2,3,7,8-四氯二苯并-对-二噁英对鱼类胚胎发育影响的研究进展

许友卿 吴卫君 丁兆坤 李太元

二噁英(dioxin)是一种环境激素，持久性有机污染物。目前发现二噁英有210种化合物，其中2,3,7,8-四氯二苯并-对-二噁英 (2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-pdioxin，TCDD)毒性最强。因此，世界卫生组织（World Health Orgnisation，WHO）以TCDD为参照毒性当量因子（Toxicity equivalency factor，TEF）和毒性当量（Toxic equivalent quantity，TEQ）计算二噁英化合物的毒性效力，使TEF和TEQ被广泛地应用到二噁英化合物的研究中。

二噁英主要来自含氯垃圾等的燃烧和含氯化学工业处理等过程。二噁英可通过多种途径特别是通过食物链进入鱼、人和其他动物体。二噁英对生物体的主要毒害是:①生殖、免疫和肝毒性；②致畸、致癌和致死性；③胸腺萎缩、废物综合症和氯痤疮等。因此，二噁英被称为“世纪之毒”，引起了全球的广泛关注，研究二噁英特别是TCDD，控制其污染，保护生态环境及生物，是当今环境生物学研究的热点之一。

鱼类对TCDD非常敏感，是水体TCDD毒害的主要对象。Teraoka等（2009）指出，鱼类特别是鱼胚胎对TCDD最敏感，最易受毒害。因此，研究化学污染物对鱼尤其是鱼的早期发育阶段的影响具有重要意义。

本文重点综述二噁英尤其是TCDD对鱼类胚胎发育的影响及机理研究进展，同时总结了目前预防TCDD对鱼类胚胎发育影响的一些措施。旨在更好地理解TCDD对鱼类胚胎发育的毒性效应、机理和预防原理，为水环境包括海洋环境评估、管理和保护提供基础资料。

1 TCDD对鱼类胚胎发育的影响

TCDD可以通过皮肤、呼吸道、消化道等途径进入鱼、人和其他动物体，并可通过血脑屏障、血胎屏障等影响全身各组织。TCDD被吸收后主要存在于脂肪组织、肝和肾而影响机体，并能透过胎盘进入胎儿，从而对胚胎、子代产生毒性作用。TCDD对胚胎发育影响的主要表现是，引起着床胚胎数减少，使着床后的胚胎发育迟缓，质量下降，以致着床后的胚胎发育阻滞。Heiden等（2008）指出，TCDD是干扰调节脊椎动物卵泡发育和排卵的物质，抑制卵巢促性腺激素受体的表达。

鱼类对多环芳烃等化学物暴露非常敏感，尤其是胚胎阶段。因为鱼类如斑马鱼（Danio rerio）繁育能力高、体外产卵与受精、胚体透明等特性而成为研究发育生物学家珍爱的对象，斑马鱼提示生命本质及其运行机制的研究在发育生物学领域日趋重要。因此，当前研究TCDD对鱼类胚胎发育的影响主要集中在斑马鱼。

多环芳烃等化学污染物对鱼类胚胎发育影响是严重的，而且是多方面的。TCDD不但可使鱼卵发育停滞，胚胎孵化率降低，还可导致多种畸形：如水肿、血管结构改变和器官形态畸形等。Yamauchi等（2006）、Wu等（2008）和 Yang等（2009）先后报道，TCDD可导致鱼类心脏、卵黄、眼球周围和胴体等部位水肿、头部和颅面畸形、下颌发育短小、鱼鳍发育不完全、尾巴弯曲等。组织切片观察发现，TCDD使鱼心脏变得细长，鳔发育不良，卵黄囊、心囊高度水肿，但是通过识别细胞凋亡的TUNEL染色没有发现阳性细胞。TCDD侵染组的胚胎死亡率于受精后276 h达到100%。TCDD还诱导斑马鱼中脑背侧部的细胞凋亡，而且死亡率随TCDD浓度增加而上升。Mhadhbi等（2010）在光照或黑暗条件下，把大菱鲆(Psetta maxima)胚胎暴露于PAHs和重金属复合物中，导致卵黄囊变形、围心包水肿、骨骼畸形和死亡。

鱼类心血管系统对TCDD高度敏感，是TCDD毒害的一个重大目标。TCDD暴露使鱼胚胎心脏缩小。TCDD侵染心脏，不仅影响其形态，也影响其功能。TCDD首先导致斑马鱼心肌细胞数量减少，其后引起心脏周围水肿、颅面畸形和生长迟缓，最后大量死亡。Teraoka等（2009）发现，暴露于TCDD的斑马鱼胚胎心脏周围血液循环减少。同时，TCDD引起斑马鱼胚胎中脑静脉血流量减少，造成中脑循环障碍。这可能是TCDD抑制了总主静脉退化和红细胞生成而致中脑血液循环障碍。TCDD使斑马鱼静脉面积和心肌细胞数量减少，并严重破坏了斑马鱼心脏瓣膜的形成，导致血液回流和血液循环的衰竭。

TCDD分布于鱼的各种组织，并在其中沉积和产生危害。暴露于TCDD中的鱼血液、脑、肌肉、心脏、肝脏、胰脏和生殖组织都可观察到明显的有毒物质积累。Hansson等（2008）对大西洋鲑（Salmo salar）的研究表明，除心脏是TCDD损害的主要对象外，脑、肝脏、脾脏和生殖系统也受到不同程度的损害。TCDD还阻碍鱼体性腺的发育，影响其生长和繁殖。

TCDD还可导致鱼类脂质过氧化作用。一定剂量的TCDD能引起斑马鱼脂质过氧化产物——丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量增加，使各种抗氧化酶活力降低，导致机体细胞的脂质过氧化作用，使细胞产生毒性反应并对细胞造成损害。

2 TCDD对鱼类胚胎发育影响的机理

近年来，TCDD毒性机理的研究十分活跃。目前认为，TCDD的重要毒理机制之一是TCDD引起鱼的脂质过氧化作用，产生过多的氧自由基O2-而危害机体。在斑马鱼胚胎发育早期，超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、谷胱甘肽转移酶（glutathion transferase，GST）和过氧化氢酶（catalase，CAT）等抗氧化酶系统就开始逐步建立，维持胚胎组织器官细胞中的生理活性氧浓度，确保胚胎的正常发育。SOD是机体内的主要抗氧化酶之一，SOD能够把氧自由基O2-歧化成H2O2和O2，使机体免受O2-的毒性危害。而TCDD诱导机体的脂质过氧化作用，增加机体O2-的生成，导致脂质过氧化的中间产物如丙二醛（MDA）等增加，引起抗氧化酶如超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)、谷胱甘肽转移酶（GST）和过氧化氢酶（CAT）等活力下降，以致不能保护细胞免受活性氧对DNA等生物大分子的损伤，从而影响鱼胚胎的发育。

从分子水平研究TCDD的毒性机制，才能从根本上理解TCDD的作用机理。已有的研究表明，二噁英类主要是通过芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor,AHR）诱导基因表达、改变激酶活性和蛋白质功能而发挥作用。TCDD毒性的介导是通过AHR信号级联放大的。AHR是存在于脊椎动物细胞质内有配体活性的转录因子，与TCDD暴露接触后，结合并开始信号传导，包括与芳香烃受体核迁移物(aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator，ARNT)的反应及向细胞核的迁移。在胞核内，AHR激活了一些应答基因包括编码细胞色素P450(Cytochrome P450，CYP)等基因表达。脊椎动物有两种AHR：AHR1和AHR2，其中AHR1有 α、β 型，AHR2 有 α、β、γ、δ 型。斑马鱼有三种AHR：AHR1α，AHR1β 和 AHR2。Hansson 等（2008）指出，拥有多种AHR有助于提高鱼类对TCDD及其相关化学物质的感受能力，大西洋鲑（Salmo salar）的四种AHR2都表现了以AHR为中介的信号功能，暗示了这四种蛋白质与TCDD的毒性有关，因此，推测大西洋鲑对TCDD的高度敏感性是由于具有多种功能性AHR基因之缘故。

TCDD对鱼类发育的影响主要是通过AHR介导诱导目标基因CYP转录。CYP是TCDD的一种靶基因。CYP是包含亚铁红素的单氧酶基因的一个总科，在脊椎动物中，CYP单氧酶基因 CYP1、CYP2和CYP3都与许多毒性药物、环境化学物和内生化合物的氧化和还原相关。CYP1包括 CYP1A、CYP1B、CYP1C、CYP1D等基因亚科。每个亚科又各有其亚基，如 CYP1A1和 CYP1A2；CYP1B1和CYP1B2；CYP1C1和CYP1C2等，每个亚基由不同的AHR亚型诱导。

TCDD引起斑马鱼下颔短小可能与Sonic hedgehog（SHH）基因相关联。SHH基因对下颔的生长发育有重要作用，而随TCDD浓度的增加，SHH基因的表达量减少，这就抑制了SHH基因的表达，引起下颔部细胞增殖降低，导致下颔的短小，还影响头部的其他组织。

还有人提出了激素、酶、离子等TCDD作用机理。TCDD是一种激素干扰物，梁勇等（2004）通过研究TCDD和苯并芘对原代培养鲫鱼(Carassius auratus)肝细胞中卵黄蛋白原诱导的影响，建立了一种类雌激素体外实验模型。由于AHR在卵巢中出现，TCDD可能通过受体介导的基因转录，从而影响卵巢发育和降低生殖能力。此外，TCDD还会干扰下丘脑-垂体-性腺（HPG）调节机制或雌激素代谢。Teraoka等（2009）提出，TCDD 诱导环氧酶（cyclooxygenase，Cox），导致斑马鱼胚胎中脑循环障碍。Huang等（2007）报道，环氧酶COX2的抑制作用导致发育中的斑马鱼的心脏畸形。Wu等（2008）则从TCDD侵染组的斑马鱼胚胎CYP1A水平先升后降的实验结果推测，TCDD诱导的水肿可能是由于存在Ca2+调节蛋白质的作用，增加了细胞内自由Ca2+的水平，致使细胞水和电解质平衡失调，水分不能排出或排出减少，导致水肿。在斑马鱼胚胎中，TCDD提高了细胞内Ca2+水平的同时，触发了由Ca2+介导的核酸内切酶的活性，结果导致了细胞的凋亡。

总之，TCDD一方面抑制了机体抗氧化物酶基因的转录和表达，引发了大量氧自由基（O2-）和脂质过氧化物的产生，导致氧化应激反应，危害机体；另一方面TCDD又同AHR结合，诱导相关基因特别是CYP的表达而引起危害。然而，由于TCDD毒性作用机制非常复杂，至今还有许多问题没有完全清楚，如分子机制中基因表达产物如何发挥作用、蛋白激酶激活后如何产生毒性效应、AHR存于机体的生理作用和内源性配体等还有待进一步研究。换言之，TCDD对鱼类和其他生物的毒性机理研究，虽然取得了重要的进展，然而尚待进一步阐明。

3 预防TCDD对鱼类胚胎的影响

3.1 保护受精卵免受TCDD影响

由于鱼类受精卵的孵化是在体外进行的，因此，保持受精卵孵化的水环境免受二噁英污染，对预防TCDD影响鱼类胚胎是至关重要的。为此，扩大环保宣传，加强全民的环保意识，自觉地保护环境，控制污染源，减少以至防止TCDD排放是最根本的措施。一方面要减少与含氯相关的化工厂、农药厂、造纸工业的氯气漂白等过程的废水废气的排放，如利用斯托克装置进行发电和处理二噁英，禁止生产有机氯化合物等。另一方面应该注重研究，改进技术，加强对垃圾的科学管理和处理，进行科学填埋、堆肥、垃圾的分类回收利用以及科学焚烧，如用新的垃圾焚烧技术——斯托克焚烧技术，新的非焚烧医疗废物处置技术——脉动高压蒸气灭菌-破碎等。

修复TCDD污染的水体，也是减少对鱼类胚胎影响的措施之一。目前，通过吸附、挥发、水解、光解、生物富集和生物降解等过程对TCDD等二噁英进行迁移转化的方法主要有:高温溶解、光催化、光化学分解、微生物分解、超临界流体法等，催化降解是目前研究的热点，其中以光解和生物降解为主。目前，Ishii等（2009）正在开发使用二噁英降解真菌波氏假阿利什菌(Pseudallescheria boydii，P.boydii)的生物反应器系统处理二噁英污染的土壤或水；并成功地运用到以波氏假阿利什菌降解TCDD的现有数学模型中，这可以在生物反应器系统的设计中评定波氏假阿利什菌降解TCDD的速率。

生物降解污染水体及其沉淀物中的二噁英类是一项引人关注的补救技术。用植物进行修复是近年发展的一项主要用于清除环境中有毒污染物的绿色修复技术。与物理、化学和微生物方法相比，植物修复以太阳能为动力，节省能源，操作简便，不会带来二次污染，而且具有修复、保护、美化环境的功能。同时，植物可促进生物化学反应酶的活力，可通过微生物源酶的作用分解转化沉淀的有机污染物成为简单的无机物，以达到净化沉淀物之目的。通过植物、化学、微生物、基因工程等手段，多种措施结合的联合生物修复工程技术可以形成一个相对完整的修复系统，将产生强大的修复动力。

3.2 保护亲鱼，预防配子发育受TCDD的影响

给亲鱼投喂含植物油和添加维生素A、E等微量营养素的饲料，可减少TCDD污染的影响，增强亲鱼抗病力，促进成熟和生殖。用植物油（如菜油）和蛋白质（如加拿大油菜蛋白）代替鱼油能有效地降低饲料中污染物的水平。Heiden等（2008）发现，用菜油代替鱼油大大减少了TCDD在鱼体的积累及危害。机体维生素A、E具有维持正常的视觉、上皮细胞分化、胚胎发育、抗氧化、抗肿瘤及免疫等功能。但是，TCDD能阻碍维生素A在肝脏内的储存,促进其排泄,导致血清中的维生素A明显降低。TCDD也可降低机体血清维生素E的水平。因此，给亲鱼适当添加微量营养素，对保护亲鱼，预防配子发育受TCDD影响是有益的。

4 结语与展望

综上所述，TCDD对鱼类胚胎发育危害严重。虽然可以采取一定的预防措施，减少威胁，但是由于TCDD的毒性强、危害大，其毒性机理尚未弄清，难以防治。因此，一方面应该积极防止和减少TCDD的产生和污染，另一方面努力深入研究TCDD的毒性及其机制，为防治TCDD毒害提供技术依据。相信随着科学技术的进步，对TCDD的研究和治理将会取得飞速的发展。