镉和铬对不同生物的毒性效应的研究

修垒+李专+安平平

摘 要：选取发光细菌、大型溞和斑马鱼这三种不同营养层级的生物作为实验对象，用镉和铬作为污染物，测定镉和铬对各种生物的急性毒性影响，结果显示，无论是发光菌、大型溞还是斑马鱼，镉的毒性都大于铬，但是其半致死浓度差异很大。说明不同营养级生物具有不一样的敏感性，对整个水生态系统的功能以及稳定起着重要作用的是每一个营养级上的生物。

关键词：生物毒性  发光菌 大型溞 斑马鱼

中图分类号：X712     文献标识码：A     文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0064-04

Research on the Toxic Effects of Cadmium and Chromium in Different Organisms

XIU Lei1  LI Zhuan2  AN  Pingping2

（1.Jilin metallurgy research institute; 2.Jilin environmental monitoring center，Changchun  JiLin，130011，China）

Abstract：This research selects three different trophic levels of organisms as experimental subjects （luminescent bacteria， Daphnia magna and zebrafish）， cadmium and chromium as a pollutant， detect their acute toxicity on various organisms， the results shows that both luminescent bacteria， Daphnia magna or zebrafish， cadmium toxicity is greater than chrome， semilethal concentrations vary widely. This Illustrates that the sensitivities of different trophic level organisms is not the same， All biological play an important role on both the stability and function of the entire water ecosystems.

Key Words： Biotoxicity  Luminescent Bacteria;Daphnia Magna;Zebrafish

单一物种的生物毒性实验是生物毒性测试常用的，也就是把一种生物置于有毒污染物或者环境样品中，其他条件保持稳定不变，观察其活动、生长抑制、变异、死亡等生物效应。在此基础上，多生物测试（Multispecies Bioassay）随之发展了起来[1-4]，该测试是通过同一营养级的几种生物同时测试某个污染物或环境样品所具有的生物毒性，按照统计学规律，测试结果能够得出污染物或环境样品对该营养级生物的平均毒性效应。而对于不同营养级别的生物，可采用成组生物测试（battery bioassay），也就是进行生物毒性检测时要用营养级不同的生物。从统计学意义上来说，污染物对生态系统的影响能通过测试结果得到部分反映。

测试毒性时，试验的顺利进行和结果跟试验生物的选择有极为重要的关系。不过，要根据试验目的来选择不同的试验生物。不同的管理机构在选用生物进行毒性评价时，其制定的标准也是不一样的。例如：美国环保局就应该选用包括无脊椎动物、鱼类、微生物、藻类等不低于四个不同营养级的，具有代表性的生物。此外，快速毒性评价（toxicity screening）也是必要的。快速毒性评价的时候，早期急性毒性指标选择的毒性测试方法以及生物需要具有显著代表性。毒性试验方法按照试验生物可以分为微生物毒性测试和水生动植物测试;按照时间长短可以分为急性毒性试验和慢性毒性试验;还可以分为常规毒性试验与遗传毒性实验等。

该文选取发光细菌、大型和斑马鱼这三种不同营养层级的生物作为实验对象，分别用这几种生物测定重金属（镉和铬）的生物急性毒性，分析不同生物对同一污染物的急性毒性差异。

1.材料与方法

1.1 发光菌

正常生理条件下能够进行生物发光的细菌叫发光细菌[5-7]，一定的试验条件下具有恒定不变的发光强度。由于毒物能抑制发光，因此外来受试物接触发光细菌后，改变了发光菌的发光强度，而且在一定的范围之内受试物的浓度与光强度的变化有关系，此外该受试物的毒性强弱也会影响光强度。

发光菌发光的原理：发光菌体内合成一种叫细菌荧光酶，该酶促使还原型的黄素单核苷酸发生氧化的时候放出光子，但氧化过程并不放热，因此发光菌所发的光属于“冷”光，具有420～670 nm的光波范围，有490nm的最大发射波长，因此光呈现出蓝绿色。反应过程的简易方程式表示如下。

FMNH2+RCHO+O2

=FMN+RCOOH+H2O+hv

其中，FMNH2为还原型黄素单核苷酸;RCHO是具有8个C原子以上的长链脂肪醛，O2是氧气。生成产物中，FMN是黄素单核苷酸，RCOOH对应的是长链脂肪酸，而产生的光子就是hv。14个碳的醛就是发光菌内的长链脂肪醛。

发光反应过程中参与的还有细菌的有氧呼吸通路，功能上认为是在呼吸过程中电子转移到分子氧中的代谢旁路。荧光酶-黄素过氧化物是还原型黄素单核苷酸与分子氧作用的中间产物，其降解所产生的约210 kJ/mol能量能促使单线态的激发分子生成，激发分子在退激时促使光子发射出来。通常情况下，过氧化键开裂为生物发光提供所需的能量，此过程中两个更强的化学键取代了氧分子的O-O键。endprint

该试验选用青海弧菌Q67（Vibrio qinghaiensissp-Q67）作为受试生物，使用其冻干粉剂，有效保存期为6个月。青海弧菌Q67是一种淡水型发光菌，它的发光不需要高盐浓度，因此对淡水样品不需要添加大量的NaCl，使水样化学性质不会发生改变。具体测定方法见水质急性毒性的测定发光细菌法GB/T15441-1995。

1.2 大型溞

易于在实验室培养的大型（Daphnia magna）是一种小型枝角类水生动物，该课题研究使用的大型已培养了很多代，有成熟的饲养技术。因对水中多种化学物含量的变化有敏感的反应，自1978年美国环保局（EPA）将大型毒性测试指定为毒性试验的必测项目，并设定了相关的检测标准后，许多欧洲和亚洲国家也建立了各自的大型溞 毒性测试的标准方法，而我国也于1991年确立了自己的国家标准 GB/T13266-91的大型急性毒性测定方法。大型有很多触角，但主要用第二对触角也就是大触角来运动，且运动形式多样，尤以翻转运动和枝角摆动最为典型。因大型五脏俱全且全身透明，其心脏跳动情况以及中毒症状能直接在解剖镜下观察到，故大型可作为合适的受试生物来进行在线生物监测。

采用刚出生6～24 h的幼蚤进行大型急性毒性试验[8-11]，观察48 h污染物引起的大型的死亡率，得到相应的LC50值。

将母蚤在稳定条件下驯养一周以上的时间，保证温度22 ℃+1，光暗比16∶8，pH6.5～8.5，每天喂其斜生栅藻。具体测定方法见水质物质对蚤类（大型）急性毒性测定方法GB/T13266-1991。

1.3 鱼类

作为水生态系统的消费者，鱼类与人类的关系密切，是水中重要的经济动物。水体中的污染物也会严重影响到鱼类，因此，在研究水生态毒理学时展开的鱼类毒性实验就显得非常重要。原产于孟加拉国、印度水域的小型热带淡水鱼斑马鱼，具有繁殖快，易于饲养且成本便宜，成鱼有约3～5 cm长，其也是公认的标准实验生物被用于环境毒性评价和研究。

通过鱼类半数致死浓度LC50（Median lethal concentration）评估污染物对鱼类的急性毒性[12-13]。在确定的试验条件下，将试验用鱼置于一系列浓度的受试物溶液中，以48 h为一个试验周期，记录试验用鱼的死亡率，确定鱼类死亡50 %时污染物浓度。

选取斑马鱼作为实验生物，在正式试验前，实验鱼需在水中进行驯养，驯养时间应在7 d以上为宜。驯养期内，出现生命体征异常或死亡的鱼数目不得超过总数目的10%，如果超过10%，则认定该批鱼不适于作为试验用鱼。具体测定方法见水质 物质对淡水鱼（斑马鱼）急性毒性测定方法GB/T13267-91。

2 结果与分析

2.1 镉和铬对发光菌的毒性影响

带有复活发光细菌的比色管中加入浓度不同的Cr6+、Cd2+ 溶液，15 min的反应之后，用毒性检测仪检测发光细菌的发光强度，通过曲线方程式计算得出EC50。

如图1所示，当Cr6+的浓度为1 mg/L时，发光菌的发光百分率为74.2%;浓度为2 mg/L时，发光菌的发光百分率为63.7%;浓度为3 mg/L时，发光菌的发光百分率为47.0%;浓度为4 mg/L时，发光菌的发光百分率为32.9%;浓度为5 mg/L时，发光菌的发光百分率为18.7%。

如图4所示，当Cd2+的浓度为0.1 mg/L时，发光菌的发光百分率为82.1%;浓度为0.2 mg/L时，发光菌的发光百分率为71.1%;浓度为0.4 mg/L时，发光菌的发光百分率为48.9%;浓度为0.6 mg/L时，发光菌的发光百分率为32.9%;浓度为5 mg/L时，发光菌的发光百分率为26.9%。

由表1可知，重金属对于发光细菌的毒性大小排序为Cd2+>Cr6+。其半致死浓度分别为0.39 mg/L和2.89 mg/L。研究重金属对光合细菌沼泽红假单胞菌的毒性反应时，有学者得出Cd2+的毒性比Cr6+大，与此同时还提出，不同金属离子对光合细菌生长抑制的毒性大小可能还受其细胞壁的亲和性的影响。和藻类一样，光合细菌细胞壁所带的官能团也包括氨基、负电荷和羟基等，所以对带正电荷的金属离子有亲和作用。金属抑制藻类生长主要原因就是金属离子与藻类细胞壁具有亲和性，亲和性越强则毒性也就也大。因此，可以推测，与藻类有相似细胞壁的光合细菌，其受到重金属的抑制也同重金属和细胞壁之间的亲和性有一定的关系。

2.2 镉和铬对大型的急性毒性实验

在实验浓度的范围内，随着Cd2+和Cr6+浓度的升高，也增加了大型的致死率，剂量-反应关系明显，表明污染物浓度增加的同时也增大了其对大型的毒性。

如图3所示，当Cr6+达到0.2 mg/L的浓度时，大型有15.2%的致死率;0.4 mg/L的浓度时，大型有36.1%的致死率;0.6 mg/L的浓度时，大型有56.8%的致死率;0.8 mg/L的浓度时，大型有80.2%的致死率。

如图4所示，当Cd2+的浓度为0.02 mg/L时，大型有30.5%的致死率;0.04 mg/L的浓度时，大型存在51.4%的致死率;0.06 mg/L的浓度时，大型有60.5%的致死率;达到0.08 mg/L的浓度时，大型的致死率为72.4%。

由表2所示，重金属Cd2+和Cr6+对大型溞的48 h的LC50分别是0.045 mg/L和0.54 mg/L，Cd2+的毒性要比Cr6+大，且Cd2+的毒性比Cr6+毒性要高约10倍。

原因可能是两种重金属离子在生物体中作用不同，积累性很强的镉在水环境中比较稳定，它在生物体内的富集作用也很强，具有数千甚至达到一万以上的富集系数，可引起人以及动物中毒。而作为人体必需微量元素之一的铬，人体缺乏时会出现禁食性高血糖等不良症状，如果含量过多，则会动物体内的氧化、还原和水解过程，使蛋白质变性，使核蛋白和核酸沉淀，使酶系统受到干扰最终导致中毒。因此，对比两种金属，镉对机体具有较大的毒性，属优先环境污染物。endprint

2.3 镉和铬对斑马鱼的毒性影响

如图5所示，当Cr6+的浓度为60 ?g/L时，斑马鱼的致死率为40.5%;浓度为65 ?g/L时，斑马鱼的致死率为46.7%;浓度为70?g/L时，斑马鱼的致死率为60.3%;浓度为80?g/L时，斑马鱼的致死率为71.2%。

图6，当Cd2+的浓度为2 mg/L时，斑马鱼的致死率为20.4%;浓度为4 mg/L时，斑马鱼的致死率为33.1%;浓度6 mg/L时，斑马鱼的致死率为44.5%;浓度为8 mg/L时，斑马鱼的致死率为70.4%。

表3所示，Cd2+和Cr6+对斑马鱼的48 h的LC50分别是6.4 mg/L和66 mg/L，48 h对斑马鱼的毒性强度是：Cd2+> Cr6+。江敏等在探讨Cr6+和Cd2+对罗氏沼虾仔虾的进行急性毒性实验时，得出Cd2+和Cr6+对罗氏沼虾仔虾的48 h的LC50分别是0.022 mg/L、0.180 mg/L，对罗氏沼虾仔虾48h的LC50毒性也是Cd2+大于Cr6+，且两者有近10倍的毒性差。

因两种重金属离子在生物体内用不同的作用，导致镉毒性比铬大。作为生物体内非必须元素，镉影响了多种酶的活性，所以对生物毒性的产生影响所需的剂量较小。镉具有很强的累积性，在水中特性比较稳定，其在生物体内的富集系数可达到数千甚至一万以上，其对生物产生的影响主要表示是，先阻碍传递机制，损伤肾脏，干扰酶的正常催化作用以及影响内分泌系统，最终导致生物机能失去调控。相比而言。铬的毒性就弱多了，这或许跟铬本身是机体所需的微量元素，因此其在较短时间内对机体无毒性作用。研究发现，微量的铬能促进生物的生长发育，无毒性，但是在过量的情况下，则会影响机体内的还原、氧化、水解作用，造成蛋白质变性，酶系统受到干扰从而引起但Cr6+过量可影响体内氧化、还原、水解过程，并可使蛋白质变性，干扰酶系统而引发中毒现象。

3 结论

无论是哪一种生物作为实验对象，镉的生物急性毒性都要大于铬，但是它们的半致死浓度相差很大，见表4镉和铬对这三种实验生物的半致死浓度都相差了10倍左右。

由此可以得出，生物敏感性是因营养级的不同而不同的，水生态系统的稳定性和功能与每一个营养级上的生物都密切相关，因此，建议使用一系列生物测试方法来测定和评估复杂的环境样品的毒性，充分利用不同生物测试法的优势，为环境中污染物的监测和风险评价提供更有效、全面的信息。

参考文献

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[10] 楼霄，张哲海，王国祥.水生生物毒性试验在工业废水监测和管理上的应用[J].生态科学，1992（2）：67-70.

[11] 董玉瑛，雷炳莉，张阳，等.镀铬化工废水对发光菌的综合毒性[J].化工学报，2007，58（11）：2911-2913.

[12] 李丽君，刘振乾，徐国栋，等.工业废水的鱼类急性毒性效应研究[J].生态科学，2006，25（1）：43-47.

[13] 刘大胜，赵岩，傅莹，等.工业废水排放环境监管中的新手段：鱼类急性毒性试验应用[J].环境监测，2008（14）：50-53.endprint

2.3 镉和铬对斑马鱼的毒性影响

如图5所示，当Cr6+的浓度为60 ?g/L时，斑马鱼的致死率为40.5%;浓度为65 ?g/L时，斑马鱼的致死率为46.7%;浓度为70?g/L时，斑马鱼的致死率为60.3%;浓度为80?g/L时，斑马鱼的致死率为71.2%。

图6，当Cd2+的浓度为2 mg/L时，斑马鱼的致死率为20.4%;浓度为4 mg/L时，斑马鱼的致死率为33.1%;浓度6 mg/L时，斑马鱼的致死率为44.5%;浓度为8 mg/L时，斑马鱼的致死率为70.4%。

表3所示，Cd2+和Cr6+对斑马鱼的48 h的LC50分别是6.4 mg/L和66 mg/L，48 h对斑马鱼的毒性强度是：Cd2+> Cr6+。江敏等在探讨Cr6+和Cd2+对罗氏沼虾仔虾的进行急性毒性实验时，得出Cd2+和Cr6+对罗氏沼虾仔虾的48 h的LC50分别是0.022 mg/L、0.180 mg/L，对罗氏沼虾仔虾48h的LC50毒性也是Cd2+大于Cr6+，且两者有近10倍的毒性差。

因两种重金属离子在生物体内用不同的作用，导致镉毒性比铬大。作为生物体内非必须元素，镉影响了多种酶的活性，所以对生物毒性的产生影响所需的剂量较小。镉具有很强的累积性，在水中特性比较稳定，其在生物体内的富集系数可达到数千甚至一万以上，其对生物产生的影响主要表示是，先阻碍传递机制，损伤肾脏，干扰酶的正常催化作用以及影响内分泌系统，最终导致生物机能失去调控。相比而言。铬的毒性就弱多了，这或许跟铬本身是机体所需的微量元素，因此其在较短时间内对机体无毒性作用。研究发现，微量的铬能促进生物的生长发育，无毒性，但是在过量的情况下，则会影响机体内的还原、氧化、水解作用，造成蛋白质变性，酶系统受到干扰从而引起但Cr6+过量可影响体内氧化、还原、水解过程，并可使蛋白质变性，干扰酶系统而引发中毒现象。

3 结论

无论是哪一种生物作为实验对象，镉的生物急性毒性都要大于铬，但是它们的半致死浓度相差很大，见表4镉和铬对这三种实验生物的半致死浓度都相差了10倍左右。

由此可以得出，生物敏感性是因营养级的不同而不同的，水生态系统的稳定性和功能与每一个营养级上的生物都密切相关，因此，建议使用一系列生物测试方法来测定和评估复杂的环境样品的毒性，充分利用不同生物测试法的优势，为环境中污染物的监测和风险评价提供更有效、全面的信息。

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[13] 刘大胜，赵岩，傅莹，等.工业废水排放环境监管中的新手段：鱼类急性毒性试验应用[J].环境监测，2008（14）：50-53.endprint

2.3 镉和铬对斑马鱼的毒性影响

如图5所示，当Cr6+的浓度为60 ?g/L时，斑马鱼的致死率为40.5%;浓度为65 ?g/L时，斑马鱼的致死率为46.7%;浓度为70?g/L时，斑马鱼的致死率为60.3%;浓度为80?g/L时，斑马鱼的致死率为71.2%。

图6，当Cd2+的浓度为2 mg/L时，斑马鱼的致死率为20.4%;浓度为4 mg/L时，斑马鱼的致死率为33.1%;浓度6 mg/L时，斑马鱼的致死率为44.5%;浓度为8 mg/L时，斑马鱼的致死率为70.4%。

表3所示，Cd2+和Cr6+对斑马鱼的48 h的LC50分别是6.4 mg/L和66 mg/L，48 h对斑马鱼的毒性强度是：Cd2+> Cr6+。江敏等在探讨Cr6+和Cd2+对罗氏沼虾仔虾的进行急性毒性实验时，得出Cd2+和Cr6+对罗氏沼虾仔虾的48 h的LC50分别是0.022 mg/L、0.180 mg/L，对罗氏沼虾仔虾48h的LC50毒性也是Cd2+大于Cr6+，且两者有近10倍的毒性差。

因两种重金属离子在生物体内用不同的作用，导致镉毒性比铬大。作为生物体内非必须元素，镉影响了多种酶的活性，所以对生物毒性的产生影响所需的剂量较小。镉具有很强的累积性，在水中特性比较稳定，其在生物体内的富集系数可达到数千甚至一万以上，其对生物产生的影响主要表示是，先阻碍传递机制，损伤肾脏，干扰酶的正常催化作用以及影响内分泌系统，最终导致生物机能失去调控。相比而言。铬的毒性就弱多了，这或许跟铬本身是机体所需的微量元素，因此其在较短时间内对机体无毒性作用。研究发现，微量的铬能促进生物的生长发育，无毒性，但是在过量的情况下，则会影响机体内的还原、氧化、水解作用，造成蛋白质变性，酶系统受到干扰从而引起但Cr6+过量可影响体内氧化、还原、水解过程，并可使蛋白质变性，干扰酶系统而引发中毒现象。

3 结论

无论是哪一种生物作为实验对象，镉的生物急性毒性都要大于铬，但是它们的半致死浓度相差很大，见表4镉和铬对这三种实验生物的半致死浓度都相差了10倍左右。

由此可以得出，生物敏感性是因营养级的不同而不同的，水生态系统的稳定性和功能与每一个营养级上的生物都密切相关，因此，建议使用一系列生物测试方法来测定和评估复杂的环境样品的毒性，充分利用不同生物测试法的优势，为环境中污染物的监测和风险评价提供更有效、全面的信息。

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