铝(Al,aluminum)不是人体必需的金属元素并且没有任何生理功能,但它却广泛存在于自然界中(地壳中含量最多的金属元素),并在日常生活中被广泛应用。铝离子可以蓄积在哺乳动物的大多数组织并造成损伤和病变,其中对神经系统的损伤被广泛研究。传统螯合剂疗法虽然可以促进铝离子的排出,但具有不可避免的副作用,安全性存在缺陷。乳酸菌被公认为安全的食品级微生物,因已有报道表明乳酸菌可以吸附多种毒性金属,维持肠道微生态平衡,并通过肠道菌群-脑肠轴影响神经系统和行为表现,表明其具备缓解铝离子毒性的潜力,而且目前国内外还没有利用乳酸菌缓解铝离子毒性的相关报道。因此本研究探索乳酸菌在缓解铝离子毒性效应中的效果及相关机制,用以深层次开发乳酸菌的新益生功能,以期挖掘更具应用价值的益生功能乳酸菌,开发出新的解决铝毒性问题的膳食策略和应用。主要研究结果如下:建立了体外缓解铝离子毒性潜力菌株的筛选模型,具体特性如下:高效的铝离子吸附能力;优良的铝离子耐受能力和胃肠道的耐受能力;优秀的抗氧化能力,可缓解铝离子暴露带来的氧化损伤。依据以上评价指标对30株乳酸菌菌株进行筛选,发现植物乳杆菌CCFM639在初始铝离子浓度为5mg/L和50mg/L的条件下,其均体现出最强的吸附能力,分别为64.54%和26.83%;而且该菌株的铝离子耐受能力特别突出,可以达到甚至超过2480 mg/L的最小抑菌浓度,即MIC,显著高于该试验的其他菌株测试能力。该菌株在模拟胃液和肠液中的存活率分别为90.69%和91.86%,说明其可以在肠道内保持了较高的活性;同时,对抗氧化四个方面(羟自由基清除率、DPPH清除率、抗脂质过氧化能力和还原能力)的能力进行了测试,结合主成分分析进一步综合评价得出CCFM639具有较好的抗氧化能力。综上,选择植物乳杆菌CCFM639进行后续研究。利用傅里叶红外光谱、超薄切片透射电镜、扫描电镜联用能量色散X射线光谱和全基因组序列解析,确定了CCFM639菌体表面的多种功能基团参与了金属铝离子的吸附过程,多个功能基因参与缓解铝离子毒性作用。通过急性和慢性铝离子暴露动物模型的综合效果评价,证明植物乳杆菌CCFM639菌株在铝离子暴露动物模型中具有缓解铝离子毒性作用。在急性实验中,该菌株明显增加存活率,促进粪便铝离子的排出、降低铝离子在血液、组织和器官中的蓄积、缓解氧化应激状态,进而减轻肝脏的病理病变和降低异常肝细胞的数量。在慢性实验中,该菌株降低铝离子在血液、组织和器官中的蓄积和损伤、调节组织器官中微量元素的水平,减轻氧化应激和生理生化指标、缓解组织病理损伤,以及完全避免了铝离子暴露导致的罗非鱼死亡。肠道是植物乳酸杆菌能够直接发挥作用的器官,同时也是铝离子的主要吸收部位,因此进一步研究了该菌株对肠道屏障及肠道功能的调控作用,以解析其缓解铝毒性的具体机制。在体外肠道模型(Batch Culture Fermentation Model)中,铝离子暴露显著降低了双歧杆菌和乳杆菌的数量,促进了拟杆菌、梭状芽孢杆菌和肠杆菌的数量。而植物乳杆菌CCFM639对部分有益菌群有显著提升作用,其中对双歧杆菌和乳杆菌的作用最明显。通过对体外肠道模型代谢产物水平的分析结果显示,CCFM639可显著提高代谢产物中丁酸盐和乳酸盐水平。在HT-29细胞模型和慢性铝离子暴露小鼠模型中,铝离子暴露破坏肠道屏障,增加了肠道通透性,损伤过程涉及氧化应激,促炎反应和紧密连接蛋白(TJs)的损伤。而灌胃CCFM639显著缓解氧化应激和促炎因子水平,对TJs的损伤也有一定恢复作用,显著增加血清内毒素水平,增加肠道通透性。在慢性铝离子暴露罗非鱼模型中,在门水平,铝离子暴露显著增加Bacteroidetes的丰度,而减少Firmicutes的丰度。在属水平,铝离子暴露明显降低Plesiomonas和Deefgea的丰度,大大增加Flavobacterium,Enterovibrio,Porphyromonadaceae和Comamonadaceae的丰度。饲料添加CCFM639可显著增加罗非鱼粪便中的Lactobacilli含量,提高Deefgea的丰度,而降低Comamonadaceae的丰度。以上结果表明,植物乳杆菌CCFM639可调节罗非鱼肠道菌群的结构和组成,明显提高肠道菌群中的有益菌群含量,同时有效降低有害菌群含量。通过慢性铝离子暴露小鼠模型,分析了植物乳杆菌CCFM639与铝离子暴露导致的行为异常之间的关联性。慢性铝离子暴露小鼠行为学(水迷宫、新物体识别和开放旷场)测试的结果表明铝离子暴露可导致小鼠的学习记忆能力下降、对物体辨识度发生障碍以及忧虑行为,而CCFM639能够显著缓解和改善这些不利影响。此外,慢性铝离子暴露组小鼠脑GSH水平以及SOD、GPx和CAT活性大大降低,促炎细胞因子水平和脑淀粉样蛋白Aβ1-40和Aβ1-42含量显著升高,小鼠脑组织中微量元素水平被影响以及脑紧密连接蛋白被破坏。灌胃植物乳杆菌CCFM639可显著恢复这些指标,说明该菌能够缓解慢性铝离子暴露造成的脑损伤和行为异常,其可能原因是植物乳杆菌CCFM639可调节肠道屏障、肠道菌群及其代谢产物水平,进而通过脑肠轴而最终达到保护效果。