水生動物鎘的形態、分布及毒性

鎘是一種對人類和水生動物嚴重危害的毒性重金屬元素。它具有長期的保存時間和大量的儲存、沿著鏈式循環、隱藏和不可逆性等特點。隨著社會工業化的發展,大量的鎘隨廢水排放及地表徑流進入水生生態環境,造成水生生物圈的污染,影響水生動物的安全。此外,由含有大量鎘的水生動物及其下腳料加工而成的飼料也會造成養殖動物的鎘超標,從而引起其食用安全性等問題。20世紀50年代日本爆發了由鎘引起的“骨痛病”事件,此后,諸如此類的事件時有發生,并引起世界各國的共同關注。鎘在人體內的半衰期長達6.2～18年,在動物機體內也長達10～35年,鎘為最易在人體內蓄積的毒性物質,在水生動物體內,尤其是頭足類易蓄積。1972年,FAO/WHO把鎘列為第3位優先研究的食品污染物,1974年聯合國環境規劃局將其定為重點污染物,此后美國毒物管理委員會(ATSDR)將其列為第6位危及人健康的有毒物質,也因其能誘發試驗動物肺癌、前列腺癌和睪丸腫瘤而被IARC歸類為第一致癌物。雖然國內外水產科研者對水生生態系統中的鎘進行了廣泛深入的研究,并取得了大量成果,但是,由于鎘在水生生態系統中呈現較為復雜的形態以及不同水生動物承受鎘毒害機理的復雜性,有關鎘在水生動物中的形態、分布、轉化和毒害機理等尚未被確證,為進一步推動鎘理論的研究,現對水生動物中鎘研究進展做一綜述。1貝類與重金屬含量的檢測國內外對水生動物的鎘污染已經引起了廣泛重視,相關的調研成果反映出鎘在水生生物體內的污染已呈非常嚴重的程度。據20世紀80年代以來在檢驗工作中對我國水生動物測定的數據統計,我國水生動物中的鎘污染越來越嚴重,雙殼貝類(如紫貽貝、牡蠣、扇貝等)尤其突出。吳玉霖測定渤海的毛蚶及扇貝的鎘含量就已經超過允許值。此后在20世紀80年代的全國海岸帶調查期間,對我國沿岸海域海洋經濟魚類的鎘含量作了調查,發現天津岸段全部魚樣的鎘含量均超過我國食品衛生標準的要求,其中黃鯽(Arassioidescantonensis)、矛尾鰕虎魚(Chaeturichtysstigmatias)、黃姑魚(Nibeaalbiflora)和鯔魚(Mugilcephalus)的鎘含量均高于美國標準1～3.6倍。1997—2003年海洋環境監測部門對舟山漁場經濟魚類鎘含量進行了監測,發現鎘在白姑魚(Argyrosomusargentatus)、梅魚(Collichthyslucidus)、帶魚(Trichiurushaumela)、墨魚(Sepiallajaponica)、小黃魚(Pseudoscaenapolyactis)體含量呈逐年升高的趨勢。2003年8—9月,對福州市等12個主要貝類養殖區的貝類體內重金屬含量進行調查分析與評價,結果顯示各養殖區貝類體內鎘的平均值為0.42mg/kg,超出標準較多,其中,牡蠣鎘含量高達0.87mg/kg。調查結果顯示,我國水生動物中的鎘含量(以濕重計)為:魚類0.16～9.20mg/kg;甲殼類0.15～3.42mg/kg;軟體動物類0.02～23.99mg/kg;貝類在多數海域里的鎘含量為0.10～14.0mg/kg,部分海區則高達51.0mg/kg(珠海的紅螺)。國外對水產動物的鎘污染也有報道,Storelli等研究了2類512種頭足類水生動物中的鎘含量,其中章魚(OctopusvulgarisLamarck)、烏魚(SepiaesculentaHoyle)、萊氏擬烏賊(Ommastrephesbartrami)等體內鎘含量最高,在肝胰腺中尤甚,并測定了印度尼西亞海中貽貝重金屬的含量為0.64mg/kg(濕重)。2蝦類水體中鎘的富集從眾多的試驗研究看,水生動物吸收累積鎘的途徑表現出很大的不同。Verbost對虹鱒(Salmogairdnerii)中鎘蓄積、衣銘明等對鱸(Lateolabraxjaponicus)對浮性餌料中鎘積累的研究表明,魚類、甲殼類主要是經過鰓不斷吸收溶解在水中的鎘離子,然后通過血液輸送到體內的各個部位,或積累在表面細胞之中。據相關調查研究,魚通過水吸收積累鎘的富集系數為513,遠高于通過攝食途徑對鎘的生物濃縮吸收。Taylor曾推斷,餌料生物中的鎘含量,比水中濃度高出約15000倍時,間接吸收的量才相當于直接吸收的量;而對于雙殼類和頭足類來說,主要是通過攝食水體或殘留在餌料中的鎘通過消化道進入體內。此外,對蝦體表與水體的滲透交換作用也是鎘進入體內的一個途徑。水生動物對鎘的吸收蓄積力較強,但隨著環境背景濃度、生物種類、蓄積部位的不同而有所差異。如魚類可富集103～105倍的鎘,貝類富集105～106倍的鎘,非污染區螺貝類鎘含量為0.05mg/kg,污染區螺貝類含量可高達4.20mg/kg。不同的魚種對鎘的蓄集能力也不同,例如同一水庫魚體按鎘吸收含量大小排列為:鳙(Aristichthysnobilis)>鳊(Parabramispekinensis)>鯽(Carassiusauratus)>黃顙魚(Ictaluruspunctatus)>魴(Dasyatisakajei)>烏鱧(Channaargus)。鎘在水生動物體內的蓄積能力還會隨著鹽度的增加而下降,因為離子態的鎘會與Cl-絡合降低了對其生物蓄積速度,但在受鎘污染嚴重的海區,鹽度的增加可提高鎘的絡合能力和溶出速度,從而增加了鎘的生物蓄積。3浮性配合餌料中的鎘的積累和積累鎘在水生動物體內的蓄積分布,可以反映生物體對鎘的代謝和轉移情況,并且對了解水生動物對鎘的吸收積累過程及安全加工利用都有參考價值,所以一直是鎘研究的焦點之一。在水生動物對水體中的無機鎘離子吸收蓄積的研究中,王凡等指出櫛孔扇貝(Chlamysfarreri)在不同濃度鎘的水體中,內臟團的蓄積量和濃集系數總是大于鰓和肌肉。隨著水體中鎘濃度的增加,鰓的富集系數為50～260,而內臟的富集系數則為80～490;肌肉的富集系數為7～50。戴家銀等研究得出真鯛(Pagrosomusmajor)幼魚各組織積累水體中鎘離子的濃度順序是內臟>鰓>肌肉等組織。以鯉(Cyprinuscarpio)、金魚(C.carassius)等為試驗對象也有相類似的研究結果。在水生動物對餌料中的有機鎘化合物吸收蓄積的研究中,林建云對長期喂含烏賊內臟粉飼料的海鱸(Lateolabraxjaponicus)進行鎘含量測定,結果是肌肉中鎘含量與天然生長對照組一致,而內臟中鎘含量遠遠高于自身肌肉鎘含量和天然生長對照組的內臟鎘含量,約高10～20倍。林光恒等用人工養殖對蝦進行試驗,試驗組內臟鎘含量約為肌肉的10倍。翟毓秀等用萊氏擬烏賊等頭足類及其加工下腳料作為高含鎘原料配制飼料喂養大菱鲆親魚,發現鎘主要蓄積在內臟中,其中肝、腎的含量分別是肌肉中的100～400倍。衣銘明以鱸做研究對象觀察對浮性配合餌料中鎘的積累情況時,發現肝臟明顯高于肌肉,其中主要儲存于肝臟和腎臟中。由此得出,無論是環境中的離子鎘還是殘存在餌料中的有機鎘,它們進入水生動物體后,在主要組織器官中的分布趨勢是一致的,即內臟的含鎘量遠遠高于肌肉。而之所以鎘在腎臟和肝臟中有如此高的蓄積量,是因為海洋生物體內有金屬硫蛋白或類金屬硫蛋白和含氨雜環水分子的化合物,硫蛋白的巰基和小分子量化合物的配位體對鎘有很高的親和力和絡合能力,能夠牢固地結合一定量的金屬,而這些化合物在肝臟、腎臟等軟組織中較多。此外,鎘在水生動物體內的積累模式具有時間效應和濃度效應[21,22,23,24,25,26,27]。水生生物在同一鎘濃度下暴露時間不同,其積累情況也不同。鯉各部分對鎘的富集作用隨時間的增加而增強,并在40～50d趨于平衡。生活水域中鎘離子濃度不同,鎘在生物體內的積累量不同。據報道,鎘在鯽體內積累量隨試驗離子濃度的增大而增大。環境背景值對鎘的毒性和積累影響都很大,虹鱒在含亞致死鎘濃度的軟水中暴露30d,發現這種慢性暴露對虹鱒的生長、游動、日常氧消耗和自身鐵離子水平都無影響,且96h的LD50值明顯大于未在含鎘水體中馴養的11～13倍。在早期暴露時,積累以劑量效應為主,魚體內的積累和暴露濃度呈線性關系。4中鎘的釋放途徑鎘在水生動物的消除途徑有:排泄、排遺、分泌、解毒及其他生理過程,水生動物生活在鎘污染水域,鎘在其體內蓄積占主導,一旦遠離污染環境,則清除占主導,同時生物體發揮自身的解毒功能,將毒物向外釋放,以求保持內環境的穩定。不同的水生動物對體內積累的鎘排出規律也不同,王凡等的研究結果顯示,染毒18d櫛孔扇貝(第15d吸收累積已達到平衡)放入清潔海水中,在11d的排放試驗期間,鰓、肌肉、內臟團中鎘蓄積量隨排放時間的增加逐漸下降,排放第11d,櫛孔扇貝內臟團內累積的鎘排出率達38.11%,其排出速率為21.21mg/(kg·d);而鰓中鎘的排出率達65.41%,其排出速率為36.13mg/(kg·d);肌肉中鎘排出率達66.18%,其排出速率為1.720mg/(kg·d)。在此期間鎘排出率為:肌肉>鰓>內臟團;排出速率為:鰓>內臟團>肌肉。這與deContoCinier報道鯉組織鎘排放規律不同,鯉經127d染毒試驗后在清水排放42d,腎鎘仍持續增加;肝鎘變化不明顯;肌鎘明顯降低。而趙元鳳等采用暴露試驗方法,研究海水中鎘在牙鲆內臟、肌肉、鰓組織內蓄積及在清潔海水中排放規律,結果表明牙鲆染毒13d后(第10d達吸收平衡),將牙鲆移入清潔海水中,隨排放時間增加,各組織鎘蓄積量明顯下降,排放至第15d時各組織鎘排出率為:內臟團(80.66%)>鰓(73.66%)>肌肉(56.84%),這可能與貝類和魚類排出鎘的途徑不同有關。陸超華在近江牡蠣作為海洋重金屬鎘污染監測生物的研究中,發現將近江牡蠣從處于12d的鎘暴露狀態移入天然海水中后,體內的鎘就開始排出,但排出速度較慢,至試驗末期(第35d)其體內累計的鎘排出率僅為29%,試驗結果的不一致可能與試驗所做的吸收積累時間不同有關系,也可能與牡蠣對重金屬的高同化率和低排出速率有關系。5鎘在克氏原螯蝦體內的傳遞水環境中的鎘經食物鏈富集可達相當高的濃度,近年來,隨著研究的深入和對鎘研究的重視,有關生物體內的鎘在水生生物鏈中的傳遞和蓄積方面的研究有增多的趨勢:秦松等研究了鎘在褐藻(Macrocystispyrifera)→中國對蝦(Cancerchinensis)→歐氏六線魚(Hexagrammosotakii)試驗食物鏈中的傳遞,發現其從褐指藻傳遞到對蝦的比例為66.6%、從對蝦傳遞到歐氏六線魚是29.9%,鎘在傳遞中依次減少;Wang等研究了2種肉食軟體動物(Babyloniaformasaehabei和Nassariusteretiusculus)通過攝取作為食物的蛤體內的鎘而造成的體內蓄積,并發現攝入鎘的排出率為84%～94%,由此得出鎘在生物體內的傳遞過程中具有放大作用的結論;Jennings等研究試驗得出從鹵蟲(Artemiasalina)到蟹(Carcinysmaenas)的傳遞比例為10%;Simon等研究了鎘在亞洲蛤蜆(Corbiculafluminea)到螯蝦(Astacusastacus)體內傳遞、造成體內蓄積增高的影響,發現從蛤蜆傳輸到鰲蝦的鎘含量約為5%,且肝胰腺的濃度最高,肌肉中的濃度最小。這種傳遞比例的不同可能與傳遞途徑、試驗條件(如不同的進食量,試驗時間的長短)以及計算方法(直接推算法,Miramand的半對數曲線求算法)有關。6金屬污染物的毒性機理鎘是致毒快,損害重,非降解且具蓄積性的重金屬污染物,可以通過不同的途徑或者機理對水生動物的某一器官和組織產生危害,致毒方式并不單一,其毒性機理主要表現在以下幾個方面:6.1鎘離子誘導腎近曲小管細胞凋亡鎘進入生物體后,可誘導合成金屬硫蛋白(MT),然后MT可以螯合一定的鎘形成鎘—MT復合物或者奪取與其他功能蛋白結合的鎘離子來降低關鍵部位的鎘濃度。一方面,MT是一種很強的自由基清除劑,豐富的巰基還原態/氧化態的轉換來清除由鎘離子誘導產生的自由基,并釋放出具有抗脂質過氧化作用的鋅離子,減輕自由基和脂質過氧化產物對遺傳物質的損傷;另一方面MT還可以通過削弱鎘對抗氧化酶的抑制,間接地對氧化損傷起保護作用。正常情況下,只有少量的金屬硫蛋白在肝臟中合成,并與被機體吸收的鎘結合而解毒,所以當MT被鎘飽和之后,繼續合成又趕不上進入細胞的鎘結合的需要時,多余的鎘就會與體內其他生物分子,包括酶和核酸等生物大分子相互作用,對機體產生損害。許多研究試驗表明,對于海洋無脊椎動物(如軟體動物),鎘離子能刺激其體內大量合成金屬硫蛋白或作用類似的小分子蛋白質,它們能大量結合進入體內過多的鎘離子,從而在一定程度上減輕鎘的毒性作用。吳堅和Roesijadi認為,軟體動物解毒機制在于體內金屬硫蛋白的作用,鎘能誘導金屬硫蛋白合成,其作用是調節鎘在體內的平衡,如果進入軟體動物內細胞的鎘離子較高,使硫基組氨酸三甲基內鹽生理學積累達到飽和,鎘離子的超量能激發新的硫基組氨酸三甲基內鹽的mRNA的轉譯。雖然鎘在細胞中可能得到異常高的富集,但大部分鎘是以一種無毒形式結合于新合成的硫基組氨酸三甲基內鹽上。這可能是毛蚶和牡蠣的富集系數很高而耐受性強不至于死亡的原因。但是,盡管金屬硫蛋白可螯合一定濃度的鎘離子,降低鎘離子引起的肝腎損害,但是,鎘—MT本身對腎臟具有毒性作用,是一種腎毒質。在對鎘—金屬硫蛋白誘發大鼠腎近曲小管細胞凋亡的試驗研究中發現,大鼠經一次靜脈注射鎘—MT處理后,可引起腎臟染毒,隨著時間延續,DNA發生斷裂現象,尿中LDH的活性也顯著升高,所出現的生化和形態改變均為細胞凋亡的表現。由此可見,鎘—MT可選擇性誘發腎近曲小管的細胞凋亡。目前,關于鎘—MT腎臟毒性機理的假說主要有2種:一種認為鎘—MT復合物經血液運輸到腎臟后大部分被腎小管重吸收,經胞飲作用進入腎小管細胞溶酶體,被降解分離并釋放出游離的鎘離子,繼續發揮鎘的毒性。由于細胞合成MT的速度比鎘—MT分解的速度要慢,因而在MT合成之前,鎘離子則可干擾細胞的生化過程而損害腎臟。另一種假說認為鎘—MT分子被吞飲入細胞的過程中損害了腎小管細胞膜導致腎臟損害。Cherian給大鼠注射鎘—MT(0.3mg/kg),發現鎘在溶酶體中的分布不到7%,而在細胞溶質組分中,約有50%以上的鎘在投予鎘—MT后1～48h內一直存在,且大部分以鎘—MT的形式存在。因而,作者認為腎損害原發于鎘—MT對腎小管細胞膜的損害,溶酶體在鎘—MT的腎臟毒性中引起的作用很小。鎘的生物半衰期長也被認為與MT的合成特性有關。鎘離子進入細胞后誘導MT合成并與之結合,不久又分解出來,在細胞內釋放鎘離子,其中一部分鎘離子又可以誘導再次合成MT,另一部分釋放到胞外。組織細胞能從血液中持續不斷獲得鎘離子,誘導MT合成。這樣鎘離子不斷在細胞和血液中循環,很難排出。6.2鎘與金屬酶的相互作用鎘離子污染對水生生物的中毒效應主要體現在由自由基介導的氧化損傷而造成生物體內的過氧化脅迫。一方面,鎘通過多種途徑在體內誘發產生大量的自由基代謝物、活性氧,例如鎘離子在與金屬硫蛋白結合過程中有自由基產生,在置換出DNA結合蛋白“Zn指”結構中的Zn2+時也有自由基產生,而另一方面鎘可以作用于細胞的抗氧化酶系統,降低細胞對氧自由基的清除能力。例如鎘與超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽還原酶的巰基結合,與谷胱甘肽過氧化物酶中的Se形成Se—Cd復合物,或取代CuZn-SOD中的Zn形成CuCd-SOD,從而使這些酶的活性降低或喪失。通過這兩方面的作用,體內產生了大量氧自由基,而自由基及其反應產物則往往可以通過奪氫、氧化巰基、破壞碳鏈等反應使包括DNA在內的各種生物大分子結構和性質發生改變,導致各種病變;也可使不飽和脂肪酸過氧化,分解成丙二醛等物質,使生物大分子之間發生交聯,聚合成異常的大分子,進而造成膜損傷,或降低膜的流動性,從而影響膜上或膜周圍的對細胞增殖或凋亡有重要調節作用的酶。Canesi和Romeo報道了水體中鎘可以造成魚體谷胱甘肽轉移酶和過氧化氫酶活性的下降,引起機體氧化應激,造成生物大分子和膜脂質過氧化,從而對機體誘發多種損害。另一試驗結果顯示,水中一定濃度的鎘,能引起鯽肝臟、腎臟、鰓組織過氧化氫酶活性的顯著增強,鎘可抑制紅細胞SOD活性,使體內的活性氧自由基增加,鎘染毒后,魚肝勻漿的脂質過氧化作用增強,可以導致生物膜上許多生物化學和生物物理學效應,其中包括膜脂流動性的改變,如脂質過氧化膜脂流動性下降。推測其原因可能是離子與膜表面的負電荷基團結合,影響膜表面的電荷密度和凈負電荷的局部靜電場并能滲入雙脂質層,改變介電常數,從而導致膜流動性的改變。6.3對日本蝦生長的影響丁磊等在對飼料中不同鎘含量對鯽生長影響的研究中,發現低劑量鎘在30d內對鯽生長有一定的促進作用,高劑量鎘則對鯽生長有抑制作用,并且魚體會出現病變現象。廖一久等研究表明,0.20mg/kg的對日本對蝦生長性能顯著抑制。Hansen的研究結果與之類似,魚體生長的抑制僅僅出現在高的致死濃度下,在亞致死濃度內對其生長的影響就不大,并且討論了在對其他魚種試驗中,之所以未觀察到鎘對魚生長的副作用的現象是解毒和自我調節功能有關的金屬硫蛋白的作用。而高劑量下出現的生長受到抑制的現象則是由于鎘—MT被鎘所飽和,失去解毒作用,在鎘從鎘—MT轉移到高分子蛋白質時,魚體出現病變。此外,Hansen還發現鎘對魚類生長影響的靈敏度是受魚種的相對生長速度影響。6.4廢水中的重金屬酶活性研究魚類尤其是淡水魚對鎘相當敏感,鎘易與酶活性部位中的巰基結合成難溶解的硫醇鹽,抑制酶的活性,從而妨礙機體的代謝作用,同時生成的硫醇鹽對魚也有一定的毒性。鎘對鯉同工酶譜影響試驗顯示鎘對鯉同工酶(Estaraseisozymes)、過氧化物同工酶(Perocidascisozymes)、堿性磷酸酶同工酶(Alkalinephosphatase)具有較強的影響,鎘污染有使酶活性減弱的傾向。賈秀英和Gill指出鎘也可以使魚體內肝胰臟、腎臟、鰓等組織的谷丙轉氨酶(GPT)和谷草轉氨酶(GOT)活性降低,從而能干擾線粒體的能量代謝功能,使氧化磷酰化解偶聯,引起能量代謝障礙。惠天朝等對尼羅羅非魚(Tilapianilotica)鎘慢性中毒時大腦、肝臟、心臟及鰓組織中酶活性變化規律的研究試驗結果也證實了這一點。鎘對蝦體酶系影響也有相類似的研究結論,趙維信等探討了不同質量分數的鎘對羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)的酶活性影響,結果表明,7.4mg/L的鎘能使心臟、胰、鰓和肝臟的谷丙轉氨酶(GPT)和谷草轉氨酶(GOT)活性降低;綠腺的GPT和GOT活性顯著升高。同樣,李少菁等也報道鎘對日本對蝦(Penaeusjaponicus)仔蝦的堿性磷酸酶(AKP)、谷丙轉氮酶(GPT)及谷草轉氨酶(GOT)的活性有不同程度的抑制作用,且隨著鎘濃度的增高,抑制作用越明顯。此外,Devi將小龍蝦(Procaamgarusclarkii)暴露在鎘亞致死濃度中,在24h和48h分別測腦和腹神經索中乙酰膽堿酯酶(AChE)的活性,其結果是AChE的活性分別下降36.48%和48.78%。6.5鎘離子的影響鎘能夠對水生動物的下丘腦—腦垂體—性腺軸生殖內分泌調控系統產生毒害作用。國內外已有研究表明鎘具有類刺激素的作用,對水生生物尤其是魚類的繁殖有一定影響。如成年的大西洋石首魚(Micropogoniasundulatus)暴露于亞致死濃度的鎘后造成類固醇血液濃度、卵巢類固醇分泌和卵巢發育的顯著上升或下降,較高濃度鎘處理引起血清促性腺水平的降低,生長激素水平的升高。馬廣智等研究重金屬鎘離子對腦垂體分泌促性腺激素(GtH)的影響,結果表明,鎘離子可以直接刺激鯉魚腦垂體異常分泌GtH,干擾下丘腦分泌的促性腺激素釋放激素(sGnRH-A)刺激腦垂體分泌GtH作用,這意味著鎘離子能在腦垂體水平干擾下丘腦—腦垂體—性腺軸生殖內分泌系統的正常協調功能,從而對魚類的生殖產生毒害影響。藺玉華等在研究鎘對鯉魚影響的試驗中也得到了相類似的結果,染毒的鯉腦