呕吐毒素对畜禽肠道健康的影响及相关研究进展

杨 俊， 赵小刚， 张桂红， 郭吉余*

（1.广东海大集团股份有限公司畜牧水产研究中心，农业农村部微生态资源养殖利用重点实验室，广东广州511400；2.华南农业大学兽医学院，广东广州510642）

脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）由于能导致动物产生呕吐反应，而被称为呕吐毒素。 DON 是一种B 类单端孢霉烯族毒素，主要由禾谷镰刀菌、串珠镰刀菌及雪腐镰刀菌等镰刀菌属真菌代谢产生，并广泛分布于霉变的小麦、大麦、玉米等谷物中，是我国饲料原料中常见的一种霉菌毒素。 不同动物对DON 敏感度不同， 猪是对DON 最为敏感的动物之一， 其次为啮齿类动物、 家禽及反刍动物（Prelusky 等，1994）。 动物长期采食低浓度DON污染饲粮会产生食欲下降、 采食量及饲料利用率降低等症状，从而导致生产性能下降，而摄入高浓度的DON 污染饲粮则会导致动物肠道屏障破坏、免疫功能紊乱、生殖系统损伤，并出现呕吐、腹泻甚至死亡等症状，严重破坏生产性能，损害机体健康（Prelusky 等，1994）。DON 因为具有较强的稳定性， 可以耐高温、 强酸等处理， 因此饲料原料中DON 污染很难通过传统的物理及化学方法降解。

本文主要综述了DON 污染对畜禽肠道健康的影响、 致病机理以及饲料生产中常用的脱毒方法等相关研究进展，为缓解饲料原料中DON 污染对畜禽健康养殖带来的危害提供一定思路。

1 我国饲料原料中呕吐毒素污染现状

DON 是在1970 年日本香川县暴发赤霉病的大麦中首先被发现， 并在两年后被首次分离得到（Sobrova 等，2010）。在随后的几十年间，全球各地粮食及食品中DON 污染问题持续存在， 给人类及动物健康造成严重威胁。 我国地域广阔、气候复杂，在东北、华北及西南粮食主产区，农作物收获季节如遇连续阴雨潮湿天气， 将导致DON 阳性率及超标率显著升高。 周建川等（2017）对2016 年全国部分地区1304 份全价饲料及饲料原料样品中DON 含量进行检测（表1），结果发现，DON 是我国饲料及饲料原料中污染情况最为严重的霉菌毒素。其中，小麦及麸皮、玉米副产物中DON 超标率较高，平均含量分别达到了2657.81 μg/kg 及1342.72 μg/kg，并且，全价饲料超标率也高达42.20%，最高值也达到3251.71 μg/kg，显著高于我国《GB-13078-2017饲料卫生标准》中规定的1000 μg/kg 限值。

表1 2016 年我国饲料及饲料原料DON 含量

2 呕吐毒素毒理机制

2.1 呕吐毒素诱导呕吐病理机制 1973 年人们首次发现禾谷镰刀菌感染的霉变玉米可导致母猪产生拒食及呕吐反应， 并从中分离得到DON（Yoshizawa 等，1973）。呕吐反应是机体腹部膈肌、腹肌等肌群共同发生强烈收缩反应， 导致胃内容物经过食道逆流，反射性快速排出体外。通常情况下，机体产生呕吐反应是一种自我保护机制，可将肠腔中病原微生物及毒素排出体外， 但严重的呕吐现象则会损坏胃肠黏膜结构，降低食欲，甚至导致机体电解质失衡危及生命（吴文达，2012）。DON诱导机体产生呕吐反应主要通过两个方面：DON通过血脑屏障进入脑脊液从而导致中枢神经系统分泌5-羟色胺，并激活大脑中受体，导致呕吐现象发生；食物中DON 诱导胃肠道结构损伤，激活胃肠黏膜内嗜铬细胞或肠神经元细胞分泌5-羟色胺，L 细胞分泌YY 肽、5-羟色胺及YY 肽可通过血液循环进入大脑直接激活相应受体产生呕吐反应， 或者通过激活迷走神经调节大脑采食调控中枢而引起呕吐反应（Wu 等，2016、2013）。

2.2 呕吐毒素细胞毒性 DON 是一种蛋白合成抑制剂，研究发现，其进入细胞后通过改变自身分子结构与核糖体结合， 破坏核糖体空间结构并抑制60S 亚基上肽基转移酶活性， 从而改变核糖体生理功能，抑制蛋白质合成（Rotter，1996）。 另外，DON 还可通过激活核糖体内蛋白激酶R，诱导真核起始因子2α 磷酸化， 抑制mRNA 翻译起始及蛋白质合成，导致核糖体应激，细胞内丝裂原活化蛋白酶（MAPKs）信号通路激活，从而影响下游一系列细胞生理活动 （Pestka，2007）。 线粒体也是DON 细胞毒性的重要靶点，Yang 等（2019）研究发现，DON 处理细胞导致线粒体内活性氧ROS含量升高，导致线粒体膜结构受损，通透性升高，从而激活细胞线粒体凋亡途径， 并释放凋亡因子Cyt-c，激活胞浆内Caspase 凋亡蛋白家族，最终引起细胞凋亡。

2.3 呕吐毒素在动物体内吸收及代谢规律 不同动物对饲料中DON 吸收速度及效率不同，这可能是导致动物对DON 敏感性不同的重要原因。在猪体内研究发现，饲料中DON 通过摄食进入机体后，大约80%的DON 可被机体吸收，且55% 是在胃、 十二指肠及空肠部位通过细胞旁通路快速被吸收进入血液循环， 采食15 ～ 30 min 后便可在血液中检测到，且4 h 左右达到峰值（Danicke 等，2004）。猪血液中DON 半衰期比其他动物更长，约为5.8 h，而家禽饲料中只有5% ～ 20%的DON 可以被吸收进入机体血液循环， 且在血液中半衰期时间较短，因此，猪是对DON 最为敏感动物之一（Goossens 等，2012）。

DON 被吸收进入血液循环后，只有小部分可被肝脏通过去12,13-环氧基反应降解为无毒性的12,13-脱环氧-脱氧雪腐镰刀菌烯醇 （DOM-1），大部分仍以DON 形式随尿液排出体外，另外，部分DON 通过肝肠循环系统重新进入肠腔随粪便排出（Goossens 等，2012）。因此，饲料中DON 极少在动物器官内沉积。 研究发现，消化道内DON可被肠道微生物有效降解为DOM-1，而家禽及反刍动物消化道内微生物种类及数量都远高于猪，这也导致家禽及反刍动物具有较强的DON 耐受性（Goossens 等，2012）。

3 呕吐毒素对畜禽肠道健康的影响

肠道不仅是机体吸收营养物质的主要场所，同样也是机体抵御外界病原微生物入侵的第一道屏障。 肠道上皮细胞在选择性吸收各类营养物质的同时， 还要通过细胞外部及细胞间形成的各种屏障结构， 阻碍病原菌入侵并抑制其代谢产物如霉菌毒素吸收 （Ghareeb 等，2015）。 饲料中DON主要在动物胃肠道部位被吸收， 导致肠道上皮细胞内DON 浓度远高于其他组织及器官， 因此，饲料中DON 通常在动物体内表现出明显的肠毒性。

3.1 呕吐毒素对肠道屏障功能的影响 肠道屏障结构由基底侧到肠腔侧分为免疫屏障、 物理屏障、化学屏障及微生物屏障四部分，四种屏障结构通过特定信号传导机制相互配合， 共同防御宿主免受外界病原微生物感染，维持机体健康（Anderson 等，2012）。

3.2 呕吐毒素对肠道物理屏障的影响 肠道物理屏障又称机械屏障， 是由肠上皮细胞及细胞间紧密连接结构组成， 其是整个肠道屏障结构的主体。 而饲料中DON 污染会导致细胞蛋白合成及DNA 复制受阻，从而抑制细胞增殖并诱导凋亡发生，最终导致动物肠道形态受损，屏障功能破坏。研究发现，饲喂DON 含量为3 mg/kg 的污染饲粮35 d 后，仔猪空肠上皮细胞增殖受阻，肠绒毛萎缩、融合，绒毛高度降低，形态结构及屏障功能受损，另外，肠黏膜黏附连接蛋白E-cadherin 及紧密连接蛋白Occludin 表达显著降低（Bracarense等，2012）。饲料DON 污染可引起动物肠道上皮细胞增殖抑制并发生凋亡，肠绒毛萎缩，形态结构破坏，同时，肠上皮细胞间紧密连接结构受损，肠道通透性增加，最终导致肠道物理屏障损伤，肠道健康破坏。

3.3 呕吐毒素对肠道化学屏障的影响 肠道化学屏障主要是指黏附在肠道上皮细胞外侧的一层黏液结构，主要由黏蛋白、抗菌肽、分泌型免疫球蛋白A（sIgA）等组成，可浸润肠道上皮细胞提供适宜液态环境，并有效抑制病原菌活性，避免肠道微生物与上皮细胞直接接触，起保护肠上皮的作用。

在仔猪中研究发现，饲粮中DON 污染可导致仔猪小肠杯状细胞细胞显著下降，肠黏膜内sIgA浓 度 降 低 （ 朱 电 锋 等，2018；Wu 等，2015；Bracarense 等，2012）。使用DON 浓度为4.6 mg/kg污染饲粮饲喂仔鸡15 d 后发现，DON 诱导仔鸡十二指肠黏蛋白MUC-2 基因表达及黏蛋白单糖合成受阻，肠黏膜粘液层厚度显著降低（Antonissen 等，2015）。 另外，饲喂DON 污染饲粮导致仔猪小肠黏膜抗菌肽基因mRNA 表达水平显著降低（Wang 等，2018）。 以上研究结果表明，饲料中DON 污染可抑制动物肠道黏膜化学屏障功能，降低肠道抗菌能力，最终损害肠道健康。

3.4 呕吐毒素对肠道免疫屏障的影响 肠道免疫屏障又分为先天免疫与获得性免疫，先天免疫细胞通过模式识别受体PRRS 识别病原微生物，并迅速启动相关免疫应答，分泌免疫因子，最终清除病原微生物。获得性免疫通过特异性识别抗原， 诱导相关淋巴细胞增殖分化为效应细胞，进而分泌细胞因子，抑制病原微生物感染，维持肠道健康。

研究发现，DON 处理可导致肠黏膜免疫平衡受到破坏。 在仔猪小肠上皮细胞系IPEC-1 及仔猪空肠组织体外培养研究发现，DON 处理可显著提高细胞及空肠组织促炎因子基因表达水平， 且空肠组织内Th17 分化相关基因表达显著升高，DON 显著提高了致病性Th17 细胞亚群相关基因表达（Cano 等，2013）。 而在仔猪体内研究发现，饲喂低浓度为1 ～ 2 mg/kg 的DON 污染饲粮84 d 后，仔猪回肠内炎症因子IL-1β、IL-8 基因表达水平显著下降（Becker 等，2011）。 以上研究说明，DON 污染可导致肠道黏膜免疫平衡破坏，促进病原菌在肠道内定植及位移，最终导致肠道健康受损。

3.5 呕吐毒素对肠道微生物屏障的影响 肠道微生物屏障是指肠道黏液层及肠腔内对宿主肠道健康起保护作用的共生菌群落，主要是厚壁菌门专性厌氧菌，如乳酸杆菌、双歧杆菌、消化球菌等。 肠道共生菌通过与病原菌竞争性定植，从而抑制有害菌感染。另外，肠道厌氧菌通过代谢产生大量有机酸，如乳酸、丁酸、丙酸、乙酸等，从而降低肠腔pH，抑制病原菌生长并降低其毒力（Becker 等，2011）。 研究发现，饲喂仔猪DON 浓度为2.8 mg/kg 污染饲粮4 周后，肠道微生物群落结构发生变化，且微生物丰度指数降低 （Waché 等，2009）。 同样， 通过16S rRNA 测序研究发现， 通过饮水每天饲喂小鼠10 μg/kg 体重的DON，持续280 d 后，小鼠肠道盲肠微生物群落结构发生显著变化，其中放线菌门及拟杆菌门细菌丰度显著下降（Vignal 等，2018）。

4 呕吐毒素对畜禽肠道营养物质吸收的影响

营养物质经过胃肠道消化酶分解后， 在肠道上皮细胞处通过跨细胞途径或者细胞旁通路途径吸收进入血液循环。其中，跨细胞途径中营养物质（如水分、糖类、氨基酸、电解质等）通过细胞顶端相应转运载体进入细胞并穿过细胞基底侧进入血液循环； 细胞旁通路途径主要是大分子物质穿过上皮细胞间紧密连接结构进入血液循环。 研究发现，饲料中DON 通过抑制肠上皮细胞营养物质相关转运载体表达从而影响营养物质吸收， 导致动物生长性能下降。 在人结肠上皮细胞HT-29-D4中研究发现，DON 处理可显著抑制细胞蛋白合成，并导致凋亡发生，其作用机制为DON 选择性抑制细胞转运蛋白活性， 其中D-葡萄糖/D-半乳糖钠离子依赖转运蛋白（SGLT1）、D-果糖转运蛋白（GLUT5）及L-丝氨酸转运蛋白活性都显著下降，但对胆固醇吸收无影响（Maresca 等，2002）。同样，在肉仔鸡中研究发现，饲喂仔鸡DON 污染饲粮23 d 后，空肠黏膜内负责主要营养物质（葡糖糖、果糖、中性氨基酸、棕榈酸及短链脂肪酸）相关转运载体基因mRNA 表达水平显著下调（Dietrich等，2012）。 以上研究结果说明，饲料DON 污染可能通过抑制肠道上皮细胞基因表达与蛋白合成，从而影响营养物质相关转运载体表达， 最终导致肠道营养物质吸收受阻，动物生长性能下降。

5 饲料中呕吐毒素脱毒方法研究进展

饲料原料中DON 脱毒方法可大致分为物理脱毒、化学脱毒及生物降解法三种。

5.1 物理脱毒法 物理脱毒法包括脱皮法、紫外及γ 射线照射法、密度筛选法及吸附法等。 由于DON 具有较强的热稳定性，可在120 ℃条件下存在， 一般的热处理对饲料中DON 含量无显著影响，因此，生产中一般不使用热处理降解饲料原料中DON。 污染谷物中DON 通常在外壳及表皮部位富集， 可通过脱壳或者去皮方法降低饲料原料中DON 含量。 在镰刀菌污染的大麦中研究发现，分别脱去大麦外层10%及45%组织后，DON 含量显著降低45%及70%（Rios 等，2009）。 DON 污染可导致谷物密度发生变化， 因此可通过悬浮筛选法将DON 污染谷物分离， 从而降低饲料原料DON 含量（计成等，2015）。 目前畜禽生产中使用最为广泛的饲粮DON 脱毒法是添加吸附剂，常用的吸附剂主要有活性炭及硅铝酸盐两类。 活性炭由于具有较大的表面积，对饲料原料中的DON 具有一定吸附效果， 但添加活性炭也导致饲料中其他小分子物质如维生素、矿物质等被吸附，不能被动物利用，从而导致饲料营养价值降低（Awad 等，2010），因此，生产中也较少使用。硅铝酸盐是一类含有硅铝酸盐的黏土，常见的有蒙脱石、沸石粉、膨润土等，它们结构相似都是由铝酸盐、硅酸盐及可交换的金属离子构成。但目前的研究发现，饲粮中添加外源吸附剂仅对黄曲霉毒素具有一定效果，而DON 吸附效果并不理想。 研究发现，5 mg/kg 的DON 污染饲粮中添加0.5%的藻类改性蒙脱石黏土AMMC 对DON 诱导的仔猪生长性能降低并无显著改善（Frobose 等，2016）。 在仔猪饲粮中添加1.0%的蒙脱石可导致仔猪肝脏损伤，血浆中矿物质含量降低，而添加5.0%的蒙脱石则导致仔猪采食量下降，肝脏严重损伤，机体抗氧化能力降低（Zhao 等，2017）。 以上结果表明，使用外源性吸附剂缓解DON 诱导的畜禽健康损伤仍需进一步研究。

5.2 化学脱毒法 化学脱毒法是利用化学试剂如氧化剂处理DON 污染饲粮， 诱导DON 分子结构发生变化从而降低其毒性。 研究发现， 臭氧在pH 为4 ～ 6 条件下处理可有效降解饲粮中DON，另外， 使用氧化试剂如NaOH、NaHSO3及Na2S2O5处理也可有效降低DON 毒性 （Young 等，1986）。化学脱毒法虽然可以在体外降低DON 毒性，但同时也改变了饲料营养成分， 并且对动物安全也造成一定影响，因此，在畜禽生产中并不适用。

5.3 生物降解法 生物降解法是利用微生物作用将DON 分子结构中毒性基团破坏，从而降低其毒性。DON 分子结构中12,13-环氧基是其毒性的关键基团， 在自然界及动物肠道内存在一些微生物可通过破坏12,13-环氧基结构， 将DON 降解为无毒性的DOM-1，从而抑制其对动物健康的影响（Goossens 等，2012；He 等，1992）。另外，微生物还可通过3C-OH 氧化反应、3C-糖苷化、3C-异构化等反应改变DON 分子结构， 从而降低其毒性（计成等，2015）。 因此，生物降解法是近年来DON降解的一个研究热点， 但目前微生物降解法在生产中应用效果参差不齐， 主要是由于微生物在体内有效性、 安全性及生产中稳定性等都存在一定问题，亟需进一步研究与验证。

6 小结

DON 是饲料原料中最为常见且超标率最高的霉菌毒素，给畜禽健康生长带来极大威胁，并对养殖行业造成巨大经济损失。 大量研究表明，DON 危害动物健康主要是通过影响畜禽肠道健康导致的。目前生产中饲料原料DON 污染问题仍未有切实可行的解决方法，而近年来逐步有研究发现，通过营养调节， 向DON 污染饲粮中添加其他生物活性物质如功能性氨基酸、植物提取物、天然抗氧化剂等，通过改善机体营养状况、调节免疫平衡、抑制氧化应激等方式， 可有效缓解DON 诱导的动物机体损伤及生长抑制，这也成为未来畜禽生产中解决饲料原料DON 污染问题的一个重要研究方向。