镉对水生动物生物大分子的影响及机理

■许友卿 刘永强 李伟峰 丁兆坤*

(1.广西北部湾海洋生物多样性养护重点实验室(钦州学院)，广西钦州535011；2.广西大学水产科学研究所 广西高校水生生物健康养殖和营养调控重点实验室，广西南宁530004)

镉(Cadmium，Cd)是饲料、食物、山、地和水中常见的污染物之一，是重金属的典型代表。Cd 的离子态比络合态的毒性大，仅微量就可导致鱼等水生动物中毒、致畸、致癌等。水中Cd 极易被水生动物富集，并通过食物链转移和蓄积，危害其他动物及人[1]。水中Cd 不但导致某些物种数量锐减乃至灭绝，也干扰整个水生生态系统[2]。因此，引起了特别关注。

水中Cd不易被降解，只能通过分散、转化和富集等方式迁移[3]。尽管普通环境Cd含量很低，但许多水生动物对Cd 具有极强的富集能力，如贝类可富集105～106倍[4]。当体内Cd累积速率大于Cd排出和解毒速率时，就会诱导机体产生大量活性氧自由基(reactive oxygen species, ROS)，ROS可与脂质、蛋白质和核酸等生物大分子反应，导致脂质过氧化(LPO)、蛋白质结构异常和DNA 损伤，进而引起细胞结构和功能损伤乃至死亡[5-6]。然而，鲜有报道利用Cd的毒性机理，调控和防护Cd对水生动物的危害，因为Cd对水生动物的毒害机理尚未彻底阐明。因此，Cd 对水生动物的毒理生理和生化影响途径及机制尚需深入研究。

本文主要综述Cd对水生动物生物大分子的影响及机理。旨在学习、理解和深入研究Cd 对水生动物核酸、蛋白质、脂质和糖原等的影响及其机制，更好地控制Cd污染，保护水生动物和生态环境，发展可持续的健康生态水产养殖业。

1 镉对水生动物核酸的影响

核酸在水生动物生长、遗传、变异等一系列重大生命现象中起决定作用，是生命最基本的物质之一[7]。然而，Cd可影响核酸的形态、结构和基因表达等。

1.1 镉损伤水生动物DNA，抑制DNA合成和修复

Cd 损伤DNA。暴露于Cd 24 h 后，斑马鱼(Danio rerio)肝的活细胞数目减少，这是由于Cd 累积引起细胞内ROS 增加，后者导致DNA 链断裂和细胞凋亡所致[8]。Jia 等[9]报道，Cd 可诱导鲤鱼(Cyprinus carpio)脂质过氧化和氧化应激反应，进而损伤肝细胞DNA。Cd 暴露显著损伤泥蚶（Tegillarca granosa）血细胞DNA，且随Cd浓度升高，DNA损伤程度增加[10]。Cd与核酸碱基结合导致核酸的结构变化，从而改变细胞遗传物质或性状[11]，乃至引发核溶解[12]。

Cd抑制DNA合成和修复。Pereira等[13]研究表明，Cd暴露导致斑马鱼胚胎细胞DNA双链断裂，抑制DNA依赖性蛋白激酶(DNA-PK)活性，进而影响对损伤DNA的修复途径。Todd等[14]报道，亚致死浓度Cd主要通过ROS作为信号分子，下调斑马鱼胚胎修复蛋白2基因(MSH2)和修复蛋白6基因(MSH6)的表达。MSH2-MSH6基因表达受抑制，进而抑制DNA修复，导致细胞凋亡，并促进致癌效应[15]。Cd不仅可诱导鲫鱼(Carassius auratus)DNA 损伤和基因异常表达，而且还抑制DNA合成和修复，Cd毒性作用呈剂量效应和时间效应，随着Cd暴露浓度增加和时间延长，毒性作用增大[11]。

1.2 镉导致水生动物基因表达异常

鲤鱼暴露于Cd 5 mg/l，其基因组DNA 甲基化区域发生变化，导致一些沉默基因表达异常[16]。短暂的Cd 暴露可抑制银鲑鱼(Oncorhynchus kisutch)谷胱甘肽-S-转移酶(GST)基因表达[17]。Cd 也抑制鲑鱼特定的嗅觉过氧化物酶(POD)基因的表达[18]。Peng 等[19]指出，Cd 暴露可干扰抑制南美白对虾(Litopenaeus vannamei)细胞分裂周期蛋白42(Cdc42)的表达。暴露于Cd 0.4 mg/l可导致稀有鮈鲫(Gobiocypris rarus)载脂蛋白C-I基因转录调控异常[20]。

2 镉对水生动物蛋白质的影响

机体内蛋白质的种类很多，性质和功能各异，均易受Cd的影响。

2.1 镉对水生动物抗氧化酶的影响

Cd可改变抗氧化酶的活性，进而改变细胞对ROS及其产物的清除能力[21]。Cd对抗氧化酶活性的影响，因物种、组织器官、浓度和时间而异。暴露于Cd的截形斧蛤(Donax trunculus)乙酰胆碱酯酶(AChE)和GST活性均显著低于对照组[22]。暴露于Cd的牙鲆(Paralichthys olivaceus)幼鱼肝、肾和鳃GST、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)、超氧化物歧化酶(SOD)活性显著降低[23]。但是，低浓度Cd对水生动物抗氧化酶活性呈现短暂“诱导”，其后是“抑制”，而高浓度Cd抑制水生动物抗氧化酶的活性，并对机体造成氧化损伤，而且具有剂量效应和时间效应[10，24-25]。Huo等[26]给淡水龟（Chinemys reevesii）腹腔注射Cd 15 mg/kg后，显著降低其血浆SOD和过氧化氢酶(CAT)活性，但于第4周，SOD活性逐渐升高。与此同时，Jamwal等[27]报道，用添加Cd 45 μg/g饲料投喂虹鳟(Oncorhynchus mykiss)，导致其肝、肾和肌肉中还原型谷胱甘肽(GSH):氧化型谷胱甘肽(GSSG)比率降低，脂质过氧化增加，而SOD、CAT和GPx活性升高。暴露于Cd连续8 d，导致厚壳贻贝(Mytilus coruscus)和长江华溪蟹鳃组织SOD、CAT和GPx的活性均先升后降[28-29]。不同浓度Cd对背角无齿蚌(Anodonta woodiana)外套膜抗氧化酶(SOD、GPx和CAT)活性的影响，呈现“抑制-诱导-抑制”变化，而鳃抗氧化酶活性呈现“诱导-抑制”变化，且鳃诱导SOD、GPx和CAT活性早于外套膜[30]。Cd对不同组织器官抗氧化酶活性诱导差异，可能是因为不同组织器官的结构和功能相异所致。

2.2 镉对水生动物其他功能性蛋白的影响

Cd可与机体许多酶的活性基团(如-SH、-NH2、-OH等)结合，生成不溶性物质，从而改变酶系统[31]。Cd在进入生物体后可与GPx分子中的硒结合形成Cd-Se复合物，从而破坏GPx 活性中心的Se 代半胱氨酸结构，导致GPx 失去活性[32]。于Cd 1.0 mg/l 暴露30 d，导致金头鲷(Sparus aurata) 血清补体活性和白细胞呼吸显著降低，而血清CAT 活性及白细胞吞噬功能则增加，但血清免疫球蛋白M(IgM)水平和白细胞过氧化物酶活性并未改变[33]。亚致死浓度CdCl2导致海鞘（Botryllus schlosseri）血细胞肌动蛋白架构变更而影响其吞噬作用[34]。紫贻贝(Mytilus edulis)暴露于Cd 100 μg/l 15 d，可引起其消化腺体功能障碍，tRNA-氨酰化效率降低40%，进而影响蛋白质合成[35]。

Cd抑制日本对虾(Penaeus japonicus)血清中谷草转氨酶(GOT)、谷丙转氨酶(GPT)和碱性磷酸酶(AKP)，而且随着镉浓度增加，抑制作用加强[36]。Cd不仅通过影响酶活性而抑制蛋白质合成，还可通过酶的活性影响机体能量代谢。Cd可抑制盘丽鱼(Symphysodon sp)肾ATPase活性而抑制其能量代谢[37]。高浓度Cd显著降低喀拉鲃(Catla catla)血液中血红蛋白(Hb)和总红血细胞(TRBC)含量以及红细胞压积(PCV/HCT)，进而抑制各组织的氧气供应，从而导致鱼体代谢缓慢和产能过低[38]。

3 镉对水生动物脂肪的影响

脂肪不仅是机体供能和储能的重要物质，也是生物膜的重要结构成分。水生动物尤其是鱼类利用脂质作为主要能源物质，因此脂质代谢在机体维稳方面发挥非常重要的作用[39]，对生命活动极具意义[40]。

3.1 镉对水生动物脂肪含量的影响

Cd暴露可影响鱼类脂肪生成酶和脂肪分解酶的活性，从而影响脂肪代谢和脂质含量[41]。Pan等[42]发现，在Cd 0～25 μg/l暴露30 d的斑马鱼肝脂质代谢紊乱，肝甘油三酯含量显著增加。Cd降低斧蛤体内ω-3多不饱和脂肪酸(PUFAs)的含量，因为PUFAs是Cd激活脂质过氧化的主要对象[43]。于Cd环境暴露30 d，导致虹鳟(Oncorhynchus mykiss)体内甘油三酯和胆固醇含量先降后增[44]。

Cd对脂质的影响因其浓度和时间而异。暴露于低浓度氯化镉(CdCl2)，克氏原螯虾血清中胆固醇、甘油三酯水平逐渐上升，而暴露在高浓度CdCl2时，二者显著下降[45]。泥蚶在一定Cd浓度范围内，其肌肉中磷脂酰肌醇(PI)含量随Cd浓度增加而减少，呈负相关；反之，磷脂酰胆碱(PC)和磷脂酰乙醇胺(PE)的含量呈正相关。例如，暴露于Cd 1.2 mg/kg组的泥蚶肌肉PI含量比暴露于Cd 0.12 mg/kg组减少35.85%，但是PC和PE含量分别增加27.11%和26.32%[46]。随着暴露时间增加，淡水蟹(Sinopotamon henanense)脂质和甘油三酯(TG)含量逐渐减少，表明更多的能量被用于暴毒应激消耗[2]。

3.2 镉对水生动物脂质过氧化的影响

脂质过氧化是多不饱和脂肪酸(PUFAs)或脂质在活性氧攻击下氧化变质，最终分解为丙二醛(MDA)的过程[47]。河南华溪蟹于Cd 58、116 mg/l暴露7 d，导致其体内脂质过氧化终产物——MDA含量较对照组极显著增加(P＜0.01)[48]。Cd对水生动物脂质过氧化的影响，因剂量、作用时间和组织器官而异。Zheng等[49]报道，成年雌性斑马鱼之脑和肝ROS、一氧化氮(NO)、MDA，随Cd暴露时间延长而增加，即具有时间效应。在Cd 0.05 mg/l暴露35 d的鲫鱼肝胰MDA含量是对照组的325%(P＜0.05)[50]。亚东鲑(Salmo truttabfario)肾和肝[51]以及背角无齿蚌(Anodonta woodiana)外套膜和鳃[30]的MDA含量，随所暴露的Cd浓度增加而增加，即呈剂量效应，也随暴露时间延长而增加，即呈时间效应。然而，McRae等[52]报道，于Cd 0～10 μg/l暴露96 h的大斑南乳鱼(Galaxias maculatus)肾CAT活性和脂质过氧化水平没有显著变化，但于Cd＞25 μg/l时，鱼肝脂质过氧化水平显著增加，CAT活性显著降低。暴露于Cd 0～32 mg/l的河口泥螺(Amphibola crenata)内脏组织中CAT活性，随Cd浓度增加而提高，脂质过氧化水平无明显变化[53]。Naïja等[54]报告，孔雀鱼(Salaria pavo)完全暴露于Cd 2 mg/l环境1 d，其肝中MDA含量是对照组的1.8倍，但鳃MDA含量没有变化。Fang等[55]报道，鲫鱼于Cd暴露14 d后，其肝MDA含量显著升高，而21 d后MDA的含量迅速降低。这可能是因为MDA本身是一种毒性物质，MDA积累会影响细胞膜上与调节细胞增殖、分化或凋亡相关酶的功能，进而引起一系列功能紊乱所致。

4 镉对水生动物糖原的影响

糖类(或碳水化合物)是机体最重要的供能物质，也是构成细胞膜、神经组织和机体的重要原料，参与细胞的多种活动。Cd暴露刺激机体代谢，消耗体能而影响糖原含量。De Silva等[53]发现，Cd导致河口泥螺内脏团能量代谢紊乱，包括血淋巴葡萄糖水平升高，组织糖原水平降低，且与Cd浓度呈显著的剂量效应。Cd胁迫显著降低宽额鳢(Channa gachua)肝和性腺糖原水平[56]。暴露于Cd 环境14 d 的鲢鱼(Hypophthalmichthys molitrix)肌肉糖原和甘油三酯水平显著下降，血清葡萄糖和乳酸水平显著上升，表明Cd 显著影响鱼体的能量代谢[57]。Tripathi等[58]报道，于亚致死浓度Cd暴露30 d的条纹密鲈(Colisa fasciatus)总蛋白、总糖原以及核酸(DNA、RNA)含量均下降，但其血糖水平却增加。与此相似，暴露在Cd环境的虹鳟[44]和克氏原螯虾[45]的血糖含量均显著升高，这可能是机体糖代谢途径受Cd干扰所致。

5 镉对水生动物生物大分子影响的机理

5.1 镉直接或间接作用于DNA

Cd2+进入水生动物机体后，不仅能引起细胞内细胞器的形态改变，而且能与功能蛋白质结合，占据酶的活性位点使之失活，导致代谢紊乱，同时Cd2+能与带负电的核酸结合，引起核酸裂解[59]。Cd通过置换细胞胶质和内膜蛋白络合的铜、铁等金属离子而导致机体产生ROS，或通过损伤线粒体而诱导ROS，后者攻击DNA链导致DNA单/双链断裂等。Cd引起DNA 错配，增加突变频率，并导致DNA交联。Cd损害DNA修复系统，抑制DNA修复酶的活性，从而增加对DNA的损伤作用[60]。

5.2 镉作用于大分子羧基、氨基、巯基等基团

Cd 与酶的活性位点结合影响其活性和功能。Cd2+可以取代谷氨酰转肽酶中的Zn2+而致其失活[59]。Olszowski 等[61]发现，Cd与线粒体中蛋白质硫醇结合，改变线粒体膜的通透性，进而抑制呼吸链反应，并生成ROS，对机体造成氧化损伤。Cd 通过细胞膜上的离子通道进入细胞，使线粒体膜受损，脂肪酸代谢酶活性下降，进而影响脂质代谢[62]。Cd显著抑制脂肪酸去饱和酶的活性，从而使机体的脂肪酸水平发生改变，进而导致一些病理过程[61]。

5.3 镉影响基因表达

Cd 通过影响脂蛋白酶(LPL)、肉毒碱棕榈基转移酶II(Carnitine palmitoyl transferase II，CPTII)和过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptor, PPAR)mRNA 的表达，进而影响脂质合成与脂肪酸氧化相关酶的活性，导致机体脂肪代谢异常[63]。Cd 可诱导提高黄鲶鱼(Pelteobagrus fulvidraco)肝PLP、脂肪酸合成酶(FAS)和PPARγ基因的表达，从而加速肝脂质代谢[64]。高浓度Cd 不仅影响水生动物脂质代谢相关酶基因的表达（如上调乙酰辅酶A羧化酶(ACC)和脂肪酸延长酶(FAE)的mRNA 表达，下调PPARα、肉毒碱棕榈酰转移酶(carnitine palmitoyl transferase, CPT)、酰基辅酶A氧化酶(ACOX)和甾醇载体蛋白(SCP)的mRNA 表达），还抑制甲状腺激素基因的表达而影响甲状腺激素通路对脂质代谢的调节[65]。

5.4 镉改变能量代谢

Cd暴露可使日本虎斑猛水蚤(Tigriopus)中磷酸丙糖异构酶(Triosephosphate isomerase)和果糖-1，6-二磷酸酶(Fructose-1，6-bisphosphatase)基因表达上调，加强糖酵解途径[32]。暴露在Cd 的淡水虾呼吸速率显著增加，肌糖原浓度显著减少，这是因为糖酵解的反应速率增加所致[66]。Hani等[67]报道，于Cd 0.5 μg/l暴露90 d的刺鱼(Gasterosteus aculeatus)肠胰蛋白酶、淀粉酶和肠碱性磷酸酶活性受抑制，影响能量代谢，体内糖原、蛋白质和脂质能量储备显著减少。Cd显著促进斑马鱼肝脂肪酸合成酶(FAS)、6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶(6PGD)、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PD)和苹果酸酶(ME)的活性，但抑制肉毒碱棕榈酰转移酶1(CPT1)、激素敏感脂肪酶α(HSLα)和脂肪三酰基甘油脂肪酶(ATGL)的活性，还诱导线粒体膜电位异常，影响能量代谢[42]。

6 结语与展望

综上所述，Cd可通过各种途径影响水生动物核酸、蛋白质、脂质、糖原等生物大分子，并有剂量效应、时间效应和组织器官差异，其毒性机制尚未完全弄清。今后应利用现代分子生物学和细胞生物学等手段，深入研究Cd对水生动物生物大分子的影响和毒性分子机制、水生动物的应答和调控机理，特别应加强下述研究：

①探讨相关研究技术，为深入研究提供先进的技术保障。

②深入研究Cd对生物大分子毒性影响及机理。

③深入研究Cd的解毒机制。

④筛选出对Cd敏感的分子生物标记物。

⑤探索降低Cd污染的措施和方法。

⑥调控Cd污染、保护水生生物和生态环境的应用研究。