硒的毒性生物學研究進展

韓曉霞++姚志文++魏洪義

摘要：隨著硒（Se）的開發(fā)利用，其營養(yǎng)價值已得到廣泛認同。硒為生物生長所需要的微量元素，補硒可以提高生物體免疫力、抗氧化力、生殖力并促進生物體的生長發(fā)育，但是受限于硒較窄的營養(yǎng)與毒性的界限，過量補硒反而對生物不利，嚴重則會導致硒中毒甚至死亡。目前，硒的研究熱點集中于營養(yǎng)價值的開發(fā)，其潛在的毒性容易被忽略。本文綜述了硒對植物、昆蟲、哺乳動物以及人類的毒性機制、中毒癥狀，分析相應的耐硒能力等，并提出當前硒研究的問題和難點以及今后努力的方向，以期全面認識硒并對其進行評估。

關鍵詞：硒；微量元素；營養(yǎng)價值；毒性；安全范圍

中圖分類號： S143.7+1文獻標志碼： A[HK]

文章編號：1002-1302（2016）12-0024-05[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2015-10-14

基金項目：江西省研究生創(chuàng)新資金（編號：YC2015-S177）；國家科技支撐計劃（編號：2012BAD14B14）。

作者簡介：韓曉霞（1990—），女，山東招遠人，碩士，主要從事昆蟲行為與化學生態(tài)研究。E-mail：hanxx322@163.com。

通信作者：魏洪義，博士，教授，主要從事昆蟲化學生態(tài)及害蟲綜合防治研究。E-mail：hywei@jxau.edu.cn。

硒（Se）是生物所必需的一種微量營養(yǎng)元素，具有多種生物學功能，被稱為生命的保護劑。但是，生物體不能合成硒[1]，也不能長期儲存硒，只能靠從外界不斷獲取來補充機體所需。由于硒的生物學特性與其濃度有關，因此不能盲目補硒，硒的最佳濃度和致死濃度之間有一個非常狹窄的安全限度，攝入過量硒后會引起中毒或誘發(fā)突變[2]。近幾十年來，隨著部分地區(qū)硒在工業(yè)生產(chǎn)中的使用，環(huán)境中產(chǎn)生了大量含硒化合物，使硒成為這些地區(qū)一個潛在的環(huán)境污染因素[3]。過量的硒通過土壤和水質對植物產(chǎn)生毒害，繼而通過食物鏈對自然界其他生物產(chǎn)生毒害作用，因此，硒的毒性研究應該引起高度重視。本文主要綜述硒對植物、昆蟲、禽、畜、哺乳動物和人類的毒性影響，以期揭示硒的毒性機制，為硒資源的合理利用和生態(tài)風險評價提供理論依據(jù)。

1硒與植物

1.1植物對硒的吸收與積累

根據(jù)植物積累硒的能力不同，可以將植物分為聚硒植物、非聚硒植物和富硫且高硒的植物[4]。聚硒植物通常可以積聚超過1 000 μg/g的硒而在高硒土壤中生長，是高硒地區(qū)的象征，因此一些植物常被稱為硒指示植物[5]，如黃芪屬（Astragalus Linn.）、紫箢屬（Aster）、紫云英屬[Astragalus（Fabaceae）]和十字花科[Cruciferae（Brassicaceae）]植物等；非聚硒植物對硒的積蓄在很大程度上與植物生長周期有關[6]，植物體內含硒量通常不超過30 μg/g，如大多數(shù)生長周期較短的蔬菜、糧食作物和水果等；第3類植物含有大量的硫，在正常土壤中生長時會積累較多的硒[4]。以干物質質量計，根莖、鱗莖類作物的硒濃度最高，其次是大田作物，然后依次是葉菜類、籽菜類、蔬果類、樹果類[7]。其中大田作物積累硒的能力排序為十字花科>黑麥草>豆類>谷類[8]。在谷類作物中，以小麥對硒的積累量最多，作為全球性糧食作物，小麥與硒的研究熱點也日益高漲。

1.2硒對植物的毒害作用

高濃度的硒能夠給大部分硒敏感植物帶來不利影響[9-10]。普遍認為，在同等濃度下，硒能夠促進聚硒植物的生長，但對非聚硒植物則有毒害作用[11]，因此不同植物適應硒濃度的差異較大，而對于同種植物，植株的營養(yǎng)或毒性則由施硒濃度決定。在通常情況下，低濃度施硒或適量施硒對植物的生長發(fā)育有利，而高濃度施硒或過量施硒后，過多的硒代半胱氨酸代替半胱氨酸來參與蛋白質的合成[12]，反而對植物[HJ1.4mm]產(chǎn)生毒害作用[13]。

首先，過量硒能夠降低植物自身抵抗力。例如，臺培東等報道，硒溶液濃度超過1.0 mmol/L，會導致植物抗逆境反應物質脫落酸（abscisic acid，簡稱ABA）含量的下降，植物出現(xiàn)毒害癥狀[11]。植物對于不良的外界環(huán)境有自身的調節(jié)和適應能力，一個非常重要的指標就是植物體內ABA含量的增加[CM（25]，而過量硒能夠降低ABA含量，說明過量硒已超出了植物[CM）][HJ]的耐受范圍，甚至影響到植物自身的調節(jié)機能，從而抑制了植物抵抗外界不利因子的能力。

其次，過量硒能夠降低植物抗氧化活性。衰老自由基學說是目前國際上公認的一種氧化理論，認為由活性氧引發(fā)的自由基可以直接攻擊膜脂質并導致不飽和脂肪酸的過氧化作用[14]，促進植株的凋謝，因此適當補充外源性抗氧化劑能夠提高植株的抗氧化活性。目前已證實，谷胱甘肽過氧化物酶（簡稱GSH-Px）存在于高等植物中，是植物抗氧化及抗衰老的保護性酶之一[15]。硒為GSH-Px的組分之一，適量補硒可以提高植物抗氧化能力。李登超等通過測定硒對菠菜（Spinacia oleracea L.）、白菜（Brassic. campestris ssp. chinensis L.）植株的抗氧化活性發(fā)現(xiàn)，植株的抗氧化活性與營養(yǎng)液中硒的濃度存在劑量關系，適量硒（菠菜<0.1 mg/L、小白菜<1.0 mg/L）可提高植株清除自由基的能力，提高抗氧化活性，但是隨著硒濃度的升高，植株抗氧化活性逐漸下降，甚至表現(xiàn)出抑制作用[16]。原因是在較低濃度下，硒能提高植株體內抗氧化酶活性和硒蛋白、硒多糖等還原性物質的含量，從而提高植株抗氧化能力。過量硒進入植株后，植物自身的保護酶系統(tǒng)遭到破壞，還原性物質的含量降低，導致植物自身清除自由基的能力減弱，從而抑制了植株的抗氧化能力。Sharma等也發(fā)現(xiàn)，生長在高硒土中的水稻抗氧化酶和氧化產(chǎn)物丙二醛（簡稱MDA）含量升高，間接證實硒能干擾植物的抗氧化能力[17]。

再次，過量硒能夠抑制植物的生長。臺培東等報道，硒溶液濃度超過0.1 mg/L時，會抑制黃瓜（Cucumis sativus）、小麥（Triticum aestivum L.）的生長，甚至導致它們中毒死亡[11]；Sharma等報道，硒能延緩水稻的生長發(fā)育并延遲開花時間[17]；林匡飛等研究表明，當濃度超過5 mg/L時，硒對小麥種子活力、α-淀粉酶活性及幼苗和根的生長具有脅迫效應，硒濃度為40 mg/L時，對種子活力、發(fā)芽率、幼苗和根的生長等均有嚴重的抑制作用，且抑制作用隨著硒濃度的升高而增強[3]。實際上，過量硒抑制植株的生長與硒降低植株抵抗力、抗氧化活性有直接關系，植物需要有完善的抵抗外界不良因子的能力和抗氧化活力才能維持自身正常的生長發(fā)育，當這兩者受到不同程度破壞后，植物的生長發(fā)育自然會隨之受到影響。

由此可見，硒對植物的影響與其所處生長環(huán)境的硒濃度密切相關。

2硒與昆蟲

2.1昆蟲種類

過量硒進入昆蟲體內后，不同昆蟲的處理方式不同。硒忍受能力較強的昆蟲[以小菜蛾（Plutella xylostella L.）為代表]，它們將硒集中于后腸中[18]，作為隔離與硒解毒的場所；而硒忍受能力較差的昆蟲[以黃粉蟲（Tenebrio molitor L.）為代表]，則是集中于馬氏管中[19]。前類昆蟲的硒解毒方式在于能將硒甲基化為硒化物，防止硒與機體內的蛋白質結合參與調節(jié)，這種解毒機制與聚硒植物類似。第3種昆蟲的解毒方式在寄生蜂緣腹絨繭蜂（Cotesia marginiventris）中發(fā)現(xiàn)，它們可以通過甲基化和揮發(fā)硒的方式解除過量的硒[20]。

[HTK]2.2硒的添加形式[HT]

硒的添加形式分有機硒、無機硒2種，有機硒主要有硒酵母、硒蛋白等，無機硒則為硒酸鹽、亞硒酸鹽等。飼料中有機硒的生物利用度比無機硒高，因此通常選擇有機硒作為飲食中的添加形式[21]，但對于昆蟲來說，最佳的補硒形態(tài)至今還未有定論。Trumble等曾選擇寄主植物種類眾多的甜菜夜蛾（Spodoptera exigua Hübner）為對象，通過添加不同濃度的硒，試圖研究硒的添加形式對昆蟲的影響，結果發(fā)現(xiàn)各種形式的硒對甜菜夜蛾均會產(chǎn)生影響但程度不同，亞硒酸鈉的毒性最強，硒酸鈉、硒代甲硫氨酸的毒性最弱[22]；Hladun等也發(fā)現(xiàn)，硒酸鹽對蜜蜂的毒性高于硒代甲硫氨酸[23]。但不同昆蟲對不同種硒化物的毒性適應不同，硒代蛋氨酸對甜菜夜蛾的毒性與硒酸鹽相同[22]，但對煙芽夜蛾（Heliothis virescens）、蛆癥異蚤蠅（Megaselia scalaris Loew）的毒性高于硒酸鹽[24-25]。因此可以證實，硒對昆蟲的影響與其他生物[26-28]一致，會因硒的添加形式不同而不同。

2.3硒對昆蟲免疫力的影響

昆蟲需要不斷地抵抗由內在、外在因素形成的活性氧，這種活性氧來源于昆蟲自身的應激反應和寄主植物抵抗植食性昆蟲侵害時植物自身的抗氧化免疫系統(tǒng)對此作出應答時形成的化感物質[29]。昆蟲自身擁有復雜的抗氧化體系來抵抗活性氧的侵害，這一體系需要借助于抗氧化酶[如谷胱甘肽過氧化物酶（簡稱GPX）、過氧化氫酶（簡稱CAT）、超氧化物歧化酶（簡稱SOD）等]來完成[30]。如GPX能減少機體內的H2O2和氫過氧化物，從而清除組織和細胞膜中的氧自由基[31]，幫助機體提高抗氧化力、免疫力。硒是GPX的重要組分，因此能夠參與GPX的抗氧化防御體系，從而保護細胞免受機體內新陳代謝產(chǎn)生的氧化自由基損害[32]。早在1994年，硒就被認為是人類和動物體內非常重要的抗氧化劑[33]，是許多參與應激反應的含硒酶的輔助因子，有助于生物體保持抗菌、抗病毒的強大防御體系[34]。但是高濃度的硒進入機體后，由于它與硫相似，容易取代氨基酸中的硫造成蛋白質表達的紊亂繼而引發(fā)蛋白質、酶的失活，導致生物體硒中毒[26，35]。因此，硒對昆蟲免疫力的有益影響需要控制在較適宜的濃度范圍內。

2.4硒對昆蟲生長發(fā)育的影響

昆蟲在世代更替、逐步進化過程中形成了其內在的發(fā)育策略，當遇到外界不利條件如溫度、食物、光周期和緯度等的變化時，自身的生長發(fā)育、抗寒力、體質量和體型也會隨之發(fā)生調整[36]。硒過量對昆蟲的毒性影響最直觀地體現(xiàn)在對昆蟲的生長發(fā)育的影響。煙芽夜蛾幼蟲取食硒后，幼蟲化蛹、成蟲羽化的時間和死亡率隨硒濃度的增大而增加，當取食高濃度硒（60、125 mg/kg）后，生長速率明顯降低[37]；硒濃度超過25 mg/kg后，能夠抑制粉紋夜蛾[Trichoplusia ni（Hübner）]的生長發(fā)育[38]。Vickerman等發(fā)現(xiàn)，高劑量的硒可以顯著延長甜菜夜蛾的發(fā)育歷期，降低幼蟲的相對生長指數(shù)[39]。昆蟲對不同濃度硒的感受程度不同[39]，飼喂4 μg/g硒酸鈉后，米蛾（Corcyra cephalonica Stainton）體質量下降30%，而飼喂?jié)舛葹? μg/g硒酸鈉時，米蛾的體質量反而會增加[40]；類似地，對雜擬谷盜（Tribolium confusum Duval）幼蟲飼喂不同濃度（2 500、5 000、10 000 μg/g）含亞硒酸鈉的酪蛋白后，發(fā)育速率與對照相比均降低，死亡率分別達到20%、50%、100%[41]。遺憾的是，目前國內關于硒對昆蟲的研究較少，僅有楊明祿等研究發(fā)現(xiàn)，飼料中一定濃度的硒能夠影響黃粉蟲的發(fā)育速率，當硒含量過高時，其幼蟲的增質量速率明顯降低，幼蟲取食量、特定生長率與硒濃度呈負相關，與死亡率呈正相關[42-43]。

2.5硒毒性的食物鏈傳遞

昆蟲的硒中毒不僅僅局限于直接添加產(chǎn)生，由于昆蟲的種群巨大，自然界中食草昆蟲的種類繁多，當?shù)?營養(yǎng)級植物受到硒的毒性迫害后，通過食物鏈的傳播，這種毒性很有可能會傳遞至第2營養(yǎng)級食草昆蟲，甚至處于第3營養(yǎng)級的寄生性天敵也會受到影響。如Vickerman等對寄主植物進行硒毒性處理后觀察它們對3個不同營養(yǎng)級[寄主植物苜蓿（Medicago sativa L.）、寄主昆蟲甜菜夜蛾和寄生蜂（C. marginiventris）]的影響，發(fā)現(xiàn)寄生蜂的化蛹時間顯著推遲，蛹質量和成蜂壽命也減少了[20]。然而，Butler等也做了類似試驗，并同步觀察了3種不同溫度條件對寄生蜂（C. marginiventris）的影響，結果發(fā)現(xiàn)高溫（恒溫33 ℃）條件下，寄生蜂不能正常生長發(fā)育，可見溫度對寄生蜂的影響很大，但硒對寄生蜂并沒有產(chǎn)生影響[44]。究其原因，可能是2組試驗添加的硒濃度不同，前者添加的硒濃度較高，已對寄主植物產(chǎn)生毒性，而后者添加的硒濃度較低，硒雖仍能從寄主昆蟲傳遞至寄生蜂，但并未對寄生蜂產(chǎn)生影響。

當然，生長在富硒環(huán)境中的植物對植食性害蟲也會有影響。最為突出的是聚硒植物，它們即便處于低硒土壤中也能積累較多的硒，但自身卻不表現(xiàn)出任何中毒癥狀[45]。例如，生長在富硒環(huán)境中的寄主植物印度芥菜（Brassica juncea）受粉紋夜蛾幼蟲和菜粉蝶（Pieris rapae L.）幼蟲的危害降低[46-47]。聚硒植物的這種超聚硒能力機制被認為是硒代半胱氨酸被一種甲基轉移酶甲基化，防止非特異性硒代半胱氨酸并入蛋白質參與機體調節(jié)[48-49]，因此導致植食性昆蟲對富硒植物的“厭倦”而降低危害。有趣的是，在非聚硒植物中也有類似的發(fā)現(xiàn)，如濱藜（Atriplex）生長過程中灌溉硒溶液能夠增強抵抗甜菜夜蛾危害的能力[50]。

類似研究發(fā)現(xiàn)，取食硒的昆蟲能夠對捕食性天敵產(chǎn)生干擾。如，Vickerman等發(fā)現(xiàn)，甜菜夜蛾幼蟲飼料中補充2種高濃度的硒后，能夠降低捕食天敵斑腹刺螠蝽（Podisus maculiverntris Say）的成蟲存活率和發(fā)育速率并顯著延長3、4、5齡幼蟲的發(fā)育歷期[51]。

由此可見，高濃度的硒相當于植食性昆蟲的飲食抑制劑[47，52]，能夠抑制植食性昆蟲的生長發(fā)育。值得注意的是，Shelby等發(fā)現(xiàn)，高濃度硒在抑制煙芽夜蛾發(fā)育的同時卻提高了其病毒抵抗力[37]。這很有可能是昆蟲應對外來不利刺激的一種表現(xiàn)，是動態(tài)平衡被破壞后表現(xiàn)出的一種補償機制的適應性反應[53-54]。從高濃度硒能將毒性傳遞至捕食性天敵來看，采用農(nóng)藝做法（葉面施硒肥）使植物富硒的方式實際上很可能提高了植食性害蟲的抗生物防治制劑的能力，而不利于捕食性天敵和擬寄生物。

3硒對禽、畜及其他哺乳動物的影響

動物的硒中毒分為急性硒中毒和慢性硒中毒[55]，通常硒對動物的營養(yǎng)范圍為0.1～2.0 mg/kg，達到3～10 mg/kg時將引起慢性中毒，超過10 mg/kg后會引起急性中毒以致突然死亡，這種關系就是著名的Wenberg效應——微量元素的最佳營養(yǎng)曲線[56]。動物硒中毒的發(fā)病原因主要是攝入了含硒量過高的飼糧，大量硒進入機體后，在肝臟和紅細胞中還原并甲基化，當硒的含量超過機體自身的解毒能力時，大量硒以未解毒形式留存于體內，而硒與硫的性質相似，在動物體內存在競爭關系，過量的硒攝入后，能夠取代含硫化物中的硫而成為硒代甲硫氨酸、硒代半胱氨酸，從而抑制巰基酶的活性，阻礙體內的生化反應，并導致組織器官受損。因此，硒的過量攝入會對動物的正常生理功能產(chǎn)生不利的影響。例如，高濃度硒能夠抑制免疫組織的生長，對機體產(chǎn)生免疫抑制。Spallholz等曾用高濃度（17～42 mg/kg）硒補給乳鼠后發(fā)現(xiàn)硒能夠抑制免疫球蛋白（IgM）的合成并降低空斑形成細胞（PFC）值[57]；另有報道表明，隨著硒在綿羊體內的不斷累積，血硒含量一旦達到中毒劑量后，綿羊的體液免疫功能下降，B淋巴細胞和γ球蛋白量即減少[58]。硒對動物免疫功能的影響是多方面的和復雜的，其作用機制尚未完全明了。此外，高濃度硒還能夠降低動物繁殖能力、抑制生長發(fā)育、引起動物的多處組織器官不良反應甚至導致動物死亡。Wang等發(fā)現(xiàn)，高劑量的硒能夠干擾小鼠精子能量代謝，使精子因供能不足而活力下降[59]；韓玉等通過研究高硒亞急性中毒對雌鼠的影響發(fā)現(xiàn)，高硒能夠抑制小鼠的生長發(fā)育并降低卵巢指數(shù)[60]。

4硒與人體健康

隨著硒資源的開發(fā)利用，補硒已經(jīng)成為一種流行趨勢，但隨之而來的人類補硒的最大安全攝入量成為亟待解決的安全問題，因為硒的過量攝入同樣會導致人體硒中毒。如1959—1964年湖北恩施地區(qū)暴發(fā)脫發(fā)脫甲癥，最嚴重的村莊發(fā)病率高達82.6%[61]，經(jīng)測定后發(fā)現(xiàn)該地出產(chǎn)的玉米中硒含量高達23～43 μg/g，已超過人體最佳補硒濃度；1980年陜西紫陽縣石煤含硒量高達5.66～32 mg/kg，也發(fā)生了人畜的硒中毒[62]，由此發(fā)現(xiàn)湖北恩施、陜西紫陽是世界上2個典型的高硒地區(qū)。但是由于人類群體的特殊性，硒最大安全攝入量的測定較為困難，如Reid等發(fā)現(xiàn)癌癥病人連續(xù)12個月攝入 1 600 μg/d 的富硒酵母后沒有明顯的中毒癥狀，但攝入 3 200 μg/d 后就表現(xiàn)出中毒現(xiàn)象[63]，此試驗在發(fā)現(xiàn)硒對人體的中毒效應后就沒有繼續(xù)進行。但早在我國高硒地區(qū)發(fā)病時，楊光圻工作組對病區(qū)硒中毒病人的臨床癥狀進行了細致的觀察分析，按各種中毒癥狀的嚴重程度將病區(qū)病人劃分為不同的病變階段，并測定了病人的血硒、血漿硒、尿硒以及環(huán)境硒，成為迄今最詳盡的人體硒中毒和內外硒環(huán)境的科學資料[64]。

5小結與展望

硒最初被發(fā)現(xiàn)時僅局限于對其毒性認識，后期逐漸挖掘到其營養(yǎng)價值，人們開始熱衷于開發(fā)富硒產(chǎn)品為人類所用。但是由于硒的二重性，盲目補硒同樣會引起毒性反應。因此，硒的毒性機制再次成為學者們探索的熱門話題，尤其是硒對不同生物的營養(yǎng)與毒性的安全界限。硒是生物生長發(fā)育所需的微量元素，缺硒會降低硒蛋白的表達量并影響其生物學功能的發(fā)揮，但過量補硒同樣會引發(fā)生物的多種不良病變反應。生物需要達到適宜的硒營養(yǎng)狀態(tài)，以保持生物體內正常的硒平衡狀態(tài)，才能充分發(fā)揮硒的營養(yǎng)生物學效應。但是目前我們對硒元素的研究僅僅停留在表層認知，對硒的研究還存在很多問題和難點，很多人對硒的認知還存在很多誤區(qū)：其一是不同生物對硒的營養(yǎng)與毒性用量的把握還不夠精準，并不是補硒量越大越好，過量的硒反而會對生物產(chǎn)生毒害作用；其二是沒有充分利用好高硒地區(qū)的優(yōu)勢，轉害為利，對于高硒地區(qū)植物、動物、人類的探索性研究還不夠。因此建議，今后應圍繞硒對不同生物營養(yǎng)與毒性的作用機制、硒蛋白的表達、硒對不同生物的營養(yǎng)與毒性劑量的準確定位以及高硒地區(qū)方面進行深入研究，趨利避害，根據(jù)不同生物對硒作出的反饋癥狀，有針對性地探索硒的生物學價值。

值得注意的是，我國的硒營養(yǎng)研究曾經(jīng)非常輝煌，甚至走在國際前沿，但是目前與哺乳動物相比，我國在昆蟲方面的研究與國際水平相去甚遠，主要原因之一在于我國對利用微量元素硒調節(jié)生態(tài)系統(tǒng)平衡的意識不夠強烈。昆蟲作為地球上數(shù)量最多的動物群體，在硒的食物鏈傳遞中起著至關重要的作用，且已證實富硒植物能夠降低食草昆蟲的危害，但適量補充硒又能夠提高昆蟲的繁殖能力，第1營養(yǎng)級植物吸收中毒劑量的硒后能夠將毒性傳遞至第3營養(yǎng)級，這其中我們對于硒補充量的把握還不夠明確，怎樣合理分配補硒量還不夠精準，選擇哪類植物品種的研究還不夠深入。因此，在這一食物鏈的研究中，筆者建議可圍繞硒對植物、食草昆蟲、捕食性天敵的生物學影響等方面進行深入研究，利用硒對植物-害蟲-天敵之間的協(xié)同進化影響，采用生物防治技術合理利用硒來維持自然生態(tài)系統(tǒng)的平衡，最終實現(xiàn)害蟲的可持續(xù)控制。

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