逐步补硒增强衣藻的硒耐受性和生物富集，以实现富硒生物质的可持续生产

《Algal Research》：Stepwise selenium supplementation enhances selenium tolerance and bioaccumulation in Euglena gracilis for sustainable production of selenium enriched biomass

　　

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  逐步添加亚硒酸盐可将E. gracilis的硒耐受力提高三倍（EC50升至20 mg/L）。
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  E. gracilis富集1455.9 mg/kg硒，并可从培养基中去除高达65.2%的硒。
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  有毒的亚硒酸盐被生物转化为零价硒纳米颗粒（SeNPs）。
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  硒胁迫诱导大型液泡形成并促进聚糖累积。
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  蛋白质组学显示硒暴露下光合途径富集。

引言

硒是一种必需的微量元素，在抗氧化防御、免疫调节和心血管健康等多种生物学过程中发挥关键作用。2013年，美国食品药品监督管理局（FDA）认可硒具有降低癌症风险的潜力及其公认的抗癌特性[1], [2]。除减轻炎症、支持甲状腺激素合成和保护肝肾功能外，硒补充还能增强硒蛋白的产生，硒蛋白有助于细胞抵御活性氧（ROS）损伤，并对免疫系统和生殖系统的调节至关重要[3], [4]。硒和维生素E癌症预防试验（SELECT）确定了人类最低可观察到的不良反应水平（LOAEL）为330 μg/天[5]。然而，过量摄入硒可导致硒中毒，表现为恶心、呕吐、腹泻，以及口气和汗液中特有的大蒜味。在严重情况下，硒中毒可能导致呼吸衰竭甚至死亡[6]。

亚硒酸钠和亚硒酸氢钠常用作硒强化剂，但其生物利用度低且毒性高。成人仅需摄入1 g亚硒酸钠即可致命[7], [8]。环境中亚硒酸钠的浓度因污染源不同而差异较大。在农业排水中，硒浓度通常在0.1至5 mg/L之间，而工业废水中可能高达50 mg/L或更高[9]。受人为活动影响的淡水体硒浓度可从0.5至20 mg/L不等，超过美国环保署（EPA）饮用水限值0.05 mg/L[10]。鉴于这些风险，微藻已被探索作为硒补充的生物载体，提供了一种更安全的替代方案。当补充无机硒时，微藻可同化并将其生物转化为毒性较低的有机形式[11], [12], [13], [14], [15]。微藻有效降低无机硒毒性的能力与其独特的硒代谢机制密切相关。与植物和真菌不同，微藻基因组保留了完整的SECIS（硒半胱氨酸插入序列）元件，该元件位于硒蛋白mRNA的3'非翻译区，识别UGA密码子以在共翻译过程中将硒半胱氨酸（Sec）插入蛋白质[16]。这一机制使微藻能够高效地将无机硒转化为低毒性的有机硒形式（如硒代蛋氨酸和硒半胱氨酸），这是基于微藻的硒生物强化优于传统无机硒补充的重要原因。富硒微藻不仅可作为功能性膳食补充剂，还提供具有潜在抗癌和营养保健应用的生物活性化合物[17]。由于硒的生物累积特性，有效的去除和转化策略对于减轻水生态系统中的硒毒性至关重要[18]。近期研究强调基于微藻的硒生物强化是一种安全可持续的方法，用于生产富含硒的生物量，供功能性食品和营养保健品使用[15]。

多种微藻物种[19], [20], [21]，包括Chlorella属[22], [23]、Spirulina属[24]和Scenedesmus属[25]，均已表现出显著的硒耐受性和生物富集能力。然而，Euglena gracilis对硒暴露的生理和生化响应仍然在很大程度上未被探索。

Euglena gracilis是一种单细胞、兼性营养微藻，常见于淡水环境中。其细胞通常呈纺锤形或细长形，大小范围在20至100 μm之间[26]。值得注意的是，E. graceils具有运动性、鞭毛和眼点等独特特征，这些特征有助于趋光性和环境适应性[27]。E. gracilis富含必需氨基酸、脂肪酸、维生素和矿物质，已被广泛研究其抗氧化、抗肿瘤和降胆固醇特性[28]。鉴于其生化组成和生理韧性，E. gracilis在大规模培养和生产高价值营养产品方面具有重大潜力。

尽管硒对E. gracilis的影响尚未得到广泛研究，但先前研究表明，逐步补充硒可以减轻过量硒暴露对其他微藻（如Spirulina platensis）的细胞毒性作用[24]。基于这些发现，我们假设逐步添加硒的策略可以增强E. gracilis的硒耐受力并提高其生物富集能力。近期研究表明，微藻可以将有毒的亚硒酸盐生物转化为毒性较低的硒纳米颗粒（SeNPs）[29]，这提出了E. gracilis可能具有类似能力的可能性。本研究旨在阐明E. gracilis在富硒条件下的生理响应，重点关注硒的同化、生长动态及其生物强化潜力。研究结果表明，逐步补充硒显著提高了硒耐受力，促进了生物量积累，并增强了生物活性化合物的产生。此外，电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）证实了大量的细胞内硒积累以及有毒硒形态向低毒性零价硒纳米颗粒的转化。蛋白质组学分析进一步揭示了硒诱导的细胞途径变化，特别是那些参与光合作用和胁迫适应的途径，为E. gracilis中硒代谢的调控机制提供了更深入的见解。

各节摘要

藻株和培养基

Euglena graceilis CCAP1224/5Z菌株购自深圳大学海洋与生命科学学院。在持续光照条件下，按照文献[30], [31]的方法在EM自养培养基中培养，每升培养基配制如下成分：1.8 g NH₄Cl、0.6 g KH₂PO₄、0.6 g MgSO₄、0.06 g尿素、0.02 g CaCl₂、1.8 mg MnCl₂、1.3 mg Co(NO₃)₂·6H₂O、0.4 mg ZnSO₄·7H₂O、0.2 mg H₂MoO₄、0.02 mg CuSO₄·5H₂O、2 mg H₂Mo₃、0.48 mg Na₂EDTA、2 mg Fe₂(SO₄)₃、0.01 mg维生素B₁和0.005 mg维生素B

细胞生长和形态

为了评估硒补充对E. gracilis生长的影响，每天测定细胞密度，持续七天。如图2A-D所示，对硒的响应强烈依赖于添加策略和浓度。

在策略A（接种时一次性添加）中，1 mg/L亚硒酸钠显著增强了生长，第7天细胞密度比对照组提高了19.96%（p < 0.05）。在该低浓度下（1 mg/L，5.8 μM），细胞表现出增强的生长

硒对Euglena gracilis生长的影响

Euglena gracilis以对多种环境胁迫的适应能力著称，包括重金属[42]、微塑料[43]和抗生素[44]。在本研究中，我们调查了E. gracilis在不同浓度亚硒酸钠（Na₂SeO₃）和四种补充策略下的响应。通过在七天内监测细胞密度、干重和细胞形态来评估生长情况。在低硒浓度下（1-2 mg/L，5.8-11.56 μM），E. gracilis表现出增强的

结论

本研究系统考察了亚硒酸钠对Euglena gracilis的浓度依赖性效应，并评估了不同补充方案对硒耐受性、积累和生理响应的影响。低硒浓度（1-2 mg/L）刺激细胞增殖，而高剂量则抑制生长。在所测试的四种策略中，逐步补充——特别是策略D（从第2天开始每日添加）——证明最为有效，将EC50

CRediT作者贡献声明

Ming Du：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，方法论，形式分析，数据整理。Ke Xu：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，方法论，形式分析，数据整理。Baofeng Zhang：软件，方法论，形式分析。Zixi Chen：软件，资源，方法论。Chao Li：监督，资源，方法论。Anping Lei：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，监督。Jiangxin Wang：写作 – 审阅与编辑，写作 –

生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明

作者确认使用了一种AI辅助语言工具（deepseek）进行语法检查和句子润色。所有科学内容、数据解释和结论仍完全由作者负责。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作部分得到中国国家重点研发计划（2020YFA0908703; 2021YFA0910800）和国家自然科学基金（41876188）的支持。

Ming Du|Ke Xu|Baofeng Zhang|Zixi Chen|Chao Li|Anping Lei|Jiangxin Wang