外源性硫化氫的毒性機制及在動物體內代謝的研究進展

謝彥嬌，劉 真，陳 磊，苗啟翔，張宏福，唐湘方

(中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所 動物營養學國家重點實驗室，北京 100193)

硫化氫是一種無色、易燃、有臭雞蛋氣味，且具腐蝕性的劇毒氣體[1]。自然界中，硫化氫主要來源于天然氣、硫磺礦床、化工副產品、沼氣和動物養殖場等[2-5]。它是畜禽養殖場惡臭氣體的重要組成成分之一。由于硫化氫的比重比空氣大，易溶于水，可在地溝或通風不暢的畜禽舍內蓄積[6]。研究表明，通常情況下豬舍內硫化氫濃度在7.5 mg·m-3以下[7]。但在清除糞便或攪拌糞坑時，可能會出現硫化氫的意外爆炸性釋放的現象，硫化氫的濃度會急劇增加[8]。目前，關于硫化氫的研究主要集中在毒性及其作為氣體信號分子對人體生理系統調節機制、內源性硫化氫的合成代謝過程與人類重大疾病的關系研究方面。硫化氫被認為是引發人吸入性死亡的第二大氣體，僅次于一氧化碳[9]。濃度為45 mg·m-3的硫化氫會導致嗅覺疲勞和鼻腔功能障礙。濃度高于150 mg·m-3的硫化氫會導致頭痛、頭暈和呼吸衰竭，甚至會引發呼吸癱瘓、癲癇發作和意識喪失[10]。短暫接觸高于750 mg·m-3濃度的硫化氫可能會立即致命[11]。但關于外源性硫化氫暴露對動物的影響機制及其在動物體內代謝規律的研究相對較少。因此，本文主要從外源性硫化氫的性質及毒性機制、外源性硫化氫對動物機體的危害、外源性硫化氫進入動物體內的途徑和分布狀況及新陳代謝等4個方面進行綜述，以期為外源性硫化氫對畜禽健康影響機制研究提供參考，為動物健康養殖提供理論依據。

1 硫化氫性質及其毒性機制

硫化氫由兩個氫原子和一個硫原子組成，化學分子式為H2S，其相對分子量為34.08，密度較空氣大。硫化氫微溶于水，同時也具有脂溶性[12]。在37 ℃條件下，硫化氫易溶于溶解度約為80 mmol·L-1的水中[13]。溶于水后，能迅速達到H2S/HS-/S2-的平衡。研究發現，在生理pH為7.4和37 ℃時，19%的硫化物是H2S，近81%的硫化物是HS-[14]，硫化氫氣體和硫化氫陰離子這兩種形式可以在血液和組織之間擴散[15]。

H2S被描述為有毒分子已有300多年的歷史，但迄今仍缺乏有效預防和治療硫化氫中毒的方法，因此，研究硫化氫毒性機制，對進一步闡明其損傷機制、毒理作用，提高預防和治療水平具有十分重要的意義。研究表明，硫化氫可與組織中的堿性物質結合形成硫化鈉，硫化鈉具有腐蝕性，會對眼和呼吸道造成損傷，進入血液后釋放硫化氫，繼而引發急性肺炎或者肺水腫[16]。研究發現，硫化氫亦可使腦和肝中三磷酸腺苷酶活性降低，與體內谷胱甘肽(GSH)中的巰基結合，使谷胱甘肽失活，影響了體內生物氧化過程，加重了組織缺氧。肝細胞暴露于高濃度的NaHS(0.5 mmol·L-1)會導致細胞中的谷胱甘肽耗竭和迅速壞死[17]。同時，也有研究發現，當外界硫化氫的濃度過高，體內的游離硫化氫和硫化物來不及氧化時，硫化氫主要與呼吸鏈中細胞色素氧化酶中二硫鍵或Fe3+結合，使之失去傳遞電子的能力，造成組織細胞內窒息，尤以神經系統敏感，因此，硫化氫和一氧化碳、氰化物和疊氮化合物被歸類為細胞窒息劑[18]。細胞色素氧化酶是氧化的末端酶，在調節細胞能量產生中起重要作用，抑制這些酶將導致氧化磷酸化的終止，而氧化磷酸化是三磷酸腺苷(ATP)合成的主要來源。因此，硫化氫導致氧化代謝的紊亂，繼而會影響到對氧氣需求較高的靶器官[19]，細胞色素氧化酶活性的抑制被認為是硫化氫暴露的一個敏感的生物標志物[20]。綜合上述研究發現，硫化氫吸收后主要與呼吸鏈中細胞色素氧化酶結合，影響細胞氧化過程，造成組織缺氧；與谷胱甘肽結合，促使腦和肝中的三磷酸腺苷酶活性降低，但具體的硫化氫對生物機體的損害作用及其作用機理尚不完全清楚，硫化氫具有較強的毒性作用，尤其是在豬等畜禽體內的毒物代謝動力學還有待進一步研究。

2 硫化氫對動物機體的危害

硫化氫中毒時會對機體造成危害，主要以神經系統和呼吸系統為主，也伴有心等多臟器的損傷。硫化氫通過呼吸系統進入肺泡，隨后進入肺泡毛細血管，再由血液循環到達各種組織和器官[21]。需氧量高或黏膜暴露的組織，如呼吸、神經和心血管組織等，最容易受到低濃度硫化氫的影響，被認為是主要的靶器官[22]。氣管組織形態學觀察發現，肉仔雞暴露在18 mg·m-3濃度的硫化氫下，氣管黏膜變薄，纖毛長度變短脫落，黏液分泌增多[23]。肉雞暴露在20 mg·m-3硫化氫濃度下，氣管細胞凋亡[24]。Sprague-Dawley大鼠暴露在300 mg·m-3硫化氫濃度下，鼻腔呼吸道上皮損傷，鼻背內側鼻腔嗅上皮神經元和支撐細胞呈對稱急性階段性壞死[25]。硫化氫吸入能激發炎癥反應，引發呼吸爆發，釋放大量的炎癥介質和氧自由基，促發機體氧化應激反應，導致中毒性肺水腫。研究發現，肉雞暴露在20 mg·m-3硫化氫濃度下，可觸發NF-κB 途徑誘導Th1/Th2失衡，抑制PPAR-γ/HO-1的抗炎作用，從而加重LPS誘導的肺炎[26]。斷奶仔豬暴露在30 mg·m-3硫化氫濃度下，通過IL-17信號通路、鐵質化和壞死等途徑誘發肺部損傷[27]。在神經系統研究中發現，C57BL/6 J小鼠暴露在975～1 125 mg·m-3硫化氫濃度下，磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)中發現下丘腦產生神經變性，小膠質細胞和星形膠質細胞會釋放IL-1β和IL-18[28]。心是硫化氫中毒作用的重要靶器官之一，硫化氫中毒可導致橫紋肌溶解和心肌損傷[29]。研究表明，肉雞暴露在46 mg·m-3硫化氫濃度下，體內產生氧化應激，能量代謝紊亂，導致細胞凋亡，進而損傷心肌[30]。研究發現，硫化氫暴露亦會誘導雞肝、空腸和法氏囊細胞凋亡[31-33]。綜上，硫化氫會導致氣管、肺、下丘腦和心等多臟器損害，打破氧化應激平衡狀態，促進細胞凋亡，引發炎癥，導致病理損傷甚至死亡。目前，硫化氫在畜禽上的研究多以肉雞為模型，在豬上面的研究很少，而豬的呼吸系統與人的最為相似[34]，因此，接下來應開展以豬為模式動物的研究，為人類吸入硫化氫的病理研究提供理論依據。

3 硫化氫的吸收及體內的分布規律

硫化氫是一種氣態物質，吸入是其進入動物體內的主要方式[35]。硫化氫在吸入后經血液分布到全身，肺部是主要的吸收部位。早期的一項研究表明，暴露于硫化氫中的魚類，其鰓中的硫化物濃度超過了大腦中的硫化物濃度，而且呼吸暫停先于心功能的喪失[36]。研究發現，雄性Wistar大鼠暴露于110 mg·m-3硫化氫濃度后，血液中硫化氮濃度為10 μg·mL-1，心中為37 μg·g-1，腎中為30 μg·g-1，腦中為25 μg·g-1，脾中為25 μg·g-1，肺中為20 μg·g-1，肝中為20 μg·g-1；且無論持續時間長短，其硫化氫分布比例基本不變[37]。Dorman等[38]將雄性CD大鼠暴露在濃度為14、42、112、280和560 mg·m-3的硫化氫環境中，檢測其肝、肺、后腦、呼吸道上皮和嗅覺上皮硫化物的濃度，發現當硫化氫濃度低于112 mg·m-3時，僅在肝和肺檢測到硫化物；當暴露于硫化氫濃度為280和560 mg·m-3時，均可檢測到硫化物。從目前的研究可見，硫化氫在體內各個組織器官的分布無明顯的規律特征，且相關研究較少，在畜禽體內的研究亦未見報道。因此，尚需建立健全統一規范的血液、組織或器官中硫化氫微痕量檢測方法，對不同暴露濃度、不同暴露時間，對不同畜禽、不同部位的硫化氫開展系統研究，闡明硫化氫在畜禽體內的吸收、代謝和分布規律，為硫化氫暴露安全閾值的設定提供理論基礎。

4 硫化氫在動物體內的分解代謝途徑

硫化氫的代謝在毒理學和法醫學研究方面具有非常重要的意義，較高濃度的硫化氫具有潛在毒性，可通過抑制細胞色素氧化酶破壞細胞呼吸作用。為防止毒性損害，根據特定的生理需求，機體不同的組織和器官會對硫化氫進行不同的調節。目前，硫化氫的分解代謝途徑主要有以下幾種方式(圖1)。

圖1 硫化氫分解代謝的途徑[39]Fig.1 Metabolic pathways of hydrogen sulfide[39]

4.1 氧化

肝、血液、腎和腸黏膜等組織器官中均會發生硫化氫氧化[40]。代謝標記法證明了硫化氫氧化為硫代硫酸鹽和硫酸鹽的能力[41]。硫化氫的氧化過程包括非酶促途徑和酶促途徑。在硫酸鹽形成過程中，氧化的硫化氫與另一分子硫化氫結合，在線粒體中形成一分子硫代硫酸鹽。這一步驟不需要任何酶，且已在分離的大鼠腎和肝中得到證實[42]。在線粒體中硫化氫氧化主要通過酶促反應進行，這一途徑包括4種不同的、但功能相關的酶，它們共同協作催化硫化氫分解為硫代硫酸鹽和硫酸鹽。在硫化醌氧化還原酶(sulfide quinone oxidoreductase,SQR)的作用下將硫原子轉移到硫醇(sulfur alcohol，RSH)上，這是催化線粒體氧化的第一步。然后，在過硫化物雙加氧酶(persulfide dioxygenase，PDO)的作用下進一步氧化為亞硫酸鹽(sulfite，SO32-)。亞硫酸鹽可以被亞硫酸鹽氧化酶(sulfite oxidase，SOX)氧化成硫酸鹽(sulfate，SO42-)，也可以被硫代硫酸鹽硫轉移酶(thiosulfate sulfur transferase，TST)還原成硫代硫酸鹽(thiosulfate，S2O32-)[43]。在不同的組織中，線粒體氧化硫化氫為硫代硫酸鹽和硫酸鹽的速率有所不同[44]。線粒體氧化硫化氫的速率是由氧含量決定的。組織中硫化氫的穩態水平是通過有效的氧化來維持在較低的水平。然而，在氧氣供應減少的情況下，硫化氫代謝被破壞，其濃度增加，因此其成為各種組織中重要的氧傳感器。

4.2 與血紅蛋白的相互作用

硫化氫與血紅蛋白相互作用，生成硫血紅蛋白[45]。研究發現，血液中高鐵血紅蛋白(methemoglobin，MetHb)和心中高鐵肌紅蛋白(metmyoglobin，MetMb)都能與硫化氫發生反應。因此，MetHb和MetMb可以作為硫化物清除劑，幫助清除有毒的硫化物，而不會干擾血紅蛋白和肌紅蛋白分別作為血液和心中氧氣載體的功能[46-47](圖2)。對在硫化氫暴露的環境(0～0.14 mg·m-3)中工作的人群進行研究時發現，硫化氫組的高鐵血紅蛋白濃度(3.07%)顯著高于對照組(0.92%)[48]。成年Sprague-Dawley大鼠注射硫氫化鈉(NaHS),血液中外源性硫化氫的減少或氧化是高鐵血紅蛋白在體內的主要作用[49]。綜上，高鐵血紅蛋白與硫化氫的相互作用是一種可能的解毒途徑[50]。

圖2 硫化氫與蛋白質的相互作用[48]Fig.2 The interaction of hydrogen sulfide and protein[48]

4.3 甲基化

甲基化是硫化氫代謝和清除的二級機制。甲基化主要發生在細胞質中。硫化氫甲基化代謝的證據主要來自體外Sprague-Dawley大鼠腸黏膜的試驗。硫醇-S-甲基轉移酶催化硫化氫甲基化成為甲硫醇，甲硫醇又可以作為底物被硫醇-S-甲基轉移酶催化為甲基硫醚[51]。硫醇-S-甲基轉移酶分布較廣，在盲腸、結腸黏膜、肝、肺以及腎中活性最高，在腸胃的其他部分、脾、心和骨骼肌中活性較低，糞便中無活性[52]。與硫化物氧化相比，硫化物甲基化緩慢。研究中發現，結腸黏膜中硫化氫甲基化的速度比硫化氫的氧化速度慢1萬倍[53]。

4.4 排泄

硫化氫可以通過尿液或者呼氣的方式排出體外。研究發現，家兔暴露在139～278 mg·m-3硫化氫濃度下，24 h后，尿液中檢測到硫代硫酸鹽[54]。對8名職業環境暴露于硫化氫的志愿者尿液進行檢測發現，暴露前尿中硫代硫酸鹽平均濃度為4.6 μmol·L-1，暴露后尿中硫代硫酸鹽濃度上升至11.5 μmol·L-1，8名志愿者中有6名暴露于硫化氫后尿中硫代硫酸鹽含量增加[55]。研究表明，靜脈注射硫化鈉后，呼出的氣體中檢測出大量硫化氫[56]。呼氣可能為硫化氫的處理提供了路徑。在感染性休克、失血性休克和慢性阻塞性肺病等病理條件下可在呼氣中檢測到硫化氫[57-59]。在健康人體內，肺泡中只含有0.038～0.076 mg·m-3的硫化氫[60]。然而，由于沒有足夠的數據支撐，目前尚不清楚在生理和病理情況下，有多少硫化氫通過尿液和呼氣的方式流失。

綜上所述，硫化氫在動物體內的分解代謝途徑主要是通過線粒體的氧化作用。目前，對線粒體硫化物氧化途徑的看法存在爭議。線粒體硫化物氧化途徑在介導硫化物、O2和其他氣體遞質之間復雜的相互作用中起著關鍵作用[61]，這一途徑的生理功能很可能遠遠超出了對硫化氫的清除。這一途徑在特定生理或病理條件下對細胞生物能量學的影響，以及它產生生物活性硫代謝物(如硫代硫酸鹽)的能力需要被更好地確定。對硫化氫分解代謝的了解，特別是對其在生理學和病理生理學中意義的了解，仍需更加系統和深入的研究。

5 展 望

目前研究認為，硫化氫在體內的積累可能會導致器官毒性，從而影響動物的健康水平。硫化氫在動物體內的代謝研究雖然已有相關報道，但仍有很多問題尚待深入研究，如外源性硫化氫在不同畜禽體內的吸收分布及代謝規律；低濃度(生理濃度)硫化氫對畜禽的生理調控機制；非生理濃度下硫化氫長期暴露對畜禽的影響機制及安全閾值；硫化氫急性暴露中毒及解毒機制；快速高效檢測畜禽體內靶器官、組織中硫化物的方法等。

隨著畜牧業的飛速發展，硫化氫作為畜禽舍中的主要廢氣，影響著農牧業生產活動、畜禽生長性能以及相關工作人員的健康。而目前關于畜禽舍內硫化氫的減排方面，較多研究集中在硫化氫的監測技術，今后的研究方向可從源頭減排、養殖過程控制以及糞污終端處理等方面降低硫化氫的排放，有效避免硫化氫對動物機體的損害。