微生物产生的毒素

三、微生物产生的毒素

许多微生物如细菌、放线菌、真菌、藻类都可以产生毒素，对环境造成污染，引起人和动物病害。如黄曲霉素是一种强致癌物质，细菌产生的毒素能引起多种疾病，藻类毒素会引发食物中毒等。

大多数情况下，产生的毒素或被分解或稀释，不会引起动物的疫病。如微生物产生大量毒素，毒素又累积到一定的浓度，这样就会使动物患病。在某些情况下，微生物产生的毒素还能在食物网中浓缩，使较高营养级的动物致病，而对低级食物网成员没有明显影响。

1.细菌毒素

许多细菌能产生毒素。细菌毒素是细菌引起人类疾病和动植物病害的主要原因。细菌毒素分为外毒素和内毒素。外毒素是指细菌在生命活动过程中分泌到体外的毒素，多为蛋白质性质，其毒性大于内毒素，但不及内毒素耐高温，一般加热到60℃以上毒性即可被破坏。内毒素是细菌在细胞内产生的，只有当细胞破裂后才释放出来的毒素。内毒素主要是革兰氏阴性细菌产生的脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)。脂多糖是革兰氏阴性细菌细胞壁主要组成成分之一。由于革兰氏阴性细菌在环境中是无处不在，因而LPS也是无处不在，当它扩散到空气中时，可以导致各种呼吸系统病变综合征。因此，LPS被认为是最重要的空气生物过敏原。当它与空气产生的微粒如尘埃结合起来，就会引起急性的呼吸系统症状，例如胸闷、咳嗽、气短、发烧和打颤。

由于细菌内毒素一般都是在动物循环系统内释放时才产生毒效，因此环境中的内毒素一般没有多大危险，危险主要来自外毒素。例如，肉毒梭菌产生的毒素，就是一种毒性很强的神经毒素。这种神经毒素通常与食用受污染食物有关。来自于肉毒杆菌的毒素(A型肉毒杆菌毒素)是一种潜在的生物武器制剂。其致死剂量如此之小以至于气溶胶化也可以作为一种传播手段。对于吸入的肉毒杆菌毒素其致死剂量仅0.3μg，暴露12小时后就可导致死亡。这是由于神经末梢乙酰胆碱的产生受到抑制，呼吸作用的肌肉瘫痪引起窒息而导致的。葡萄球菌产生的肠毒素，吸入的致死剂量也仅25 μg，如暴露在气溶胶状态下，1小时之内就有痉挛、呕吐和腹泻症状产生。其他细菌外毒素还有很多，引起人类疾病的如白喉棒杆菌(Corynebacterium)产生的白喉毒素、霍乱弧菌(Vibrio cholerae)产生的肠毒素、破伤风梭菌(C.tetani)产生的神经毒素、气坏疽毒素等，引起植物病害的如烟草假单胞菌产生的野火毒素和栖菜豆假单胞菌产生的菜豆毒素等。椰毒假单胞菌(Pseudomonas cocorenenans)可从发酵米面、椰子及变质银耳上分离到，其产生的毒素米酵菌酸(bongkrekic acid)可引起严重食物中毒。

细菌产生的一些常见外毒素见表12-5。

表12-5　　常见细菌外毒素及其危害

2.放线菌毒素

某些放线菌产生的代谢物可以使人和动物中毒，有的还有致癌作用。如链霉菌属(Streptomyces)放线菌产生的放线菌素就可以致癌;洋橄榄霉素是肝链霉菌(Streptomyces hepaticus)的产物，毒性很强，可以诱发肝、肾、胃、脑等的癌变;链脲菌素是从不产色的链霉菌中分离的，可以诱发肝、肾、胰脏等的癌变。放线菌素D是强烈的核酸合成抑制剂，故临床上又可用作抗癌剂。

3.真菌毒素

真菌毒素是指以霉菌为主的所有真菌代谢活动产生的毒素。不同的菌种可产生同样的毒素，如黄曲霉和寄生曲霉都可以产生黄曲霉素，同一菌种也可以产生不同的毒素，如岛青霉可以产生岛青霉毒素、黄天精、环氯素等。

现已发现的真菌毒素达300多种，其中毒性最大的如黄曲霉毒素、赭曲霉毒素、黄绿青霉素、红色青霉毒素B、青霉酸等。

根据毒素作用于人体和动物的器官、部位的不同，可分为肝脏毒、肾脏毒、神经毒、造血组织毒等。肝胀毒素有黄曲霉和寄生曲霉产生的黄曲霉素，杂色曲霉和构巢曲霉产生的杂色曲霉素，岛青霉产生的黄天精、环氯素和岛青霉素，红青霉产生的红青霉毒素以及赭曲霉产生的赭曲霉毒素。肾脏毒素主要有橘青霉产生的橘霉素和米曲霉产生的曲酸。神经毒素主要是荨麻青霉、棒形青霉产生的棒曲霉素，黄绿青霉产生的黄绿青曲霉素以及米曲霉小孢变种产生的麦芽米曲霉素。光过敏性皮炎毒素有纸皮思霉产生的孢子素和菌核病核盘霉产生的菌核病核盘霉毒素。造血组织毒素则主要是来自梨孢链孢霉的拟枝孢链孢霉毒素、雪腐链孢霉的雪腐链孢霉烯醇和葡萄穗霉产生的葡萄穗霉毒素。

真菌多为中温型需氧微生物，阴暗潮湿的地方很容易生长。在谷物、饲料上分离得到的真菌中约有30%～40%的菌株可以产生毒素。霉菌毒素能引起人畜急慢性中毒甚至死亡。有的霉菌毒素还具强的致癌能力。杂色曲霉毒素广泛存在于各种腐烂动物尸体和蔬菜上，能引起肝、肾坏死，诱发肝癌。黄曲霉毒素既是致癌物，又是剧毒物，其毒性为氰化钾的10倍。在17种已确定结构的黄曲霉毒素中，毒性最大、致癌力最强的黄曲霉毒素B₁非常稳定，能耐酸性、200℃的高温、紫外线照射以及121℃的高压灭菌。另一方面，产黄曲霉毒素真菌侵染的范围相当广泛，很多粮食、饲料、蔬菜、水果、乳品、肉类、干果、烟草上都有其踪迹。因此，黄曲霉毒素的危害十分严重。其他常见的真菌毒素中毒还有麦角中毒(麦角菌产生的麦角毒素、麦角新碱)、赤霉病麦中毒(禾谷镰刀菌产生的赤霉麦毒素)、黄变米中毒(主要是岛青霉产生的黄天精)等。

鉴于产毒素真菌侵染范围广，真菌中毒事件时有发生，造成重大损失，因此，在生产实践中应严格防止霉菌的污染和滋长。

4.藻类毒素

藻类不但能引起淡水“水华”或海洋“赤潮”，使水体变色并产生异味，有的藻类还可产生一些使食藻动物拒食或毒化的有毒次级代谢物——化学毒素。藻毒素是细胞内毒素，通过坏死的藻细胞向水体释放，造成食藻的鱼、贝类动物、水鸟等中毒，并可在这些动物体内积累，并通过食物链转移。含有毒素的藻类通过食物链毒化海洋鱼、贝，人类食用海藻或染毒的鱼、贝可发生食物中毒甚至死亡，成为严重的环境和公共卫生学问题。

海洋中产毒素的藻类主要是甲藻纲的一些种类，产生的毒素对人体的毒性最大。研究发现，原本无毒的贝类只在一定的季节和海域被毒化，且大多数与赤潮有关，在某些形成赤潮的单细胞藻类中检出了麻痹性贝毒，相应海域的食藻性贝类大多被毒化。导致贝类被麻痹性贝毒毒化的藻种主要有:热带水域的涡鞭毛藻(Pyrodinium bahamense var compressa)、北太平洋的链状膝沟藻(Protyonyaulax catenella)和北大西洋的塔玛尔膝沟藻(P.tamarensis)。

咸水中一般是金藻纲的某些藻类产生毒素，可使鱼类大量死亡。

淡水藻类中，毒性最强、污染范围最广且最严重的藻类多为蓝绿藻(Cyanobacteria或bluegreen algae)，有蓝藻门的颤藻属、尖头藻属、鞘丝藻属、微囊藻属、鱼腥藻属、细小隐球藻属等，特别是微囊藻，分布广，毒性强，在世界上的危害排第一。其他还有甲藻门的裸甲藻属、裸藻属及绿藻门部分藻种。微囊藻不仅存在于湖泊、水库、沟塘等易受到污染的水源地，而且在封闭的水池等处也可以产生，甚至进入供水管网的微囊藻仍可繁殖，特别是在一些建筑的水箱如果清洗不好，或者是密封条件不好，都可能产生微囊藻毒素，而其毒性可与眼镜蛇毒相当。在藻类水华中发现的许多蓝藻都能产生毒素，这些毒素可导致肝损伤、神经中枢损坏和胃肠失调。蓝藻毒素不仅分布广泛，而且理化特性也相差很远，毒性也有大有小，且时间、地点而发生变化，在某一季节为无毒水华而在另一季节则表现出毒性，即使同一湖泊中不同地点采集的蓝藻水华毒性也不同，水体环境条件如光照、pH值、营养盐、微量元素等均对藻毒素的合成有影响。如武汉东湖的有毒蓝藻主要是铜绿微囊藻(Micronizomenon aeruginosa)和水华鱼腥藻(Anabaena flos-aquae)。水华束丝藻(Aphanizomenon flos-aquae)也产毒素。铜绿微囊藻是分布最广、数量最大、持续时间最长的有毒水华，毒性也较水华鱼腥藻高。

(1)淡水藻毒素

目前，已发现的淡水藻毒素已有40多种。已检测到的淡水藻类毒素其化学结构主要有环肽、生物碱和脂多糖。环肽毒素包括7肽的微囊藻毒素(microcystins)和5肽的球藻毒素(nodularins)，生物碱有神经毒素类的石房蛤毒素、类毒素和高类毒素、麻痹性贝毒素(paralytic shellfish poisons，PSP)，以及神经毒性生物碱、皮肤毒性生物碱和刺激性毒物——脂多糖(LSP)。根据毒素的性质，淡水藻类毒素主要有肝毒素、神经毒素和细胞毒素三类。

①多肽肝毒素(hapatotoxins)。肝毒素由铜绿微囊藻(Microcystis auerogenosa)、水华鱼腥藻(Anabaena flosaquae)、泡沫节球藻(Nodularia spumigena)、明胶颤藻(Oscillatoria agardlii)以及念珠藻(Nostoc)等产生，是由7个或5个氨基酸组成的环肽，其中具代表性且分布最广泛的是微囊藻毒素(mycrocystin，即MC)，这是小分子环状7肽化合物，由于位置2和4两个L-氨基酸的不同以及位置3和5两个不寻常氨基酸的甲基化/去甲基化产生的差异，可以形成多种不同的异构体，目前已从不同微囊藻菌株分离、鉴定出近60种不同结构，但可商品购买的只有MC-LR、MC-RR、MC-YR等数种。此类毒素溶解性强且较能耐高水温，是肿瘤促进剂，可抑制许多生化过程中的蛋白磷酸化酶PP1和PP2A的生成，而这两种酶是正常细胞中肿瘤形成的阻遏物。该毒素作用于肝细胞表面的特异性受体，使肝细胞骨架受损，微丝向细胞中心收缩，肝脏原有的组织结构变形，血液汇集向肝脏而使体循环缺血。大剂量作用将直接导致急性肝损伤，小剂量的慢性刺激将可诱发肝癌，并且和其他一些肝肿瘤促进剂具有协同作用，微囊藻毒素是目前发现的最强的肝肿瘤促进剂，流行病学调查显示饮水中的微囊藻毒素与肝癌的发病率高度相关。50～70μg/kg的微囊藻毒素腹腔注射小白鼠，2h内可致其低血容量死亡。1996年巴西发生一起血透中心就曾发生因使用含铜绿微囊藻毒素的湖水透析而导致数十名病人肝衰竭死亡的事件。

②生物碱类神经毒素(Neurotoxins)。这类毒素最早是1977年Devlin从水华鱼腥藻中分离出的，并证明它是一种神经毒碱，强烈的神经肌肉兴奋阻断剂，中毒动物因呼吸肌瘫痪而死亡。

类毒素-A(Anatoxin-A)为水华鱼腥藻、水华束丝藻(Aphanizomenon flosaquae)以及螺旋颤藻(Oscillatoria spirulina)所产生，化学成分为仲胺赝碱。这是一种强烈的神经肌肉兴奋阻滞剂，中毒动物因呼吸肌瘫痪而死亡，对小白鼠的半数致死量LD₅₀为200μg/kg。类毒素-AS(Anatoxin-AS)也是水华鱼腥藻产生的，是带鸟嘌呤的有机磷酸酯，对胆碱酯酶有很强的不可逆抑制作用。这类毒素的致死作用很快，常使饮用含毒素水的牲畜猝死在水边。

石房蛤毒素(Saxitoxin)及新石房蛤毒素(Neo-Saxitoxin)都是水华束丝藻产生的，结构为赝碱，即以前所发现的蛤麻痹毒素(paralytic shellfish poison，PSP)，是蛤类吞食藻类后富集在体内的藻毒素，可阻滞细胞膜上的钠通道，从而导致动物死亡。对小鼠LD₅₀为10μg/kg。

③细胞毒素。藻类次级代谢物中已发现多种细胞毒素，具有很强的杀细胞或抗生作用，有的还有促进癌变的作用。有关研究用叙利亚金黄地鼠胚胎细胞(SHE)，通过Admas试验和体外微核试验研究微囊藻毒素的遗传毒性，推测毒素可能在染色体水平上或基因调控过程中影响细胞的分裂，而对DNA本身无直接损害。能产生这些毒素的藻类种属范围很广，其毒性作用及其机理尚待进一步研究。

(2)海洋藻毒素

海洋中约有4000余种浮游藻类，其中约有300种是可导致海水变色的赤潮种。引起赤潮的藻类主要是甲藻门(Dinophyta)的种类，常称为涡鞭毛虫(Dinoflagellates)。在300种赤潮种中约有70种能产生毒素，可通过鱼或贝类等食物链对人类造成毒害，可造成人类消化系统或神经系统中毒，严重的还可致死。此外，还可造成大量的养殖贝类、虾类、蟹类和鱼类中毒死亡。一些保护动物，如鳟鱼、海豚、海牛、海鸟、海狮、海鲸也有中毒致死的报道。

赤潮甲藻产生的毒素及其危害见下表。

与有害赤潮有关的赤潮藻毒素中毒主要有麻痹性贝毒中毒(paralytic shellfish poisoning，PSP)、腹泻性贝毒中毒(diarrheic shellfish poisoning，DSP)、记忆丧失性贝毒中毒(amnesic shellfish poisoning，ASP)、神经性贝毒中毒(neurotoxic shellfish poisoning，NSP)、食用染毒海鱼引发的西加中毒(雪卡中毒ciguatera)、食用食藻海兔而致的海兔毒素(aplysiatoxins)中毒以及食用江蓠属(Gracilaria)海藻引发的前列腺素(PG)中毒等。当江蓠属海藻与含有大量不饱和脂肪酸的食物共同食用时容易发生中毒，不饱和脂肪酸在藻体中含有的前列腺素合成酶作用下生成前列腺素。女性对PG非常敏感，会引起休克甚至死亡。

产生PSP的藻种主要有北大西洋的塔码尔膝沟藻、北太平洋的链状膝沟藻和念珠状膝沟藻以及热带水域的涡鞭毛藻。被污染的主要是紫贻贝、巨石房蛤、扇贝、巨蛎等贝类，一些螺、蟹甚至鱼中也有检出。PSP毒素是以石房蛤毒素(saxitoxin，STX)为骨架，取代基不同而衍生出的多种化合物的混合体。目前19种具体结构成分已明确。它们都是些小分子、非蛋白水溶性化合物，是典型的Na离子通道阻滞剂，可广泛阻滞神经肌肉传导。PSP是神经肌肉麻痹剂，对热、酸稳定，一般加工方法很难破坏其毒性。PSP对人体的致死剂量为500～12400 μg。

短梭盘藻(Ptychodiscus brevis)分泌的短毒素(brevetoxin，BTX)是引发NSP的元凶，被其污染的海洋生物主要以巨砺和帘蛤等贝类为主。BTX作为去极化型毒素造成神经性贝毒中毒。BTX有5种，脂溶性，常见的BTX-B是由11个原子的碳氧杂环体系两端分别连以不饱和内脂和醛构成的。

DSP有10种以上，属聚醚化合物。这类毒素为脂溶性，不溶于水，对热稳定，通常的加热处理不易被破坏，主要作为蛋白磷酸酶的强烈抑制剂，激发磷酸化控制大肠细胞钠的分泌而引起腹泻。日本和美国倒卵形鳍藻(Dinophysis fortii)是产生DSP的主要藻种，欧洲主要是渐尖鳍藻(Dinophysis acuminata)和尾状鳍藻(Dinophysis cauda)，我国则是尾状鳍藻和褐胞藻。DSP毒化的贝类仅限于双壳贝。毒化时间一般是初夏至秋季。虽然在毒化期间未必出现赤潮，但贝类的染毒是由藻类所致。毒素局限于贝类的中肠腺。造成痢疾性贝毒的鳍藻属，其通常不形成赤潮，且少数几个细胞即可以造成毒性的产生，并且此种毒素煮沸亦无法破坏，虽然有毒涡鞭毛藻不多，但其毒性十分可怕，因此不可等闲视之。

引起ASP的毒素主要是软骨藻酸(domoic acid，DA)，一种相对罕见的神经毒性氨基酸。硅藻是软骨藻酸的主要来源，可以毒化双壳贝和其他甲壳类动物。毒化贝类的硅藻在日本、加拿大等国都引起过赤潮。除硅藻外，东南亚海域的树枝软骨藻以及其他红藻类如Jania capillacea、Coelothrix irregularis等也含有大量的软骨藻酸，日本曾有人因食用树枝软骨藻而中毒死亡。

西加鱼毒是深海藻类分泌的毒素，被食草鱼类蓄积并在鱼体内受氧化酶作用转化成毒性更强的一类毒素。西加中毒(又名雪卡中毒)是热带和亚热带珊瑚礁发达海域有毒鱼类引起的食物中毒，最初因人们食用加勒比海一带名为“Cigug”的一种海生软体动物引起中毒而得名。全世界每年此类中毒者达数万人，最严重的是1993年11月在马达加斯加岛，因食用真鲨科鲨鱼导致500人中毒，98人死亡。已发现有400多种鱼可被毒化，主要是热带地区的底栖鱼类和珊瑚礁鱼类。西加鱼毒致死主要是呼吸肌麻痹所致。西加中毒多发生在热带和亚热带地区，通常以珊瑚礁鱼为食用鱼的地区尤为多见。导致西加中毒的鱼类具有明显的地域性。有些鱼类在甲地是无毒的，在乙地则成为有毒的;有的仅在生殖期毒性增强;有的幼体无毒，大型个体则有毒。目前已公认其毒性的形成与鱼类的摄食有关。法属波利尼西亚甘比尔群岛常发生大量西加中毒病例，剧毒甘比甲藻(Gambierdiscus toxicus)是导致西加中毒的起因生物。这种毒藻在适宜的气候及理化条件下，可以形成“水华”，通过食物链毒化鱼类，其中大多数是底栖鱼类和珊瑚礁鱼类，如双棘石斑鱼等。被毒化的鱼内脏、卵巢和性腺的毒性最大，肝脏的毒性是肌肉的50～100倍。

海兔毒素(aplysiatoxins)因最早发现自食藻软体动物长尾背肛海兔(Styocheilus longicauda)的消化腺而得名，可使游泳者发生海水浴皮炎以及人类食物中毒。游泳者中毒症状是皮肤发痒、斑疹、起水泡、深部糜烂等。海兔能浓集溴元素。海兔引起人类食物中毒的机理是亚急性有机溴中毒。引起毒化的海藻是一种海洋蓝藻——巨大鞘丝藻(Lyngbya majuscula)。

在有毒的涡鞭毛藻中，以年轻的比年老的细胞毒，休眠的比浮游的毒。因此，底栖性贝类因其滤食性，常会积累大量刚萌发的年轻涡鞭毛藻或休眠孢子于其体内，如再经过人类捞捕而食之，极易发生中毒事件。

如先前所述，赤潮需要在各项条件配合之下才会发生。然而在这里必须强调的是，人类经由贝类而中藻毒，并不一定要有赤潮发生才会有。因此，建议政府应及早建立一套藻毒监视系统，在某海域(特别是养殖专区)有异常有毒藻发现时，能事先提出警告，以避免中毒事件发生。

水体富营养化、藻类污染及其毒素污染现象已经成为全球范围内日益严峻的环境与公共卫生问题，藻类毒素引发的中毒已被列为最重要的化学性食物中毒。目前，由海洋藻毒素引发的中毒事件还时有发生，并且随人们饮食结构的变化，食用海产品增多而有上升趋势。淡水藻毒素的污染现状同样令人忧虑，据对我国部分省份农村饮用水源的藻类毒素含量调查，20%～40%的水样被藻毒素污染，部分地区甚至达到70%以上，严重威胁人类健康，同时还会对水产品的出口等造成障碍。所以，加强对藻类动态监测和藻类毒素检测方法的研究，以及发展旨在消除藻毒素的水处理技术等已成当务之急。

思考题

1.能引起环境污染的微生物代谢产物有哪些?简述它们的产生条件、危害特点和防治措施。

2.微生物与金属腐蚀有何关系?

3.细菌毒素的主要种类和特征有哪些?

4.藻类毒素有哪些危害?产生藻毒素的藻类主要有哪些?

5.什么是水体富营养化?

6.富营养化水体有何特征?

7.简述水体富营养化的危害。

8.简述水体富营养化的成因和评价指标。

9.防治水体富营养化的措施有哪些?