硒在瘤胃内的代谢及其对瘤胃发酵的影响

早在1818年，硒就作为一种矿物元素被发现，但是之后的几十年里一直被视为一种有毒元素，直到1957年硒的生物学作用首次在小鼠中发现之后，其生物学功能才引起重视。动物体内的硒主要以含硒氨基酸（硒半脱氨酸和硒蛋氨酸）的形式结合在硒蛋白（酶）中，并通过硒蛋白（酶）调节动物机体的自由基代谢、抗氧化、免疫、生殖、细胞凋亡和内分泌等功能。反刍动物日粮中的硒和瘤胃微生物代谢之间存在着相互作用，对硒的生物利用效率和瘤胃发酵产生影响，本文将对此进行综述。

1瘤胃内硒的代谢

1．l瘤胃微生物对硒的代谢作用

1．1．l含硒蛋白的合成

瘤胃微生物对硒的代谢作用中，含硒蛋白的合成占主要地位。日粮硒能够在瘤胃微生物的作用下，取代含硫氨基酸中的硫原子，合成含硒氨基酸，沉积在细菌蛋白中形成含硒蛋白（ Rosenfeld，1962；Paulsen等，1968； Whanger等，1968； Hudman和Glenn，1984）。

Rosenfeld (1962）用Na₂SeO₃饲喂绵羊，发现硒在羊毛纤维中大量沉积，且主要以硒半脱氨酸和硒蛋氨酸的形式存在，与用无机硫饲喂绵羊的效果相似。鉴于瘤胃微生物能够利用无机硫合成含硫氨基酸且生物合成过程中硒对硫有取代作用，Rosenfeld推测瘤胃微生物可以利用无机硒合成含硒氨基酸，这一发现引起科研人员的重视，随后的大量研究证实了瘤胃内含硒蛋白的合成作用。

一些饲养试验和体外培养试验都发现含硒氨基酸（含硒蛋白）的合成作用。Whanger等（1968）试验发现，用Na₂SeO₃和Na₂SeO₄饲喂绵羊，其中50％的硒在细菌蛋白中沉积，并生成硒半脱氨酸；用硒蛋氨酸饲喂绵羊，瘤胃微生物蛋白中同时生成硒半跳氨酸和硒蛋氨酸。Paulsen等（1968）用硒蛋氨酸对瘤胃微生物进行体外培养，3h后60％的硒蛋氨酸被合成到瘤胃微生物蛋白中。

目前已经确定反刍兽新月单胞菌（selenomonas  ruminantium）和溶纤维丁酸弧菌（butyrivibrio fibrisolvens）能够利用无机硒合成含硒氨基酸（Hudman和Glenn， 1984； Koenig等， 1997）。反刍兽新月单胞菌(selenomonas ruminantium)在培养条件下能迅速吸收Na₂SeO₃。当Na₂SeO₃。浓度为25μM时，培养1h后，每分钟每毫克蛋白中硒的吸收速度为20ng，显著高于对照组（l1ng）；经过12h培养，75％的硒结合在细菌中，菌体蛋白的链霉蛋白酶水解产物中有含硒氨基酸的存在，硒半脱氨酸和硒蛋氨酸含量较高（Hudman和Glenn，1984）。

l．l．2还原作用

还原作用是瘤胃微生物对硒的另一种代谢作用，在这种作用下，日粮中的氧化型硒（+6或+8价硒）被还原成硒（0价）或硒化物（－2价硒）等还原型硒。目前已经确定反刍瘤胃亚菌（prevotella ruminicola）（Koenig等，1997）对氧化型硒具有还原作用。反刍兽新月单胞菌（selenomonas ruminantium）在利用 Na₂SeO₃或Na₂SeO₄合成含硒氨基酸的同时，把小部分氧化型硒还原成元素硒，其含量为菌体总硒的 9％（Hudman和 Glenn，1984）；栖瘤胃拟杆菌栖瘤胃亚菌（prevotella ruminicola）只能把氧化型的硒还原成元素硒，而不能合成含硒氨基酸。另有人报道，氧化型硒还可以被还原为硒化物（Cousins和 Caimey，  1961；  Peterson和 Spedding，1963）。

此外，大量研究发现大肠杆菌、梭菌等原核生物中含有大量的含硒酶，如甲酸脱氢酶、甘氨酸还原酶、黄嘌呤脱氢酶、硫解酶、烟酸羟化酶等，这些微生物在硒存在时生长迅速，据此推测瘤胃微生物中也含有类似酶类。

目前，瘤胃微生物对硒各种代谢作用的机理还不清楚。根据对大肠杆菌的研究结果推测，瘤胃微生物合成含硒氨基酸可能依赖于硒半胱氨酸合成酶和多种基因参与的生物合成过程（Forchhammer等，1991a，1991b）。除了上面提到的反刍兽新月单胞菌（selenomonas ruminantium）、溶纤维丁酸弧菌（butyrivibrio fibrisolvens）和栖瘤胃拟杆菌栖瘤胃亚菌（prevotella ruminicola）外，其它瘤胃微生物对硒是否有代谢作用还不确定。酵母、斯氏梭菌、乳酸菌、普通变形菌、大肠杆菌对硒都有代谢作用，但瘤胃中类似微生物对硒的代谢作用还有待证明。

1．2硒在瘤胃液不同组分中的分布

瘤胃液中的硒主要分为饲料颗粒和原虫中的硒、细菌中的硒、可溶蛋白中的硒及游离无机硒4部分，各部分中硒的存在形式不同。为了对各部分硒进行测定，需要对瘤胃液进行如下处理：①将瘤胃液用4层纱布过滤后，在2 000r／min离心 20min，沉淀物为饲料颗粒和原虫；②将操作①中所得的上清液在24 000r／min离心20min，沉淀物为细菌；③将操作②中所得的上清液用5%三氯醋酸处理（体积比为5∶2）后，在3 000r／min离心20min，沉淀物为可溶蛋白，上清液用于测定游离无机硒。

细菌中的硒是瘤胃液硒的重要组成部分，无论饲喂精料还是粗料日粮，细菌中硒的比例都比较高，其存在形式主要是含硒氨基酸，此外还含有小部分不溶解的元素硒和硒化合物。可溶蛋白中的硒主要以含硒氨基酸的形式存在。游离无机硒的比例一般比较小。饲料颗粒和原虫中硒的比例很小，其含量不足细菌中硒含量的千分之一（Serra等1994a，1996b），原虫中的硒来源于原虫吞食的细菌。

瘤胃液不同组分中硒的含量受到许多因素的影响，包括培养后测定时间、日粮精粗比、其它矿物元素含量、硒源等。培养时间越短，细菌蛋白中含硒氨基酸的含量越低（Paulsen等，1968）。

1．3瘤胃代谢对硒生物学利用效率的影响

瘤胃微生物对硒的代谢作用降低了硒的生物学利用效率，使反刍动物硒的净吸收率显著低于单胃动物（ Church等，1971）。反刍动物中硒主要由粪便排出，且主要以元素硒和硒化合物的形式存在，溶解率很低，酸中溶解率为60％，水中溶解率仅为10％（Cousins和Caimey，1961）。用含硒的反刍动物粪便种植牧草，75d之后只有0．3％的硒进入植物体内（Peterson和Spedding，1963），说明硒经反刍动物瘤胃微生物作用后，其利用率降低。

微生物培养试验发现硒的生物学利用效率与其溶解性有直接关系。无机硒合成含硒氨基酸后，溶解度明显降低（Paulsen等，1968），如反刍兽新月单胞菌（selenomonas ruminantium）经Na₂SeO₃培养后用链霉蛋白酶水解，菌体蛋白的降解率只有58％（Hudman和Glenn，1984）。Whanger等（1968）也发现用Na₂SeO₃饲喂绵羊，细菌硒的溶解率仅为60％。Serra等（1994）用干草饲喂绵羊，瘤胃液中游离无机硒的比例为30％，说明可溶解硒的含量较低。

饲养试验中硒的生物学利用效率因瘤胃微生物的代谢作用而降低。用Na₂SeO₃和瘤胃细菌硒饲喂小鼠，结果饲喂细菌硒造成小鼠肝脏和肾脏中硒含量的显著降低，说明瘤胃细菌硒的生物学利用率低于Na₂SeO₃（Serra等，1997）。

瘤胃原虫对硒的利用效率也有一定影响。瘤胃原虫进入后部消化道的数量很少，大部分留在瘤胃内，一定程度上降低了硒的利用率，去瘤胃原虫能够增加绵羊肾皮质、肝脏和胰腺中硒的沉积（Dayrell等，1991）。

1．4日粮精料水平对硒在瘤胃内代谢的影响

硒在瘤胃内的代谢受到多种因素的影响，其中日粮精料水平的影响较大。日粮精料水平对硒在瘤胃内代谢的影响有两种途径。第一，日粮发酵影响瘤胃pH值，进而影响瘤胃的还原能力和不同种类微生物的活性，最终影响硒的还原和含硒蛋白合成。第二，日粮营养成分在瘤胃内发酵依靠特定种类的微生物，并为微生物提供生长所需的能量和营养物质，日粮营养成分不同时瘤胃微生物种类和数量不同，影响硒的还原和含硒蛋白合成。一般认为日粮精料水平提高，瘤胃pH值下降，瘤胃还原能力提高，生成元素硒或硒化物的比例提高（Cousins和 Caimey， 1961； Peterson和Spedding，1963）；同时，淀粉和蛋白分解菌生长加快（Latham等，1971，1972），对硒的代谢作用加快，含硒蛋白合成增多，硒的生物学利用率降低（Serra等，1994a，1996b；Koenig等，1997）。

与粗料日粮相比，饲喂精料日粮时绵羊十二指肠食糜中细菌硒的比例显著增加（分别为33．9％、101．9％），硒的吸收量显著降低（分别为359μg、293μg）（Koening等1997人在相同硒水平下分别用干草和不同蛋白水平的日粮饲喂绵羊，瘤胃液不同组分中硒的差异很大。饲喂干草的绵羊与饲喂高蛋白水平日粮的绵羊相比，瘤胃液内游离无机硒的水平提高，可溶蛋白中硒的水平、细菌蛋白中硒的水平降低；随日粮蛋白水平的提高，瘤胃液总硒、可溶蛋白中的硒、细菌硒峰值提高，游离无机硒和硒的吸收率降低，说明提高日粮蛋白水平会促进瘤胃微生物对硒的代谢作用，降低硒的生物学利用效率（Serra等，1994a，1996a）。另有研究发现有机物采食量提高，促进瘤胃微生物对硒的代谢作用，粪中硒的排出增多，其利用率降低（Langlands等，1986）。

2硒对瘤胃发酵的影响

文中提到的溶纤维丁酸弧菌（butyrivibrio fibrisolvens）、栖瘤胃拟杆菌栖瘤胃亚菌（prevotella ruminicola）、反刍兽新月单胞菌（selenomonas ruminantium）是瘤胃内3大微生物，其比例分别为4％－12％、8％－12％、10％－19％（刘敏雄，1991），主要参与日粮淀粉和蛋白在瘤胃的降解，它们的种类和数量对瘤胃的正常发酵具有重要影响。这3种微生物在晒存在时，生长速度显著加快，日粮添加硒通过对微生物的促生长作用影响瘤胃的正常发酵。硒对瘤胃发酵的影响主要有以下指标：瘤胃pH值、瘤胃氨态氮浓度、瘤胃微生物生长量、日粮消化率、挥发性脂肪酸的产量和比例。

2．l瘤胃pH值

瘤胃pH值是瘤胃环境的重要指标，日粮中添加0．3mg／kg或0．2mg／kg的硒（干物质为基础，Na₂SeO₃和Na₂seO₄为硒源）会降低瘤胃pH值，但差异不显著，其变化范围为 0.10－0.30（鲁玉花等 1996， 1999；Serra等，1996a）。

22瘤胃氨态氮浓度

饲养试验中日粮添加 0．3mg／kg的硒（干物质为基础，Na₂SeO₃为硒源）对瘤胃氨态氮浓度没有显著影响（鲁玉花等，1996），但体外培养试验饲料中添加0.3mg／kg的硒（干物质为基础，Na₂SeO₃为硒源）可显著提高瘤胃氨态氮浓度（鲁玉花等，1999）。

2．3瘤胃微生物生长量

纯培养时，硒能够促进瘤胃微生物的生长（Hudman和Glenn，1984），但日粮添加硒对瘤胃微生物生长量的影响不同。饲养试验和体外培养试验均发现添加 0．3mg／kg的硒（干物质为基础，Na₂SeO₃为硒源）能显著增加细菌蛋白、可溶蛋白和原虫蛋白的合成量（鲁玉花等，1994，1996；Naziroglu等，1997）。而在饲养试验日粮中添加0．2mg／kg的硒（干物质为基础，Na₂SeO₃和Na₂SeO₃为硒源）会降低瘤胃微生物的生长量，降低比例分别为27%和19％，但差异不显著（ Serra等，1994b）。

不同硒源对微生物的促生长作用不同，对瘤胃微生物生长量的测定结果影响较大。如 Na₂SeO₃能显著促进反刍兽新月单胞菌（selenomonas ruminantium）的生长，而Na₂SeO₄却抑制其生长（udman和Glenn，1984）。

2．4日粮瘤胃消化率

硒对日粗纤维素消化率影响的研究较多，但报道结果不一。Martinez和Church（1970）进行体外培养试验，发现添加 0－20mg／kg的硒会引起纤维素消化率的持续降低（见表1），0-5mg／kg时差异不显著，7－20mg／kg时差异显著。鲁玉花等（1999）进行体外培养试验，得出不同结果，硒水平为0.2－0．5mg／kg时显著提高纤维素消化率，5－20mg／kg时显著降低纤维素消化率。Serra等（1994b）在饲养试验中发现日粮中添加 0．2mg／kg的硒（于物质为基础， Na₂SeO₃和Na₂SeO₄为硒源）对日粮NDF、ADF消化率没有显著影响。

表1   不同硒水平下纤维素消化率

注：引自Martinez和Church，1970。

硒对日粮其它成分消化率影响不大，虽然粗蛋白消化率有提高趋势，但差异不显著（Serra等，1994b）。

2．5挥发性脂肪酸（VFA）的产量和比例

这方面的研究结果同样很不一致。鲁玉花等（1994， 1996）进行体外培养试验，发现添加 0．2mg／kg的硒（干物质为基础，Na₂SeO₃为硒源），乙酸和丁酸的含量显著降低，丙酸含量显著增加，乙酸与丙酸比例显著降低，总VFA有增加趋势。Serra等（1994b）用含0．2mg／kg硒（于物质基础，Na₂SeO₃和Na₂SeO₄为硒源）的自粮饲喂绵羊，总VFA、乙酸、丙酸产量及乙酸与丙酸比例都轻微降低。Naziroglu等（1997）试验，0．3mg／kg的硒（干物质基础，Na2SeO3为硒源）能够同时提高总VFA、乙酸、丙酸、丁酸产量。

综上所述，高剂量（＞ 5mg／kg）的硒会显著影响瘤胃的正常功能，低剂量（02－0．3mg／kg）的硒对瘤胃发酵没有显著影响。添加低剂量硒时试验结果不同，说明与其它影响瘤胃发酵的因素相比，低剂量硒对瘤胃发酵的影响较弱，被其它因素的影响所掩盖。

综上所述，硒作为动物必需的微量元素，在反刍动物瘤胃中受到微生物代谢的影响，其机理还需进一步研究。日粮添加高剂量的硒会显著影响瘤胃的正常功能，低剂量的硒对瘤胃功能没有显著影响。日粮硒的含量为0．2－0.3mg／kg时可以满足反刍动物需要，常用硒源为Na₂SeO₃。富硒酵母和硒蛋氨酸成本较高，利用效率也还存在争议，使用较少。硒的适宜剂量和中毒剂量差别较小，使用时要特别注意。