镉在果蝇体内的积累及对其生长发育的影响

李长春，王 永，姚国新，戴余军，王立华，李国元

(1.特色果蔬质量安全控制湖北省重点实验室，湖北 孝感 432000； 2.湖北工程学院 生命科学技术学院，湖北 孝感 432000)

随着工业化和城市化的快速发展，重金属污染现象越来越严重，相比其他重金属污染，土壤镉污染现象在我国尤为突出，造成镉污染事件时有发生[1-2]。镉等重金属可以被植物吸收，并通过植食性昆虫和它们的捕食者在食物链中积累和传递，从而对生态系统和人类健康造成严重的威胁[3-4]。镉通过直接和间接的毒性作用对昆虫的生长发育产生多效性和复杂的影响，如发育时间、存活率、生长速率、个体大小、产卵量、卵粒大小、孵化率等[5-7]。镉对人体具有毒性大、蓄积性强、生物半衰期长等特点，易引起肾脏、脾脏、肺脏等软组织的损伤，并可导致癌症的发生[8]。由于环境中镉积累水平的不断提高，镉的生态毒理学引起了人们越来越多的关注[9]。

目前对重金属毒性污染监测主要采用化学分析方法，虽然简单、直接，但不能反映重金属对生物体和生态环境的可能毒害和综合效应[10]。长期暴露于亚致死剂量重金属环境导致的人类疾病难以及时诊断，如日本的疼痛病和水俣病[11]。一些研究表明，指示生物可用来指示重金属污染物的来源、迁移转化及时空分布等，成为环境污染监测、评价与治理的重要辅助工具[10]。目前，关于土壤重金属指示生物的研究主要集中于植物，如车前草[12]，以及土壤表层动物，如蚯蚓[13]、蜘蛛[14]。果蝇是一种重要的模式生物，具有饲养简单、繁殖周期短、廉价易得等特点。本研究测定了镉在拟果蝇体内的积累及对其生长发育的影响，探讨了镉对果蝇的生态毒理效应，为利用果蝇作为镉污染指示生物提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

拟果蝇(Drosophilasimulans)由湖北大学行为生态与进化生物学研究中心提供。恒温光照培养箱(MJX-2508-Z)由上海博迅实业有限公司生产，微波消解仪(WX4000N)由成都奥谱勒仪器有限公司生产，原子吸收分光光度计(TAS-990AFC)由北京普析通用仪器有限公司生产。试验用HNO3和H2O2均为优级纯，标准镉溶液购自美国PerkinElmer公司。

1.2 果蝇的饲养

果蝇于5 cm × 12 cm 平底玻璃试管中培养。置于(23±1)℃、相对湿度60%～80%、光周期14 h/10 h (L/D)的恒温光照培养箱中。培养基配方为：玉米粉62.5 g、红糖50 g、酵母粉7.5 g、琼脂粉5 g、苯甲酸钠0.1 g、丙酸2 mL、双蒸水500 mL。

1.3 果蝇的染毒处理

将不同体积的CdCl2溶液加入到果蝇的培养基中，使Cd2+终质量浓度分别为5、10、20、40、80 mg/L，以无Cd2+添加的培养基作对照(CK)。用乙醚麻醉后，收集无污染培养基上8 h内羽化出的果蝇成虫接种于培养基含镉的平底玻璃试管和对照管中，每管接种雌雄果蝇各10头，5 d后清除果蝇成虫。每处理6次重复。

1.4 镉含量的测定

取羽化后第2天的果蝇样品于60 ℃烘箱烘烤24 h至恒质量，分别加入2% HNO3和30% H2O2各2 mL后，置微波消解仪于160 ℃、功率5 kW条件下消解30 min，0.45 μm滤膜过滤后，用原子吸收光谱仪测定镉含量。每处理3次重复。所有试验用品使用前用2% HNO3浸泡24 h，并用ddH2O清洗。

1.5 生长发育指标的测定

每天早上8:00定时检查，记录每管果蝇开始化蛹和开始羽化时间；分别在各管出现第1个蛹和成虫后的第5天记录各管成蛹的个数和羽化的果蝇数；接种后第10天每组随机选取10头幼虫称质量，羽化当天随机选择各组雌雄成虫各10头称质量；分别记录各处理组雌雄果蝇数量，计算性别比，性别比=雌果蝇数/果蝇总数。

1.6 脂肪含量的测定

用氯仿抽提法[15]测定果蝇体内的脂肪含量。取羽化后第2天的雌雄果蝇各50头烘干至恒质量，用电子天平称量其干质量后置于含有5 mL氯仿的离心管中浸泡3次，每12 h更换氯仿一次，然后将这些果蝇从溶液中取出，烘干后称量。每处理3次重复。果蝇脂肪含量为抽提前后质量差与抽提前质量的百分比。

1.7 统计分析

数据用平均数±标准差表示。不同处理间的差异比较采用单因素方差分析(One-way ANOVA)，不同处理间平均数的差异显著性采用最小显著差数法(LSD)进行分析。所有数据均用SPSS 21.0进行处理。

2 结果与分析

2.1 镉在果蝇体内的积累量

雌雄果蝇体内的镉含量均随培养基中Cd2+质量浓度的增加而显著增加(雌:F=125.216,df=5,P<0.001; 雄:F=237.918,df=5,P<0.001) (图1A)。Pearson相关性指数分析显示，雌雄果蝇体内的镉含量均与培养基的Cd2+质量浓度显著相关(雌：R2=0.820 4，P<0.001；雄：R2=0.902 2，P<0.001) (图1B)。

2.2 镉对果蝇生长发育的影响

果蝇幼虫化蛹时间和羽化时间均随Cd2+质量浓度的增高而呈延长的趋势，各处理组幼虫化蛹时间和羽化时间都显著高于对照组(P<0.05)。10、20、40 mg/L Cd2+胁迫下果蝇化蛹时间差异不显著。

不同字母表示不同处理间差异显著 (P<0.05)，下同

5 mg/L、10 mg/L和20 mg/L Cd2+处理组之间，10 mg/L、20 mg/L和40 mg/L Cd2+处理组之间，以及40 mg/L 和80 mg/L Cd2+处理组之间果蝇羽化时间差异不显著。果蝇的化蛹量和羽化量随Cd2+质量浓度的增加呈减小的趋势，各处理组的化蛹量和羽化量均显著低于对照(P<0.05)。果蝇幼虫和雌雄成虫质量随Cd2+质量浓度的增加而显著降低(幼虫：F=319.030,df=5,P<0.001; 雌：F=49.663,df=5,P<0.001;雄：F=61.572,df=5,P<0.001)。5 mg/L和10 mg/L Cd2+胁迫对果蝇成虫质量的影响差异不显著(雌：P=0.332; 雄：P=0.233) (表1)。

表1 镉对果蝇生长发育的影响

2.3 镉对果蝇体内脂肪含量的影响

Cd2+胁迫下果蝇体内的脂肪含量显著下降(雌：F=3.807,df=5,P=0.027;雄：F=6.897,df=5,P=0.003)，相邻质量浓度处理间差异不显著，较高质量浓度处理间没有显著性差异，但雌蝇在Cd2+质量浓度大于20 mg/L，雄蝇在Cd2+质量浓度大于10 mg/L时，体内脂肪含量相比对照显著降低(P<0.05) (图2)。

2.4 镉对果蝇性别比的影响

5 mg/L 和10 mg/L Cd2+对果蝇的性别比没有显著影响(P>0.05)，20 mg/L、40 mg/L 和80 mg/L Cd2+处理下果蝇的性别比显著高于对照，20 mg/L和80 mg/L Cd2+处理组果蝇的性别比显著高于5 mg/L和10 mg/L Cd2+处理组(P<0.05) (图3)，表明高浓度的Cd2+对雄性果蝇的抑制作用大于雌性，造成雄性果蝇成虫比例显著降低。

图2 镉对果蝇体内脂肪含量的影响

图3 镉对果蝇性别比的影响

3 结论与讨论

环境中的重金属可以通过呼吸、摄食、表皮接触等途径进入生物体内。本研究中，果蝇体内的镉含量随培养基中的Cd2+质量浓度增加而显著增加，存在显著的浓度-效应关系。这与重金属在其他无脊椎动物体内的积累规律相似，如食物中过量的Cd2+能够通过食物链在拟水狼蛛(Piratasubpiraticus)体内积累，积累量随用于饲喂蜘蛛的黑腹果蝇(Drosophilamelanogaster)培养基中Cd2+浓度的增加而增加[16]；棕尾别麻蝇(Boettcheriscaperegrina)取食的Cd2+大部分积累在体内，Cd2+积累量随着取食时间的延长而增加，经过化蛹、羽化，直至成为成虫后，体内仍维持较高的Cd2+浓度[17]。

暴露于含不同质量浓度Cd2+培养基中的一些果蝇虽然能完成整个发育历期，但它们的生长和发育却受到了显著抑制，这与镉对拟环纹豹蛛(Pardosapseudoannulata)[18]、马利筋长蝽(Oncopeltusfasciatus)[5]、舞毒蛾(Lymantriadispar)[6]等其他无脊椎动物的影响类似，如饮用水含Cd2+的拟环纹豹蛛发育历期显著延长，质量显著降低，产卵量显著减少[18]。重金属可以通过直接与生物分子作用，破坏重要的生物学过程，影响正常代谢，或通过间接作用引起细胞内活性氧的过量产生而造成氧化损伤，对生物体产生胁迫[8,19-21]。同时，在抵御重金属胁迫时，生物体的解毒过程需要耗费更多的能量，也会抑制其生长和发育[22]。镉胁迫下，雌雄果蝇体内的脂肪含量均显著降低，可能是果蝇抵御重金属的胁迫，造成体内没有多余脂类的积累，也可能是体内脂类物质相关的代谢受到了重金属的抑制[23]。低质量浓度的Cd2+对果蝇的性别比没有显著影响，这与吴国星等[24]在研究Cd2+对棕尾别麻蝇性别比的影响时得到的结果相似。但高质量浓度的Cd2+胁迫下，果蝇的性别比显著增加，雌果蝇数量显著多于雄果蝇，推测雄果蝇有更多的卵没有成功孵化，表明雌性相比雄性对重金属具有更强的抗性[18]。

综上所述，果蝇体内的镉含量与培养基中的Cd2+质量浓度显著相关，镉的积累导致果蝇的化蛹时间和羽化时间显著延长，化蛹量和羽化量显著减少，幼虫和成虫质量以及体内脂肪含量显著降低，表明果蝇有潜力成为环境重金属污染监测的指示生物，但由于室外环境的复杂性和多样性，其适用性有待进一步验证。