（动物学专业论文）几种海洋濒危动物体内重金属含量及评价.pdf

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费者，其重金属含量较其他动物明显要高，尤其以肝脏中的h g 和c u ， 肾脏中的c d ，皮肤中的z n 最为明显。跟江豚相比，宽吻海豚体内h g 含量明显要偏高，p b 、c d 含量也要偏高。( 3 ) 通过对江豚的肌肉、 皮肤、肝脏、肾脏、心脏、肺、肠、脾脏和宽吻海豚的肌肉、肝脏， 肾脏、心脏、肺、肠、脾脏的重金属含量分析，结果表明，肝脏是重 金属含量最高的器官，而肌肉中含量最低。 通过对文昌鱼体内重金属元素浓度的统计分析，发现：h g 与c u 、 h g 与z n 、c d 与z n 之间都存在有意义的相关关系，但相关性都不是很 强。c u 与z n 之间相关性较强。在所测的五种重金属元素中，除p b 外， 其余四种金属元素都跟体长和体重存在有意义的相关关系，而且h g 、 c u 、z n 与体长和体重的相关关系都较强。相关系数大于o 6 的有c u 与z n 、c u 与体长、c u 与体重、z n 与体长、z n 与体重。c u 与z n 、h g 一f z ；硕士学位论文 与体长、h g 与体重、c d 与体长和c d 与体重成正线性相关关系，其余 均成负线性相关关系。从多元线性回归情况来看，体长和体重与h g 、 c u 、z n 之间存在较强的相关关系。 体重与体内重金属含量关系很大， 的含量情况。 因而，综合来看，文昌鱼的体长和 可以较好地反映体内h g 、c u 、z n 本论文首次对威海海域文昌鱼重金属含量进行了研究，并对它体 内重金属含量进行了相关性分析和回归分析。同时综合利用文昌鱼、 江豚和宽吻海豚体内重金属含量来判定海洋重金属污染情况。对江豚 和宽吻海豚的重金属含量测定时，选取了7 - 8 个比较有代表性的组织 器官，并分别对它们的h g 、p b 、c d 、c u 、z n 含量进行了检测和分析。 关键字：文昌鱼；江豚；宽吻海豚；重金属；污染 2 f z ；硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep o l l u t i o no fe n v i r o n m e n ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u sw i t h t h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y p e o p l ep a i dg r e a ta t t e n t i o nt o h e a v ym e t a ls i n c ei ti so n eo ft h ei m p o r t a n te n v i r o n m e n t a lc o n t a m i n a t i o n s t h e r ew e r el o t so fd a t aa b o u th e a v ym e t a l ，b u tm o s to ft h e mw e r et h e e c o n o m i ca n i m a l sa n df e wd a t aw e r ei n v o l v e di nt h er a r ea n de n d a n g e r e d s p e c i e s i no r d e rt op r o t e c to c e a n i ce n v i r o n m e n ta n dm a r i n ec r e a t u r e ，a n d p r o v i d es o m e b a s i ci n f o r m a t i o nf o re n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a n d c o n s e r v a t i o nb i o l o g y , t h ec o n c e n t r a t i o n so fh g ，p b ，c d ，c u ，z ni n a m p h i o x u s ( b r a n c h i o s t o m ab e l c h e r i ) ，f i n l e s sp o r p o i s e ( n e o p h o c a e n a p h o c a e n o i d e ss u n a m e r i ) a n db o t t l e n o s ed o l p h i n ( t u r s i o p st r u n c a t u s ) ， w h i c ha r ep r o t e c t e di no r d e r2i nc h i n a ，w e r ed e t e r m i n e db ya t o m i c f l u o r e s c e n c es p e c t r o p h o t o m e t e r ，a t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o p h o t o m e t e r a n ds p s s l l 5s t a t i s t i c a ls o f t t h er e s u l ts h o w e d ，( 1 ) i tw a sp o l l u t e d l i g h t l yi nt h es e an e a rw e i h a i b yc o m p a r i s o nw i t ht h er e s u l to ft h ed a t a i nt h ep a s t ，i tw a sf o u n dt h a tt h ec h a n g eo ft h ec o n c e n t r a t i o no fh e a v y m e t a l sw a ss m a l li nt h ey e l l o ws e a ，b u tw em u s tp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h e c o n c e n t r a t i o no fh gn e a rt h ec o a s t ( 2 ) t h ec o n c e n t r a t i o n so ft h eh e a v y m e t a l so fz n ，c u ，h g ，c da n dp bi na m p h i o x u sw e r ef r o mh i g ht ol o w t h e c o n c e n t r a t i o n so fe s s e n t i a lt r a c ee l e m e n t sw e r el o w e ri na m p h i o x u st h a n o t h e rm a r i n ea n i m a l s ，h u tt h ec o n c e n t r a t i o n so f n o n e s s e n t i a lt r a c e e l e m e n t sw e r eh i g h e r t h ec o n c e n t r a t i o n so fh e a v ym e t a l sw e r eh i g h e ri n c e t a c e a n ，w h i c hi sa tt h et o po ft h ef o o dc h a i n si nt h ea q u a t i ce c o s y s t e m ， e s p e c i a l l yh ga n dc ui nl i v e r ，c d i n k i d n e ya n dz ni ns k i n t h e c o n c e n t r a t i o no fh gw a sc l e a r l yh i g h e ri nb o t t l e n o s ed o l p h i nt h a nf i n l e s s p o r p o i s e ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o n so ft h eo t h e rn o n e s s e n t i a lt r a c ee l e m e n t w e r ea l s oh i g h e ri nb o t t l e n o s ed o l p h i n ( 3 ) b ya n a l y z i n gt h ec o n c e n t r a t i o n o fh e a v ym e t a l si nm u s c l e s ，s k i n s ，l i v e r s ，k i d n e y s ，h e a r t s 。l u n g s ， 3 一f z 善硕士学位论文 i n t e s t i n e sa n d s p l e e n so ff i n l e s sp o r p o i s ea n db o t t l e n o s ed o l p h i n ，t h e r e s u l ts h o w e dt h ec o n c e n t r a t i o n so fh e a v ym e t a l sw e r eh i g h e s ti nl i v e r a n dl o w e s ti ns k i ni nt h et w oa n i m a l s t h r o u g hs t a t i s t i c a la n a l y s i so nt h ec o n e e n t r a t i o n s so fh e a v ym e t a l si n a m p h i o x u s ，t h er e s u l ts h o w e dt h e r ew a ss i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o nb e t w e e n h ga n dc u ，h ga n dz n ，c da n dz n ，b u tt h e i rc o r r e l a t i o nw a sn o ts t r o n g t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nc ua n dz nw a ss t r o n g t h ec o n c e n t r a t i o n so ff i v e d e t e c t e dh e a v ym e t a l sb u tp bw e r ei ns i g n i f i c a n tc o r r e l a t i v i t yw i t hb o d y l e n g t ha n dw e i g h t ，a n dt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nh ga n db o d yl e n g t h ，h g a n dw e i g h t ，c ua n db o d yl e n g t h ，c ua n dw e i g h t 。z na n db o d yl e n g t h ，z n a n dw e i g h t ，w a ss t r o n g t h ec o r r e l a t i v ec o e f f i c i e n tw a so v e ro 6b e t w e e n c ua n dz n ，c ua n db o d yl e n g t h ，c ua n db o d yw e i g h t ，z na n db o d yl e n g t h ， z na n db o d yw e i g h t t h ec o r r e l a t i v i t yw a sp o s i t i v eb e t w e e nc ua n dz n ， h ga n db o d yl e n g t h ，h ga n db o d yw e i g h t ，c da n db o d yl e n g t h ，z na n d b o d yw e i g h t t h eo t h e rw a sn e g a t i v e i ta l s os h o w e dt h ec o r r e l a t i o nw a s v e r ys t r o n gb e t w e e nb o d yl e n g t ha n dh g ，c u ，z n ，b o d yw e i g h ta n dh g ，c u ， z nf r o mt h er e s u l to fl i n e a r i t yr e g r e s s i o no fm u l t i p l ev a r i a b l e s i ng e n e r a l ， t h ec o r r e l a t i v i t yw a sv e r yh i g hb e t w e e nb o d yl e n g t ha n dt h ec o n c e n t r a t i o n o fh e a v ym e t a l s ，b o d yw e i g h ta n dt h ec o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a l si n a m p h i o x u s ，a n d t h e i rb o d y l e n g t h a n db o d yw e i g h tc a nr e f l e c tt h e c o n c e n t r a t i o no fh g ，c ua n dz nw e l l h e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o n si na m p h i o x u sw e r ef i r s t l yr e p o r t e di n w e i h a i ( y e l l o ws e a ) ，a n dt h ec o r r e l a t i o na n dr e g r e s s i o nt oh e a v ym e t a l s c o n c e n t r a t i o nw a sa n a l y z e di na m p h i o x u s p o l l u t i o nc o n d i t i o no fo c e a n w a se s t i m a t e db yi n t e g r a t i n gh e a v ym e t a l sc o n c e n t r a t i o ni na m p h i o x u s ， f i n l e s sp o r p o i s ea n db o t t l e n o s ed o l p h i n s e v e no re i g h td i f f e r e n tt i s s u e s o ro r g a n sw e r es e l e c t e dt od e t e c th g 、p b ，c d 、c u 、z ni nf i n l e s sp o r p o i s e a n db o t t l e n o s ed o l p h i n 4 一l z ；硕士学位论文 k e y w o r d s ：a m p h i o x u s ；f i n l e s sp o r p o i s e ；b o t t l e n o s ed o l p h i n ；h e a v ym e t a l ； p o l l u t i o n 5 声f 只；硕士学位论文 第1 章综述 随着科技的进步和社会的发展，工业“三废”、农业杀虫剂以及城 市废弃物等，使水环境受到各种有机污染物、重金属离子和放射性物 质等的污染，致使水生生物的生存受到严重的威胁，生物多样性减少， 不少物种灭绝，同时也给经济发展和人民的身心健康带来严重的影响。 例如1 9 4 8 年，美国宾夕法尼亚州多诺拉镇发生了二氧化硫与金属元素 的复合污染，死亡1 7 人【1 1 。1 9 5 5 年，日本富山县矿山引起的镉污染造 成的骨痛病事件。1 9 5 6 年日本水俣湾的有机汞中毒造成万余居民受害 的水俣病事件【2 】，等等。重金属作为一类主要的污染物对水生动物的 毒害作用也日益受到人们的关注。海洋，人们一直把它当作一个大熔 炉，许多污染物不加处理就排入其中，使其受到污染的严重威胁。海 洋动物在海洋生态系统中分布广泛，活动范围大，数量多，在食物链 中处于较高的位置，对水环境中发生的各种物理、化学和生物的变化， 反应十分灵敏。国内外学者对水生生态系统中的重金属污染物进行了 广泛深入地研究，并取得了重要成果。为了进一步推动重金属污染的 理论及防治研究，更好地保护海洋中各种生物，特别是珍稀濒危动物， 使海洋发挥其更大的作用，在此对水生生态系统中重金属污染研究做 一综述，并提出本研究课题。 1 1 重金属污染状况 在我国，最主要的重金属污染当属汞( h g ) ，镉( c d ) 和铅( p b ) 比 较普遍，其他重金属如镍( n i ) 、铊( t i ) 、铍( b e ) 、铜( c u ) 在中 国各类地表水和饮用水体中的超标现象也很严重1 3 一】。长江、黄河、珠 江、海河等都受到不同重金属不同程度的污染1 5 - 9 1 。与2 0 世纪8 0 年代初 相比。太湖沉积物中重金属，特别是汞的污染有加重趋势，生物体内重 金属汞富集明显【1 0j 。由于工业“三废”的排放及酸雨的影响，进入江 河的污染物最终流入海洋，造成海水中重金属负荷加重。据监测，大连 7 一f z ；硕士学位论文 湾底泥中的污染物几乎全部超标。渤海锦州湾底泥中的重金属锌( z n ) 、 p b 、c d 和h g 等超标达15 0 倍以上，致使底栖生物体内有毒重金属大大 超过国家食品卫生标准 比】。由此可见，博大的海洋也未能幸免于 重金属的污染，如不重视并加以控制，将会愈发严重。 国外有关水环境受重金属污染的报道也比较多。w e b e r 于1 9 9 9 年报 道，美国大约有l5 0 0 0 家公司从事电镀和金属磨光，这些公司直接或间 接地排放工业废水，造成了水环境的重金属污染【1 3 】。t h o r n t o n 报道，英 国威尔士南部港口城市斯旺西作为世界金属熔炼工业中心，导致了水环 境c u 、z n 、p b 、c d 等重金属的污染f l 。在丹麦的哥本哈根海港h o l m e n 作为前海军基地以轮船制造、修理和化工厂为主，经调查研究该地区的 浅海沉积物也被重金属等所污染i ”】。在波兰，采矿和冶炼产生大量的 废物，引起土壤、空气、河水和地下水污染，尤其重金属和氯化物的污 染令人担忧，大约5 0 的地表水甚至达不到水质三级标准【1 6 】。纳塞尔 湖位于埃及南部，它是世界上最大的人工湖泊，据r a s h e d 报道，由于化 学肥料和杀虫剂在该地区农场的使用，导致水污染，并且使鱼类受到重 金属的毒害【l7 1 。印度为发展中国家，由于农业往返水和洗涤等原因，已 引起水环境严重污染，很多河水不适合使用【1 8l 。 分析国内外水环境重金属污染的现状，可以看出重金属污染主要包 括c u 、铬( c r ) 、z n 、c d 、p b 、h g 等。重金属污染主要来源于化工、 采矿、金属冶炼及加工、电镀、轮船制造等行业，以及农用杀虫剂和生 活污水。不同的国家其水环境重金属污染的主要来源有所不同。但总的 来说，工业发达国家水环境重金属污染程度及类型受工业“三废”排放 的影响很大，例如美国的电镀、英国的金属熔炼、波兰的采矿等，而作 为工业不发达国家的印度和一些非洲国家则主要来源于化肥和杀虫剂 等的施用所造成的农业资源污染。这些行业应引起重视，对其加强监督、 管理和控制。 1 2 水生动物对重金属的吸收 一i ；硕士学位论文 毒物通过体膜进入血液的过程称为吸收，而接毒途径( r o u t eo f e x p o s u r e ) 对毒物的吸收影响很大。就水生动物吸收重金属而言，通常 认为经过下列途径：一是经过呼吸系统不断吸收溶解在水中的重金属 离子，然后通过血液输送到体内的各个部位，或积累在表面细胞之中； 二是在摄食时，水体或残留在饵料中的重金属通过消化道进入体内； 此外，体表与水体的渗透交换作用也是重金属进入体内的一个途径。 对大多数海洋动物来说，消化道是吸收毒物的主要途径。肠道粘膜是 吸收毒物的主要部位。大多数毒物在消化道中是以扩散方式通过细胞 膜而被吸收的。毒物在消化道内吸收的多少与其浓度和理化性质有关， 浓度愈高吸收愈多。不解离的脂溶性毒物较易吸收，水溶性而易解离 的毒物或难溶于水的毒物则不易吸收。 在重金属离子的吸收机理方面，以鱼类研究的比较多。早期研究 认为，金属穿过鱼鳃上皮被假定是受从水到血液浓度梯度驱动的被动 扩散的结果，但后来的研究观察到可饱和的过程控制二价金属离子穿 过呼吸上皮，表示了一种可饱和的鳃吸收机制。近年来，m c k i n a 在1 9 9 4 年以鲽( p l e u r o n e c t e sp l a t e s s a ) 为研究对象进行了相关的研究，认为 鲽吸收锌、锰离子是从水相到血液浓度梯度驱动的被动扩散【憎】；1 9 8 9 年v e r b o s 在对虹鳟( s a l m og a i r d n e r i ) 吸收镉的研究中发现，镉离子 从水相到鳃部的移动是被动扩散或易化扩散穿过鳃泌氯细胞钙通道的 过程，在鳃与血液之间的分配往往成正相关关系【20 1 。 1 3 重金属在水生动物体内的蓄积 生物从周围环境中摄入污染物并滞留在体内，当摄入量超过排出 量时，污染物在生物体内的浓度可比周围水中的浓度高许多倍，这种 现象称之为生物积累( b i o a c c u m u l a t i o n ) 。它包括两个过程：生物浓缩 和生物放大生物浓缩或生物富集作用是指生物机体或处于同一营养 级的各个生物种群，从环境介质中直接吸收并积累外来物质，且使生 物体内该物质的浓度超过环境中浓度的现象。生物放大是指在同一个 9 一f z ；硕士学位论文 食物链上，高位营养级生物体内来自环境的某些元素或难以分解的化 合物的浓度，高于低位营养级生物的现象【2 1 1 重金属由于性质稳定， 不易分解，脂溶性强，与蛋白质或酶有较高的亲和力，在环境中进行 迁移时，一旦进入食物链，就可能由于生物浓缩和生物放大作用在生 物体内蓄积。影响生物积累的因素很多。重金属元素的性质、生物种 类、生物发育的不同阶段以及食物链等对它都有不同程度的影响。 在同等条件下，重金属元素的性质对生物富集的影响往往十分明 显，有些重金属对某些组织或器官有较高的亲和性，或与某些内源性 物质结合，可以较长时间地存留在机体内，并在一定时期内不断积累 增多。陈金堤等对1 9 7 9 年采自九龙江河口海区1 0 6 份样品的h g 、c u 、 p b 、z n 的含量进行了分析，发现牡蛎( c r a s s o s t r e a v i r g i n i c a ) 、腹足 类、头足类和甲壳类的c u 含量最高，其中牡蛎体内c u 的平均含量高 达3 3 4 9 l p p n ( 干重) 。主要原因可能是由于牡蛎体内游走的白血球对 c u 具有很强的富集力 2 2 1 。 生物种类不同，食性不同，代谢机制不同，因而在同样条件下， 对同一物质的富集力不同。以鱼类为例，以浮游动植物为食的鱼类体 内砷( a s ) 、镉的含量高，以底栖无脊椎动物为食的鱼类锌的含量高，以 藻类和腐屑为食的鱼类铬、铜的含量高，铅、镍的含量则以杂食性鱼 类高。以沉积物为主要饵料的杂食性底栖动物体内重金属含量大于鱼 类。如同样生活在渤海湾中的东方对虾( p e n a e u sc h i n e s i s ) 对甲基汞 的浓缩系数是5 1 4 1 0 3 ，而梭鱼( m u g i ls o i u y ) 为1 6 9 x1 0 4 ，鲡 ( p l a t y c e p h a l u ss p ) 为1 6 7 1 0 5 ，三者递次相差一个数量级1 2 3 1 。袁维 佳等测量了螺蛳( b e l l a m y as p ) 对铜的富集量，结果证明螺蛳对铜的 富集能力是鲫鱼( c a r a s s i u sa u r a t u s ) 和鳊鱼( l e u e i s c u s p u l c h e l l u s ) 的十倍 2 4 1 。 同一种生物的不同器官，对重金属的富集力也往往不同。动物体 的不同组织器官对某种重金属具有高度选择性，肾脏和肝脏由于可以 快速大量合成金属硫蛋白使重金属得以大量蓄积，所以成为重金属蓄 积的重要靶器官。1 9 9 9 年c h e n 等报道铜、锰( m n ) 、铁( f e ) 、锌， 1 0 一f ；颂士学位论文 镉等重金属在鱼体中的分布和积累，发现在肌肉和鱼鳃中上述重金属 的蓄积量明显高于对照组，而在肝脏中以铜的蓄积量为高，在肠道中 以锌的含量为高1 2 ”。1 9 9 9 年r o m e o 和z a u k e 报道：对于浮游鱼类， 镉、铜、锌和汞在其肌肉中的蓄积量较低；对于底栖鱼类，镉、铜、 锌等在肌肉中的蓄积量低，但镉、铜在肝脏中的蓄积量较高，锌在鳃 中蓄积量较高；汞在中上层鱼类肌肉和鳃中的蓄积量较低，但是在底 栖鱼类肝脏中的含量较高2 6 2 7 1 。在条纹原海豚( s t e r i e l l ac o e ，u l g o a l b 口) 中，肝脏中汞的浓度跟其他组织器官相比，至少要高出一个数量级； 皮肤中锌的含量在各组织器官中是最高的【23 1 。 同一生物不同时期、不同性别，对重金属的富集也会产生变化。 h a y n e s 等在研究儒艮( d u g o n g d u g o n g ) 膀胱和肝脏中的重金属含量时 发现，性成熟个体明显比未成熟个体重金属含量高1 2 9 1 。z h o u 等分析了 1 9 9 5 年到1 9 9 8 年间采自葡萄牙海域2 4 头真海豚( d e 仞h i n u sd e 勿h i s ) 组织中重金属含量，结果表明：在肝脏、肾脏和肌肉中，雌性真海豚 h g 的浓度是雄性个体的两倍以上【30 1 。 1 4 重金属对水生动物体的毒害作用 有些重金属是生物体必需的元素，如c u 和z n ，它们对维持生命 正常发育和新陈代谢起着重要作用，但当它们的浓度超过生物的生态 幅时，则会引起中毒。如果动物体内铜过量，肝内铜含量会增加数倍， 超过忍受限度时，红细胞不能摄取全部铜，铜被释放到血清内，结果 发生溶血现象。还有些重金属则不是生物体所必需的元素，只要很少 量就易对生物体产生毒害作用，如p b 、c d 和h g 等。镉是一种半衰期 很长( 1 9 3 0 年) 的多器官、多系统毒物，也是一种重要的环境和工业毒 物。它可与含巯基、羟基及氨基的蛋白质分子结合，从而抑制酶系统 的活性。此外，镉与巯基的亲和力比锌大，故可取代机体内含锌酶中 的锌，使其失去功能。汞化合物也是毒性很强的物质，与蛋白质中的 巯基有高度的亲和力，它与巯基结合形成硫醇盐，可使一系列的含巯 一f ；硕士学位论文 基的酶的活性和蛋白质的合成受到抑制，致使功能发生变化而中毒。 关于重金属毒害作用的分子机理，从大量的动物毒性试验结果可 得知，重金属致毒的机理可概括为三种主要情况：一是妨碍生物大分 子的重要生物功能，二是取代生物大分子中的必需元素，三是改变了 生物大分子具有活性部位的构象。重金属元素结合到酶分子中的咪唑 基、巯基、羧基、氨基、肽基等功能团上，从而导致酶失活。非生物 体必需的金属元素经常通过置换蛋白质和酶活性中心的必需金属而影 响它们的功能。核酸( d n a 和r n a ) 是生物的遗传物质，它含有很多 可结合金属离子的活性位点和非活性位点。当重金属离子浓度较低时， 只有互补的碱基才发生配对作用，使两条链牢固地结合在一起；当重 金属离子浓度较高时，由于重金属离子的稳定作用使两条链结合在一 起，此时，除了互补的碱基配对外，非互补的碱基也能配对，从而导 致碱基的错配，使遗传信息的传递发生错误，使生物体产生病变1 3 1 】。 重金属离子能使核酸解聚，结合在磷酸酯基上的重金属离子可从 d q a 和r n a 的磷酸二酯键上夺取电子，从而使得成键不稳定和易水 解，这样生物大分子就易降解成小的碎片，使动物体发生病变。重金 属离子还可使得d n a 复制及转录、蛋白质的翻译出现差错，在细胞水 平上表现出染色体畸变，姊妹染色体交换。微核是细胞在有丝分裂时 因各种有害因素损伤，使细胞核成分残留在核外而形成的微小核染色 质块。微核检测技术是检测有毒物质( 如重金属、放射性物质等) 对 生物细胞遗传损伤的一个非常有用的指标，微核率可以迅速、可靠地 反映机体染色体损伤及d n a 复制紊乱等异常状况。张曙光1 9 9 6 年进 行了重金属污染物对鱼类的致突变性的研究，结果表明：a s 、p b 、c r 、 c d 可诱导鱼类红细胞产生微核、具有明显的剂量效应关系；h g 、c r 、 p b 在鱼体内残留量与微核具有一定的相关关系1 3 2 1 。 1 5 动物体对重金属的解毒机理 1 2 动物体可以发挥自体的解毒功能，将毒物向体外释放，以求保持 乒l z ；硕士学位论文 内环境的稳定，从而使得体内重金属的积累和去除达到平衡状态。关 于生物有机体拮抗重金属的毒害，概括起来主要有三种机制：一是通 过酶促或化学反应，将有毒的物质还原成无毒或低毒物质；二是通过 阳离子外流系统促进阳离子排放；三是通过合成某种螯合剂或结合因 子，将有毒金属离子螯合成复合物，避免对细胞的毒害。对动物来说， 主要的解毒途径是第三种途径，即通过形成金属硫蛋白或类金属硫蛋 白( m t 或类m t ) 等物质，将有毒金属离子螯合成无毒的复合物。m t 是一种位于胞质中的低分子量、富含半胱氨酸的蛋白，它通过半胱氨 酸残基上的巯基与重金属结合形成无毒或低毒的络合物从而清除重金 属的毒害作用。g e o r g e 等报道m t 能络合铜、锌、镉和汞等重金属的 重量可达其本身重的6 ，并推测m t 可能对锌、铜的动态平衡以及重 金属的解毒具有重要作用 3 3 1 。正常情况下，m t 在生物体内的含量很 低，但当生物受到汞、铜、镉、锌等重金属污染时，会在其体内诱导 合成这类蛋白质，这样，进入细胞内的重金属就会结合到这些新合成 的蛋白质上，或者将原来结合在该蛋白质上的其他金属取代下来，如 镉能取代其中的锌，从而起到积累和解毒的作用。当它们被重金属饱 和后，继续合成的蛋白又赶不上进入细胞的金属结合的需要，多余的 重金属就会与动物体内的其他生物分子，包括酶和核酸等生物大分子 相互作用，引起中毒现象。 现在，人们还发现另一种生物解毒机制，称为包围隔离机制，即在 动物体的组织细胞内，特别是在肝脏和肾脏的细胞中，发现有许多含有 很高浓度的重金属颗粒，这些颗粒的外面是由膜包裹着的，使得其中的 金属与其他细胞组分相隔离，因而起到解毒作用。重金属颗粒主要有两 类：一类是无机颗粒，通常存在于软体动物和节肢动物的肝胰脏和肾脏 细胞中，其主要成分是c a 、m g 的磷酸盐和焦磷酸盐，其中含有z n 、p b 、 m n 、f e 、a g 等金属；另一类主要含有机成分，通常存在于无脊椎动物 的肝、肾、心和脑等组织中，它们是由溶酶体一液泡系形成的，主要由 脂类的过氧化物和被降解的细胞膜构成，其中含有c u 、c d 、p b 、z n 和f e 等重金属，这种颗粒在细胞内通常称为三级溶酶体或残体。 j f ；硕士学位论文 1 6 重金属在食物链中的传递 从2 0 世纪5 0 年代的水俣事件至今，重金属沿食物链的传递受到越来 越多的关注。在过去l o 年中，由于引入了不同生理生化方法来评估金属 的生物可利用性，对金属的食物链传递研究取得了很多新的成果。关于 海洋食物链上不同营养级的生物体内金属的蓄积已经有很多报道( 3 4 - 3 7 1 。 目前可用常规的方法测定金属在不同生物体或器官中的浓度。大量的研 究证实，生物体内的金属浓度差异不仅存在于种间，也存在于种内。深 入了解并预测不同水生生物体内金属的富集程度和相关的生理过程是 生态毒理学家面l 临的挑战之一。在过去几年，金属生态毒理学的一个重 要研究领域即是发展不同的数学模型，用于预测生物体内金属的浓度。 已发展的模型包括自由基活度模型和生物能动力学模型 3 8 , 3 9 l 。 大多数重金属经过食物链传递被生物富集的规律目前尚难以准确 地掌握，但是对某些金属人们已经有了较深入的了解，例如沿浮游植物 一浮游动物一鱼类这一浮游生物食物链的传递过程中，c d 的浓度通常会 随着营养级的升高而降低，h g 却相反【五4 1 。重金属在生物体内的浓度同 时也与生物蓄积金属的特定生理方式有关，例如在深海缩甲虾 ( s y s t e l l a s p i sd e b i l i s ) 体内c d 的浓度就远比食物中的含量高【4 0 , 4 1 】。一 般而言，金属沿着底栖或浮游生物食物链的传递过程中，经过不同的营 养级浓度会被生物放大还是稀释，不同的食物链或不同种类的金属有不 同的规律。同时，食物链之间错综复杂的关系如何影响金属向高营养级 的输送至今仍不清楚。由于不同生物对金属的代谢机制不同。食物链关 系越错综复杂，金属的生物可利用性的变化也越大。目前这方面的研究 才刚刚起步，对于不同金属在不同海洋食物链或在不同海洋生态系中的 传递差异了解还甚少。 在水生生态系统中，已经有了不少定量研究污染物可利用性的模 型。2 0 世纪5 0 年代生态学家综合考虑不同来源的金属，提出了生物体内 金属蓄积的动力学模型。该模型的优点在于将研究金属在食物链传递中 的生物放大进行简化处理，即仅考虑3 个动力学参数，包括生物对金属 1 4 卢f z ；硕t 学位论文 的同化率、生物的摄食速率以及金属自生物体内的排出速率常数，从而 推算出金属的传递因子。虽然a m i a r d t r i q u e t 等认为，在大多数情况下， 生物体内的金属浓度和其所处的营养级并不相关，而是取决于该物种或 种群的生理特性以及金属的生物功能，但这一模型仍可用来预测不同食 物链结构中金属的传递因子1 4 2 由该模型可以推断，生物的摄食行为、 解毒机制及代谢机理和金属的物理化学形态对金属的生物蓄积特性的 作用。目前对生态毒理学家而言，一个很大的挑战，就是要了解这几个参 数在不同生态环境中是如何变化的。因为不同的金属、不同的生物及不 同的食物水平下，这些参数也有可能产生差异，由此给模型预测带来很 大的困难。 过去1 0 多年中，科研人员深入研究了海洋中浮游动物( 主要为桡足 类) 对浮游植物的金属同化率伽47 1 。早期的实验结果得出，桡足类对金 属的同化率和金属在浮游植物细胞质中的含量有直接的关系【4 引。最近关 于桡足类对硅藻细胞壁碎屑、自身粪便颗粒以及活体浮游植物中的金属 同化率研究证明：桡足类的摄食机制远较“液相摄食假说”复杂 4 9 1 研 究结果也发现食物种类( 质量) 对金属同化率的影响很小。近期也有报 道说，金属可以和金属硫蛋白( m t ) 结合，但是这种结合是否会影响金 属同化率尚不清楚。此外。对各种生理以及生化条件对桡足类金属同化 率的影响机制也不是十分清晰。一般认为，必需金属的同化率比非必需 金属的同化率要高，但金属同化率又受到其他环境因素的影响( 如食物 浓度、食物中的金属浓度等) 对鱼类的同化率也进行了一些初步的研究。一般而言，鱼类的金属 同化率比桡足类要低，且变化不大。目前只是发现甲基汞和铯( c s ) 的 同化率特别高，分别为5 6 9 6 和7 8 - 9 5 。不同海洋鱼类所测得的不 同金属的同化率较为接近，但金属的同化率又取决于鱼类饵料的类型， 同时与鱼类的食物摄食量有一定的关系。 不同贝类之间同化率的差异也很大对于同样食物来源的金属，蛤 ( m a c o m ab a l t h i c a 和m e r c e n a r i am e r c e n a r f a ) 对c d ，c r ，s e 和z n 的同化 率大于翡翠贻贝( p e r n av i r i d i s ) 。在海洋底栖食物链中，腹足动物和棘 一f z ；硕士学位论文 皮动物常处最高营养级。已有的研究发现，它们对金属的同化率很高， 比如小风螺( b a b y l o n i a f o r m a s a e ) 对蛤中c d 的同化率高达9 9 ，z n 的 同化率也同样高达8 0 。金属和金属硫蛋白( 易被生物利用) 以及矿化 解毒颗粒( 难以被生物利用) 的结合是腹足动物高金属同化率的可能原 因 s o l 。自然条件下腹足动物体内就含有很高的金属硫蛋白。肠道内也有 很多含金属配位基的解毒颗粒，因而造成金属的高同化率。与此同时， 金属的排出速率又是异常地低，一些金属在腹足类的生物半衰期可达数 年。已有的研究表明，腹足类可能为金属排出速率最低的一类生物。 1 7 减少重金属污染的措施 传统上治理重金属污染一般采用物理的和化学的方法，诸如离子交 换树脂法、活性炭吸附法、化学沉淀法及电化学处理等。这些方法有一 定的效果，但耗资大而且容易造成二次污染。微生物具有从外界环境富 集重金属离子及放射性元素的能力，近年来利用微生物对金属离子的生 物吸附作用来处理废水是国内外新兴的一个研究领域。生物吸附就是生 物体从水溶液中有选择性地“吸附”金属离子的现象，具有速度快、选 择性高、吸附容量大等优点，可以弥补传统废水处理方法的不足。微生 物吸附剂一般利用工业生产中的副产品做吸附剂，如啤酒工业的发酵废 渣等：还可以利用一些在海洋中大量存在的藻类，因而大幅度降低了废 水处理的成本。另外，还可以通过具有较强结合能力的洗脱型洗脱生物 吸附剂，以回收重金属使吸附剂得以循环利用。目前，生物吸附研究的 发展趋势是寻找对某种金属具有高选择性的吸附剂，以及对吸附剂固定 化的研究。吸附材料的选择范围也从以前的单一的活生物体扩大到“半 存活”、“半完整”生物体，甚至死细胞。随着生物吸附研究的深入， 许多学者发现死细胞或是“半存活”、“半完整”状态的细胞能以相等 甚至更高的效率吸附金属，从而解决了由于高浓度金属离子对活生物体 会产生毒性作用而使其应用受到限制的问题。 1 6 一f 工；硕士学位论文 1 8 立题依据、研究内容及意义 随着工农业及其他事业的发展，在其生产或试验过程中排放的有 毒物质必然对环境造成污染，尤其是对水体的污染更加严重。污染物 进入海洋后，既受到物理、化学因素的作用，又受到生物及其活动场 所的作用，因此污染物的分布和归宿与生物活动息息相关。重金属污 染是近年海洋环境污染的公害之一，且形势十分严峻，因而对重金属 含量进行检测和分析是很有必要的。 本实验选择了五种重金属元素，分别为h g 、p b 、c d 、c u 、z n 。 其中h g 、p b 、c d 是非生物体所必需的金属元素，而且它们是对生物 体毒害较大的金属元素，在水生生态系统中污染也较严重。c u 、z n 为 生物体必需的金属元素，生物体的许多生理生化反应都需要它们的参 与，但是它们也是在生物体必需的金属元素中，最容易超标从而引起 生物体中毒的两种元素。因此，这五种重金属元素都是环境优先污染 物，选择它们作为检测对象，具有较好的代表性。重金属溶于水中， 有多种络合态，金属离子通常只占总可溶金属的一部分，是惟一能与 细胞膜载体蛋白结合的部分，具有生物活性。在本实验所选取的重金 属元素中，p b 、