1 食品和饲料链中的生物毒素
食品、宠物食品和动物饲料中受到有毒的天然物质（即生物体产生的所谓生物毒素）污染是整个食品和饲料链（包括水产养殖业）利益相关方十分关心的问题。上述生物体包括真菌、植物和藻类，它们分别产生真菌毒素、植物毒素和藻毒素。这些有害的次级代谢物通常是由机体的防御机制产生的，以响应其生长环境的变化。生物毒素一般以复杂的混合物形式存在于各种水产和农产品中，包括人类和动物的食品。生物毒素对人类和动物健康产生危害，可诱发多种急性和慢性的不良影响，如 DNA损伤、癌症形成以及损害中枢神经系统、肾脏、肝脏和免疫系统，影响生殖发育，甚至死亡[1] 。这些毒素不仅威胁人类身体健康，而且对牲畜和宠物的健康、福利和生产力均产生不利影响。根据欧洲食品和饲料快速预警系统（RASFF）的数据，欧盟拒收进口食品的主要原因是真菌毒素污染超标[2]。目前，欧洲食品安全局（EFSA）在最近的科学意见中认为普通欧洲消费者特别是儿童每天接触多种生物毒素可能对其健康造成影响[3-5]。
尽管投入了大量的研究资金，但对这些有毒次级代谢物的预防和控制（早期预警系统、监测和毒理学评估）仍然面临诸多问题，农业、食品和饲料行业易受到生物毒素污染的影响。此外，气候变化正日益影响全球生物毒素分布地图[6-7]。环境的变化影响生物之间的相互作用，会促进某些产毒生物的生长，并改变所产毒素的类型和数量。由于气候变化，生物毒素对农业和水产养殖以及人类和动物的影响将会增加。造成这种情况的原因之一是温度、湿度和虫害对作物造成损害，而这些因素都将有助于真菌传播和真菌毒素产生。如2013年塞尔维亚的严重干旱导致70%的玉米受到黄曲霉毒素（AFs）污染[8]，而用这些玉米喂养奶牛导致牛奶中发现高水平污染的黄曲霉毒素M1，高达欧盟法定限量的两倍。据报道，植物毒素和藻毒素也面临类似的挑战。除了全球藻毒素发生的变化外，另一个例子是最近入侵欧洲水域的河豚携带致命的河豚毒素 (TTX) [9]。每年约有6万人的中毒事件与藻类产生的毒素有关，总死亡率约为1.5%[10]。鉴于藻类的扩散和在新的地理区域流行所构成新的全球健康风险，应欧盟委员会要求，EFSA就海洋生物毒素（包括目前受欧盟法律限制的种类和新兴毒素）制定了一系列科学意见[11]。此外，EFSA研究表明接触植物毒素，特别是吡咯烷生物碱（PAs）和托烷生物碱（TAs），不仅对人类健康产生影响，而且会对儿童和某些植物性食品高消费者构成健康威胁[3]。
近年来，欧洲异常天气条件降低了粮食和饲料的质量和安全性，由于生物毒素发生率异常的高，造成了严重的经济损失[12]。据欧盟估计，每年真菌毒素造成的损失在 5%～10%的水平，这相当于主要粮食作物中仅小麦的损失就高达 12～24亿欧元。与此同时，2050年世界人口估计将超过90亿，生物毒素的不利影响是食品安全的重要风险因素[13]。有毒有害藻华（HABs）的发生会严重影响海洋养殖场中贝类和鱼类的生产。根据联合国粮食及农业组织（FAO）提供的贝类水产养殖数据，2000—2009年HABs对欧洲经济的损失达7 540万美元，占贝类行业总价值的7%。仅就欧洲贻贝产业而言，2000—2009年期间的损失为3 200万美元[14]。此外，越来越多的证据表明欧洲新兴出现的藻毒素与气候变化有关，主要是由于微藻随着海水变暖向北移动 [15]。在欧洲，致命的河豚毒素（TTX）已经是一个法律问题，但事实上，它与细菌和微藻类有关，这使得对它的监测特别复杂。最近有证据表明，长期低剂量摄入TTX也是危险的。类似于TTX，剧毒的孢粉毒素和奥斯丁毒素同样值得关注，尤其是在南欧。在地中海国家，上述毒素在过去几年中扩张速度非常惊人，现在从希腊到南葡萄牙都有它们的身影。此外，由于海水变暖导致海洋甲藻（Gambierdiscus spp.）向北移动，由海洋甲藻产生的雪卡毒素（CTX）的扩张也令人担忧[16]。在最严重的时期，由于HABs造成了大量鱼类死亡，养殖户可能损失当年的全部投资。因此，在欧洲和世界各地，农业、水产养殖业和食品行业以及所有需要在可持续经济环境中获得营养、安全和经济的食品的人类都受到生物毒素的各种形式的威胁。目前对多学科知识和行动的需求是前所未有的，需要制定综合创新方法来解决食品安全和保障问题，特别是与生物毒素有关的问题。面对这些挑战，需要进行前沿研究和对研究人员多学科培训，以创新和综合的方式控制和减少食品和饲料链中的生物毒素。
2 生物毒素预警和监测的先进技术
生物毒素的预测、早期预警和监测对于避免其对人类和动物健康威胁以及经济损失至关重要，亟需开发用于农业和水产养殖业中一系列生物毒素的预警和监测的新技术。新型预警系统基于卫星图像应用、现场检测方法以及大数据处理和管理方面的尖端技术和专业知识。对于真菌毒素和植物毒素等生物毒素或生物毒素的形成方面的现场检测和遥感，需要采取适当风险降低措施的工具。
2.1 真菌毒素
精准预测农作物中强致癌物质黄曲霉毒素B1（AFB1）等真菌毒素的发生，可为农民和整个食品供应系统提供预警，及时采取适当措施。当2012年在巴尔干地区和 2013年在法国发生的异常天气条件导致玉米生产严重中断时，需要这种预测技术指导法律规定限量的临时提高，并提醒欧盟委员会采取减损措施以确保粮食供应[17]。AFB1在花生供应链中污染问题对欧洲造成了明显的食品安全风险[18]，仅2018年RASFF就通报了400多起进口拒收的报告[19]。根据欧盟统计局的数据，中国是欧盟前三大花生供应国之一，2017年占12%的份额。因此，一种检测和收集整个花生链相关数据的综合解决方案将有助于更好地评估黄曲霉毒素发生的风险，便于在早期阶段做出更好的决策。现代技术支持包括免费提供的卫星图像、田间和天气信息、热图像和高光谱图像等多源数据用以开发大数据模型。现有的高分辨率和大量的卫星图像[20]提供了大量的光谱指标，是预测初级生产中真菌毒素水平的良好基础。然而，需要进一步开发基于机器学习技术的先进算法，以提取不同输入数据和谷物或花生中的真菌毒素之间的潜在相关性。利用卫星提供的光谱波段对植物光谱响应与真菌毒素存在之间关系的研究仍然缺乏。基于卫星预测农作物中真菌毒素发生和增长的解决方案可以绘制大型农业用地的地图并精确控制真菌毒素的污染。当识别污染区域后将针对性地应用产后技术减少真菌毒素污染风险。
为预测大型花生筒仓运输和储存过程中黄曲霉毒素的形成，需要进一步优化和应用创新的产后环境实时监测系统[21]，如欧盟资助项目MyToolBox[22]中开发的基于黄曲霉生长过程中二氧化碳产生的预测模型[21]。欧盟卫生总局的报告中[23]建议在花生生产、加工和出口的所有阶段都要进行官方控制。然而，通常使用的基于大型设备的确证分析方法（液相色谱–串联质谱法–HPLC-MS/MS）非常繁琐，真菌毒素分析通常需要 3～5 d。因此，首先使用基于侧流免疫层析法（LFIA）的快速半定量方法进行快速筛选，可以在5 min内得到结果[24]。快速检测的另一种选择是先进的检测平台，其中包括中红外衰减全反射–傅里叶变换红外光谱方法，经济实惠的手持式近红外便携式仪器以及在荧光–可见光光谱范围内操作的便携式仪器，这些方法都可应用在花生生产链对黄曲霉毒素进行灵活的现场/在线检测[25]。这种解决方案对企业内部控制非常有利，特别是在花生批次中遇到的异常黄曲霉毒素污染的时候，使操作人员能够进行成本效益高、频繁和快速的检测。由于待检测的黄曲霉毒素含量相对较低，便携式质谱（MS）方法显示出巨大的潜力，其可根据花生和花生产品中的黄曲霉毒素官方限量提供准确的现场检测及合适的灵敏度选择。这种创新的分析解决方案将提高花生供应链中各个阶段的监测能力，从而为更快、更好的决策提供基础。通过不同应用程序产生的数据将来可以传输并存储在数字平台上，用于自动风险评估，并向终端用户发送风险概况信息，整个流程如图1所示。
图1 控制和减少花生中黄曲霉毒素污染的概念流程图
Fig.1 High level concept diagram for the control and reduction of aflatoxin contamination in peanuts across continents
2.2 藻毒素类
在最佳生长条件下，微藻可在海洋甚至淡水环境中产生HABs。而过量施肥加上强降水共同导致水体富营养化加剧[26]，使得 HABs更加频繁的发生，所产生的高含量藻毒素会导致鱼类大量死亡。当摄入这些污染的鱼类后，海洋生物毒素对人类同样具有高度急性毒性，其不良反应从口腔周围的轻微刺痛感到死亡不等。不同的国家已经制定了海产品中藻毒素限量以及相关检测方法标准。世界各地对麻痹性贝类毒素（通常称为麻痹性贝类中毒（PSP））、失忆性贝类毒素（失忆性贝类中毒（ASP））、亲脂性毒素、雪卡毒素（CTXs）、短裸甲藻毒素或河豚毒素（TTXs）都有法律规定[27]。欧洲立法规定了双壳软体动物、棘皮动物、被囊动物和海洋腹足动物中海洋毒素的限量[28]。目前，海洋生物毒素的典型分析方法是基于高效液相色谱/荧光检测法、高效液相色谱/紫外法和高效液相色谱–质谱/质谱法。多年来，小鼠动物实验一直是监测藻毒素的参考方法。然而，根据动物福利保护的要求，在使用动物试验时必须考虑到所有可能的替代、改进和减少的方法。因此，正在开发小鼠生物测定法替代方法，例如生物测定法[29]。
关于导致野生和养殖鱼类大量死亡的海洋生物毒素的信息非常少[30]。海洋生物毒素的研究主要受制于纯物质的可获得性差和其未知的化学结构[31]。为了防止藻类引起的鱼类和贝类污染，在欧盟资助的项目ASIMUTH中开发了藻类繁殖预测模型。该项目使用欧盟哥白尼地球观测计划中海洋服务提供的卫星数据，这项服务提供了包括叶绿素和浮游植物的浓度等一系列海洋参数的每日信息。ASIMUTH将这些卫星数据与海基监测数据以及当前水柱和表面水流行为的区域知识相结合，不仅有助于准确预测HABs的积累，而且还有助于预测它们在未来几天的可能动向，为养殖户提供了一个重要的早期预警系统，使他们能够在有毒有害藻类大量繁殖之前提前收获[32]。
2.3 植物毒素
为了对食物链中真菌毒素和植物毒素更有效的控制和预警，需要在田间地头、边境检查、工业和零售整个食物链的不同阶段对其进行现场检测。真菌毒素和植物毒素的早期检测可使受污染的粮食合理利用，例如用于动物饲料而非用于生物燃料。由于真菌毒素和植物毒素的种类繁多，浓度相对较低，便携式质谱（MS）可为毒素现场检测提供通用、灵敏和适合的检测方法。然而，无论是较重的可移动的商业质谱系统，还是轻型的便携式质谱设备，均未在分析真菌毒素或植物毒素中研究和应用。初步研究表明，使用基于实验室的常压质谱方法无需色谱分离就可以检测到相关水平的生物毒素[33-35]。在近期两项具有未来应用潜力的便携式质谱研究中，使用常压质谱对于最普遍污染的脱氧雪腐镰刀烯醇进行了优化、验证和基准测试[36-37]。这种高度创新的分析化学解决方案将有效提高食品链各个阶段的监测能力，从而加强食品和饲料的安全保障。
3 评估生物毒素毒性的创新方法
评估包括真菌毒素和贝类毒素在内的不同种类生物毒素毒性的创新方法急需建立，特别是当它们以混合物的形式存在时。由于缺乏关于共存的真菌毒素和贝类毒素混合物的毒性数据，EFSA无法可靠评估接触这些生物毒素混合物的健康风险。许多领域缺乏毒性数据，特别是慢性毒性数据：如作用模式（MoA）、毒物动力学、对人类和动物的毒性不良影响，包括混合物的综合影响，以及这些毒素混合物在器官和细胞水平上的相互作用。需要更多的研究来获取这些数据[38]。欧盟资助的 EuroMix项目研究开发了对不同生命阶段的多种来源化学品混合物的风险评估的分层策略[39]。
长期接触低至中等剂量的镰刀菌毒素可能对人类和动物的健康产生重大的慢性影响，导致生长发育受损或免疫功能紊乱。然而，这些相关疾病往往是亚临床或症状非常不明显的。EFSA[4-5]目前对所谓的新兴镰刀菌毒素对人类和动物的毒性知之甚少。“新兴”真菌毒素一词是指既没有常规测定也没有立法监管的一类新型的真菌毒素；然而，关于它们所带来危害的证据正在迅速增加[40]。由于它们与已有限量的真菌毒素共同存在，因此了解新兴真菌毒素与已有限量的真菌毒素毒性相互作用就显得非常重要。利用肠道细胞系和外植体培养物对新兴真菌毒素进行肠道屏障功能的研究，并采用毒性分析以及最先进的转录组学和蛋白质组学方法，将提供有关新兴镰刀菌毒素的毒性作用、作用模式和相互作用的新数据。
有几种数学和统计模型用于确定接触真菌毒素混合物是否会对细胞培养物产生协同、相加或拮抗效应[41]。
生物标志物可以反映细胞水平的改变和早期/低剂量相关的病理变化，将为评估毒性作用提供强有力的工具。由于这些生物标志物通常与毒素非特异性关系，因此它们具有更大的潜力来反映暴露于毒素混合物和随着时间的推移重复暴露现象，并有助于识别混合物/共同暴露的活性物质和暴露于混合物的健康危害[42]。目前，包括真菌毒素在内的大多数生物毒素尚不存在特异性和经过验证的生物标志物。新方法可以利用体外研究和多组学技术来揭示受调控镰刀菌毒素影响的生物标志物。经过验证的生物标志物还将提供关于低剂量毒素混合物的综合毒性效应的独特信息，使风险评估人员能够可靠地评估接触生物毒素混合物对人类和动物健康的慢性风险。
4 气候变化和生物毒素
最近，FAO评估和总结了气候变化对食品安全的影响[26]；特别是考虑了食源性病原体和寄生虫、农药、重金属，以及有害藻华和真菌毒素。FAO指出“今天，我们知道气温升高、海洋变暖和酸化、严重干旱和野火、不合时宜的强降水和酸雨、冰川融化和海平面上升以及极端天气事件加剧正在对粮食系统造成前所未有的破坏。”应对人类活动对地球气候的影响是人类面临的最大挑战之一[43]。其最大的影响是气候系统前所未有的变暖，进而引发更频繁和更极端的天气事件，包括热浪和降雨分布和强度的变化。这些影响将导致农业耕种和可种植的作物范围的调整。气候影响以及我们如何改变农业以应对气候变化，都将造成适应不同气候条件的真菌病原体的污染范围和发生率的变化。不断变化的天气条件是影响真菌、新陈代谢和与宿主植物相互作用的主要驱动变量。因此，目前不断被强调的气候多变性和不确定性调整，不仅是政策制定者需要面临的问题，也是农民每天需要面临的，因为气候变化会对真菌和真菌毒素发生影响。然而，科学界没有为这一问题挑战做好充分准备。
由欧盟理事会发起的《农业、粮食安全和气候变化联合计划倡议》（FACCE-JPI）指出“解决与气候变化有关的食品安全问题也是粮食安全的重要组成部分。减少和控制这些风险与公共卫生和经济均相关[44]。”在真菌毒素领域，减轻生物毒素问题的必要性变得尤为明显。最新的研究综述显示，估计全球多达80%的植物源食品受到了这些有毒次级真菌代谢物污染[45]。
5 结论
为了在气候变化的世界中更好的保护人类和动物健康，有效应对食品和饲料中生物毒素的挑战，需要采取一系列措施来建立创新的综合解决方案，包括提升食品和饲料中共存生物毒素的预警、监测和毒性评估能力。为实现这一目标，需要在农业、食品科学、分析化学、组学和毒理学的各个学科中，具备顶级科学水平的多学科的技能。未来需要进一步开展更前沿的研究，例如使用无人机图像的大数据方法以及使用蛋白质组学、转录物组学和代谢组学工具，以控制和减少从田间到餐桌的生物毒素，并尽量减少食品和饲料损失。在欧盟–中国项目 MyToolBox[17]框架下2019年在北京举行的专题研讨会也证明，当前仍然非常需要智能和综合的策略来解决真菌毒素问题，以实现更安全的食品和饲料产品，并尽量减少损失和出口拒收[45]。
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备注：本文的彩色图表详见本期 PC31，也可从本刊官网（http://lyspkj.ijournal.cn）、中国知网、万方、维普、超星等数据库下载获取。