劉麗婧, 葛 瀅, 王長海
(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 江蘇省海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京210095)
硒是唯一種由基因調(diào)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(jìn)入硒蛋白,而硒代半胱氨酸又是硒蛋白的關(guān)鍵組成成分, 同時(shí)也是構(gòu)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(dǎo)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(guān)[7]。在低質(zhì)量濃度水平下, 硒有助于細(xì)胞的生長與功能的發(fā)揮, 對(duì)哺乳動(dòng)物的發(fā)育起著重要作用[8]; 然而高質(zhì)量濃度的硒會(huì)導(dǎo)致活性氧物質(zhì)產(chǎn)生, 促使DNA氧化, DNA雙鏈斷裂, 細(xì)胞死亡[9]。硒多以無機(jī)形式存在, 生物利用度低且易引起硒中毒, 而有機(jī)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(jī)硒常被視為高效且安全的補(bǔ)硒制劑[10]。
海洋是地球上硒元素存在和遷移的主要場(chǎng)所,海水中硒元素主要來源于巖石風(fēng)化、降水、水土流失以及水體中生物有機(jī)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(jī)硒是溶解在海洋水體中的3種主要形態(tài)的硒[11]。
在水生食物鏈中, 藻類在硒的生物循環(huán)過程中起著極其重要的作用。海洋藻類含有豐富的蛋白質(zhì)、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(jī)物結(jié)合, 使無機(jī)形式的硒轉(zhuǎn)化為有機(jī)形式, 繼而通過食物鏈傳給海洋中的其他消費(fèi)者, 同時(shí)也為食物網(wǎng)中的各級(jí)消費(fèi)者提供硒營養(yǎng)。因此使無機(jī)硒在海洋生物載體中富集、轉(zhuǎn)化為有機(jī)硒產(chǎn)品的想法, 既合理又有效[12]。
本文針對(duì)藻類對(duì)硒的吸收、富集和轉(zhuǎn)化及其影響因素進(jìn)行綜述。
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(duì)12中含硒藻進(jìn)行測(cè)定, 發(fā)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)證明, 經(jīng)馴化, 人們往往可以獲得對(duì)硒的耐受性和富集能力更強(qiáng)的藻種。之前的研究中有關(guān)富集轉(zhuǎn)化無機(jī)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(jī)硒,有機(jī)硒占總硒含量的75 %以上[18], 且螺旋藻的生長速度快、培養(yǎng)方法簡單快捷、耐受硒的能力較強(qiáng), 工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)成熟, 因此, 螺旋藻被視為無機(jī)硒生物有機(jī)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(shù)的富硒研究中使用鈍頂螺旋藻作為載體, 但也有少數(shù)研究發(fā)現(xiàn), 鹽澤螺旋藻的富硒能力更勝一籌; 在外加硒質(zhì)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(fā)展前景的富硒研究生物載體。
許多因素都會(huì)影響到富硒藻類生長與其富硒效果, 并且它們之間的關(guān)系十分復(fù)雜。
藻類的最適生長條件不等同于藻類吸收、富集和轉(zhuǎn)化硒的最適條件。以極大螺旋藻為例, 研究顯示,當(dāng)外加的硒質(zhì)量濃度為 0.4 mg/L, 藻類的生長在溫度為 35 ℃時(shí)得到促進(jìn); 而 25 ℃下, 藻類的富硒量最大, 且在 15 ℃時(shí), 極大螺旋藻富集硒的量又比 35 ℃時(shí)高[20], 周志剛等[20]認(rèn)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(duì)硒進(jìn)行富集[20], 然而鄭文杰等[21]則推測(cè)這種現(xiàn)象可能是極大螺旋藻中與富硒活動(dòng)有關(guān)的酶在高溫條件下失活所造成的。
除此之外, 光強(qiáng)對(duì)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(qiáng)條件下, 不僅能夠刺激極大螺旋藻細(xì)胞的生長, 還有利于藻細(xì)胞富集硒[20]。
作為培養(yǎng)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(yǎng)條件有利鈍頂螺旋藻富集 Se(IV)。Riedel等[23]對(duì)萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的研究顯示: 當(dāng)培養(yǎng)液中pH 5 ~ 9時(shí), pH對(duì)衣藻吸收硒酸鹽的作用極小, 僅有微弱證據(jù)表明pH8最適宜衣藻吸收硒酸鹽。當(dāng)pH遠(yuǎn)低于7時(shí), 衣藻細(xì)胞對(duì)亞硒酸鹽的吸收迅速增長。Riedel等[23]認(rèn)為pH影響衣藻富硒的可能原因主要有兩點(diǎn), 一是pH改變了溶液中離子的質(zhì)子化程度, 進(jìn)而改變了離子的化學(xué)形態(tài), 生物活性較高的形態(tài)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(xì)胞中吸收轉(zhuǎn)移蛋白質(zhì)的活性。
其他元素的存在也會(huì)影響藻類對(duì)硒的富集。Fournier等[24]發(fā)現(xiàn), 當(dāng)硒質(zhì)量濃度相同時(shí), 藻類在硫質(zhì)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(zhì)量濃度值之比是鈍頂螺旋藻對(duì)硒的富集和有機(jī)化效率的一大影響因素。在硒質(zhì)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(chǎn)量、含硒量和有機(jī)硒含量均達(dá)到峰值, 但當(dāng)硫硒比(S/Se)逐漸增加時(shí), 藻類的總硒含量與有機(jī)硒含量均出現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。造成這種現(xiàn)象的原因可能是硒與硫的物理、化學(xué)性質(zhì)都十分相似, 所以在各種生物作用過程中, 當(dāng)硒的質(zhì)量濃度較高時(shí), 硒可以代替硫, 通過硫的代謝途徑進(jìn)入生物體, 而因?yàn)槲騼稍刂g的競(jìng)爭,生物體內(nèi)產(chǎn)生拮抗作用, 從而影響鈍頂螺旋藻對(duì)硒吸收、富集、代謝和轉(zhuǎn)化等一系列功能。另有李志勇等[25]的針對(duì)鈍頂螺旋藻的研究顯示, Na2SO3能夠有效緩解高質(zhì)量濃度硒[Se(IV)]條件對(duì)鈍頂螺旋藻所產(chǎn)生的毒性, 并且隨著Na2SO3質(zhì)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(duì)照組試驗(yàn)中這種緩解現(xiàn)象并未出現(xiàn)。這可能也是硫元素與硒元素之間的競(jìng)爭關(guān)系所導(dǎo)致的。
Kramárová等[26]在研究Desmodesmus quadricauda時(shí)發(fā)現(xiàn), 在As(Ⅲ)-Se(IV)混合培養(yǎng)液中, 藻類富硒量隨著As質(zhì)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(xiàng)研究表明, 藻類富硒量隨培養(yǎng)液中磷酸鹽的質(zhì)量濃度升高而降低[23,27-30]。Yu等[29]認(rèn)為這可能是硒和磷之間相似的陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)方式產(chǎn)生的競(jìng)爭所致。
另外, 黃鍵等[22]的研究發(fā)現(xiàn) ZnSO4可促進(jìn)鈍頂螺旋藻的生長, 而Zn(Ac)2能提高藻類的富硒能力。
水體中硒主要以四價(jià)無機(jī)硒[Se(IV)]、六價(jià)無機(jī)硒[Se(VI)]、甲基硒、硒蛋白等形式存在, 其中無機(jī)硒是硒存在的主要形式, 不同形態(tài)的外加硒源對(duì)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(rèn)為藻類富硒不僅由硒的添加量決定, 還與硒的化學(xué)形態(tài)緊密相關(guān)。亞硒酸鹽的毒性低并且吸收轉(zhuǎn)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(yǎng)過程中的外加硒源。Riedel等[32]發(fā)現(xiàn),在短期(0~24 h)富硒培養(yǎng)中, 藻類對(duì)亞硒酸鹽的富集量約是硒酸鹽的 4~5倍。喻達(dá)輝等[33]研究了鈍頂螺旋藻對(duì) Na2SeO3和 SeO2吸收的差異后發(fā)現(xiàn), 當(dāng) SeO2質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí), 鈍頂螺旋藻可達(dá)到最大富集系數(shù), 而對(duì)于 Na2SeO3來說, 達(dá)到相同水平, 其質(zhì)量濃度要達(dá)35 mg/L。而楊逸平等[34]的研究則發(fā)現(xiàn), 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(zhuǎn)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(gè)例外, 它能極緩慢地吸收Se(VI)。
楊瑩瑩等[35]在外加硒質(zhì)量濃度為800 mg/L的培養(yǎng)條件下, 進(jìn)行9 d的對(duì)照實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了5種在極大螺旋藻培養(yǎng)液中外加硒的方式, 并且研究了不同添加方式對(duì)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(xù)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(duì)于螺旋藻的生長的促進(jìn)作用更強(qiáng), 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?yàn)榈忍荻忍砑拥那捌? 剛好是極大螺旋藻生長過程中比較敏感的時(shí)期, 外加硒的量比較少, 較不易對(duì)極大螺旋藻產(chǎn)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(duì)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(jī)硒含量最高, 有機(jī)硒轉(zhuǎn)化率達(dá)到97.38 %, 是5種添加方式中有機(jī)硒轉(zhuǎn)化率最高的??赡苁且?yàn)闃O大螺旋藻在前期已經(jīng)適應(yīng)了高質(zhì)量濃度硒條件下的生長環(huán)境, 所以后期生長的藻類產(chǎn)生了較強(qiáng)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(zhì)量濃度下培養(yǎng)5 d后一次性加入)和等量添加3種方式時(shí)也發(fā)現(xiàn): 在高質(zhì)量濃度(1 000 mg/L)硒條件下等量添加法有利于硒的有機(jī)化, 有機(jī)硒轉(zhuǎn)化率可達(dá)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(shí)驗(yàn)中的第 5天過濾培養(yǎng)液在實(shí)際生產(chǎn)過程中還可回收利用, 這可減少富硒藻類生產(chǎn)過程中的硒用量, 既降低了成本又減輕了環(huán)境污染。
因?yàn)槲鴮?duì)藻類具有生長促進(jìn)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(yǎng)液中外加的硒質(zhì)量濃度成正比。當(dāng)外加硒的質(zhì)量濃度較低時(shí),藻類的富集硒的能力隨硒質(zhì)量濃度增高而增大, 而在硒質(zhì)量濃度較高的條件下, 當(dāng)硒質(zhì)量濃度增加時(shí), 藻類的富硒量則明顯下降, 因此外加硒的質(zhì)量濃度過高或過低都不利于藻類對(duì)硒的富集[37]。適宜藻類生長的硒質(zhì)量濃度以及藻類富硒能力最強(qiáng)時(shí)的硒質(zhì)量濃度隨藻種、生長環(huán)境因素、生長時(shí)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(jié)果。
表1 硒添加質(zhì)量濃度對(duì)不同藻種生長和富硒量(總硒)的影響
從表1可知, 一般當(dāng)外加硒質(zhì)量濃度小于50 mg/L時(shí), 可以促進(jìn)藻類的生長。與其他藻種相比, 螺旋藻對(duì)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(zhì)量濃度和致死質(zhì)量濃度等方面也存在很大的差異。
有觀點(diǎn)認(rèn)為藻類在低質(zhì)量濃度硒條件下的生長促進(jìn)作用可能與其自身的活性氧自由基形成能力有很大關(guān)系。硒化合物具有清除自由基和產(chǎn)生自由基的能力[43]。硒質(zhì)量濃度較低時(shí), 超氧化物歧化酶可有效地協(xié)助清除藻類細(xì)胞內(nèi)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(jìn)而增加細(xì)胞的活力, 延緩細(xì)胞的衰老, 大大促進(jìn)藻類的生長[20]。
而高質(zhì)量濃度下硒對(duì)藻類的抑制和毒性作用機(jī)理尚存在爭議, 大致存在四種觀點(diǎn)。第一種觀點(diǎn)[20]認(rèn)為外加硒質(zhì)量濃度較高時(shí), 機(jī)體主要產(chǎn)生自由基,而非清除自由基, 所以機(jī)體衰老速度加快, 從而使藻類的生長受到抑制, 甚至產(chǎn)生毒性作用。第二種觀點(diǎn)[44]認(rèn)為這種抑制和毒性作用與硒和硫兩種元素之間的競(jìng)爭作用有關(guān)。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(xué)性質(zhì)十分相近, 所以在許多條件下, 機(jī)體中用以催化含硫化合物反應(yīng)的酶同樣能夠成功地催化含硒化合物反應(yīng)。相關(guān)研究表明當(dāng)有機(jī)體生長在一定質(zhì)量濃度的硒環(huán)境中,在硫酶的參與下, 硒可通過硫的代謝途徑進(jìn)入生物體, 并取代有機(jī)體細(xì)胞中某些大分子結(jié)構(gòu)中的部分硫[43,45]。所以, 一旦硒元素過多地取代了機(jī)體蛋白質(zhì)中半胱氨酸、胱氨酸或蛋氨酸的硫元素, 則可能引起蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)明顯改變, 影響蛋白質(zhì)的正常功能,如酶的變性失活等, 打亂藻類的正常生命活動(dòng), 從而抑制或毒害藻類的生長過程。第三種觀點(diǎn)[44]認(rèn)為硒在機(jī)體生長代謝過程中產(chǎn)生的硒化氫會(huì)強(qiáng)烈地抑制細(xì)胞色素氧化酶, 而外加的高質(zhì)量濃度硒導(dǎo)致大量硒化氫的產(chǎn)生, 影響一些酶的活性, 從而抑制藻的生長。第四種觀點(diǎn)[44]認(rèn)為硒能與藻類細(xì)胞葉綠體中的葉綠素結(jié)合, 干擾光合作用中電子傳遞的過程,影響能量轉(zhuǎn)化過程造成細(xì)胞的營養(yǎng)和能量供應(yīng)不足。劉太勝等[41]的研究顯示, 硒可能會(huì)損傷藻類細(xì)胞中的捕光色素蛋白復(fù)合體, 從而降低其捕獲光能的能力, 導(dǎo)致機(jī)體光合作用效率下降, 從而抑制紫球藻的生長。
硒在藻細(xì)胞內(nèi)的分布由于藻種、培養(yǎng)條件、硒的添加形式、方法和質(zhì)量濃度的不同而存在差別。表2列舉了在不同研究發(fā)現(xiàn)的富硒藻細(xì)胞中硒的分布情況。
表2 硒在富硒藻種細(xì)胞中的分布情況
由表2可知, 硒主要和藻類細(xì)胞中的蛋白質(zhì), 脂類和多糖等大分子有機(jī)物結(jié)合, 但也存在其他結(jié)合方式, 例如與核苷酸、氨基酸等小分子化合物結(jié)合形成有機(jī)硒化合物, 或者僅以無機(jī)形式的硒存在。通過與蛋白質(zhì), 脂類, 多糖或其他生物配體結(jié)合, 外加硒實(shí)現(xiàn)了從無機(jī)形式轉(zhuǎn)化成了有機(jī)形式的生物轉(zhuǎn)化。藻類細(xì)胞對(duì)硒的累積一方面是大分子物質(zhì)的吸附過程, 另一方面通過生物化學(xué)過程形成硒結(jié)合的大分子及一些小分子化合物[19]。
硒多與蛋白質(zhì)結(jié)合, 而蛋白質(zhì)中硒主要與葉綠素結(jié)合蛋白結(jié)合, 其次是與藻藍(lán)蛋白小分子量的多肽結(jié)合[47]。硒與蛋白質(zhì)是通過一系列生物化學(xué)代謝途徑以共價(jià)鍵來結(jié)合的, 鍵能大, 結(jié)合牢固[19], 其主要機(jī)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(zhì), 如谷胱甘肽過氧化物酶等。雖然硒代氨基酸的形成機(jī)理還不是非常清楚, 但徐晶等[37]的研究發(fā)現(xiàn), 螺旋藻中硒蛋氨酸含量占其機(jī)體中含硒蛋白質(zhì)含量的近一半, 這證明了硒可能會(huì)有選擇性地與蛋氨酸結(jié)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(jī)體中蛋氨酸累積。對(duì)于紫球藻, 硒也可能取代機(jī)體藻紅蛋白中的硫原子, 進(jìn)而形成含硒藻紅蛋白[15]。另外, 劉靜雯等[17]的研究發(fā)現(xiàn), 在無機(jī)硒質(zhì)量濃度極低的環(huán)境下, 海洋球石藻能大量富集硒并將其高效地轉(zhuǎn)化為有機(jī)硒蛋白。這一轉(zhuǎn)化可能與球石藻機(jī)體中的一種新的、高效的硒蛋白代謝途徑相關(guān)[48-49], 球石藻機(jī)體能通過ATP轉(zhuǎn)移系統(tǒng)將細(xì)胞外70 %的無機(jī)硒以低分子量化合物形式形成一個(gè)豐富的胞內(nèi)“硒庫”, 然后通過翻譯系統(tǒng)合成硒蛋白[50]。
雖然硒主要與蛋白質(zhì)結(jié)合, 但是Li等[38]的研究表明, 多糖富硒能力更強(qiáng), 是蛋白質(zhì)富硒能力的2倍以上。周志剛等[19]的研究顯示, 由于細(xì)胞內(nèi)外的環(huán)境不同導(dǎo)致胞外多糖結(jié)合硒的能力比胞內(nèi)多糖更強(qiáng)。亞硒酸根離子進(jìn)入細(xì)胞后, 因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)為還原環(huán)境,多糖與硒結(jié)合能力不如蛋白質(zhì)、脂類等其他有機(jī)物,所以硒在細(xì)胞內(nèi)不易與多糖結(jié)合。而在細(xì)胞外, 由于氧化環(huán)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(jìn)行簡單的化學(xué)配合形成配合物, 并且此配合物可吸附硒, 形成局部高硒區(qū), 從而使細(xì)胞總硒含量迅速增加。也有人認(rèn)為硒可能會(huì)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(jié)合[47]。此外,一些單糖和其他小分子糖上也能結(jié)合微量的硒[47]。
脂類結(jié)合硒的機(jī)理還有待研究, 但基于硒多與極性脂結(jié)合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[47], 推測(cè)硒主要偏向于以離子的形態(tài)與脂類中的雙鍵或三鍵以非共價(jià)鍵的形式結(jié)合。
富硒藻類的研究已經(jīng)逐步深入, 涉及方方面面,主要包括硒質(zhì)量濃度、形態(tài)等條件對(duì)不同藻類的生長和富集硒的影響, 硒在藻體細(xì)胞中的具體分布情況與藻類富集、轉(zhuǎn)化硒的過程, 富硒藻類中硒形態(tài)、生物活性的異同, 等等。同時(shí)富硒藻類也已在生產(chǎn)和生活等多個(gè)方面起著關(guān)鍵作用。在環(huán)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(yè)中硒排放所造成的污染, 變廢為寶。在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面, 可通過監(jiān)測(cè)海洋藻類中硒的富集量,判斷海洋中硒污染狀況。在營養(yǎng)保健方面, 可利用富硒藻類進(jìn)行生物有機(jī)硒補(bǔ)充, 將富硒藻開發(fā)為保健品及餌料。今后, 改良藻種, 優(yōu)化培養(yǎng)條件以獲得更高含硒量的藻類產(chǎn)品以及深入研究富硒藻類的生物活性和醫(yī)療保健等功能仍然是藻類吸收、富集和轉(zhuǎn)化硒的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。
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