锌对生物体的毒性效应与研究展望

张梦蝶+黄碧捷+肖梦茹+余玲玲

摘要：分析了金属元素锌的本底值及环境暴露，综述了锌离子以及各种锌的化合物对生物体的毒性效应，并提出了锌对生物体的毒性效应研究的展望。

关键词：锌;毒性效应;本底值;环境暴露;展望

中图分类号：X173

文献标识码：A文章编号：1674-9944（2014）12-0142-03

1锌的本底值及环境暴露

1.1来源与背景

重金属锌主要从矿石中煅烧后氧化还原得到，自然界中的锌多以硫化物状态存在，主要有闪锌矿ZnS、其他的矿石有菱锌矿ZnCO3、红锌矿ZnO、硅锌矿Zn2SiO4、锰硅锌矿（ZnMn）2SiO4、异极矿Zn4Si2O7（OH）2·H2O等。我国的锌矿一般与铅共生，故称为铅锌矿，产地遍布全国。我国锌污染土壤也越来越多，资料显示我国土壤中平均锌含量为100 μg/g，比世界土壤的平均锌含量高出一倍以上。

1.2暴露途径

植物体内的锌大多是由于污水灌溉之后被植物吸收造成的，矿区产生的含锌废水直接排放到环境中导致环境中的锌含量增加，被植物从根系吸收后进入整个植株，从而对植物的生长产生影响。

动物主要是通过饲料或者食物链来增加体内锌的含量。反刍动物在真胃、小肠吸收锌，而非反刍动物锌的吸收主要在小肠。动物主要以粪便排泄锌来平衡体内锌的含量。

2锌的化合物对生物体的毒性效应

2.1锌离子对水生生物体的毒性效应

锌是生物体的必需的微量元素，过量也会对生物体产生毒害，尤其是在水生生物中表现得更加明显。在刘文权[1]等人对金鱼的单一与联合的毒性实验中表明：随着重金属离子浓度的提高，其对金鱼的急性毒性效应逐渐增强;铜对受试金鱼的影响比锌大;联合毒性实验结果表明铜离子和锌离子在等比例情况下对金鱼的联合作用为毒性增强的协同作用。在周疆丽的蜥蜴柳对重金属耐性研究中表明：旱柳根系对铜吸收呈现出极显著的线性关系;而根、茎、叶对锌的吸收呈现出极显著的线性关系[2]。在华玉丹[3]等人的铜锌及其复合污染对西瓜种子萌发的影响中表明：在低浓度（20 μmol/L）铜、锌单一及复合处理对西瓜种子的发芽率没有影响，但增加了发芽指数、活力指数，促进了幼芽和幼根的伸长生长，提高了生物量的积累;高浓度（200 μmol/L）铜、锌单一及复合处理对西瓜种子的发芽率、发芽指数、活力指数、幼芽、幼根及生物量积累均有一定抑制作用。在卢斌[4]等人的低浓度镉、锌暴露对白氏文昌鱼的毒性累积及其几种重要酶活性的影响中表明：锌对文昌鱼的96h的LC50为2.26 μmol/L，安全浓度为0.23 mg/L;并且文昌鱼体内的锌含量与暴露时间没有相关性，表明文昌鱼在锌暴露的时间内表现出较强的调节作用。除了对鲫鱼、固氮鱼腥藻、白氏文昌鱼的实验研究外，还有其他的对水生生物的研究，例如对汤匙华哲水蚤[5]的研究中锌离子的24h的LC50为3.221 mg/L，48h的LC50为1.537 mg/L，72h的LC50为0.471 mg/L。可以推出白氏文昌鱼的LC50比汤匙华哲水蚤的浓度要高得多，表明文昌鱼对锌的调节作用远大于汤匙华哲水蚤对锌的调节作用。而水生生物种类繁多，各个物种对于锌的半致死浓度都有所不同甚至相差很大，所以它们对锌的调节作用也都有差别。由于不同的实验研究的对象不同，实验结果的分析方法也不同，不利于准确得出一致的结论或其中的规律。

2.2纳米氧化锌对生物体的毒性效应

纳米氧化锌粒径介于1～100 nm之间，是一种面向21世纪的新型高功能精细无机产品，表现出多种特殊的性质，如非迁移性、荧光性、压电性、吸收和散射紫外线能力等，利用其在光、电、磁敏感等方面的其妙性能，可制造气体传感器、荧光体、变阻器、紫外线遮蔽材料、图像记录材料、压电材料、压敏电阻、高效催化剂、磁性材料和塑料薄膜等。 在陈潇婷[6]等人的纳米氧化锌对人体胚肾HEK293细胞的遗传毒性的研究中表明：随着纳米染毒粒子的浓度增加，染色体损伤程度也逐渐增加，纳米氧化锌对人胚肾细胞具有遗传性。在袁金华[7]等人的纳米氧化锌对人胚肺成纤维细胞的生物毒性研究中表明：纳米氧化锌粒子由于小尺寸效应和锌自身毒性的协同作用，高浓度时抑制细胞结活性，致使细胞死亡，且氧化锌纳米粒子和细胞毒性呈明显的剂量依赖的效用关系。在杨霞[8]等人对纳米氧化锌的毒性作用及机制研究进展中表明：纳米氧化锌进入呼吸系统能引起肺泡细胞的存活率降低;进入消化系统对肝脏、肾脏和脾也极易受到损伤，可以引起肠道菌群失调和胰腺炎;进入血液循环系统会使血红蛋白浓度、血细胞压积降低，血小板升高;进入泌尿系统会使肾小球上皮细胞水肿变性、近端小管上皮肿胀及肾小球内细胞增生。在田文静的纳米氧化锌对斑马鱼胚胎氧化应激机制的初步研究中表明：纳米氧化锌能导致斑马鱼胚胎不同发育阶段GSH含量减少，SOD活性和CAT活性降低，并且能导致不同程度的DNA损伤，可能是由于氧化应激、脂质过氧化也有可能是纳米氧化锌穿过核孔直接与DNA作用[9]。可见，纳米氧化锌对于生物体的毒性十分巨大的，很可能和它本身粒径等性质有密切的关系，例如由于晶粒的细微化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物体所不具有的表面效应、体积效应、量子尺寸效应，使其更容易被生物体所吸收或进入细胞内部，对生物体造成极大的危害。

2.3氯化锌对生物体的毒性效应

氯化锌在无机工业中作为生产活性炭的活化剂，使活化剂成为多孔物质，增大表面积;也用于制造抗溶性泡沫灭火器和生产氧化锌的材料。在有机工业用作聚丙烯腈的溶剂、有机合成的接触剂、脱水剂、缩合剂、去臭剂等。 在任珺[10]等人的芦苇、菖蒲和水葱对水体中Zn2+的富集效应研究中表明：水葱在氯化锌浓度为1500 mg/L的水体中的积累浓度最高，菖蒲和芦苇在氯化锌浓度为2500 mg/L时积累浓度最高，他们都可以用作修复重金属污染水体的物种。在陈世宝[11]等人的基于不同测试终点的土壤锌毒性阈值及预测模型中表明：我国土壤中锌的毒性阈值在不同测试物种间存在较大差异，小白菜的EC50为846 mg/kg，大麦的EC50为1471 mg/kg，西红柿的EC50为1160 mg/kg;并且pH值是影响土壤Zn毒性阈值最为重要的因子。在一般实验用氯化锌来提供锌离子的研究比较少，多数是用的硫酸锌来进行锌的毒性效应的研究。endprint

2.4硫酸锌对生物体的毒性效应

硫酸锌是制造锌钡白和锌盐的主要原料，也可用作印染媒染剂、木材和皮革的保存剂，也是生产粘胶纤维和维尼纶纤维的重要辅助原料。另外硫酸锌在电镀和电解工业中也有应用，还可以制造电缆。在Wesam Khateeb[12]等人的镉、铜和锌的毒性对龙葵、野生番茄的遗传稳定性的比较研究中表明：在生长介质中应力水平的增加，龙葵的脯氨酸含量增加。在刘茵对黑麦草种子萌发及幼苗生长影响的研究中表明：锌离子对黑麦草种子发芽势有显著抑制时，锌离子浓度在120 mg/L;对发芽率有显著抑制时，锌离子浓度在300 mg/L ;且锌胁迫对黑麦草幼苗的根长和苗长有抑制作用[13]。和其他的锌化合物的毒性效应一样都是对植物有着“低促高抑”的作用。在杨利玲[14]等人对不同浓度硼、锌、钼微肥浸种对长豇豆种子萌发的影响中表明：对于不同的微肥种类，从不同的微肥浸种对长豇豆种子发芽、幼苗生长及经济效益等方面综合考虑，锌肥采用0.06%的硫酸锌较适宜。这是对低浓度锌的一种应用，使其促进种子的萌发，有利于植物的生长。在李红宁[15]等人的ZnSO4、CaCl2、H2O2处理对小油桐种子发芽特性和幼苗生长的影响中表明：低浓度的锌离子能提高种子中淀粉酶的活性，使种子中储藏的淀粉更加充分分解，为种子萌发提供充足的营养和能量;高浓度的锌离子抑制淀粉酶的活性从而抑制种子的萌发。这种研究也可以应用于其他的植物甚至动物来找到最适的浓度以促进生长发育。在贺诗水[16]等人的锌离子对锦鲤的急性毒性及安全浓度评价中表明：锌离子的浓度越高，染毒时间越长，锦鲤表现越敏感，锦鲤的死亡率越高，LC50值越小;当锌的浓度超过锦鲤的生态阈值时会引起生物中毒，表现为体表和鳃的粘液增多，体表出现许多白色的小颗粒，体色逐渐变黑且大口吐气泡。在王建国[17]等人的硫酸锌对4种水生动物的急性毒性作用中表明：硫酸锌对中华绒螯蟹仔蟹安全浓度为0.58 mg/L，24h的LC50为18.39 mg/L，48h的LC50为11.10 mg/L，72h的LC50为7.63 mg/L，96h的LC50为5.84 mg/L;异育银鲫幼鱼的安全浓度为1.96 mg/L，24h的LC50为46.51 mg/L，48h的LC50为33.43 mg/L，72h的LC50为23.86 mg/L，96h的LC50为19.58 mg/L;克氏原螯虾幼虾的安全浓度为0.26 mg/L，24h的LC50为84.48 mg/L，48h的LC50为16.50 mg/L，72h的LC50为4.78mg/L ，96h的LC50为2.60 mg/L;田螺的安全浓度为3.42mg/L ，24h的LC50为89.34 mg/L，48h的LC50为56.33 mg/L，72h的LC50为38.90 mg/L，96h的LC50为34.23 mg/L，说明随着锌浓度的增加不同的物种表现出不同的中毒症状、死亡率增加，其中克氏原螯虾幼虾对锌的毒性最为敏感，田螺的耐性最强。

3锌对生物体毒性效应研究展望

3.1新型锌的化合物的挑战

纳米材料以其独特的结构特点而展现出来的特殊性质从而受到极大的关注，对于纳米材料的研究越来越多越来越广泛，同时也应该注意到其有可能产生的环境污染以及对生物体可能产生的毒性效应。已有一些关于纳米氧化锌对生物的毒性效应的研究报道，纳米材料种类的不断增加势必要进行更多的实验来评估其环境风险。除纳米材料外，还有许多的锌的有机化合物或者络合物，这类物质对生物体的毒性效应研究不鲜见报道，应加强关注这类新型锌的化合物对生物的毒性效应。

3.2毒性测试新方法的挑战

传统毒性效应往往以LC50或者EC50来表征锌对生物体的毒性效应，不少研究尝试了新的方法来表征物质的毒性。抗氧化物酶从分子水平上反映了污染对鱼肝脏细胞的损伤，可以尝试将抗氧化酶作为重金属暴露的生物标记物，虽然有人曾提出这方法，但鲜有实验用此方法进行研究。并且实验的同时也要考虑到污染的种类、形态、浓度以及受试生物等因素。尝试新的方法进行毒性测试是未来环境毒理学的发展方向之一。

3.3受试生物的统一性

传统毒性效应往往以受试生物胚胎存活率的高低来评判锌的毒性效应，也有用植物或者动物的某一个特定的生长阶段来进行试验的，以其LC50或者EC50为标准来进行毒性效应的比较。在此基础上我们可以尝试对受试生物进行统一，可以研究植物从种子萌发到植物的生长发育的全过程中锌对不同时期的植物生长的毒性效应，或者研究动物从胚胎到生长发育的全过程中锌对不同时期的动物生长的毒性效应，这样就可以对受试生物有一个全面的研究，也利于实验数据的共享，这样不同地区不同研究人员的实验结果也有可对比性，有利于得到共性的结论。

参考文献：

[1]刘文权，宋文华，袁敏.重金属（Cu、Zn）对金鱼的单一与联合的毒性试验[J].绿色科技，2013（7）：232～233.

[2]周疆丽.蜥蜴柳对重金属的耐性研究[D].合肥：安徽农业大学，2011.

[3]华玉丹，王晓芬，李娟，等.铜锌及其复合污染对西瓜种子萌发的影响[J].环境科学与技术，2011，34（12）：71～73.

[4]卢斌，柯才焕，王文雄.低浓度镉、锌暴露对白氏文昌鱼的毒性累积及其几种重要酶活性的影响[J].厦门大学学报：自然科学版，2012，51（4）：766～772.

[5]李红敬，王雅平，王婷婷.铜、锌离子对汤匙华哲水蚤的急性毒性和联合毒性效应[J].信阳师范学院学报：自然科学版，2014，7（1）：65～67.

[6]陈潇婷，关荣发，叶兴乾，等.纳米氧化锌对人体胚肾HEK293细胞的遗传毒性[J].农业生物技术学报，2012，20（3）：296～300.

[7]袁金华，李光，陈慧珍，等.纳米氧化锌对人胚肺成纤维细胞的生物毒性[J].中山大学学报：医学科学版，2009，30（2）：170～173.

[8]杨霞，江米足.纳米氧化锌的毒性作用及机制研究进展[J].浙江大学学报：医学版，2014，43（2）：218～226.

[9]田文静.纳米氧化锌对斑马鱼胚胎氧化应激机制的初步研究[D].青岛：青岛科技大学，2010.

[10]任珺，付朝文，陶玲，等.芦苇、菖蒲和水葱对水体中Zn2+的富集效应研究[J].湿地科学，2011，9（4）：322～326.

[11]陈世宝，林蕾，魏威，等.基于不同测试终点的土壤锌毒性阈值及预测模型[J].中国环境科学，2013，33（5）：922～930.

[12]Wesam Khateeb，HajerAl-Qwasemeh.Cadmium，copper and zinc toxicity effects on growth，proline content and genetic stability of Solanum nigrum L，a crop wild relative for tomato;comparative study[J].Physiology and Molecular Biology of Plants，2014，20（1）：31～39.

[13]刘茵.Cd2+、Zn2+对黑麦草种子萌发及幼苗生长的影响[J].湖北农业科学，2011，50（18）：3798～3800.

[14]杨利玲，王景顺.不同浓度硼、锌、钼徽肥浸种对长豇豆种子萌发的影响[J].江苏农业科学，2010（5）：204～205.

[15]李红宁，崔明昆.ZnSO4、CaCl2、H2O2处理对小油桐种子发芽特性和幼苗生长的影响[J].种子，2010，29（12）：92～97.

[16]贺诗水，王洪凯.锌离子对锦鲤的急性毒性及安全浓度评价[J].广东农业科学，2010（7）：147～148.

[17]王建国，陆宏达.硫酸锌对4种水生动物的急性毒性作用[J].淡水渔业，2009，39（6）：28～33.endprint