镉在虾蟹中的生物富集和毒性效应的研究进展

李玲，吴方舟，梁金荣，刘虎，郭慧，申玉春

（1.广东海洋大学水产学院，广东 湛江 524025；2.湛江市海洋生态与养殖环境重点实验室，广东 湛江 524025）

镉（cadmium，Cd）是一种天然存在的重金属[1]，是对人体和生态系统具有毒害作用的物质[2]。环境中的镉污染物难以降解，可随食物链迁移和累积，富集到更高营养级的生物体内[3]。在人体内，镉的半衰期长达7～30 年，可在人体积蓄50 年之久，长期摄入微量镉，可以引起“痛痛病”[4]。镉广泛应用于工农业生产中，易造成土壤、水体污染[5]。第一次全国污染源普查结果显示，全国工业源共产生Cd 量为2 673.1 t，排放量为37.7 t[6]。2012 年广西龙江发生重金属镉污染事件，镉排放量达21 t[7]。2016 年冬季太湖湖水的镉含量为0.74 μg/L[8]。2019 年7 月23日，我国生态环境部将镉及镉化合物列入有毒有害水污染物名录（http://www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk01/201907/t20190729_712633.html）。镉污染与公众健康的关系受到人们的密切关注。

Hao 等[9]调查舟山和海南海域水生生物镉含量时，发现蟹类体内的镉含量都远高于鱼类。甲壳动物是水生态系统中分布较为广泛的种群，其富集重金属能力强于鱼类[10]，对水环境中各种理化性质的变化反应较灵敏，是适合评估水生生态环境健康状态的标志生物。甲壳动物是人类主要食用海产品之一，特别是十足目虾蟹类是我国乃至世界范围内重要的养殖对象[11]。甲壳动物通过摄食或鳃呼吸吸收水体中离子态的重金属并累积在体内，富集到危险浓度时，严重影响其生理生化过程[12]。鉴于此，本文归纳了虾蟹各组织中的镉含量分布与生物富集特点，并阐述了镉对虾蟹的毒性效应，以期为深入研究甲壳动物抗重金属胁迫的响应机制提供参考。

1 水中镉污染物的来源

镉是一种呈银白色，略带淡蓝光泽，质软，富有延展性的重金属，其所有化学形态都具有毒性。镉是非必需的重金属无机污染物，广泛存在水生生态系统中[13]。镉来源主要有天然来源和人为来源。天然来源包括海底火山喷发将地壳深处的重金属带上海底，把重金属及其化合物带入海洋；地壳岩石风化后通过陆地径流、大气沉降等方式将重金属注入河流、湖泊、海洋，增加水体中的重金属含量[14]。人为来源包括矿山与海洋油井的开采、工农业污水（如电镀、冶金、蓄电池、制革、颜料、涂料以及化工厂的排水、重金属农药等）[15]。

2 虾蟹类对镉的生物富集规律

2.1 镉进入虾蟹体内的途径

重金属进入虾蟹体内的途径主要有4 类[16]：（1）鳃的呼吸作用，甲壳动物通过鳃的呼吸作用吸收重金属离子，经血液循环系统输送到机体各组织；（2）受镉污染的饲料，凡纳滨对虾Litopenaeus vannamei 摄食镉污染的饲料，其生长速率被抑制和肝胰腺结构损伤[17]；（3）体表渗透交换作用，甲壳动物的体表可通过与水体的渗透交换作用富集重金属；（4）食物链的传递，浮游藻类等水生植物通过络合或离子交换的方式吸附水中的重金属，经食物链进入甲壳动物体内。目前认为水生生物富集重金属的主要途径是摄食[18]，但水环境中的镉离子通过鳃呼吸作用和体表渗透方式进入体内亦不可忽视。

2.2 镉在虾蟹体内的组织分布

虾蟹动物的鳃直接接触外界水环境，所以鳃丝表面易聚集重金属或者重金属离子通过鳃呼吸进入体内。肝胰腺是甲壳动物最重要的消化器官，是消化、吸收、代谢和营养物质储存的主要场所[19]。重金属进入虾蟹体内后，一部分通过肝胰腺代谢排出体外，另一部分通过消化道吸收蓄积在肌肉组织中。王剑萍和申屠基康[20]检测三种蟹体中肝胰腺镉富集平均含量：三疣梭子蟹Pounus trituberculatus最高为2.48 mg/kg，锯缘青蟹Scylla serrata 0.5 mg/kg，中华绒螯蟹Eriocheir sinensis 0.39 mg/kg。据检测，墨西哥西北海岸的加州对虾Penaeus californiensis雄虾各组织的镉富集含量分别为：肝胰腺（13.6±1.9）mg/kg＞鳃（0.3±0.1）mg/kg＞肌肉（0.1 mg/kg）[21]。Ma 等[22]发现，河南华溪蟹Sinopotamon henanense在23.2 mg/L 镉胁迫下3 d 后，其鳃中镉浓度为（20.81±2.01）mg/kg，5 d 后其肝胰腺和肌肉的镉含量分别为（9.80±0.35）mg/kg 和（6.70±0.3）mg/kg，各组织富集镉的能力顺序为鳃＞肝胰腺＞肌肉。另外，在500 μg/L 镉暴露下，日本囊对虾Marsupenaeus japonicus 的镉富集量随着时间增加而增加；在相同时间内，日本囊对虾的镉富集量依镉浓度增加，其大小顺序为500 μg/L＞50 μg/L＞5 μg/L＞0 μg/L[23]。镉在蟹体中鳃、肌肉和肝胰腺的累积量也具有暴露时间、剂量的依赖性[22]。综上可知，虾蟹类富集镉的主要组织是肝胰腺和鳃丝，且不同组织中镉含量随着镉浓度、暴露时间增加而增加。

2.3 镉与金属硫蛋白（MT）的关系

镉进入人体后，与金属硫蛋白（Metallothionein，MT）形成镉硫蛋白，蓄积在肝和胃中。MT 是一类广泛存在于生物中的低分子量、能被金属诱导的金属结合蛋白[24]，富含半胱氨酸（Cys），能螯合金属离子，调节微量元素贮存、运输和代谢及具有对重金属有解毒作用和清除活性氧的功能[25,26]。MT 含量与水环境和体内组织中的重金属含量之间有显著的相关性，可将MT 可以作为重金属暴露的生物标志物[27]。Wu 等[28]发现长时间镉胁迫下，凡纳滨对虾肝胰腺的MT 含量呈先上升后缓慢下降的变化趋势，总体水平仍比对照组高。Ma 等[22]发现河南华溪蟹在不同浓度的镉胁迫下，其MT 浓度在第1 d 达到最大值，随后降低；其MT 浓度在不同组织中大小顺序为：肝胰腺、鳃、肌肉和卵巢。赵艳芳等[29]发现总镉含量高的三疣梭子蟹Portunus trituberculatus 肝胰腺中的Cd 主要与MT 结合，而镉含量低的肝胰腺组织中Cd 主要与Cys 结合，MT、Cys 作为解毒物质，能够通过巯基与金属离子结合形成无毒或低毒的配合物而排出体外，从而起到解毒的作用。但王晓玲[30]认为Cd 与紫贻贝Mytilus edulis 体内的MT结合成Cd-MT 后，更难将镉离子代谢排出体外。金属硫蛋白能减轻镉的毒性作用，可能是一方面MT螯合Cd2+形成Cd-MT，降低游离镉离子浓度；另一方面MT 清除活性氧，降低活性氧对组织的氧化损伤。

3 镉的毒性效应

重金属对水生生物的毒性效应分为致死效应和行为影响。这些影响主要表现为:直接毒死生物个体，抑制某些酶活性，降低其免疫抵抗力和摄食。

3.1 镉的毒性作用方式

重金属对甲壳动物的毒性作用方式可分为三种：一是单一重金属的毒性作用，且不同种类的单一重金属对甲壳动物的毒性强弱不同；二是同一金属对不同阶段的生物的毒性强弱不同；三是两种及两种以上重金属的联合作用[31]。半数致死浓度（LC50）是衡量水中毒物对水生动物毒性大小的重要参数，其LC50越大，其生物毒性越小，其LC50越小，其生物毒性就越大。姜会超等[32]发现Hg、Cu、Cd、As、Zn 对日本对虾Penaeus japonicas 胚胎LC50分别为：0.0177 mg·L-1、0.1070 mg·L-1、1.6057 mg·L-1、3.3682mg·L-1、8.2644 mg·L-1，即Hg＞Cu＞Cd＞As＞Zn。毒物的致死效应与受试动物暴露时间有密切关系，所以LC50需要标明受试时间，如脊尾白虾Exopalaemon carinicauda 在24 h、48 h、72 h、96 h 的LC50分别为：0.66 mg·L-1、0.379 mg·L-1、0.343 mg·L-1和mg·L-1[33]。镉对不同生长阶段的水生生物的毒性不同，Cd 对体长6～9 mm、体质量2～8.5 mg 的凡纳滨对虾幼虾的24hLC50为2.22 mg·L-1[34]；体长（8.00±0.53）cm,体质量（5.31±0.56）g 的凡纳滨对虾的24h LC50为0.952 mg·L-1[35]，幼虾的整体抵抗力较强，可能与其自身新陈代谢快有关。重金属的毒性强弱与游离重金属离子相关。一方面，游离的金属离子浓度与盐度成反比，而非重金属的总浓度，在盐度为5 ppt、15 ppt、27 ppt 海水中，凡纳滨对虾的镉96h LC50分别是0.45 mg·L-1、0.69 mg·L-1和1.02 mg·L-1[36]。另一方面盐度高低影响虾蟹的渗透压，影响机体对金属离子的吸收能力。

3.2 镉中毒原理

Cd 通过摄食、呼吸，甚至皮肤进入动物体内[37]，代谢周期长，可通过食物链进行积累和生物放大[38]，引起机体生化改变、生理机能障碍和形态畸形，包括氧化应激、凋亡和致癌作用等[39]。镉通过与蛋白质、DNA 的巯基、硫酸盐和羰基位点结合，抑制DNA 修复功能[40]，导致蛋白质和DNA 结构、功能受损[41]。镉降低肝脏细胞的抗氧化能力并损伤其线粒体功能，引起肝脏内活性氧增加，自由基与脂质的代谢障碍[42]。游离的镉离子诱导机体产生大量活性氧（ROS），过量的ROS 能氧化损伤生物大分子如DNA、蛋白质和脂质[43]。线粒体是细胞产生活性氧的主要场所，细胞内大约90%的氧被线粒体所消耗，大部分氧被电子传递链所传来的电子还原为水，小部分氧被电子传递链中漏流出来的电子单价还原，形成超氧阴离子[44]。正常生理状态下，细胞内存在抗氧化酶系统维持活性氧产生和清除的平衡。一旦细胞内氧化还原的平衡被打破，线粒体功能出现紊乱，会使正常氧化还原过程产生更多的ROS。ROS 增多会影响线粒体呼吸链复合物的活力，从而影响线粒体的氧化磷酸化而降低细胞内ATP 的合成，导致能量代谢混乱，抑制生长、繁殖等过程。引起线粒体膜通透性的改变，诱导Ca2+和细胞损伤的因子如细胞色素C（Cyt C）等释放；干扰线粒体DNA的转录与翻译，抑制线粒体DNA 编码蛋白的合成，影响线粒体蛋白的正确表达；还可以直接攻击细胞生物大分子如蛋白质、脂质及核酸等，引起细胞的氧化性损伤[45]。以上途径又进一步产生更多ROS，形成一个恶性循环，最终引起细胞凋亡或坏死。

3.3 镉对虾蟹的免疫影响

一般认为，甲壳动物等无脊椎动物只有先天性免疫，包括细胞免疫和体液免疫。血细胞包括透明细胞、小颗粒细胞和大颗粒细胞，可以通过识别、吞噬、包囊、排出或者通过释放免疫物质来清除病原体或外来物[46]。研究发现，10-3mol·L-1Cd2+对凡纳滨对虾血细胞的吞噬活力，抑制率为79.6%[47]。10-9～10-6mol·L-1的Cd2+对罗氏沼虾Macrobrachium rosenbergii 的离体血细胞活性和酯酶活力没有显著影响；但Cd2+浓度达到10-5mol·L-1时，显著抑制了酯酶的活力；达到10-4mol·L-1和10-3mol·L-1时，细胞活性和酯酶活力均显著下降[48]。拟穴青蟹Scylla paramamosain 的血细胞总数在Cd2+胁迫1 d 后显著下降[49]。

3.3.1 镉对活性氧及其抗氧化酶系统的影响

当必需和非必需重金属浓度在水生生物体中蓄积超出一定值后，都会产生大量活性氧ROS[50]。ROS 包括超氧阴离子（O2-·）、羟自由基（OH·）和过氧化氢（H2O2）、以及由此衍生的有机过氧化物自由基（RO·、ROO·）、单线态氧（1O2）等物质[51]。超氧歧化物酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）在平衡体内ROS 含量起重要作用。SOD 催化超超氧阴离子（O2-·），迅速转换成过H2O2[52]。CAT和GPx 将H2O2消除并转化为H2O 和O2，消除H2O2[53]。丙二醛（MDA）是脂质过氧化的二次产物，反映了ROS 攻击的程度，可作为膜损伤的指标[54]。美食奥蝼蛄虾Austinogebia edulis 在0.5 mg·kg-1镉胁迫时，肌肉的SOD、CAT、GPx 活力增加；在5 mg·kg-1镉浓度下，肌肉的SOD、CAT 和GPx 活力显著下降，MDA 含量显著增加[55]。通常，低毒物浓度下出现的活性升高现象被称为“毒物兴奋效应”；而高剂量的重金属离子则抑制正常的生理过程，被称为“毒物抑制效应”[56]。高浓度镉离子与SOD、谷胱甘肽还原酶（GSSG-R）的巯基结合，与GPx 中的硒形成硒镉复合物，或取代铜锌超氧岐化酶（Cu/Zn-SOD）中的Zn，使抗氧化酶的活性降低或丧失[57]，造成机体ROS失衡，造成细胞或组织氧化损伤。

3.3.2 镉对溶酶体的影响

溶酶体是分解蛋白质、核酸、多糖等生物大分子的亚细胞器，是甲壳动物免疫防御系统和健康状态的生物标志物[58]。过量的ROS 改变溶酶体膜通透性，向细胞质中释放水解酶如溶菌酶（LSZ），酸性磷酸酶（ACP）和碱性磷酸酶（AKP）[59]。由此可见，溶酶体膜通透性和水解酶活力均是检测甲壳动物应对环境胁迫下的重要免疫指标[60]。河南华溪蟹Sinopotamon henanense 在0.725 mg·L-1、1.450 mg·L-1和2.900 mg·L-1镉胁迫14 d 和21 d 后，其溶酶体膜的稳定性比对照组明显降低，在处理时间内各实验组的酸性磷酸酶活性显著升高，碱性磷酸酶活性在2.900 mg·L-1镉实验组达到最高值[61]。秦圣娟[62]发现河南华溪蟹在29 mg·L-1、58 mg·L-1镉暴露下，血清ACP、AKP 活力都在处理时间内升高。拟穴青蟹暴露于不同Cd2+浓度1 d 后0.025 mg·L-1、0.1 mg·L-1Cd2+浓度组拟穴青蟹血清中溶菌酶活性较对照组显著上升；3 d 后只有0.1 mg·L-1Cd2+浓度组拟穴青蟹血清中溶菌酶活性仍呈显著升高状态，其余Cd2+浓度组地拟穴青蟹血清中溶菌酶活性与对照组差异不显著[63]。

4 结语

水环境中的镉来源广泛，威胁甲壳动物和人类健康，需要严格控制其废水排放和管理渔业养殖环境。甲壳动物主要通过摄食镉污染的食物富集镉，但水环境中的镉离子通过鳃呼吸和体表渗透不可忽视。虾蟹类富集镉的主要组织是肝胰腺和鳃丝，且不同组织中镉含量随着镉浓度、暴露时间增加而增加。镉离子诱导细胞产生大量活性氧，过量的活性氧氧化损伤DNA、蛋白质和脂质等生物大分子；镉离子抑制抗氧化酶活性，进一步加重细胞损伤或凋亡。金属硫蛋白含量与体内组织中的重金属含量之间有显著的相关性，可将MT 可以作为重金属暴露的生物标志物。