王瑛，林鈺清，李愛軍，林啟豪，薛雪，王洪飛，陳琬穎

1(暨南大學(xué) 理工學(xué)院，廣東 廣州，510632) 2(暨南大學(xué) 國際學(xué)院，廣東 廣州，510632)3(通標標準技術(shù)服務(wù)有限公司廣州分公司，廣東 廣州，510663)

重金屬一般是指密度在5.0以上元素。砷和硒雖然是非金屬，但其毒性及某些性質(zhì)與重金屬相似，故將其列入重金屬污染物范圍內(nèi)。重金屬遍布土壤、水體和大氣。隨著工業(yè)發(fā)展，環(huán)境中的重金屬被大量轉(zhuǎn)移與富集[1]。礦山開采、金屬冶煉、金屬加工、天然能源的燃燒利用、在農(nóng)藥化肥和含鉛電池等產(chǎn)品的應(yīng)用過程中產(chǎn)生的重金屬通過化工廢水、工業(yè)粉塵、生活垃圾、霧霾等方式污染土壤、水源及空氣，再通過食物鏈富集和呼吸進入人體[2-3]。根據(jù)暴露時長和劑量，重金屬可對人體造成急性或慢性的傷害。重金屬在人體代謝慢，會大量累積在肝臟和骨骼中，損害呼吸道、消化道、神經(jīng)免疫系統(tǒng)和各個器官，最終導(dǎo)致畸變、腫瘤生成、癌變甚至死亡[3-4]。

污染環(huán)境的金屬中，除了生物毒性較強的重金屬如汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb)、鉻(Cr)及砷(As)[4]，還有具有毒性的金屬如鋅(Zn)、銅(Cu)、鈷(Co)、鎳(Ni)及錫(Sn)等[1,3]。清除環(huán)境中的重金屬，大致可以分為化學(xué)沉淀、物理吸附、離子交換和微生物吸附等方法[5]。以微生物作為吸收材料的生物技術(shù)具有來源廣、低成本、效率高的特點[6]，比傳統(tǒng)的化學(xué)、物理方法更具有優(yōu)勢。目前已經(jīng)報道的可吸附和轉(zhuǎn)化從而清除重金屬離子的微生物包括細菌、真菌和藻類[5-6]，如枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)利用細胞表面高含量的磷壁酸吸附重金屬[7]，假單胞桿菌(Pseudomonas)和大腸桿菌利用氧化還原的能力將高毒性價態(tài)的重金屬轉(zhuǎn)化為低毒性的價態(tài)[8-10]。與此同時，越來越多的研究關(guān)注到益生菌中存在相似的細胞結(jié)構(gòu)和性質(zhì)[11]，并開始研究益生菌清除重金屬的應(yīng)用與機制[12-17]。本文主要討論的是食品中最常見的5種重金屬：鎘(Cd)、鉛(Pb)、砷(As)、鉻(Cr)和汞(Hg)[18]的危害機制及益生菌對其可能的清除機制。

1 益生菌作用

益生菌，即攝入充足的數(shù)量后，會對宿主產(chǎn)生一種或多種特殊且經(jīng)論證的健康益處的活的微生物[19]，包括所有通過改變腸道菌群，對宿主健康有正面影響的活微生物[20]。革蘭氏陽性益生菌種主要包括乳桿菌(Lactobacillus)、雙歧桿菌(Bifidobacterium)及嗜熱鏈球菌(Streptococcusthermophiles)。革蘭氏陰性益生菌有Akkermansia、大腸桿菌(E.coliNissle 1917)等[21-22]。益生菌在健康療效、食品應(yīng)用和作用機制上存在普遍性[23-24]。健康功效上，益生菌都能促進腸道健康、增強免疫反應(yīng)、降低血清膽固醇及預(yù)防癌癥[19]。市場上含益生菌的食品一般為奶酪、酸乳酪等乳制品和谷物、豆制品等非乳制品[25-26]。益生菌的作用機制主要是2種：(1)作用于胃腸道內(nèi)的直接影響；(2)作用于胃腸道外的間接影響[27]。

益生菌對健康的直接影響主要是調(diào)節(jié)寄生菌落的數(shù)量、維生素的生成、促炎性細胞因子及增強腸道的屏障功能。例如，外源性雙歧桿菌能進入結(jié)腸內(nèi)調(diào)節(jié)內(nèi)源性雙歧桿菌和其他菌群來緩解乳糖不耐受的癥狀，以輔助手段的形式有效治療嬰幼兒乳糖不耐受癥[28]；鼠李糖乳桿菌(L.rhamnosus) GG和植物乳桿菌(L.plantarum) 299v能抑制大腸桿菌(E.coli)在腸道的定植[29]；乳桿菌和雙歧桿菌能夠促進人體合成維生素K和B，并減少副反應(yīng)[30]；干酪乳桿菌(L.casei)能夠特異性地減少LPS/GalN炎性細胞因子來降低肝炎發(fā)病率[31]；益生菌還能抵御食物帶來的細菌，以此增強腸道屏障能力[32]。

益生菌的間接影響主要是通過抑制致病菌的定植，來緩解人體關(guān)節(jié)部位、肺及皮膚的特應(yīng)性紊亂、免疫系統(tǒng)損害和陰道感染。例如，雙歧桿菌三聯(lián)活菌散劑(含長雙歧桿菌(B.longum))、嗜酸乳桿菌(L.acidophilus)和糞腸球菌(Enterococcusfaecalis)能夠減少機械通氣新生兒口咽部的致病菌定植，延遲口咽部、下呼吸道致病菌定植及呼吸機相關(guān)性肺炎(ventilator-associated pneumonia, VAP)發(fā)生時間[33]。定期攝入含有乳桿菌、嗜熱鏈球菌、嗜酸乳桿菌、雙歧桿菌、嗜熱鏈球菌和德氏保加利亞乳桿菌乳酸亞種(L.delbrueckiisubspeciesbulgaricus)等益生菌的食物，可降低上呼吸道潛在病原細菌(potential pathogenic bacteria, PPB)如金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)的定植[34]。

目前益生菌作為病理情況下的醫(yī)學(xué)干預(yù)手段也有著廣泛的應(yīng)用和臨床報道[35]。益生菌能調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)[36]，緩解過敏[37]，在發(fā)炎性和功能性大腸綜合癥的治療上具有明顯功效[38]。例如，益生菌能調(diào)控牛奶所引起的輕度過敏反應(yīng)[37]。植物乳桿菌299v補充劑可增強先天暴露于HIV病毒的兒童的免疫系統(tǒng)[36]，植物乳桿菌299v菌株還能有效減少腹痛、腹脹、胃腸氣脹和便秘[39]。益生菌大腸桿菌(EcN)能夠治療嬰幼兒急性腹瀉[38]。

2 益生菌對重金屬的清除作用

2.1 鎘

鎘是一種具有延展性的銀白色金屬，自然界中主要在硫鎘礦(CdS)中存在，貯存于鋅礦、鉛鋅礦和銅鉛鋅礦石中，多數(shù)用于制造合金、做原子反應(yīng)堆的控制棒、用作顏料、電鍍及充電電池等。其形態(tài)為Cd+和Cd2+，人體攝入的多為Cd2+。

2.1.1 鎘對人體的危害及機制

根據(jù)形態(tài)和攝入生物的不同，鎘的LD50從225～890 mg/kg不等，食品添加劑聯(lián)合專家委員會(JECFA)規(guī)定人體每月允許攝入鎘不得超過25 μg/kg體重[40]。鎘通過腸、胃、肺和皮膚被人體所吸收[41]，主要聚集在紅血球中，少量與血清蛋白或含疏基的小分子如金屬硫蛋白、谷胱甘肽和半胱氨酸等結(jié)合[42]，隨血液循環(huán)進入組織器官中。人體細胞表面沒有鎘特異離子通道或運輸?shù)鞍譡43]，但鎘能利用其他必需元素的運輸通道進入細胞[44]，如膜蛋白TRPM7[45]。人體攝入的鎘主要通過尿液排泄[46]，少量經(jīng)膽汁由糞便排出[47]。

大量鎘蒸汽通過呼吸道進入人體后，人會出現(xiàn)呼吸道刺激癥狀，如咽喉干痛、流涕及呼吸困難等，嚴重時會出現(xiàn)支氣管炎等癥狀甚至死亡[48]。大量鎘通過飲食進入人體后，會造成急性鎘中毒引起中毒性肝臟損傷[49]。由于過量的鎘很難被機體降解和排泄，因此在體內(nèi)長期累積，會導(dǎo)致慢性鎘中毒，造成機體器官一系列損傷反應(yīng)如生長遲滯、腎功能衰竭、生殖功能減退、高血壓、腫瘤和畸胎等。嚴重時，更會引起細胞癌變和突變[50]。

鎘雖然不能直接催化自由基，但是能通過脂質(zhì)的過氧化來抑制谷胱甘肽合成[51]，抑制超氧化物歧化酶和過氧化氫酶，影響鐵代謝，增加游離鐵[52]，間接誘發(fā)過氧化物和自由基，破壞抗氧化防衛(wèi)，引起機體細胞產(chǎn)生毒性和癌變[53]。它也能與具有相似化學(xué)和物理性質(zhì)的必需元素如鐵等競爭細胞內(nèi)抗氧化酶結(jié)合位點，阻礙必需元素的吸收[48]，又因為鎘和鈣離子大小相似，鎘離子會和鈣競爭鈣離子通道[54]，還能通過細胞內(nèi)的調(diào)控系統(tǒng)，影響細胞凋亡和增生有關(guān)的基因和蛋白質(zhì)的表達，引起機體癌變[53]。

2.1.2 微生物和益生菌對鎘的清除及作用機制

在動物體內(nèi)，腸道是第一個受外源性物質(zhì)影響的器官，大量腸道菌，包括益生菌，都對鎘有明顯的清除作用，使得腸道成為抵御由食物進入人體的鎘的第一道防線[55]。鼠李糖乳桿菌、發(fā)酵乳桿菌、乳雙歧桿菌和長雙歧桿菌在內(nèi)的一系列乳酸菌可以在5～60 min之內(nèi)達到飽和吸附，最大清除率達到87.8%[11,56]。乳酸菌在100 mg/L鎘溶液中也能表現(xiàn)出31.34%的鎘移除率[12]?？朔茽柸闂U菌(L.kefir)能夠有效與鎘結(jié)合，緩解鎘對HepG2細胞的損傷[57]。植物乳桿菌及其發(fā)酵物都能降低小鼠腸道對鎘的吸收以及肝臟和腎臟的鎘累積，同時顯著恢復(fù)丙二醛、谷胱甘肽、過氧化物歧化酶等抗氧化物指標[58]。

益生菌清除鎘機制的文獻非常少。部分微生物具有清除鎘的結(jié)構(gòu)，益生菌也具有類似結(jié)構(gòu)，可以認為機制相似。微生物對鎘的清除機制包括鎘離子外排系統(tǒng)、胞外沉淀和生物吸附。微生物細胞膜上的CBA外排泵和CzcABC 復(fù)合蛋白這2種轉(zhuǎn)運系統(tǒng)能將進入微生物中的鎘進行外排[59-60]。胞外沉淀過程中，細胞產(chǎn)物包括胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)和硫化氫可以與鎘結(jié)合生成沉淀[61-62]。微生物的胞外聚合物包含了大量的多糖、蛋白、脂類、肽聚糖、磷酸和核酸，都能夠和鎘形成配合物或螯合物[63]。微生物的硫循環(huán)系統(tǒng)以硫酸作為最終電子接受者，產(chǎn)生硫化氫，可以與鎘結(jié)合生成不溶的硫化鎘[64]。生物吸附是細胞膜上的基團通過絡(luò)合反應(yīng)吸附鎘，比如革蘭氏陽性菌芽孢桿菌和乳酸菌細胞壁上高比例的肽聚糖和磷酸[12, 65]。

2.2 鉛

鉛是一種具有蓄積性和多親和性，柔軟和延展性強的弱金屬，存在于方鉛礦中，可用于建筑、鉛酸蓄電池和部份合金等。價態(tài)多為Pb2+和Pb4+，前者以PbCl2和PbF2形式存在，后者多以Pb3O4存在。

2.2.1 鉛對人體的危害及毒害機制

鉛有劇毒，是國際上公認的危害兒童神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的第一殺手，可造成人體神經(jīng)、造血、消化和免疫等系統(tǒng)的損害。WHO對人體中鉛每周的允許攝入量制定有嚴格的標準，即不得超過0.025 mg/kg體重[66]。大鼠靜脈給藥LD50為70 mg/kg。鉛大部分在腸胃吸收，被吸收的鉛首先進入血液中跟紅細胞表面蛋白結(jié)合，隨著血液循環(huán)與機體組織交換，分布于肝、腎、脾、肺和腦中，大多數(shù)鉛主要以不溶性磷酸鉛的形式沉積在骨骼中[67]。當(dāng)骨骼和組織中的結(jié)合部位飽和，人體組織吸收鉛的速度會自行降低，不能被吸收的鉛留在血液中被排泄掉。血液中的鉛主要通過尿液排泄，可服用螯合劑增加排出量，糞便中的鉛不能被吸收，但能夠通過膽汁再回到胃腸道中[68]。

鉛不但對腦、腎和血液等關(guān)鍵靶器官造成危害，還會損傷和干擾代謝活動。鉛能夠在人體中生成活性氧自由基，造成DNA和細胞膜的損害[69]，同時還能影響DNA轉(zhuǎn)錄[70]，通過與酶的硫氫基結(jié)合阻礙酶促反應(yīng)[68,71]，抑制合成維生素D酶的形成。鉛還能取代鈣離子，通過鈣-ATP酶泵穿過腦血管屏障的內(nèi)皮細胞，損壞小腦、大腦皮質(zhì)細胞和腦神經(jīng)[72]，導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣供應(yīng)不足，甚至造成腦貧血和腦水腫，嚴重時可發(fā)展成為高血壓腦病。

2.2.2 益生菌對鉛的清除及作用機制

大量益生菌對鉛都有吸附作用。乳桿菌和雙歧桿菌可以迅速去除水溶液中的鉛，長雙歧桿菌46可以在1 h內(nèi)清除175.7 μg/g干菌中的鉛，植物乳桿菌CCFM8661不僅可以清除其干菌質(zhì)量36.66%的鉛[14-15]，還可以顯著降低動物肝臟、腎臟、胃以及血液中的鉛濃度[73]。此外，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在功能性食品中的2種益生菌嗜酸乳桿菌LA-5和雙歧桿菌BB-12，都能夠降低在鉛暴露下大鼠大腦中鉛累積量[74]。

生物吸附是益生菌清除鉛的主要機制。類似于鎘的生物吸附機制，細胞壁表面上的酶或蛋白質(zhì)中的帶負電荷基團，如硫氫基、羧基咪唑基等[68]，以及以氮、硫和磷作為配位原子的分子，都能夠與鉛結(jié)合，完成富集和吸附。乳酸菌細胞表面的肽聚糖、磷壁酸、蛋白質(zhì)和多糖中就富含這種帶負電的羧基、羥基和磷酸基團[15,75]。同時，pH影響這些基團的活力及鉛離子對結(jié)合位點的競爭力，當(dāng)pH在適合范圍內(nèi)升高時，質(zhì)子對負電荷結(jié)合位點的競爭下降，細胞表面暴露出更多負電荷結(jié)合點，增強乳酸菌對鉛離子的接觸和吸附[76]。

2.3 砷

2.3.1 砷對人體的危害及毒害機制

砷中毒很少有急性[86]，通常是在誤飲了殺蟲劑的時候才會急性砷中毒，如果不及時治療，患者將會在24 h到4 d之內(nèi)死亡[87]，慢性砷中毒一般通過飲用水(WHO規(guī)定飲用水的砷限度為10 μg/L)和食物進入人體[88]。砷化合物在腸道中被吸收、轉(zhuǎn)化之后一部分會發(fā)生形態(tài)變化，直接通過尿液排出，另一部分會被人體富集，難以排出。AsB對人體無毒，可以直接通過尿液排出。70%～80%的AsC能轉(zhuǎn)化為AsB隨尿液排出，其余的與磷脂結(jié)合形成砷磷脂，最后代謝為AsB隨尿液排出。攝入的無機砷會被腸道吸收，在人體內(nèi)經(jīng)過轉(zhuǎn)化和還原，最后變成三價的DMA。代謝過程簡化為：As(V)→As(III)→MMA(V)→MMA(III)→DMA(V)→DMA(III)[82]。

急性砷中毒癥狀是嘔吐、腹痛及水泄，急性精神錯亂、心肌病及癲癇，之后血液、呼吸道、肺部和腎臟都會相繼出現(xiàn)問題，及時洗胃、注射二巰基丙醇或者透析可有效治療，但如果攝入量太大，將無法治愈[86-87,89]。砷蓄積在肝臟、腎臟、心臟、肺和角質(zhì)多的組織中，比如在指甲、頭發(fā)和皮膚沉積，對心肌、呼吸、神經(jīng)[90]、生殖[91]、造血[85]和免疫系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的損害[77]，增加了患心血管疾病[92]、呼吸道疾病[93]、糖尿病的風(fēng)險，甚至造成全身病變，生成腫瘤[94]。目前尚未有治愈慢性砷中毒的有效方法[95]。

砷可以標記細胞器里不同的分子，抑制200多種酶的活性，特別是細胞內(nèi)能量傳輸和DNA合成修復(fù)中需要的酶，造成細胞增生，NO生成，NAD+損耗，DNA鏈破壞，微核生成[96]。砷能激活致癌基因、壓制腫瘤抑制基因[97]，還能夠通過影響谷氨酸的運轉(zhuǎn)蛋白EAAT1/GLAST來損壞神經(jīng)膠質(zhì)細胞和中樞神經(jīng)系統(tǒng)[98]。砷有多個途徑可以導(dǎo)致正常細胞凋亡：一是誘導(dǎo)絲裂原活化蛋白激酶發(fā)出信號，刺激調(diào)節(jié)細胞激素和生長因子的AP-1激活蛋白，形成凋亡小體[99-100]；二是通過抑制過氧化氫酶來誘導(dǎo)細胞死亡[101]；三是通過激活半胱天冬酶來抑制端粒酶活性，致使基因和染色體不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致細胞死亡[102]。As(III)作為原生質(zhì)毒劑易跟酶的硫醇基結(jié)合，使酶活性降低甚至失去活性[103]，抑制酶促反應(yīng)及細胞呼吸，影響人體代謝[104]。As(V)在結(jié)構(gòu)上和磷酸鹽十分相似，兩者存在競爭關(guān)系，通過妨礙磷酸參與的代謝反應(yīng)[105]，損壞如ATP合成和呼吸鏈氧化磷酸化等細胞功能[106]。有機砷中毒性較低的MMA和DMA也是潛在的致癌物[107]，它們會在人體內(nèi)形成自由基，使得脂質(zhì)過氧化導(dǎo)致細胞損壞[108]。

2.3.2 微生物和益生菌對砷的清除及作用機制

由于不能被降解，砷的防治主要有2種，一是采取特殊方法合理回收環(huán)境中的砷，盡可能減少進入食物鏈中的砷含量；二是把高毒性形態(tài)的砷化合物轉(zhuǎn)化為低毒性形態(tài)砷化合物，使它對人體的危害降到最低[109]。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)細菌、真菌和藍藻對砷有生物累積和轉(zhuǎn)化砷化合物形態(tài)的能力[110-111]，已經(jīng)應(yīng)用在修復(fù)砷污染環(huán)境和處理廢水中[112]。硫鐵桿菌(Acidithiobacillusferrooxidan)和假單胞桿菌能夠氧化As(III)[8-9]，將亞砷酸鹽氧化成砷酸鹽，又以硫化物的形式轉(zhuǎn)移和沉淀下來[113]，從而降低砷的毒性。厭氧條件下硫酸鹽還原菌能夠生成硫化物與環(huán)境中的砷反應(yīng)產(chǎn)生沉淀[114]。從智利北部一條高砷污染河流(As≥1100 μg/L)的沉積物中分離得到9種假單胞菌株(P.putida)，這些菌株能將As(III)氧化為更加穩(wěn)定的 As(V)[108]，在一定程度上降低環(huán)境中砷化合物的毒性[115]。微生物還能使砷甲基化和脫甲基化，將單甲基胂酸鹽和二甲基胂酸鹽轉(zhuǎn)化為三甲基胂，進而達到修復(fù)土壤砷污染的效果[116]。普通海單胞菌(Marinomonascommunis)[117]、代爾夫特菌(Delftia)[118]、棘孢木霉(Trichodermaasperellum)、微紫青霉(Penicillinjanthinellum)和尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporum)[119]都能夠轉(zhuǎn)化一定量的砷。一些益生菌也具有相同的能力，嗜酸乳桿菌和干酪乳桿菌DSM20011都能在水中結(jié)合、轉(zhuǎn)移砷[13-14, 120]。在模擬人體腸道實驗中，腸道菌也能夠代謝轉(zhuǎn)化部分砷化合物，使其順利排泄出人體[121]。大量食用含益生菌的奶酪可以幫助孕婦抵抗砷的毒性[122]。

當(dāng)前在鄉(xiāng)村振興實踐中，已經(jīng)呈現(xiàn)出軍民融合深度發(fā)展態(tài)勢：一是出現(xiàn)了憑借地理空間優(yōu)勢而產(chǎn)生的軍民融合特色小鎮(zhèn)；二是軍工裝備服務(wù)于鄉(xiāng)村振興而產(chǎn)生了遠洋漁場（海洋工程裝備）；三是科技成果雙向轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化而出現(xiàn)的融合，如衛(wèi)星遙感技術(shù)向農(nóng)業(yè)災(zāi)害預(yù)防技術(shù)轉(zhuǎn)化與利用、智慧農(nóng)業(yè)改造邊疆軍團農(nóng)副業(yè)生產(chǎn)等；四是軍地應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)一體化向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)保障領(lǐng)域的延伸而產(chǎn)生的融合，如林業(yè)消防及應(yīng)急合作等；五是軍轉(zhuǎn)干部及退伍軍人轉(zhuǎn)移到農(nóng)墾集團服務(wù)鄉(xiāng)村振興而發(fā)生的融合，如改制中的黑龍江農(nóng)墾集團。

益生菌對砷的清除機制還未見報道。如果益生菌具有和能清除砷的微生物相同的結(jié)構(gòu)，就可能具有相同的機制。微生物對砷的清除機制可分為3種：毒性離子外排系統(tǒng)、氧化還原和甲基化[112, 123-124]。大多數(shù)的微生物都有操控毒性離子外排的ars基因，它由3種基因共同轉(zhuǎn)錄完成運作，分別是決定調(diào)節(jié)抑制的arsR、決定運輸泵的arsB和決定細胞內(nèi)砷酸鹽還原酶的arsC，它們共同組成砷離子外排泵，抵御As(III)和As(V)[125-126]。一些微生物中同時存在aso和arr基因，它們分別調(diào)控亞砷酸氧化酶和砷酸還原酶[127]，前者能夠在好氧環(huán)境下發(fā)揮抗耐As(III)作用，使As(III)作為電子供體，轉(zhuǎn)化為低毒的As(V)，后者在無氧環(huán)境下作為末端電子受體，讓兼性厭氧細菌得以生長[128]。甲基化過程中，微生物中由S-腺苷甲硫氨酸提供甲基[129]，取代 AsO(OH)3中的羥基，形成砷化氫的甲基化衍生物[130]，轉(zhuǎn)化為毒性較低的DMA、TMA和TMAO以及無毒的AsC和AsB[131]。

2.4 鉻

鉻是一種鐵灰色、有金屬光澤、非常硬但容易碎的金屬[132]，以鐵鉻礦(FeCr2O4)的形式被開采出來，多用于合金、燃料和耐火材料。常見的價態(tài)有Cr(II)，Cr(III)，Cr(VI)，Cr(V)，Cr(IV)，Cr(I)和Cr(0)。Cr(II)的常見形式有穩(wěn)定于中性水中的CrCl2和NaCrO2[133]。Cr(III)是人體必需的微量元素，對胰島素、糖類和脂質(zhì)的代謝都具有極大作用[134]。Cr(VI)的典型離子是重鉻酸根和鉻酸根，在強酸或中性時具有強氧化性。Cr(III)和Cr(VI)之間存在著轉(zhuǎn)換平衡，形態(tài)轉(zhuǎn)化取決于pH和環(huán)境的氧化特性。Cr(V)和Cr(IV)都很少見，并且Cr(IV)在水中不穩(wěn)定。Cr(I)由Cr(0)八面體復(fù)合物氧化得到。Cr(III)和Cr(VI)是研究鉻與人體健康關(guān)系中最主要的2個價態(tài)，因為通常進入人體的鉻都以這2種形式存在，并且這2個價態(tài)的鉻化合物十分穩(wěn)定[135]。

2.4.1 鉻對人體的危害及毒害機制

人體接觸和攝入的鉻一般為Cr(III)(急性口服毒性1.5～3.3 mg/kg)和Cr(VI)(急性口服毒性50～150 μg/kg)[136]，它們的主要吸收部位是小腸，其次是回腸和十二指腸。Cr(III)無法穿透細胞膜，但能夠與細胞表面的運鐵蛋白的氨基端結(jié)合位結(jié)合，進入血液中。Cr(VI)能夠穿透細胞膜，與血紅蛋白中的球蛋白結(jié)合[137]，通過血液在身體中循環(huán)。通常鉻通過尿液排出體外，少量能通過膽汁經(jīng)糞便排出[138]。

短期內(nèi)接觸大劑量的鉻會在接觸部位發(fā)生潰瘍，一次性吸入大量鉻會在呼吸道上造成鼻黏膜刺激和鼻中隔穿孔，急需用大量生理鹽水沖洗除去。長期攝入更可能引起扁平上皮癌、腺癌及肺癌等。若是超大劑量攝入且不及時洗胃，會導(dǎo)致胃潰瘍和肌肉痙攣、損傷腎臟和肝臟、循環(huán)系統(tǒng)衰竭、失去知覺甚至死亡[139]。

Cr(III)作為膳食補充劑，在合理服用(鉻的成年適宜攝入量是30 μg/day)的情況下是對人體有益的微量元素[140-141]。但是過量攝入Cr(III)對人體是有害的，細胞中高濃度的Cr(III)會形成帶電荷的配合物，與DNA結(jié)合，損害DNA[142]。Cr(VI)是劇毒[143]，會和游離的羥基反應(yīng)合成氧化自由基，或者跟著硫酸根和磷酸根一起進入細胞內(nèi)，利用強氧化性，破壞細胞膜結(jié)構(gòu)，損壞蛋白質(zhì)，誘導(dǎo)腫瘤形成。Cr(VI)能致使基因點突變，染色體損壞，誘導(dǎo)生出DNA加成物，改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，破壞肝臟、腎和血細胞，最終導(dǎo)致血溶，肝腎功能衰竭[144]。Cr(VI)比Cr(III)溶解度高，更容易通過受污染的水源和食物進入人體[145-146]。

2.4.2 微生物和益生菌對鉻的清除及作用機制

益生菌和微生物對鉻的清除機制大致可以分為生物吸附、還原及胞外沉淀[143-144,157-158]。益生菌表面的基團通過離子交換、螯合及電荷吸附等途徑將鉻吸附在其細胞表面[157]，比如帶有強負電荷的革蘭氏陽性菌細胞壁上的磷酸和革蘭氏陰性菌細胞壁肽聚糖外層的脂多糖[159-160]。鉻的還原機制分為2大類[144, 161]：一是細胞通過合成NADH和NADPH[162]、核黃素、FMN或者FAD[11]、硝基還原酶[163]、維生素C、硫醇、谷胱甘肽、干胱氨酸、半胱胺和硫辛酸輔酶A等酶或輔酶，還原鉻酸鹽[164]；二是在無氧環(huán)境下，把鉻作為呼吸鏈中電子的最終接受體還原鉻酸鹽[165]。這樣Cr(VI)被還原為Cr(III)，還原之后的Cr(III) 相比Cr(VI)，不僅毒性下降[166]，溶解度也大幅度降低，可更高效地排出體外[145-146]。胞外沉淀是一些微生物比如酵母菌和啤酒酵母等清除鉻的機制，其分泌的谷胱甘肽與鉻離子有很高的親和力，能與鉻結(jié)合形成穩(wěn)定難溶的沉淀，產(chǎn)生抗性，阻止這些沉淀物進入細胞[166]。益生菌如果也在胞外分泌谷胱甘肽，就很可能利用同樣的機制沉淀清除鉻。

2.5 汞

汞是一種凝固點低、流動性大、易揮發(fā)且易分成小汞珠的唯一的液體金屬[167]，在自然界中分布極廣，幾乎所有的礦物中都含有汞，主要以朱砂(硫化汞)形式存在，在水銀溫度計、醫(yī)療補牙及染料中廣泛應(yīng)用。按照自然界中汞的價態(tài)可以分為Hg(0)、Hg(I)和Hg(II)，根據(jù)不同的化學(xué)形態(tài)，汞可分為無機汞(Hg(0)和Hg(II))和有機汞[168]。常見的有機汞包括甲基汞、氯化甲基汞(MMC)、乙基汞、氯化乙基汞、苯基汞、氫氧化甲基汞和乙氧基汞[169]。有機汞毒性大于無機汞[170]，甲基汞毒性最強，具有親脂性，易被生物體吸收，其LD50值為1 mg/kg。

2.5.1 汞對人體的危害及毒害機制

無機汞中常見的形態(tài)有HgCl2、Hg2Cl2、HgBr2、HgO、HgSO4和HgS(朱砂)[171]。其中HgSO4LD50值為57 mg/kg。人體每周對元素汞攝入的安全水平是0.7 mg/kg體重。無機汞主要以呼吸汞蒸氣的形式進入人體，短時間內(nèi)吸入高濃度汞蒸氣(1.0 mg/m3)可導(dǎo)致急性汞中毒，甲基汞通過水源或食物由腸道吸收進入人體，2者都主要以糞便的形式排出人體[172]。汞進入人體后，很少會在血液、尿液和毛發(fā)中沉積，而是在肝臟和大腦等重要器官中沉積[173]。

汞中毒按中毒程度可分為急性、亞急性、慢性中毒。急性汞中毒患者表現(xiàn)為皮膚潰瘍，消化道黏膜潰瘍和腹瀉，呼吸困難，腎臟衰竭，甚至?xí)榇ぁ⒒杳曰蚓袷С167,174]。亞急性中毒患者臨床癥狀與急性中毒相似，程度較輕，但仍有脫發(fā)等癥狀。慢性中毒患者表現(xiàn)為情緒不穩(wěn)定、注意力不集中、神經(jīng)衰弱綜合癥、汞毒性震顫、中毒性腦病和嚴重的肝腎損害[169]。

有機汞以短鏈烷基汞為主，易和細胞膜上豐富的巰基物質(zhì)和脂類物形成質(zhì)復(fù)合物，沉積在細胞壁和細胞質(zhì)膜周圍，不穿透細胞，形成含硫化汞的核心，在人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)、肝臟和腎臟中累積。抑制紅細胞膜及腦、肝和腎微粒體膜上的T-ATP 酶、Mg2+-ATP 酶和Na+-K+-ATP 酶活性，同時使細胞膜及腦微粒體膜中巰基含量顯著下降, 從而導(dǎo)致膜的構(gòu)象和功能改變、誘導(dǎo)細胞凋亡、抑制細胞生長及殺死細胞[175-177]。其中，氯化甲基汞能導(dǎo)致DNA結(jié)構(gòu)畸變[178]。

2.5.2 微生物和益生菌對汞的清除及作用機制

一些微生物和益生菌對汞有清除作用。希瓦氏菌(Shewanellaoneidensis)和硫還原地桿菌(Geobactersulfurreducens)能夠結(jié)合Hg(II)并將其還原為Hg(0)。芽孢桿菌屬(Bacillusspp.)也有清除汞的能力[179]。乳酸菌在汞濃度為0.15 μg/g時表現(xiàn)出高達99.1%的汞離子Hg(II)吸附率[180]。連續(xù)6日每日攝入6 mg氯化甲基汞的小鼠在服用抗生素殺滅腸道微生物后，4/5的小鼠急性汞中毒，而沒有服用抗生素的對照組只有1/5的小鼠急性汞中毒，說明腸道菌能夠抵御汞中毒[181]。

益生菌對汞清除機制研究尚未有報道，但腸道微生物的相關(guān)研究已有不少。如果益生菌具有和能清除汞的微生物相同的結(jié)構(gòu)，就可能具有相同的機制。微生物對汞的清除機制大致能夠分為吸附、還原和去甲基化。細菌表面蛋白14 kDa是最主要的汞結(jié)合蛋白，可以利用自身的N末端氨基酸序列(N-terminal amino acid sequencing)和CXXC(C是半胱氨酸2Cys，X是任意一種氨基酸)結(jié)構(gòu)，吸附結(jié)合大量Hg(II)離子[182-183]。富含硫基的金屬硫蛋白(metallothionein, MT)能吸附大量汞，調(diào)節(jié)細胞內(nèi)環(huán)境的離子平衡，減少重金屬離子對細胞的傷害[179, 184]。腸道微生物對有機汞的去甲基化由mer基因所控制的Mer蛋白操控，其中分布在細胞內(nèi)膜的MerP、MerT、MerC和MerF蛋白[123]，負責(zé)吸收環(huán)境中的Hg(II)和甲基汞，汞還原酶MerA還原無機Hg(II)，有機汞裂解酶MerB裂解甲基汞，釋放出的Hg(II)再被MerA還原為Hg(0)。由于Hg(0)極不容易被腸道吸收，攝入的甲基汞和汞鹽在經(jīng)過腸道菌的去甲基化和還原后降低了被吸收的概率，有助于將汞排出體外[181, 185]。

3 結(jié)論及展望

隨著重金屬的加工和利用越來越多，重金屬污染已經(jīng)成為了嚴重的環(huán)境污染問題，但環(huán)境保護技術(shù)卻逐漸跟不上工業(yè)進步。通過空氣、水源和食物等途徑，重金屬或多或少都對人體健康產(chǎn)生影響。工業(yè)上已利用微生物清除重金屬的能力來治理工業(yè)污染。益生菌在動物實驗中也被證明有很好的功效，其類似能力也能夠應(yīng)用在人體上，清除人體內(nèi)重金屬。比如，健康人體的腎有足夠的能力排出體內(nèi)80%的鉻[186]，但攝入的鉻過多時，自身機制不足以將大部分鉻排出去[187]，此時攝入一定量益生菌可能會輔助人體更好地排出鉻。

雖然益生菌清除重金屬的體外和體內(nèi)研究越來越多，但仍缺少一套完整的清除機理和臨床試驗數(shù)據(jù)，醫(yī)療上的安全性也需要評估，研究有待新的突破。臨床上使用益生菌治療重金屬中毒，以及有針對性的清除重金屬的益生菌種類和功效，將是未來微生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中一個值得研究的方向。