水生动物镉的形态、分布及毒性

水生动物镉的形态、分布及毒性

镉是一种对人类和水生动物严重危害的毒性重金属元素。它具有长期的保存时间和大量的储存、沿着链式循环、隐藏和不可逆性等特点。随着社会工业化的发展,大量的镉随废水排放及地表径流进入水生生态环境,造成水生生物圈的污染,影响水生动物的安全。此外,由含有大量镉的水生动物及其下脚料加工而成的饲料也会造成养殖动物的镉超标,从而引起其食用安全性等问题。20世纪50年代日本爆发了由镉引起的“骨痛病”事件,此后,诸如此类的事件时有发生,并引起世界各国的共同关注。镉在人体内的半衰期长达6.2～18年,在动物机体内也长达10～35年,镉为最易在人体内蓄积的毒性物质,在水生动物体内,尤其是头足类易蓄积。1972年,FAO/WHO把镉列为第3位优先研究的食品污染物,1974年联合国环境规划局将其定为重点污染物,此后美国毒物管理委员会(ATSDR)将其列为第6位危及人健康的有毒物质,也因其能诱发试验动物肺癌、前列腺癌和睾丸肿瘤而被IARC归类为第一致癌物。虽然国内外水产科研者对水生生态系统中的镉进行了广泛深入的研究,并取得了大量成果,但是,由于镉在水生生态系统中呈现较为复杂的形态以及不同水生动物承受镉毒害机理的复杂性,有关镉在水生动物中的形态、分布、转化和毒害机理等尚未被确证,为进一步推动镉理论的研究,现对水生动物中镉研究进展做一综述。1贝类与重金属含量的检测国内外对水生动物的镉污染已经引起了广泛重视,相关的调研成果反映出镉在水生生物体内的污染已呈非常严重的程度。据20世纪80年代以来在检验工作中对我国水生动物测定的数据统计,我国水生动物中的镉污染越来越严重,双壳贝类(如紫贻贝、牡蛎、扇贝等)尤其突出。吴玉霖测定渤海的毛蚶及扇贝的镉含量就已经超过允许值。此后在20世纪80年代的全国海岸带调查期间,对我国沿岸海域海洋经济鱼类的镉含量作了调查,发现天津岸段全部鱼样的镉含量均超过我国食品卫生标准的要求,其中黄鲫(Arassioidescantonensis)、矛尾鰕虎鱼(Chaeturichtysstigmatias)、黄姑鱼(Nibeaalbiflora)和鲻鱼(Mugilcephalus)的镉含量均高于美国标准1～3.6倍。1997—2003年海洋环境监测部门对舟山渔场经济鱼类镉含量进行了监测,发现镉在白姑鱼(Argyrosomusargentatus)、梅鱼(Collichthyslucidus)、带鱼(Trichiurushaumela)、墨鱼(Sepiallajaponica)、小黄鱼(Pseudoscaenapolyactis)体含量呈逐年升高的趋势。2003年8—9月,对福州市等12个主要贝类养殖区的贝类体内重金属含量进行调查分析与评价,结果显示各养殖区贝类体内镉的平均值为0.42mg/kg,超出标准较多,其中,牡蛎镉含量高达0.87mg/kg。调查结果显示,我国水生动物中的镉含量(以湿重计)为:鱼类0.16～9.20mg/kg;甲壳类0.15～3.42mg/kg;软体动物类0.02～23.99mg/kg;贝类在多数海域里的镉含量为0.10～14.0mg/kg,部分海区则高达51.0mg/kg(珠海的红螺)。国外对水产动物的镉污染也有报道,Storelli等研究了2类512种头足类水生动物中的镉含量,其中章鱼(OctopusvulgarisLamarck)、乌鱼(SepiaesculentaHoyle)、莱氏拟乌贼(Ommastrephesbartrami)等体内镉含量最高,在肝胰腺中尤甚,并测定了印度尼西亚海中贻贝重金属的含量为0.64mg/kg(湿重)。2虾类水体中镉的富集从众多的试验研究看,水生动物吸收累积镉的途径表现出很大的不同。Verbost对虹鳟(Salmogairdnerii)中镉蓄积、衣铭明等对鲈(Lateolabraxjaponicus)对浮性饵料中镉积累的研究表明,鱼类、甲壳类主要是经过鳃不断吸收溶解在水中的镉离子,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。据相关调查研究,鱼通过水吸收积累镉的富集系数为513,远高于通过摄食途径对镉的生物浓缩吸收。Taylor曾推断,饵料生物中的镉含量,比水中浓度高出约15000倍时,间接吸收的量才相当于直接吸收的量;而对于双壳类和头足类来说,主要是通过摄食水体或残留在饵料中的镉通过消化道进入体内。此外,对虾体表与水体的渗透交换作用也是镉进入体内的一个途径。水生动物对镉的吸收蓄积力较强,但随着环境背景浓度、生物种类、蓄积部位的不同而有所差异。如鱼类可富集103～105倍的镉,贝类富集105～106倍的镉,非污染区螺贝类镉含量为0.05mg/kg,污染区螺贝类含量可高达4.20mg/kg。不同的鱼种对镉的蓄集能力也不同,例如同一水库鱼体按镉吸收含量大小排列为:鳙(Aristichthysnobilis)>鳊(Parabramispekinensis)>鲫(Carassiusauratus)>黄顙鱼(Ictaluruspunctatus)>鲂(Dasyatisakajei)>乌鳢(Channaargus)。镉在水生动物体内的蓄积能力还会随着盐度的增加而下降,因为离子态的镉会与Cl-络合降低了对其生物蓄积速度,但在受镉污染严重的海区,盐度的增加可提高镉的络合能力和溶出速度,从而增加了镉的生物蓄积。3浮性配合饵料中的镉的积累和积累镉在水生动物体内的蓄积分布,可以反映生物体对镉的代谢和转移情况,并且对了解水生动物对镉的吸收积累过程及安全加工利用都有参考价值,所以一直是镉研究的焦点之一。在水生动物对水体中的无机镉离子吸收蓄积的研究中,王凡等指出栉孔扇贝(Chlamysfarreri)在不同浓度镉的水体中,内脏团的蓄积量和浓集系数总是大于鳃和肌肉。随着水体中镉浓度的增加,鳃的富集系数为50～260,而内脏的富集系数则为80～490;肌肉的富集系数为7～50。戴家银等研究得出真鲷(Pagrosomusmajor)幼鱼各组织积累水体中镉离子的浓度顺序是内脏>鳃>肌肉等组织。以鲤(Cyprinuscarpio)、金鱼(C.carassius)等为试验对象也有相类似的研究结果。在水生动物对饵料中的有机镉化合物吸收蓄积的研究中,林建云对长期喂含乌贼内脏粉饲料的海鲈(Lateolabraxjaponicus)进行镉含量测定,结果是肌肉中镉含量与天然生长对照组一致,而内脏中镉含量远远高于自身肌肉镉含量和天然生长对照组的内脏镉含量,约高10～20倍。林光恒等用人工养殖对虾进行试验,试验组内脏镉含量约为肌肉的10倍。翟毓秀等用莱氏拟乌贼等头足类及其加工下脚料作为高含镉原料配制饲料喂养大菱鲆亲鱼,发现镉主要蓄积在内脏中,其中肝、肾的含量分别是肌肉中的100～400倍。衣铭明以鲈做研究对象观察对浮性配合饵料中镉的积累情况时,发现肝脏明显高于肌肉,其中主要储存于肝脏和肾脏中。由此得出,无论是环境中的离子镉还是残存在饵料中的有机镉,它们进入水生动物体后,在主要组织器官中的分布趋势是一致的,即内脏的含镉量远远高于肌肉。而之所以镉在肾脏和肝脏中有如此高的蓄积量,是因为海洋生物体内有金属硫蛋白或类金属硫蛋白和含氨杂环水分子的化合物,硫蛋白的巯基和小分子量化合物的配位体对镉有很高的亲和力和络合能力,能够牢固地结合一定量的金属,而这些化合物在肝脏、肾脏等软组织中较多。此外,镉在水生动物体内的积累模式具有时间效应和浓度效应[21,22,23,24,25,26,27]。水生生物在同一镉浓度下暴露时间不同,其积累情况也不同。鲤各部分对镉的富集作用随时间的增加而增强,并在40～50d趋于平衡。生活水域中镉离子浓度不同,镉在生物体内的积累量不同。据报道,镉在鲫体内积累量随试验离子浓度的增大而增大。环境背景值对镉的毒性和积累影响都很大,虹鳟在含亚致死镉浓度的软水中暴露30d,发现这种慢性暴露对虹鳟的生长、游动、日常氧消耗和自身铁离子水平都无影响,且96h的LD50值明显大于未在含镉水体中驯养的11～13倍。在早期暴露时,积累以剂量效应为主,鱼体内的积累和暴露浓度呈线性关系。4中镉的释放途径镉在水生动物的消除途径有:排泄、排遗、分泌、解毒及其他生理过程,水生动物生活在镉污染水域,镉在其体内蓄积占主导,一旦远离污染环境,则清除占主导,同时生物体发挥自身的解毒功能,将毒物向外释放,以求保持内环境的稳定。不同的水生动物对体内积累的镉排出规律也不同,王凡等的研究结果显示,染毒18d栉孔扇贝(第15d吸收累积已达到平衡)放入清洁海水中,在11d的排放试验期间,鳃、肌肉、内脏团中镉蓄积量随排放时间的增加逐渐下降,排放第11d,栉孔扇贝内脏团内累积的镉排出率达38.11%,其排出速率为21.21mg/(kg·d);而鳃中镉的排出率达65.41%,其排出速率为36.13mg/(kg·d);肌肉中镉排出率达66.18%,其排出速率为1.720mg/(kg·d)。在此期间镉排出率为:肌肉>鳃>内脏团;排出速率为:鳃>内脏团>肌肉。这与deContoCinier报道鲤组织镉排放规律不同,鲤经127d染毒试验后在清水排放42d,肾镉仍持续增加;肝镉变化不明显;肌镉明显降低。而赵元凤等采用暴露试验方法,研究海水中镉在牙鲆内脏、肌肉、鳃组织内蓄积及在清洁海水中排放规律,结果表明牙鲆染毒13d后(第10d达吸收平衡),将牙鲆移入清洁海水中,随排放时间增加,各组织镉蓄积量明显下降,排放至第15d时各组织镉排出率为:内脏团(80.66%)>鳃(73.66%)>肌肉(56.84%),这可能与贝类和鱼类排出镉的途径不同有关。陆超华在近江牡蛎作为海洋重金属镉污染监测生物的研究中,发现将近江牡蛎从处于12d的镉暴露状态移入天然海水中后,体内的镉就开始排出,但排出速度较慢,至试验末期(第35d)其体内累计的镉排出率仅为29%,试验结果的不一致可能与试验所做的吸收积累时间不同有关系,也可能与牡蛎对重金属的高同化率和低排出速率有关系。5镉在克氏原螯虾体内的传递水环境中的镉经食物链富集可达相当高的浓度,近年来,随着研究的深入和对镉研究的重视,有关生物体内的镉在水生生物链中的传递和蓄积方面的研究有增多的趋势:秦松等研究了镉在褐藻(Macrocystispyrifera)→中国对虾(Cancerchinensis)→欧氏六线鱼(Hexagrammosotakii)试验食物链中的传递,发现其从褐指藻传递到对虾的比例为66.6%、从对虾传递到欧氏六线鱼是29.9%,镉在传递中依次减少;Wang等研究了2种肉食软体动物(Babyloniaformasaehabei和Nassariusteretiusculus)通过摄取作为食物的蛤体内的镉而造成的体内蓄积,并发现摄入镉的排出率为84%～94%,由此得出镉在生物体内的传递过程中具有放大作用的结论;Jennings等研究试验得出从卤虫(Artemiasalina)到蟹(Carcinysmaenas)的传递比例为10%;Simon等研究了镉在亚洲蛤蚬(Corbiculafluminea)到螯虾(Astacusastacus)体内传递、造成体内蓄积增高的影响,发现从蛤蚬传输到鳌虾的镉含量约为5%,且肝胰腺的浓度最高,肌肉中的浓度最小。这种传递比例的不同可能与传递途径、试验条件(如不同的进食量,试验时间的长短)以及计算方法(直接推算法,Miramand的半对数曲线求算法)有关。6金属污染物的毒性机理镉是致毒快,损害重,非降解且具蓄积性的重金属污染物,可以通过不同的途径或者机理对水生动物的某一器官和组织产生危害,致毒方式并不单一,其毒性机理主要表现在以下几个方面:6.1镉离子诱导肾近曲小管细胞凋亡镉进入生物体后,可诱导合成金属硫蛋白(MT),然后MT可以螯合一定的镉形成镉—MT复合物或者夺取与其他功能蛋白结合的镉离子来降低关键部位的镉浓度。一方面,MT是一种很强的自由基清除剂,丰富的巯基还原态/氧化态的转换来清除由镉离子诱导产生的自由基,并释放出具有抗脂质过氧化作用的锌离子,减轻自由基和脂质过氧化产物对遗传物质的损伤;另一方面MT还可以通过削弱镉对抗氧化酶的抑制,间接地对氧化损伤起保护作用。正常情况下,只有少量的金属硫蛋白在肝脏中合成,并与被机体吸收的镉结合而解毒,所以当MT被镉饱和之后,继续合成又赶不上进入细胞的镉结合的需要时,多余的镉就会与体内其他生物分子,包括酶和核酸等生物大分子相互作用,对机体产生损害。许多研究试验表明,对于海洋无脊椎动物(如软体动物),镉离子能刺激其体内大量合成金属硫蛋白或作用类似的小分子蛋白质,它们能大量结合进入体内过多的镉离子,从而在一定程度上减轻镉的毒性作用。吴坚和Roesijadi认为,软体动物解毒机制在于体内金属硫蛋白的作用,镉能诱导金属硫蛋白合成,其作用是调节镉在体内的平衡,如果进入软体动物内细胞的镉离子较高,使硫基组氨酸三甲基内盐生理学积累达到饱和,镉离子的超量能激发新的硫基组氨酸三甲基内盐的mRNA的转译。虽然镉在细胞中可能得到异常高的富集,但大部分镉是以一种无毒形式结合于新合成的硫基组氨酸三甲基内盐上。这可能是毛蚶和牡蛎的富集系数很高而耐受性强不至于死亡的原因。但是,尽管金属硫蛋白可螯合一定浓度的镉离子,降低镉离子引起的肝肾损害,但是,镉—MT本身对肾脏具有毒性作用,是一种肾毒质。在对镉—金属硫蛋白诱发大鼠肾近曲小管细胞凋亡的试验研究中发现,大鼠经一次静脉注射镉—MT处理后,可引起肾脏染毒,随着时间延续,DNA发生断裂现象,尿中LDH的活性也显著升高,所出现的生化和形态改变均为细胞凋亡的表现。由此可见,镉—MT可选择性诱发肾近曲小管的细胞凋亡。目前,关于镉—MT肾脏毒性机理的假说主要有2种:一种认为镉—MT复合物经血液运输到肾脏后大部分被肾小管重吸收,经胞饮作用进入肾小管细胞溶酶体,被降解分离并释放出游离的镉离子,继续发挥镉的毒性。由于细胞合成MT的速度比镉—MT分解的速度要慢,因而在MT合成之前,镉离子则可干扰细胞的生化过程而损害肾脏。另一种假说认为镉—MT分子被吞饮入细胞的过程中损害了肾小管细胞膜导致肾脏损害。Cherian给大鼠注射镉—MT(0.3mg/kg),发现镉在溶酶体中的分布不到7%,而在细胞溶质组分中,约有50%以上的镉在投予镉—MT后1～48h内一直存在,且大部分以镉—MT的形式存在。因而,作者认为肾损害原发于镉—MT对肾小管细胞膜的损害,溶酶体在镉—MT的肾脏毒性中引起的作用很小。镉的生物半衰期长也被认为与MT的合成特性有关。镉离子进入细胞后诱导MT合成并与之结合,不久又分解出来,在细胞内释放镉离子,其中一部分镉离子又可以诱导再次合成MT,另一部分释放到胞外。组织细胞能从血液中持续不断获得镉离子,诱导MT合成。这样镉离子不断在细胞和血液中循环,很难排出。6.2镉与金属酶的相互作用镉离子污染对水生生物的中毒效应主要体现在由自由基介导的氧化损伤而造成生物体内的过氧化胁迫。一方面,镉通过多种途径在体内诱发产生大量的自由基代谢物、活性氧,例如镉离子在与金属硫蛋白结合过程中有自由基产生,在置换出DNA结合蛋白“Zn指”结构中的Zn2+时也有自由基产生,而另一方面镉可以作用于细胞的抗氧化酶系统,降低细胞对氧自由基的清除能力。例如镉与超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽还原酶的巯基结合,与谷胱甘肽过氧化物酶中的Se形成Se—Cd复合物,或取代CuZn-SOD中的Zn形成CuCd-SOD,从而使这些酶的活性降低或丧失。通过这两方面的作用,体内产生了大量氧自由基,而自由基及其反应产物则往往可以通过夺氢、氧化巯基、破坏碳链等反应使包括DNA在内的各种生物大分子结构和性质发生改变,导致各种病变;也可使不饱和脂肪酸过氧化,分解成丙二醛等物质,使生物大分子之间发生交联,聚合成异常的大分子,进而造成膜损伤,或降低膜的流动性,从而影响膜上或膜周围的对细胞增殖或凋亡有重要调节作用的酶。Canesi和Romeo报道了水体中镉可以造成鱼体谷胱甘肽转移酶和过氧化氢酶活性的下降,引起机体氧化应激,造成生物大分子和膜脂质过氧化,从而对机体诱发多种损害。另一试验结果显示,水中一定浓度的镉,能引起鲫肝脏、肾脏、鳃组织过氧化氢酶活性的显著增强,镉可抑制红细胞SOD活性,使体内的活性氧自由基增加,镉染毒后,鱼肝匀浆的脂质过氧化作用增强,可以导致生物膜上许多生物化学和生物物理学效应,其中包括膜脂流动性的改变,如脂质过氧化膜脂流动性下降。推测其原因可能是离子与膜表面的负电荷基团结合,影响膜表面的电荷密度和净负电荷的局部静电场并能渗入双脂质层,改变介电常数,从而导致膜流动性的改变。6.3对日本虾生长的影响丁磊等在对饲料中不同镉含量对鲫生长影响的研究中,发现低剂量镉在30d内对鲫生长有一定的促进作用,高剂量镉则对鲫生长有抑制作用,并且鱼体会出现病变现象。廖一久等研究表明,0.20mg/kg的对日本对虾生长性能显著抑制。Hansen的研究结果与之类似,鱼体生长的抑制仅仅出现在高的致死浓度下,在亚致死浓度内对其生长的影响就不大,并且讨论了在对其他鱼种试验中,之所以未观察到镉对鱼生长的副作用的现象是解毒和自我调节功能有关的金属硫蛋白的作用。而高剂量下出现的生长受到抑制的现象则是由于镉—MT被镉所饱和,失去解毒作用,在镉从镉—MT转移到高分子蛋白质时,鱼体出现病变。此外,Hansen还发现镉对鱼类生长影响的灵敏度是受鱼种的相对生长速度影响。6.4废水中的重金属酶活性研究鱼类尤其是淡水鱼对镉相当敏感,镉易与酶活性部位中的巯基结合成难溶解的硫醇盐,抑制酶的活性,从而妨碍机体的代谢作用,同时生成的硫醇盐对鱼也有一定的毒性。镉对鲤同工酶谱影响试验显示镉对鲤同工酶(Estaraseisozymes)、过氧化物同工酶(Perocidascisozymes)、碱性磷酸酶同工酶(Alkalinephosphatase)具有较强的影响,镉污染有使酶活性减弱的倾向。贾秀英和Gill指出镉也可以使鱼体内肝胰脏、肾脏、鳃等组织的谷丙转氨酶(GPT)和谷草转氨酶(GOT)活性降低,从而能干扰线粒体的能量代谢功能,使氧化磷酰化解偶联,引起能量代谢障碍。惠天朝等对尼罗罗非鱼(Tilapianilotica)镉慢性中毒时大脑、肝脏、心脏及鳃组织中酶活性变化规律的研究试验结果也证实了这一点。镉对虾体酶系影响也有相类似的研究结论,赵维信等探讨了不同质量分数的镉对罗氏沼虾(Macrobrachiumrosenbergii)的酶活性影响,结果表明,7.4mg/L的镉能使心脏、胰、鳃和肝脏的谷丙转氨酶(GPT)和谷草转氨酶(GOT)活性降低;绿腺的GPT和GOT活性显著升高。同样,李少菁等也报道镉对日本对虾(Penaeusjaponicus)仔虾的碱性磷酸酶(AKP)、谷丙转氮酶(GPT)及谷草转氨酶(GOT)的活性有不同程度的抑制作用,且随着镉浓度的增高,抑制作用越明显。此外,Devi将小龙虾(Procaamgarusclarkii)暴露在镉亚致死浓度中,在24h和48h分别测脑和腹神经索中乙酰胆碱酯酶(AChE)的活性,其结果是AChE的活性分别下降36.48%和48.78%。6.5镉离子的影响镉能够对水生动物的下丘脑—脑垂体—性腺轴生殖内分泌调控系统产生毒害作用。国内外已有研究表明镉具有类刺激素的作用,对水生生物尤其是鱼类的繁殖有一定影响。如成年的大西洋石首鱼(Micropogoniasundulatus)暴露于亚致死浓度的镉后造成类固醇血液浓度、卵巢类固醇分泌和卵巢发育的显著上升或下降,较高浓度镉处理引起血清促性腺水平的降低,生长激素水平的升高。马广智等研究重金属镉离子对脑垂体分泌促性腺激素(GtH)的影响,结果表明,镉离子可以直接刺激鲤鱼脑垂体异常分泌GtH,干扰下丘脑分泌的促性腺激素释放激素(sGnRH-A)刺激脑垂体分泌GtH作用,这意味着镉离子能在脑垂体水平干扰下丘脑—脑垂体—性腺轴生殖内分泌系统的正常协调功能,从而对鱼类的生殖产生毒害影响。蔺玉华等在研究镉对鲤鱼影响的试验中也得到了相类似的结果,染毒的鲤脑