藻類對硒的吸收、富集和轉化的研究進展

劉麗婧, 葛 瀅, 王長海

(南京農業大學 資源與環境科學學院, 江蘇省海洋生物學重點實驗室, 江蘇 南京210095)

硒是唯一種由基因調控且生物所必需的微量元素,它能夠防治癌癥[1-3]、延緩衰老[4]、提高免疫能力[5]。硒主要通過硒代半胱氨酸(Sec)的形式進入硒蛋白,而硒代半胱氨酸又是硒蛋白的關鍵組成成分, 同時也是構成一系列硒酶, 如谷胱甘肽過氧化物酶(Glutathione Peroxidase, GSH-POX)等的活性中心。此外硒代半胱氨酸還是由UGA密碼子引導的第21種氨基酸[6]。大量研究表明, 硒的缺乏或過剩與人類的多種疾病息息相關[7]。在低質量濃度水平下, 硒有助于細胞的生長與功能的發揮, 對哺乳動物的發育起著重要作用[8]; 然而高質量濃度的硒會導致活性氧物質產生, 促使DNA氧化, DNA雙鏈斷裂, 細胞死亡[9]。硒多以無機形式存在, 生物利用度低且易引起硒中毒, 而有機硒的毒性低, 生物活性高且容易被人類或其他生物吸收利用, 所以有機硒常被視為高效且安全的補硒制劑[10]。

海洋是地球上硒元素存在和遷移的主要場所,海水中硒元素主要來源于巖石風化、降水、水土流失以及水體中生物有機體的分解。海水中的硒含量一般為 4～6 μg/L[4], 亞硒酸鹽、硒酸鹽和有機硒是溶解在海洋水體中的3種主要形態的硒[11]。

在水生食物鏈中, 藻類在硒的生物循環過程中起著極其重要的作用。海洋藻類含有豐富的蛋白質、脂類和多糖, 在生長期間, 海洋藻類能夠吸收、積累一定量的硒并將硒與這些大分子有機物結合, 使無機形式的硒轉化為有機形式, 繼而通過食物鏈傳給海洋中的其他消費者, 同時也為食物網中的各級消費者提供硒營養。因此使無機硒在海洋生物載體中富集、轉化為有機硒產品的想法, 既合理又有效[12]。

本文針對藻類對硒的吸收、富集和轉化及其影響因素進行綜述。

1 研究常用藻種1

藻類并非易積累硒的生物, 自然條件下, 藻類的含硒量極低。毛文君等[13]曾對12中含硒藻進行測定, 發現硒含量在 1.3～7 μg/g, 其中綠藻含硒量較高。雖然藻類的天然含硒量不高, 但實驗證明, 經馴化, 人們往往可以獲得對硒的耐受性和富集能力更強的藻種。之前的研究中有關富集轉化無機硒的藻類主要有: 螺旋藻[14]、紫球藻[15]、小球藻[16]、球石藻[17]等。富硒螺旋藻中硒的存在形式主要為有機硒,有機硒占總硒含量的75 %以上[18], 且螺旋藻的生長速度快、培養方法簡單快捷、耐受硒的能力較強, 工業化生產技術成熟, 因此, 螺旋藻被視為無機硒生物有機化的理想載體并且被廣泛地研究。螺旋藻主要分為三大類; 鈍頂螺旋藻; 極大螺旋藻和鹽澤螺旋藻。大多數的富硒研究中使用鈍頂螺旋藻作為載體, 但也有少數研究發現, 鹽澤螺旋藻的富硒能力更勝一籌; 在外加硒質量濃度相同的條件下, 鹽澤螺旋藻的富硒量分別是極大螺旋藻和鈍頂螺旋藻的72倍和5.7倍[19]。因此, 鹽澤螺旋藻可能是更具發展前景的富硒研究生物載體。

2 培養條件對藻類富硒影響

許多因素都會影響到富硒藻類生長與其富硒效果, 并且它們之間的關系十分復雜。

2.1 溫度、光強和pH的影響

藻類的最適生長條件不等同于藻類吸收、富集和轉化硒的最適條件。以極大螺旋藻為例, 研究顯示,當外加的硒質量濃度為 0.4 mg/L, 藻類的生長在溫度為 35 ℃時得到促進; 而 25 ℃下, 藻類的富硒量最大, 且在 15 ℃時, 極大螺旋藻富集硒的量又比 35 ℃時高[20], 周志剛等[20]認為原因可能是: 在比較低的溫度下, 藻類生長比較遲緩, 而這種較緩慢的生長速度卻有助于藻類對硒進行富集[20], 然而鄭文杰等[21]則推測這種現象可能是極大螺旋藻中與富硒活動有關的酶在高溫條件下失活所造成的。

除此之外, 光強對藻類富硒也有所影響。周志剛等[20]的研究表明, 在8 000lx的光強條件下, 不僅能夠刺激極大螺旋藻細胞的生長, 還有利于藻細胞富集硒[20]。

作為培養條件之一, pH也是影響藻類富硒的一大因素。黃鍵等[22]的研究表明, pH8.0 的培養條件有利鈍頂螺旋藻富集 Se(IV)。Riedel等[23]對萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的研究顯示: 當培養液中pH 5 ～ 9時, pH對衣藻吸收硒酸鹽的作用極小, 僅有微弱證據表明pH8最適宜衣藻吸收硒酸鹽。當pH遠低于7時, 衣藻細胞對亞硒酸鹽的吸收迅速增長。Riedel等[23]認為pH影響衣藻富硒的可能原因主要有兩點, 一是pH改變了溶液中離子的質子化程度, 進而改變了離子的化學形態, 生物活性較高的形態有利于衣藻富硒, 而生物活性較低的則抑制藻類富硒;二是pH改變了衣藻細胞中吸收轉移蛋白質的活性。

2.2 其他元素的影響

其他元素的存在也會影響藻類對硒的富集。Fournier等[24]發現, 當硒質量濃度相同時, 藻類在硫質量濃度較低的條件下富硒量較大。黃峙等[18]的研究顯示, 外加硫元素與硒元素的質量濃度值之比是鈍頂螺旋藻對硒的富集和有機化效率的一大影響因素。在硒質量濃度為3.80 mmol/L, S(VI):Se(IV)=1.232的條件下, 鈍頂螺旋藻的總生產量、含硒量和有機硒含量均達到峰值, 但當硫硒比(S/Se)逐漸增加時, 藻類的總硒含量與有機硒含量均出現顯著下降趨勢。造成這種現象的原因可能是硒與硫的物理、化學性質都十分相似, 所以在各種生物作用過程中, 當硒的質量濃度較高時, 硒可以代替硫, 通過硫的代謝途徑進入生物體, 而因為硒硫兩元素之間的競爭,生物體內產生拮抗作用, 從而影響鈍頂螺旋藻對硒吸收、富集、代謝和轉化等一系列功能。另有李志勇等[25]的針對鈍頂螺旋藻的研究顯示, Na2SO3能夠有效緩解高質量濃度硒[Se(IV)]條件對鈍頂螺旋藻所產生的毒性, 并且隨著Na2SO3質量濃度的逐漸增加,這種緩解作用更為顯著, 而在使用 Na2SO4的對照組試驗中這種緩解現象并未出現。這可能也是硫元素與硒元素之間的競爭關系所導致的。

Kramárová等[26]在研究Desmodesmus quadricauda時發現, 在As(Ⅲ)-Se(IV)混合培養液中, 藻類富硒量隨著As質量濃度的升高而增加。

磷(P)則是另一種能夠影響藻類富硒的元素。多項研究表明, 藻類富硒量隨培養液中磷酸鹽的質量濃度升高而降低[23,27-30]。Yu等[29]認為這可能是硒和磷之間相似的陰離子轉運方式產生的競爭所致。

另外, 黃鍵等[22]的研究發現 ZnSO4可促進鈍頂螺旋藻的生長, 而Zn(Ac)2能提高藻類的富硒能力。

3 硒形態、添加方式和質量濃度對藻類生長和富硒影響

3.1 不同形態硒源的影響

水體中硒主要以四價無機硒[Se(IV)]、六價無機硒[Se(VI)]、甲基硒、硒蛋白等形式存在, 其中無機硒是硒存在的主要形式, 不同形態的外加硒源對藻類生長過程以及藻類富硒能力的影響差異較大。Umysová等[31]認為藻類富硒不僅由硒的添加量決定, 還與硒的化學形態緊密相關。亞硒酸鹽的毒性低并且吸收轉化速率快。因此, 與硒酸鹽相比, 亞硒酸鹽更適宜作為藻類富硒培養過程中的外加硒源。Riedel等[32]發現,在短期(0～24 h)富硒培養中, 藻類對亞硒酸鹽的富集量約是硒酸鹽的 4～5倍。喻達輝等[33]研究了鈍頂螺旋藻對 Na2SeO3和 SeO2吸收的差異后發現, 當 SeO2質量濃度為10 mg/L時, 鈍頂螺旋藻可達到最大富集系數, 而對于 Na2SeO3來說, 達到相同水平, 其質量濃度要達35 mg/L。而楊逸平等[34]的研究則發現, 一般的海洋藻類在生長過程中能快速選擇攝取 Se(IV),并迅速轉化為藻相硒。但這些藻類幾乎不吸收 Se(VI),而中肋骨條藻是一個例外, 它能極緩慢地吸收Se(VI)。

3.2 硒添加方式的影響

楊瑩瑩等[35]在外加硒質量濃度為800 mg/L的培養條件下, 進行9 d的對照實驗, 實驗設計了5種在極大螺旋藻培養液中外加硒的方式, 并且研究了不同添加方式對極大螺旋藻的生長及富硒能力的影響。這5種方法分別是一次性添加、中間3 d平均等量添加、等量連續添加、等梯度添加和前后4 d等量添加硒。研究表明, 相比于一次性添加和中間添加,多次添加對于螺旋藻的生長的促進作用更強, 而螺旋藻在等梯度添加外加硒的條件下, 其生長最為旺盛, 可能是因為等梯度添加的前期, 剛好是極大螺旋藻生長過程中比較敏感的時期, 外加硒的量比較少, 較不易對極大螺旋藻產生生物抑制作用, 從而螺旋藻的生物量能得到較快的積累。而在對螺旋藻富硒效果影響上, 等量添加方式可使極大螺旋藻有機硒含量最高, 有機硒轉化率達到97.38 %, 是5種添加方式中有機硒轉化率最高的?？赡苁且驗闃O大螺旋藻在前期已經適應了高質量濃度硒條件下的生長環境, 所以后期生長的藻類產生了較強的富硒能力。

而黃峙等[36]在比較一次性添加、濃縮添加(即低質量濃度下培養5 d后一次性加入)和等量添加3種方式時也發現: 在高質量濃度(1 000 mg/L)硒條件下等量添加法有利于硒的有機化, 有機硒轉化率可達71.77 %; 而濃縮添加法所需外加硒源最少, 僅為一次性添加和等量添加法的 1/5和 1/6, 并且濃縮添加法實驗中的第 5天過濾培養液在實際生產過程中還可回收利用, 這可減少富硒藻類生產過程中的硒用量, 既降低了成本又減輕了環境污染。

3.3 硒添加質量濃度的影響

因為硒對藻類具有生長促進與毒性抑制的二重性, 所以一般而言, 藻類的富硒量并不與培養液中外加的硒質量濃度成正比。當外加硒的質量濃度較低時,藻類的富集硒的能力隨硒質量濃度增高而增大, 而在硒質量濃度較高的條件下, 當硒質量濃度增加時, 藻類的富硒量則明顯下降, 因此外加硒的質量濃度過高或過低都不利于藻類對硒的富集[37]。適宜藻類生長的硒質量濃度以及藻類富硒能力最強時的硒質量濃度隨藻種、生長環境因素、生長時期等條件的不同而各有不同, 表1列出了不同研究者的研究結果。

表1 硒添加質量濃度對不同藻種生長和富硒量(總硒)的影響

從表1可知, 一般當外加硒質量濃度小于50 mg/L時, 可以促進藻類的生長。與其他藻種相比, 螺旋藻對硒的耐受性較高, 但即使相同藻種(如極大螺旋藻)之間的最適生長質量濃度和致死質量濃度等方面也存在很大的差異。

有觀點認為藻類在低質量濃度硒條件下的生長促進作用可能與其自身的活性氧自由基形成能力有很大關系。硒化合物具有清除自由基和產生自由基的能力[43]。硒質量濃度較低時, 超氧化物歧化酶可有效地協助清除藻類細胞內的活性氧自由基或其他過氧化物, 從而增加谷胱甘肽過氧化物酶的活性以及硒的抗氧化性, 進而增加細胞的活力, 延緩細胞的衰老, 大大促進藻類的生長[20]。

而高質量濃度下硒對藻類的抑制和毒性作用機理尚存在爭議, 大致存在四種觀點。第一種觀點[20]認為外加硒質量濃度較高時, 機體主要產生自由基,而非清除自由基, 所以機體衰老速度加快, 從而使藻類的生長受到抑制, 甚至產生毒性作用。第二種觀點[44]認為這種抑制和毒性作用與硒和硫兩種元素之間的競爭作用有關。硒元素和硫元素在元素周期表中同屬于第六主族(即氧族), 化學性質十分相近, 所以在許多條件下, 機體中用以催化含硫化合物反應的酶同樣能夠成功地催化含硒化合物反應。相關研究表明當有機體生長在一定質量濃度的硒環境中,在硫酶的參與下, 硒可通過硫的代謝途徑進入生物體, 并取代有機體細胞中某些大分子結構中的部分硫[43,45]。所以, 一旦硒元素過多地取代了機體蛋白質中半胱氨酸、胱氨酸或蛋氨酸的硫元素, 則可能引起蛋白質空間結構明顯改變, 影響蛋白質的正常功能,如酶的變性失活等, 打亂藻類的正常生命活動, 從而抑制或毒害藻類的生長過程。第三種觀點[44]認為硒在機體生長代謝過程中產生的硒化氫會強烈地抑制細胞色素氧化酶, 而外加的高質量濃度硒導致大量硒化氫的產生, 影響一些酶的活性, 從而抑制藻的生長。第四種觀點[44]認為硒能與藻類細胞葉綠體中的葉綠素結合, 干擾光合作用中電子傳遞的過程,影響能量轉化過程造成細胞的營養和能量供應不足。劉太勝等[41]的研究顯示, 硒可能會損傷藻類細胞中的捕光色素蛋白復合體, 從而降低其捕獲光能的能力, 導致機體光合作用效率下降, 從而抑制紫球藻的生長。

4 富硒藻種細胞中硒的分布情況

硒在藻細胞內的分布由于藻種、培養條件、硒的添加形式、方法和質量濃度的不同而存在差別。表2列舉了在不同研究發現的富硒藻細胞中硒的分布情況。

表2 硒在富硒藻種細胞中的分布情況

由表2可知, 硒主要和藻類細胞中的蛋白質, 脂類和多糖等大分子有機物結合, 但也存在其他結合方式, 例如與核苷酸、氨基酸等小分子化合物結合形成有機硒化合物, 或者僅以無機形式的硒存在。通過與蛋白質, 脂類, 多糖或其他生物配體結合, 外加硒實現了從無機形式轉化成了有機形式的生物轉化。藻類細胞對硒的累積一方面是大分子物質的吸附過程, 另一方面通過生物化學過程形成硒結合的大分子及一些小分子化合物[19]。

硒多與蛋白質結合, 而蛋白質中硒主要與葉綠素結合蛋白結合, 其次是與藻藍蛋白小分子量的多肽結合[47]。硒與蛋白質是通過一系列生物化學代謝途徑以共價鍵來結合的, 鍵能大, 結合牢固[19], 其主要機理是: 硒原子取代含硫氨基酸, 如半胱氨酸的巰基以及甲硫氨酸中的甲硫基中的硫生成硒代氨基酸, 從而形成含硒的多肽與蛋白質, 如谷胱甘肽過氧化物酶等。雖然硒代氨基酸的形成機理還不是非常清楚, 但徐晶等[37]的研究發現, 螺旋藻中硒蛋氨酸含量占其機體中含硒蛋白質含量的近一半, 這證明了硒可能會有選擇性地與蛋氨酸結合, 或者硒的大量存在一方面影響螺旋藻中蛋氨酸的代謝過程,另一方面促使機體中蛋氨酸累積。對于紫球藻, 硒也可能取代機體藻紅蛋白中的硫原子, 進而形成含硒藻紅蛋白[15]。另外, 劉靜雯等[17]的研究發現, 在無機硒質量濃度極低的環境下, 海洋球石藻能大量富集硒并將其高效地轉化為有機硒蛋白。這一轉化可能與球石藻機體中的一種新的、高效的硒蛋白代謝途徑相關[48-49], 球石藻機體能通過ATP轉移系統將細胞外70 %的無機硒以低分子量化合物形式形成一個豐富的胞內“硒庫”, 然后通過翻譯系統合成硒蛋白[50]。

雖然硒主要與蛋白質結合, 但是Li等[38]的研究表明, 多糖富硒能力更強, 是蛋白質富硒能力的2倍以上。周志剛等[19]的研究顯示, 由于細胞內外的環境不同導致胞外多糖結合硒的能力比胞內多糖更強。亞硒酸根離子進入細胞后, 因為細胞內為還原環境,多糖與硒結合能力不如蛋白質、脂類等其他有機物,所以硒在細胞內不易與多糖結合。而在細胞外, 由于氧化環境的存在, 無需生物體的代謝過程, 多糖—金屬離子—亞硒酸根離子就能很容易地進行簡單的化學配合形成配合物, 并且此配合物可吸附硒, 形成局部高硒區, 從而使細胞總硒含量迅速增加。也有人認為硒可能會取代多糖組成成分中某些含硫單糖的硫原子, 并且以糖苷鍵的形式與多糖結合[47]。此外,一些單糖和其他小分子糖上也能結合微量的硒[47]。

脂類結合硒的機理還有待研究, 但基于硒多與極性脂結合的實驗結果[47], 推測硒主要偏向于以離子的形態與脂類中的雙鍵或三鍵以非共價鍵的形式結合。

5 研究展望

富硒藻類的研究已經逐步深入, 涉及方方面面,主要包括硒質量濃度、形態等條件對不同藻類的生長和富集硒的影響, 硒在藻體細胞中的具體分布情況與藻類富集、轉化硒的過程, 富硒藻類中硒形態、生物活性的異同, 等等。同時富硒藻類也已在生產和生活等多個方面起著關鍵作用。在環境污染治理方面, 可利用藻類的富硒能力來治理海洋中硒的污染以及硒工業中硒排放所造成的污染, 變廢為寶。在環境監測方面, 可通過監測海洋藻類中硒的富集量,判斷海洋中硒污染狀況。在營養保健方面, 可利用富硒藻類進行生物有機硒補充, 將富硒藻開發為保健品及餌料。今后, 改良藻種, 優化培養條件以獲得更高含硒量的藻類產品以及深入研究富硒藻類的生物活性和醫療保健等功能仍然是藻類吸收、富集和轉化硒的研究熱點和重點。

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