阶段后期或平稳增长阶段的初期。霉菌毒素引起人类和动物的疾病和紊乱,被称为霉菌毒素中毒症。脱氧雪腐镰刀菌烯醇(也称为呕吐霉素,DON)、T2毒素(T2)、蛇形毒素(DAS)、玉米赤霉烯酮(ZEN)和伏马毒素(FUM)等都是由产毒的镰刀菌属菌株产生的霉菌毒素。前3种霉菌毒素属于单端孢霉菌毒素。镰刀菌中的一部分属于田间霉菌,以活着的作物为生长基;一部分为中间霉菌,以刚收获湿度很大的谷物为生长基。这种霉菌的生长温度为6~40℃,最适宜温度为18~30℃。该霉菌属于需氧菌,在水分活度(Aw)达到0.88时开始生长和繁殖,Aw达到0.91时产生霉菌毒素。就温度而言,有些粉红镰刀菌生长需要的最低温度为15℃,最适宜温度为24~27℃,相反,玉米赤霉烯酮毒素在10~14℃就产生。然而,有些品种例如碧鲛粉红镰刀菌和半裸镰刀菌能够在25℃时高粱基板上生长,其所产生的玉米赤霉烯酮量相当于在10℃时产生的。只要具备了适宜的物理、化学和生物条件,镰刀菌属是具有较高产毒遗传能力的霉菌属之一。镰刀菌在田间污染了谷物,后来谷物经过干燥和其它处理后,霉菌可能死去,但霉菌毒素仍然存在于基板中。因此,对仓储谷物进行真菌和霉菌毒素的分析,发现霉菌毒素而不是镰刀菌,这并不奇怪。另一方面,在存储谷物中找到镰刀菌属也不足为奇,这可能因为谷物处理不够以致于没有彻底杀灭霉菌,或者是因为霉菌通过运输工具、空气及昆虫等载体再次污染谷物。黄曲霉毒素(AFB)和赭曲霉毒素(OTA)是由产毒曲霉菌菌株产生的主要霉菌毒素。它属于仓储性霉菌。一般来说,曲霉生长和产生毒素所需的最低气温为10~12℃,激活曲霉生长和产毒所需水分活度分别是0.75和0.83。曲霉生长并且能够产生毒素的最佳温度和水分活度分别是25℃和0.95。但是,有些黄曲霉菌在大米生长基生长所需温度为6~45℃,最适宜温度为37℃,而产生霉菌毒素所需要的温度为11~36℃,温度在30℃时产毒素量最高。本文将分析这些霉菌毒素对奶牛的影响。但是由于作者之间存在不同意见,呕吐毒素(DON)对奶牛生产的不利影响的研究还不够深入。1单端孢霉菌毒素虽然有超过40种的单端孢霉菌毒素衍生物,但目前较为重要和毒性影响较大的是呕吐霉素或脱氧雪腐镰刀菌烯醇、T2毒素和蛇形毒素(DAS)。脱氧雪腐镰刀菌烯醇属于B型单端孢霉菌毒素,另外2种属于A型单端孢霉菌毒素。作为天然污染物,单端孢霉菌毒素可在谷物(玉米和副产品、大麦、高粱、燕麦、小麦和副产品、水稻、黑麦以及小米)、干草及青贮中存在。单端孢霉菌毒素中毒引起的主要问题是造成动物的肠胃综合症。一般来说,这些霉菌毒素的毒性取决于动物的种类,主要表现有:(1)呕吐、腹泻、心动过速;(2)出血、水肿、皮肤组织坏死;(3)胃肠黏膜上皮细胞出血;(4)造血组织的破坏;(5)外周白细胞和血小板减少;(6)脑膜(脑)出血;(7)神经系统紊乱;(8)厌食;(9)口腔不同部位坏死灶;(10)骨髓、淋巴结和肠细胞病变。其影响的系统和器官是消化系统、神经系统、循环系统及皮肤。单端孢霉菌毒素能造成很强的免疫抑制。前面提到的不良影响取决于动物种类,但是这些代谢产物如呕吐毒素(DON)可以引起奶牛一些其它方面的问题。2呕吐、酶或硫酸钠中毒3来自b2的中毒4对牛奶的毒副反应的影响尽管DAS毒素的毒性和T2毒素的类似,甚至更为严重,但并没有关于该毒素对奶牛影响的相关研究资料。DAS毒素经常和T2毒素同时出现。5其他镰刀菌属于毒素5.1产卵及安氏原螯虾玉米赤霉烯酮毒素(ZEN)在谷物及其副产品、芝麻籽、油菜、干草及青贮当中都存在。该毒素的主要特征是表现出雌激素中毒症状,严重影响繁殖系统。玉米赤霉烯酮通过减少FSH(卵泡刺激激素)浓度来阻止卵泡成熟和排卵。这是因为该霉菌毒素(虽然结构不同)可以采用与17-β-雌二醇和其它与雌激素受体结合的天然雌激素相类似的配置,从而引起雌激素过多症,进而导致外阴、子宫、乳腺肿胀和肥大,以及卵巢萎缩。可能会发生阴道及直肠脱垂。玉米赤霉烯酮引起奶牛问题最主要的方面是由美国北卡罗来纳州大学科学家研究发现的。例如,从实地观察来看,奶牛最终日粮中玉米赤霉烯酮毒素超过250mg/kg时,会引起雌激素问题,如流产,采食量减少,产奶量下降,阴道炎,出现阴道分泌物,繁殖性能下降以及青年母牛的乳腺肿大。采食受玉米赤霉烯酮污染的饲料会引起母牛脱肛。5.2伏马毒素伏马毒素有6种类型:B1、B2、B3、B4、A1、A2,最常见和毒性最大的是伏马毒素B1(FB1)和伏马毒素B2(FB2)。后者常被发现于自然污染的谷物中(主要是玉米及其副产品)。产生的主要症状是(根据特定动物种类):神经中毒、肾中毒、肺和大脑水肿、肝中毒、心脏损伤;影响的器官为大脑、肺脏、肝脏、肾脏、心脏。这些霉菌毒素会干扰鞘氨基醇和二氢鞘氨醇代谢,造成脂蛋白和肝脏中鞘脂的代谢紊乱。通常情况下,对伏马毒素毒性的研究都指的是FB1浓度,而FB2和FB1经常一起出现,FB2浓度相当于FB1浓度的15%~35%。伏马毒素毒性取决于动物种类,奶牛对伏马毒素毒性作用耐受性很大,但哺乳犊牛则不耐受。给泌乳中期的娟姗母牛饲喂含有75000μg/kg伏马毒素B1、B2及B3(FB2+FB2+FB3)的日粮连续14天,相当于母牛每天采食4mg伏马毒素/kg体重。在饲喂初期观察到了短暂的腹泻和血清中胆固醇的升高,但没有发现临床和血液变化。2个分析实验室用检测精度5ng/mL的方法都没有检测出牛奶样品中有伏马毒素残留。奶牛对伏马毒素毒性有抗性,但犊牛没有。给10头7~14日龄、平均体重约43kg喂奶的荷斯坦公牛犊静脉注射伏马毒素B1(1mg/kg),连续注射7天。犊牛产生了严重的肾中毒和肝中毒。肝、肾、肺、心脏及肌肉中二氢鞘氨醇和鞘氨基醇的浓度升高。处理组犊牛脑中二氢鞘氨醇浓度升高,而鞘氨基醇浓度不高,但并没有产生脑水肿和肺水肿现象。在现场条件下,FUMB1传递给犊牛只能通过母乳(在上述报道中看出,这种可能性很小,几乎不可能),或者通过胎盘。很显然,在犊牛出生时问题就产生了,但到目前为止我们缺少支持这个理论的科学数据。6曲霉菌毒素6.1对给药、饲养黄曲霉菌毒素有18种类型,其中毒性最大的是黄曲霉毒素B1(AFB1)和黄曲霉毒素M1(AFM1)。AFM1是AFB1羟基化代谢产物。其它黄曲霉毒素按照毒性由强到弱依次为:黄曲霉毒素G1(AFG1)、黄曲霉毒素M2(AFM2)、黄曲霉毒素B2(AFB2)、黄曲霉毒素G2(AFG2)。和AFM1类似,AFM2是AFB2的代谢衍生物,存在于牛奶和尿中。黄曲霉毒素是天然污染物,存在于谷物(尤其是玉米、小麦、高粱、水稻)、谷物加工副产品、油粕(棉籽粕、花生粕、菜籽粕、椰子粕、葵花籽粕及其它粕类)、木薯和其它人类的食物中,主要有谷类、干果、香肠类产品、香料、酒类、咖啡、豆类、水果和果汁、牛奶和乳制品。黄曲霉毒素具有高度致癌、致畸、诱导突变的特性。黄曲霉毒素产生的主要毒性作用是肝中毒,同时也会引起肾脏问题。受它影响最大的器官是肝、肾及大脑。黄曲霉毒素可造成免疫抑制,因为它能抑制吞噬作用和蛋白质合成(抗体属于蛋白质),也可干扰DNA、RNA及组蛋白的合成;同时也会影响氨基酸的吸收,导致氨基酸肝潴留的升高。AFM1的毒性大约比AFB1小10倍。AFB1不仅能引起奶牛问题,而且当奶牛采食受AFB1污染的饲料时,通过羟基化过程,一部分AFB1经过生物转化成为AFM1。AFM1溶于水,通过体液排出体外。所以这个代谢可以看作对牛奶的污染,可能对人类健康带来严重危害。正是由于这个原因,全世界尤其是欧盟为了人类特别是这些食物最大消费者——儿童的利益,对奶牛饲料中AFB1最大允许浓度和食用牛奶和牛奶制品中AFM1最大允许浓度都制定了严格的条例。荷斯坦牛(处于泌乳中期)给予剂量为13mg/头·天的AFB1,连续饲喂7天。如果母牛每天采食日粮30kg(湿基),则相当于给母牛投喂433μg/kg的AFB1。一些母牛饲喂了纯品AFB1,而其它母牛饲喂了非纯品AFB1(曲霉菌属培养物包括了其它黄曲霉毒素及其代谢物)。这些母牛的采食量和产奶量明显下降,体细胞数未受到显著影响,奶中黄曲霉毒素M1浓度介于1.05~10.58μg/kg之间。停止添加AFB14天后,牛奶中不再有AFM1。然而,饲喂不纯黄曲霉毒素的母牛比饲喂纯品的表现出更严重的中毒症状。泌乳期间,奶牛由于受到无乳链球菌、金黄色葡萄球菌、猪葡萄球菌的影响,诱发哺乳动物感染。每天每千克体重饲喂剂量为0.3mg的AFB1,连续饲喂12~14天,相当于550kg体重的母牛每天采食30kg最终日粮(湿基),这相当于日粮的黄曲霉毒素B1的浓度达到了5500μg/kg。在添加这个毒素前、期间、结束后观察母牛中毒的临床症状和乳房炎。在食入毒素1~3周,母牛表现出食欲减退,体重下降,产奶量减少以及酶发生重大变化的现象,没有产生急性乳房炎症状,但食入毒素期间奶中细菌数升高;在最后投入毒素期间乳房炎阳性率升高。在添加AFB1后3~6h就在乳中发现了黄曲霉毒素M1,并且在停止饲喂毒素后持续了72h。食入AFB16h后就在母牛尿中检测出黄曲霉毒素B1和M1,并且停止饲喂毒素后这2种毒素还持续了72~120h。给2岁母牛在最终日粮中投喂2000~2400μg/kg浓度的AFB1连续7个月,引起严重的肝中毒,产奶量也明显下降。6.2用日粮作为单一溶剂对特定霉菌毒素的代谢赭曲霉毒素(OTA)是天然毒素,主要存在于谷物中(主要为大麦和水稻)、谷物副产品、面粉、花生粕以及一系列的人类食品中,如绿色咖啡、豆类、乳酪、熏肉(火腿、熏猪肉、香肠)和酒类等。赭曲霉毒素引起的主要症状是肾中毒,但也能引起肝脏紊乱,这是肝和肌肉组织中糖原累积的结果。主要受到危害的器官是肝脏和肾脏。赭曲霉毒素能造成免疫抑制。有关赭曲霉毒素对奶牛毒害影响的资料比较少。这可能是由于牛瘤胃原生菌落数量的不同可以很容易地代谢OTA,将其水解为无毒且不被降解的赭曲霉毒素α。这些菌落数量是变化的,因为该菌群受母牛摄入饲料种类的影响。绵羊的试验证实:日粮类型对特定霉菌毒素的代谢过程有很大影响。所以,基于100%是干草的日粮可以使瘤胃液的pH值达到7.1,在0.6h内赭曲霉菌毒素就被水解成赭曲霉毒素α(无毒)。如果干草比例降低到70%,谷物或者精料提高到30%,则瘤胃液的pH值降低到6.5,OTA的水解过程需要更长时间(1.3h)。如果日粮全部是谷物或者精料,则水解过程延长到3.6h,瘤胃pH值降低到5.7。由于犊牛瘤胃功能还不健全,不具备上述功能,所以犊牛对霉菌毒素更敏感,OTA会引起犊牛肾中毒。对奶牛来说也是如此。使瘤胃液pH值降低的日粮不仅仅会导致OTA转变成OTAα的速度变慢,甚至使其发生转变。一些例子表明,最终日粮中OTA达到1000μg/kg浓度时,会引起母牛采食量下降,下痢以及肾中毒。7菌株间的相互作用瘤胃液(瘤胃原生微生物菌落和瘤胃细菌)是牛对某些霉菌毒素的第一个防御系统,对ZEN、OTA、T2毒素及DAS毒素起作用,然而,它对黄曲霉毒素B1、伏马毒素和呕吐毒素没有作用。必须强调和突出的是,瘤胃液会将ZEN生物转化成为α和β-玉米赤酶烯醇,而α-玉米赤酶烯醇比ZEN的雌激素性高出3~4倍,因此不能认为其是真正的脱毒作用。一些作者指出:奶牛瘤胃液与DON厌氧培养会产生没有毒性的代谢物——去环氧脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DOM-1)。T2毒素、DAS与其它单端孢霉菌毒素的生物转化过程应该是不可逆转的,最后应该形成脱环氧的无毒化学形态。如果这些生物转化形成的中间化合物有残留,它会跟原霉菌毒素毒性相同甚至毒性更强。因此,当DAS和T2被脱去乙酰基,分别转化成为单乙酰基镰刀菌烯醇和HT-2毒素时,它们都不能被认为是真正的脱毒,因为最终合成的化合物都有毒。8黄曲霉毒素bb建议黄曲霉毒素B1为:5~25μg/kg;ZEN为:250μg/kg;呕吐毒素为:250μg/kg;T2为:100μg/kg;FB1为:35000μg/kg。但是欧盟已经立法规定黄曲霉毒素B1不能超过5μg/kg,其它的都是建议量,没有立法规定。考虑到牛奶中黄曲霉毒素M1的污染,黄曲霉毒素B1最大值不能超过5μg/kg。黄曲霉毒素B1的最大容许值为25μg/kg,是基于母牛不产生黄曲霉毒素中毒症状情况下的最大安全值。然而,如果有牛奶生产的话,我们必须采用最小值。9未造成污染的c在实验室里,导致呕吐毒素中毒所需的毒素浓度与在大量田间观察发现的、也导致呕吐毒素中毒的毒素浓度有很大的不一致,后者需要的毒素浓度明显低很多。能给出其中的一个解释是,当进行田间研究时,日粮中可能掺有并未被分析检测的其它毒素,也污染了日粮。在这种情况下,分析发现的呕吐毒素,产生了霉菌毒素间的协同作用或者霉菌毒素的累加作用。然而,这仅是一个假设,需要进一步的研究来证实。有抗霉菌毒素添加剂(AMA)通过酶或细菌作用,在动物体内将霉菌毒素生物转化成为一般无毒或者有很小毒性的衍生化合物。这个作用类似于瘤胃液的生物转化。小心使用酶和细菌生物转化是非常重要的,因为有必要准确知道它们的特性和生物转化范围。举例来说,玉米赤霉毒素能变为同分异构体α和β玉米赤霉烯醇,α玉米赤霉烯醇比玉米赤霉烯酮毒素毒性要高3~4倍。如之前提到的,奶牛和其它反刍动物的瘤胃里,这种经常发生的生物转化是通过瘤胃液和瘤胃原生物菌落实现的,玉米赤霉烯酮毒素降解后大约90%生成为α和β玉米赤霉烯醇。较为相似的是,这些酶和细菌如同瘤胃液也不能将黄曲霉毒素B1、呕吐毒素和伏马毒素生物转化。对于单端孢霉菌毒素,这些生物转化过程应该是不可逆转的,最终应该形成脱环氧的无毒化学形态。如果生物转化中形成的中间化合物残留体内,它会跟霉菌毒素本身毒性相同甚至毒性更强。既然目标是发生生物转化作用,就有必要确保无论对动物还是人类都没有毒性风险,因为有些中间化合物会在可食用的动物组织里形成毒性残留(肝、肾、肌肉)。最后,提高对霉菌毒素的认识和警觉是十分重要的,因为霉菌毒素能引起很严重的问题,并最终导致惨重的经济损失。2.1非泌乳期荷斯坦奶牛前3周饲喂含1500μg/kg呕吐毒素的饲料,接下来6周饲喂含6400μg/kg呕吐毒素的饲料,然后所有的奶牛重新饲喂污染较轻的饲料(1500μg/kg)3周。结果这些母牛没有表现出任何中毒和体重减少症状,可能是因为投喂的饲料中呕吐毒素量即使在最高时对奶牛来说仍是比较低的。2.2连续5天饲喂含有66000μg/kg呕吐毒素的饲料,奶牛的日采食量,产奶量,牛奶中钙、磷、钠、钾、镁、氮的浓度,与对照组相比,都没有改变。牛奶中没有发现呕吐毒素,但检测出去环氧脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DOM-1)(DON的代谢产物)的浓度达到26ng/mL。摄入DON量的20%被发现以DOM-1(96%)和DON(4%)形式存在于尿和粪便中,而且消耗受污染食物的时间很短。代谢产物DOM-1的毒性明显要比DON的毒性低。2.3给荷斯坦牛分别饲喂含有0、6000、12000μg/kg(按干物质计算)呕吐毒素的饲料10周,结果发现,饲喂呕吐毒素组牛奶中的脂肪含量下降,但是对日采食量和产奶量没有影响。牛奶中没有检出呕吐毒素及其代谢产物DOM-1的残留。该分析采用液-质联用(HPLC-MS)方法进行检测,检测限为1μg/mL。给奶牛分别饲喂0.59(对照组轻度污染了呕吐毒素)、42和104mg不同浓度梯度呕吐毒素的日粮。按照牛奶产量25L/天和脂肪含量3.8%的营养要求配制日粮。每头奶牛每天采食9kg浓缩料(按干物质计算),并考虑到之前提到的产奶量,奶牛采食的全价日粮相当于16kg的干物质,其中全价日粮中呕吐毒素浓度为2600μg/kg和6500μg/kg(基于干物质)。另外,对北卡罗莱纳州(美国)100个奶牛场进行的研究发现:日粮中含有的呕吐毒素浓度为800μg/kg时(基于干物质),会导致牛奶产量减少约2L/天。2.4Obremski等(20