铁的生物学功能及其在鱼类中的应用研究进展

■ 孔雨昕 马喜波 王桂芹*

（1.吉林农业大学，动物科学技术学院，吉林长春 130118；2.吉林农业大学，动物生产及产品质量安全教育部重点实验室，吉林长春 130118；3.吉林农业大学，现代农业技术教育部国际合作联合实验室，吉林长春 130118；4.吉林农业大学，吉林省动物营养与饲料科学重点实验室，吉林长春 130118；5.吉林省前郭县水产技术推广站，吉林松原 131100）

铁元素作为含量最为丰富的微量元素，在体内具有包括遗传物质的合成和修复，能量生成，信号转导，氧气运输，免疫防御，维生素及辅酶合成的重要功能，动物机体内缺铁表现的典型症状为缺铁性贫血、骨骼畸形及含铁酶活性降低等，铁过量时也会对机体产生毒性，因此研究铁在饲料中的应用具有重要理论意义和实际生产意义。文章重点综述了鱼类饲料铁营养需求及饲料补充铁对鱼类机体的影响，以期为鱼类铁营养的精准供给提供参考，为进一步探究鱼类铁营养代谢调控的分子机制提供理论依据。

1 铁的生物学功能

1.1 参与体内氧的储存运输以及电子传递过程

铁元素能够参与机体内物质转运，并参与合成体内一些重要载体，如血红蛋白和肌红蛋白，血红蛋白在体内承担运输氧气的功能，缺铁则会丧失这一功能，肌红蛋白负责将血红蛋白运输的氧与铁结合储存在肌肉中，在需氧时保证机体的正常氧供给[1]。铁元素可以与氧、氮、硫原子等多种配体结合，因此铁元素也是一些还原酶、过氧化物酶、铁硫蛋白以及琥珀酸脱氢酶（SDH）等呼吸酶类的重要组成成分[2]，对于动物维持生理代谢以及生长发育都具有十分重要的作用。

铁元素具有从-2 价到+6 价的八种离子存在形式，在生物系统中常以+2、+3、+4 和+5 价态参与到氧化还原反应当中，是一种能够在体内进行不同的价态之间相互转换的过渡金属，因此，铁能够参与到机体内进行生命活动所必需的电子和氢的传递过程中，是机体内非常重要的电子传递体[1]。

1.2 维持体内造血功能

体内红细胞的生成一般在骨髓中进行，而骨髓内生成红细胞时需要大量的铁，铁在骨髓造血细胞中首先参与合成血红素，血红素再与珠蛋白结合形成血红蛋白，进而保证红细胞的生成，维持机体正常的造血功能[3]。铁缺乏时，肾间质成纤维细胞内铁含量下降，铁调节蛋白（Iron regulatory protein1，IRP1）与缺氧诱导 因 子2α（Hypoxia inducible factor-2α，HIF2α）mRNA 中的5'端铁响应元件结合，HIF2α翻译受到抑制[4]。HIF2α被抑制则导致促红细胞生成素（Erythropoietin，EPO）的生成减少，红细胞数量下降，从而减少用于合成红细胞的铁用量[5]，这被认为是机体内对铁元素利用的一种平衡机制。机体内铁过量时易诱导大量活性氧（ROS）产生，过量ROS 会导致造血干细胞内二十二碳六烯酸（DNA）损伤[6-7]，进而造成造血干细胞走向衰竭和死亡，破坏了造血干细胞的再生能力[8]。过量铁还可通过诱导细胞凋亡和细胞周期停滞损害造血功能[9]，并对造血干细胞微环境产生消极影响，体内铁过量的小鼠进行了骨髓移植后，其造血干细胞的重筑减缓[10]。

1.3 能量生成及增强免疫

铁元素能够参与细胞内ATP的生成，铁离子是碳水化合物代谢酶的活化因子，可直接参与SDH、过氧化氢酶（CAT）等酶类的合成以催化各种生物化学反应。随着铁元素吸收量的增加，线粒体内膜上SDH活性增强，催化琥珀酸发生脱氢反应，脱下的氢原子以黄素腺嘌呤二核苷酸递氢体（FADH2）的形式进入呼吸链，最后传递给氧生成水，在此过程中释放的能量可以合成ATP，脱氢反应生成的还原性辅酶经过磷酸化作用后也促进细胞内ATP的生成[11]。

铁元素具有一定程度的免疫和生理防御功能，可抑制机体发生细菌感染等[12]，当机体铁过量时，易被细菌及寄生虫感染[13]，当机体铁含量不足时，T淋巴细胞的防御功能下降，数量减少，中性白细胞的杀菌能力会下降，抗体合成能力下降，使得机体免疫力下降[14-15]；转铁蛋白（Transferrin，Tf）不仅能够转运铁离子，还能够预防机体感染疾病，乳铁蛋白存在于母乳和白细胞中，在肠道中乳铁蛋白能够将铁离子结合成复合物，促进乳酸杆菌的利用并抑制大肠杆菌的生长和繁殖[12]。

2 鱼类铁的吸收转运及影响因素

鱼类可从食物中获取铁元素，水环境中的铁离子也能通过鳃和肠黏膜被鱼少量吸收[16-17]。二价金属离子转运蛋白（divalent metal transporter 1，DMT1）也称天然抗性相关巨噬细胞蛋白2（natural resistance associated macrophageProtein 2，Nram p2），在肠上皮细胞中是主要的顶端铁运载体，能调节饮食铁的吸收。膜铁转运蛋白（Ferroportin 1，Fpn1）是目前发现的细胞膜上唯一的铁外排通道蛋白，参与肠道铁吸收和循环利用，有研究发现巨噬细胞Fpn1 还具有参与免疫的功能[18-19]。摄入体内的三价铁离子须经三价铁还原酶还原成亚铁离子，再以亚铁离子的形式与氢离子结合，被DMT1转运至肠上皮细胞，再通过铁转运蛋白转运至上皮细胞另一侧，经Fpnl转运出肠上皮细胞与Tf结合，通过血液被运输至各组织器官用以进行生命活动[20]。其中一部分铁离子遇到巨噬细胞或肝细胞等表面具有铁的受体的细胞时，会被吸收并存储[21]。

多种因素均能影响鱼体对铁元素的吸收利用：①对铁元素的吸收率取决于机体本身对铁的需要程度，不同鱼种、不同食性、生长阶段、营养状况、健康状态及环境因素均决定着鱼类对铁的需求及消化吸收能力的不同[22]。铁的吸收率会随着年龄的增长而降低，但饲料中铁含量过高，会导致幼鱼更易铁中毒，导致生长抑制甚至死亡，这种现象可能是由于幼鱼调节铁代谢平衡的能力较弱[23-24]；②铁的不同价态、化合物形式对动物铁的吸收率均有影响，铁的价态及化合物形式会影响铁的相对生物学效价[25]，无机矿物盐类微量元素化学性质不稳定，易受蛋白质、脂类、维生素、纤维和植酸盐的干扰形成不溶性物质，影响动物的消化吸收。③其他元素的影响。由于同价态微量元素可能使用共同的转运载体，因而微量元素间存在相互拮抗或协同促进吸收的关系[26]。如二价铁离子与二价锌离子，在肠道内都可以被DMT1 进行转运，因此二者在肠道中的吸收存在竞争关系，铜离子参与合成铜蓝蛋白（亚铁氧化酶），对铁的吸收代谢能够起到促进作用。

3 饲料中铁水平对鱼类的影响

3.1 饲料铁水平对鱼类生长的影响

饲料是养殖鱼类摄入铁的主要来源，对斑点叉尾鮰（Ictalurus punctatus）[27]、军曹鱼（Rachycentron canadum）[28]及建鲤（Cyprinus carpiovar.Jian）[29]的研究表明饲料铁含量较低时生长显著受到抑制，存活率下降，且饲料效率降低。冯伟[30]研究发现饲料铁水平为123.3 mg/kg时，鳙（Aristichthys nobilis）的生长性能显著增加，且粗灰分和水分含量最低，饲料铁水平为84.2 mg/kg时鳙的粗蛋白含量最高。Zhang等[31]在草鱼（Ctenopharyngodon idellus）的研究中发现饲料中铁水平达到52.8 mg/kg时，其增重率和采食量均有所提高，且提高了肌肉蛋白质和脂肪含量。在对鲈（Lateolabrax japonicus）、大黄鱼（Pseudosciaena croceaR.）[32]、印度囊鳃鲶（Heteropneustes fossilis）[33]、黄颡鱼（Pelteobagrus fulvidraco）[34]的研究中均发现生长性能指标随铁水平升高逐渐上升，随后趋于稳定的结论。而有关大西洋鲑（Salmo salar）[35-36]、露斯塔野鲮（Labeo rohita）[37]、美国红鱼（Sciaenops ocellatus）[38]、斜带石斑鱼（Epinephelus coioides）[39]和草鱼[40]的研究中均发现饲料铁过量导致鱼体生长减缓及饲料利用下降。以上研究说明，以七水硫酸亚铁为铁源，饲料中适量补充铁能够有效促进鱼类生长并提高饲料利用，饲料中铁含量过低或铁过量时，可能出现生长停滞和鱼类产生厌食等情况。但以富马酸亚铁为铁源的虹鳟（Oncorhynchus mykiss）[41]和以七水硫酸亚铁、羟基蛋氨酸铁及柠檬酸铁为铁源的斜带石斑鱼[42]的生长情况受饲料铁含量的影响却并不明显，这可能是因为生长阶段、食性、铁源、饲料组成以及环境因素如盐度、水体中的矿物质浓度等的不同均影响着鱼类对铁的消化吸收及需求量。以鱼的种类、铁源、初始规格、评价指标等为依据，文章总结了近二十年鱼类对铁需求量的研究现状（见表1）。

表1 鱼类对铁的需求量

3.2 饲料铁水平对鱼类血液指标的影响

铁元素是血红蛋白重要组成成分，而血红蛋白又是红细胞的主要成分，血红蛋白含量可作为鱼类铁需求量的重要评价指标，而血液指标能够灵敏、精确的反映机体的铁营养状态。

Qiao 等[28]的研究表明，军曹鱼缺铁时血红蛋白含量及红细胞数量显示出最低水平，说明饲料中铁含量过低鱼类会出现缺铁性贫血。王二龙[42]研究表明斜带石斑鱼以硫酸亚铁、柠檬酸铁、羟基蛋氨酸铁为铁源时红细胞比容、血红蛋白及平均红细胞体积均随饲料铁含量上升呈先上升后平稳的趋势，不受铁源的影响，但以硫酸亚铁为铁源时，当铁添加量达到210 mg/kg时，红细胞比容显著下降。Zhang等[31]研究发现，饲料铁水平为38.4～79.3 mg/kg时能提高草鱼血清铁、红细胞计数、血红蛋白、红细胞压积和平均细胞血红蛋白。Ling 等[29]在建鲤幼鱼上发现，以富马酸亚铁为铁源，血清铁随着饲料中铁水平的升高呈现先上升后平稳的趋势。大西洋鲑[35]、露斯塔野鲮[37]、虹鳟[41]、印度囊鳃鲶[33]及奥尼罗非鱼[43]的血液指标均随饲料中铁含量的上升呈现先上升后平稳的趋势。以上研究表明，饲料中缺铁会造成鱼类贫血，过量添加时虽并未造成负面影响但血液指标并未继续上升，而补充适量铁能够改善血液指标，增加血红蛋白和红细胞数量，保证鱼类机体健康。

3.3 饲料铁水平对鱼类抗氧化能力的影响

机体抗氧化系统非酶促和酶促两个防御体系，非酶促抗氧化系统包括维生素A、维生素C、维生素E 和铜蓝蛋白等。酶促抗氧化系统包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）和谷胱甘肽硫基转移酶（GST）等。

铁是CAT 的辅助因子，参与CAT 的合成，缺铁性贫血会造成CAT 活性和其他抗氧化酶活性显著低于正常水平，脂质过氧化水平显著提高，在补铁后各项指标恢复正常[46-47]。Qiao 等[28]的研究表明，当摄食低铁饲料，军曹鱼血清CAT 活性最低。王二龙[42]研究表明硫酸亚铁、柠檬酸铁、羟基蛋氨酸铁为铁源时斜带石斑鱼肝脏CAT活性随铁添加量的增加上升，在添加量达到90 mg/kg 后趋于平稳。在牙鲆[48]、大黄鱼和鲈鱼[32]的研究中都发现，随着饲料铁水平的提高，CAT活性先上升后下降，说明饲料铁含量过高也会降低CAT 的活性。建鲤[29]、草鱼[31]、印度囊鳃鲶[33]、黄颡鱼[34]及露斯塔野鲮[37]的研究中均发现，饲料中补充适量铁能够增强鱼类抗氧化酶活性，并降低脂质过氧化水平。Guo等[40]研究表明，以富马酸亚铁为铁源，感染嗜水气单胞菌的草鱼头肾、脾及皮肤中抗氧化酶活性及其基因表达均随饲料中铁水平升高呈先上升后下降的趋势，MDA 含量逐渐下降，在铁含量为86.43 mg/kg时达到最低，而后又随铁含量增加而升高，说明铁过量时也会导致脂质过氧化的发生，因此明确鱼类铁营养需求十分重要。吴志昊[49]研究发现，饲料亚铁离子含量较低时，大菱鲆（Scophthalmus maximus）应激时SOD 活性上升用以清除自由基，饲料亚铁离子含量过高时则会抑制SOD的产生。以上研究说明，缺铁时鱼类抗氧化酶活性低于正常水平，饲料中补充适量铁能够促进抗氧化酶分泌，提高鱼类抗氧化能力，并减少脂质过氧化水平，但过量添加会抑制鱼类抗氧化酶的活性，并导致氧化损伤的发生。

高不饱和脂肪酸氧化后会消耗脂溶性VE进行抗氧化反应，而VC参与将三价铁还原成二价铁，增加铁吸收速度[50]，因此饲料中添加铁会显著影响VE 和VC的水平。Baker 等[51]发现，摄食高水平铁的鲶肝脏VE含量显著下降。铁过量时会消耗更多的维生素C 用于还原反应，Andersen 等[35]以硫酸亚铁为铁源时大西洋鲑肝脏VC 浓度随着饲料铁水平的增加而降低。Zafar[33]研究结果表明，饲料铁含量从6.9 mg/kg 增加到86.6 mg/kg时印度囊鳃鲶肝脏抗坏血酸浓度降低至86.6 mg/kg。Andersen 等[52]在大西洋鲑基础饲料中添加500、1 500 mg/kg血红素铁时，VC几乎全部丧失。

3.4 饲料铁水平对鱼类免疫机能的影响

在一定程度上，免疫器官的发育状态可反映机体免疫水平，脾脏是机体重要的免疫器官之一，可保证和维持免疫系统正常。苏传福等[53]在草鱼上研究表明，添加铁饲料组脾脏指数显著提高，说明饲料中补充铁可促进免疫系统发育。铁能够参与淋巴细胞DNA 合成，从而影响白细胞的杀菌能力，缺铁及铁过量时白细胞杀菌能力均受到抑制，导致机体防御能力降低，易受感染[49,54]。微生物病原菌在繁殖代谢过程中需要铁元素的参与，因此饲料铁含量过高易被微生物病原菌利用，这些病原菌致与宿主抢夺铁源，干扰宿主铁调控机制[55]。Lim 等[56]在斑点叉尾鮰研究中发现，爱德华氏菌攻毒试验后低铁饲料组鱼体死亡时间显著提前。Sealey等[57]研究发现摄食低铁饲料的斑点叉尾鮰腹膜巨噬细胞对爱德华氏菌的趋向性降低，提高饲料铁含量可改善这一现象，然而在基础饲料中额外添加180 mg/kg 的铁会提高斑点叉尾鮰的死亡率。凌娟[58]研究表明饲料中添加适量富马酸亚铁可提高建鲤幼鱼嗜水气单胞菌攻毒后成活率，增强鱼体免疫力。由此可知，饲料中添加适量的铁可以提高鱼体抗病能力，降低死亡率。

体液免疫指标对于指示鱼的生理和一般健康状况非常重要，它能够反映了营养和环境的变化[59]。异育银鲫[44]和虹鳟[41]的研究中发现铁可以显著提高血清溶菌酶（LZM）活性。同样，周立斌等[38]研究发现，饲料铁含量在368.1 mg/kg 时美国红鱼血清LZM 活性显著上升，铁含量达到327.2 mg/kg 时血清总补体活性显著提高。对鳙[30]、胡子鲶[45]和建鲤[29]的研究中也发现饲料铁水平对血清中碱性磷酸酶（AKP）活性有显著影响。此外，Guo 等[40]研究发现感染嗜水气单胞菌的草鱼在饲料铁缺乏和过量时头、肾、脾脏及皮肤免疫功能及结构完整性均受到损害，其LZM及酸性磷酸酶（ACP）活性降低，C3、C4和IgM 的含量减少，抗炎因子下调，促炎因子上调，说明铁缺乏或过量均会导致免疫功能降低，并加重炎症反应的发生。这些研究表明，饲料中补充适量铁能够通过调节免疫因子，提高免疫相关酶活性增强非特异性免疫，同时增强特异性免疫，进而提高机体免疫能力。

3.5 饲料铁水平对鱼类矿物元素的影响

同价态微量元素间因使用共同的转运载体而存在协同或拮抗的作用关系[26]，因此饲料中微量元素合理配比有利于提高饲料效率，促进养殖对象健康生长。研究表明，饲料中添加铁可以促进水生动物机体铁含量的累积，尤其引起铁储存器官肝脏和运输通道血液中铁水平的提高[60]。Andersen等[35-36]在大西洋鲑和Luo 等[34]在黄颡鱼的研究中均发现，全鱼和肝脏铁含量随着饲料中铁水平的升高而增加。张佳明[32]研究表明，饲料铁含量显著影响鲈脊椎骨、肝脏和血清中铁的含量，而对全鱼铁含量无显著影响。周立斌等[38]研究发现，随着饲料中铁含量从285.3 mg/kg增加到443.7 mg/kg，美国红鱼肝脏中铁沉积量显著增加。Ling 等[29]在幼建鲤上研究发现，以富马酸亚铁为铁源的饲料铁水平达到146.1 mg/kg 时，血清铁显著增加，并趋于稳定。Ye等[39]发现在铁添加量为100 mg/kg时斜带石斑鱼肝铁含量最高，但饲料铁水平对肝脏和全鱼铜、锰、锌浓度无影响。Zafar 等[33]对印度囊鳃鲶及王二龙[42]对斜带石斑鱼的研究结果均表明，全鱼及肝脏铁含量随饲料铁含量的上升而上升后趋于平稳，斜带石斑鱼脊椎、印度囊鳃鲶全鱼铜锰含量均显著下降。冯伟[30]研究表明铁水平的提升能显著提高鳙肌肉、脊椎骨、全肠、脾脏和肝脏的铁含量。冯德智[41]研究发现以富马酸亚铁为铁源的虹鳟各组全鱼、脊椎骨和肌肉铁含量随着饲料中铁水平的升高而升高，肝脏铁含量呈现先上升后平稳的趋势，同时出现肝脏锌含量逐渐下降，全鱼和肌肉铜含量逐渐升高的现象。在鱼类体内铁与锌间存在拮抗关系，饲料中铁过量可能会导致鱼体锌含量的下降，而铜含量的不同结果说明铁与铜之间也可能存在协同作用，Conrad 等[61]报道铁和铜不共用运输通道，但Gunshin 等[26]指出DMT1 可以运输二价铁离子和二价铜离子。因此，铁与铜的互作关系还尚未明确，需进一步研究。

3.6 饲料铁水平对鱼类消化吸收能力的影响

消化器官对食物成分敏感，会引起消化酶活性的变化，消化酶根据其功能分为蛋白酶、脂肪酶及淀粉酶等[62]。饲料中补充铁可以提高动物机体消化吸收能力，包括促进消化器官发育和提高消化酶活性等[63]。水生动物中也有相关报道，Ling 等[29]在建鲤幼鱼上研究发现，以富马酸亚铁为铁源时，缺铁组建鲤幼鱼肝胰脏重量显著下降，蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶活性随饲料铁水平升高而升高。Li等[64]发现，饲料中添加铁后罗非鱼胃蛋白酶、肝胰脏淀粉酶和肠脂肪酶活性均显著提高。冯伟[30]研究表明，鳙肠道中胰蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶活性随着饲料铁含量的增加显著增加，饲料铁含量达到43.1 mg/kg 时胰蛋白酶活性开始下降，脂肪酶和淀粉酶活性在饲料铁含量达到123.3 mg/kg 时降低。这说明饲料中补充适量铁时有助于促进鱼类消化吸收，但饲料铁过量时会对消化吸收能力产生不利影响。

3.7 饲料铁水平对鱼类脂肪代谢的影响

脂肪是鱼类主要的能量来源之一，研究表明，饲料铁水平能够影响鱼类的肝脏脂肪沉积，Senadheera等[65]发现，虹鳟鱼片总脂质水平与饲料中铁水平呈负相关的线性关系，高铁饲料的鱼肝脏具有比低铁饲料中更高的总脂质水平。Zhang 等[31]研究指出，饲料中补充铁可以改善草鱼肌脂含量。Luo等[34]研究表明饲喂铁含量54.50 mg/kg 的黄颡鱼，肝脏脂质含量最低，而饲料缺铁和过量时均有肝脂含量增加的趋势，这是由于肉碱棕榈酰转移酶（CPT-1）和过氧化物酶体增殖物激活受体α（PPARα）的mRNA 转录水平变化所导致的。Akter 等[45]以纳米铁为铁源，发现在胡子鲶饲料中添加40 mg/kg 纳米铁时胆固醇和三酰甘油会以剂量依赖性的方式增加。有研究表明氧化应激在肝脏脂质堆积的进程中具有关键作用[66]，而饲料铁缺乏或过量也会影响鱼类氧化损伤。因此，在鱼类对饲料铁水平的反应中，似乎也存在抗氧化反应和肝脏脂肪沉积之间的关系。目前，关于饲料铁水平影响鱼类脂肪代谢的机制的研究较少。

4 总结与展望

铁是鱼类生长必需的微量元素，目前已有大量研究表明在饲料中补充铁能够促进鱼类的生长、增强营养代谢，提高品质，但是很多机理仍不清晰。因此，在以下几方面还需深入研究。理论上：①不同的铁源是通过鱼类肠上皮细胞直接吸收入血还是通过氨基酸或肽的吸收途径被完整吸收到特定靶组织和酶系统吸收机制？②饲料铁过量添加导致鱼类氧化损伤的途径？过量铁是否通过氧化应激导致脂肪代谢紊乱？③铁可以改善鱼类产品的品质，但关于作用机理研究甚少，有待深入研究。实践上：鱼类能够通过鳃吸收的方式从水体中吸收铁元素，因此，精准评价鱼类的铁营养需求较为困难，需加强“水产动物铁需求量”评价标准的制定，最终为生产中铁的精准供给及稳定高效发挥其功能提供参考，进而降低成本，提高养殖动物的免疫力、抗病力和品质，为开发新型饲料添加剂以及实现绿色养殖提供理论依据。