重金屬鎘對水生動物的毒性作用及其機制

王 晶，任同軍， 王福強

（大連海洋大學農業部北方海水增養殖重點實驗室，遼寧大連116023）

鎘（Cd）是一種無生理功能的有毒重金屬污染物，其殘毒的蓄積性、時間長、易于沿食物鏈轉移富集等特性對水生生物健康具有較大的負面影響（丘耀文等，2005）。重金屬主要通過工業廢水進入水環境系統，其中銅和鎘是重金屬類污染中2種較為典型的污染物（陳輝輝 等，2011）。

鎘的所有化學形態對人和動物都是有毒的。除硒化鎘、硫化鎘和氧化鎘極微溶于水外，其余都溶于水，海水中的鎘主要以CdCl2的膠體狀態存在。由于鎘化物大多溶于水，因此不論從消化道、呼吸道都能被吸收進入水生生物機體，對全身器官系統發生作用（魏筱紅和魏澤義，2007）。目前，已有報道稱水傳播的鎘能夠減慢魚的生長速度，甚至引起死亡（McGeer等，2000），擾亂機體內離子的滲透作用，改變酶的生物活性 （Liu等，2011），在鯰魚中能夠擾亂其肝臟和肌肉組織中脂質的新陳代謝（Chen等，2013）。在人體內，鎘的半衰期長達7～30年，可蓄積50年之久，能對多種組織和器官造成損害。

1 鎘在動物體中積累途徑

重金屬在水生動物內的積累，通常認為通過下列途徑實現：一是利用鰓不斷吸收溶解在水中的重金屬離子，然后通過血液輸送到體內的各個部位或積累在表面細胞中；二是通過攝食，水體或殘留在餌料中的重金屬通過消化道進入體內 （趙紅霞等，2003）。 Verbost （1989） 對虹 鱒（Salmo gairdneri）吸收Cd2+的研究中發現，Cd2+從水相到鰓部的移動是被動擴散或易化擴散穿過鰓氯細胞鈣通道的過程，在鰓與血液之間的分配往往成正相關關系。劉長發等（2001）研究發現，暴露于不同金屬濃度體系中的金魚，其鰓對鉛、鎘的吸收量隨著水相游離態Pb2+、Cd2+濃度的增加而增加，但增加幅度隨濃度增加而減緩。

2 鎘的毒性機制

鎘能降低動物機體內多種酶的活性，尤其是含鋅、巰基的抗氧化酶。鎘能通過與酶類巰基結合或通過競爭或非競爭性替代作用，置換出細胞內金屬依賴性酶類，特別是抗氧化酶系中的金屬輔基，降低機體抗氧化酶的活性，使機體清除自由基的能力下降，從而引起氧化損傷 （刁書永等，2005）。趙元鳳等（2002）研究了不同濃度的鎘對鰱魚（Aristchthys nobilis）部分組織內超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活性的影響，結果表明：0.01、0.1、0.5 mg/L 低濃度 Cd2+對鰱魚組織的SOD起誘導作用，1.00 mg/L高濃度的Cd2+對鰱魚組織的SOD起抑制作用；而Cd2+污染脅迫對CAT活性始終表現為不同程度的誘導作用。

此外，鎘能誘導金屬硫蛋白（MT）的形成，金屬硫蛋白參與了鎘在機體內的吸收、轉運、排泄和蓄積，鎘進入機體后，誘導合成的金屬硫蛋白可以螯合一定的鎘形成Cd-MT復合物以降低胞內的Cd2+濃度，盡管MT可以螯合一定濃度的Cd2+，降低其引起的肝臟損傷，但肝中形成的Cd-MT復合物經血液運輸到腎臟后大部分被腎小管重吸收，后經溶酶體降解分離釋放出游離的Cd2+，繼續發揮鎘的毒性作用（Stohs和 Bagchi，1995）。 與此同時，生物體內有天然的Zn-MT和Cu-MT，當鎘進入機體時，鎘與鋅、銅發生置換作用，進而使鋅、銅、鐵等的平衡受到破壞（刁書永等，2005）。除此之外，研究表明，鎘具有類雌激素的作用，對魚類的繁殖也有一定的影響，如鎘暴露使克氏原螯蝦的繁殖量和孵化率降低，并能抑制其卵巢的成熟度（胡貴林，2007；Anderson 等，1997）。

3 鎘在水生動物體內的畜積及毒性作用

重金屬對不同海洋生物的毒性因生物種類及其個體大小而異，還與海水環境的理化因子、生物體對重金屬的適應程度以及試驗條件等有關 （孫振興等，2007）。已有研究表明，重金屬離子對體長2.5～3.0mm 牙鲆（Paralichthy solivaceus）仔魚的毒 性 大 小 依 次 為 Cu2+＞Cd2+＞Zn2+（ 李 國 基 等 ，1996）；對斑節對蝦（Penaeus monodon）仔蝦的毒性大小依次為 Cd2+＞Cu2+＞Zn2+＞Cr6+（鄒棟梁和高淑英，1994）；對刺參（Apostichopus japonicus）幼參的毒性大小依次為 Cu2+＞Cd2+＞Zn2+＞Cr6+（孫振興等，2007）；對側扁軟柳珊瑚（Subergorgia suberosa）的毒 性 大 小 依 次 為 Cu2+＞Zn2+＞Cd2+（ 彭 紹 宏 等 ，2004）。鰓是魚體直接從水中吸收重金屬的主要部位，動物的肝、胰、腎是其主要解毒和排泄器官，可產生大量束縛重金屬的金屬硫蛋白，因此鰓、肝、腎成為水生動物體內富集重金屬的主要部位 （胡貴林，2007）。 阮曉（2001）經測定發現，羅非魚、淡水白鯧及鯉魚中重金屬主要蓄積于三種魚的鰓、肝、腎等組織器官，肌肉重金屬蓄積量明顯低于鰓、肝、腎部位的蓄積量。結果與Zhou和Cheung（1998）調查的重金屬污染水體中羅非魚各組織中重金屬蓄積量結果相似，即鉛、鎘、鉻在鰓、皮膚、內臟中的含量遠高于肌肉。孫黎光等（2005）對黑鯛體內重金屬分布測定結果表明，Cd2+在黑鯛各組織器官中的累積分布特點為鰓＞肝＞腸＞鰭＞肌肉。劉長發等（2001）研究發現，金魚腎臟對鎘的積累量明顯大于肝臟，即金魚在血液中金屬含量相同的情況下腎臟蓄積了更多的金屬。對奧利亞羅非魚 （Oreochromis aureus）、 日本鰻鱺（Anguilla japonica）吸收、蓄積鎘的研究中也發現腎臟是蓄積量最大的器官（Yang 和 Chen，1996）。

鎘進入水體環境中會引起水生生物的急性或慢性中毒，造成畸變甚至死亡（Coogan等，1992）。我國漁業水質標準（GB11607.89）對鎘的最高允許濃度規定為0.005 mg/L。Buhl（1997）曾以尖頭葉唇魚、骨尾魚和刀項亞口魚為試驗生物得到96 h鎘的LC50為78～168 mg/L。高淑英（1999）在恒溫（28±0.5）℃和允氣條件下研究汞、鎘、鋅、錳對日本對仔蝦的急性致毒效應，結果表明按96 h LC50值計算，其對鎘的安全濃度為0.0342 mg/L。王銀秋等 （2003）以鯽魚和泥鰍為研究對象得到鯽魚24、48、96 h 鎘的 LC50分別為 99.3、63.1、45.7 mg/L；泥鰍 24、48、96 h 鎘的 LC50分別為 101.1、67.6、56.5 mg/L。對于鯽魚和泥鰍較能耐重金屬污染的種類，一般受污染水體的重金屬濃度遠遠達不到試驗所得數值，但未達到產生致死濃度的重金屬污染也會對魚類的繁殖、生長發育等產生影響，而且半致死濃度與時間有著密切的關系，存在濃度-時間依賴性即時間越長，半致死濃度越小。此外，Guhathakurta（2000）報道，鎘、鋅在蝦肌肉中的蓄積與水體的鹽度有極大關系，某些動物適應低鹽以后，能改變水和離子的通透性，從而改變重金屬的攝入速率，如棘溝蝦（Orchestia gammarellus）在鹽度降低時攝入鋅和鎘的速度增加。

4 維生素C對鎘中毒的緩解

鎘中毒主要體現在氧化損傷，因此可對機體產生抗氧化保護作用的物質在很大程度上可以緩解甚至解除重金屬的毒性（劉曉玲等，2006）。維生素C作為一種自由基清除劑能發揮抗氧化功能，從而增強機體對外界環境的應激能力，增強機體免疫力，提高水生動物對疾病的抵抗能力 （趙陽等，2013）。劉曉玲等（2006）研究發現，飼料中添加一定劑量的維生素C，能夠有效延緩鎘中毒引起的肝臟中SOD、CAT、谷胱甘肽過氧化氫酶（GSHPx）等抗氧化酶活性的降低時間，減小其降低幅度。趙文（1995）也曾研究報道，維生素C與魚蝦等水生生物的解毒抗病有關，組織中維生素C含量高時，魚蝦等對環境污染的耐受性增強。

5 鎘污染的防治

鎘是主要的環境污染毒物之一，排入環境中的鎘很難被消除。因此，預防鎘污染的關鍵在于嚴格控制鎘毒的排放，要堅持環境監測，合理采礦和冶煉，嚴格控制工業“三廢”并嚴格執行水的常用標準。對于工業、農業產生的鎘污水，采用“硫化物沉淀法”和“離子交換法”是對其進行治理的有效方法。兩者相比，“離子交換法”治理鎘污水較快捷且效果好，但由于價格較貴，一般情況下采用較經典的“硫化物沉淀法”。在采用“硫化物沉淀法”治理鎘污水時，若該污水中含有Fe3+，則先加入石灰，將鎘污水pH值調至3～4，使Fe3+沉淀（pH=3.2時，可認為Fe3+沉淀完全）分離，之后再向鎘污水中通入H2S氣體，將Cd2+沉淀除去（魏筱紅和魏澤義，2007；黃寶圣，2005）。除此之外，因為微生物具有從外界環境富集重金屬離子及放射性元素的能力，因此，利用生物體從水溶液中有選擇性地快速、大容量地“吸附”金屬離子的方法，可彌補傳統廢水處理方法中的不足。微生物吸附劑一般利用工業生產中的副產品如啤酒工業的發酵廢渣等，還可以利用在海洋中大量存在的藻類，這也大大降低了處理的成本（趙紅霞等，2003）。

6 小結

目前水環境重金屬污染對水產動物的影響相關研究較多，但由于重金屬在水生生態系統中呈現較為復雜的形態和相對較高的活性，以及對魚類較強的毒性和承受重金屬毒害作用機理的復雜性，還有很多方面尚未闡明。因此，在今后的研究中，可根據不同有毒重金屬元素對機體損害的特點，進一步研究健康營養餌料及重金屬對水產生物的毒害作用和環境保護對策，以期對環境保護及水產品的養殖具有重要指導意義。

[1]陳輝輝，覃劍暉，劉海超，等.典型重金屬、多環芳烴及菊酯類農藥對唐魚的急性毒性效應[J].華中農業大學學報，2011，30（4）：511～515.

[2]刁書永，張立志，袁慧.鎘中毒機理研究進展[J].動物醫學進展，2005，26（5）：49～51.

[3]高淑英.汞、鎘、鋅和錳對日本對蝦仔蝦的急性毒性 [J].海洋通報，1999，18（2）：93～96.

[4]胡貴林.重金屬對水產動物的影響研究概述 [J].畜牧獸醫科技信息，2007，9：9～10.

[5]黃寶圣.鎘的生物毒性及其防治策略[J].生物學通報，2005，40（11）：26～28.

[6]李國基，劉明星，張首臨.金屬離子對牙鲆仔魚的毒性影響[J].海洋學報，1996，18（6）：34～39.

[7]劉長發，陶澍，龍愛民.金魚對鉛和鎘的吸收蓄積[J].水生生物學報，2001，25（4）：344～350.

[8]劉曉玲，周忠良，陳立僑，等.維生素C、E對鎘致毒后中華絨螯蟹抗氧化系統酶活性的影響[J].Marine Sci，2006，30（1）：39～43.

[9]彭紹宏，黃將修，熊同銘.四中重金屬離子對側扁軟柳珊瑚的毒性及其攝食行為的影響[J].臺灣海峽，2004，23（3）：293～301.

[10]丘耀文，顏問，王肇鼎，等.大亞灣海水、沉積物和生物體中重金屬分布及其生態危險[J].熱帶海洋學報，2005，24（5）：69～76.

[11]阮曉.重金屬在羅非魚淡水白鯧和鯉魚體內的蓄積[J].農業環境保護，2001，20（5）：357～359.

[12]孫黎光，文濤，彭博.慢性鉛暴露小鼠海馬CaMKⅡ、CREB與學習記憶損傷的關系[J].中國水產，2005，19（3）：235.

[13]孫振興，陳書秀，陳靜，等.四中重金屬對刺參幼參的急性致毒效應[J].海洋通報，2007，26（5）：80～85.

[14]王銀秋，張迎梅，趙東芹.重金屬鎘、鉛、鋅對鯽魚和泥鰍的毒性[J].甘肅科學學報，2003，15（1）：35～38.

[15]魏筱紅，魏澤義.鎘的毒性及其危害[J].公共衛生與預防醫學，2007，18（4）：44～46.

[16]趙紅霞，詹勇，許梓榮.重金屬對水生動物毒性的研究進展（一）[J].內陸水產，2003，1：38～40.

[17]趙文.維生素 C 與水產養殖[J].飼料博覽，1995，5：35～37.

[18]趙陽，李元莉，劉廣，等.飼料中添加維生素C對水生生物鉛中毒的緩解作用[J].河北漁業，2013，6：37～41.

[19]趙元鳳，呂景才，宋曉陽，等.鎘污染對鰱魚超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性的影響[J].農業生物技術學報，2002，10（3）：267～271.

[20]鄒棟梁，高淑英.銅鋅錫汞猛和鉻對斑節對蝦急性致毒的研究[J].海洋環境科學，1994，13（3）：13～18.

[21]Anderson M B，Preslan J E，Jolibois L，et al.Bioaccumulation of lead nitrate in red swamp crayfish（Procambarus clarkia）[J].Journal of Hazardous Materials，1997，54（1-2）：15～29.

[22]Buhl K J.Relative Sensitivity of Three Endangered Fishes，Colorado squaqfish，Bonytail，and Razorback Sucker，to Selected Metal Pollution[D]．E-cotoxicol Envkon Saf，1997，37（2）：186～192.

[23]Chen Q L，Gong Y，Luo Z，et al.Differential effect of waterborne cadmium exposure on lipid metabolism in liver and muscle of yellow catfish，Pelteobagrus fulvidraco[J].Aquatic Toxicol，2013，142-143：380～386.

[24]Coogan T P，Bare R M，Waalkes M P.Cadmium-induced DNA strand damage in cultured liver cells：reduction in Toxicol[J].Appl Pharmacol，1992，13：227～233.

[25]Guhathakurta H.Heavy Metal Concentration in Water，Sediment，Shrimp（Penaeus monodon）and Mullet（Liza parsia）in Some Brackish Water Ponds of Sunderban，India[J].Marine Pollu Bulletin，2000，40：914～920.

[26]Liu X J，Luo Z，Li C H，et al.Antioxidant responses，hepatic intermediary metabolism，histology and ultrastructure in Synechogobius hasta exposed to waterborne cadmium[J].Ecotoxicol Environ Saf，2011，74：1156～1163.

[27]McGeer J C，Szebedinszky C，McDonald D G，et al.Effect of chronic sublethal exposure to waterborne Cu，Cd or Zn in rainbow trout.1：iono-regulatory disturbance and metabolic costs[J].Aquat Toxicol，2000，50：231～243.

[28]Stohs S J，Bagchi D.Oxidative mechanism in the toxicity of metal ions[J].Free Radical Biol Med，1995，18：321～336.

[29]Verbost P M.The movement of cadmium through freshwater trout branchial epithelium and its interference with calcium transport[J].J Exp Biol，1989，145：185～197.

[30]Yang H-N，Chen H-C.Upcake and chromation of cadium by Japanese cel，Anguilla japonica，at varions temperature[J].Bull.Envvro Canturn tovucal，1996，56：670～676.

[31]Zhou H Y，Cheung R Y H.Metal concentrations in sediments and tilapia collected from inland waters of Hong Kong[J].Water Res，1998，32：333～334.