水體鉻暴露對南方鲇生長、代謝和鉻累積分布的影響

劉 立，邱漢勛，李萬軍，閆玉蓮，謝小軍

(西南大學水生生物及水環境研究所，淡水魚類資源與生殖發育教育部重點實驗室，重慶北碚 400715)

水體鉻暴露對南方鲇生長、代謝和鉻累積分布的影響

劉 立，邱漢勛，李萬軍，閆玉蓮，謝小軍

(西南大學水生生物及水環境研究所，淡水魚類資源與生殖發育教育部重點實驗室，重慶北碚 400715)

以南方鲇(SilurusmeridionalisChen)幼魚(19.75 ± 0.12 g)為研究對象，以K2Cr2O7作為毒物源，在(27.5 ± 0.5)℃條件下分別進行了急性暴露和慢性暴露的毒理效應實驗。通過急性暴露實驗，測得該種魚的96 h半致死濃度值(96 hLC50)為56.24 mg/L。在水體Cr濃度分別為0(對照組)、0.937 mg/L(96 hLC50的1/60)和1.875 mg/L(96 hLC50的1/30)條件下，進行了為期8周的慢性暴露實驗。結果表明，實驗魚體的特定體重生長率、肥滿度和肝臟指數隨著Cr濃度的升高而顯著降低，腎臟指數隨Cr濃度的升高而顯著升高；兩個Cr濃度組魚體的蛋白質和能量密度均顯著低于對照組，(1/30)96 hLC50濃度組魚體的脂肪含量顯著低于對照組，而前者的水分含量則顯著高于后者。兩個Cr濃度組魚體的靜止代謝率均顯著高于對照組。經過8周水體Cr暴露處理后，實驗魚體的各器官組織中Cr的累積含量均顯著高于對照組，其累積含量的順序均為腎>鰓>肝>腸>全魚>腦>肌肉；(1/60)96 hLC50和(1/30)96 hLC50濃度組的腎臟的Cr累積含量顯著高于其他組織，肌肉的Cr累積含量均顯著低于其他組織；鰓組織中Cr含量相對于對照組的增加幅度大大高于其他組織的增幅。

半致死濃度;Cr暴露;生長率；能量代謝；重金屬累積

重金屬是水生生物環境中重要的污染物，主要通過工業、采礦業、現代農業、生活垃圾和交通運輸等人類活動產生。Cr作為常見的重金屬污染物之一，也是生物必需的微量元素。人類產生的Cr進入到水生環境后，主要通過水體和食物途徑累積到生物體內[1-2]，對各種水生生物的生殖發育、氧化脅迫、組織損傷、基因突變等產生毒害作用[3]。魚類作為人類重要的營養物質來源，被污染而富集在魚體組織中的Cr會通過食物鏈最終轉移至人類，對人類的健康產生潛在威脅[4]。

長江是我國最大的河流，是我國重要的漁業資源供給水域之一。近些年，長江及其支流受污染物的影響情況已經引起越來越多研究者的關注[5]。本實驗室前期調查了長江上游江段的魚體5種重金屬的含量情況，發現長江上游不同江段的常見魚類均受到了Cr、Pb、Cd、As和Hg不同程度的污染[6-7]。Cr是污染長江上游的主要重金屬之一，探討其污染對魚類的生態毒理學影響的研究具有重要的理論和實踐意義。

本研究選取六價態的Cr作為水體暴露毒物。以南方鲇(Silurusmeridionalis)作為實驗對象，觀測急性中毒的半致死濃度，以及不同濃度的水體Cr暴露對實驗魚的生長、生化組分、靜止代謝和Cr的組織累積與分布等指標的影響，為探討水體六價Cr暴露對南方鲇生態毒理學機制提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 實驗魚的來源及馴化

本研究采用由西南大學水產科學研究所2016年人工繁殖培育的同批南方鲇幼魚作為實驗對象。選取身體健康、初始體重相近的南方鲇幼魚用室內循環水養殖系統進行馴化養殖。共采用6套循環水養殖系統，每套系統由10個養殖單元組成。馴化期間每天投喂切碎的草魚肉塊1-2次，達到飽足。

1.2 實驗用水

采用純水制備系統(重慶利迪實驗儀器有限公司)獲取去離子水，以MgSO4·7H2O，K2SO4，CaCl2·2H2O，NaHCO3配置成總硬度為25 mg CaCO3/L(實際測定為(27 ± 0.5)mg CaCO3/L)的實驗魚養殖用水。暴露處理實驗前，以該實驗用水養殖馴化2周，水溫(27.5 ± 0.5)℃，溶氧大于7 mg/L，pH為7.10 ± 0.2，光周期L∶D=12 h∶12 h。

以重鉻酸鉀(K2Cr2O7)作為六價Cr離子源(AR，購自重慶川東化工有限公司)，用去離子水配成濃度為20 mg/mL(以Cr計)的母液備用，實驗前向養殖用水中加入適量母液配置成所需的Cr濃度的實驗用水。

1.3 急性暴露實驗處理方法

選取體重20 g左右經實驗室馴化養殖2周的南方鲇幼魚隨機分組進行實驗，暴露實驗處理前，在未加入Cr的水中禁食馴化24 h后再進行水體Cr暴露處理。根據預備實驗，確定暴露 96 h 后南方鲇的最大全存活和最小全致死 Cr 暴露濃度的大致范圍。設置1個對照組和5個Cr處理組，Cr濃度分別為0、25、40 、55、70和85 mg/L。每個處理水平3個重復，每個重復10尾魚。整個暴露期間不喂食，每24 h換水1/2，換水后取水樣，測定水體實際Cr濃度。實驗水溫保持為(27.5 ± 0.5)℃，水體硬度為(27 ± 0.5)mg CaCO3/L，溶氧量大于7.0 mg/L，光周期為L∶D=12 h∶12 h。暴露實驗開始后每隔4 h觀察一次，并記錄各組魚的中毒癥狀和死亡情況。及時將暴露死亡的魚取出，用去離子水沖洗、瀝干，稱重后保存于-20 ℃冰箱中。

1.4 慢性暴露實驗處理方法

選取20 g左右經實驗室馴化養殖2周的南方鲇幼魚作為慢性暴露處理實驗對象，實驗的水溫、水質硬度及光周期等環境條件與急性實驗一致。根據急性實驗得到該種魚的96 hLC50Cr的值為56.24 mg/L，在慢性暴露實驗中分別采用96 hLC50的1/30和1/60濃度進行處理，另設1個對照組，共3個處理組，即暴露濃度分別為0、0.937((1/60)96 hLC50)和1.875 mg Cr/L ((1/30)96 hLC50) 。每個濃度組10個水箱，每個水箱6尾魚，即每個處理梯度共60尾魚。總暴露時間為8周，實驗期間每2 d換60% 的實驗用水，每次換水1 h后取水樣測定水中的實際Cr濃度。每天投喂1次，并在投喂后1 h撈取食物殘渣和糞便。在慢性暴露期間記錄魚的生長及存活狀況，將死亡魚體及時撈出，用去離子水沖洗干凈后測定體重、體長，于-20 ℃冰箱保存。

暴露實驗結束后，測定魚體常規生物學參數、靜止代謝率、生化組分和組織器官及魚粉的Cr含量。每個處理組隨機選取8尾魚，采用本實驗室設計的魚類流水式呼吸儀及相應的方法測定南方鲇的靜止代謝率[8]；選取測定靜止代謝后的8尾魚測定魚體的生化組成及估算能量密度[9-10]；按照GB/T 5009.123-2003的方法[11]，測定南方鲇肝、鰓、腎、腸、腦、肌肉組織和全魚中Cr的含量[7]。

1.5 數據統計分析方式

采用SPSS23.0軟件對相關數據進行整理和處理，統計數據以平均值±標準誤表示。采用獨立樣本t檢驗或單因素方差分析(one-way ANOVA)的最小顯著差異法(LSD)檢驗相關系數間是否具有顯著性差異，方差不齊的數據采用非參數檢驗；運用雙因素方差分析(two-way ANOVA)檢驗水體Cr濃度和組織對組織器官Cr含量的影響。以P<0.05作為數據均值差異顯著性的標準。

2 結果

2.1 水體Cr急性暴露實驗結果

以水體中Cr的濃度為自變量，相應濃度中南方鲇的死亡率為因變量，得到回歸方程：y=1.523 2x- 35.491 (n= 15，R2=0.972 8)，其中y為魚體死亡率，x為水體Cr濃度。采用直線內插法，求得Cr對南方鲇的96 h半致死濃度(96 hLC50)為56.24 mg/L(圖1)。

圖1 南方鲇水體Cr暴露96 h 死亡率Fig.1 Mortality rate of S.meridionalis in the waterborne Cr exposure for 96 h

2.2 水體Cr慢性暴露對南方鲇生長狀態的影響

在實驗期間對照組沒有魚死亡，(1/60)96 hLC50濃度處理組出現了11.67%的死亡率(7尾)，(1/30)96 hLC50濃度處理組出現了36.67%的死亡率(22尾)(表1)。水體Cr暴露對照組魚體的肥滿度、特定體重生長率、肝指數和腎指數分別為0.84%、1.22%/d、1.67%和0.52%；0.937 mg/L處理組魚體的肥滿度、特定體重生長率、肝指數和腎指數分別為0.75%、0.61%/d、1.17%和0.68%；1.875 mg/L處理組魚體的肥滿度、特定體重生長率、肝指數和腎指數分別為0.74%、0.20%/d、1.13%和0.73%(表1)。統計檢驗表明，暴露組的終末體重、終末體長及特定體重生長率均顯著低于對照組，其中高濃度組也顯著低于低濃度暴露組。暴露組魚體的肥滿度均低于對照組，但兩暴露處理組間差異不顯著(P<0.05)。暴露組的肝臟指數均顯著低于對照組，并隨暴露濃度的升高具有減小的趨勢；暴露組的腎臟指數均顯著高于對照組，并隨暴露濃度的升高而具有增大的趨勢(表1)。

2.3 水體Cr暴露對南方鲇魚體組分的影響

表2結果表明，水體Cr暴露8周后，水體Cr暴露對照組魚體水分、蛋白質、脂肪、灰分和能量密度分別為81.30%、12.63%、4.06%、2.01%和4.47 kJ/g；0.937 mg/L處理組魚體的水分、蛋白質、脂肪、灰分和能量密度分別為82.20%、11.18%、3.67%、2.18%和4.09 kJ/g；1.875 mg/L處理組魚體的水分、蛋白質、脂肪、灰分和能量密度分別為83.92%、11.52%、3.20%、2.38%和3.98 kJ/g。隨著水體Cr離子濃度的升高，實驗魚體的含水量表現升高的趨勢，魚體粗脂肪、粗蛋白質含量和能量密度隨著水體Cr濃度的升高而降低，實驗魚體處理組灰分含量隨著暴露濃度的升高而升高。1.875 mg/L處理組實驗魚體水分含量顯著高于對照組，粗脂肪含量顯著低于對照組，而兩個Cr暴露處理組的蛋白質含量和能量密度均顯著低于對照組。

2.4 水體Cr暴露對南方鲇靜止代謝的影響

表2的結果表明，水體Cr暴露對照組、0.937 mg/L和1.875 mg/L處理組實驗魚的特定體重代謝率分別為100.38 ± 4.18、133.05 ± 3.43和126.50 ± 3.60 mg O2/(h·kg)。水體Cr暴露0.937 mg/L和1.875 mg/L處理組實驗魚的特定體重代謝率均顯著高于對照組，兩個水體Cr暴露處理組之間沒有顯著性差異。

2.5 水體Cr暴露對南方鲇體內Cr累積與分布的影響

表3的結果表明，在對照組魚體的鰓、肝、腎、腸、腦、肌肉組織和全魚中的Cr的含量分別為0.018、0.066、0.094、0.036、0.032、0.007和0.012 mg/kg濕重；0.937 mg/L處理組魚體的鰓、肝、腎、腸、腦、肌肉組織和全魚中的Cr的含量分別為10.252、4.245、11.435、1.065、0.167、0.120和0.581 mg/kg濕重；1.875 mg/L處理組魚體的鰓、肝、腎、腸、腦、肌肉組織和全魚中的Cr的含量分別為12.262、9.580、14.749、2.097、0.272、0.201和0.865 mg/kg濕重。

表1 水體Cr暴露對南方鲇生長狀態的影響Tab.1 Effect of waterborne Cr exposure on growth state of S.meridionalis

注：數據用平均值±標準誤表示(mean ± SE,n=8). 特定體重生長率的計算為南方鲇死亡時的體重和死亡時的生長天數，初始體重采用各處理組初始時60尾魚的平均值；肝臟指數和腎臟指數樣本量為30；a, b, c：同行中不同上標字母表示不同暴露濃度間差異顯著(P<0.05)．特定體重生長率(SGRW)=100%×(lnWt-lnW0)/t,肝指數(HIS)=100%×H/Wt,腎指數(KIS)=100%×K/Wt，肥滿度(CF)=100%×Wt/L3,其中W0、Wt、H、K、L和t分別表示初始體重(g)、終末體重(g)、肝臟重(g)、腎臟重(g)、體長(cm)和暴露時間(d).

表2 水體Cr暴露對南方鲇魚體組分及靜止代謝的影響Tab.2 Effect of waterborne Cr exposure on the body composition and resting metabolic rate (RMR) of S.meridionalis

注：數據用平均值±標準誤表示(mean ± SE,n= 8)；a, b, c：同行中不同上標字母表示不同暴露濃度間差異顯著(P<0.05).

對照組魚體各組織器官中Cr的含量順序為腎>肝>腸>腦>鰓>全魚>肌肉；兩個濃度水體Cr處理組魚體組織累積的順序均為腎>鰓>肝>腸>全魚>腦>肌肉。雙因素方差分析表明，不同組織器官對其Cr含量具有顯著影響。在暴露組中，腎顯著高于其它組織，鰓顯著高于肝、腸、全魚、腦和肌肉，肝顯著高于腸、全魚、腦和肌肉；各處理條件下肌肉組織均低于其他組織(表3)。

實驗魚的鰓、肝、腎、腸、腦、肌肉和全魚中Cr的含量隨Cr暴露濃度的升高而升高，表現出濃度效應(表3)，且3個實驗處理組的對應值之間的差異均達到了顯著性標準。

表3 水體Cr暴露對南方鲇組織金屬累積的影響Tab.3 Cr contents in different tissues of S.meridionalis after waterborne Cr exposure mg/kg 濕重

注：數據用平均值±標準誤表示(mean±SE,n=8)；a,b,c,d,e:同列中不同上標字母表示不同組織間差異顯著(P<0.05);x,y,z:同行中不同上標字母表示不同暴露濃度間差異顯著(P<0.05).

3 討論

3.1 水體Cr暴露對南方鲇生長狀態和肝臟、腎臟指數的影響

魚類的生長狀態可以作為環境重金屬暴露對魚類影響的綜合生物學指標[12]。在本實驗中，經過水體Cr暴露后，南方鲇的特定體重生長率隨著Cr濃度的升高均出現了明顯的降低趨勢。在生長速率受到抑制的同時，南方鲇的肥滿度在兩個暴露組中也出現了顯著降低(表1)。有研究發現水體Cr暴露可以影響虹鱒(Oncorhynchusmykiss)的食欲，并降低攝食效率[13]。經過重金屬暴露后，尼羅羅非魚(Oreochromisniloticus)生長速率下降，肥滿度降低[14]。有研究者提出，重金屬暴露后魚體需要動用部分能量進行解毒作用，減少在生長上的能量分配[15]。由此造成生長抑制、肥滿度降低。

本研究中，肝臟指數在經過8周Cr暴露后出現了降低趨勢(表1)。有研究者對污染河流中魚體肝臟金屬累積和肝臟形態大小的關系做了研究，發現肝臟中重金屬累積與肝臟指數呈負相關[16]。虹鱒在經過Cd暴露后，肝臟指數減小[17]。有研究認為，重金屬暴露后，肝臟體積的變小是因為肝糖原和肝脂肪的消耗在肝臟形態學上的應答反應[18]，重金屬暴露后造成的脂質過氧化可導致細胞膜的損傷，并使肝細胞死亡[19]。因此，有研究者提出，暴露在金屬毒物下的魚體肝臟指數可以作為毒物影響指標[20]。

本研究中，暴露組實驗魚腎臟出現顯著的增大現象(表1)。有研究表明腎臟是重金屬的首要靶器官，具有吸收和累積重金屬的能力[21]。當重金屬與金屬硫蛋白結合后會釋放進入血液，通過血液循環系統在腎臟的上皮細胞進行吸收，并累積到腎臟中[22]。還有研究發現，在經過Cr毒性暴露后，腎臟出現腎小管上皮細胞加速生長、管腔減少等現象[23]。Cr暴露后的上述效應均可以引起腎臟增大的現象發生。

3.2 水體Cr暴露對南方鲇生化組成和能量代謝的影響

魚體是由蛋白質、脂肪、碳水化合物和水分等生化物質組成，其中蛋白質和脂肪是其能量的主要載體物質，而碳水化合物含能量一般不超過魚體總含能量的1%[24-25]。魚體的生化組成是反映魚類的營養水平和生理狀態的重要指標[24,26]。

已有研究者發現，在水體Cr暴露后脂肪和蛋白質的含量均出現不同程度減少[26]。在本研究中，0.937 mg/L和1.875 mg/L的Cr處理組實驗魚體的脂肪含量相對于對照組分別降低了9.61%和21.18%，蛋白質含量分別降低了11.48%和8.79%，這表明水體Cr的毒性暴露導致魚體的脂肪和蛋白質含量降低。由此導致受毒物暴露的實驗魚體的能量密度顯著下降(表2)。另一方面，由特定體重代謝率可以看出，在經過水體Cr暴露后，受Cr暴露處理組魚體的代謝水平顯著提高(表2)，即增加了其基礎耗能。有研究者提出，魚體在暴露于含有重金屬的水體后其代謝率升高，以滿足機體解毒和抗氧化等生理過程所需的額外能量支出[15]。聯系本研究關于水體Cr暴露影響實驗魚生長狀態的結果，我們認為南方鲇在水體Cr暴露時，通過提高自身的代謝水平，以應對Cr在體內的解毒作用以及自身損傷的修復，因此，消耗大量額外能量，使魚體用于貯備累積的能量分配比例降低，導致其生長速率相應降低。

3.3 Cr在南方鲇魚體內的累積具有組織特異性

魚體內的重金屬離子累積速度比排出速度要快得多，造成重金屬在魚體內不斷被蓄積，長期殘留在體內[27]。重金屬在魚體內的累積與分布存在組織特異性。而這種在魚體組織器官中的特異性累積可能與魚類的性別、魚齡和魚種等相關[28]。

在本研究中，0.937 mg/L處理組，鰓、腎、肝、全魚、腸、肌肉和腦組織和全魚中Cr的累積分別是對照組的581、122、63、49、29、16和5倍，而在1.875 mg/L處理組中，鰓、腎、肝、全魚、腸、肌肉和腦組織和全魚中Cr的累積分別是對照組的695、157、144、74、57、27和8倍。經過Cr暴露后鰓組織中Cr含量在低濃度和高濃度組分別與對照組相比增加了581和659倍，大于其他組織的含量增長幅度，這應當與鰓是魚體的呼吸和滲透調節器官，直接與水環境接觸有關。當魚類通過水體重金屬暴露時，鰓組織是金屬水體暴露進入魚體內的主要吸收和最初累積位點[29]。有研究發現，鰓是由許多細小的鰓小片組成，其鰓總面積約占魚體總表面積的50%左右。在鰓的外表面上具有與金屬陽離子結合的結構位點，可以與游離在水體中的陽離子通過離子鍵結合俘獲金屬離子，使得金屬離子在鰓組織中大量累積[30]。因此我們認為水體Cr處理組的鰓組織中Cr含量相對于對照組的鰓中含量的增長倍數最高，主要是由于其結構和功能的上述特殊性決定的。

當重金屬以不同的途徑進入魚體時，會誘導各組織器官產生大量富含半胱氨酸的金屬硫蛋白，結合進入魚體內的重金屬。以減少非生命必需的重金屬離子向其他組織的運輸來降低毒害作用，起到調節魚體內自由金屬離子濃度的作用[31]。在本研究中，經過8周的Cr暴露后，Cr在南方鲇的腎和肝的累積顯著高于除鰓組織以外的其它組織器官，有研究認為由于肝臟的解毒和腎的排泄功能，魚體的肝臟和腎臟便成為重金屬累積的主要部位[3,21]。

另一方面，相比于其它組織，肌肉組織中Cr的濃度在本研究中遠低于腎、鰓和肝。有研究提出肌肉組織是金屬累積的非活躍組織[32]。肌肉是魚體組織的占比最大的部分，因此全魚的Cr累積量高于肌肉卻明顯低于其他組織。

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(責任編輯：張紅林)

Effects of the waterborne hexavalent chromium (Cr) on growth, metabolism and metal accumulation inSilurusmeridionalis

LIU Li, QIU Han-xun, LI Wan-jun, YAN Yu-lian, XIE Xiao-jun

(KeyLaboratoryofFreshwaterFishReproductionandDevelopment,MinistryofEducation;InstituteofHydrobiologyandWaterEnvironment,SouthwestUniversity,Beibei400715,Chongqing,China)

Laboratory tests were conducted on juvenile ofSilurusmeridionalisChen (19.75 g±0.12 g) during acute and chronic exposures to potassium dichromate (K2Cr2O7) at constant water temperature (27.5 ℃±0.5 ℃). The median lethal concentration in 96 hours (96 hLC50) of Cr to the southern catfish was 56.24 mg/L in the acute exposure experiment. In the chronic exposure experiment, fish was exposed to Cr at a series of concentrations of 0 (control group), 0.937 and 1.875 mg/L, which were equivalent to approximately 0, 1/60 and 1/30 of 96 hLC50, respectively for 8 weeks. The chronic experiment results indicated that the mortality of the fish increased with increasing waterborne chromium concentrations. The specific weight growth rate, condition factor and hepatosomatic index all decreased with the increasing Cr exposed concentration. Meanwhile, the kidney index increased with the increasing Cr concentration. The content of crude protein and energy density of the fish exposed to Cr was significantly lower than that in the control group. The content of fat in 1.875 mg Cr/L group was significantly lower than the control, and the water content in the control was significantly lower than the other groups. The resting metabolic rate in two Cr exposure groups were significantly higher than that in the control. The contents of chromium in organs after 8-week exposure could be ordered from higher to lower as following: kidney > gill > liver > intestines > whole fish > brain > muscle. The Cr content in kidney in both exposure groups were significantly higher than that in the other tissues, while the Cr content in muscle in both Cr exposure groups was significantly lower than that in the other tissues. The Cr content in the gill tissue compared with the control group was higher than that in other tissues.

median lethal concentration; Cr exposure；growth rate;energy metabolism; heavy metal accumulation

2016-11-21；

2017-03-16

國家自然科學基金資助項目(31300338)；重慶市自然科學基金重點項目(cstc2013jjB80008)；中央高?；究蒲袠I務費專項基金(XDJK2016C156)

劉 立(1991- )，男，碩士研究生，專業方向魚類生理生態學。E-mail: yinhejiankev@qq.com

謝小軍。E-mail：xjxie@swu.edu.cn

X503.225

A

1000-6907-(2017)03-0090-07