發布時間：2020-01-19所屬分類：醫學論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:硒是動物體必需的微量元素，但是硒含量過高或過低均可對生物體產生有害效應.文章闡述了硒在生物體內硒蛋白、抗氧化、免疫系統中的有益性及作用機制;總結了硒對水生生物氧化脅迫、胚胎畸形發育、母體傳遞等毒性效應機制;討論了影響硒雙重生物效應的因素.
摘要:硒是動物體必需的微量元素，但是硒含量過高或過低均可對生物體產生有害效應.文章闡述了硒在生物體內硒蛋白、抗氧化、免疫系統中的有益性及作用機制;總結了硒對水生生物氧化脅迫、胚胎畸形發育、母體傳遞等毒性效應機制;討論了影響硒雙重生物效應的因素.通過綜述近年來硒在水生生物體內(特別是魚類)的雙重生物效應，以及影響硒雙重生物效應的關鍵因素等，進一步解析了硒在水生生物體內的累積、代謝、轉化與復雜生物效應的關系，并為今后硒生物效應的深入研究和科學補硒提供依據.
關鍵詞:硒;有益性;毒性;畸形;氧化應激
硒是動物體的一種必需微量元素，但是動物體對硒的需求量范圍很窄，過低會引起缺硒癥狀，而過高也會引起硒的毒性效應[1].自然界中，硒是地殼中一種痕量元素，硒主要和硫以類質同象的形式共存于硫化礦物中，在硫元素明顯不足的砷化物、瀝青鈾、鐵礦床中才形成獨立的硒礦物，如硒銀礦、輝硒銀礦等，其中硒一般為負二價的難溶礦物.硒在地殼中分布極不均勻，其平均含量也很低，約為硫的六千分之一，空氣中含有極少量揮發硒，水中硒的質量濃度也較低(0.02～10μg/L)，平均約為0.2μg/L，處于飲用安全范圍內[2-3].
礦床氧化帶中硒可被氧化成硒酸，從而導致巖石和礦石中的硒緩慢釋放到生態環境中.自然條件下硒的地球化學釋放過程較慢，難以形成危害和毒性.但是工農業活動中廢棄物排放、礦業開采、冶煉、加工運輸、施肥及灌溉等可造成硒的大量排放.由于自然環境中硒含量很低，這些工農業活動釋放的硒可危害水生生態環境，導致污染水體(湖泊、水庫等)中魚和水鳥等水生生物的畸形發育甚至物種消失[4].
目前，硒對水生生物的毒性研究重新引起人們的重視[5-7].本文總結了近年來微量元素硒在水生生物體內的雙重生物效應(有益性和毒性)，以及影響硒生物效應的關鍵因素等方面的最新研究進展，闡述了硒在水生生物體內的累積、代謝、轉化等與生物效應的關系，為今后硒雙重生物效應的深入研究和合理補硒提供科學依據.
1硒對水生生物的有益性
1.1硒與硒蛋白
硒在水產科學中的研究比較深入，研究表明，硒主要以硒代半胱氨酸(Sec)和硒代甲硫氨酸(硒蛋氨酸，Se-Met)2種形式存在于硒蛋白中.動物體中已發現至少35種硒蛋白，硒通過硒蛋白影響動物機體抗氧化、免疫、內分泌、生殖等多種生理功能，發揮重要的生物學作用.魚類中已發現谷胱甘肽過氧化物酶(GlutathionePeroxidase，GPx)、碘化甲狀腺氨酸脫碘酶(IodothyronineDeiodinase)、硒蛋白P、硒蛋白W、硒蛋白N等多種硒蛋白，此外，也有研究者開展了硒蛋白功能進化等方面的研究.在目前發現的硒蛋白中，硒蛋白一般只有一個Sec殘基，硒蛋白P可含有多個Sec殘基(如10個或更多)[8].
硒蛋白在模式魚類斑馬魚(Daniorerio)中研究較多，斑馬魚體內硒蛋白Pa含有高達17個硒代半胱氨酸位點，而硒蛋白Pb只含有1個硒代半胱氨酸位點;在原位雜交分析中還發現，硒蛋白P在斑馬魚胚胎受精卵和卵黃囊中有很高的表達量[9];硒蛋白W最早在處于缺硒狀態的羊中發現，由85～88個氨基酸殘基組成，魚體內硒代半胱氨酸位點位于第13個氨基酸殘基，其具體生物學功能尚不清楚，但有證據顯示，它具有抗氧化、參與細胞特異性靶向免疫、甲基汞拮抗和硫氧還蛋白調節等功能[10];斑馬魚胚胎肌肉發育過程中，硒蛋白N能夠通過氧化還原作用調節肌細胞鈣離子通道，硒蛋白N功能缺失會干擾斑馬魚胚胎肌細胞正常的分化，減少肌纖維的生成，導致肌原纖維畸形和肌節結構異常[11].
1.2硒是抗氧化系統的重要組分
硒在人畜健康、農業生產、環境安全等領域受到普遍重視.研究表明，抗氧化酶在機體自由基平衡中起到關鍵作用，谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)是一種重要的含硒抗氧化酶.GPx能催化過氧化氫還原，減少活性氧自由基(ROS)的產生，維持機體正常自由基水平，保護生物體不飽和脂肪酸和其他脂類物質.GPx活性的變化可反映機體抗氧化系統穩態和細胞膜受損的程度;硫氧還蛋白還原酶(TrxR)是另外一種含硒酶，在還原因子NADPH存在條件下也具有較強的還原能力，發揮重要的抗氧化作用[12].
1.3硒可促進機體免疫功能
硒對機體免疫功能有促進作用.硒可影響淋巴細胞的增殖、分化，促進淋巴因子的分泌(如干擾素、白介素等)，增強特異性體液免疫功能及抗體水平，改善生物體非特異性免疫功能，并提高機體對寄生蟲和傳染病的抵抗能力[13].已有的研究初步探討了硒對免疫系統調節功能的內在機理.研究表明，硒可促進細胞抗氧化作用，清除機體多余的活性氧自由基，降低氧化脅迫對免疫細胞的傷害，對免疫功能起到保護作用;硒可增加淋巴細胞酸性磷酸酶(ACP)、堿性磷酸酶(AKP)等的酶活性;硒還可作用于巰基化合物，刺激細胞和組織分裂，調節免疫細胞增殖分化，增強免疫應答水平，從而增強機體免疫能力[14].
1.4硒對魚類生長發育的促進作用
硒對魚類發育的影響主要是通過對甲狀腺激素以及脫碘酶的調控過程實現的[15].甲狀腺激素主要參與神經細胞的轉移和分化、髓鞘形成和突觸發生等生物學過程，在脊椎動物腦、神經等發育過程中起關鍵作用.在硬骨魚發育階段，甲狀腺首先分泌四碘甲狀腺原氨酸(Thyroxine，T4，甲狀腺激素的非活性形式)，通過I型脫碘酶(D1)或II型脫碘酶(D2)脫去甲狀腺激素外環上的碘，轉變為甲狀腺激素的活性形式(三碘甲狀腺原氨酸，T3)，而III型脫碘酶(D3)可使T3內環脫碘失去生物學功能，終止甲狀腺激素的功能.3種脫碘酶均為含硒酶，硒通過作用于脫碘酶的活性中心，激活或終止甲狀腺激素活性，調控甲狀腺激素介導的生物學過程，對脊椎動物生長發育產生顯著影響.此外，硬骨魚早期胚胎卵黃中存在大量四碘甲狀腺原氨酸(T4)，在脫碘酶D1和D2的催化下，提供充足的T3(甲狀腺激素活性形式)，保障胚胎正常發育過程.如斑馬魚脫碘酶研究中，脫碘酶D1在受精至孵化前基因表達量升高，而脫碘酶D2在孵化后基因表達量大幅上升.脫碘酶D1、D2和D3通過控制T3的含量調控脊椎動物神經系統的發育[15].
硒也可以促進魚類生長，但只有在硒質量分數適宜條件下才能起到促進作用.在異育銀鯽(Carassiusauratusgibelio)餌料中添加不同質量分數硒酵母，硒酵母組比對照組的質量增加16%～31%.鱸魚(Lateolabraxjapomicus)投喂含有亞硒酸鈉的餌料10周后，鱸魚的生長量最大時餌料中硒質量分數為0.4mg/kg，過高或過低都會降低鱸魚的生長[16].
1.5富硒水產品的開發
動物主要通過食物相攝入途徑累積硒，硒在魚體的吸收效率和累積遠遠高于水體中施加硒元素的累積[4-6].近年來，我國各地對富硒產品的開發力度日益增加[17]，形成了一批富硒農林產品.有研究表明，食用富硒食品(特別是魚類)和補硒一樣均可預防缺硒病癥(如大骨節病)的發生，改善缺硒所導致的病癥.
通過攝食含硒餌料進行富硒魚的開發具有普遍性.魚類硒的富集與魚的種類及環境硒濃度有關.吉林省查干湖等水域中魚體硒的質量分數為0.22～0.6mg/kg，通過在魚飼料中添加富硒劑，魚體硒質量分數可達1.28mg/kg[18].陜西省富硒地區6種水產品中硒的質量分數為0.053～0.269mg/kg.不同養殖品種之間硒的富集程度也存在差異，其中匙吻鱘(0.269mg/kg)和黃顙魚(0.206mg/kg)的硒質量分數較高，鱖魚(0.053mg/kg)的硒質量分數較低，斑點叉尾鮰、大口鯰、鳙魚的硒質量分數居于中間，而草魚和鯉魚未檢出硒的累積[19].這些研究結果表明魚類通過攝食富硒飼料，其硒的質量分數也可以達到自然富硒地區富硒魚的硒水平.
2硒對水生生物的毒性效應及機制
我國從東北到西南存在一條狹長的缺硒地帶，缺硒造成的大骨節病也與硒的地理環境存在一定的相關性，研究發現該缺硒地帶受到地質、季風沉降等因素的影響[20].雖然硒污染引起的生態風險在我國并不普遍，但是過量補硒的危害仍然不可忽視.此外，我國天然高硒地區飲水中硒的質量濃度高達mg/L量級，如世界硒都———湖北恩施(72mg/L)和陜西紫陽(8.4mg/L)等，恩施地區飲水硒的質量濃度過高還曾導致硒中毒事件發生[21].
2.1水生生態系統硒污染事件
有關硒毒性的研究也日益受到越來越多的重視，最為典型的就是美國2例水生生態系統硒污染事件.
(1)長期燃煤廢水造成的硒污染事件，即美國北卡羅來納州Belews湖硒污染事件.自1970年代中期開始，受到火力發電廠(大量燃煤)排放的含硒污水的污染，湖水中硒的質量濃度高達20μg/L，硒在魚類餌料(即無脊椎動物)中的質量分數為4～13mg/kg(以濕質量計).硒污染在魚類中導致一系列毒害效應:如魚鰓腫脹、貧血、眼球突出，脊椎、頭、嘴和鰭條等的畸形，以及繁殖缺陷等[22].研究表明，湖中有20種魚，其中19種滅絕，只有食蚊魚存活.水體中硒質量濃度為周邊干凈地區的10～20倍，生物體內的硒質量濃度是10～50倍左右，造成了嚴重的毒性效應.含硒污水1986年底停止排放，但是魚類種群恢復非常緩慢，10年后僅4種魚類的種群有所恢復(1種原生的食蚊魚，1種消失后又恢復，2種從其他生境新進入的鯉科魚類)，此研究首次發現硒對水生生物的生態毒性[4].
(2)美國加州Kesterson水庫硒污染事件.由于富硒土壤滲流到下游的水庫，造成該水庫硒質量濃度升高，水生生物體內硒質量分數升高，特別是上層食物鏈的水鳥遭受了畸形等胚胎發育毒性，該地區數千只水鳥受到毒害(超過總數的65%).水體硒的質量濃度為15～400μg/L，一些魚體硒的質量分數高達370mg/kg(以干質量計);研究發現硒通過“水體-浮游動植物-魚-水鳥”這條食物鏈途徑造成了硒在上層營養級生物中顯著累積，導致該地區水鳥的筑巢率、成體繁殖率、胚胎孵化率降低等毒性(如爪/眼發育缺失;眼球突出;喙、腿、翅膀畸形等)，這些研究進一步證實了硒通過食物鏈途徑對上層營養級生物的危害[23].
2.2硒對水生生物的毒性機制研究
2.2.1硒替代硫產生的分子毒性機制食物中的硒通過食物在母體累積，然后可通過母體傳遞轉移到胚胎，影響胚胎發育過程[24].胚胎發育過程中蛋白質分子的3級結構主要依賴S—S鍵的形成，硒替代硫可能導致其非正常折疊，從而導致蛋白質結構和功能改變，如酶類失活等.值得注意的是，硒導致的畸形往往是硒非特異性替代硫的過程，產生的毒性效應難以預測[25].
2.2.2硒造成生物體氧化脅迫的機制在水生生物中，卵生脊椎動物(如魚、水鳥等)似乎是最敏感的生物類群.早期研究認為硒替代硫是胚胎毒性、畸形的主要因素[25]，后期對各種硒化合物在水生生物(如魚和水鳥等)的研究中發現，氧化應激對魚類胚胎死亡和畸形的貢獻也不容忽視[26].
相關期刊推薦：《華南師范大學學報：自然科學版》Journal of South China Normal University(Natural Science Edition)(雙月刊)曾用刊名：廣東師范學報(自然科學版);華南師院學報(自然科學版)，1956年創刊，是自然科學綜合性學術刊物，主要反映華南師范大學理科各系、所的最新科研成果。是國家科技部中國科技論文統計源期刊，長期被國外如美國數學評論、美國化學文摘、中國數學文摘、中國物理文摘、中國無機分析化學文摘等摘錄，摘錄率達95%以上。
一些研究表明，硒和三肽類物質還原性谷胱甘肽(GSH)的互作可能是硒毒性和解毒過程的重要環節.GSH是水生生物體內的一種抗氧化劑，GSH和GPx共同作用具有極強的還原能力，對維持機體抗氧化系統穩態具有重要意義.魚體在過量硒暴露后，可導致機體氧化脅迫程度明顯增加，GSSG/GSH比例升高，表明GSH被大量用于維持機體ROS穩態[27].GSH能和硒結合，產生硒-硫化合物和含硫自由基.硒-硫化合物在氧氣存在條件下可以直接或間接生成過量超氧陰離子自由基，間接途徑主要通過和GSH反應生成H2Se或硒單質;而含硫自由基也可和GSH反應，生成GSH-二硫自由基，進一步加劇氧化脅迫水平[28].
此外，一些研究發現硒對魚體抗氧化酶和非酶維生素類物質有顯著影響.如日本青鳉(Oryziaslatipes)在水相亞硒酸鹽或納米硒暴露后，肝臟中超氧化物歧化酶(SOD)活性顯著降低[29].虹鱒魚攝入含硒餌料(Se-Met，10～20mg/kg，以干質量計)302天后，體內維生素E和維生素A含量顯著降低，作者認為可能是由于硒依賴性GPx含量升高，從而降低了其它抗氧化劑如維生素E的消耗量[30].大鱗裂尾魚(Pogonichthysmacrolepidotus)在攝食含有富硒酵母的食物后(硒質量分數57.6mg/kg)，肝臟也出現了胞質蛋白油滴、脂肪泡萎縮變性等現象[31].
2.2.3硒母體傳遞的毒性機制硒的母體傳遞是硒毒性研究熱點之一，硒的母體傳遞方式和效率決定了硒在卵和胚胎中的累積和形態等關鍵因素，直接影響水生生物的繁殖能力和種群穩定性[24].然而，不同水生生物的繁殖策略、生理周期和卵泡發育存在差別，此外卵的解剖結構學和生化組成也有很大差異[32]，因此硒的母體傳遞可能存在不同生理通路.
魚類硒母體傳遞的研究較多，卵黃蛋白原(VTG，肝中合成的一種磷脂糖蛋白)是卵黃的主要前體物質，在受體介導的胞吞作用下，通過血液轉運到發育中的性腺和卵泡中[33].在卵泡中，VTG通過酶解變為初級卵黃蛋白(即卵黃脂磷蛋白和卵黃高磷蛋白)，硒可以非特異性地結合到蛋白中，已有研究證實，硒在魚體累積后通過和VTG結合，可間接轉運到子代體內.
魚類的繁殖策略存在種間差異，對硒隨VTG轉移到子代的影響也不同.對于許多鮭科魚類來說，卵黃形成的過程遠早于繁殖期開始(如提前幾個月)，在繁殖臨近期食物硒的攝入可能并不會對卵中硒含量產生太大影響，胚胎中硒的質量分數主要受到魚體其它組織長期硒累積的影響，如肝臟和肌肉等[34];而對于那些在繁殖季節可繁殖多次的魚類來說，繁殖臨近期硒的攝入可能會更多地直接通過性腺傳遞給卵母細胞，對子代產生影響[35].雖然有研究認為兩棲動物和爬行動物VTG的翻譯、轉錄、表達等過程和魚類相似，但是總體而言，硒的母體傳遞在這些生物中研究較少.
2.2.4硒造成胚胎畸形的毒性機制對于魚類硒的胚胎毒性而言，死亡率指示能力較低，只有卵中硒質量分數極高時(如≥86.3mg/kg，以干質量計)，胚胎死亡率才顯著增加[36];和胚胎死亡率相比，水生生物胚胎發育畸形率對硒暴露的指示作用更強[37].胚胎發育畸形是硒毒性的重要表現形式，和母體受到的硒污染程度直接相關.胚胎和幼體發育畸形能夠導致嚴重的后果，如降低水生生物游泳、規避捕食者和獲取食物的能力等，顯著影響魚類種群穩定性.值得注意的是，硒污染條件下即使成魚受到較小或者未受到危害，但是通過母體傳遞等途徑，硒可進入卵、胚胎和幼魚等敏感階段，對魚類造成嚴重危害.硒導致的畸形胚胎和隨后種群死亡率有密切關聯，當仔魚畸形率在<6%時，種群死亡率保持在5%左右，對種群穩定性并不造成影響;當仔魚畸形率在6%～25%時，死亡率也隨之升高到5%～20%，對種群產生輕微影響;當仔魚畸形率>25%時，則造成>20%的死亡率和嚴重的種群影響[38].這些結論主要來自于對鱸科和鯉科魚類的研究，是否對冷水魚(如鮭科和狗魚科等)同樣適用有待進一步探討.此外，自然條件下，初孵仔魚本身存在一定的畸形率.實驗室條件下，自然畸形率一般在2%～5%，野外環境下畸形率會升高到6%～17%[38].因此，也有學者認為畸形率<5%沒有顯著的生態毒理學意義[25].
SCISSCIAHCI
