发布时间：2020-01-19所属分类：医学论文浏览：1次
摘 要： 摘要:硒是动物体必需的微量元素，但是硒含量过高或过低均可对生物体产生有害效应.文章阐述了硒在生物体内硒蛋白、抗氧化、免疫系统中的有益性及作用机制;总结了硒对水生生物氧化胁迫、胚胎畸形发育、母体传递等毒性效应机制;讨论了影响硒双重生物效应的因素.
摘要:硒是动物体必需的微量元素，但是硒含量过高或过低均可对生物体产生有害效应.文章阐述了硒在生物体内硒蛋白、抗氧化、免疫系统中的有益性及作用机制;总结了硒对水生生物氧化胁迫、胚胎畸形发育、母体传递等毒性效应机制;讨论了影响硒双重生物效应的因素.通过综述近年来硒在水生生物体内(特别是鱼类)的双重生物效应，以及影响硒双重生物效应的关键因素等，进一步解析了硒在水生生物体内的累积、代谢、转化与复杂生物效应的关系，并为今后硒生物效应的深入研究和科学补硒提供依据.
关键词:硒;有益性;毒性;畸形;氧化应激
硒是动物体的一种必需微量元素，但是动物体对硒的需求量范围很窄，过低会引起缺硒症状，而过高也会引起硒的毒性效应[1].自然界中，硒是地壳中一种痕量元素，硒主要和硫以类质同象的形式共存于硫化矿物中，在硫元素明显不足的砷化物、沥青铀、铁矿床中才形成独立的硒矿物，如硒银矿、辉硒银矿等，其中硒一般为负二价的难溶矿物.硒在地壳中分布极不均匀，其平均含量也很低，约为硫的六千分之一，空气中含有极少量挥发硒，水中硒的质量浓度也较低(0.02～10μg/L)，平均约为0.2μg/L，处于饮用安全范围内[2-3].
矿床氧化带中硒可被氧化成硒酸，从而导致岩石和矿石中的硒缓慢释放到生态环境中.自然条件下硒的地球化学释放过程较慢，难以形成危害和毒性.但是工农业活动中废弃物排放、矿业开采、冶炼、加工运输、施肥及灌溉等可造成硒的大量排放.由于自然环境中硒含量很低，这些工农业活动释放的硒可危害水生生态环境，导致污染水体(湖泊、水库等)中鱼和水鸟等水生生物的畸形发育甚至物种消失[4].
目前，硒对水生生物的毒性研究重新引起人们的重视[5-7].本文总结了近年来微量元素硒在水生生物体内的双重生物效应(有益性和毒性)，以及影响硒生物效应的关键因素等方面的最新研究进展，阐述了硒在水生生物体内的累积、代谢、转化等与生物效应的关系，为今后硒双重生物效应的深入研究和合理补硒提供科学依据.
1硒对水生生物的有益性
1.1硒与硒蛋白
硒在水产科学中的研究比较深入，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种形式存在于硒蛋白中.动物体中已发现至少35种硒蛋白，硒通过硒蛋白影响动物机体抗氧化、免疫、内分泌、生殖等多种生理功能，发挥重要的生物学作用.鱼类中已发现谷胱甘肽过氧化物酶(GlutathionePeroxidase，GPx)、碘化甲状腺氨酸脱碘酶(IodothyronineDeiodinase)、硒蛋白P、硒蛋白W、硒蛋白N等多种硒蛋白，此外，也有研究者开展了硒蛋白功能进化等方面的研究.在目前发现的硒蛋白中，硒蛋白一般只有一个Sec残基，硒蛋白P可含有多个Sec残基(如10个或更多)[8].
硒蛋白在模式鱼类斑马鱼(Daniorerio)中研究较多，斑马鱼体内硒蛋白Pa含有高达17个硒代半胱氨酸位点，而硒蛋白Pb只含有1个硒代半胱氨酸位点;在原位杂交分析中还发现，硒蛋白P在斑马鱼胚胎受精卵和卵黄囊中有很高的表达量[9];硒蛋白W最早在处于缺硒状态的羊中发现，由85～88个氨基酸残基组成，鱼体内硒代半胱氨酸位点位于第13个氨基酸残基，其具体生物学功能尚不清楚，但有证据显示，它具有抗氧化、参与细胞特异性靶向免疫、甲基汞拮抗和硫氧还蛋白调节等功能[10];斑马鱼胚胎肌肉发育过程中，硒蛋白N能够通过氧化还原作用调节肌细胞钙离子通道，硒蛋白N功能缺失会干扰斑马鱼胚胎肌细胞正常的分化，减少肌纤维的生成，导致肌原纤维畸形和肌节结构异常[11].
1.2硒是抗氧化系统的重要组分
硒在人畜健康、农业生产、环境安全等领域受到普遍重视.研究表明，抗氧化酶在机体自由基平衡中起到关键作用，谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)是一种重要的含硒抗氧化酶.GPx能催化过氧化氢还原，减少活性氧自由基(ROS)的产生，维持机体正常自由基水平，保护生物体不饱和脂肪酸和其他脂类物质.GPx活性的变化可反映机体抗氧化系统稳态和细胞膜受损的程度;硫氧还蛋白还原酶(TrxR)是另外一种含硒酶，在还原因子NADPH存在条件下也具有较强的还原能力，发挥重要的抗氧化作用[12].
1.3硒可促进机体免疫功能
硒对机体免疫功能有促进作用.硒可影响淋巴细胞的增殖、分化，促进淋巴因子的分泌(如干扰素、白介素等)，增强特异性体液免疫功能及抗体水平，改善生物体非特异性免疫功能，并提高机体对寄生虫和传染病的抵抗能力[13].已有的研究初步探讨了硒对免疫系统调节功能的内在机理.研究表明，硒可促进细胞抗氧化作用，清除机体多余的活性氧自由基，降低氧化胁迫对免疫细胞的伤害，对免疫功能起到保护作用;硒可增加淋巴细胞酸性磷酸酶(ACP)、碱性磷酸酶(AKP)等的酶活性;硒还可作用于巯基化合物，刺激细胞和组织分裂，调节免疫细胞增殖分化，增强免疫应答水平，从而增强机体免疫能力[14].
1.4硒对鱼类生长发育的促进作用
硒对鱼类发育的影响主要是通过对甲状腺激素以及脱碘酶的调控过程实现的[15].甲状腺激素主要参与神经细胞的转移和分化、髓鞘形成和突触发生等生物学过程，在脊椎动物脑、神经等发育过程中起关键作用.在硬骨鱼发育阶段，甲状腺首先分泌四碘甲状腺原氨酸(Thyroxine，T4，甲状腺激素的非活性形式)，通过I型脱碘酶(D1)或II型脱碘酶(D2)脱去甲状腺激素外环上的碘，转变为甲状腺激素的活性形式(三碘甲状腺原氨酸，T3)，而III型脱碘酶(D3)可使T3内环脱碘失去生物学功能，终止甲状腺激素的功能.3种脱碘酶均为含硒酶，硒通过作用于脱碘酶的活性中心，激活或终止甲状腺激素活性，调控甲状腺激素介导的生物学过程，对脊椎动物生长发育产生显著影响.此外，硬骨鱼早期胚胎卵黄中存在大量四碘甲状腺原氨酸(T4)，在脱碘酶D1和D2的催化下，提供充足的T3(甲状腺激素活性形式)，保障胚胎正常发育过程.如斑马鱼脱碘酶研究中，脱碘酶D1在受精至孵化前基因表达量升高，而脱碘酶D2在孵化后基因表达量大幅上升.脱碘酶D1、D2和D3通过控制T3的含量调控脊椎动物神经系统的发育[15].
硒也可以促进鱼类生长，但只有在硒质量分数适宜条件下才能起到促进作用.在异育银鲫(Carassiusauratusgibelio)饵料中添加不同质量分数硒酵母，硒酵母组比对照组的质量增加16%～31%.鲈鱼(Lateolabraxjapomicus)投喂含有亚硒酸钠的饵料10周后，鲈鱼的生长量最大时饵料中硒质量分数为0.4mg/kg，过高或过低都会降低鲈鱼的生长[16].
1.5富硒水产品的开发
动物主要通过食物相摄入途径累积硒，硒在鱼体的吸收效率和累积远远高于水体中施加硒元素的累积[4-6].近年来，我国各地对富硒产品的开发力度日益增加[17]，形成了一批富硒农林产品.有研究表明，食用富硒食品(特别是鱼类)和补硒一样均可预防缺硒病症(如大骨节病)的发生，改善缺硒所导致的病症.
通过摄食含硒饵料进行富硒鱼的开发具有普遍性.鱼类硒的富集与鱼的种类及环境硒浓度有关.吉林省查干湖等水域中鱼体硒的质量分数为0.22～0.6mg/kg，通过在鱼饲料中添加富硒剂，鱼体硒质量分数可达1.28mg/kg[18].陕西省富硒地区6种水产品中硒的质量分数为0.053～0.269mg/kg.不同养殖品种之间硒的富集程度也存在差异，其中匙吻鲟(0.269mg/kg)和黄颡鱼(0.206mg/kg)的硒质量分数较高，鳜鱼(0.053mg/kg)的硒质量分数较低，斑点叉尾鮰、大口鲶、鳙鱼的硒质量分数居于中间，而草鱼和鲤鱼未检出硒的累积[19].这些研究结果表明鱼类通过摄食富硒饲料，其硒的质量分数也可以达到自然富硒地区富硒鱼的硒水平.
2硒对水生生物的毒性效应及机制
我国从东北到西南存在一条狭长的缺硒地带，缺硒造成的大骨节病也与硒的地理环境存在一定的相关性，研究发现该缺硒地带受到地质、季风沉降等因素的影响[20].虽然硒污染引起的生态风险在我国并不普遍，但是过量补硒的危害仍然不可忽视.此外，我国天然高硒地区饮水中硒的质量浓度高达mg/L量级，如世界硒都———湖北恩施(72mg/L)和陕西紫阳(8.4mg/L)等，恩施地区饮水硒的质量浓度过高还曾导致硒中毒事件发生[21].
2.1水生生态系统硒污染事件
有关硒毒性的研究也日益受到越来越多的重视，最为典型的就是美国2例水生生态系统硒污染事件.
(1)长期燃煤废水造成的硒污染事件，即美国北卡罗来纳州Belews湖硒污染事件.自1970年代中期开始，受到火力发电厂(大量燃煤)排放的含硒污水的污染，湖水中硒的质量浓度高达20μg/L，硒在鱼类饵料(即无脊椎动物)中的质量分数为4～13mg/kg(以湿质量计).硒污染在鱼类中导致一系列毒害效应:如鱼鳃肿胀、贫血、眼球突出，脊椎、头、嘴和鳍条等的畸形，以及繁殖缺陷等[22].研究表明，湖中有20种鱼，其中19种灭绝，只有食蚊鱼存活.水体中硒质量浓度为周边干净地区的10～20倍，生物体内的硒质量浓度是10～50倍左右，造成了严重的毒性效应.含硒污水1986年底停止排放，但是鱼类种群恢复非常缓慢，10年后仅4种鱼类的种群有所恢复(1种原生的食蚊鱼，1种消失后又恢复，2种从其他生境新进入的鲤科鱼类)，此研究首次发现硒对水生生物的生态毒性[4].
(2)美国加州Kesterson水库硒污染事件.由于富硒土壤渗流到下游的水库，造成该水库硒质量浓度升高，水生生物体内硒质量分数升高，特别是上层食物链的水鸟遭受了畸形等胚胎发育毒性，该地区数千只水鸟受到毒害(超过总数的65%).水体硒的质量浓度为15～400μg/L，一些鱼体硒的质量分数高达370mg/kg(以干质量计);研究发现硒通过“水体-浮游动植物-鱼-水鸟”这条食物链途径造成了硒在上层营养级生物中显著累积，导致该地区水鸟的筑巢率、成体繁殖率、胚胎孵化率降低等毒性(如爪/眼发育缺失;眼球突出;喙、腿、翅膀畸形等)，这些研究进一步证实了硒通过食物链途径对上层营养级生物的危害[23].
2.2硒对水生生物的毒性机制研究
2.2.1硒替代硫产生的分子毒性机制食物中的硒通过食物在母体累积，然后可通过母体传递转移到胚胎，影响胚胎发育过程[24].胚胎发育过程中蛋白质分子的3级结构主要依赖S—S键的形成，硒替代硫可能导致其非正常折叠，从而导致蛋白质结构和功能改变，如酶类失活等.值得注意的是，硒导致的畸形往往是硒非特异性替代硫的过程，产生的毒性效应难以预测[25].
2.2.2硒造成生物体氧化胁迫的机制在水生生物中，卵生脊椎动物(如鱼、水鸟等)似乎是最敏感的生物类群.早期研究认为硒替代硫是胚胎毒性、畸形的主要因素[25]，后期对各种硒化合物在水生生物(如鱼和水鸟等)的研究中发现，氧化应激对鱼类胚胎死亡和畸形的贡献也不容忽视[26].
相关期刊推荐：《华南师范大学学报：自然科学版》Journal of South China Normal University(Natural Science Edition)(双月刊)曾用刊名：广东师范学报(自然科学版);华南师院学报(自然科学版)，1956年创刊，是自然科学综合性学术刊物，主要反映华南师范大学理科各系、所的最新科研成果。是国家科技部中国科技论文统计源期刊，长期被国外如美国数学评论、美国化学文摘、中国数学文摘、中国物理文摘、中国无机分析化学文摘等摘录，摘录率达95%以上。
一些研究表明，硒和三肽类物质还原性谷胱甘肽(GSH)的互作可能是硒毒性和解毒过程的重要环节.GSH是水生生物体内的一种抗氧化剂，GSH和GPx共同作用具有极强的还原能力，对维持机体抗氧化系统稳态具有重要意义.鱼体在过量硒暴露后，可导致机体氧化胁迫程度明显增加，GSSG/GSH比例升高，表明GSH被大量用于维持机体ROS稳态[27].GSH能和硒结合，产生硒-硫化合物和含硫自由基.硒-硫化合物在氧气存在条件下可以直接或间接生成过量超氧阴离子自由基，间接途径主要通过和GSH反应生成H2Se或硒单质;而含硫自由基也可和GSH反应，生成GSH-二硫自由基，进一步加剧氧化胁迫水平[28].
此外，一些研究发现硒对鱼体抗氧化酶和非酶维生素类物质有显著影响.如日本青鳉(Oryziaslatipes)在水相亚硒酸盐或纳米硒暴露后，肝脏中超氧化物歧化酶(SOD)活性显著降低[29].虹鳟鱼摄入含硒饵料(Se-Met，10～20mg/kg，以干质量计)302天后，体内维生素E和维生素A含量显著降低，作者认为可能是由于硒依赖性GPx含量升高，从而降低了其它抗氧化剂如维生素E的消耗量[30].大鳞裂尾鱼(Pogonichthysmacrolepidotus)在摄食含有富硒酵母的食物后(硒质量分数57.6mg/kg)，肝脏也出现了胞质蛋白油滴、脂肪泡萎缩变性等现象[31].
2.2.3硒母体传递的毒性机制硒的母体传递是硒毒性研究热点之一，硒的母体传递方式和效率决定了硒在卵和胚胎中的累积和形态等关键因素，直接影响水生生物的繁殖能力和种群稳定性[24].然而，不同水生生物的繁殖策略、生理周期和卵泡发育存在差别，此外卵的解剖结构学和生化组成也有很大差异[32]，因此硒的母体传递可能存在不同生理通路.
鱼类硒母体传递的研究较多，卵黄蛋白原(VTG，肝中合成的一种磷脂糖蛋白)是卵黄的主要前体物质，在受体介导的胞吞作用下，通过血液转运到发育中的性腺和卵泡中[33].在卵泡中，VTG通过酶解变为初级卵黄蛋白(即卵黄脂磷蛋白和卵黄高磷蛋白)，硒可以非特异性地结合到蛋白中，已有研究证实，硒在鱼体累积后通过和VTG结合，可间接转运到子代体内.
鱼类的繁殖策略存在种间差异，对硒随VTG转移到子代的影响也不同.对于许多鲑科鱼类来说，卵黄形成的过程远早于繁殖期开始(如提前几个月)，在繁殖临近期食物硒的摄入可能并不会对卵中硒含量产生太大影响，胚胎中硒的质量分数主要受到鱼体其它组织长期硒累积的影响，如肝脏和肌肉等[34];而对于那些在繁殖季节可繁殖多次的鱼类来说，繁殖临近期硒的摄入可能会更多地直接通过性腺传递给卵母细胞，对子代产生影响[35].虽然有研究认为两栖动物和爬行动物VTG的翻译、转录、表达等过程和鱼类相似，但是总体而言，硒的母体传递在这些生物中研究较少.
2.2.4硒造成胚胎畸形的毒性机制对于鱼类硒的胚胎毒性而言，死亡率指示能力较低，只有卵中硒质量分数极高时(如≥86.3mg/kg，以干质量计)，胚胎死亡率才显著增加[36];和胚胎死亡率相比，水生生物胚胎发育畸形率对硒暴露的指示作用更强[37].胚胎发育畸形是硒毒性的重要表现形式，和母体受到的硒污染程度直接相关.胚胎和幼体发育畸形能够导致严重的后果，如降低水生生物游泳、规避捕食者和获取食物的能力等，显著影响鱼类种群稳定性.值得注意的是，硒污染条件下即使成鱼受到较小或者未受到危害，但是通过母体传递等途径，硒可进入卵、胚胎和幼鱼等敏感阶段，对鱼类造成严重危害.硒导致的畸形胚胎和随后种群死亡率有密切关联，当仔鱼畸形率在<6%时，种群死亡率保持在5%左右，对种群稳定性并不造成影响;当仔鱼畸形率在6%～25%时，死亡率也随之升高到5%～20%，对种群产生轻微影响;当仔鱼畸形率>25%时，则造成>20%的死亡率和严重的种群影响[38].这些结论主要来自于对鲈科和鲤科鱼类的研究，是否对冷水鱼(如鲑科和狗鱼科等)同样适用有待进一步探讨.此外，自然条件下，初孵仔鱼本身存在一定的畸形率.实验室条件下，自然畸形率一般在2%～5%，野外环境下畸形率会升高到6%～17%[38].因此，也有学者认为畸形率<5%没有显著的生态毒理学意义[25].
SCISSCIAHCI
