鎘在蝦蟹中的生物富集和毒性效應的研究進展

李玲，吳方舟，梁金榮，劉虎，郭慧，申玉春

（1.廣東海洋大學水產學院，廣東 湛江 524025；2.湛江市海洋生態與養殖環境重點實驗室，廣東 湛江 524025）

鎘（cadmium，Cd）是一種天然存在的重金屬[1]，是對人體和生態系統具有毒害作用的物質[2]。環境中的鎘污染物難以降解，可隨食物鏈遷移和累積，富集到更高營養級的生物體內[3]。在人體內，鎘的半衰期長達7～30 年，可在人體積蓄50 年之久，長期攝入微量鎘，可以引起“痛痛病”[4]。鎘廣泛應用于工農業生產中，易造成土壤、水體污染[5]。第一次全國污染源普查結果顯示，全國工業源共產生Cd 量為2 673.1 t，排放量為37.7 t[6]。2012 年廣西龍江發生重金屬鎘污染事件，鎘排放量達21 t[7]。2016 年冬季太湖湖水的鎘含量為0.74 μg/L[8]。2019 年7 月23日，我國生態環境部將鎘及鎘化合物列入有毒有害水污染物名錄（http://www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk01/201907/t20190729_712633.html）。鎘污染與公眾健康的關系受到人們的密切關注。

Hao 等[9]調查舟山和海南海域水生生物鎘含量時，發現蟹類體內的鎘含量都遠高于魚類。甲殼動物是水生態系統中分布較為廣泛的種群，其富集重金屬能力強于魚類[10]，對水環境中各種理化性質的變化反應較靈敏，是適合評估水生生態環境健康狀態的標志生物。甲殼動物是人類主要食用海產品之一，特別是十足目蝦蟹類是我國乃至世界范圍內重要的養殖對象[11]。甲殼動物通過攝食或鰓呼吸吸收水體中離子態的重金屬并累積在體內，富集到危險濃度時，嚴重影響其生理生化過程[12]。鑒于此，本文歸納了蝦蟹各組織中的鎘含量分布與生物富集特點，并闡述了鎘對蝦蟹的毒性效應，以期為深入研究甲殼動物抗重金屬脅迫的響應機制提供參考。

1 水中鎘污染物的來源

鎘是一種呈銀白色，略帶淡藍光澤，質軟，富有延展性的重金屬，其所有化學形態都具有毒性。鎘是非必需的重金屬無機污染物，廣泛存在水生生態系統中[13]。鎘來源主要有天然來源和人為來源。天然來源包括海底火山噴發將地殼深處的重金屬帶上海底，把重金屬及其化合物帶入海洋；地殼巖石風化后通過陸地徑流、大氣沉降等方式將重金屬注入河流、湖泊、海洋，增加水體中的重金屬含量[14]。人為來源包括礦山與海洋油井的開采、工農業污水（如電鍍、冶金、蓄電池、制革、顏料、涂料以及化工廠的排水、重金屬農藥等）[15]。

2 蝦蟹類對鎘的生物富集規律

2.1 鎘進入蝦蟹體內的途徑

重金屬進入蝦蟹體內的途徑主要有4 類[16]：（1）鰓的呼吸作用，甲殼動物通過鰓的呼吸作用吸收重金屬離子，經血液循環系統輸送到機體各組織；（2）受鎘污染的飼料，凡納濱對蝦Litopenaeus vannamei 攝食鎘污染的飼料，其生長速率被抑制和肝胰腺結構損傷[17]；（3）體表滲透交換作用，甲殼動物的體表可通過與水體的滲透交換作用富集重金屬；（4）食物鏈的傳遞，浮游藻類等水生植物通過絡合或離子交換的方式吸附水中的重金屬，經食物鏈進入甲殼動物體內。目前認為水生生物富集重金屬的主要途徑是攝食[18]，但水環境中的鎘離子通過鰓呼吸作用和體表滲透方式進入體內亦不可忽視。

2.2 鎘在蝦蟹體內的組織分布

蝦蟹動物的鰓直接接觸外界水環境，所以鰓絲表面易聚集重金屬或者重金屬離子通過鰓呼吸進入體內。肝胰腺是甲殼動物最重要的消化器官，是消化、吸收、代謝和營養物質儲存的主要場所[19]。重金屬進入蝦蟹體內后，一部分通過肝胰腺代謝排出體外，另一部分通過消化道吸收蓄積在肌肉組織中。王劍萍和申屠基康[20]檢測三種蟹體中肝胰腺鎘富集平均含量：三疣梭子蟹Pounus trituberculatus最高為2.48 mg/kg，鋸緣青蟹Scylla serrata 0.5 mg/kg，中華絨螯蟹Eriocheir sinensis 0.39 mg/kg。據檢測，墨西哥西北海岸的加州對蝦Penaeus californiensis雄蝦各組織的鎘富集含量分別為：肝胰腺（13.6±1.9）mg/kg＞鰓（0.3±0.1）mg/kg＞肌肉（0.1 mg/kg）[21]。Ma 等[22]發現，河南華溪蟹Sinopotamon henanense在23.2 mg/L 鎘脅迫下3 d 后，其鰓中鎘濃度為（20.81±2.01）mg/kg，5 d 后其肝胰腺和肌肉的鎘含量分別為（9.80±0.35）mg/kg 和（6.70±0.3）mg/kg，各組織富集鎘的能力順序為鰓＞肝胰腺＞肌肉。另外，在500 μg/L 鎘暴露下，日本囊對蝦Marsupenaeus japonicus 的鎘富集量隨著時間增加而增加；在相同時間內，日本囊對蝦的鎘富集量依鎘濃度增加，其大小順序為500 μg/L＞50 μg/L＞5 μg/L＞0 μg/L[23]。鎘在蟹體中鰓、肌肉和肝胰腺的累積量也具有暴露時間、劑量的依賴性[22]。綜上可知，蝦蟹類富集鎘的主要組織是肝胰腺和鰓絲，且不同組織中鎘含量隨著鎘濃度、暴露時間增加而增加。

2.3 鎘與金屬硫蛋白（MT）的關系

鎘進入人體后，與金屬硫蛋白（Metallothionein，MT）形成鎘硫蛋白，蓄積在肝和胃中。MT 是一類廣泛存在于生物中的低分子量、能被金屬誘導的金屬結合蛋白[24]，富含半胱氨酸（Cys），能螯合金屬離子，調節微量元素貯存、運輸和代謝及具有對重金屬有解毒作用和清除活性氧的功能[25,26]。MT 含量與水環境和體內組織中的重金屬含量之間有顯著的相關性，可將MT 可以作為重金屬暴露的生物標志物[27]。Wu 等[28]發現長時間鎘脅迫下，凡納濱對蝦肝胰腺的MT 含量呈先上升后緩慢下降的變化趨勢，總體水平仍比對照組高。Ma 等[22]發現河南華溪蟹在不同濃度的鎘脅迫下，其MT 濃度在第1 d 達到最大值，隨后降低；其MT 濃度在不同組織中大小順序為：肝胰腺、鰓、肌肉和卵巢。趙艷芳等[29]發現總鎘含量高的三疣梭子蟹Portunus trituberculatus 肝胰腺中的Cd 主要與MT 結合，而鎘含量低的肝胰腺組織中Cd 主要與Cys 結合，MT、Cys 作為解毒物質，能夠通過巰基與金屬離子結合形成無毒或低毒的配合物而排出體外，從而起到解毒的作用。但王曉玲[30]認為Cd 與紫貽貝Mytilus edulis 體內的MT結合成Cd-MT 后，更難將鎘離子代謝排出體外。金屬硫蛋白能減輕鎘的毒性作用，可能是一方面MT螯合Cd2+形成Cd-MT，降低游離鎘離子濃度；另一方面MT 清除活性氧，降低活性氧對組織的氧化損傷。

3 鎘的毒性效應

重金屬對水生生物的毒性效應分為致死效應和行為影響。這些影響主要表現為:直接毒死生物個體，抑制某些酶活性，降低其免疫抵抗力和攝食。

3.1 鎘的毒性作用方式

重金屬對甲殼動物的毒性作用方式可分為三種：一是單一重金屬的毒性作用，且不同種類的單一重金屬對甲殼動物的毒性強弱不同；二是同一金屬對不同階段的生物的毒性強弱不同；三是兩種及兩種以上重金屬的聯合作用[31]。半數致死濃度（LC50）是衡量水中毒物對水生動物毒性大小的重要參數，其LC50越大，其生物毒性越小，其LC50越小，其生物毒性就越大。姜會超等[32]發現Hg、Cu、Cd、As、Zn 對日本對蝦Penaeus japonicas 胚胎LC50分別為：0.0177 mg·L-1、0.1070 mg·L-1、1.6057 mg·L-1、3.3682mg·L-1、8.2644 mg·L-1，即Hg＞Cu＞Cd＞As＞Zn。毒物的致死效應與受試動物暴露時間有密切關系，所以LC50需要標明受試時間，如脊尾白蝦Exopalaemon carinicauda 在24 h、48 h、72 h、96 h 的LC50分別為：0.66 mg·L-1、0.379 mg·L-1、0.343 mg·L-1和mg·L-1[33]。鎘對不同生長階段的水生生物的毒性不同，Cd 對體長6～9 mm、體質量2～8.5 mg 的凡納濱對蝦幼蝦的24hLC50為2.22 mg·L-1[34]；體長（8.00±0.53）cm,體質量（5.31±0.56）g 的凡納濱對蝦的24h LC50為0.952 mg·L-1[35]，幼蝦的整體抵抗力較強，可能與其自身新陳代謝快有關。重金屬的毒性強弱與游離重金屬離子相關。一方面，游離的金屬離子濃度與鹽度成反比，而非重金屬的總濃度，在鹽度為5 ppt、15 ppt、27 ppt 海水中，凡納濱對蝦的鎘96h LC50分別是0.45 mg·L-1、0.69 mg·L-1和1.02 mg·L-1[36]。另一方面鹽度高低影響蝦蟹的滲透壓，影響機體對金屬離子的吸收能力。

3.2 鎘中毒原理

Cd 通過攝食、呼吸，甚至皮膚進入動物體內[37]，代謝周期長，可通過食物鏈進行積累和生物放大[38]，引起機體生化改變、生理機能障礙和形態畸形，包括氧化應激、凋亡和致癌作用等[39]。鎘通過與蛋白質、DNA 的巰基、硫酸鹽和羰基位點結合，抑制DNA 修復功能[40]，導致蛋白質和DNA 結構、功能受損[41]。鎘降低肝臟細胞的抗氧化能力并損傷其線粒體功能，引起肝臟內活性氧增加，自由基與脂質的代謝障礙[42]。游離的鎘離子誘導機體產生大量活性氧（ROS），過量的ROS 能氧化損傷生物大分子如DNA、蛋白質和脂質[43]。線粒體是細胞產生活性氧的主要場所，細胞內大約90%的氧被線粒體所消耗，大部分氧被電子傳遞鏈所傳來的電子還原為水，小部分氧被電子傳遞鏈中漏流出來的電子單價還原，形成超氧陰離子[44]。正常生理狀態下，細胞內存在抗氧化酶系統維持活性氧產生和清除的平衡。一旦細胞內氧化還原的平衡被打破，線粒體功能出現紊亂，會使正常氧化還原過程產生更多的ROS。ROS 增多會影響線粒體呼吸鏈復合物的活力，從而影響線粒體的氧化磷酸化而降低細胞內ATP 的合成，導致能量代謝混亂，抑制生長、繁殖等過程。引起線粒體膜通透性的改變，誘導Ca2+和細胞損傷的因子如細胞色素C（Cyt C）等釋放；干擾線粒體DNA的轉錄與翻譯，抑制線粒體DNA 編碼蛋白的合成，影響線粒體蛋白的正確表達；還可以直接攻擊細胞生物大分子如蛋白質、脂質及核酸等，引起細胞的氧化性損傷[45]。以上途徑又進一步產生更多ROS，形成一個惡性循環，最終引起細胞凋亡或壞死。

3.3 鎘對蝦蟹的免疫影響

一般認為，甲殼動物等無脊椎動物只有先天性免疫，包括細胞免疫和體液免疫。血細胞包括透明細胞、小顆粒細胞和大顆粒細胞，可以通過識別、吞噬、包囊、排出或者通過釋放免疫物質來清除病原體或外來物[46]。研究發現，10-3mol·L-1Cd2+對凡納濱對蝦血細胞的吞噬活力，抑制率為79.6%[47]。10-9～10-6mol·L-1的Cd2+對羅氏沼蝦Macrobrachium rosenbergii 的離體血細胞活性和酯酶活力沒有顯著影響；但Cd2+濃度達到10-5mol·L-1時，顯著抑制了酯酶的活力；達到10-4mol·L-1和10-3mol·L-1時，細胞活性和酯酶活力均顯著下降[48]。擬穴青蟹Scylla paramamosain 的血細胞總數在Cd2+脅迫1 d 后顯著下降[49]。

3.3.1 鎘對活性氧及其抗氧化酶系統的影響

當必需和非必需重金屬濃度在水生生物體中蓄積超出一定值后，都會產生大量活性氧ROS[50]。ROS 包括超氧陰離子（O2-·）、羥自由基（OH·）和過氧化氫（H2O2）、以及由此衍生的有機過氧化物自由基（RO·、ROO·）、單線態氧（1O2）等物質[51]。超氧歧化物酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）在平衡體內ROS 含量起重要作用。SOD 催化超超氧陰離子（O2-·），迅速轉換成過H2O2[52]。CAT和GPx 將H2O2消除并轉化為H2O 和O2，消除H2O2[53]。丙二醛（MDA）是脂質過氧化的二次產物，反映了ROS 攻擊的程度，可作為膜損傷的指標[54]。美食奧螻蛄蝦Austinogebia edulis 在0.5 mg·kg-1鎘脅迫時，肌肉的SOD、CAT、GPx 活力增加；在5 mg·kg-1鎘濃度下，肌肉的SOD、CAT 和GPx 活力顯著下降，MDA 含量顯著增加[55]。通常，低毒物濃度下出現的活性升高現象被稱為“毒物興奮效應”；而高劑量的重金屬離子則抑制正常的生理過程，被稱為“毒物抑制效應”[56]。高濃度鎘離子與SOD、谷胱甘肽還原酶（GSSG-R）的巰基結合，與GPx 中的硒形成硒鎘復合物，或取代銅鋅超氧岐化酶（Cu/Zn-SOD）中的Zn，使抗氧化酶的活性降低或喪失[57]，造成機體ROS失衡，造成細胞或組織氧化損傷。

3.3.2 鎘對溶酶體的影響

溶酶體是分解蛋白質、核酸、多糖等生物大分子的亞細胞器，是甲殼動物免疫防御系統和健康狀態的生物標志物[58]。過量的ROS 改變溶酶體膜通透性，向細胞質中釋放水解酶如溶菌酶（LSZ），酸性磷酸酶（ACP）和堿性磷酸酶（AKP）[59]。由此可見，溶酶體膜通透性和水解酶活力均是檢測甲殼動物應對環境脅迫下的重要免疫指標[60]。河南華溪蟹Sinopotamon henanense 在0.725 mg·L-1、1.450 mg·L-1和2.900 mg·L-1鎘脅迫14 d 和21 d 后，其溶酶體膜的穩定性比對照組明顯降低，在處理時間內各實驗組的酸性磷酸酶活性顯著升高，堿性磷酸酶活性在2.900 mg·L-1鎘實驗組達到最高值[61]。秦圣娟[62]發現河南華溪蟹在29 mg·L-1、58 mg·L-1鎘暴露下，血清ACP、AKP 活力都在處理時間內升高。擬穴青蟹暴露于不同Cd2+濃度1 d 后0.025 mg·L-1、0.1 mg·L-1Cd2+濃度組擬穴青蟹血清中溶菌酶活性較對照組顯著上升；3 d 后只有0.1 mg·L-1Cd2+濃度組擬穴青蟹血清中溶菌酶活性仍呈顯著升高狀態，其余Cd2+濃度組地擬穴青蟹血清中溶菌酶活性與對照組差異不顯著[63]。

4 結語

水環境中的鎘來源廣泛，威脅甲殼動物和人類健康，需要嚴格控制其廢水排放和管理漁業養殖環境。甲殼動物主要通過攝食鎘污染的食物富集鎘，但水環境中的鎘離子通過鰓呼吸和體表滲透不可忽視。蝦蟹類富集鎘的主要組織是肝胰腺和鰓絲，且不同組織中鎘含量隨著鎘濃度、暴露時間增加而增加。鎘離子誘導細胞產生大量活性氧，過量的活性氧氧化損傷DNA、蛋白質和脂質等生物大分子；鎘離子抑制抗氧化酶活性，進一步加重細胞損傷或凋亡。金屬硫蛋白含量與體內組織中的重金屬含量之間有顯著的相關性，可將MT 可以作為重金屬暴露的生物標志物。