海洋動物體內氧化三甲胺和甘氨酸甜菜堿的濃度特征及影響因素

陸長坤 宋若晗 曲克明 崔正國 趙婉玉 胡清靜 畢相東

摘要 氧化三甲胺（TMAO）和甜菜堿（GBT）廣泛存在于海洋生物體內，它們被降解后產(chǎn)生的有機胺可通過海氣交換進入大氣中，進而可以促進新粒子生成及增長，具有潛在重要的氣候效應。多數(shù)研究認為浮游植物體內含有大量的TMAO和GBT，它們是海洋大氣中有機胺的主要貢獻者。也有研究發(fā)現(xiàn)海洋動物體內也含有TMAO和GBT，但它們對大氣中有機胺的貢獻報道較少。概述了不同類型海洋動物體內TMAO和GBT合成方式及它們降解為有機胺的途徑，歸納了不同海洋動物體內TMAO和GBT的濃度分布特征，探討了影響動物體內TMAO和GBT濃度的因素，剖析了該領域待解決的科學問題，并對今后的研究工作進行了展望，以期為認識海洋環(huán)境中有機胺來源及其氣候效應提供科學參考。

關鍵詞 海洋動物;氧化三甲胺;甘氨酸甜菜堿;濃度;影響因素

中圖分類號 S917.4? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）22-0018-11

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.22.005

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Concentration Characteristics and Influencing Factors of Trimethylamine Oxide and Glycine Betaine in Marine Animals

LU Chang-kun ??SONG Ruo-han ??QU Ke-ming 3 et al

（1. College of Fishery， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300392;2.Yellow Sea Fisheries Research Institute， Chinese Academy of Fishery Sciences， Key Laboratory of Sustainable Development of Marine Fisheries， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Qingdao，Shandong 266071;3. Laboratory for Marine Fisheries Science and Food Production Processes， Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology （Qingdao）， Qingdao，Shandong 266071）

Abstract Trimethylamine oxide （TMAO） and Glycine betaine （GBT） are widely present in marine organisms. The organic amines produced after they are degraded can enter the atmosphere through air-sea exchange， which can promote the generation and growth of new particles， which has a potentially important climate effect. Most studies believe that phytoplankton contains a large amount of TMAO and GBT， which are the main contributors to organic amines in the ocean atmosphere. Some studies have found that marine animals also contain TMAO and GBT， but their contribution to organic amines in the atmosphere is rarely reported. This article summarized the synthesis methods of TMAO and GBT in different types of marine animals and their degradation to organic amines， concluded the distribution characteristics of TMAO and GBT in different marine animals， and discussed the factors that affect the concentrations of TMAO and GBT in animals， analyzed scientific problems to be solved in this field， and forecasted future research work， in order to provide a scientific reference for understanding the sources of organic amines in the marine environment and their climate effects.

Key words Marine animals;Trimethylamine oxide;Glycine betaine;Concentration;Influencing factors

近年研究表明，大氣中的甲胺（MMA）、二甲胺（DMA）和三甲胺（TMA）可以促進新粒子的生成及顆粒物增長，進而增加云凝結核數(shù)濃度，通過改變輻射強迫對氣候變化產(chǎn)生重要影響[1-4]。因此，有機胺是當今國際的研究熱點之一。海洋是有機胺的重要來源，海洋生物體內的氧化三甲胺（TMAO）、甘氨酸甜菜堿（GBT）、膽堿（CHO）等有機胺前體物被細菌降解后會產(chǎn)生有機胺[5-10]，然后通過海氣交換進入大氣中，其對全球大氣中有機胺的貢獻約占28%[11]。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，海洋水體或大氣中有機胺的濃度隨浮游植物生物量的增加而增加，且在浮游植物體內檢測出大量的TMAO和GBT[12-16]，因此，推測浮游植物是海洋環(huán)境中有機胺的主要貢獻者。但是，除了浮游植物外，海洋動物體內也含有大量的TMAO和GBT等有機胺前體物[17-19]。1938年Beatty[20]在腐爛的魚體中第一次發(fā)現(xiàn)了TMAO的代謝產(chǎn)物TMA。Namies′nik等[21]在Gdańsk城市的魚攤附近測得大氣中MMA、DMA和TMA的濃度分別高達112.4、140.1和24.3 mg/m3。Hu等[15]研究發(fā)現(xiàn)我國近海大氣顆粒物中DMA+、TMA+的濃度比世界其他海域高1～3個數(shù)量級，推測其可能與我國近海大規(guī)模的海水養(yǎng)殖有關。這說明海洋魚類等動物體內的TMAO可能對大氣中有機胺具有重要的貢獻。盡管現(xiàn)階段對于不同種類海洋浮游植物體內有機胺前體物的濃度特征及影響因素的研究開展了大量的工作[7，9，22-25]，但關于海洋動物體內TMAO和GBT的濃度特征及影響因素的研究較少。此外，TMAO和GBT還具有為海洋動物提供浮力[26]、調節(jié)滲透壓[27-29]、維持其蛋白質結構和功能穩(wěn)定等重要作用[30-37]。筆者對不同種類海洋動物體內TMAO和GBT的代謝途徑、濃度特征和影響因素等進行了詳細的綜述，從而為進一步認識海洋動物對大氣中有機胺的貢獻、評估其潛在氣候效應提供理論依據(jù)。

1 海洋動物體內TMAO和GBT的合成與降解

1.1 海洋動物體內TMAO和GBT的合成

海洋動物體內的TMAO和GBT主要有2個來源（圖1）：①動物自身合成，一些浮游植物體內的CHO、磷脂酰膽堿和肉堿等在單加氧酶的催化下氧化為甜菜堿醛，然后在甜菜堿醛脫氫酶的作用下氧化為GBT，GBT經(jīng)甜菜堿脫甲基作用后產(chǎn)生TMA，最后由三甲胺氧化酶將TMA氧化為TMAO[17，38-42];②從攝取的食物中直接積累[43]，部分海洋動物不能合成TMAO或GBT[44]，必須通過攝食藻類或小型動物等獲得[ 45-49]。

1.2 海洋動物體內TMAO和GBT的降解

海洋動物體內TMAO的降解主要有2種途徑（圖1）：①外源途徑，主要通過海洋細菌產(chǎn)生的TMAO還原酶等降解為TMA[1 18，2 50-52];②海洋動物的內源性酶解，即在動物體內TMAO去甲基化酶的作用下直接降解為DMA和甲醛[53-55]。GBT是通過甜菜堿脫甲基作用降解為TMA[56]，之后TMA經(jīng)過三甲胺脫氫酶的作用生成DMA，或是先由三甲胺氧化酶催化生成TMAO，再經(jīng)氧化三甲胺脫甲基酶生成DMA;最后DMA在二甲胺脫氫酶的催化作用下生成MMA，MMA再進一步被降解為氨氣（圖1）。

2 海洋動物體內TMAO和GBT的含量特征

2.1 海洋動物體內TMAO和GBT的含量

TMAO廣泛存在于海洋動物中[57-58]，其含量高達魚類、甲殼類等動物組織干重的7%[4 59]。通過對230種海洋動物統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，海洋動物體內TMAO含量是0.01～25.01 g/kg，但不同種類動物體內TMAO的含量存在差異（表1），整體呈現(xiàn)軟骨魚類>頭足類>甲殼類>硬骨魚類>貝類的趨勢（圖2）。軟骨魚類體內TMAO平均含量為9.58 g/kg，70%軟骨魚類TMAO含量在5.00 g/kg以上，其中，鯊魚、鰩魚含量分別為10.09、12.41 g/kg，深海鰩更是高達21.71 g/kg[5]。軟骨魚TMAO含量約為甲殼類動物的2倍，是貝類含量的10倍之多。頭足類動物TMAO含量次之，平均在8.02 g/kg，是硬骨魚類的2倍多。甲殼類動物TMAO平均含量為5.36 g/kg，其中50%甲殼類動物TMAO含量分布在1.00～5.00 g/kg，含量最高的是真蝦（Caridean shrimp），達到22.46 g/kg[60]，最低的刀額新對蝦（Metapenaeus ensis）僅含0.05 g/kg[61]。70%的硬骨魚含量低于3.50 g/kg，但有個別極地硬骨魚肌肉中TMAO含量高達21.78 g/kg[62]，其中，含量最低的是長尾蛇魚（Macrurous berglax）和鯰魚（Silurus asotus），均為0.02 g/kg[63-64]。在所有種類海洋動物中，貝類中TMAO平均含量最低，僅為0.98 g/kg，這可能是因為其常棲息于河口附近或有少量淡水注入的淺海內灣中，環(huán)境鹽度較低，從而導致TMAO含量較低。因此，各種動物生活習性以及所處環(huán)境的不同會導致體內TMAO含量存在差異。

GBT也是甲殼類、貝類等海洋動物體內主要的滲透調節(jié)物質之一，但目前國際上對于海洋動物體內GBT的報道較少。通過對42種不同種類海洋動物統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，GBT在海洋動物體內的含量為0.01～16.82 g/kg（表2），其在不同種類動物體內的含量與TMAO相反，整體呈現(xiàn)貝類>硬骨魚類≈甲殼類≈頭足類>軟骨魚類（圖2）。含量最高的是貝類，平均在4.95 g/kg，約為軟骨魚類（2.60 g/kg）的2倍，其中貽貝含量可高達10.00 g/kg[66]。貝類體內GBT較高，可能與它們攝食含GBT較高的浮游植物有關。頭足類、硬骨魚類和甲殼類含量相差不明顯，分別為4.10、4.13和 4.26 g/kg。

2.2 海洋動物組織器官中TMAO和GBT的分布特征

TMAO和GBT在海洋動物體內的分布并不均勻（表3），整體呈現(xiàn)肌肉>心臟>腎臟≈腦>肝臟的趨勢（圖3）。海洋動物肌肉中TMAO平均含量為6.80 g/kg，其中黑霞鯊（Centroscyllium fabricii）肌肉中TMAO含量達18.63 g/kg[63]。海洋動物心臟中含量次之（4.70 g/kg），黑霞鯊心臟中TMAO含量可達13.52 g/kg[63]。而在腎臟和腦組織中TMAO含量差別不大，其平均含量分別為3.66和3.25 g/kg。肝臟含量最低，TMAO含量為1.55 g/kg。

關于海洋動物不同組織內GBT含量的報道較少，Treberg等[49]報道冬鰩魚（Leucoraja ocellata）心臟中GBT含量高達3.16 g/kg，顯著高于其他組織器官，角鯊組織器官中GBT也主要聚積在心臟。

3 海洋動物體內TMAO和GBT含量的主要影響因素

3.1 深度

海洋動物體內TMAO含量受環(huán)境深度的影響較大，主要因為TMAO具有增加海洋動物浮力的作用。海洋動物所處環(huán)境越深，外部的壓力越大，從而促使動物體內積累更高濃度的TMAO以應對環(huán)境壓力[ 3 67]。Yancey等[68]在對太平洋幾種硬骨魚類的研究發(fā)現(xiàn)，隨著水深從0到1 400 m逐漸增加時，其肌肉中TMAO含量從3.00 g/kg增加至11.25 g/kg。Keller等[69]通過對不同深度下同一物種中TMAO含量進行檢測發(fā)現(xiàn)，深海（4 850 m）硬骨魚肌肉中TMAO的含量是近岸淺水區(qū)個體的5倍。在大西洋4 800 m深處的長尾鱈魚肌肉中TMAO含量高達19.58 g/kg[70]。在水深7 000 m的克馬德里海溝，黑線鱈體內TMAO含量高達28.95 g/kg，幾乎是透光區(qū)魚類平均含量的8倍[71]。

通過對28種軟骨魚及58種硬骨魚體內TMAO含量及其所棲息的深度分析發(fā)現(xiàn)（圖4），這2類魚類體內TMAO含量隨深度的增加而顯著增高[3 49，67，69-70]。通過對<500 m、500～2 000 m和>2 000 m 3種水深中的5大類（軟骨魚類、頭足類、甲殼類、硬骨魚類和貝類）動物統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)（圖5），當水深<500 m時，軟骨魚類體內TMAO含量最高（為5.63 g/kg），是其他4類（頭足類、甲殼類、硬骨魚類和貝類）的3.1～5.8倍;當水深在500～2 000 m時，依然是軟骨魚類體內TMAO含量最高，而甲殼類和頭足類含量相近，約占軟骨魚類的75%，硬骨魚類含量最低，約為軟骨魚類的47%;當水深>2 000 m時，甲殼類TMAO平均含量為16.49 g/kg，與軟骨魚類和頭足類含量相差不大，是硬骨魚類的1.9倍。對于同種類型的動物來說，水深>2 000 m的軟骨魚類體內TMAO含量分別是500～2 000 m和<500 m的1.4和2.7倍，硬骨魚類分別為1.6和5.6倍，甲殼類動物分別為2.0和9.0倍，頭足類動物為2.3和12.4倍。說明頭足類動物體內TMAO隨深度變化最顯著，硬骨魚類、甲殼類次之，軟骨魚類變化最小。

并非所有報道都表明TMAO含量隨深度增加而增加，Laxson等[ 17]研究表明TMAO含量不會隨著深度的變化而發(fā)生變化。這也說明不同海洋動物對深度的敏感性存在差異。

3.2 鹽度

TMAO是海洋動物重要的滲透調節(jié)物質，鹽度也會影響海洋動物體內TMAO含量。廣鹽性白真鯊從淡水中放入海水中，體內TMAO含量增加到之前的1.5倍[72]。當鹽度減小為80%時，廣鹽性鰩魚體內TMAO含量降低了5%;當鹽度減小為50%時，TMAO的含量降低了36%[73]。Summers等[18]研究發(fā)現(xiàn)，當海洋魚類進入到低鹽度河口水域時，其體內TMAO含量往往很低。將鳉魚（Killifish）從100%的海水轉移到淡水時，也觀察到其肌肉中TMAO含量下降了46%[74]。在對白斑角鯊（Squalus acanthias）的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境鹽度降低至70%時，白斑角鯊的腮中TMAO含量會下降至原來的85%[65]。Chung等[75]通過對香港89種（共266條）淡水魚、海水和淡水兩棲的魚、海水魚體內的TMAO分析發(fā)現(xiàn)，75%的海水和淡水兩棲的魚中可檢測出TMAO，而僅有33%的淡水魚中可檢測出TMAO。因此，海洋動物為應對較高鹽度壓力，其體內會積累更多的TMAO。

鹽度對海洋動物體內GBT含量也具有顯著的影響。海洋動物在高鹽度環(huán)境中積累大量GBT，并在鹽度降低時釋放。一般情況下，海洋動物體內GBT含量是淡水動物的10～100倍[76]。Brictkux-Grégoire等[77]研究發(fā)現(xiàn)，鹽度下降50%時，貽貝的肌肉中GBT含量會降低35%。Delgado-Gaytán等[78]研究也表明，與對照組鹽度（35‰）相比，在40‰、50‰和60‰的鹽度下，蝦鰓中GBT含量高出7.3～8.3倍，而在肌肉中GBT含量則高出9倍。因此，為適應鹽度的壓力，海洋動物體內TMAO或GBT含量遠高于淡水動物[57，65]。

3.3 溫度

TMAO和GBT作為海洋動物重要的冷凍保護劑，其含量也會受溫度的影響。Treberg等[33]的室內試驗顯示，低溫可以誘導胡瓜魚（Osmerus mordaxa）體內TMAO的積聚。在格陵蘭鱈魚（Gadus ogac）等一些冷水動物的血清和肝臟中，TMAO水平異常高（0.60～2.10 g/kg）[79-81]。在夏季溫度較高時，長鰭線指鰕翁（Nemadactylus macropterus）和綠鰭魚（Chelidonichthys kumu）TMAO含量會降低[18]。在冬季溫度較低時，三文魚（Oncorhynchus）的血清、彩虹魚（Poecilia）的血漿和鯡魚（Herring）的肌肉中TMAO含量都有所增加[6 79，82]。林海生等[66]研究發(fā)現(xiàn)我國南北方海域牡蠣中GBT含量呈現(xiàn)“南低北高”的特征，這可能是由于北方溫度較南方低造成的。因此，溫度較低時，海洋動物體內會產(chǎn)生較多的TMAO或GBT以適應溫度較低的環(huán)境[3 67]。

4 展望

綜上所述，雖然目前國內外對海洋動物體內TMAO和GBT的合成與降解途徑、濃度特征及影響因素進行了較多研究，但還有許多問題需要解決，具體體現(xiàn)在以下3點：

①現(xiàn)階段國內外對海洋動物體內TMAO開展了一定研究，但對GBT報道較少，未來需加強在海洋動物體內GBT的代謝機制、不同組織的濃度特征及影響因素等方面的研究;

②揭示海洋動物體內TMAO和GBT的轉化機制，闡明不同種類海洋動物體內兩者濃度存在差異的原因;

③我國是世界海水養(yǎng)殖第一大國，進一步探索我國大規(guī)模海水養(yǎng)殖生物體內TMAO和GBT對水體及大氣中有機胺的貢獻及其潛在的氣候效應。

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