微量元素硒的生物学功能及其对水产动物的影响的研究进展

■李若铭 孔祎頔 王桂芹

（吉林农业大学生命科学学院，动物生产及产品质量安全教育部重点实验室，现代农业技术教育部国际合作联合实验室，吉林省动物营养与饲料科学重点实验室，吉林长春130118）

硒作为一种重要的微量元素，开始是作为有毒物质被关注，然而陆续的研究发现哺乳动物缺硒引起了多种疾病的发生，人们才逐渐开始意识到硒是一种重要的营养元素[1-5]。适量的补充硒能够促进动物生长、提高抗氧化以及免疫功能，对降低疾病和癌症的发病率和死亡率发挥着至关重要的作用[6]。但是摄入量过多会造成中毒的症状，所以硒是一种具有双重作用的矿物质[7-8]。本文综述了硒的生物学功能，介绍硒对水产动物的生长、免疫以及抗氧化等方面的影响，展望了硒的应用潜力，为硒在水产养殖业的合理应用提供科学的理论依据。

1 硒的种类

在目前的养殖模式下，硒以无机硒、有机硒和纳米硒三种不同形式作为饲料添加剂。无机硒的毒性大、易中毒。无机硒需要先经过肝脏将其转化为生物硒后才能被吸收利用；通过肠壁吸收的方式是被动扩散，因此吸收率低，易造成环境污染。与无机硒相比，有机硒毒性更小且吸收利用率较更高[9]。李雷等[10]研究了不同硒源对鲫（Carassius auratus）的影响，结果表明，不同形式的硒源均可以提高GSH-Px 的活性、肌肉的硒浓度以及生长性能，但是有机硒比无机硒的效果更好。纳米硒具有吸收效率高、安全浓度高、毒性小以及污染小等优点，逐渐成为研究热点之一[11-13]。邓岳松等[14]研究表明不同的硒源对尼罗罗非鱼（Oreo⁃chromis niloticus）生长性能均有促进作用，但是纳米硒作用效果最佳，有更强的营养生物学作用和更高的安全性。总之，不同形式的硒都可以通过提高GSH-Px的活性进而补充硒的含量，但是机体对不同硒源的吸收利用率不相同，即纳米硒的效果最佳，有机硒的效果高于无机硒。

2 硒的生物学功能

2.1 促进生长

硒在动植物体内均存在，是生长发育必需的微量物质之一。研究表明，硒的补充显著提高了动物的生长性能，如肉鸡（Gallus gallus）[15]、团头鲂（Megalobra⁃ma amblycephala）[16]、黑 鲷 幼 鱼（Acanthopagrus schlegelii）[17]等。Sonia 等[18]研究表明在饲料中添加0.57 mg/kg 的硒时，尼罗罗非鱼幼鱼的增重率最高。硒对动物的生长发挥重要作用。一方面，硒提高消化酶的活性和消化吸收率，直接发挥其促进生长的作用；另一方面，硒以含硒酶的形式间接影响机体的生长性能，含硒酶通过调节生长激素，进而促进水产动物的生长性能。硒将四碘甲状腺原氨酸（T4）转变为三碘甲状腺原氨酸（T3），进而对甲状腺激素（Thyroid，TH）合成和降解的过程发挥了至关重要的调控作用，T3 可以提高胰岛素水平，促进肌肉中蛋白质的合成和转运，进而促进动物的生长发育[19]。

2.2 增强抗氧化性

科学研究表明，自由基（FR）的产生是生物衰老的关键因素之一[20]。硒通过促使过氧化物还原成无毒的醇或者水，清除了FR，从而引起脂褐素的形成延迟或减少，保护细胞膜与细胞内部的结构和功能完整性，避免其受到损伤，最终能够实现抵抗细胞衰老和死亡的作用。Yu 等[21]在饲料中添加不同浓度的硒投喂草鱼（Ctenopharyngodon idella），结果表明，饲料中硒的浓度增加，可以促进核因子E2 相关因子2（Nrf2）的mRNA 表达，进而使GSH-Px 和过氧化氢酶（CAT）的活力显著增强；而FR 浓度显著降低。此研究证明了在安全浓度范围内增加硒的浓度，可以有效的消除FR，增强抗氧化能力。李彦红等[22]研究了硒的添加对齐口裂腹鱼（Schizothorax prenanti）抗氧化能力的影响，结果指出，硒的添加量为0.51 mg/kg 时，抗氧化效果最好。

2.3 提高免疫力

硒对非特异性免疫和特异性免疫发挥重要的作用。硒能够以硒蛋白和含硒氨基酸的形式参与三羧酸循环的代谢过程、维持生理机能，并且提高机体的非特异性免疫功能[23]。此外，硒能够增强吞噬细胞的吞噬功能并提高杀菌能力。硒不仅可以提高过氧化物的分解转化能力，防止过氧化物的积累；而且能够增强生物膜的完整性和流动性、使细胞膜的通透性降低，进而防止过氧化物的渗出对其他细胞造成损伤的情况发生。硒促进合成IgG 和IgA 等抗体、增强机体产生抗体的能力，从而实现机体提高特异性免疫能力的目的[24]。胡秋辉等[25]和肖颜颜等[26]分别对鼠的非特异性免疫和免疫功能进行了研究，结果表明，硒不仅能够增强吞噬细胞的吞噬能力、加强非特异性免疫功能以及促进机体免疫功能，而且可以提高细胞免疫和体液免疫的能力。

2.4 抗癌作用

硒具有抗癌的功效。研究表明，硒具有明显抑制癌细胞生长、增殖的作用，而且能够杀伤和抑制形成癌细胞[27-28]。硒可以保护细胞和细胞膜免受FR 的损伤，进而有效地防止了细胞突变的发生。硒抑制了癌细胞的合成、阻断了信息传递的过程、破坏了代谢过程、调节了免疫系统、增强了抗癌能力，进而防止了癌症的发生[29-30]。

2.5 防治心脑血管疾病

硒可以有效的防治心脑血管疾病。缺乏硒时，GSH-Px 活性降低，使机体组织细胞膜结构的完整性受到损害，从而引发冠心病的发生[31]。研究表明，硒可以保护冠状动脉内皮细胞避免其受到损伤，同时能够发挥维护血管壁胶原组织和弹性组织结构完整性的生理功能[32]。

2.6 提高繁殖能力

硒可以提高动物的繁殖能力。研究表明，硒在生殖细胞中是以硒蛋白的形式存在，对生殖细胞的发育和受精的过程起着重要的影响。对雄性动物而言，硒主要存在于线粒体膜中，可以保护生殖细胞防止其受损伤，可以显著提高精细胞的活力和存活率，使受精率提高。硒对雌性动物的繁殖功能也发挥着同样重要的功能。若雌性动物体内缺乏微量元素硒，将会降低卵子的活性、增加畸形率、造成流产、胚胎死亡以及不孕的现象，影响后代的生长发育。

2.7 降低毒性

硒能够降低重金属的毒性。硒的亲和力很强，能够与重金属进行螯合形成络合物，颉颃和降低毒性，最终达到降低或解除毒性的目的。在血浆和红细胞中，硒和汞会形成蛋白复合物，该复合物被蛋白酶消化分解形成小片段，随后他们的还原代谢物进行相互作用，可以将汞从肝脏中转移，进而降低毒性。王兴华等[33]研究表明，硒的添加降低了铅中毒引起的染色体变异，并且缓解铅中毒造成的DNA损伤，从而减弱小鼠体内铅的毒性作用、提高抗氧化能力。Moham⁃mad 等[34]研究添加硒对氨暴露下虹鳟（Oncorhynchus mykiss）的保护作用，结果表明，对氨胁迫致氧化性损伤具有明显的保护作用。此结果证明了硒对降低毒性具有重要的作用。硒对机体保护作用的使用量受到严格限制。摄入高水平的硒时，硒对硫化物亲和力增强，形成的复合物在体内发挥毒性作用，因此在饲料中适量增加硫可缓解硒的毒性。

3 硒对水产动物的影响

3.1 硒对水产动物的营养作用

在水产动物的健康生长过程中，硒是一种至关重要的微量营养元素[35-37]。硒的吸收是先经过肠道进入血液中，然后运输到红细胞内，经血液流动到器官和组织中。硒的代谢途径因存在形式不同而不同。无机硒先由肠道被动吸收，在还原态辅酶的作用下生成硒化氢，随后进入肝脏中合成硒代氨基酸，最终以硒代氨基酸的形式进入机体。而有机硒以非共价键的形式与球蛋白、细胞色素等结合或者以共价键的形式与氨基酸在肽链中结合，最终以硒蛋白的形式分布机体中。尿液、粪便和呼吸是硒的三种排泄方式。硒蛋白以三甲基硒化合物的形式存在于尿液中，随着尿液排出体外；有些硒蛋白会经胆汁系统进入肠道中转化为不溶性的化合物，通过粪便的方式排出体外；机体内硒的摄入量过高时，产生大量的二甲基硒化合物，其具有挥发性，因此通过呼吸的方式排出体外。硒的来源、水产动物的种类等因素导致硒的最适浓度不同（见表1）。由表1 可知，分别以无机硒和纳米硒作为饲料添加剂，鲤对不同形式硒的最适浓度是不同的，分别为0.396～0.529 mg/kg 和1 mg/kg；同样以无机硒作为补充硒的来源，鲈和鲤的最适浓度也不相同。硒的耐受力随着水产动物种类的不同而不同，因此在饲料中硒的最适添加量也有所不同。

表1 不同水产动物的最适硒浓度

产生会损害酶、蛋白质分子以及细胞的FR 是使机体损伤和衰老的重要因素之一。硒能够提高清除FR酶的活性，从而增强机体抗氧化的能力[46-47]。制作饲料时的高温条件使脂质氧化形成过氧化物进入体内，经血液运输送至全身各处并且会形成有强氧化性的游离基化合物。而这些化合物会攻击体内的细胞膜磷脂双分子层中的不饱和酸，使其发生过氧化现象，进而引起过氧化的损伤。硒能够保护细胞膜的功能及结构，同时具有促进有毒的氧化物还原成无毒的化合物和水的作用，进而避免受到氧化损伤。郝甜甜等[48]研究表明铜胁迫大菱鲆（Scophthalmus maximus）幼鱼时，在饲料中添加适量的硒会通过对肝脏金属硫蛋白(MT)、溶菌酶(LZM)、谷胱甘肽转移酶(GST)和热休克蛋白70(HSP70)等相关基因表达量的调控，影响机体的生理代谢和抗氧化能力。这一结果证实了硒对内环境稳态恢复具有一定的促进作用。添加0.66 mg/kg 的硒时，卵形鲳鲹（Trachinotus ovatus）的增重率最高；添加0.82 mg/kg 时，血清中GSH-Px 的活性最强[49]。胡俊茹等[50]研究发现硒的添加不仅可以显著提高黄颡鱼（Pelteobagrus fulvidraco）幼鱼的抗氧化能力，而且能够提高应激后的血糖水平，此结果证实了硒对低温应激具有保护作用。

3.2 硒对水产动物的毒性作用

水产动物缺乏硒时，鱼肝脏中的血浆硒含量和细胞体积均显著减少；同时由于受到FR 的攻击，线粒体、胰腺结构以及内质网具有不完整性，同时导致肌纤维的变性和坏死[51]。水产动物缺硒会导致厌食、生长发育缓慢、免疫力下降、死亡率升高等现象的出现。水产动物厌食使背部肌肉萎缩，出现“瘦背症”的症状；硒缺乏也会致使酶活性降低，FR累积而破坏细胞膜的通透性，使其失去保护能力，进而会出现不同内脏器官的受损和病变。Bell等[52]通过研究证实了硒和维生素E 具有协同作用，结果表明，投喂硒缺乏饲料会影响GSH-Px 的活性并且使鱼体增重率降低而且伴有萎缩症状的出现；但是缺硒对鱼的死亡率没有显著影响。此外，Bell 等[53]分别用缺硒组和补硒组的饲料对大西洋鲑（Salmo salar）幼鱼进行连续投喂，研究硒对其过氧化作用，结果表明，与补硒组相比，缺硒组鱼体的增长率明显降低，而且缺乏营养元素硒鱼出现了厌食症、胰腺病以及肌肉病变等症状。此外，通过电镜观察可以发现硒缺乏使肝胰脏出现大量的空泡区，这说明了硒对维持组织结构的完整性有着至关重要的作用。硒的摄入在免疫调节和炎症反应中发挥重要的作用[54]，如硒通过鲤的HSP60-TLR2-MAPKs信号通路调节炎症反应，Gao 等[55]分别以硒水平为0.015 mg/kg(缺硒组)、0.80 mg/kg(正常组)和1.49 mg/kg（补硒组）对鲤影响进行研究，结果表明，硒缺乏引起TLR2 和HSP60 的表达以及促炎因子TNF-α、IL-6 和IL-1β含量的增加，使抗炎的TGF-β的分泌减少，进一步研究表明，随着硒剂量依赖性降低，HSP60 表达增加，MAPKs 通路被肝脏组织和细胞中JNK、ERK 和p38 的磷酸化显著激活，此研究证实了缺硒通过HSP60 和TLR2-MAPKs 信号通路诱导肝脏炎症损伤的加重。此外，Gao 等[56]将硒作为炎症反应的一部分对ROS 和micRNA-146a 的影响及其调控分子机制进行研究，结果表明，micRNA-146a在Se缺乏的情况下也出现了下降，而micRNA-146a 本应升高以恢复炎症反应。因此，缺硒会引起头肾发炎。这些结果表明，硒缺乏通过调节鲤鱼头肾中的MAPK 通路，抑制micRNA-146a 促进ROS 诱导。此研究再次证实了添加硒对鲤的生长和疾病的预防有积极作用。

硒的安全范围十分狭窄，因此在补充硒的时候，需要格外的注意硒的使用剂量，避免中毒现象的发生[49]。高水平的硒会出现慢性中毒的症状，体内的钙镁含量明显增高，发生钙质沉积并损伤肾脏，进而引起饲料效率降低、生长缓慢、死亡率升高等一系列症状。David 等[57]对金头鲷（Sparus aurata）投喂硒浓度为1.70 mg/kg 的饲料，研究发现鱼体会出现生长缓慢、体重降低、死亡率增高的慢性中毒症状。此外，鱼体内硒含量过高引起了肝脏的损伤。Tashjian 等[58]在白鲟（Psephurus gladius）饲料中添加硒，发现高水平的硒会导致肝脏和肾脏发生病理变化。Li 等[59]对日本青鳉（Oryzias latipes）在硒暴露的状态下进行研究，结果表明，高水平硒降低了鱼体肝脏中的SOD 的活性。Li等[60]将乌鳢（Channa argus）暴露于高水平硒中56 d，结果表明，随硒含量的增加，GSH-Px的活性减弱并且肝脏中丙二醛（MDA）的含量升高；血清中的LA、IgM和C3的水平升高；肝脏中的TNF-α、IL-1β和IL-8 基因表达升高，而基因IκB-α和GR 的表达降低。硒过量不仅危害水产动物，而且破坏水生生态系统。由于富硒土壤流到水体中，美国的Kesterson水库的硒质量浓度升高，不仅对水体中的水生生物造成不同程度的损伤，而且通过“水体-浮游动植物-鱼-水鸟”食物链使该地区水鸟的筑巢率和繁殖率降低[61]。这证实了硒可以通过食物链危害上层营养级生物[62]。因此，硒对水产动物的毒性研究不容忽视[63-65]。

4 展望

硒能够增强免疫能力、降低疾病的发生，在畜牧、医学等方面均有广泛的研究，而在水产动物方面的研究较少。近年来，随着集约化养殖的发展，水产动物面临着多种病害，硒作为必需的营养元素能够增强机体抵御疾病的能力，进而减少水产养殖产业的经济损失，在水产养殖中具有广阔的应用前景。尤其，硒作为水生动物的必需微量元素，外源补充硒的方式以及相对应的剂量尚未被研究透彻，今后的研究将集中于不同种类水产动物对硒的最适需求量以及疾病防治与免疫功能的作用机理等方面。同样，在养殖业全面禁抗的大背景下，硒可以作为一种抗生素的替代品，对绿色健康水产养殖的发展具有重要意义。随着分子研究的逐步深入，硒的代谢机制以及作用靶点会被进一步揭示，对于开发新型免疫增强剂以及替抗物质提供新的研究思路。