銅對生物體的毒性效應及研究進展

余玲玲+黃碧捷+肖夢茹+張夢蝶

摘要：指出了隨著全球經濟一體化進程的加快，全球范圍內的環境污染問題是發展過程中必須面對和解決的，其中重金屬污染問題尤為嚴峻。分析了金屬銅離子的來源及危害，綜述了銅對植物、動物、微生物等的毒性效應進展并提出了研究展望。

關鍵詞：銅;毒性效應;復合污染;展望

中圖分類號：X173

文獻標識碼：A文章編號：1674-9944（2014）12-0145-03

1銅離子的來源及危害

重金屬廣泛存在于自然界中，隨著人類開采、冶煉、加工及商業制造活動的日益增加，使得各種重金屬進入生態系統，并在其中積累、遷移和轉化，給生物帶來不可逆轉的傷害，如2010年福建紫金礦業潰壩事件、瑞昌市工業園自來水中毒事件等都是由銅離子引起。

大氣中的銅離子污染主要來源于金屬銅冶煉及其加工過程中所排放出的含大量銅及其化合物的煙塵，該煙塵會對呼吸系統產生嚴重傷害。含銅物質的加工、銅鋅礦的開采過程會排放出大量含銅廢水，該廢水一方面影響水生生物的生存，污染水質和土壤;另一方面，人食用了該廢水澆灌的食物會造成重金屬中毒。土壤中銅污染主要來源于巖石風化和含銅廢水的灌溉等。銅離子會富集在生長于污染土壤中的農作物體內，通過食物鏈進入人體，使人產生急性胃腸炎、肝組織壞死、記憶力減退、注意力不集中等不良影響;地表徑流和滲透作用會使地表水和地下水受到其污染。

2銅對植物的毒性效應

銅離子是植物生長中必需的微量元素，過高或過低的銅離子都會對植物的生長指標（如種子萌發、根伸長等）、呼吸作用、光合作用、蒸騰作用、酶的活性及結構、遺傳物質的表達等產生影響。

2.1對水生藻體的影響

水體中的初級生產者是微藻，微藻為其他生物的生存提供了物質基礎。低濃度的銅離子，對藻體的細胞密度、光密度及葉綠素a的含量有促進作用，但是超過某一范圍后對藻類的生長有明顯的抑制作用。不同濃度銅離子對不同藻類的毒性效應是不同的。李晨辰等人[1]發現在銅離子濃度為1 mg/L時，綠色微囊藻（Microcystis viridis）的生長受到明顯抑制，而簡建波等人[2]以三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）為實驗對象，銅離子濃度相對增加50%才對其生長產生了明顯的抑制作用。實驗條件的不同會使實驗結果產生變化，如染毒時間。郭翠[3]等人研究表明：在急性條件和慢性條件下，得出了紅藻壇紫菜（Porphyra haitanensis）的葉狀體的丙二醛（MDA）含量，超氧化合物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）的活性隨染毒時間發生了變化。眾多的關于銅離子對藻類的影響研究說明：實驗結果受化合物和營養液的種類、光照時間、培養方法、選取試驗藻類的生長地區和階段等的變化而變化。只有用科學的方法對實驗進行統一和規范，才能保證數據的連貫性和系統性、實驗的相互對比性。

2.2對陸生植物生長發育的影響

銅離子對植物的種子萌發、根伸長、葉綠素的合成、植株干重鮮重等一般都表現為“低促高抑”現象。表1列舉了4類不同植物對其生長指標的影響。

植株吸收的銅離子在所需范圍之內時，對植物生長發育有促進作用，當其吸收量超過一定的范圍之后，在植株體內會產生大量的自由基和MDA，抑制植株的生長，引起植物新陳代謝的紊亂。在相同植株的不同部位，對銅離子的耐受力是不一樣的，例如：根是直接與銅離子接觸的部位，對銅離子的敏感程度強于莖。對不同植株的相同部位，銅離子的耐性也不同。在發生輕微污染的土地中，可根據植株的耐受力選擇合適的植株進行種植，在一定程度上可以充分利用土壤中的重金屬和土地資源。

已有的眾多文獻報道的實驗結果具有較大差別的原因在于：一方面是由于染毒受試對象選擇（試驗階段、受試物種）不一樣;另一方面是由于實驗條件的不同，如染毒時間、光照時間、培養液或土壤類型、銅離子化合物的種類、濃度梯度的差異等使結果存在偏差。在MS培養基中，銅的毒害主要表現在對芽的生長影響;而在蒸餾水的培養基中，對發芽率、芽長和根長有明顯毒害作用[8]。為消除因無法類比實驗結果而帶來的“浪費”，在染毒實驗中，應消除無關變量的干擾，提高實驗的準確性;選用的染毒受試生物上應具代表性和普適性。課題組正進行著對綠豆整個生命周期內，硫酸銅和氯化銅對其的毒性影響研究，力圖建立普適性、全程性的植物毒性效應研究模式。

2.3對陸生植物生理生化指標的影響

植物吸收的銅離子超過閾值時，會使植物產生酶的活性和氣孔的開閉發生改變，體內水分的分布受到影響，細胞膜的選擇透過性改變等一系列反應。植物體內各種酶的變化情況的影響因素：首先會隨著銅離子劑量的變化而變化，且銅離子對酶的活性的促進濃度最大值是不同的。銅離子致大球蓋菇胞內過氧化物酶（POD）和CAT的活性先增加后降低，極值濃度分別為200 μmol/L和100 μmol/L[9];其次會隨著植株受銅離子毒害時間而變化，例如：經過銅處理的小麥幼根的SOD酶的活性隨脅迫時間的延長呈“降-升-降”的趨勢，POD和谷胱甘肽硫基轉移酶（GST）均隨時間的延長和濃度的升高呈現下降趨勢[10];最后，銅離子對基因表達有影響，尤其是銅離子濃度和時間的交互作用對其影響因素更為明顯。

黃瓜愈傷組織對銅離子吸收積累速度較快，在大于20 mg/L銅離子脅迫下，愈傷組織會對銅積累量達到超富集水平。隨著銅離子濃度的變化，黃瓜體內銅離子主要富集部位也發生了變化，在較低濃度銅脅迫下，主要積累在細胞壁;在較高濃度銅脅迫下，主要積累在細胞可溶部分。黃瓜作為生產生活中較常見且易栽培的植株，其愈傷組織可大范圍用作對銅離子積累機理的研究材料。通過選取不同實驗對象，可發現潛在對銅離子有超量積累的植株，在植物對重金屬污染土地的處理上會有一定的指導作用。

2.4微觀及宏觀系統的影響endprint

外界生活條件的改變，可能會導致機體本身基因的表達和遺傳的改變，這種改變是物競天擇、適者生存的結果，而物種的微觀改變也會影響生態系統，即產生宏觀改變。在不同濃度的銅處理體外培養的豬胰島細胞發現對其SS基因mRNA的表達沒有顯著性影響[11]，但在二價銅離子與類胡蘿卜素作用時，會產生自由基，對DNA產生傷害。在研究銅離子對微觀水平影響時，不僅要探討其濃度、種類、作用時間等對某一因素的單一影響，還要研究可能相關的多個指標之間變化的關系。例如，銅離子作用受試物種后，所研究指標發生變化，可能由于外界因素（溫度、光照等）的影響，而不是銅離子的作用。被銅離子污染的土壤中細菌的種類會發生改變，從而使土壤的緊實度、質地和有機質特性都可能發生變化，而且其周邊的植株隨著銅脅迫時間的延長其中毒程度會不斷加深。有時銅離子污染的范圍雖小，但隨著時間的增加，污染程度和污染范圍也會在一定程度上有所增加，所以為防止大范圍的污染，應首先減少或消除小范圍的污染。

3銅對動物的影響

銅作為生長發育所必須的元素，它可以調控黑色素的合成，增強機體的免疫能力，參與含銅蛋白質的形成，對造血過程和髓蛋白的合成有促進作用等。飼料中低劑量的銅具有促進生長的作用，斑點叉尾鮰在飼料銅水平作用下，其肝體比及肥滿度都有所增加[12];但若暴露濃度超過一定的范圍，則會對生物體帶來嚴重傷害，中國花鱸幼魚隨著銅離子暴露濃度和時間的延長，其肝臟的氧化系統減弱，肝臟組織溶解性壞死，鰓部組織出現大量血竇，且具有一定遺傳毒性[13]。

4對土壤蚯蚓及其他微生物的影響

4.1對蚯蚓的影響

蚯蚓作為低劑量暴露效應的早期生物檢測指標，不僅對減小土壤中重金屬的含量有一定的作用，而且蚯蚓對污染物的傳遞、物質的循環、能量的流動都有一定的作用，甚至施用蚯蚓糞便可顯著降低果實中鉛、汞、無機砷的含量，所以了解銅離子對蚯蚓的毒性是非常必要的。蚯蚓在受到低濃度銅離子傷害時，CAT和SOD均呈現出“抑制-激活”的變化[14]。為了適應變化的外界環境，蚯蚓通過調節自身氧化系統來保護機體，減小傷害。

4.2對其他微生物的影響

土壤生態系統群落結構和穩定性的重要表征參數是土壤微生物種群結構。在受到銅離子作用后，種群的結構和多樣性指數都會發生改變。在SBR反應器中，隨著銅離子濃度增大，硝酸菌的種群結構變化大，多樣性指數變小;銅離子濃度變化對反硝化菌的多樣性指數影響明顯，對其菌群結構影響很小;對活性污泥鏡檢發現，隨銅離子質量濃度的增加，污泥中微生物種類以及數量逐漸減少，在銅離子的質量濃度增加至20 mg/L時以纖毛類鐘蟲等為主的原生動物已基本檢測不到，而且污泥絮體大量解體。在日常SBR工藝運行時，應嚴格控制重金屬的濃度，保證實際生產的有序進行。若能利用銅離子對某些微生物的抑制作用，來篩選出所需菌種，得到所需的物質，從工業生產來說會簡化工藝流程、實現高效生產。銅離子對土壤的微生物結構有一定的調節作用，施加銅脅迫后，接種食真菌線蟲會使土壤基礎呼吸增加，抑制真菌生長，間接促進細菌增長[15]。在高濃度銅離子下，線蟲的生長周期和產卵數量都會下降，研究重金屬對各種微生物的作用機制后，對由微生物作用引起的疾病的治療將有指導性作用。

5研究進展

5.1新型銅化合物毒性效應研究

納米材料越來越廣泛地被用于電子、醫藥、食品、化工、軍事、航空航天等領域，現今環境中的許多復雜的遷移轉化、環境行為和生態效應都是由于納米材料造成的。納米氧化銅具有良好的導電、導熱和抗菌性能，所以也被廣泛運用。納米氧化銅對植物、動物都有明顯的毒性效應。納米氧化銅對植物不同部位及不同時期的毒性效應是不同的，且其毒害程度和毒物的粒徑有一定關系，一般說來，粒徑越小，毒害作用越大。銅離子對植物種子根伸長和芽體生長都有抑制作用，因為納米銅的粒徑最小，所以其毒性效應強于微米銅和銅離子。隨著納米氧化銅暴露時間和劑量的增加，腎細胞的ROS升高，培養上清中的MDA、細胞內GSH均上升[16]。總而言之：納米氧化銅比同濃度下的無機銅離子毒性效應大，對納米氧化銅的使用及處理應嚴格要求，避免給生物帶來傷害。

5.2復合污染條件下的毒性效應研究

復合污染下的毒性效應研究更接近于實際。華玉丹等人[17]發現鋅和銅離子復合處理對各項生理指標的毒害作用低于銅離子單獨處理，高于鋅單獨處理的情況;劉文權等[18]發現在銅、鋅離子濃度1∶1配比的情況下，對金魚的聯合作用為毒性增強的協同作用;銅和鐵對生物質代謝有明顯的抑制作用，特別是在揮發性脂肪酸（VFAs）基板上的產生與消耗[19]。復合污染條件下，銅對生物體的毒性效應會因拮抗、聯合、協同等作用發生變化，所以現在越來越多的研究都更關注于實際的復合污染條件下銅的環境行為，應引起足夠的重視。

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