蚯蚓(Eisenia fetida)对硒的富集转化研究进展及其应用潜力

岳士忠， 王瑞萍， 曹赞霞， 乔玉辉

(1.德州学院生物物理研究院，山东省生物物理重点实验室，山东 德州 253023；2.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193)

硒(Se)是人和动物体生长发育必需的微量元素之一。它参与组成了人体25种具有重要功能的硒蛋白，并在免疫调节、抗氧化、抗病毒、促进机体生长发育和繁殖等方面发挥着重要作用[1-2]。据报道，人体约40余种疾病均与硒营养水平密切相关[3]。鉴于硒诸多的生物学功能，2009年中国科学院农业领域战略研究组在《中国至2050年农业科技发展路线图》中将其纳入功能农业的范畴[4]。

人体硒摄入量过少会导致心血管疾病、克山病和癌症等病症的发生。我国自2018年4月开始实施的卫生行业标准WS/T 578.3—2017《中国居民膳食营养素参考摄入量》规定：成年人硒的平均需要量为50 μg·d-1，推荐摄入量为60 μg·d-1。食物是人体硒营养的主要来源，食物硒含量主要取决于环境中的硒浓度，土壤缺硒会导致人或动物体通过食物链获取的硒营养不足。调查显示，硒在整个生物圈的分布并不均匀，世界上许多国家都存在一定面积的缺硒地区[5-6]，20世纪80年代，我国72%的地区属于缺硒或低硒地区[7]。Dinh等[8]调查发现，自1 990 s开始，一些地区已通过施用硒肥等方式提高了土壤硒浓度，但仍有51%的地区属于缺硒(<0.125 mg·kg-1)地区。由此可见，“全民补硒工程”依然任重道远。

硒在自然界中主要以无机硒(Se4+、Se6+等)和有机硒(硒代半胱氨酸SeCys、硒代蛋氨酸SeMet等)的形式存在。目前，通过化学和微生物合成的方式研制出一类具有吸收率高、生物活性高、毒性低等特点的纳米硒[9]，但由于其尚属硒的新形态，研究多集中于纳米材料药物研制[10]、安全性评价及其在养殖业中的应用[11]等方面，尚未见直接用作人体补硒材料的报道。与有机硒相比，无机硒具有毒性大、生物活性差、生物利用率低且用量较难控制等缺点，因此，目前人体补硒仍以更为安全的有机硒为主[12]。

近年来，国内外学者利用生物体作为无机硒富集转化有机硒的载体(硒的生物强化)进行了大量研究，发现食用菌类[13-14]、酵母[15]、谷物类[16-17]、蔬菜类[17-18]、水果[17, 19]、乳酸菌[20]和动物[21]等对硒均具有一定的富集和转化作用，通过摄食这类富硒产品可以有效提高机体硒的摄入量[22]。然而，目前的硒强化生物载体以植物和真菌类的研究较多，动物类硒强化材料研究相对较少。硒在生物体中多与氨基酸结合，进而参与构成蛋白质，因此动物对硒的转化效率一般较植物和真菌类高，动物源硒可能更适合作为机体的硒营养补充剂。蚯蚓蛋白质含量高[23]，药用价值大[24]，对无机硒具有较高的富集和转化效率[25]，有望成为具有广泛应用前景的动物源硒强化载体。本文从蚯蚓对硒的富集转化、蚓体硒的生物可利用率、硒对蚯蚓生长繁殖和蚓体营养成分的影响等方面进行综述，并对赤子爱胜蚓(Eiseniafetida)作为动物源硒强化材料在农业及医药领域的应用潜力进行了分析，旨在揭示蚯蚓是一种能够高效转化有机硒并具有较好硒生物可利用率的材料，具有广阔的应用前景，并为我国乃至世界富硒农业产业的高效循环发展提供理论及科学支持。

1 蚯蚓的作用

蚯蚓具有疏松土壤、促进养分循环、维持土壤肥力等重要的土壤生态系统服务功能，被称作“土壤生态系统的工程师”[26]。此外，蚯蚓体蛋白质含量丰富，同时富含多种氨基酸、维生素和矿质元素，具有极大的食用和饲用价值[23, 27-28]。蚓体含有地龙解毒素、黄嘌呤、抗组胺等多种药用成分，具有清热、解毒、通络功能，是一种传统的中药[24]。从蚯蚓体提取的活性物质(如抗菌肽、纤溶酶等)还具有杀菌、免疫[29-30]等作用，已在临床广泛应用，极具药用价值。

2 蚯蚓对硒的富集、转化及蚓体硒的生物可利用率

2.1 蚯蚓对硒的富集

蚯蚓具有富集重金属如镉(Cd)、铅(Pb)、锌(Zn)、铜(Cu)等的能力[31]，对Se也具有一定的富集和转化能力。据报道，赤子爱胜蚓(E.fetida)和威廉环毛蚓(Pheretimaguillemi)在Se浓度为183.8 mg·kg-1的土壤中培养4周后，蚓体Se富集量可分别达到83.0和54.6 mg·kg-1DW[32]。Yue等[25]以牛粪和菌渣(m:m=1∶1)为培养基质，Se添加量为40 mg·kg-1时，培养45 d后E.fetida可富集151.56 mg Se·kg-1DW。刘向辉等[33]在亚硒酸钠(Na2SeO3)添加量为200 mg·kg-1的牛粪中培养E.fetida84 d后，蚯蚓体硒富集量达332.5 mg·kg-1。此外，E.fetida对硒的富集系数(bioaccumulation factors，BAFs)最高可达4.75[34]。由此可见，蚯蚓对Se具有较好的富集能力(表1)。

表1 不同培养条件下蚯蚓对硒的富集情况

蚯蚓对硒的富集量与基质硒浓度、培养时间等因素成正比，即在蚯蚓耐受范围内，硒添加浓度越高，培养时间越长，蚓体硒富集量越高[32-33]。传统食物中硒的浓度一般低于1.5 mg·kg-1DW[1]，与之相比，硒富集量高是蚯蚓的优势之一。研究表明，当蚯蚓培养基质中添加40 mg Se4+·kg-1， 45 d后蚓体硒的最大富集量达151.56 mg·kg-1[25]，这一值约是传统食物硒浓度的100倍。究其原因，一方面，硒并非植物类如谷物、蔬菜等的必需元素，其本身代谢特征限制了对硒的富集；另一方面，硒在生物体中主要与氨基酸、蛋白质等结合，植物体中的氨基酸和蛋白质含量较低，导致Se结合不足，富集量较低。高蛋白动物类如畜禽、海鱼等相对比植物类硒富集能力强，但一般动物对硒的耐受能力较差，环境Se浓度过高或硒摄食过量时易引发机体硒中毒，这就大大影响了其对硒的富集，不适宜作为硒强化材料。另外，硒主要富集在动物脏器，一般动物内脏的硒浓度比肌肉组织高[1]，这也极大地限制了可食用肉类中的硒含量。

2.2 蚯蚓对硒的转化

对硒强化材料的研究不止关注硒富集量，也重视生物体将无机硒转化为有机硒的效率。生物摄食无机硒后，能通过代谢作用在一定程度上将其转化为有机硒[39]。如在经过无机硒强化的酵母[15]、食用菌[14, 40]、虹鳟[41]等生物体中，硒均主要以SeMet或SeCys的形式存在。

蚯蚓将无机硒转化为有机硒的效率高，Se在蚯蚓体内主要以有机硒的形式存在。1993年，欧阳培等[36]通过测定发现，经硒强化后的蚓体有机硒含量占总硒的83.7%以上，最高可达92.4%。孙小斐等[37]的研究结果也得到了相似的结论，即随基质硒浓度和培养时间的不同，蚓体有机硒含量在82.25%～95%之间波动。邵秀清等[42]采用HPLC-ESI-MS对暴露于不同硒浓度人工土中的E.fetida样品进行了硒形态测定，发现SeMet和甲基硒代半胱氨酸(MeSeCys)是主要形态。本课题组通过HPLC-ICP-MS检测发现，蚓体Se主要以SeMet(56.3%)和硒代胱氨酸(SeCys2，29.5%)的形式存在，并检测到MeSeCys和4种未知硒形态，只发现少量Se4+，未检测到Se6+[25]，说明E.fetida将摄食的无机硒基本全部转化为了有机硒。

2.3 蚓体硒的生物可利用率

硒的生物可利用率是指食物中能够被机体吸收利用的那部分硒占总硒的百分比。比值越大，表明可被机体吸收利用的硒越多，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质、硒形态等的不同而有所差异，因此，食物中总硒含量高或有机硒浓度高并不表示其中的硒的生物利用率高[43]。

一般作物具有较好的有机硒转化率和生物可利用率，但受限于土壤硒浓度，其总硒富集量相对较低。一些硒强化作物虽然也具有较好的硒转化效率，但其生物可利用率相对较低。例如，生菜对无机硒的转化效率可达95%，但硒的生物可利用率只有约70%[44]；富硒平菇中硒的生物可利用率为73%[45]；酵母中硒的生物可利用率随品种和提取方式的不同有较大差别，在57%～89%之间[46-47]。由此可见，一般农产品通常不能同时获得较高的硒富集量、转化效率和生物可利用率。本课题组的研究表明，E.fetida对硒具有较好的富集能力，最大有机硒转化率和生物可利用率均可达95%左右，且模拟消化液中的硒主要是有机态硒[25, 37]，说明被蚯蚓富集和转化的硒基本可以完全被机体消化吸收。

综上可以看出，E.fetida是一种极具硒富集、转化能力和高硒生物可利用率的动物源硒强化材料。

3 硒对蚯蚓生长、繁殖和营养成分的影响

已有研究表明，培养基质中添加40 mg Se4+·kg-1以下硒量对成年E.fetida的生物量和产茧情况均无显著影响[25,48]，但能够显著提高蚓体抗氧化系统酶等的活力，如总超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化物酶和总抗氧化能力[34]。刘军[49]研究发现，添加一定量硒对蚯蚓生物量和产茧数量的增加有一定促进作用。但硒添加浓度过高则会对蚯蚓产生不同程度的毒害作用，影响其生长和繁殖[33, 37, 49]。

硒强化过程有助于提高蚓体氨基酸含量。杨咏元等[35]研究发现，采用含硒基质培养E.fetida促进了蚓体水解氨基酸含量增加，增幅可达3.5%～14.2%，其中人体必需氨基酸如亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Lle)、苯丙氨酸(Phe)和赖氨酸(Lys)含量均有所增加，以含硫(S)氨基酸增加较为显著。本课题组通过检测分析得到了与杨咏元等[35]相似的结果，即当基质硒添加浓度≤40 mg·kg-1时，蚓体蛋氨酸(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总氨基酸含量均随硒添加量的增大而显著增加[34]。此外，硒强化有助于蚓体部分矿质元素、粗蛋白和粗多糖含量的提高，而对脂肪含量增加有一定的抑制作用[34]。

总体来说，基质中适量添加硒不影响蚯蚓的生长和繁殖，且有助于提高蚓体营养成分含量。

4 蚯蚓硒强化的应用潜力

4.1 蚯蚓硒强化在农业生产系统中的应用潜力

在农业生产上，目前国内外缺硒地区一般采用土壤基施、作物叶面喷施、浸种或拌种等方式提高作物可食部位硒含量；在畜禽养殖过程中，一般通过饲喂含硒饲料将硒导入牲畜体内，获得富硒肉、蛋、奶等动物食品[50]，人体通过摄食动植物的可食部位获取硒营养(图1)。此过程中主要采用含Se4+或Se6+的无机硒肥或饲料，且需要多次添加。这种方式的主要缺点包括无机硒毒性较大且使用量不易控制、作物中无机硒残留及低的有机硒转化效率、对环境和人体可能产生的危害较大。如果将蚯蚓引入这一农业系统，将会大大降低类似风险。

图1 传统富硒农业生产系统

蚯蚓已被广泛引入生态种养系统[51-53]，用于消化农业生产过程中产生的废弃物，提高环境和经济效益。如图2所示，在农业生产系统中，通过在畜禽粪便或作物秸秆中添加适量无机硒来培养蚯蚓，一方面可以达到农业废弃物高效循环利用的目的，含硒蚯蚓粪有机肥还田能有效提高土壤质量和硒浓度；另一方面，收获的富硒蚯蚓也可直接或间接地为动物或人体提供优质的富含有机硒的饲料或蛋白产品(虽然蚯蚓作为一种高蛋白动物产品尚不被人们普遍接受，但通过摄食从中加工提取的含硒蛋白也可达到人体补硒的目的)，将富硒蚯蚓制成富硒氨基酸肥[54]施用也可使作物富硒。在此过程中，只需在畜禽粪便中添加一次无机硒即可满足人体和整个农业生产系统的硒需求量。从源头控制好硒添加量，大大降低了可能产生的环境、生物和人体健康风险。另外，这种生产模式增加了整个生产系统各环节之间的紧密联系，运作模式更加生态，尤其在缺硒地区，硒在整个系统中的循环利用有助于提高系统和地区环境硒水平。这种农业生产系统组成要素灵活多变，可因地制宜地将特定区域的不同农产品种类引入其中，生产种类更加丰富的富硒农产品，提高食品营养和人体健康。

图2 蚯蚓-富硒农业生产系统

4.2 富硒蚯蚓的其他优势

赤子爱胜蚓(E.fetida)具有以下特点：对环境的适应能力强，在我国乃至世界各地均有分布；培养方式简单且多样，盆养、池养、大棚培养均适宜；生长快、繁殖率高，适宜条件下15～20 d即可采收一次，每年可增殖200～500倍[55]。蚯蚓本身在农业生产系统中发挥着极重要作用，通过蚯蚓堆肥等措施可实现农业废弃物循环利用，将适量硒引入这一系统中亦可实现系统中硒的有效循环。蚯蚓的这些特征为实现不同地域硒的高效转化和利用提供了有力保障。此外，对E.fetida进行连续培养和硒强化[56]，可能诱发其对硒富集相关基因的表达，培育出更具富硒作用的“超级蚯蚓”，实现E.fetida的遗传生物强化。

蚓体中的抗菌肽、纤溶酶和蚓激酶等活性成分，已被广泛应用于医药行业和临床。硒在生物体中与氨基酸或蛋白质结合，因此推测，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组分的研究，如从马氏珠母贝[57]、豆芽[58]、灵芝[59]等生物体中获取的具有抗氧化功能的含硒蛋白以及从沙蒿[60]、大豆[61]、黄芪[62]等中提取的具有抗肿瘤作用的硒多糖或含硒多肽。鉴于蚯蚓和硒在医药及临床的重要应用价值，经硒强化的E.fetida体内极可能含有功能性的含硒组分。例如，本课题组之前的研究发现，部分富硒蚯蚓组分比常规蚯蚓组分具有更好的抗氧化和抗肿瘤功能[34]。因此，具有功能性的含硒蚯蚓组分仍然具有深入挖掘和医药、临床应用的价值。

4.3 蚯蚓硒强化注意事项

对环境和生物体来说，适量硒的必要性和过量硒的毒性是实际生产和应用过程中必需考虑的问题。目前富硒农产品的生产主要是通过外源给生物体施用或饲喂无机硒进行生物强化，如果硒添加量未能严格把控，极易造成环境硒污染[32]或生物体硒中毒。因此，无机硒施用量是富硒农产品生产的关键，在发展富硒农业时要将硒污染纳入到考虑范围，并且要把硒对环境的影响限制在人为可控范围。在将蚯蚓引入富硒农业生产系统的过程中，也要严格控制无机硒的投入量，避免对系统造成污染。

5 展望

赤子爱胜蚓(E.fetida)对无机硒具有较强的富集和有机硒转化能力，且蚓体硒的生物可利用率高，能被机体高效吸收，可有效为人和动物体补充所需硒营养。低浓度无机硒添加对蚯蚓的正常生长和繁殖无显著影响且能提高蚓体营养成分含量。因此，E.fetida是一种较好的动物源硒强化材料。将E.fetida引入富硒农业生产系统中，在实现废弃物循环利用的同时，也能实现硒的有效循环利用，同时提高整个生产系统的硒水平，更高效地生产种类多样的富硒农产品。硒和蚯蚓的药用价值决定了富硒蚯蚓在医药领域和临床也极具应用潜力。总之，E.fetida作为动物源硒强化材料在提供优质硒蛋白、提高农业生产系统硒水平和医药等领域均具有重要的开发应用价值。今后可从蚯蚓对整个富硒农业生产系统中硒循环利用效率的影响及最适蚯蚓-富硒农业生产模式等方面进行深入探究，也可对富硒蚯蚓体中所含活性成分进行进一步挖掘，寻找功能性含硒活性成分。