微量元素硒的生物學(xué)功能及其對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物的影響的研究進(jìn)展

■李若銘 孔祎頔 王桂芹

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，動(dòng)物生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)教育部國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，吉林省動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130118）

硒作為一種重要的微量元素，開始是作為有毒物質(zhì)被關(guān)注，然而陸續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物缺硒引起了多種疾病的發(fā)生，人們才逐漸開始意識(shí)到硒是一種重要的營(yíng)養(yǎng)元素[1-5]。適量的補(bǔ)充硒能夠促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)、提高抗氧化以及免疫功能，對(duì)降低疾病和癌癥的發(fā)病率和死亡率發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[6]。但是攝入量過(guò)多會(huì)造成中毒的癥狀，所以硒是一種具有雙重作用的礦物質(zhì)[7-8]。本文綜述了硒的生物學(xué)功能，介紹硒對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物的生長(zhǎng)、免疫以及抗氧化等方面的影響，展望了硒的應(yīng)用潛力，為硒在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的合理應(yīng)用提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 硒的種類

在目前的養(yǎng)殖模式下，硒以無(wú)機(jī)硒、有機(jī)硒和納米硒三種不同形式作為飼料添加劑。無(wú)機(jī)硒的毒性大、易中毒。無(wú)機(jī)硒需要先經(jīng)過(guò)肝臟將其轉(zhuǎn)化為生物硒后才能被吸收利用；通過(guò)腸壁吸收的方式是被動(dòng)擴(kuò)散，因此吸收率低，易造成環(huán)境污染。與無(wú)機(jī)硒相比，有機(jī)硒毒性更小且吸收利用率較更高[9]。李雷等[10]研究了不同硒源對(duì)鯽（Carassius auratus）的影響，結(jié)果表明，不同形式的硒源均可以提高GSH-Px 的活性、肌肉的硒濃度以及生長(zhǎng)性能，但是有機(jī)硒比無(wú)機(jī)硒的效果更好。納米硒具有吸收效率高、安全濃度高、毒性小以及污染小等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為研究熱點(diǎn)之一[11-13]。鄧岳松等[14]研究表明不同的硒源對(duì)尼羅羅非魚（Oreo?chromis niloticus）生長(zhǎng)性能均有促進(jìn)作用，但是納米硒作用效果最佳，有更強(qiáng)的營(yíng)養(yǎng)生物學(xué)作用和更高的安全性。總之，不同形式的硒都可以通過(guò)提高GSH-Px的活性進(jìn)而補(bǔ)充硒的含量，但是機(jī)體對(duì)不同硒源的吸收利用率不相同，即納米硒的效果最佳，有機(jī)硒的效果高于無(wú)機(jī)硒。

2 硒的生物學(xué)功能

2.1 促進(jìn)生長(zhǎng)

硒在動(dòng)植物體內(nèi)均存在，是生長(zhǎng)發(fā)育必需的微量物質(zhì)之一。研究表明，硒的補(bǔ)充顯著提高了動(dòng)物的生長(zhǎng)性能，如肉雞（Gallus gallus）[15]、團(tuán)頭魴（Megalobra?ma amblycephala）[16]、黑 鯛 幼 魚（Acanthopagrus schlegelii）[17]等。Sonia 等[18]研究表明在飼料中添加0.57 mg/kg 的硒時(shí)，尼羅羅非魚幼魚的增重率最高。硒對(duì)動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)揮重要作用。一方面，硒提高消化酶的活性和消化吸收率，直接發(fā)揮其促進(jìn)生長(zhǎng)的作用；另一方面，硒以含硒酶的形式間接影響機(jī)體的生長(zhǎng)性能，含硒酶通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)激素，進(jìn)而促進(jìn)水產(chǎn)動(dòng)物的生長(zhǎng)性能。硒將四碘甲狀腺原氨酸（T4）轉(zhuǎn)變?yōu)槿饧谞钕僭彼幔═3），進(jìn)而對(duì)甲狀腺激素（Thyroid，TH）合成和降解的過(guò)程發(fā)揮了至關(guān)重要的調(diào)控作用，T3 可以提高胰島素水平，促進(jìn)肌肉中蛋白質(zhì)的合成和轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而促進(jìn)動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育[19]。

2.2 增強(qiáng)抗氧化性

科學(xué)研究表明，自由基（FR）的產(chǎn)生是生物衰老的關(guān)鍵因素之一[20]。硒通過(guò)促使過(guò)氧化物還原成無(wú)毒的醇或者水，清除了FR，從而引起脂褐素的形成延遲或減少，保護(hù)細(xì)胞膜與細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和功能完整性，避免其受到損傷，最終能夠?qū)崿F(xiàn)抵抗細(xì)胞衰老和死亡的作用。Yu 等[21]在飼料中添加不同濃度的硒投喂草魚（Ctenopharyngodon idella），結(jié)果表明，飼料中硒的濃度增加，可以促進(jìn)核因子E2 相關(guān)因子2（Nrf2）的mRNA 表達(dá)，進(jìn)而使GSH-Px 和過(guò)氧化氫酶（CAT）的活力顯著增強(qiáng)；而FR 濃度顯著降低。此研究證明了在安全濃度范圍內(nèi)增加硒的濃度，可以有效的消除FR，增強(qiáng)抗氧化能力。李彥紅等[22]研究了硒的添加對(duì)齊口裂腹魚（Schizothorax prenanti）抗氧化能力的影響，結(jié)果指出，硒的添加量為0.51 mg/kg 時(shí)，抗氧化效果最好。

2.3 提高免疫力

硒對(duì)非特異性免疫和特異性免疫發(fā)揮重要的作用。硒能夠以硒蛋白和含硒氨基酸的形式參與三羧酸循環(huán)的代謝過(guò)程、維持生理機(jī)能，并且提高機(jī)體的非特異性免疫功能[23]。此外，硒能夠增強(qiáng)吞噬細(xì)胞的吞噬功能并提高殺菌能力。硒不僅可以提高過(guò)氧化物的分解轉(zhuǎn)化能力，防止過(guò)氧化物的積累；而且能夠增強(qiáng)生物膜的完整性和流動(dòng)性、使細(xì)胞膜的通透性降低，進(jìn)而防止過(guò)氧化物的滲出對(duì)其他細(xì)胞造成損傷的情況發(fā)生。硒促進(jìn)合成IgG 和IgA 等抗體、增強(qiáng)機(jī)體產(chǎn)生抗體的能力，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)體提高特異性免疫能力的目的[24]。胡秋輝等[25]和肖顏顏等[26]分別對(duì)鼠的非特異性免疫和免疫功能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，硒不僅能夠增強(qiáng)吞噬細(xì)胞的吞噬能力、加強(qiáng)非特異性免疫功能以及促進(jìn)機(jī)體免疫功能，而且可以提高細(xì)胞免疫和體液免疫的能力。

2.4 抗癌作用

硒具有抗癌的功效。研究表明，硒具有明顯抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖的作用，而且能夠殺傷和抑制形成癌細(xì)胞[27-28]。硒可以保護(hù)細(xì)胞和細(xì)胞膜免受FR 的損傷，進(jìn)而有效地防止了細(xì)胞突變的發(fā)生。硒抑制了癌細(xì)胞的合成、阻斷了信息傳遞的過(guò)程、破壞了代謝過(guò)程、調(diào)節(jié)了免疫系統(tǒng)、增強(qiáng)了抗癌能力，進(jìn)而防止了癌癥的發(fā)生[29-30]。

2.5 防治心腦血管疾病

硒可以有效的防治心腦血管疾病。缺乏硒時(shí)，GSH-Px 活性降低，使機(jī)體組織細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性受到損害，從而引發(fā)冠心病的發(fā)生[31]。研究表明，硒可以保護(hù)冠狀動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞避免其受到損傷，同時(shí)能夠發(fā)揮維護(hù)血管壁膠原組織和彈性組織結(jié)構(gòu)完整性的生理功能[32]。

2.6 提高繁殖能力

硒可以提高動(dòng)物的繁殖能力。研究表明，硒在生殖細(xì)胞中是以硒蛋白的形式存在，對(duì)生殖細(xì)胞的發(fā)育和受精的過(guò)程起著重要的影響。對(duì)雄性動(dòng)物而言，硒主要存在于線粒體膜中，可以保護(hù)生殖細(xì)胞防止其受損傷，可以顯著提高精細(xì)胞的活力和存活率，使受精率提高。硒對(duì)雌性動(dòng)物的繁殖功能也發(fā)揮著同樣重要的功能。若雌性動(dòng)物體內(nèi)缺乏微量元素硒，將會(huì)降低卵子的活性、增加畸形率、造成流產(chǎn)、胚胎死亡以及不孕的現(xiàn)象，影響后代的生長(zhǎng)發(fā)育。

2.7 降低毒性

硒能夠降低重金屬的毒性。硒的親和力很強(qiáng)，能夠與重金屬進(jìn)行螯合形成絡(luò)合物，頡頏和降低毒性，最終達(dá)到降低或解除毒性的目的。在血漿和紅細(xì)胞中，硒和汞會(huì)形成蛋白復(fù)合物，該復(fù)合物被蛋白酶消化分解形成小片段，隨后他們的還原代謝物進(jìn)行相互作用，可以將汞從肝臟中轉(zhuǎn)移，進(jìn)而降低毒性。王興華等[33]研究表明，硒的添加降低了鉛中毒引起的染色體變異，并且緩解鉛中毒造成的DNA損傷，從而減弱小鼠體內(nèi)鉛的毒性作用、提高抗氧化能力。Moham?mad 等[34]研究添加硒對(duì)氨暴露下虹鱒（Oncorhynchus mykiss）的保護(hù)作用，結(jié)果表明，對(duì)氨脅迫致氧化性損傷具有明顯的保護(hù)作用。此結(jié)果證明了硒對(duì)降低毒性具有重要的作用。硒對(duì)機(jī)體保護(hù)作用的使用量受到嚴(yán)格限制。攝入高水平的硒時(shí)，硒對(duì)硫化物親和力增強(qiáng)，形成的復(fù)合物在體內(nèi)發(fā)揮毒性作用，因此在飼料中適量增加硫可緩解硒的毒性。

3 硒對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物的影響

3.1 硒對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)作用

在水產(chǎn)動(dòng)物的健康生長(zhǎng)過(guò)程中，硒是一種至關(guān)重要的微量營(yíng)養(yǎng)元素[35-37]。硒的吸收是先經(jīng)過(guò)腸道進(jìn)入血液中，然后運(yùn)輸?shù)郊t細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)血液流動(dòng)到器官和組織中。硒的代謝途徑因存在形式不同而不同。無(wú)機(jī)硒先由腸道被動(dòng)吸收，在還原態(tài)輔酶的作用下生成硒化氫，隨后進(jìn)入肝臟中合成硒代氨基酸，最終以硒代氨基酸的形式進(jìn)入機(jī)體。而有機(jī)硒以非共價(jià)鍵的形式與球蛋白、細(xì)胞色素等結(jié)合或者以共價(jià)鍵的形式與氨基酸在肽鏈中結(jié)合，最終以硒蛋白的形式分布機(jī)體中。尿液、糞便和呼吸是硒的三種排泄方式。硒蛋白以三甲基硒化合物的形式存在于尿液中，隨著尿液排出體外；有些硒蛋白會(huì)經(jīng)膽汁系統(tǒng)進(jìn)入腸道中轉(zhuǎn)化為不溶性的化合物，通過(guò)糞便的方式排出體外；機(jī)體內(nèi)硒的攝入量過(guò)高時(shí)，產(chǎn)生大量的二甲基硒化合物，其具有揮發(fā)性，因此通過(guò)呼吸的方式排出體外。硒的來(lái)源、水產(chǎn)動(dòng)物的種類等因素導(dǎo)致硒的最適濃度不同（見表1）。由表1 可知，分別以無(wú)機(jī)硒和納米硒作為飼料添加劑，鯉對(duì)不同形式硒的最適濃度是不同的，分別為0.396～0.529 mg/kg 和1 mg/kg；同樣以無(wú)機(jī)硒作為補(bǔ)充硒的來(lái)源，鱸和鯉的最適濃度也不相同。硒的耐受力隨著水產(chǎn)動(dòng)物種類的不同而不同，因此在飼料中硒的最適添加量也有所不同。

表1 不同水產(chǎn)動(dòng)物的最適硒濃度

產(chǎn)生會(huì)損害酶、蛋白質(zhì)分子以及細(xì)胞的FR 是使機(jī)體損傷和衰老的重要因素之一。硒能夠提高清除FR酶的活性，從而增強(qiáng)機(jī)體抗氧化的能力[46-47]。制作飼料時(shí)的高溫條件使脂質(zhì)氧化形成過(guò)氧化物進(jìn)入體內(nèi)，經(jīng)血液運(yùn)輸送至全身各處并且會(huì)形成有強(qiáng)氧化性的游離基化合物。而這些化合物會(huì)攻擊體內(nèi)的細(xì)胞膜磷脂雙分子層中的不飽和酸，使其發(fā)生過(guò)氧化現(xiàn)象，進(jìn)而引起過(guò)氧化的損傷。硒能夠保護(hù)細(xì)胞膜的功能及結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有促進(jìn)有毒的氧化物還原成無(wú)毒的化合物和水的作用，進(jìn)而避免受到氧化損傷。郝甜甜等[48]研究表明銅脅迫大菱鲆（Scophthalmus maximus）幼魚時(shí)，在飼料中添加適量的硒會(huì)通過(guò)對(duì)肝臟金屬硫蛋白(MT)、溶菌酶(LZM)、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(GST)和熱休克蛋白70(HSP70)等相關(guān)基因表達(dá)量的調(diào)控，影響機(jī)體的生理代謝和抗氧化能力。這一結(jié)果證實(shí)了硒對(duì)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)恢復(fù)具有一定的促進(jìn)作用。添加0.66 mg/kg 的硒時(shí)，卵形鯧鲹（Trachinotus ovatus）的增重率最高；添加0.82 mg/kg 時(shí)，血清中GSH-Px 的活性最強(qiáng)[49]。胡俊茹等[50]研究發(fā)現(xiàn)硒的添加不僅可以顯著提高黃顙魚（Pelteobagrus fulvidraco）幼魚的抗氧化能力，而且能夠提高應(yīng)激后的血糖水平，此結(jié)果證實(shí)了硒對(duì)低溫應(yīng)激具有保護(hù)作用。

3.2 硒對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物的毒性作用

水產(chǎn)動(dòng)物缺乏硒時(shí)，魚肝臟中的血漿硒含量和細(xì)胞體積均顯著減少；同時(shí)由于受到FR 的攻擊，線粒體、胰腺結(jié)構(gòu)以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)具有不完整性，同時(shí)導(dǎo)致肌纖維的變性和壞死[51]。水產(chǎn)動(dòng)物缺硒會(huì)導(dǎo)致厭食、生長(zhǎng)發(fā)育緩慢、免疫力下降、死亡率升高等現(xiàn)象的出現(xiàn)。水產(chǎn)動(dòng)物厭食使背部肌肉萎縮，出現(xiàn)“瘦背癥”的癥狀；硒缺乏也會(huì)致使酶活性降低，F(xiàn)R累積而破壞細(xì)胞膜的通透性，使其失去保護(hù)能力，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)不同內(nèi)臟器官的受損和病變。Bell等[52]通過(guò)研究證實(shí)了硒和維生素E 具有協(xié)同作用，結(jié)果表明，投喂硒缺乏飼料會(huì)影響GSH-Px 的活性并且使魚體增重率降低而且伴有萎縮癥狀的出現(xiàn)；但是缺硒對(duì)魚的死亡率沒(méi)有顯著影響。此外，Bell 等[53]分別用缺硒組和補(bǔ)硒組的飼料對(duì)大西洋鮭（Salmo salar）幼魚進(jìn)行連續(xù)投喂，研究硒對(duì)其過(guò)氧化作用，結(jié)果表明，與補(bǔ)硒組相比，缺硒組魚體的增長(zhǎng)率明顯降低，而且缺乏營(yíng)養(yǎng)元素硒魚出現(xiàn)了厭食癥、胰腺病以及肌肉病變等癥狀。此外，通過(guò)電鏡觀察可以發(fā)現(xiàn)硒缺乏使肝胰臟出現(xiàn)大量的空泡區(qū)，這說(shuō)明了硒對(duì)維持組織結(jié)構(gòu)的完整性有著至關(guān)重要的作用。硒的攝入在免疫調(diào)節(jié)和炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要的作用[54]，如硒通過(guò)鯉的HSP60-TLR2-MAPKs信號(hào)通路調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)，Gao 等[55]分別以硒水平為0.015 mg/kg(缺硒組)、0.80 mg/kg(正常組)和1.49 mg/kg（補(bǔ)硒組）對(duì)鯉影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，硒缺乏引起TLR2 和HSP60 的表達(dá)以及促炎因子TNF-α、IL-6 和IL-1β含量的增加，使抗炎的TGF-β的分泌減少，進(jìn)一步研究表明，隨著硒劑量依賴性降低，HSP60 表達(dá)增加，MAPKs 通路被肝臟組織和細(xì)胞中JNK、ERK 和p38 的磷酸化顯著激活，此研究證實(shí)了缺硒通過(guò)HSP60 和TLR2-MAPKs 信號(hào)通路誘導(dǎo)肝臟炎癥損傷的加重。此外，Gao 等[56]將硒作為炎癥反應(yīng)的一部分對(duì)ROS 和micRNA-146a 的影響及其調(diào)控分子機(jī)制進(jìn)行研究，結(jié)果表明，micRNA-146a在Se缺乏的情況下也出現(xiàn)了下降，而micRNA-146a 本應(yīng)升高以恢復(fù)炎癥反應(yīng)。因此，缺硒會(huì)引起頭腎發(fā)炎。這些結(jié)果表明，硒缺乏通過(guò)調(diào)節(jié)鯉魚頭腎中的MAPK 通路，抑制micRNA-146a 促進(jìn)ROS 誘導(dǎo)。此研究再次證實(shí)了添加硒對(duì)鯉的生長(zhǎng)和疾病的預(yù)防有積極作用。

硒的安全范圍十分狹窄，因此在補(bǔ)充硒的時(shí)候，需要格外的注意硒的使用劑量，避免中毒現(xiàn)象的發(fā)生[49]。高水平的硒會(huì)出現(xiàn)慢性中毒的癥狀，體內(nèi)的鈣鎂含量明顯增高，發(fā)生鈣質(zhì)沉積并損傷腎臟，進(jìn)而引起飼料效率降低、生長(zhǎng)緩慢、死亡率升高等一系列癥狀。David 等[57]對(duì)金頭鯛（Sparus aurata）投喂硒濃度為1.70 mg/kg 的飼料，研究發(fā)現(xiàn)魚體會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)緩慢、體重降低、死亡率增高的慢性中毒癥狀。此外，魚體內(nèi)硒含量過(guò)高引起了肝臟的損傷。Tashjian 等[58]在白鱘（Psephurus gladius）飼料中添加硒，發(fā)現(xiàn)高水平的硒會(huì)導(dǎo)致肝臟和腎臟發(fā)生病理變化。Li 等[59]對(duì)日本青鳉（Oryzias latipes）在硒暴露的狀態(tài)下進(jìn)行研究，結(jié)果表明，高水平硒降低了魚體肝臟中的SOD 的活性。Li等[60]將烏鱧（Channa argus）暴露于高水平硒中56 d，結(jié)果表明，隨硒含量的增加，GSH-Px的活性減弱并且肝臟中丙二醛（MDA）的含量升高；血清中的LA、IgM和C3的水平升高；肝臟中的TNF-α、IL-1β和IL-8 基因表達(dá)升高，而基因IκB-α和GR 的表達(dá)降低。硒過(guò)量不僅危害水產(chǎn)動(dòng)物，而且破壞水生生態(tài)系統(tǒng)。由于富硒土壤流到水體中，美國(guó)的Kesterson水庫(kù)的硒質(zhì)量濃度升高，不僅對(duì)水體中的水生生物造成不同程度的損傷，而且通過(guò)“水體-浮游動(dòng)植物-魚-水鳥”食物鏈?zhǔn)乖摰貐^(qū)水鳥的筑巢率和繁殖率降低[61]。這證實(shí)了硒可以通過(guò)食物鏈危害上層營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物[62]。因此，硒對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物的毒性研究不容忽視[63-65]。

4 展望

硒能夠增強(qiáng)免疫能力、降低疾病的發(fā)生，在畜牧、醫(yī)學(xué)等方面均有廣泛的研究，而在水產(chǎn)動(dòng)物方面的研究較少。近年來(lái)，隨著集約化養(yǎng)殖的發(fā)展，水產(chǎn)動(dòng)物面臨著多種病害，硒作為必需的營(yíng)養(yǎng)元素能夠增強(qiáng)機(jī)體抵御疾病的能力，進(jìn)而減少水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有廣闊的應(yīng)用前景。尤其，硒作為水生動(dòng)物的必需微量元素，外源補(bǔ)充硒的方式以及相對(duì)應(yīng)的劑量尚未被研究透徹，今后的研究將集中于不同種類水產(chǎn)動(dòng)物對(duì)硒的最適需求量以及疾病防治與免疫功能的作用機(jī)理等方面。同樣，在養(yǎng)殖業(yè)全面禁抗的大背景下，硒可以作為一種抗生素的替代品，對(duì)綠色健康水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展具有重要意義。隨著分子研究的逐步深入，硒的代謝機(jī)制以及作用靶點(diǎn)會(huì)被進(jìn)一步揭示，對(duì)于開發(fā)新型免疫增強(qiáng)劑以及替抗物質(zhì)提供新的研究思路。