重金属镉对水生动物的毒性作用及其机制

王 晶，任同军， 王福强

（大连海洋大学农业部北方海水增养殖重点实验室，辽宁大连116023）

镉（Cd）是一种无生理功能的有毒重金属污染物，其残毒的蓄积性、时间长、易于沿食物链转移富集等特性对水生生物健康具有较大的负面影响（丘耀文等，2005）。重金属主要通过工业废水进入水环境系统，其中铜和镉是重金属类污染中2种较为典型的污染物（陈辉辉 等，2011）。

镉的所有化学形态对人和动物都是有毒的。除硒化镉、硫化镉和氧化镉极微溶于水外，其余都溶于水，海水中的镉主要以CdCl2的胶体状态存在。由于镉化物大多溶于水，因此不论从消化道、呼吸道都能被吸收进入水生生物机体，对全身器官系统发生作用（魏筱红和魏泽义，2007）。目前，已有报道称水传播的镉能够减慢鱼的生长速度，甚至引起死亡（McGeer等，2000），扰乱机体内离子的渗透作用，改变酶的生物活性 （Liu等，2011），在鲶鱼中能够扰乱其肝脏和肌肉组织中脂质的新陈代谢（Chen等，2013）。在人体内，镉的半衰期长达7～30年，可蓄积50年之久，能对多种组织和器官造成损害。

1 镉在动物体中积累途径

重金属在水生动物内的积累，通常认为通过下列途径实现：一是利用鳃不断吸收溶解在水中的重金属离子，然后通过血液输送到体内的各个部位或积累在表面细胞中；二是通过摄食，水体或残留在饵料中的重金属通过消化道进入体内 （赵红霞等，2003）。 Verbost （1989） 对虹 鳟（Salmo gairdneri）吸收Cd2+的研究中发现，Cd2+从水相到鳃部的移动是被动扩散或易化扩散穿过鳃氯细胞钙通道的过程，在鳃与血液之间的分配往往成正相关关系。刘长发等（2001）研究发现，暴露于不同金属浓度体系中的金鱼，其鳃对铅、镉的吸收量随着水相游离态Pb2+、Cd2+浓度的增加而增加，但增加幅度随浓度增加而减缓。

2 镉的毒性机制

镉能降低动物机体内多种酶的活性，尤其是含锌、巯基的抗氧化酶。镉能通过与酶类巯基结合或通过竞争或非竞争性替代作用，置换出细胞内金属依赖性酶类，特别是抗氧化酶系中的金属辅基，降低机体抗氧化酶的活性，使机体清除自由基的能力下降，从而引起氧化损伤 （刁书永等，2005）。赵元凤等（2002）研究了不同浓度的镉对鲢鱼（Aristchthys nobilis）部分组织内超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性的影响，结果表明：0.01、0.1、0.5 mg/L 低浓度 Cd2+对鲢鱼组织的SOD起诱导作用，1.00 mg/L高浓度的Cd2+对鲢鱼组织的SOD起抑制作用；而Cd2+污染胁迫对CAT活性始终表现为不同程度的诱导作用。

此外，镉能诱导金属硫蛋白（MT）的形成，金属硫蛋白参与了镉在机体内的吸收、转运、排泄和蓄积，镉进入机体后，诱导合成的金属硫蛋白可以螯合一定的镉形成Cd-MT复合物以降低胞内的Cd2+浓度，尽管MT可以螯合一定浓度的Cd2+，降低其引起的肝脏损伤，但肝中形成的Cd-MT复合物经血液运输到肾脏后大部分被肾小管重吸收，后经溶酶体降解分离释放出游离的Cd2+，继续发挥镉的毒性作用（Stohs和 Bagchi，1995）。 与此同时，生物体内有天然的Zn-MT和Cu-MT，当镉进入机体时，镉与锌、铜发生置换作用，进而使锌、铜、铁等的平衡受到破坏（刁书永等，2005）。除此之外，研究表明，镉具有类雌激素的作用，对鱼类的繁殖也有一定的影响，如镉暴露使克氏原螯虾的繁殖量和孵化率降低，并能抑制其卵巢的成熟度（胡贵林，2007；Anderson 等，1997）。

3 镉在水生动物体内的畜积及毒性作用

重金属对不同海洋生物的毒性因生物种类及其个体大小而异，还与海水环境的理化因子、生物体对重金属的适应程度以及试验条件等有关 （孙振兴等，2007）。已有研究表明，重金属离子对体长2.5～3.0mm 牙鲆（Paralichthy solivaceus）仔鱼的毒 性 大 小 依 次 为 Cu2+＞Cd2+＞Zn2+（ 李 国 基 等 ，1996）；对斑节对虾（Penaeus monodon）仔虾的毒性大小依次为 Cd2+＞Cu2+＞Zn2+＞Cr6+（邹栋梁和高淑英，1994）；对刺参（Apostichopus japonicus）幼参的毒性大小依次为 Cu2+＞Cd2+＞Zn2+＞Cr6+（孙振兴等，2007）；对侧扁软柳珊瑚（Subergorgia suberosa）的毒 性 大 小 依 次 为 Cu2+＞Zn2+＞Cd2+（ 彭 绍 宏 等 ，2004）。鳃是鱼体直接从水中吸收重金属的主要部位，动物的肝、胰、肾是其主要解毒和排泄器官，可产生大量束缚重金属的金属硫蛋白，因此鳃、肝、肾成为水生动物体内富集重金属的主要部位 （胡贵林，2007）。 阮晓（2001）经测定发现，罗非鱼、淡水白鲳及鲤鱼中重金属主要蓄积于三种鱼的鳃、肝、肾等组织器官，肌肉重金属蓄积量明显低于鳃、肝、肾部位的蓄积量。结果与Zhou和Cheung（1998）调查的重金属污染水体中罗非鱼各组织中重金属蓄积量结果相似，即铅、镉、铬在鳃、皮肤、内脏中的含量远高于肌肉。孙黎光等（2005）对黑鲷体内重金属分布测定结果表明，Cd2+在黑鲷各组织器官中的累积分布特点为鳃＞肝＞肠＞鳍＞肌肉。刘长发等（2001）研究发现，金鱼肾脏对镉的积累量明显大于肝脏，即金鱼在血液中金属含量相同的情况下肾脏蓄积了更多的金属。对奥利亚罗非鱼 （Oreochromis aureus）、 日本鳗鲡（Anguilla japonica）吸收、蓄积镉的研究中也发现肾脏是蓄积量最大的器官（Yang 和 Chen，1996）。

镉进入水体环境中会引起水生生物的急性或慢性中毒，造成畸变甚至死亡（Coogan等，1992）。我国渔业水质标准（GB11607.89）对镉的最高允许浓度规定为0.005 mg/L。Buhl（1997）曾以尖头叶唇鱼、骨尾鱼和刀项亚口鱼为试验生物得到96 h镉的LC50为78～168 mg/L。高淑英（1999）在恒温（28±0.5）℃和允气条件下研究汞、镉、锌、锰对日本对仔虾的急性致毒效应，结果表明按96 h LC50值计算，其对镉的安全浓度为0.0342 mg/L。王银秋等 （2003）以鲫鱼和泥鳅为研究对象得到鲫鱼24、48、96 h 镉的 LC50分别为 99.3、63.1、45.7 mg/L；泥鳅 24、48、96 h 镉的 LC50分别为 101.1、67.6、56.5 mg/L。对于鲫鱼和泥鳅较能耐重金属污染的种类，一般受污染水体的重金属浓度远远达不到试验所得数值，但未达到产生致死浓度的重金属污染也会对鱼类的繁殖、生长发育等产生影响，而且半致死浓度与时间有着密切的关系，存在浓度-时间依赖性即时间越长，半致死浓度越小。此外，Guhathakurta（2000）报道，镉、锌在虾肌肉中的蓄积与水体的盐度有极大关系，某些动物适应低盐以后，能改变水和离子的通透性，从而改变重金属的摄入速率，如棘沟虾（Orchestia gammarellus）在盐度降低时摄入锌和镉的速度增加。

4 维生素C对镉中毒的缓解

镉中毒主要体现在氧化损伤，因此可对机体产生抗氧化保护作用的物质在很大程度上可以缓解甚至解除重金属的毒性（刘晓玲等，2006）。维生素C作为一种自由基清除剂能发挥抗氧化功能，从而增强机体对外界环境的应激能力，增强机体免疫力，提高水生动物对疾病的抵抗能力 （赵阳等，2013）。刘晓玲等（2006）研究发现，饲料中添加一定剂量的维生素C，能够有效延缓镉中毒引起的肝脏中SOD、CAT、谷胱甘肽过氧化氢酶（GSHPx）等抗氧化酶活性的降低时间，减小其降低幅度。赵文（1995）也曾研究报道，维生素C与鱼虾等水生生物的解毒抗病有关，组织中维生素C含量高时，鱼虾等对环境污染的耐受性增强。

5 镉污染的防治

镉是主要的环境污染毒物之一，排入环境中的镉很难被消除。因此，预防镉污染的关键在于严格控制镉毒的排放，要坚持环境监测，合理采矿和冶炼，严格控制工业“三废”并严格执行水的常用标准。对于工业、农业产生的镉污水，采用“硫化物沉淀法”和“离子交换法”是对其进行治理的有效方法。两者相比，“离子交换法”治理镉污水较快捷且效果好，但由于价格较贵，一般情况下采用较经典的“硫化物沉淀法”。在采用“硫化物沉淀法”治理镉污水时，若该污水中含有Fe3+，则先加入石灰，将镉污水pH值调至3～4，使Fe3+沉淀（pH=3.2时，可认为Fe3+沉淀完全）分离，之后再向镉污水中通入H2S气体，将Cd2+沉淀除去（魏筱红和魏泽义，2007；黄宝圣，2005）。除此之外，因为微生物具有从外界环境富集重金属离子及放射性元素的能力，因此，利用生物体从水溶液中有选择性地快速、大容量地“吸附”金属离子的方法，可弥补传统废水处理方法中的不足。微生物吸附剂一般利用工业生产中的副产品如啤酒工业的发酵废渣等，还可以利用在海洋中大量存在的藻类，这也大大降低了处理的成本（赵红霞等，2003）。

6 小结

目前水环境重金属污染对水产动物的影响相关研究较多，但由于重金属在水生生态系统中呈现较为复杂的形态和相对较高的活性，以及对鱼类较强的毒性和承受重金属毒害作用机理的复杂性，还有很多方面尚未阐明。因此，在今后的研究中，可根据不同有毒重金属元素对机体损害的特点，进一步研究健康营养饵料及重金属对水产生物的毒害作用和环境保护对策，以期对环境保护及水产品的养殖具有重要指导意义。

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