銅對(duì)生物體的毒性效應(yīng)及研究進(jìn)展

余玲玲+黃碧捷+肖夢(mèng)茹+張夢(mèng)蝶

摘要：指出了隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加快，全球范圍內(nèi)的環(huán)境污染問(wèn)題是發(fā)展過(guò)程中必須面對(duì)和解決的，其中重金屬污染問(wèn)題尤為嚴(yán)峻。分析了金屬銅離子的來(lái)源及危害，綜述了銅對(duì)植物、動(dòng)物、微生物等的毒性效應(yīng)進(jìn)展并提出了研究展望。

關(guān)鍵詞：銅;毒性效應(yīng);復(fù)合污染;展望

中圖分類號(hào)：X173

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-9944（2014）12-0145-03

1銅離子的來(lái)源及危害

重金屬?gòu)V泛存在于自然界中，隨著人類開(kāi)采、冶煉、加工及商業(yè)制造活動(dòng)的日益增加，使得各種重金屬進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，并在其中積累、遷移和轉(zhuǎn)化，給生物帶來(lái)不可逆轉(zhuǎn)的傷害，如2010年福建紫金礦業(yè)潰壩事件、瑞昌市工業(yè)園自來(lái)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(lái)源于金屬銅冶煉及其加工過(guò)程中所排放出的含大量銅及其化合物的煙塵，該煙塵會(huì)對(duì)呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重傷害。含銅物質(zhì)的加工、銅鋅礦的開(kāi)采過(guò)程會(huì)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(zhì)和土壤;另一方面，人食用了該廢水澆灌的食物會(huì)造成重金屬中毒。土壤中銅污染主要來(lái)源于巖石風(fēng)化和含銅廢水的灌溉等。銅離子會(huì)富集在生長(zhǎng)于污染土壤中的農(nóng)作物體內(nèi)，通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，使人產(chǎn)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(huì)使地表水和地下水受到其污染。

2銅對(duì)植物的毒性效應(yīng)

銅離子是植物生長(zhǎng)中必需的微量元素，過(guò)高或過(guò)低的銅離子都會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)指標(biāo)（如種子萌發(fā)、根伸長(zhǎng)等）、呼吸作用、光合作用、蒸騰作用、酶的活性及結(jié)構(gòu)、遺傳物質(zhì)的表達(dá)等產(chǎn)生影響。

2.1對(duì)水生藻體的影響

水體中的初級(jí)生產(chǎn)者是微藻，微藻為其他生物的生存提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。低濃度的銅離子，對(duì)藻體的細(xì)胞密度、光密度及葉綠素a的含量有促進(jìn)作用，但是超過(guò)某一范圍后對(duì)藻類的生長(zhǎng)有明顯的抑制作用。不同濃度銅離子對(duì)不同藻類的毒性效應(yīng)是不同的。李晨辰等人[1]發(fā)現(xiàn)在銅離子濃度為1 mg/L時(shí)，綠色微囊藻（Microcystis viridis）的生長(zhǎng)受到明顯抑制，而簡(jiǎn)建波等人[2]以三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，銅離子濃度相對(duì)增加50%才對(duì)其生長(zhǎng)產(chǎn)生了明顯的抑制作用。實(shí)驗(yàn)條件的不同會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生變化，如染毒時(shí)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(guò)氧化氫酶（CAT）的活性隨染毒時(shí)間發(fā)生了變化。眾多的關(guān)于銅離子對(duì)藻類的影響研究說(shuō)明：實(shí)驗(yàn)結(jié)果受化合物和營(yíng)養(yǎng)液的種類、光照時(shí)間、培養(yǎng)方法、選取試驗(yàn)藻類的生長(zhǎng)地區(qū)和階段等的變化而變化。只有用科學(xué)的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)一和規(guī)范，才能保證數(shù)據(jù)的連貫性和系統(tǒng)性、實(shí)驗(yàn)的相互對(duì)比性。

2.2對(duì)陸生植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

銅離子對(duì)植物的種子萌發(fā)、根伸長(zhǎng)、葉綠素的合成、植株干重鮮重等一般都表現(xiàn)為“低促高抑”現(xiàn)象。表1列舉了4類不同植物對(duì)其生長(zhǎng)指標(biāo)的影響。

植株吸收的銅離子在所需范圍之內(nèi)時(shí)，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育有促進(jìn)作用，當(dāng)其吸收量超過(guò)一定的范圍之后，在植株體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的自由基和MDA，抑制植株的生長(zhǎng)，引起植物新陳代謝的紊亂。在相同植株的不同部位，對(duì)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(duì)銅離子的敏感程度強(qiáng)于莖。對(duì)不同植株的相同部位，銅離子的耐性也不同。在發(fā)生輕微污染的土地中，可根據(jù)植株的耐受力選擇合適的植株進(jìn)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(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較大差別的原因在于：一方面是由于染毒受試對(duì)象選擇（試驗(yàn)階段、受試物種）不一樣;另一方面是由于實(shí)驗(yàn)條件的不同，如染毒時(shí)間、光照時(shí)間、培養(yǎng)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(jié)果存在偏差。在MS培養(yǎng)基中，銅的毒害主要表現(xiàn)在對(duì)芽的生長(zhǎng)影響;而在蒸餾水的培養(yǎng)基中，對(duì)發(fā)芽率、芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)有明顯毒害作用[8]。為消除因無(wú)法類比實(shí)驗(yàn)結(jié)果而帶來(lái)的“浪費(fèi)”，在染毒實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)消除無(wú)關(guān)變量的干擾，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性;選用的染毒受試生物上應(yīng)具代表性和普適性。課題組正進(jìn)行著對(duì)綠豆整個(gè)生命周期內(nèi)，硫酸銅和氯化銅對(duì)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(yīng)研究模式。

2.3對(duì)陸生植物生理生化指標(biāo)的影響

植物吸收的銅離子超過(guò)閾值時(shí)，會(huì)使植物產(chǎn)生酶的活性和氣孔的開(kāi)閉發(fā)生改變，體內(nèi)水分的分布受到影響，細(xì)胞膜的選擇透過(guò)性改變等一系列反應(yīng)。植物體內(nèi)各種酶的變化情況的影響因素：首先會(huì)隨著銅離子劑量的變化而變化，且銅離子對(duì)酶的活性的促進(jìn)濃度最大值是不同的。銅離子致大球蓋菇胞內(nèi)過(guò)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(huì)隨著植株受銅離子毒害時(shí)間而變化，例如：經(jīng)過(guò)銅處理的小麥幼根的SOD酶的活性隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈“降-升-降”的趨勢(shì)，POD和谷胱甘肽硫基轉(zhuǎn)移酶（GST）均隨時(shí)間的延長(zhǎng)和濃度的升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[10];最后，銅離子對(duì)基因表達(dá)有影響，尤其是銅離子濃度和時(shí)間的交互作用對(duì)其影響因素更為明顯。

黃瓜愈傷組織對(duì)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(huì)對(duì)銅積累量達(dá)到超富集水平。隨著銅離子濃度的變化，黃瓜體內(nèi)銅離子主要富集部位也發(fā)生了變化，在較低濃度銅脅迫下，主要積累在細(xì)胞壁;在較高濃度銅脅迫下，主要積累在細(xì)胞可溶部分。黃瓜作為生產(chǎn)生活中較常見(jiàn)且易栽培的植株，其愈傷組織可大范圍用作對(duì)銅離子積累機(jī)理的研究材料。通過(guò)選取不同實(shí)驗(yàn)對(duì)象，可發(fā)現(xiàn)潛在對(duì)銅離子有超量積累的植株，在植物對(duì)重金屬污染土地的處理上會(huì)有一定的指導(dǎo)作用。

2.4微觀及宏觀系統(tǒng)的影響endprint

外界生活條件的改變，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)體本身基因的表達(dá)和遺傳的改變，這種改變是物競(jìng)天擇、適者生存的結(jié)果，而物種的微觀改變也會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)，即產(chǎn)生宏觀改變。在不同濃度的銅處理體外培養(yǎng)的豬胰島細(xì)胞發(fā)現(xiàn)對(duì)其SS基因mRNA的表達(dá)沒(méi)有顯著性影響[11]，但在二價(jià)銅離子與類胡蘿卜素作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自由基，對(duì)DNA產(chǎn)生傷害。在研究銅離子對(duì)微觀水平影響時(shí)，不僅要探討其濃度、種類、作用時(shí)間等對(duì)某一因素的單一影響，還要研究可能相關(guān)的多個(gè)指標(biāo)之間變化的關(guān)系。例如，銅離子作用受試物種后，所研究指標(biāo)發(fā)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(xì)菌的種類會(huì)發(fā)生改變，從而使土壤的緊實(shí)度、質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)特性都可能發(fā)生變化，而且其周邊的植株隨著銅脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)其中毒程度會(huì)不斷加深。有時(shí)銅離子污染的范圍雖小，但隨著時(shí)間的增加，污染程度和污染范圍也會(huì)在一定程度上有所增加，所以為防止大范圍的污染，應(yīng)首先減少或消除小范圍的污染。

3銅對(duì)動(dòng)物的影響

銅作為生長(zhǎng)發(fā)育所必須的元素，它可以調(diào)控黑色素的合成，增強(qiáng)機(jī)體的免疫能力，參與含銅蛋白質(zhì)的形成，對(duì)造血過(guò)程和髓蛋白的合成有促進(jìn)作用等。飼料中低劑量的銅具有促進(jìn)生長(zhǎng)的作用，斑點(diǎn)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(guò)一定的范圍，則會(huì)對(duì)生物體帶來(lái)嚴(yán)重傷害，中國(guó)花鱸幼魚(yú)隨著銅離子暴露濃度和時(shí)間的延長(zhǎng)，其肝臟的氧化系統(tǒng)減弱，肝臟組織溶解性壞死，鰓部組織出現(xiàn)大量血竇，且具有一定遺傳毒性[13]。

4對(duì)土壤蚯蚓及其他微生物的影響

4.1對(duì)蚯蚓的影響

蚯蚓作為低劑量暴露效應(yīng)的早期生物檢測(cè)指標(biāo)，不僅對(duì)減小土壤中重金屬的含量有一定的作用，而且蚯蚓對(duì)污染物的傳遞、物質(zhì)的循環(huán)、能量的流動(dòng)都有一定的作用，甚至施用蚯蚓糞便可顯著降低果實(shí)中鉛、汞、無(wú)機(jī)砷的含量，所以了解銅離子對(duì)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(shí)，CAT和SOD均呈現(xiàn)出“抑制-激活”的變化[14]。為了適應(yīng)變化的外界環(huán)境，蚯蚓通過(guò)調(diào)節(jié)自身氧化系統(tǒng)來(lái)保護(hù)機(jī)體，減小傷害。

4.2對(duì)其他微生物的影響

土壤生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的重要表征參數(shù)是土壤微生物種群結(jié)構(gòu)。在受到銅離子作用后，種群的結(jié)構(gòu)和多樣性指數(shù)都會(huì)發(fā)生改變。在SBR反應(yīng)器中，隨著銅離子濃度增大，硝酸菌的種群結(jié)構(gòu)變化大，多樣性指數(shù)變小;銅離子濃度變化對(duì)反硝化菌的多樣性指數(shù)影響明顯，對(duì)其菌群結(jié)構(gòu)影響很小;對(duì)活性污泥鏡檢發(fā)現(xiàn)，隨銅離子質(zhì)量濃度的增加，污泥中微生物種類以及數(shù)量逐漸減少，在銅離子的質(zhì)量濃度增加至20 mg/L時(shí)以纖毛類鐘蟲(chóng)等為主的原生動(dòng)物已基本檢測(cè)不到，而且污泥絮體大量解體。在日常SBR工藝運(yùn)行時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制重金屬的濃度，保證實(shí)際生產(chǎn)的有序進(jìn)行。若能利用銅離子對(duì)某些微生物的抑制作用，來(lái)篩選出所需菌種，得到所需的物質(zhì)，從工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)會(huì)簡(jiǎn)化工藝流程、實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。銅離子對(duì)土壤的微生物結(jié)構(gòu)有一定的調(diào)節(jié)作用，施加銅脅迫后，接種食真菌線蟲(chóng)會(huì)使土壤基礎(chǔ)呼吸增加，抑制真菌生長(zhǎng)，間接促進(jìn)細(xì)菌增長(zhǎng)[15]。在高濃度銅離子下，線蟲(chóng)的生長(zhǎng)周期和產(chǎn)卵數(shù)量都會(huì)下降，研究重金屬對(duì)各種微生物的作用機(jī)制后，對(duì)由微生物作用引起的疾病的治療將有指導(dǎo)性作用。

5研究進(jìn)展

5.1新型銅化合物毒性效應(yīng)研究

納米材料越來(lái)越廣泛地被用于電子、醫(yī)藥、食品、化工、軍事、航空航天等領(lǐng)域，現(xiàn)今環(huán)境中的許多復(fù)雜的遷移轉(zhuǎn)化、環(huán)境行為和生態(tài)效應(yīng)都是由于納米材料造成的。納米氧化銅具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和抗菌性能，所以也被廣泛運(yùn)用。納米氧化銅對(duì)植物、動(dòng)物都有明顯的毒性效應(yīng)。納米氧化銅對(duì)植物不同部位及不同時(shí)期的毒性效應(yīng)是不同的，且其毒害程度和毒物的粒徑有一定關(guān)系，一般說(shuō)來(lái)，粒徑越小，毒害作用越大。銅離子對(duì)植物種子根伸長(zhǎng)和芽體生長(zhǎng)都有抑制作用，因?yàn)榧{米銅的粒徑最小，所以其毒性效應(yīng)強(qiáng)于微米銅和銅離子。隨著納米氧化銅暴露時(shí)間和劑量的增加，腎細(xì)胞的ROS升高，培養(yǎng)上清中的MDA、細(xì)胞內(nèi)GSH均上升[16]?？偠灾杭{米氧化銅比同濃度下的無(wú)機(jī)銅離子毒性效應(yīng)大，對(duì)納米氧化銅的使用及處理應(yīng)嚴(yán)格要求，避免給生物帶來(lái)傷害。

5.2復(fù)合污染條件下的毒性效應(yīng)研究

復(fù)合污染下的毒性效應(yīng)研究更接近于實(shí)際。華玉丹等人[17]發(fā)現(xiàn)鋅和銅離子復(fù)合處理對(duì)各項(xiàng)生理指標(biāo)的毒害作用低于銅離子單獨(dú)處理，高于鋅單獨(dú)處理的情況;劉文權(quán)等[18]發(fā)現(xiàn)在銅、鋅離子濃度1∶1配比的情況下，對(duì)金魚(yú)的聯(lián)合作用為毒性增強(qiáng)的協(xié)同作用;銅和鐵對(duì)生物質(zhì)代謝有明顯的抑制作用，特別是在揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）基板上的產(chǎn)生與消耗[19]。復(fù)合污染條件下，銅對(duì)生物體的毒性效應(yīng)會(huì)因拮抗、聯(lián)合、協(xié)同等作用發(fā)生變化，所以現(xiàn)在越來(lái)越多的研究都更關(guān)注于實(shí)際的復(fù)合污染條件下銅的環(huán)境行為，應(yīng)引起足夠的重視。

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