鎘和鉻對不同生物的毒性效應的研究

修壘+李專+安平平

摘 要：選取發(fā)光細菌、大型溞和斑馬魚這三種不同營養(yǎng)層級的生物作為實驗對象，用鎘和鉻作為污染物，測定鎘和鉻對各種生物的急性毒性影響，結果顯示，無論是發(fā)光菌、大型溞還是斑馬魚，鎘的毒性都大于鉻，但是其半致死濃度差異很大。說明不同營養(yǎng)級生物具有不一樣的敏感性，對整個水生態(tài)系統(tǒng)的功能以及穩(wěn)定起著重要作用的是每一個營養(yǎng)級上的生物。

關鍵詞：生物毒性 ?發(fā)光菌 大型溞 斑馬魚

中圖分類號：X712 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0064-04

Research on the Toxic Effects of Cadmium and Chromium in Different Organisms

XIU Lei1 ?LI Zhuan2 ?AN ?Pingping2

（1.Jilin metallurgy research institute; 2.Jilin environmental monitoring center，Changchun ?JiLin，130011，China）

Abstract：This research selects three different trophic levels of organisms as experimental subjects （luminescent bacteria， Daphnia magna and zebrafish）， cadmium and chromium as a pollutant， detect their acute toxicity on various organisms， the results shows that both luminescent bacteria， Daphnia magna or zebrafish， cadmium toxicity is greater than chrome， semilethal concentrations vary widely. This Illustrates that the sensitivities of different trophic level organisms is not the same， All biological play an important role on both the stability and function of the entire water ecosystems.

Key Words： Biotoxicity ?Luminescent Bacteria;Daphnia Magna;Zebrafish

單一物種的生物毒性實驗是生物毒性測試常用的，也就是把一種生物置于有毒污染物或者環(huán)境樣品中，其他條件保持穩(wěn)定不變，觀察其活動、生長抑制、變異、死亡等生物效應。在此基礎上，多生物測試（Multispecies Bioassay）隨之發(fā)展了起來[1-4]，該測試是通過同一營養(yǎng)級的幾種生物同時測試某個污染物或環(huán)境樣品所具有的生物毒性，按照統(tǒng)計學規(guī)律，測試結果能夠得出污染物或環(huán)境樣品對該營養(yǎng)級生物的平均毒性效應。而對于不同營養(yǎng)級別的生物，可采用成組生物測試（battery bioassay），也就是進行生物毒性檢測時要用營養(yǎng)級不同的生物。從統(tǒng)計學意義上來說，污染物對生態(tài)系統(tǒng)的影響能通過測試結果得到部分反映。

測試毒性時，試驗的順利進行和結果跟試驗生物的選擇有極為重要的關系。不過，要根據(jù)試驗目的來選擇不同的試驗生物。不同的管理機構在選用生物進行毒性評價時，其制定的標準也是不一樣的。例如：美國環(huán)保局就應該選用包括無脊椎動物、魚類、微生物、藻類等不低于四個不同營養(yǎng)級的，具有代表性的生物。此外，快速毒性評價（toxicity screening）也是必要的?？焖俣拘栽u價的時候，早期急性毒性指標選擇的毒性測試方法以及生物需要具有顯著代表性。毒性試驗方法按照試驗生物可以分為微生物毒性測試和水生動植物測試;按照時間長短可以分為急性毒性試驗和慢性毒性試驗;還可以分為常規(guī)毒性試驗與遺傳毒性實驗等。

該文選取發(fā)光細菌、大型和斑馬魚這三種不同營養(yǎng)層級的生物作為實驗對象，分別用這幾種生物測定重金屬（鎘和鉻）的生物急性毒性，分析不同生物對同一污染物的急性毒性差異。

1.材料與方法

1.1 發(fā)光菌

正常生理條件下能夠進行生物發(fā)光的細菌叫發(fā)光細菌[5-7]，一定的試驗條件下具有恒定不變的發(fā)光強度。由于毒物能抑制發(fā)光，因此外來受試物接觸發(fā)光細菌后，改變了發(fā)光菌的發(fā)光強度，而且在一定的范圍之內(nèi)受試物的濃度與光強度的變化有關系，此外該受試物的毒性強弱也會影響光強度。

發(fā)光菌發(fā)光的原理：發(fā)光菌體內(nèi)合成一種叫細菌熒光酶，該酶促使還原型的黃素單核苷酸發(fā)生氧化的時候放出光子，但氧化過程并不放熱，因此發(fā)光菌所發(fā)的光屬于“冷”光，具有420～670 nm的光波范圍，有490nm的最大發(fā)射波長，因此光呈現(xiàn)出藍綠色。反應過程的簡易方程式表示如下。

FMNH2+RCHO+O2

=FMN+RCOOH+H2O+hv

其中，F(xiàn)MNH2為還原型黃素單核苷酸;RCHO是具有8個C原子以上的長鏈脂肪醛，O2是氧氣。生成產(chǎn)物中，F(xiàn)MN是黃素單核苷酸，RCOOH對應的是長鏈脂肪酸，而產(chǎn)生的光子就是hv。14個碳的醛就是發(fā)光菌內(nèi)的長鏈脂肪醛。

發(fā)光反應過程中參與的還有細菌的有氧呼吸通路，功能上認為是在呼吸過程中電子轉移到分子氧中的代謝旁路。熒光酶-黃素過氧化物是還原型黃素單核苷酸與分子氧作用的中間產(chǎn)物，其降解所產(chǎn)生的約210 kJ/mol能量能促使單線態(tài)的激發(fā)分子生成，激發(fā)分子在退激時促使光子發(fā)射出來。通常情況下，過氧化鍵開裂為生物發(fā)光提供所需的能量，此過程中兩個更強的化學鍵取代了氧分子的O-O鍵。endprint

該試驗選用青海弧菌Q67（Vibrio qinghaiensissp-Q67）作為受試生物，使用其凍干粉劑，有效保存期為6個月。青海弧菌Q67是一種淡水型發(fā)光菌，它的發(fā)光不需要高鹽濃度，因此對淡水樣品不需要添加大量的NaCl，使水樣化學性質(zhì)不會發(fā)生改變。具體測定方法見水質(zhì)急性毒性的測定發(fā)光細菌法GB/T15441-1995。

1.2 大型溞

易于在實驗室培養(yǎng)的大型（Daphnia magna）是一種小型枝角類水生動物，該課題研究使用的大型已培養(yǎng)了很多代，有成熟的飼養(yǎng)技術。因?qū)λ卸喾N化學物含量的變化有敏感的反應，自1978年美國環(huán)保局（EPA）將大型毒性測試指定為毒性試驗的必測項目，并設定了相關的檢測標準后，許多歐洲和亞洲國家也建立了各自的大型溞 毒性測試的標準方法，而我國也于1991年確立了自己的國家標準 GB/T13266-91的大型急性毒性測定方法。大型有很多觸角，但主要用第二對觸角也就是大觸角來運動，且運動形式多樣，尤以翻轉運動和枝角擺動最為典型。因大型五臟俱全且全身透明，其心臟跳動情況以及中毒癥狀能直接在解剖鏡下觀察到，故大型可作為合適的受試生物來進行在線生物監(jiān)測。

采用剛出生6～24 h的幼蚤進行大型急性毒性試驗[8-11]，觀察48 h污染物引起的大型的死亡率，得到相應的LC50值。

將母蚤在穩(wěn)定條件下馴養(yǎng)一周以上的時間，保證溫度22 ℃+1，光暗比16∶8，pH6.5～8.5，每天喂其斜生柵藻。具體測定方法見水質(zhì)物質(zhì)對蚤類（大型）急性毒性測定方法GB/T13266-1991。

1.3 魚類

作為水生態(tài)系統(tǒng)的消費者，魚類與人類的關系密切，是水中重要的經(jīng)濟動物。水體中的污染物也會嚴重影響到魚類，因此，在研究水生態(tài)毒理學時展開的魚類毒性實驗就顯得非常重要。原產(chǎn)于孟加拉國、印度水域的小型熱帶淡水魚斑馬魚，具有繁殖快，易于飼養(yǎng)且成本便宜，成魚有約3～5 cm長，其也是公認的標準實驗生物被用于環(huán)境毒性評價和研究。

通過魚類半數(shù)致死濃度LC50（Median lethal concentration）評估污染物對魚類的急性毒性[12-13]。在確定的試驗條件下，將試驗用魚置于一系列濃度的受試物溶液中，以48 h為一個試驗周期，記錄試驗用魚的死亡率，確定魚類死亡50 %時污染物濃度。

選取斑馬魚作為實驗生物，在正式試驗前，實驗魚需在水中進行馴養(yǎng)，馴養(yǎng)時間應在7 d以上為宜。馴養(yǎng)期內(nèi)，出現(xiàn)生命體征異?；蛩劳龅聂~數(shù)目不得超過總數(shù)目的10%，如果超過10%，則認定該批魚不適于作為試驗用魚。具體測定方法見水質(zhì) 物質(zhì)對淡水魚（斑馬魚）急性毒性測定方法GB/T13267-91。

2 結果與分析

2.1 鎘和鉻對發(fā)光菌的毒性影響

帶有復活發(fā)光細菌的比色管中加入濃度不同的Cr6+、Cd2+ 溶液，15 min的反應之后，用毒性檢測儀檢測發(fā)光細菌的發(fā)光強度，通過曲線方程式計算得出EC50。

如圖1所示，當Cr6+的濃度為1 mg/L時，發(fā)光菌的發(fā)光百分率為74.2%;濃度為2 mg/L時，發(fā)光菌的發(fā)光百分率為63.7%;濃度為3 mg/L時，發(fā)光菌的發(fā)光百分率為47.0%;濃度為4 mg/L時，發(fā)光菌的發(fā)光百分率為32.9%;濃度為5 mg/L時，發(fā)光菌的發(fā)光百分率為18.7%。

如圖4所示，當Cd2+的濃度為0.1 mg/L時，發(fā)光菌的發(fā)光百分率為82.1%;濃度為0.2 mg/L時，發(fā)光菌的發(fā)光百分率為71.1%;濃度為0.4 mg/L時，發(fā)光菌的發(fā)光百分率為48.9%;濃度為0.6 mg/L時，發(fā)光菌的發(fā)光百分率為32.9%;濃度為5 mg/L時，發(fā)光菌的發(fā)光百分率為26.9%。

由表1可知，重金屬對于發(fā)光細菌的毒性大小排序為Cd2+>Cr6+。其半致死濃度分別為0.39 mg/L和2.89 mg/L。研究重金屬對光合細菌沼澤紅假單胞菌的毒性反應時，有學者得出Cd2+的毒性比Cr6+大，與此同時還提出，不同金屬離子對光合細菌生長抑制的毒性大小可能還受其細胞壁的親和性的影響。和藻類一樣，光合細菌細胞壁所帶的官能團也包括氨基、負電荷和羥基等，所以對帶正電荷的金屬離子有親和作用。金屬抑制藻類生長主要原因就是金屬離子與藻類細胞壁具有親和性，親和性越強則毒性也就也大。因此，可以推測，與藻類有相似細胞壁的光合細菌，其受到重金屬的抑制也同重金屬和細胞壁之間的親和性有一定的關系。

2.2 鎘和鉻對大型的急性毒性實驗

在實驗濃度的范圍內(nèi)，隨著Cd2+和Cr6+濃度的升高，也增加了大型的致死率，劑量-反應關系明顯，表明污染物濃度增加的同時也增大了其對大型的毒性。

如圖3所示，當Cr6+達到0.2 mg/L的濃度時，大型有15.2%的致死率;0.4 mg/L的濃度時，大型有36.1%的致死率;0.6 mg/L的濃度時，大型有56.8%的致死率;0.8 mg/L的濃度時，大型有80.2%的致死率。

如圖4所示，當Cd2+的濃度為0.02 mg/L時，大型有30.5%的致死率;0.04 mg/L的濃度時，大型存在51.4%的致死率;0.06 mg/L的濃度時，大型有60.5%的致死率;達到0.08 mg/L的濃度時，大型的致死率為72.4%。

由表2所示，重金屬Cd2+和Cr6+對大型溞的48 h的LC50分別是0.045 mg/L和0.54 mg/L，Cd2+的毒性要比Cr6+大，且Cd2+的毒性比Cr6+毒性要高約10倍。

原因可能是兩種重金屬離子在生物體中作用不同，積累性很強的鎘在水環(huán)境中比較穩(wěn)定，它在生物體內(nèi)的富集作用也很強，具有數(shù)千甚至達到一萬以上的富集系數(shù)，可引起人以及動物中毒。而作為人體必需微量元素之一的鉻，人體缺乏時會出現(xiàn)禁食性高血糖等不良癥狀，如果含量過多，則會動物體內(nèi)的氧化、還原和水解過程，使蛋白質(zhì)變性，使核蛋白和核酸沉淀，使酶系統(tǒng)受到干擾最終導致中毒。因此，對比兩種金屬，鎘對機體具有較大的毒性，屬優(yōu)先環(huán)境污染物。endprint

2.3 鎘和鉻對斑馬魚的毒性影響

如圖5所示，當Cr6+的濃度為60 ?g/L時，斑馬魚的致死率為40.5%;濃度為65 ?g/L時，斑馬魚的致死率為46.7%;濃度為70?g/L時，斑馬魚的致死率為60.3%;濃度為80?g/L時，斑馬魚的致死率為71.2%。

圖6，當Cd2+的濃度為2 mg/L時，斑馬魚的致死率為20.4%;濃度為4 mg/L時，斑馬魚的致死率為33.1%;濃度6 mg/L時，斑馬魚的致死率為44.5%;濃度為8 mg/L時，斑馬魚的致死率為70.4%。

表3所示，Cd2+和Cr6+對斑馬魚的48 h的LC50分別是6.4 mg/L和66 mg/L，48 h對斑馬魚的毒性強度是：Cd2+> Cr6+。江敏等在探討Cr6+和Cd2+對羅氏沼蝦仔蝦的進行急性毒性實驗時，得出Cd2+和Cr6+對羅氏沼蝦仔蝦的48 h的LC50分別是0.022 mg/L、0.180 mg/L，對羅氏沼蝦仔蝦48h的LC50毒性也是Cd2+大于Cr6+，且兩者有近10倍的毒性差。

因兩種重金屬離子在生物體內(nèi)用不同的作用，導致鎘毒性比鉻大。作為生物體內(nèi)非必須元素，鎘影響了多種酶的活性，所以對生物毒性的產(chǎn)生影響所需的劑量較小。鎘具有很強的累積性，在水中特性比較穩(wěn)定，其在生物體內(nèi)的富集系數(shù)可達到數(shù)千甚至一萬以上，其對生物產(chǎn)生的影響主要表示是，先阻礙傳遞機制，損傷腎臟，干擾酶的正常催化作用以及影響內(nèi)分泌系統(tǒng)，最終導致生物機能失去調(diào)控。相比而言。鉻的毒性就弱多了，這或許跟鉻本身是機體所需的微量元素，因此其在較短時間內(nèi)對機體無毒性作用。研究發(fā)現(xiàn)，微量的鉻能促進生物的生長發(fā)育，無毒性，但是在過量的情況下，則會影響機體內(nèi)的還原、氧化、水解作用，造成蛋白質(zhì)變性，酶系統(tǒng)受到干擾從而引起但Cr6+過量可影響體內(nèi)氧化、還原、水解過程，并可使蛋白質(zhì)變性，干擾酶系統(tǒng)而引發(fā)中毒現(xiàn)象。

3 結論

無論是哪一種生物作為實驗對象，鎘的生物急性毒性都要大于鉻，但是它們的半致死濃度相差很大，見表4鎘和鉻對這三種實驗生物的半致死濃度都相差了10倍左右。

由此可以得出，生物敏感性是因營養(yǎng)級的不同而不同的，水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能與每一個營養(yǎng)級上的生物都密切相關，因此，建議使用一系列生物測試方法來測定和評估復雜的環(huán)境樣品的毒性，充分利用不同生物測試法的優(yōu)勢，為環(huán)境中污染物的監(jiān)測和風險評價提供更有效、全面的信息。

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2.3 鎘和鉻對斑馬魚的毒性影響

如圖5所示，當Cr6+的濃度為60 ?g/L時，斑馬魚的致死率為40.5%;濃度為65 ?g/L時，斑馬魚的致死率為46.7%;濃度為70?g/L時，斑馬魚的致死率為60.3%;濃度為80?g/L時，斑馬魚的致死率為71.2%。

圖6，當Cd2+的濃度為2 mg/L時，斑馬魚的致死率為20.4%;濃度為4 mg/L時，斑馬魚的致死率為33.1%;濃度6 mg/L時，斑馬魚的致死率為44.5%;濃度為8 mg/L時，斑馬魚的致死率為70.4%。

表3所示，Cd2+和Cr6+對斑馬魚的48 h的LC50分別是6.4 mg/L和66 mg/L，48 h對斑馬魚的毒性強度是：Cd2+> Cr6+。江敏等在探討Cr6+和Cd2+對羅氏沼蝦仔蝦的進行急性毒性實驗時，得出Cd2+和Cr6+對羅氏沼蝦仔蝦的48 h的LC50分別是0.022 mg/L、0.180 mg/L，對羅氏沼蝦仔蝦48h的LC50毒性也是Cd2+大于Cr6+，且兩者有近10倍的毒性差。

因兩種重金屬離子在生物體內(nèi)用不同的作用，導致鎘毒性比鉻大。作為生物體內(nèi)非必須元素，鎘影響了多種酶的活性，所以對生物毒性的產(chǎn)生影響所需的劑量較小。鎘具有很強的累積性，在水中特性比較穩(wěn)定，其在生物體內(nèi)的富集系數(shù)可達到數(shù)千甚至一萬以上，其對生物產(chǎn)生的影響主要表示是，先阻礙傳遞機制，損傷腎臟，干擾酶的正常催化作用以及影響內(nèi)分泌系統(tǒng)，最終導致生物機能失去調(diào)控。相比而言。鉻的毒性就弱多了，這或許跟鉻本身是機體所需的微量元素，因此其在較短時間內(nèi)對機體無毒性作用。研究發(fā)現(xiàn)，微量的鉻能促進生物的生長發(fā)育，無毒性，但是在過量的情況下，則會影響機體內(nèi)的還原、氧化、水解作用，造成蛋白質(zhì)變性，酶系統(tǒng)受到干擾從而引起但Cr6+過量可影響體內(nèi)氧化、還原、水解過程，并可使蛋白質(zhì)變性，干擾酶系統(tǒng)而引發(fā)中毒現(xiàn)象。

3 結論

無論是哪一種生物作為實驗對象，鎘的生物急性毒性都要大于鉻，但是它們的半致死濃度相差很大，見表4鎘和鉻對這三種實驗生物的半致死濃度都相差了10倍左右。

由此可以得出，生物敏感性是因營養(yǎng)級的不同而不同的，水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能與每一個營養(yǎng)級上的生物都密切相關，因此，建議使用一系列生物測試方法來測定和評估復雜的環(huán)境樣品的毒性，充分利用不同生物測試法的優(yōu)勢，為環(huán)境中污染物的監(jiān)測和風險評價提供更有效、全面的信息。

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[13] 劉大勝，趙巖，傅瑩，等.工業(yè)廢水排放環(huán)境監(jiān)管中的新手段：魚類急性毒性試驗應用[J].環(huán)境監(jiān)測，2008（14）：50-53.endprint

2.3 鎘和鉻對斑馬魚的毒性影響

如圖5所示，當Cr6+的濃度為60 ?g/L時，斑馬魚的致死率為40.5%;濃度為65 ?g/L時，斑馬魚的致死率為46.7%;濃度為70?g/L時，斑馬魚的致死率為60.3%;濃度為80?g/L時，斑馬魚的致死率為71.2%。

圖6，當Cd2+的濃度為2 mg/L時，斑馬魚的致死率為20.4%;濃度為4 mg/L時，斑馬魚的致死率為33.1%;濃度6 mg/L時，斑馬魚的致死率為44.5%;濃度為8 mg/L時，斑馬魚的致死率為70.4%。

表3所示，Cd2+和Cr6+對斑馬魚的48 h的LC50分別是6.4 mg/L和66 mg/L，48 h對斑馬魚的毒性強度是：Cd2+> Cr6+。江敏等在探討Cr6+和Cd2+對羅氏沼蝦仔蝦的進行急性毒性實驗時，得出Cd2+和Cr6+對羅氏沼蝦仔蝦的48 h的LC50分別是0.022 mg/L、0.180 mg/L，對羅氏沼蝦仔蝦48h的LC50毒性也是Cd2+大于Cr6+，且兩者有近10倍的毒性差。

因兩種重金屬離子在生物體內(nèi)用不同的作用，導致鎘毒性比鉻大。作為生物體內(nèi)非必須元素，鎘影響了多種酶的活性，所以對生物毒性的產(chǎn)生影響所需的劑量較小。鎘具有很強的累積性，在水中特性比較穩(wěn)定，其在生物體內(nèi)的富集系數(shù)可達到數(shù)千甚至一萬以上，其對生物產(chǎn)生的影響主要表示是，先阻礙傳遞機制，損傷腎臟，干擾酶的正常催化作用以及影響內(nèi)分泌系統(tǒng)，最終導致生物機能失去調(diào)控。相比而言。鉻的毒性就弱多了，這或許跟鉻本身是機體所需的微量元素，因此其在較短時間內(nèi)對機體無毒性作用。研究發(fā)現(xiàn)，微量的鉻能促進生物的生長發(fā)育，無毒性，但是在過量的情況下，則會影響機體內(nèi)的還原、氧化、水解作用，造成蛋白質(zhì)變性，酶系統(tǒng)受到干擾從而引起但Cr6+過量可影響體內(nèi)氧化、還原、水解過程，并可使蛋白質(zhì)變性，干擾酶系統(tǒng)而引發(fā)中毒現(xiàn)象。

3 結論

無論是哪一種生物作為實驗對象，鎘的生物急性毒性都要大于鉻，但是它們的半致死濃度相差很大，見表4鎘和鉻對這三種實驗生物的半致死濃度都相差了10倍左右。

由此可以得出，生物敏感性是因營養(yǎng)級的不同而不同的，水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能與每一個營養(yǎng)級上的生物都密切相關，因此，建議使用一系列生物測試方法來測定和評估復雜的環(huán)境樣品的毒性，充分利用不同生物測試法的優(yōu)勢，為環(huán)境中污染物的監(jiān)測和風險評價提供更有效、全面的信息。

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