《Animal Nutrition》：Advances in deoxynivalenol toxicity and detoxification: Mechanisms, challenges, and future perspectives
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脱氧雪腐镰刀菌烯醇（deoxynivalenol, DON）是镰刀菌属（Fusarium）在作物中产生的一种高发性单端孢霉烯族真菌毒素，对全球食品安全构成威胁。该真菌毒素在食品加工过程中的高稳定性使其在整个食物链中构成持续性危害。传统的物理和化学解毒策略面临毒
脱氧雪腐镰刀菌烯醇（deoxynivalenol, DON）是镰刀菌属（Fusarium）在作物中产生的一种高发性单端孢霉烯族真菌毒素，对全球食品安全构成威胁。该真菌毒素在食品加工过程中的高稳定性使其在整个食物链中构成持续性危害。传统的物理和化学解毒策略面临毒素去除不完全、营养损失、有毒副产物生成以及法规限制等局限性。微生物和酶促降解具有高底物特异性、温和的操作条件以及环境兼容性，但其大规模应用受到降解产物安全性不确定性和工艺可扩展性的制约。本综述概述了DON及其修饰形式的毒理学特征。总结了已充分验证的DON毒性机制，包括细胞核糖体毒性应激、内质网应激、氧化损伤、线粒体功能障碍、表观遗传毒性、免疫调节和细胞凋亡。系统记录了现有解毒策略，特别强调了微生物和酶促降解方法及其产物。此外，批判性讨论了微生物菌株和酶在优化实验室条件下（通常表现出>95%的降解率）实现高效DON解毒的功效和优势。通过弥合DON毒性机制与当前解毒策略之间的差距，本综述为减轻DON污染风险提供了全面的线索。
一、研究背景与意义
脱氧雪腐镰刀菌烯醇（deoxynivalenol, DON）是镰刀菌属（Fusarium）产生的一种B型单端孢霉烯族真菌毒素，主要由禾谷镰刀菌（F. graminearum）和黄色镰刀菌（F. culmorum）产生，是小麦、玉米、大麦、黑麦和燕麦等主要谷类作物中最普遍的污染物。DON在食品加工过程中的稳定性使其在整个"从农场到餐桌"的供应链中构成持续性污染威胁。全球监测研究持续证实DON污染的广泛存在：一项2018年调查分析了来自77个国家的13,629份样本，确认了其广泛存在，亚洲污染率达80%，欧洲63%，非洲75%，南美和中美洲67%，北美67%，中东65%。鉴于DON的全球流行性及其对人类和动物健康的不利影响，制定有效的控制策略以预防、消除或解毒食品和饲料中的DON至关重要。
真菌毒素在农业生产中难以控制，即使遵循良好农业规范和最佳储存条件，有时也无法完全从食物链中根除真菌毒素污染。现有DON解毒方法主要包括化学、物理和微生物方法，依赖分子破坏、结构修饰或吸附等机制。物理方法包括吸附、微波处理、辐照、高压加工和挤压。然而，被吸附的毒素可在肠道中重新释放而未被完全分解，且吸附剂对必需营养素的非特异性结合可能导致牲畜慢性营养缺乏。氨熏蒸、臭氧、二氧化氯等化学方法虽能有效降解真菌毒素，但可能同时使蛋白质变性、降解维生素而降低饲料品质，更重要的是可能产生有毒副产物和环境持久性废物。微生物方法具有高底物特异性、降解效率和环境安全性，其低操作温度对食品和饲料品质及适口性影响小。特别是微生物酶作为有效解毒剂展现出巨大前景。近期酶工程策略、细胞和酶固定化技术等理论与技术进展促进了其潜在商业应用。
二、研究内容与结论
2.1 DON及其修饰形式对人和动物健康的影响
DON具有多种毒性效应，包括急性毒性以及胃肠道、肝脏、免疫、发育、生殖和神经毒性。人类急性DON中毒的主要症状为恶心、呕吐、头晕、头痛、腹痛和腹泻。不同动物物种对DON的敏感性差异显著，取决于胃肠道生理学、毒代动力学和微生物代谢的差异。猪是最敏感的物种，因其胃肠道对DON吸收率高且代谢解毒能力弱；啮齿动物敏感性居中；家禽因肠道转运快和口服生物利用度低而毒性较低；反刍动物通过瘤胃微生物将DON降解为毒性较低的深氧-DON（DOM-1）而表现出相对抗性。猪日粮中1–2 mg/kg的DON即可降低采食量和体重增长，12–20 mg/kg可导致几乎完全拒食并诱导呕吐。小鼠模型中，DON的毒性高度剂量和时间依赖性。在家禽中，5 mg/kg日粮DON诱导十二指肠和空肠绒毛高度和宽度降低的胃肠道损伤，并降低肠道屏障功能。
DON的毒性与其分子结构密切相关，包括环氧基、羟基和酮基及其位置。真菌可产生乙酰化形式如3-乙酰基脱氧雪腐镰刀菌烯醇（3-ADON）和15-乙酰基脱氧雪腐镰刀菌烯醇（15-ADON）；植物可产生脱氧雪腐镰刀菌烯醇-3-葡萄糖苷（D3G），可在宿主消化道中水解回具有生物活性的DON；细菌转化产生DOM-1、3-酮基-DON（3-keto-DON）和3-表位-DON（3-epi-DON）；化学修饰产生norDON A-C和DON-磺酸盐。
2.2 DON的分子和细胞作用机制
2.2.1 核糖体毒性
核糖体是DON公认的靶点。DON对真核细胞60S核糖体亚基的肽基转移酶中心具有高结合亲和力，阻断肽基转移酶活性和翻译延伸。停滞的核糖体复合物被细胞监视系统感知，触发双链RNA激活蛋白激酶（PKR）和造血细胞激酶（HCK）等应激反应蛋白激酶的募集和激活，进而激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路核心组分：c-Jun N端激酶（JNK）、细胞外信号调节激酶（ERK）和p38 MAPK。在猪肠道上皮细胞（IPEC-J2）模型中，DON激活MAPK导致自噬流受损、氧化应激增加和上皮屏障紧密连接完整性破坏。使用p38特异性抑制剂SB203580可显著降低DON在IPEC-J2细胞中的细胞毒性效应。
2.2.2 内质网毒性
DON暴露导致RNase活性上调、内源性28S rRNA裂解以及内质网（ER）腔中错误折叠蛋白积累。这种蛋白毒性应激导致主要ER伴侣蛋白葡萄糖调节蛋白78（GRP78）从其相关传感器解离，启动未折叠蛋白反应（UPR）。UPR由三种主要ER跨膜传感器介导：激活转录因子6（ATF6）、肌醇需求酶1（IRE1）和蛋白激酶RNA样ER激酶（PERK）。DON暴露导致ATF6蛋白水平增加并转位至高尔基体被切割；IRE1通过其内切核糖核酸酶活性将X-box结合蛋白1（XBP1）mRNA加工为活性转录因子XBP1s，同时其激酶活性募集肿瘤坏死因子受体相关因子2，激活凋亡信号调节激酶1-p38 MAPK通路；PERK通路涉及真核起始因子2α在Ser51位点的磷酸化，持续暴露时PERK信号转向凋亡，主要通过上调促凋亡转录因子CCAAT/增强子结合蛋白（C/EBP）同源蛋白。
2.2.3 氧化应激和线粒体损伤
DON通过过量产生活性氧（ROS）和活性氮（RNS）引起氧化应激，并与线粒体功能障碍相关。在HT-29细胞中，DON（250–500 ng/mL）暴露30分钟后显著提高细胞内ROS和RNS水平。在HCT116细胞中，100 μmol/L DON显著增强线粒体超氧化物产生。体内研究中，饲喂4.0 mg/kg DON日粮37天的仔猪血清中H2O2和一氧化氮（NO）水平升高，回肠总抗氧化能力（T-AOC）降低。线粒体功能障碍是DON引起氧化应激的关键组成部分。在大鼠心肌细胞中，DON（0.78–100 μmol/L）能损害电子传递链（ETC）复合物的功能，导致生物能量崩溃。DON产生的ROS可激活MAPK信号，形成额外的正反馈机制产生更多ROS并增强细胞损伤。氧化应激还通过影响蛋白质折叠和促进错误折叠蛋白积累而加剧ER应激。
2.2.4 DON的表观遗传毒性
DON干扰表观遗传调控，诱导DNA甲基化模式改变、组蛋白翻译后修饰改变和非编码RNA表达失调。猪卵母细胞体外成熟期间暴露DON促进DNA甲基转移酶3A表达上调，增加整体DNA甲基化，并改变DNA依赖性组蛋白修饰模式。组蛋白H3赖氨酸4二甲基化和H3赖氨酸27三甲基化水平增加，由zeste同源增强子2（EZH2）、SET结构域分叉1（SETDB1）和variegation 3-9同源抑制因子2（SUV39H2）组蛋白甲基转移酶表达增加介导。这些表观遗传扰动与细胞骨架不稳定、凋亡诱导和卵母细胞发育能力下降相关。在小鼠卵母细胞中也观察到类似的表观遗传变化，包括整体DNA超甲基化和H3赖氨酸9二甲基化（H3K9me2）水平降低。DON引起的表观遗传改变是可遗传的表观遗传标记，可通过有丝分裂和减数分裂持续存在，可能在暴露后很长时间内导致毒性并具有跨代影响。
2.2.5 免疫调节毒性
根据剂量和暴露持续时间或频率，DON可通过上调促炎基因表达或诱导凋亡分别引起免疫刺激或免疫抑制。体外急性低剂量暴露（0.1–1 μmol/L）在多种免疫细胞类型中触发快速促炎反应，以细胞因子（肿瘤坏死因子-α[TNF-α]、白细胞介素-6[IL-6]和白细胞介素-1β[IL-1β]）、巨噬细胞炎症蛋白2和炎症介质（环氧合酶2[COX-2]和前列腺素E2[PGE2]）表达上调为特征。转录层面，DON在15–30分钟内诱导MAPKs（p38、JNK和ERK1/2）磷酸化，增强关键转录因子激活蛋白-1（AP-1）、核因子-κB（NF-κB）和C/EBP的DNA结合活性。转录后层面，DON稳定TNF-α、IL-6、COX-2、白细胞介素-8（IL-8）和白细胞介素-2的mRNA。体内研究中，口服25 mg/kg DON的小鼠在脾脏淋巴细胞中诱导快速MAPK磷酸化（15–30分钟），随后AP-1、C/EBP（1–2小时）和NF-κB（4–8小时）依次激活。然而，慢性或高剂量暴露通过诱导活化免疫细胞凋亡使反应转向免疫抑制。在猪模型中，低剂量DON增加TNF-α和IL-6表达，促进趋化和吞噬活性并驱动M1极化；高剂量暴露增加转化生长因子-β（TGF-β）和白细胞介素-10（IL-10），导致趋化和吞噬减少并促进M2极化。
2.2.6 DON诱导的细胞凋亡
DON在不同细胞类型中诱导多种形式的程序性细胞死亡。肠道上皮细胞中主要凋亡途径涉及ERK1/2介导的叉头盒O3a（FOXO3a）核转位，导致肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体（TRAIL）和caspase 8等促凋亡基因上调。肝脏中的细胞死亡模式更为复杂，慢性和小鼠亚急性口服DON主要激活caspase-3/gasdermin E（GSDME）依赖性焦亡，而断奶仔猪慢性暴露通过受体相互作用蛋白激酶1（RIPK1）/受体相互作用蛋白激酶3（RIPK3）/混合谱系激酶结构域样蛋白（MLKL）信号触发坏死性凋亡。肾脏主要经历经典凋亡。免疫细胞中，暴露15分钟内PKR和HCK激活导致持续的p38/ERK1/2磷酸化，导致Bax/Bcl-2拮抗杀伤因子介导的细胞色素c释放和随后的caspase-3激活，同时由ERK1/2-p90Rsk介导的生存途径磷酸化Bcl-2相关死亡启动子并激活cAMP反应元件结合蛋白介导的B细胞淋巴瘤-extra large（Bcl-xL）表达来平衡。
2.2.7 细胞周期阻滞
DON触发细胞周期阻滞。大鼠肠道上皮细胞中主要效应是G0/G1期阻滞，而人上皮细胞系中是G2/M期阻滞。p21被视为p53的下游靶点，但在DON处理的细胞中p21增加未伴随p53蛋白水平明显增加，表明DON能逃避经典DNA损伤反应并激活其他应激通路。进一步研究表明DON对p21的上调由ERK1/2信号介导，通过增加p21转录活性和稳定其mRNA实现。在HepG2人肝癌细胞中，2 μmol/L DON处理24小时使G2期群体从22%显著增加至58%，同时S期比例从30%降至8%。低水平DON（0.6–1.2 μmol/L）诱导主要为G2/M阻滞，而相对高剂量（4.8 μmol/L）诱导主要为亚G0积累，表明随着DON暴露增加，细胞反应从细胞周期阻滞转向不可逆细胞死亡。
三、解毒与净化策略
3.1 物理方法
物理解毒方法包括机械分离、吸附、热处理和非热物理技术。筛选和分选可减少70%–80%的DON污染但导致高达69%的材料损失。基于密度的浮选利用感染籽粒密度较低的特性，使用30%蔗糖溶液作为浮选介质，玉米中DON降低53%，小麦中降低68%。活性炭在模拟胃液中DON吸附率达70%，改性蛋壳材料吸附效率为53%。但吸附存在选择性差、吸附剂再生困难以及弱范德华相互作用相关的二次污染风险。DON具有高热稳定性，120 °C稳定，180 °C中等稳定，需210 °C处理40分钟才能破坏。常规烹饪（96 °C，30分钟）仅降低8%的DON浓度，高温焙烤（220 °C）降低约40%，高温挤压（135–190 °C）降低约75%。大气冷等离子体（ACP）是一种新兴解毒方法，6分钟短时暴露可使大麦中DON浓度降低48%，但大规模应用受能量需求和设备投资限制。
3.2 化学方法
化学解毒方法主要基于氧化、还原和碱性试剂。酸基处理相对温和，用柠檬酸或乳酸溶液浸泡受污染饲料基质至少5小时可降低约45%的DON浓度。亚硫酸盐衍生物如NaHSO3和Na2S2O5通过亲核加成反应帮助DON转化为磺化衍生物。在天然污染玉米中，NaHSO3在80 °C处理18小时获得85%的DON降低，而涉及甲胺、Ca(OH)2和焦亚硫酸钠（2:4:1）的组合化学系统在80 °C下实现91%的DON降解。臭氧处理具有高氧化电位，30分钟暴露后受污染小麦中DON浓度降低约81%。然而，欧盟不允许对人类食品商品进行化学解毒，化学方法存在转化产物毒理学特征、营养保留、操作安全性和经济性等障碍。
3.3 微生物解毒
3.3.1 微生物解毒机制
微生物解毒通过生物吸附、酶促转化或代谢转化降低DON毒性。吸附机制包括DON与微生物细胞表面或结构的结合，降低其肠道吸收和全身生物利用度。生物转化将DON转化为结构修饰的代谢物，涉及特定酶对DON的降解，主要改变羟基和反应性环氧基。异构化、乙酰化、糖基化、氧化、羟基化和水解是DON的主要生物转化途径。主要生物转化产物为DOM-1、3-keto-DON、3-epi-DON和D3G。
3.3.2 微生物吸附
微生物吸附是表面介导的隔离策略，依赖DON与微生物表面多糖（特别是葡甘露聚糖）之间的非共价相互作用。吸附过程通常是可逆的，取决于微生物菌株类型和DON初始浓度。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）发酵24小时后可溶性DON水平降低40%；副干酪乳杆菌（Lactobacillus paracasei）LHZ-1细胞壁形成DON结合复合物，24小时孵育后浓度降低40.7%；米根霉（Rhizopus oryzae）和米曲霉（Aspergillus oryzae）灭活孢子分别以67%和89%的效率去除DON。
3.3.3 将DON生物降解为DOM-1的微生物
微生物将DON转化为DOM-1被认为是最关键的解毒途径之一，主要通过微生物切割C12-C13环氧基实现。早期研究确定真杆菌属（Eubacterium sp. DSM 11798）能将DON降解为DOM-1。后来从牛瘤胃中分离出芽孢杆菌属（Bacillus sp. BBSH 797），该菌种也能介导此转化并已商业化用于饲料DON解毒。芽孢杆菌属（Bacillus sp. LS100）通过相同途径减轻猪的DON毒性。最近表征了鸡肠道来源的新型菌株Eggerthella sp. DII-9，表现出高效的DON-to-DOM-1转化能力，随后分离出Slackia sp. D-G6，这是一种革兰氏阳性、不产孢的家禽肠道细菌，在优化条件下48小时内完成25 mg/L DON的完全生物转化。
四、结论与展望
本综述系统概述了DON引起人类和动物健康损害的毒理学机制，涵盖核糖体毒性应激、内质网应激、氧化应激和线粒体损伤、表观遗传毒性、免疫调节、细胞周期阻滞和凋亡等主要分子和细胞过程。基于这些机制背景，批判性讨论了当前DON控制策略，特别是生物控制，强调机制、最新进展、潜在应用和挑战。物理和化学方法存在毒素去除不完全、营养损失、有毒副产物生成和法规限制等局限性。微生物和酶促降解具有高底物特异性、温和操作条件和环境兼容性，但其大规模应用受到降解产物安全性和工艺可扩展性的制约。微生物菌株和酶在优化实验室条件下常表现出>95%的降解率。未来展望包括酶工程策略以提高催化效率和热稳定性，以及细胞和酶固定化技术以增强工业环境中的可重用性和性能。本综述弥合了DON毒性机制与当前解毒策略之间的差距，为减轻DON污染风险提供了全面线索，并为高效、安全和可持续的DON解毒生物策略提供了科学基础。
