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镉(Cadmium,Cd)是一种毒性极强的重金属,为最易在体内蓄积的毒物之一,被列为第6位危害人类健康的有毒物质。镉暴露会导致肝脏、肾脏、生殖器官、骨骼以及心血管等多种器官的病变。2014年我国土壤污染状况调查公报表明镉已成为点位超标率最高的污染物,镉污染和镉中毒已成为重要的公共卫生安全问题。传统的螯合剂疗法副作用过大,安全性和有效性都存在缺陷。乳酸菌是公认安全的食品级微生物,在食品工业领域应用广泛。过往报道表明乳酸菌可以高效迅速地吸附镉离子,具有优良的缓解氧化应激性能,并可保护宿主肠道屏障,表明其具备减除镉危害的潜力,但国内外并没有利用乳酸菌缓解镉毒性的相关报道。因此,本课题对具有减除镉危害潜力的乳酸菌进行筛选并解析其相关生理机制;通过细胞和动物模型验证其功能并研究其作用机理;在此基础上开发具有缓解镉毒性功能的乳酸菌发酵食品。主要研究结果如下:首先以乳酸菌的镉吸附、镉耐受、抗氧化以及对模拟胃肠道环境的耐受能力为评价指标对菌株进行筛选,发现植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)CCFM8610在不同初始镉浓度条件下均具有最强的镉吸附能力;同时具有极强的镉耐受能力,其最小抑制镉浓度超过1000 mg/L,显著高于其它测试菌株。通过对乳酸菌DPPH清除率、羟自由基清除率、还原能力以及抗脂质过氧化能力的测定,表明CCFM8610具有较好的抗氧化能力。进一步的主成分分析表明在所有测试菌株中,CCFM8610的抗氧化特性与已报道具有优秀抗氧化能力的鼠李糖乳杆菌LGG最为相似。另外该菌株在模拟胃液和肠液中的存活率分别为88.72%和92.98%。综上考虑,CCFM8610具备了减除镉危害的潜力;而对照菌株LGG虽然具有良好的镉耐受、抗氧化以及耐酸耐胆盐特性,但其镉吸附能力较弱;其它测试菌株也均在某项或多项指标中存在着缺陷。因此选择CCFM8610进行后续实验。进一步解析了CCFM8610体外吸附镉离子的生理机制:通过透射电镜、扫描电镜联用能量色散X射线光谱的观察,直观而明确地证明了菌体对镉的吸附。通过组分分离及逐层剥离法分析发现绝大部分的镉都被吸附在细胞壁和细胞膜表面,仅约10%的镉离子进入原生质体内部。通过基团掩蔽法证明菌体表面氨基及羧基在吸附镉过程中起到重要作用,而磷酸基团和镉吸附能力的关联并不紧密。通过吸附热力学分析,发现CCFM8610的吸附过程对Langmuir-Freundlich模型具有最佳的拟合优度(R2=0.9928);菌株的吸附量理论上限值Qmax显著高于商业益生菌株如鼠李糖乳杆菌LGG及干酪乳杆菌代田株。通过吸附动力学分析,发现菌株的吸附是一个快速而高效的过程,符合拟二级动力学方程,在100 min时间点已达到平衡吸附量的90%。使用Weber-Morris模型进一步拟合发现吸附过程可分为两个阶段,包括镉离子从溶液本体到菌体表面的扩散及镉与菌体表面活性位点的结合。同时通过建立镉暴露细胞模型,发现CCFM8610可修复镉暴露对HT-29细胞造成的氧化应激、调节细胞的免疫应答、抑制细胞凋亡并保护细胞活性,证明该菌株具有缓解镉暴露细胞毒性的作用。通过建立急性和慢性镉暴露小鼠模型来评价喂食植物乳杆菌CCFM8610对镉毒性的缓解效果。相比于急性镉暴露造模组小鼠,喂食CCFM8610能显著降低小鼠的死亡率,同时提高小鼠粪便镉含量并抑制肠道镉吸收、降低肝脏和肾脏镉含量、恢复镉暴露导致的氧化应激相关指标变化,并减轻急性镉毒性导致的组织病理损伤。通过设立治疗组、预防组,同时观察活菌和死菌的保护效果,发现治疗组中的CCFM8610活菌灌胃处理组对急性镉中毒小鼠的保护效果优于其他处理方式。在慢性镉暴露小鼠模型中CCFM8610也体现出类似的保护作用,并促进宿主合成金属硫蛋白帮助解毒。通过设立保加利亚乳杆菌CCFM8004(商业酸奶发酵剂)的对照实验组,发现乳酸菌对急、慢性镉毒性的缓解作用具有菌株特异性,植物乳杆菌CCFM8610的保护效果优于CCFM8004。通过设立不同生理特性植物乳杆菌菌株对照实验和建立腹腔注射镉暴露小鼠模型,研究植物乳杆菌CCFM8610缓解镉毒性的机制。发现慢性镉暴露导致了小鼠肠道机械和免疫屏障的损伤,具体体现在紧密连接蛋白表达量下调、分泌性免疫球蛋白s Ig A水平降低及肠道炎症因子水平上升,小鼠肠道通透性也随之显著升高,这进一步加剧了肠道对镉的吸收。植物乳杆菌除吸附作用外,还能通过恢复上述肠道屏障损伤,从而降低镉的肠道吸收。菌株的镉吸附及抗氧化特性都能缓解镉暴露导致的宿主肠道屏障损伤,植物乳杆菌CCFM8610同时具备两种特性,因此抑制肠道镉吸收的效果比作为对照菌株的两株植物乳杆菌更为显著,说明两种生理特性的协同作用能带来更好的保护效果。另外通过将镉暴露模式从饮水改变为腹腔注射以规避CCFM8610抑制肠道镉吸收的作用,结果证明CCFM8610除抑制肠道镉吸收这一保护机制外,还独立存在着缓解镉暴露导致氧化应激的作用机制。通过设立对照菌株CCFM8004实验组,发现这种作用机制具有菌株特异性。通过研究乳酸菌发酵酸豆乳的理化性质以及酸豆乳对小鼠慢性镉毒性的缓解作用,发现未发酵豆乳对慢性镉暴露小鼠的保护作用非常有限,但CCFM8610和CCFM8004发酵的酸豆乳都能有效缓解慢性镉暴露对小鼠造成的毒性损伤,具体表现在促进小鼠通过粪便排镉、降低组织镉含量、恢复镉暴露导致的氧化应激和生理损伤相关指标的变化。且CCFM8610发酵酸豆乳对小鼠慢性镉毒性的保护作用显著优于CCFM8004发酵酸豆乳。乳酸菌和豆乳在发酵过程中产生的对抗镉毒性的协同作用主要包括:(1)乳酸菌、豆乳和发酵产生的苷元类物质共同协助排镉;(2)乳酸菌发酵改变豆乳中糖苷和苷元类物质的组成,提高了酸豆乳对镉暴露导致氧化损伤的保护作用。