霉菌毒素對家禽的致毒機制及互作效應研究進展

彭 馨 姜夏雨 楊 燁 翟雙雙

(長江大學動物科學技術學院,荊州 434000)

據估計,全球每年大約有25%的谷物受到霉菌的污染,嚴重地影響人畜的健康。霉菌毒素是真菌產生的次級代謝產物,廣泛存在于飼料和食品中,在飼料中發現的霉菌主要有曲霉屬(Aspergillus)、青霉屬(Penicillium)、鐮刀菌屬(Fusarium)和單端孢霉屬(Trichothecium)等[1]。2019年全球霉菌毒素調查報告顯示,來自100個國家的動物飼料樣本中85%以上受到霉菌毒素的污染,污染源主要是黃曲霉毒素B1(AFB1)、玉米赤霉烯酮(ZEN)、脫氧雪腐鐮刀菌醇(DON)和赭曲霉毒素A(OTA)[2]。大多數家禽霉菌毒素中毒是由于長期攝入低濃度霉菌毒素污染物造成的,表現為生長不良、飼料效率低和產蛋量不佳等典型慢性癥狀。在3 507份來自中國不同地區的飼料樣品中,發現AFB1、DON和ZEN的污染率分別達到81.9%、96.4%和96.9%,超過81.5%的飼料成分和95.7%的全價飼料被這些霉菌毒素組合污染[3]。劉建高等[4]在2021年收集了中國不同地區的3 166、3 335和1 407個飼料原料樣品進行AFB1、ZEN和DON含量檢測,結果表明,AFB1、ZEN和DON總污染率分別為79.2%、82.2%和90.0%,AFB1、ZEN和DON的超標率分別為6.8%、12.2%和2.3%,說明我國飼料原料霉菌毒素污染較為嚴重。

霉菌的大量繁殖會導致飼料發生霉變,使其營養價值和適口性大幅度降低。長期以來,人們對食品和飼料中霉菌毒素污染缺乏足夠的認識,也低估了其對人類健康和動物生產的危害。本文從生產性能、肝腎毒性、腸道毒性這3個方面綜述霉菌毒素對家禽的影響及作用機制,同時總結霉菌毒素的母體效應和互作效應在家禽方面的作用,為認識霉菌毒素對家禽的危害和家禽健康生產提供參考。

1 常見的霉菌毒素及其限量標準

1.1 黃曲霉毒素(AF)

AF是由黃曲霉(Aspergillusflavus)和寄生曲霉(Aspergillusparasitic)等霉菌產生的天然有毒代謝產物[5]。AFB1是畜禽飼料中最常見的致癌毒素,嚴重危害家禽生產和人類健康。當家禽采食受到AFB1污染的飼料后會造成器官損傷,降低生產性能和飼料利用率,抑制免疫功能,增加疾病易感性、發病率和死亡率[3]。

1.2 ZEN

ZEN又稱F-2毒素,是一種主要由鐮刀菌屬真菌產生的有毒次生代謝物[6]。ZEN廣泛存在于玉米、小麥、燕麥和水稻中,是全球畜禽行業飼料安全的危險霉菌毒素之一[7-8]。ZEN是一種具有高毒性的霉菌毒素,在共同污染過程中可增強其他霉菌毒素對家禽的危害,使ZEN污染的飼料對家禽健康構成嚴重的威脅。目前,ZEN已被證實具有肝臟毒性、免疫毒性、生殖毒性和基因毒性[9]。Ma等[10]在中國不同地區采集了1 569個飼料樣品,發現這些樣品中ZEN污染率為88%,最高污染水平為729.2 μg/kg。

1.3 DON

DON又稱嘔吐毒素,主要由禾谷鐮刀霉菌產生,在小麥、黑麥、大麥、玉米和燕麥等作物中均能檢測到DON的污染,從而威脅著人類和畜禽的健康[11]。DON可在人類和動物體內積累,并產生多種毒性作用,包括致畸性、神經毒性、胚胎毒性、免疫毒性和遺傳毒性[12]。當牲畜采食受到DON污染的飼料后,會產生厭食、腹瀉、嘔吐、生長遲緩、免疫反應降低和腸道疾病等現象[13-14]。

1.4 赭曲霉毒素(OT)

OT主要由曲霉和青霉產生,其中OTA是最為常見、毒性最強的OT,分布廣泛,已被列為僅次于AF的2B類致癌物,對家禽、動物和人類的健康構成巨大威脅。大量研究表明,OTA可導致多種類型的毒性,包括腎臟毒性、肝臟毒性、胚胎毒性、致畸性、神經毒性、免疫毒性、腸道毒性和遺傳毒性[15-17]。據報道,可在采食含100 μg/kg OTA飼糧的肉仔雞組織中檢測到OTA,含量為0.78～2.15 μg/kg[18]。

1.5 常見霉菌毒素的限量標準

目前,在我國最新的飼料衛生標準GB 13078—2017[19]中,對包括AFB1、OTA、ZEN、DON等在內的霉菌毒素列出了限量要求,美國和歐盟也針對相關霉菌毒素設定了限量要求或提供了指南建議[20-21],詳見表1。這些標準和建議有助于確保飼料中的霉菌毒素維持在安全水平,以保障動物健康和食品安全[22]。

2 霉菌毒素毒性對家禽的影響及其機制

2.1 降低生產性能

家禽飼喂受到霉菌毒素污染的飼料可降低采食量和生長性能。Sarker等[23]研究發現,肉雞采食飼糧中含有100 μg/kg AFB1時,會出現平均日增重(average daily gain,ADG)降低、料重比增加、生長遲緩、營養物質消化率降低以及腸道菌群紊亂。即使低劑量的AF(12.5～50 μg/kg)亦會導致1～21日齡櫻桃谷鴨的ADG顯著降低,料重比增加[24]。Chen等[25]研究發現,DON可通過改變血液和腦不同區域中的5-羥色胺、酪酪肽、神經肽Y2受體和攝食調節肽(NUCB2/nesfatin-1)等的表達,導致動物采食量下降和嘔吐。OTA對家禽生產性能的影響主要表現為采食量減少,死亡率增加,鈣磷吸收不全、骨骼脆弱,蛋殼鈣化不全、破蛋率高,皮下出血等現象。研究發現,雛鴨采食OTA含量為2 000 μg/kg的飼糧后ADG顯著降低,料重比增加[26]。當肉雞采食OTA含量為150～2 000 μg/kg的飼糧后,對ADG、平均日采食量均有極顯著的抑制作用[27]。

在目前的研究試驗中所用的霉菌毒素大多為純品和單一菌種發霉,導致測定的結果大部分是單一霉菌毒素的影響,而生產實踐中基本上都是自然發霉含有2種以上霉菌毒素。所以,在后續研究中要關注自然發霉飼料中的霉菌毒素和低劑量的霉菌毒素毒性對家禽生產性能的影響。

2.2 誘導肝腎毒性

肝臟和腎臟是霉菌毒素發揮毒性作用的主要靶器官,其代謝和蓄積主要發生在肝臟和腎臟。家禽采食AFB1后可引起肝臟損傷,免疫系統下降,出現炎癥反應和細胞凋亡[28]。當肉仔雞攝入100 μg/kg AFB1時,肝臟中AFB1的殘留水平為1.26 μg/kg,并且出現肝臟出血、肝臟脂肪變性、膽管增生[29]。AFB1可能是通過激活Toll樣受體4(TLR4)/受體相互作用蛋白激酶(RIPK)信號通路以及Kelch樣ECH相關蛋白1(Keap1)/核轉錄因子E2相關因子2(Nrf2)信號通路誘導家禽肝臟損傷[30-32]。腎臟也是AFB1攻擊的主要器官。AFB1對肉仔雞的腎臟毒性表現為腎小球基底膜和間質細胞增厚,腎小管上皮細胞胞漿空化以及腎小球塌陷和結構損傷[33]。給肉仔雞飼喂2 mg/kg ZEN可增加肝臟重量,并導致肝臟功能異常[34]。在飼糧中添加7.9 mg/kg ZEN可誘導肉雞十二指腸黏膜和腎臟氧化應激[35]。OTA損害近端腎小管,使用OTA污染的飼糧(200 μg/kg OTA)飼喂肉雞35 d,表現為近曲小管上皮細胞變性,腎區細胞質腫脹,肝臟區域出現不良壞死和肝出血[36]。Le等[37]研究發現,OTA可通過激活細胞外調節蛋白激酶(ERK)/核轉錄因子-κB(NF-κB)信號通路誘導腎小球損傷,為OTA誘導腎臟毒性的研究提供了新的見解。肝臟也是OTA主要攻擊目標之一。Wang等[38]研究發現,以235 μg/kg BW的劑量灌胃OTA顯著性增加了雛鴨的肝臟重量。OTA通過腸-肝軸誘導雛鴨肝臟炎癥的發生,其途徑是增加腸道內擬桿菌門的豐度,從而引發脂多糖(LPS)的釋放,激活TLR4/髓樣分化蛋白88(MYD88)信號通路,導致炎癥的發生和肝臟腫大[26,38]。

目前的研究過多關注霉菌毒素誘導肝臟和腎臟損傷,而缺乏關于霉菌毒素在家禽肝臟和腎臟中具體代謝和轉化途徑等機制方面的研究,在家禽的肝臟和腎臟中含有多種解毒酶系統,如細胞色素P450酶(CYP450),此外,家禽還可通過肝臟和腎臟將體內的霉菌毒素轉化為可溶性或易排出的代謝產物通過尿液或糞便排出。今后,需要深入探討霉菌毒素在動物體內的代謝動力學。

2.3 誘導腸道毒性

腸道不僅是吸收營養物質的主要場所,也是抵御飼料中各種霉菌毒素進入機體的第1道防御屏障。霉菌毒素對腸道毒性的效應主要表現在降低腸道緊密連接與破壞腸道形態和腸道屏障的完整性。AFB1對腸道的損害主要表現為使腸道屏障功能喪失、黏膜增生和空泡變性。研究顯示,在飼糧中添加AFB1可顯著降低肉雞的空腸絨毛高度,增加隱窩深度,破壞腸道屏障的完整性,降低十二指腸和回腸的緊密連接[39-40]。DON也會損傷腸道的黏膜上皮細胞和絨毛形態,破壞腸道屏障和腸道緊密連接。研究發現,DON可通過激活ERK信號通路和p38 MAPK信號通路抑制緊密連接蛋白封閉蛋白-4(Claudin-4)的表達,導致閉合蛋白(Occludin)和閉鎖小帶蛋白-1(ZO-1)在溶菌酶中被吞噬和降解,最終損傷腸道絨毛結構,增加腸道通透性,破壞腸道屏障[41-43]。大量研究表明,OTA可通過抑制家禽中緊密連接蛋白如Occludin、ZO-1和封閉蛋白-1(Claudin-1)的表達,來破壞腸道屏障的完整性[26,38,44]。Tong等[45]研究發現,1日齡的肉仔雞以50 μg/kg BW的劑量灌胃OTA 21 d后,可造成十二指腸、空腸和回腸杯狀細胞數量減少,腸道抗氧化功能降低。

目前,相關研究過多的關注霉菌毒素誘導的腸道毒性的結果,而缺乏關于霉菌毒素對家禽消化生理毒性作用機制的研究,霉菌毒素在機體內的吸收、代謝路徑研究的還不夠透徹,后續的研究可關注這些方面。

3 霉菌毒素毒性的母體效應

目前,關于霉菌毒素毒性在母體效應方面的研究較少,Ul-Hassan等[46-47]報道,母雞在飼喂OTA污染的飼糧時可在蛋中檢測到OTA殘留,并可損傷雛雞細胞體液免疫系統。當飼糧中OTA含量為5 000 μg/kg時,雞蛋中OTA的殘留量在第21天達到最大值(7.396 μg/kg)[48]。飼喂OTA或AFB1污染飼糧14和21 d的種雞,其子代法氏囊和脾臟的相對重量顯著下降[46]。Elsayed等[49]研究發現,在種蛋中注射12.5 μg/kg的OTA,孵化19 d后,注射OTA組的血液和器官樣本中甲狀腺激素水平升高;此外,雛雞肝臟組織中巨噬細胞數量增加,肝細胞變性,這說明在胚胎暴露時期OTA可導致廣泛的氧化損傷和器官損傷。

以上研究結果表明,霉菌毒素可能通過母體效應對后代產生不良影響。因此,今后還需進一步研究霉菌毒素在家禽母體效應方面的影響,有助于制定更精確的食品安全策略和保障家禽生產的健康與可持續發展。

4 霉菌毒素間的互作效應

近年來,研究更加關注多種霉菌毒素的混合物污染問題。多種霉菌毒素的聯合作用對動物健康和生產性能造成的副作用可能比單一霉菌毒素更為嚴重。通常情況下,飼料會被多種霉菌毒素污染。如在同一種飼料中,AF、ZEN、DON和伏馬毒素(FB)往往同時并存。即使飼料中本身只含有1種霉菌毒素,但該種霉菌毒素可能會以多種形式共存。

霉菌毒素間的互作效應主要是指2種或2種以上的霉菌毒素同時存在于飼料中,其產生的效應分為協同效應(synergistic effects)、加性效應(additive effects)、亞加性效應(less than additive effects)和拮抗效應(antagonistic effects)。

(1)協同效應:指2種或多種不同的霉菌毒素同時存在時,它們的相互作用導致的毒性效應大于這些霉菌毒素單獨存在時的效應之和。例如,黃曲霉毒素M1(AFM1)和OTA聯合作用在使分化的Caco-2細胞腸通透性增加和緊密連接蛋白表達降低方面明顯強于單獨的霉菌毒素,表現出協同效應[50]。體外試驗證明,伏馬毒素B1(FB1)可增強AFB1的遺傳毒性和細胞毒性,表現為加強肝細胞花生四烯酸的代謝和提高CYP450的活性,產生更多的活性氧,從而帶來嚴重的氧化應激[51]。在飼糧中分別添加DON(1.5和5.0 mg/kg)和煙曲霉毒素(fumonisins, FUM)(20 mg/kg)對肉雞生長性能沒有負面影響,但在DON與FUM聯合添加后對21日齡肉雞的采食量和體增重顯著降低具有協同效應[52]。在腸道方面,AFM1和OTA聯合作用對分化Caco-2細胞表現出腸道通透性增加和緊密連接蛋白表達降低的影響明顯強于單一霉菌毒素[50]。Jia等[53]研究發現,與AF(123 μg/kg)和ZEN(260.2 μg/kg)單獨污染飼糧組相比,AF+ZEN組合污染飼糧組蛋雞產的雞蛋AF沉積量更高,出現時間更早,消除時間更長,這可能是霉菌毒素對蛋雞腸道吸收具有協同效應,損傷腸道健康。

(2)加性效應:指不同的霉菌毒素同時存在時,它們的毒性效應是各個毒素毒性效應之和。Tessari等[54]研究發現,所有飼喂含霉菌毒素飼糧的肉雞都表現出比對照組肉雞更低的體重和日增重,體內的抗體水平也低于對照組,而飼喂同時含AFB1和FB1飼糧的肉雞表現出更低的抗體水平,而且僅在飼喂含混合霉菌毒素飼糧的肉雞中發現肝臟和腎臟的組織病理學變化。研究發現,在肉雞飼喂受到ZEN污染的飼料后,其產蛋性能和采食量并不會受影響,但若2種霉菌毒素(AF+ZEN)同時存在時,產蛋量和采食量顯著降低[55]。同樣的,飼喂含567 μg/kg OTA和927 μg/kg T-2毒素飼糧的肉雞體重和采食量降低,且飼喂含2種霉菌毒素飼糧的肉雞均表現出毒性的加性效應[55]。

(3)亞加性效應:指不同的霉菌毒素同時存在時,它們的毒性效應相互作用導致的整體效應小于單一毒性效應之和,這種情況較少見。

(4)拮抗效應:指一種霉菌毒素干擾另一種霉菌毒素的毒性作用。研究發現,在低劑量組合下,胚蛋注射0.5 μg/g蛋的DON會導致雞胚的相對肝臟重量顯著增加,然而,當同時注射0.5 μg/g蛋的DON+0.5 μg/g蛋的ZEN時,發現這種增加的影響減弱,表現出一種拮抗效應[56]。

5 小 結

霉菌毒素污染是一個全球性問題,在實際生產中,家禽不僅有可能同時受到2種或2種以上的霉菌毒素的侵擾,還可能通過母體效應轉移到子代體內,使發育中的胚胎接觸到霉菌毒素,導致子代生產性能降低。此外,長期低劑量的霉菌毒素攝入對家禽的影響也不應被低估,這些方面都需要進一步研究。