岳士忠, 王瑞萍, 曹贊霞, 喬玉輝
(1.德州學(xué)院生物物理研究院,山東省生物物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 德州 253023;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100193)
硒(Se)是人和動(dòng)物體生長(zhǎng)發(fā)育必需的微量元素之一。它參與組成了人體25種具有重要功能的硒蛋白,并在免疫調(diào)節(jié)、抗氧化、抗病毒、促進(jìn)機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖等方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。據(jù)報(bào)道,人體約40余種疾病均與硒營(yíng)養(yǎng)水平密切相關(guān)[3]。鑒于硒諸多的生物學(xué)功能,2009年中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)領(lǐng)域戰(zhàn)略研究組在《中國(guó)至2050年農(nóng)業(yè)科技發(fā)展路線圖》中將其納入功能農(nóng)業(yè)的范疇[4]。
人體硒攝入量過(guò)少會(huì)導(dǎo)致心血管疾病、克山病和癌癥等病癥的發(fā)生。我國(guó)自2018年4月開(kāi)始實(shí)施的衛(wèi)生行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)WS/T 578.3—2017《中國(guó)居民膳食營(yíng)養(yǎng)素參考攝入量》規(guī)定:成年人硒的平均需要量為50 μg·d-1,推薦攝入量為60 μg·d-1。食物是人體硒營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源,食物硒含量主要取決于環(huán)境中的硒濃度,土壤缺硒會(huì)導(dǎo)致人或動(dòng)物體通過(guò)食物鏈獲取的硒營(yíng)養(yǎng)不足。調(diào)查顯示,硒在整個(gè)生物圈的分布并不均勻,世界上許多國(guó)家都存在一定面積的缺硒地區(qū)[5-6],20世紀(jì)80年代,我國(guó)72%的地區(qū)屬于缺硒或低硒地區(qū)[7]。Dinh等[8]調(diào)查發(fā)現(xiàn),自1 990 s開(kāi)始,一些地區(qū)已通過(guò)施用硒肥等方式提高了土壤硒濃度,但仍有51%的地區(qū)屬于缺硒(<0.125 mg·kg-1)地區(qū)。由此可見(jiàn),“全民補(bǔ)硒工程”依然任重道遠(yuǎn)。
硒在自然界中主要以無(wú)機(jī)硒(Se4+、Se6+等)和有機(jī)硒(硒代半胱氨酸SeCys、硒代蛋氨酸SeMet等)的形式存在。目前,通過(guò)化學(xué)和微生物合成的方式研制出一類具有吸收率高、生物活性高、毒性低等特點(diǎn)的納米硒[9],但由于其尚屬硒的新形態(tài),研究多集中于納米材料藥物研制[10]、安全性評(píng)價(jià)及其在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用[11]等方面,尚未見(jiàn)直接用作人體補(bǔ)硒材料的報(bào)道。與有機(jī)硒相比,無(wú)機(jī)硒具有毒性大、生物活性差、生物利用率低且用量較難控制等缺點(diǎn),因此,目前人體補(bǔ)硒仍以更為安全的有機(jī)硒為主[12]。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用生物體作為無(wú)機(jī)硒富集轉(zhuǎn)化有機(jī)硒的載體(硒的生物強(qiáng)化)進(jìn)行了大量研究,發(fā)現(xiàn)食用菌類[13-14]、酵母[15]、谷物類[16-17]、蔬菜類[17-18]、水果[17, 19]、乳酸菌[20]和動(dòng)物[21]等對(duì)硒均具有一定的富集和轉(zhuǎn)化作用,通過(guò)攝食這類富硒產(chǎn)品可以有效提高機(jī)體硒的攝入量[22]。然而,目前的硒強(qiáng)化生物載體以植物和真菌類的研究較多,動(dòng)物類硒強(qiáng)化材料研究相對(duì)較少。硒在生物體中多與氨基酸結(jié)合,進(jìn)而參與構(gòu)成蛋白質(zhì),因此動(dòng)物對(duì)硒的轉(zhuǎn)化效率一般較植物和真菌類高,動(dòng)物源硒可能更適合作為機(jī)體的硒營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑。蚯蚓蛋白質(zhì)含量高[23],藥用價(jià)值大[24],對(duì)無(wú)機(jī)硒具有較高的富集和轉(zhuǎn)化效率[25],有望成為具有廣泛應(yīng)用前景的動(dòng)物源硒強(qiáng)化載體。本文從蚯蚓對(duì)硒的富集轉(zhuǎn)化、蚓體硒的生物可利用率、硒對(duì)蚯蚓生長(zhǎng)繁殖和蚓體營(yíng)養(yǎng)成分的影響等方面進(jìn)行綜述,并對(duì)赤子愛(ài)勝蚓(Eiseniafetida)作為動(dòng)物源硒強(qiáng)化材料在農(nóng)業(yè)及醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用潛力進(jìn)行了分析,旨在揭示蚯蚓是一種能夠高效轉(zhuǎn)化有機(jī)硒并具有較好硒生物可利用率的材料,具有廣闊的應(yīng)用前景,并為我國(guó)乃至世界富硒農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的高效循環(huán)發(fā)展提供理論及科學(xué)支持。
蚯蚓具有疏松土壤、促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)、維持土壤肥力等重要的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,被稱作“土壤生態(tài)系統(tǒng)的工程師”[26]。此外,蚯蚓體蛋白質(zhì)含量豐富,同時(shí)富含多種氨基酸、維生素和礦質(zhì)元素,具有極大的食用和飼用價(jià)值[23, 27-28]。蚓體含有地龍解毒素、黃嘌呤、抗組胺等多種藥用成分,具有清熱、解毒、通絡(luò)功能,是一種傳統(tǒng)的中藥[24]。從蚯蚓體提取的活性物質(zhì)(如抗菌肽、纖溶酶等)還具有殺菌、免疫[29-30]等作用,已在臨床廣泛應(yīng)用,極具藥用價(jià)值。
蚯蚓具有富集重金屬如鎘(Cd)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、銅(Cu)等的能力[31],對(duì)Se也具有一定的富集和轉(zhuǎn)化能力。據(jù)報(bào)道,赤子愛(ài)勝蚓(E.fetida)和威廉環(huán)毛蚓(Pheretimaguillemi)在Se濃度為183.8 mg·kg-1的土壤中培養(yǎng)4周后,蚓體Se富集量可分別達(dá)到83.0和54.6 mg·kg-1DW[32]。Yue等[25]以牛糞和菌渣(m:m=1∶1)為培養(yǎng)基質(zhì),Se添加量為40 mg·kg-1時(shí),培養(yǎng)45 d后E.fetida可富集151.56 mg Se·kg-1DW。劉向輝等[33]在亞硒酸鈉(Na2SeO3)添加量為200 mg·kg-1的牛糞中培養(yǎng)E.fetida84 d后,蚯蚓體硒富集量達(dá)332.5 mg·kg-1。此外,E.fetida對(duì)硒的富集系數(shù)(bioaccumulation factors,BAFs)最高可達(dá)4.75[34]。由此可見(jiàn),蚯蚓對(duì)Se具有較好的富集能力(表1)。
表1 不同培養(yǎng)條件下蚯蚓對(duì)硒的富集情況
蚯蚓對(duì)硒的富集量與基質(zhì)硒濃度、培養(yǎng)時(shí)間等因素成正比,即在蚯蚓耐受范圍內(nèi),硒添加濃度越高,培養(yǎng)時(shí)間越長(zhǎng),蚓體硒富集量越高[32-33]。傳統(tǒng)食物中硒的濃度一般低于1.5 mg·kg-1DW[1],與之相比,硒富集量高是蚯蚓的優(yōu)勢(shì)之一。研究表明,當(dāng)蚯蚓培養(yǎng)基質(zhì)中添加40 mg Se4+·kg-1, 45 d后蚓體硒的最大富集量達(dá)151.56 mg·kg-1[25],這一值約是傳統(tǒng)食物硒濃度的100倍。究其原因,一方面,硒并非植物類如谷物、蔬菜等的必需元素,其本身代謝特征限制了對(duì)硒的富集;另一方面,硒在生物體中主要與氨基酸、蛋白質(zhì)等結(jié)合,植物體中的氨基酸和蛋白質(zhì)含量較低,導(dǎo)致Se結(jié)合不足,富集量較低。高蛋白動(dòng)物類如畜禽、海魚(yú)等相對(duì)比植物類硒富集能力強(qiáng),但一般動(dòng)物對(duì)硒的耐受能力較差,環(huán)境Se濃度過(guò)高或硒攝食過(guò)量時(shí)易引發(fā)機(jī)體硒中毒,這就大大影響了其對(duì)硒的富集,不適宜作為硒強(qiáng)化材料。另外,硒主要富集在動(dòng)物臟器,一般動(dòng)物內(nèi)臟的硒濃度比肌肉組織高[1],這也極大地限制了可食用肉類中的硒含量。
對(duì)硒強(qiáng)化材料的研究不止關(guān)注硒富集量,也重視生物體將無(wú)機(jī)硒轉(zhuǎn)化為有機(jī)硒的效率。生物攝食無(wú)機(jī)硒后,能通過(guò)代謝作用在一定程度上將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)硒[39]。如在經(jīng)過(guò)無(wú)機(jī)硒強(qiáng)化的酵母[15]、食用菌[14, 40]、虹鱒[41]等生物體中,硒均主要以SeMet或SeCys的形式存在。
蚯蚓將無(wú)機(jī)硒轉(zhuǎn)化為有機(jī)硒的效率高,Se在蚯蚓體內(nèi)主要以有機(jī)硒的形式存在。1993年,歐陽(yáng)培等[36]通過(guò)測(cè)定發(fā)現(xiàn),經(jīng)硒強(qiáng)化后的蚓體有機(jī)硒含量占總硒的83.7%以上,最高可達(dá)92.4%。孫小斐等[37]的研究結(jié)果也得到了相似的結(jié)論,即隨基質(zhì)硒濃度和培養(yǎng)時(shí)間的不同,蚓體有機(jī)硒含量在82.25%~95%之間波動(dòng)。邵秀清等[42]采用HPLC-ESI-MS對(duì)暴露于不同硒濃度人工土中的E.fetida樣品進(jìn)行了硒形態(tài)測(cè)定,發(fā)現(xiàn)SeMet和甲基硒代半胱氨酸(MeSeCys)是主要形態(tài)。本課題組通過(guò)HPLC-ICP-MS檢測(cè)發(fā)現(xiàn),蚓體Se主要以SeMet(56.3%)和硒代胱氨酸(SeCys2,29.5%)的形式存在,并檢測(cè)到MeSeCys和4種未知硒形態(tài),只發(fā)現(xiàn)少量Se4+,未檢測(cè)到Se6+[25],說(shuō)明E.fetida將攝食的無(wú)機(jī)硒基本全部轉(zhuǎn)化為了有機(jī)硒。
硒的生物可利用率是指食物中能夠被機(jī)體吸收利用的那部分硒占總硒的百分比。比值越大,表明可被機(jī)體吸收利用的硒越多,硒的生物可利用率就越高,反之,硒的生物可利用率越低。硒的生物可利用率因食物本身性質(zhì)、硒形態(tài)等的不同而有所差異,因此,食物中總硒含量高或有機(jī)硒濃度高并不表示其中的硒的生物利用率高[43]。
一般作物具有較好的有機(jī)硒轉(zhuǎn)化率和生物可利用率,但受限于土壤硒濃度,其總硒富集量相對(duì)較低。一些硒強(qiáng)化作物雖然也具有較好的硒轉(zhuǎn)化效率,但其生物可利用率相對(duì)較低。例如,生菜對(duì)無(wú)機(jī)硒的轉(zhuǎn)化效率可達(dá)95%,但硒的生物可利用率只有約70%[44];富硒平菇中硒的生物可利用率為73%[45];酵母中硒的生物可利用率隨品種和提取方式的不同有較大差別,在57%~89%之間[46-47]。由此可見(jiàn),一般農(nóng)產(chǎn)品通常不能同時(shí)獲得較高的硒富集量、轉(zhuǎn)化效率和生物可利用率。本課題組的研究表明,E.fetida對(duì)硒具有較好的富集能力,最大有機(jī)硒轉(zhuǎn)化率和生物可利用率均可達(dá)95%左右,且模擬消化液中的硒主要是有機(jī)態(tài)硒[25, 37],說(shuō)明被蚯蚓富集和轉(zhuǎn)化的硒基本可以完全被機(jī)體消化吸收。
綜上可以看出,E.fetida是一種極具硒富集、轉(zhuǎn)化能力和高硒生物可利用率的動(dòng)物源硒強(qiáng)化材料。
已有研究表明,培養(yǎng)基質(zhì)中添加40 mg Se4+·kg-1以下硒量對(duì)成年E.fetida的生物量和產(chǎn)繭情況均無(wú)顯著影響[25,48],但能夠顯著提高蚓體抗氧化系統(tǒng)酶等的活力,如總超氧化物歧化酶、過(guò)氧化氫酶、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化物酶和總抗氧化能力[34]。劉軍[49]研究發(fā)現(xiàn),添加一定量硒對(duì)蚯蚓生物量和產(chǎn)繭數(shù)量的增加有一定促進(jìn)作用。但硒添加濃度過(guò)高則會(huì)對(duì)蚯蚓產(chǎn)生不同程度的毒害作用,影響其生長(zhǎng)和繁殖[33, 37, 49]。
硒強(qiáng)化過(guò)程有助于提高蚓體氨基酸含量。楊詠元等[35]研究發(fā)現(xiàn),采用含硒基質(zhì)培養(yǎng)E.fetida促進(jìn)了蚓體水解氨基酸含量增加,增幅可達(dá)3.5%~14.2%,其中人體必需氨基酸如亮氨酸(Leu)、異亮氨酸(Lle)、苯丙氨酸(Phe)和賴氨酸(Lys)含量均有所增加,以含硫(S)氨基酸增加較為顯著。本課題組通過(guò)檢測(cè)分析得到了與楊詠元等[35]相似的結(jié)果,即當(dāng)基質(zhì)硒添加濃度≤40 mg·kg-1時(shí),蚓體蛋氨酸(Met)、Lle、Lys、Phe等必需氨基酸和丙氨酸(Ala)、甘氨酸(Gly)、脯氨酸(Pro)和精氨酸(Arg)等非必需氨基酸以及總氨基酸含量均隨硒添加量的增大而顯著增加[34]。此外,硒強(qiáng)化有助于蚓體部分礦質(zhì)元素、粗蛋白和粗多糖含量的提高,而對(duì)脂肪含量增加有一定的抑制作用[34]。
總體來(lái)說(shuō),基質(zhì)中適量添加硒不影響蚯蚓的生長(zhǎng)和繁殖,且有助于提高蚓體營(yíng)養(yǎng)成分含量。
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上,目前國(guó)內(nèi)外缺硒地區(qū)一般采用土壤基施、作物葉面噴施、浸種或拌種等方式提高作物可食部位硒含量;在畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中,一般通過(guò)飼喂含硒飼料將硒導(dǎo)入牲畜體內(nèi),獲得富硒肉、蛋、奶等動(dòng)物食品[50],人體通過(guò)攝食動(dòng)植物的可食部位獲取硒營(yíng)養(yǎng)(圖1)。此過(guò)程中主要采用含Se4+或Se6+的無(wú)機(jī)硒肥或飼料,且需要多次添加。這種方式的主要缺點(diǎn)包括無(wú)機(jī)硒毒性較大且使用量不易控制、作物中無(wú)機(jī)硒殘留及低的有機(jī)硒轉(zhuǎn)化效率、對(duì)環(huán)境和人體可能產(chǎn)生的危害較大。如果將蚯蚓引入這一農(nóng)業(yè)系統(tǒng),將會(huì)大大降低類似風(fēng)險(xiǎn)。
圖1 傳統(tǒng)富硒農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)
蚯蚓已被廣泛引入生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)[51-53],用于消化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物,提高環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。如圖2所示,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中,通過(guò)在畜禽糞便或作物秸稈中添加適量無(wú)機(jī)硒來(lái)培養(yǎng)蚯蚓,一方面可以達(dá)到農(nóng)業(yè)廢棄物高效循環(huán)利用的目的,含硒蚯蚓糞有機(jī)肥還田能有效提高土壤質(zhì)量和硒濃度;另一方面,收獲的富硒蚯蚓也可直接或間接地為動(dòng)物或人體提供優(yōu)質(zhì)的富含有機(jī)硒的飼料或蛋白產(chǎn)品(雖然蚯蚓作為一種高蛋白動(dòng)物產(chǎn)品尚不被人們普遍接受,但通過(guò)攝食從中加工提取的含硒蛋白也可達(dá)到人體補(bǔ)硒的目的),將富硒蚯蚓制成富硒氨基酸肥[54]施用也可使作物富硒。在此過(guò)程中,只需在畜禽糞便中添加一次無(wú)機(jī)硒即可滿足人體和整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的硒需求量。從源頭控制好硒添加量,大大降低了可能產(chǎn)生的環(huán)境、生物和人體健康風(fēng)險(xiǎn)。另外,這種生產(chǎn)模式增加了整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的緊密聯(lián)系,運(yùn)作模式更加生態(tài),尤其在缺硒地區(qū),硒在整個(gè)系統(tǒng)中的循環(huán)利用有助于提高系統(tǒng)和地區(qū)環(huán)境硒水平。這種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)組成要素靈活多變,可因地制宜地將特定區(qū)域的不同農(nóng)產(chǎn)品種類引入其中,生產(chǎn)種類更加豐富的富硒農(nóng)產(chǎn)品,提高食品營(yíng)養(yǎng)和人體健康。
圖2 蚯蚓-富硒農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)
赤子愛(ài)勝蚓(E.fetida)具有以下特點(diǎn):對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng),在我國(guó)乃至世界各地均有分布;培養(yǎng)方式簡(jiǎn)單且多樣,盆養(yǎng)、池養(yǎng)、大棚培養(yǎng)均適宜;生長(zhǎng)快、繁殖率高,適宜條件下15~20 d即可采收一次,每年可增殖200~500倍[55]。蚯蚓本身在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)揮著極重要作用,通過(guò)蚯蚓堆肥等措施可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用,將適量硒引入這一系統(tǒng)中亦可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中硒的有效循環(huán)。蚯蚓的這些特征為實(shí)現(xiàn)不同地域硒的高效轉(zhuǎn)化和利用提供了有力保障。此外,對(duì)E.fetida進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)和硒強(qiáng)化[56],可能誘發(fā)其對(duì)硒富集相關(guān)基因的表達(dá),培育出更具富硒作用的“超級(jí)蚯蚓”,實(shí)現(xiàn)E.fetida的遺傳生物強(qiáng)化。
蚓體中的抗菌肽、纖溶酶和蚓激酶等活性成分,已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)和臨床。硒在生物體中與氨基酸或蛋白質(zhì)結(jié)合,因此推測(cè),含有S的多肽或蛋白有可能被Se取代形成含硒多肽或蛋白。目前已有很多功能性含硒組分的研究,如從馬氏珠母貝[57]、豆芽[58]、靈芝[59]等生物體中獲取的具有抗氧化功能的含硒蛋白以及從沙蒿[60]、大豆[61]、黃芪[62]等中提取的具有抗腫瘤作用的硒多糖或含硒多肽。鑒于蚯蚓和硒在醫(yī)藥及臨床的重要應(yīng)用價(jià)值,經(jīng)硒強(qiáng)化的E.fetida體內(nèi)極可能含有功能性的含硒組分。例如,本課題組之前的研究發(fā)現(xiàn),部分富硒蚯蚓組分比常規(guī)蚯蚓組分具有更好的抗氧化和抗腫瘤功能[34]。因此,具有功能性的含硒蚯蚓組分仍然具有深入挖掘和醫(yī)藥、臨床應(yīng)用的價(jià)值。
對(duì)環(huán)境和生物體來(lái)說(shuō),適量硒的必要性和過(guò)量硒的毒性是實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中必需考慮的問(wèn)題。目前富硒農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)主要是通過(guò)外源給生物體施用或飼喂無(wú)機(jī)硒進(jìn)行生物強(qiáng)化,如果硒添加量未能嚴(yán)格把控,極易造成環(huán)境硒污染[32]或生物體硒中毒。因此,無(wú)機(jī)硒施用量是富硒農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵,在發(fā)展富硒農(nóng)業(yè)時(shí)要將硒污染納入到考慮范圍,并且要把硒對(duì)環(huán)境的影響限制在人為可控范圍。在將蚯蚓引入富硒農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的過(guò)程中,也要嚴(yán)格控制無(wú)機(jī)硒的投入量,避免對(duì)系統(tǒng)造成污染。
赤子愛(ài)勝蚓(E.fetida)對(duì)無(wú)機(jī)硒具有較強(qiáng)的富集和有機(jī)硒轉(zhuǎn)化能力,且蚓體硒的生物可利用率高,能被機(jī)體高效吸收,可有效為人和動(dòng)物體補(bǔ)充所需硒營(yíng)養(yǎng)。低濃度無(wú)機(jī)硒添加對(duì)蚯蚓的正常生長(zhǎng)和繁殖無(wú)顯著影響且能提高蚓體營(yíng)養(yǎng)成分含量。因此,E.fetida是一種較好的動(dòng)物源硒強(qiáng)化材料。將E.fetida引入富硒農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中,在實(shí)現(xiàn)廢棄物循環(huán)利用的同時(shí),也能實(shí)現(xiàn)硒的有效循環(huán)利用,同時(shí)提高整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的硒水平,更高效地生產(chǎn)種類多樣的富硒農(nóng)產(chǎn)品。硒和蚯蚓的藥用價(jià)值決定了富硒蚯蚓在醫(yī)藥領(lǐng)域和臨床也極具應(yīng)用潛力??傊?,E.fetida作為動(dòng)物源硒強(qiáng)化材料在提供優(yōu)質(zhì)硒蛋白、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)硒水平和醫(yī)藥等領(lǐng)域均具有重要的開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值。今后可從蚯蚓對(duì)整個(gè)富硒農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中硒循環(huán)利用效率的影響及最適蚯蚓-富硒農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式等方面進(jìn)行深入探究,也可對(duì)富硒蚯蚓體中所含活性成分進(jìn)行進(jìn)一步挖掘,尋找功能性含硒活性成分。