海洋中無(wú)機(jī)硒的富集與轉(zhuǎn)化

海洋中無(wú)機(jī)硒的富集與轉(zhuǎn)化

鈣是唯一需要由基因調(diào)節(jié)和生物需量的因素。它可以預(yù)防和治療癌癥，緩解老齡化，提高免疫能力。硒主要通過(guò)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(guò)氧化物酶(GlutathionePeroxidase,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。大量研究表明,硒的缺乏或過(guò)剩與人類(lèi)的多種疾病息息相關(guān)。在低質(zhì)量濃度水平下,硒有助于細(xì)胞的生長(zhǎng)與功能的發(fā)揮,對(duì)哺乳動(dòng)物的發(fā)育起著重要作用;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。硒多以無(wú)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(lèi)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。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(lái)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4~6μg/L,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。在水生食物鏈中,藻類(lèi)在硒的生物循環(huán)過(guò)程中起著極其重要的作用。海洋藻類(lèi)含有豐富的蛋白質(zhì)、脂類(lèi)和多糖,在生長(zhǎng)期間,海洋藻類(lèi)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(wú)機(jī)形式的硒轉(zhuǎn)化為有機(jī)形式,繼而通過(guò)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(yíng)養(yǎng)。因此使無(wú)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。本文針對(duì)藻類(lèi)對(duì)硒的吸收、富集和轉(zhuǎn)化及其影響因素進(jìn)行綜述。1富集轉(zhuǎn)化無(wú)機(jī)硒藻種藻類(lèi)并非易積累硒的生物,自然條件下,藻類(lèi)的含硒量極低。毛文君等曾對(duì)12中含硒藻進(jìn)行測(cè)定,發(fā)現(xiàn)硒含量在1.3~7μg/g,其中綠藻含硒量較高。雖然藻類(lèi)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(wú)機(jī)硒的藻類(lèi)主要有:螺旋藻、紫球藻、小球藻、球石藻等。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,且螺旋藻的生長(zhǎng)速度快、培養(yǎng)方法簡(jiǎn)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(wú)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(lèi);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。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。2培養(yǎng)條件對(duì)藻類(lèi)富鉻的影響許多因素都會(huì)影響到富硒藻類(lèi)生長(zhǎng)與其富硒效果,并且它們之間的關(guān)系十分復(fù)雜。2.1光強(qiáng)和ph對(duì)藻類(lèi)富硒的影響藻類(lèi)的最適生長(zhǎng)條件不等同于藻類(lèi)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0.4mg/L,藻類(lèi)的生長(zhǎng)在溫度為35℃時(shí)得到促進(jìn);而25℃下,藻類(lèi)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,周志剛等認(rèn)為原因可能是:在比較低的溫度下,藻類(lèi)生長(zhǎng)比較遲緩,而這種較緩慢的生長(zhǎng)速度卻有助于藻類(lèi)對(duì)硒進(jìn)行富集,然而鄭文杰等則推測(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(lèi)富硒也有所影響。周志剛等的研究表明,在8000lx的光強(qiáng)條件下,不僅能夠刺激極大螺旋藻細(xì)胞的生長(zhǎng),還有利于藻細(xì)胞富集硒。作為培養(yǎng)條件之一,pH也是影響藻類(lèi)富硒的一大因素。黃鍵等的研究表明,pH8.0的培養(yǎng)條件有利鈍頂螺旋藻富集Se(IV)。Riedel等對(duì)萊茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)的研究顯示:當(dāng)培養(yǎng)液中pH5~9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(zhǎng)。Riedel等認(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(lèi)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。2.2as/p質(zhì)量濃度對(duì)藻體富硒量的影響其他元素的存在也會(huì)影響藻類(lèi)對(duì)硒的富集。Fournier等發(fā)現(xiàn),當(dāng)硒質(zhì)量濃度相同時(shí),藻類(lèi)在硫質(zhì)量濃度較低的條件下富硒量較大。黃峙等的研究顯示,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3.80mmol/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(lèi)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(guò)程中,當(dāng)硒的質(zhì)量濃度較高時(shí),硒可以代替硫,通過(guò)硫的代謝途徑進(jìn)入生物體,而因?yàn)槲騼稍刂g的競(jìng)爭(zhēng),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(zhēng)關(guān)系所導(dǎo)致的。Kramárová等在研究Desmodesmusquadricauda時(shí)發(fā)現(xiàn),在As(Ⅲ)-Se(IV)混合培養(yǎng)液中,藻類(lèi)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(lèi)富硒的元素。多項(xiàng)研究表明,藻類(lèi)富硒量隨培養(yǎng)液中磷酸鹽的質(zhì)量濃度升高而降低。Yu等認(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(zhēng)所致。另外,黃鍵等的研究發(fā)現(xiàn)ZnSO4可促進(jìn)鈍頂螺旋藻的生長(zhǎng),而Zn(Ac)2能提高藻類(lèi)的富硒能力。3補(bǔ)充形式和質(zhì)量濃度對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)和富鉻菌的富鉻影響3.1亞硒酸鹽對(duì)藻類(lèi)富硒培養(yǎng)的影響水體中硒主要以四價(jià)無(wú)機(jī)硒[Se(IV)]、六價(jià)無(wú)機(jī)硒[Se(VI)]、甲基硒、硒蛋白等形式存在,其中無(wú)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(lèi)生長(zhǎng)過(guò)程以及藻類(lèi)富硒能力的影響差異較大。Umysová等認(rèn)為藻類(lèi)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(lèi)富硒培養(yǎng)過(guò)程中的外加硒源。Riedel等發(fā)現(xiàn),在短期(0~24h)富硒培養(yǎng)中,藻類(lèi)對(duì)亞硒酸鹽的富集量約是硒酸鹽的4~5倍。喻達(dá)輝等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10mg/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(lái)說(shuō),達(dá)到相同水平,其質(zhì)量濃度要達(dá)35mg/L。而楊逸平等的研究則發(fā)現(xiàn),一般的海洋藻類(lèi)在生長(zhǎng)過(guò)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(lèi)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)。3.2添加多元添加的情況下螺類(lèi)質(zhì)量檢測(cè)楊瑩瑩等在外加硒質(zhì)量濃度為800mg/L的培養(yǎng)條件下,進(jìn)行9d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(zhǎng)及富硒能力的影響。這5種方法分別是一次性添加、中間3d平均等量添加、等量連續(xù)添加、等梯度添加和前后4d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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)過(guò)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。可能是因?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(zhǎng)環(huán)境,所以后期生長(zhǎng)的藻類(lèi)產(chǎn)生了較強(qiáng)的富硒能力。而黃峙等在比較一次性添加、濃縮添加(即低質(zhì)量濃度下培養(yǎng)5d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(1000mg/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(guò)濾培養(yǎng)液在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中還可回收利用,這可減少富硒藻類(lèi)生產(chǎn)過(guò)程中的硒用量,既降低了成本又減輕了環(huán)境污染。3.3有機(jī)碳化合物充填體生長(zhǎng)和毒性因?yàn)槲鴮?duì)藻類(lèi)具有生長(zhǎng)促進(jìn)與毒性抑制的二重性,所以一般而言,藻類(lèi)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(lèi)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(lèi)的富硒量則明顯下降,因此外加硒的質(zhì)量濃度過(guò)高或過(guò)低都不利于藻類(lèi)對(duì)硒的富集。適宜藻類(lèi)生長(zhǎng)的硒質(zhì)量濃度以及藻類(lèi)富硒能力最強(qiáng)時(shí)的硒質(zhì)量濃度隨藻種、生長(zhǎng)環(huán)境因素、生長(zhǎng)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。從表1可知,一般當(dāng)外加硒質(zhì)量濃度小于50mg/L時(shí),可以促進(jìn)藻類(lèi)的生長(zhǎng)。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(zhǎng)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(guān)點(diǎn)認(rèn)為藻類(lèi)在低質(zhì)量濃度硒條件下的生長(zhǎng)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。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(lèi)細(xì)胞內(nèi)的活性氧自由基或其他過(guò)氧化物,從而增加谷胱甘肽過(guò)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(lèi)的生長(zhǎng)。而高質(zhì)量濃度下硒對(duì)藻類(lèi)的抑制和毒性作用機(jī)理尚存在爭(zhēng)議,大致存在四種觀(guān)點(diǎn)。第一種觀(guān)點(diǎn)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(lèi)的生長(zhǎng)受到抑制,甚至產(chǎn)生毒性作用。第二種觀(guān)點(diǎn)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(zhēng)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(zhǎng)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(guò)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。所以,一旦硒元素過(guò)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(lèi)的正常生命活動(dòng),從而抑制或毒害藻類(lèi)的生長(zhǎng)過(guò)程。第三種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為硒在機(jī)體生長(zhǎng)代謝過(guò)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(zhǎng)。第四種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為硒能與藻類(lèi)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(guò)程,影響能量轉(zhuǎn)化過(guò)程造成細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)和能量供應(yīng)不足。劉太勝等的研究顯示,硒可能會(huì)損傷藻類(lèi)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(zhǎng)。4藻紅蛋白與葉綠素的相互作用硒在藻細(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。由表2可知,硒主要和藻類(lèi)細(xì)胞中的蛋白質(zhì),脂類(lèi)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(wú)機(jī)形式的硒存在。通過(guò)與蛋白質(zhì),脂類(lèi),多糖或其他生物配體結(jié)合,外加硒實(shí)現(xiàn)了從無(wú)機(jī)形式轉(zhuǎn)化成了有機(jī)形式的生物轉(zhuǎn)化。藻類(lèi)細(xì)胞對(duì)硒的累積一方面是大分子物質(zhì)的吸附過(guò)程,另一方面通過(guò)生物化學(xué)過(guò)程形成硒結(jié)合的大分子及一些小分子化合物。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。硒與蛋白質(zhì)是通過(guò)一系列生物化學(xué)代謝途徑以共價(jià)鍵來(lái)結(jié)合的,鍵能大,結(jié)合牢固,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(guò)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(guò)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。另外,劉靜雯等的研究發(fā)現(xiàn),在無(wú)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),球石藻機(jī)體能通過(guò)ATP轉(zhuǎn)移系統(tǒng)將細(xì)胞外70%的無(wú)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(kù)”,然后通過(guò)翻譯系統(tǒng)合成硒蛋白。雖然硒主要與蛋白質(zhì)結(jié)合,但是Li等的研究表明,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