綜述:傳統霉菌毒素控制方法的局限性以及生物技術進步在實現可持續解決方案方面的作用
《Biotechnology Advances》:Limitations of traditional mycotoxin control and biotechnological advances toward sustainable solutions
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時間:2026年02月07日
來源:Biotechnology Advances 12.5
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真菌毒素污染治理面臨傳統方法效率低、安全性差等問題,本文綜述了工程微生物降解、納米材料檢測與催化、噬菌治療抑制毒素合成、CRISPR-Cas基因編輯阻斷生物合成通路、植物-微生物協同抑制等創新技術,并探討酶固定化提升催化穩定性,提出多技術整合的可持續解決方案。
Xitao Wang | Jiansong You | Xiaoyu Li | Yongping Xu | Zhongyu Li | Lili Wang
大連民族大學生命科學學院,中國大連 116600
摘要
霉菌毒素是有害的真菌代謝產物,會污染食品和飼料,對全球健康和經濟造成嚴重風險。傳統的控制方法由于效率低下和安全問題往往效果不佳,這促使人們開發出創新的生物技術方法。本文綜述了霉菌毒素管理的最新進展,重點介紹了用于靶向降解的工程微生物、基于納米技術的檢測和去除系統、針對產毒真菌的噬菌體療法、CRISPR-Cas 基因編輯技術(用于調控霉菌毒素的生物合成途徑),以及抑制真菌生長的植物-微生物相互作用。此外,還強調了酶固定化策略在提高酶穩定性和重復使用性方面的作用。這些綜合的生物技術工具為減輕霉菌毒素污染提供了有前景的可持續解決方案,從而增強了食品安全和農業生產力。本文還討論了將這些進展轉化為實際應用的當前挑戰和未來方向。值得注意的是,生物技術工具在技術上是可行的,并且越來越接近在食品和飼料鏈中的實際應用。
引言
霉菌毒素是由曲霉菌、鐮刀菌和青霉菌等絲狀真菌產生的有毒次級代謝產物,它們在全球范圍內污染了多種農產品(Hassan 等,2023)。這些次級代謝產物對人類和動物健康構成巨大威脅,會導致急性中毒、致癌、免疫抑制和發育異常。霉菌毒素污染的全球負擔造成了巨大的經濟損失,降低了作物產量,并因嚴格的食品安全法規而限制了貿易(Abdullah 等,2025)。傳統的霉菌毒素脫毒方法,包括物理分選、化學處理和熱處理,通常效果有限、成本高昂,且可能損害營養價值(?avu?o?lu 和 ?avu?o?lu,2024)。在一項研究中,高溫制粒僅使脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)在飼料中的濃度降低了不到 25%,并且殘留的毒素仍然具有生物活性(Li 等,2023)。氨化處理在不同飼料上的效果不一,產生的副產品可能對營養價值產生不利影響(Li 等,2021;Murtaza 等,2025)。酶脫毒劑在實驗室控制條件下顯示出一定的效果,但在接觸飼料基質或處于非最佳 pH 值或溫度時,其催化活性會喪失,這成為其大規模應用的障礙。用于降解黃曲霉素或玉米赤霉烯酮的漆酶和過氧化物酶在高脂肪或纖維基質上的效果較差,限制了其工業應用(De Saeger 和 Logrieco,2017)。因此,迫切需要可持續、有效且安全的霉菌毒素控制方法。
除了新興的生物技術方法外,一些傳統的酶和微生物脫毒技術也被證明能有效去除飼料和食品中的霉菌毒素。Eubacterium BBSH 797 是一種經過充分研究的厭氧細菌,能夠將 DON 轉化為無毒代謝物,已被歐盟和一些亞洲國家批準作為 DON 脫毒的飼料添加劑(Fuchs 等,2002)。其他基于酶降解的商業產品,如漆酶、過氧化物酶和酯酶,在優化條件下對黃曲霉素和玉米赤霉烯酮的降解也表現出一定效果。盡管傳統方法在控制條件下可能適用且有效,但它們的可擴展性、穩定性和對復雜食品基質的適應性有限。因此,生物技術創新的目標是通過基因工程、納米技術和酶固定化來改進和擴展這些基礎技術。
近年來,生物技術取得了顯著進展,為霉菌毒素的檢測、降解和操控提供了新的途徑,解決了傳統技術的局限性。工程微生物已成為降解和轉化多種霉菌毒素的強大工具,利用合成生物學修飾酶脫毒途徑(Murtaza 等,2022)。表達黃曲霉素降解酶的基因改造枯草芽孢桿菌菌株能夠快速脫毒受污染的原料(Cheng 等,2023),CRISPR-Cas9 已成功應用于改變絲狀真菌中的霉菌毒素生物合成基因,從而從源頭上減少毒素的產生。這些微生物生物技術具有高度的特異性和環境兼容性。
同時,基于納米技術的創新正在改變霉菌毒素的檢測和消除方式。納米材料驅動的生物傳感器提供了快速、靈敏且便攜的檢測平臺,適用于現場和供應鏈監測。光催化和吸附納米材料可以利用活性氧物種分解污染物,而不會產生有害殘留物(Huang 等,2025)。此外,結合固定化酶和納米載體的納米生物催化劑提高了穩定性和重復使用性,從而解決了酶脫毒中的挑戰(Khafaga 等,2024)。歷史上用于對抗細菌病原體的噬菌體療法現在被調整用于針對產毒真菌的真菌病毒。這些真菌病毒可以減弱真菌毒力和毒素生物合成,為操控真菌提供了有機替代方案。生物工程的進步使得可以設計出具有增強感染性和毒素抑制能力的真菌病毒(Xie 和 Jiang,2024)。
此外,通過增強對抗產毒真菌的有益微生物來利用植物-微生物相互作用也是另一種可持續策略(S?ylemez 等,2025)。這些微生物可以與病原體競爭,產生抗真菌化合物,并觸發植物免疫反應,從而減少作物中的霉菌毒素污染。酶固定化策略通過改善平衡、催化效率和重復使用的簡便性,增強了霉菌毒素降解酶的實際應用,有助于食品和飼料行業的規模化清潔(S?ylemez 等,2025)。包括納米材料和生物聚合物在內的新方法結合了生物相容性和較大的表面積,以優化酶功能。
盡管技術發展前景廣闊,但仍存在重大挑戰,例如需要進行徹底的生物安全性評估、監管審批流程、成本效益考量以及與復雜農業生態系統的整合。生物技術為一些傳統物理和化學脫毒方法的局限性提供了新的解決方案,例如:(i) 無法完全消除霉菌毒素或改善營養價值;(ii) 這些方法的操作成本較高(Li 等,2021;Ngolong Ngea 等,2020)。利用工程微生物的生物技術應用可以有效地降解多種霉菌毒素,在現實的農業飼料和食品配方中實現對每種毒素的高特異性(如經過基因改造的枯草芽孢桿菌和畢赤酵母菌株,用于降低受污染谷物中的黃曲霉素 B1 和脫氧雪腐鐮刀菌烯醇濃度)(Afsharmanesh 等,2018;You 等,2024)。設計為化學傳感器的光催化納米顆粒和納米材料可以在現場檢測非常低濃度的霉菌毒素并對其進行降解,不會產生殘留廢物或有毒副產品(Lin 等,2024;Murtaza 等,2024b)。CRISPR-Cas9 與真菌病毒或噬菌體療法結合農業生物技術(植物和微生物工程),可以在作物收獲前降低霉菌毒素水平,為農業生物技術學家提供了控制作物生產中霉菌毒素生長的切實手段(Godana 等,2023)。
部分摘錄
用于霉菌毒素控制的工程微生物系統
傳統的化學和物理方法在霉菌毒素去污方面往往效率低下、成本高昂,并且會對營養價值產生不利影響。在這種背景下,微生物生物降解作為一種環保、高效且可持續的方法脫穎而出,用于霉菌毒素的脫毒(表 1)。
用于霉菌毒素檢測和降解的納米技術
納米技術是一個跨學科領域,專注于在納米尺度上操縱材料,已成為革命性改變霉菌毒素檢測和降解的強大生物技術工具(圖 3),有望提高靈敏度、特異性和環境兼容性(表 2)。
針對產毒真菌的噬菌體療法
雖然經典噬菌體在抗菌治療中已得到廣泛應用,但針對真菌的真菌病毒在控制產毒真菌方面顯示出巨大潛力(圖 5)。真菌病毒會在細胞內感染真菌宿主,通常會減弱真菌的毒力、生長和毒素生物合成。這些病毒-真菌相互作用類似于噬菌體-宿主相互作用,啟發了針對真菌的“噬菌體療法”概念的發展。
用于霉菌毒素基因編輯的 CRISPR-Cas 系統
近年來,CRISPR-Cas 基因編輯技術通過提供精確、高效和多功能的工具,徹底改變了分子生物學,能夠在多種生物體中進行靶向基因修飾(Schiwek 等,2024)。它們在產毒真菌中的應用為直接破壞或調節編碼關鍵酶和霉菌毒素生物合成途徑的基因提供了新途徑。這一策略不僅防止了作物中的毒素積累,還促進了...
用于霉菌毒素控制的植物-微生物相互作用
近年來,植物-微生物相互作用的研究和應用成為可持續控制霉菌毒素的新興生物技術前沿。通過利用與植物相關的有益微生物群落,可以通過多種機制抑制產毒真菌并減少毒素積累(Moradi 等,2022)(表 3)。
用于霉菌毒素降解的酶固定化
酶降解霉菌毒素已成為一種有前景且特異的生物技術策略,用于凈化受污染的食品和飼料產品。然而,自由酶的直接使用通常穩定性低、重復使用性差,且對環境條件敏感,這限制了其商業應用。酶固定化技術有效解決了這些問題,提高了酶的整體性能,允許連續處理...
未來展望
盡管取得了顯著進展,但由于真菌生態學的復雜性、毒素種類繁多以及環境變化,霉菌毒素污染仍然是一個全球性的食品安全問題。傳統的緩解方法未能完全解決這些問題,這凸顯了下一代綜合生物技術解決方案的迫切需求。
展望未來,合成生物學、納米技術和系統生物學的融合將開啟一個變革時代...
結論
霉菌毒素污染仍然是一個復雜的全球性挑戰,單靠傳統方法無法解決。從工程微生物和基于 CRISPR 的基因編輯到納米技術和酶固定化等新興生物技術方法,提供了具體、綠色和可持續的解決方案。通過將這些技術與微生物組工程和植物-微生物相互作用的進步相結合,霉菌毒素操控的未來在于開發出適應性強的技術,以確保食品安全...
未引用的參考文獻
Adebo 等,2021
Adegoke 等,2023
Kapoore 等,2021
Li 等,2020
Murtaza 等,2023a
Murtaza 等,2023b
Murtaza 等,2024a
Pierron 等,2016
Sun 等,2023a
Sun 等,2023b
Wang 等,2023a
Wang 等,2023b
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的利益沖突或個人關系可能影響本文所述的工作。
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