外源性硫化氫的毒性機(jī)制及在動(dòng)物體內(nèi)代謝的研究進(jìn)展

謝彥嬌，劉 真，陳 磊，苗啟翔，張宏福，唐湘方

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所 動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

硫化氫是一種無(wú)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(lái)源于天然氣、硫磺礦床、化工副產(chǎn)品、沼氣和動(dòng)物養(yǎng)殖場(chǎng)等[2-5]。它是畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)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(fēng)不暢的畜禽舍內(nèi)蓄積[6]。研究表明，通常情況下豬舍內(nèi)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(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)硫化氫的意外爆炸性釋放的現(xiàn)象，硫化氫的濃度會(huì)急劇增加[8]。目前，關(guān)于硫化氫的研究主要集中在毒性及其作為氣體信號(hào)分子對(duì)人體生理系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)制、內(nèi)源性硫化氫的合成代謝過(guò)程與人類重大疾病的關(guān)系研究方面。硫化氫被認(rèn)為是引發(fā)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(huì)導(dǎo)致嗅覺(jué)疲勞和鼻腔功能障礙。濃度高于150 mg·m-3的硫化氫會(huì)導(dǎo)致頭痛、頭暈和呼吸衰竭，甚至?xí)l(fā)呼吸癱瘓、癲癇發(fā)作和意識(shí)喪失[10]。短暫接觸高于750 mg·m-3濃度的硫化氫可能會(huì)立即致命[11]。但關(guān)于外源性硫化氫暴露對(duì)動(dòng)物的影響機(jī)制及其在動(dòng)物體內(nèi)代謝規(guī)律的研究相對(duì)較少。因此，本文主要從外源性硫化氫的性質(zhì)及毒性機(jī)制、外源性硫化氫對(duì)動(dòng)物機(jī)體的危害、外源性硫化氫進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)的途徑和分布狀況及新陳代謝等4個(gè)方面進(jìn)行綜述，以期為外源性硫化氫對(duì)畜禽健康影響機(jī)制研究提供參考，為動(dòng)物健康養(yǎng)殖提供理論依據(jù)。

1 硫化氫性質(zhì)及其毒性機(jī)制

硫化氫由兩個(gè)氫原子和一個(gè)硫原子組成，化學(xué)分子式為H2S，其相對(duì)分子量為34.08，密度較空氣大。硫化氫微溶于水，同時(shí)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(dá)到H2S/HS-/S2-的平衡。研究發(fā)現(xiàn)，在生理pH為7.4和37 ℃時(shí)，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(kuò)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(yù)防和治療硫化氫中毒的方法，因此，研究硫化氫毒性機(jī)制，對(duì)進(jìn)一步闡明其損傷機(jī)制、毒理作用，提高預(yù)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(zhì)結(jié)合形成硫化鈉，硫化鈉具有腐蝕性，會(huì)對(duì)眼和呼吸道造成損傷，進(jìn)入血液后釋放硫化氫，繼而引發(fā)急性肺炎或者肺水腫[16]。研究發(fā)現(xiàn)，硫化氫亦可使腦和肝中三磷酸腺苷酶活性降低，與體內(nèi)谷胱甘肽(GSH)中的巰基結(jié)合，使谷胱甘肽失活，影響了體內(nèi)生物氧化過(guò)程，加重了組織缺氧。肝細(xì)胞暴露于高濃度的NaHS(0.5 mmol·L-1)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞中的谷胱甘肽耗竭和迅速壞死[17]。同時(shí)，也有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外界硫化氫的濃度過(guò)高，體內(nèi)的游離硫化氫和硫化物來(lái)不及氧化時(shí)，硫化氫主要與呼吸鏈中細(xì)胞色素氧化酶中二硫鍵或Fe3+結(jié)合，使之失去傳遞電子的能力，造成組織細(xì)胞內(nèi)窒息，尤以神經(jīng)系統(tǒng)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(xì)胞窒息劑[18]。細(xì)胞色素氧化酶是氧化的末端酶，在調(diào)節(jié)細(xì)胞能量產(chǎn)生中起重要作用，抑制這些酶將導(dǎo)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(lái)源。因此，硫化氫導(dǎo)致氧化代謝的紊亂，繼而會(huì)影響到對(duì)氧氣需求較高的靶器官[19]，細(xì)胞色素氧化酶活性的抑制被認(rèn)為是硫化氫暴露的一個(gè)敏感的生物標(biāo)志物[20]。綜合上述研究發(fā)現(xiàn)，硫化氫吸收后主要與呼吸鏈中細(xì)胞色素氧化酶結(jié)合，影響細(xì)胞氧化過(guò)程，造成組織缺氧；與谷胱甘肽結(jié)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(duì)生物機(jī)體的損害作用及其作用機(jī)理尚不完全清楚，硫化氫具有較強(qiáng)的毒性作用，尤其是在豬等畜禽體內(nèi)的毒物代謝動(dòng)力學(xué)還有待進(jìn)一步研究。

2 硫化氫對(duì)動(dòng)物機(jī)體的危害

硫化氫中毒時(shí)會(huì)對(duì)機(jī)體造成危害，主要以神經(jīng)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)為主，也伴有心等多臟器的損傷。硫化氫通過(guò)呼吸系統(tǒng)進(jìn)入肺泡，隨后進(jìn)入肺泡毛細(xì)血管，再由血液循環(huán)到達(dá)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(jīng)和心血管組織等，最容易受到低濃度硫化氫的影響，被認(rèn)為是主要的靶器官[22]。氣管組織形態(tài)學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)，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(zhǎng)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(xì)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(nèi)側(cè)鼻腔嗅上皮神經(jīng)元和支撐細(xì)胞呈對(duì)稱急性階段性壞死[25]。硫化氫吸入能激發(fā)炎癥反應(yīng)，引發(fā)呼吸爆發(fā)，釋放大量的炎癥介質(zhì)和氧自由基，促發(fā)機(jī)體氧化應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致中毒性肺水腫。研究發(fā)現(xiàn)，肉雞暴露在20 mg·m-3硫化氫濃度下，可觸發(fā)NF-κB 途徑誘導(dǎo)Th1/Th2失衡，抑制PPAR-γ/HO-1的抗炎作用，從而加重LPS誘導(dǎo)的肺炎[26]。斷奶仔豬暴露在30 mg·m-3硫化氫濃度下，通過(guò)IL-17信號(hào)通路、鐵質(zhì)化和壞死等途徑誘發(fā)肺部損傷[27]。在神經(jīng)系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)下丘腦產(chǎn)生神經(jīng)變性，小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)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(dǎo)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(nèi)產(chǎn)生氧化應(yīng)激，能量代謝紊亂，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，進(jìn)而損傷心肌[30]。研究發(fā)現(xiàn)，硫化氫暴露亦會(huì)誘導(dǎo)雞肝、空腸和法氏囊細(xì)胞凋亡[31-33]。綜上，硫化氫會(huì)導(dǎo)致氣管、肺、下丘腦和心等多臟器損害，打破氧化應(yīng)激平衡狀態(tài)，促進(jìn)細(xì)胞凋亡，引發(fā)炎癥，導(dǎo)致病理?yè)p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(tǒng)與人的最為相似[34]，因此，接下來(lái)應(yīng)開(kāi)展以豬為模式動(dòng)物的研究，為人類吸入硫化氫的病理研究提供理論依據(jù)。

3 硫化氫的吸收及體內(nèi)的分布規(guī)律

硫化氫是一種氣態(tài)物質(zhì)，吸入是其進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)的主要方式[35]。硫化氫在吸入后經(jīng)血液分布到全身，肺部是主要的吸收部位。早期的一項(xiàng)研究表明，暴露于硫化氫中的魚(yú)類，其鰓中的硫化物濃度超過(guò)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(fā)現(xiàn)，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(wú)論持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)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(huán)境中，檢測(cè)其肝、肺、后腦、呼吸道上皮和嗅覺(jué)上皮硫化物的濃度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)硫化氫濃度低于112 mg·m-3時(shí)，僅在肝和肺檢測(cè)到硫化物；當(dāng)暴露于硫化氫濃度為280和560 mg·m-3時(shí)，均可檢測(cè)到硫化物。從目前的研究可見(jiàn)，硫化氫在體內(nèi)各個(gè)組織器官的分布無(wú)明顯的規(guī)律特征，且相關(guān)研究較少，在畜禽體內(nèi)的研究亦未見(jiàn)報(bào)道。因此，尚需建立健全統(tǒng)一規(guī)范的血液、組織或器官中硫化氫微痕量檢測(cè)方法，對(duì)不同暴露濃度、不同暴露時(shí)間，對(duì)不同畜禽、不同部位的硫化氫開(kāi)展系統(tǒng)研究，闡明硫化氫在畜禽體內(nèi)的吸收、代謝和分布規(guī)律，為硫化氫暴露安全閾值的設(shè)定提供理論基礎(chǔ)。

4 硫化氫在動(dòng)物體內(nèi)的分解代謝途徑

硫化氫的代謝在毒理學(xué)和法醫(yī)學(xué)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(guò)抑制細(xì)胞色素氧化酶破壞細(xì)胞呼吸作用。為防止毒性損害，根據(jù)特定的生理需求，機(jī)體不同的組織和器官會(huì)對(duì)硫化氫進(jìn)行不同的調(diào)節(jié)。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(huì)發(fā)生硫化氫氧化[40]。代謝標(biāo)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(guò)程包括非酶促途徑和酶促途徑。在硫酸鹽形成過(guò)程中，氧化的硫化氫與另一分子硫化氫結(jié)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(shí)[42]。在線粒體中硫化氫氧化主要通過(guò)酶促反應(yīng)進(jìn)行，這一途徑包括4種不同的、但功能相關(guān)的酶，它們共同協(xié)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(zhuǎn)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(guò)硫化物雙加氧酶(persulfide dioxygenase，PDO)的作用下進(jìn)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(zhuǎn)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(wěn)態(tài)水平是通過(guò)有效的氧化來(lái)維持在較低的水平。然而，在氧氣供應(yīng)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(fā)現(xiàn)，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(fā)生反應(yīng)。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(huì)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(duì)在硫化氫暴露的環(huán)境(0～0.14 mg·m-3)中工作的人群進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，硫化氫組的高鐵血紅蛋白濃度(3.07%)顯著高于對(duì)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(nèi)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(zhì)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(jí)機(jī)制。甲基化主要發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中。硫化氫甲基化代謝的證據(jù)主要來(lái)自體外Sprague-Dawley大鼠腸黏膜的試驗(yàn)。硫醇-S-甲基轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移酶催化為甲基硫醚[51]。硫醇-S-甲基轉(zhuǎn)移酶分布較廣，在盲腸、結(jié)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(wú)活性[52]。與硫化物氧化相比，硫化物甲基化緩慢。研究中發(fā)現(xiàn)，結(jié)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(wàn)倍[53]。

4.4 排泄

硫化氫可以通過(guò)尿液或者呼氣的方式排出體外。研究發(fā)現(xiàn)，家兔暴露在139～278 mg·m-3硫化氫濃度下，24 h后，尿液中檢測(cè)到硫代硫酸鹽[54]。對(duì)8名職業(yè)環(huán)境暴露于硫化氫的志愿者尿液進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，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(cè)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?xiàng)l件下可在呼氣中檢測(cè)到硫化氫[57-59]。在健康人體內(nèi)，肺泡中只含有0.038～0.076 mg·m-3的硫化氫[60]。然而，由于沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)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(guò)尿液和呼氣的方式流失。

綜上所述，硫化氫在動(dòng)物體內(nèi)的分解代謝途徑主要是通過(guò)線粒體的氧化作用。目前，對(duì)線粒體硫化物氧化途徑的看法存在爭(zhēng)議。線粒體硫化物氧化途徑在介導(dǎo)硫化物、O2和其他氣體遞質(zhì)之間復(fù)雜的相互作用中起著關(guān)鍵作用[61]，這一途徑的生理功能很可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了對(duì)硫化氫的清除。這一途徑在特定生理或病理?xiàng)l件下對(duì)細(xì)胞生物能量學(xué)的影響，以及它產(chǎn)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(duì)硫化氫分解代謝的了解，特別是對(duì)其在生理學(xué)和病理生理學(xué)中意義的了解，仍需更加系統(tǒng)和深入的研究。

5 展 望

目前研究認(rèn)為，硫化氫在體內(nèi)的積累可能會(huì)導(dǎo)致器官毒性，從而影響動(dòng)物的健康水平。硫化氫在動(dòng)物體內(nèi)的代謝研究雖然已有相關(guān)報(bào)道，但仍有很多問(wèn)題尚待深入研究，如外源性硫化氫在不同畜禽體內(nèi)的吸收分布及代謝規(guī)律；低濃度(生理濃度)硫化氫對(duì)畜禽的生理調(diào)控機(jī)制；非生理濃度下硫化氫長(zhǎng)期暴露對(duì)畜禽的影響機(jī)制及安全閾值；硫化氫急性暴露中毒及解毒機(jī)制；快速高效檢測(cè)畜禽體內(nèi)靶器官、組織中硫化物的方法等。

隨著畜牧業(yè)的飛速發(fā)展，硫化氫作為畜禽舍中的主要廢氣，影響著農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、畜禽生長(zhǎng)性能以及相關(guān)工作人員的健康。而目前關(guān)于畜禽舍內(nèi)硫化氫的減排方面，較多研究集中在硫化氫的監(jiān)測(cè)技術(shù)，今后的研究方向可從源頭減排、養(yǎng)殖過(guò)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(duì)動(dòng)物機(jī)體的損害。