鋅對(duì)生物體的毒性效應(yīng)與研究展望

張夢(mèng)蝶+黃碧捷+肖夢(mèng)茹+余玲玲

摘要：分析了金屬元素鋅的本底值及環(huán)境暴露，綜述了鋅離子以及各種鋅的化合物對(duì)生物體的毒性效應(yīng)，并提出了鋅對(duì)生物體的毒性效應(yīng)研究的展望。

關(guān)鍵詞：鋅;毒性效應(yīng);本底值;環(huán)境暴露;展望

中圖分類號(hào)：X173

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-9944（2014）12-0142-03

1鋅的本底值及環(huán)境暴露

1.1來(lái)源與背景

重金屬鋅主要從礦石中煅燒后氧化還原得到，自然界中的鋅多以硫化物狀態(tài)存在，主要有閃鋅礦ZnS、其他的礦石有菱鋅礦ZnCO3、紅鋅礦ZnO、硅鋅礦Zn2SiO4、錳硅鋅礦（ZnMn）2SiO4、異極礦Zn4Si2O7（OH）2·H2O等。我國(guó)的鋅礦一般與鉛共生，故稱為鉛鋅礦，產(chǎn)地遍布全國(guó)。我國(guó)鋅污染土壤也越來(lái)越多，資料顯示我國(guó)土壤中平均鋅含量為100 μg/g，比世界土壤的平均鋅含量高出一倍以上。

1.2暴露途徑

植物體內(nèi)的鋅大多是由于污水灌溉之后被植物吸收造成的，礦區(qū)產(chǎn)生的含鋅廢水直接排放到環(huán)境中導(dǎo)致環(huán)境中的鋅含量增加，被植物從根系吸收后進(jìn)入整個(gè)植株，從而對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。

動(dòng)物主要是通過飼料或者食物鏈來(lái)增加體內(nèi)鋅的含量。反芻動(dòng)物在真胃、小腸吸收鋅，而非反芻動(dòng)物鋅的吸收主要在小腸。動(dòng)物主要以糞便排泄鋅來(lái)平衡體內(nèi)鋅的含量。

2鋅的化合物對(duì)生物體的毒性效應(yīng)

2.1鋅離子對(duì)水生生物體的毒性效應(yīng)

鋅是生物體的必需的微量元素，過量也會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生毒害，尤其是在水生生物中表現(xiàn)得更加明顯。在劉文權(quán)[1]等人對(duì)金魚的單一與聯(lián)合的毒性實(shí)驗(yàn)中表明：隨著重金屬離子濃度的提高，其對(duì)金魚的急性毒性效應(yīng)逐漸增強(qiáng);銅對(duì)受試金魚的影響比鋅大;聯(lián)合毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明銅離子和鋅離子在等比例情況下對(duì)金魚的聯(lián)合作用為毒性增強(qiáng)的協(xié)同作用。在周疆麗的蜥蜴柳對(duì)重金屬耐性研究中表明：旱柳根系對(duì)銅吸收呈現(xiàn)出極顯著的線性關(guān)系;而根、莖、葉對(duì)鋅的吸收呈現(xiàn)出極顯著的線性關(guān)系[2]。在華玉丹[3]等人的銅鋅及其復(fù)合污染對(duì)西瓜種子萌發(fā)的影響中表明：在低濃度（20 μmol/L）銅、鋅單一及復(fù)合處理對(duì)西瓜種子的發(fā)芽率沒有影響，但增加了發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)，促進(jìn)了幼芽和幼根的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，提高了生物量的積累;高濃度（200 μmol/L）銅、鋅單一及復(fù)合處理對(duì)西瓜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、幼芽、幼根及生物量積累均有一定抑制作用。在盧斌[4]等人的低濃度鎘、鋅暴露對(duì)白氏文昌魚的毒性累積及其幾種重要酶活性的影響中表明：鋅對(duì)文昌魚的96h的LC50為2.26 μmol/L，安全濃度為0.23 mg/L;并且文昌魚體內(nèi)的鋅含量與暴露時(shí)間沒有相關(guān)性，表明文昌魚在鋅暴露的時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出較強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用。除了對(duì)鯽魚、固氮魚腥藻、白氏文昌魚的實(shí)驗(yàn)研究外，還有其他的對(duì)水生生物的研究，例如對(duì)湯匙華哲水蚤[5]的研究中鋅離子的24h的LC50為3.221 mg/L，48h的LC50為1.537 mg/L，72h的LC50為0.471 mg/L?？梢酝瞥霭资衔牟~的LC50比湯匙華哲水蚤的濃度要高得多，表明文昌魚對(duì)鋅的調(diào)節(jié)作用遠(yuǎn)大于湯匙華哲水蚤對(duì)鋅的調(diào)節(jié)作用。而水生生物種類繁多，各個(gè)物種對(duì)于鋅的半致死濃度都有所不同甚至相差很大，所以它們對(duì)鋅的調(diào)節(jié)作用也都有差別。由于不同的實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)象不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析方法也不同，不利于準(zhǔn)確得出一致的結(jié)論或其中的規(guī)律。

2.2納米氧化鋅對(duì)生物體的毒性效應(yīng)

納米氧化鋅粒徑介于1～100 nm之間，是一種面向21世紀(jì)的新型高功能精細(xì)無(wú)機(jī)產(chǎn)品，表現(xiàn)出多種特殊的性質(zhì)，如非遷移性、熒光性、壓電性、吸收和散射紫外線能力等，利用其在光、電、磁敏感等方面的其妙性能，可制造氣體傳感器、熒光體、變阻器、紫外線遮蔽材料、圖像記錄材料、壓電材料、壓敏電阻、高效催化劑、磁性材料和塑料薄膜等。 在陳瀟婷[6]等人的納米氧化鋅對(duì)人體胚腎HEK293細(xì)胞的遺傳毒性的研究中表明：隨著納米染毒粒子的濃度增加，染色體損傷程度也逐漸增加，納米氧化鋅對(duì)人胚腎細(xì)胞具有遺傳性。在袁金華[7]等人的納米氧化鋅對(duì)人胚肺成纖維細(xì)胞的生物毒性研究中表明：納米氧化鋅粒子由于小尺寸效應(yīng)和鋅自身毒性的協(xié)同作用，高濃度時(shí)抑制細(xì)胞結(jié)活性，致使細(xì)胞死亡，且氧化鋅納米粒子和細(xì)胞毒性呈明顯的劑量依賴的效用關(guān)系。在楊霞[8]等人對(duì)納米氧化鋅的毒性作用及機(jī)制研究進(jìn)展中表明：納米氧化鋅進(jìn)入呼吸系統(tǒng)能引起肺泡細(xì)胞的存活率降低;進(jìn)入消化系統(tǒng)對(duì)肝臟、腎臟和脾也極易受到損傷，可以引起腸道菌群失調(diào)和胰腺炎;進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng)會(huì)使血紅蛋白濃度、血細(xì)胞壓積降低，血小板升高;進(jìn)入泌尿系統(tǒng)會(huì)使腎小球上皮細(xì)胞水腫變性、近端小管上皮腫脹及腎小球內(nèi)細(xì)胞增生。在田文靜的納米氧化鋅對(duì)斑馬魚胚胎氧化應(yīng)激機(jī)制的初步研究中表明：納米氧化鋅能導(dǎo)致斑馬魚胚胎不同發(fā)育階段GSH含量減少，SOD活性和CAT活性降低，并且能導(dǎo)致不同程度的DNA損傷，可能是由于氧化應(yīng)激、脂質(zhì)過氧化也有可能是納米氧化鋅穿過核孔直接與DNA作用[9]。可見，納米氧化鋅對(duì)于生物體的毒性十分巨大的，很可能和它本身粒徑等性質(zhì)有密切的關(guān)系，例如由于晶粒的細(xì)微化，其表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生了宏觀物體所不具有的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)，使其更容易被生物體所吸收或進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，對(duì)生物體造成極大的危害。

2.3氯化鋅對(duì)生物體的毒性效應(yīng)

氯化鋅在無(wú)機(jī)工業(yè)中作為生產(chǎn)活性炭的活化劑，使活化劑成為多孔物質(zhì)，增大表面積;也用于制造抗溶性泡沫滅火器和生產(chǎn)氧化鋅的材料。在有機(jī)工業(yè)用作聚丙烯腈的溶劑、有機(jī)合成的接觸劑、脫水劑、縮合劑、去臭劑等。 在任珺[10]等人的蘆葦、菖蒲和水蔥對(duì)水體中Zn2+的富集效應(yīng)研究中表明：水蔥在氯化鋅濃度為1500 mg/L的水體中的積累濃度最高，菖蒲和蘆葦在氯化鋅濃度為2500 mg/L時(shí)積累濃度最高，他們都可以用作修復(fù)重金屬污染水體的物種。在陳世寶[11]等人的基于不同測(cè)試終點(diǎn)的土壤鋅毒性閾值及預(yù)測(cè)模型中表明：我國(guó)土壤中鋅的毒性閾值在不同測(cè)試物種間存在較大差異，小白菜的EC50為846 mg/kg，大麥的EC50為1471 mg/kg，西紅柿的EC50為1160 mg/kg;并且pH值是影響土壤Zn毒性閾值最為重要的因子。在一般實(shí)驗(yàn)用氯化鋅來(lái)提供鋅離子的研究比較少，多數(shù)是用的硫酸鋅來(lái)進(jìn)行鋅的毒性效應(yīng)的研究。endprint

2.4硫酸鋅對(duì)生物體的毒性效應(yīng)

硫酸鋅是制造鋅鋇白和鋅鹽的主要原料，也可用作印染媒染劑、木材和皮革的保存劑，也是生產(chǎn)粘膠纖維和維尼綸纖維的重要輔助原料。另外硫酸鋅在電鍍和電解工業(yè)中也有應(yīng)用，還可以制造電纜。在Wesam Khateeb[12]等人的鎘、銅和鋅的毒性對(duì)龍葵、野生番茄的遺傳穩(wěn)定性的比較研究中表明：在生長(zhǎng)介質(zhì)中應(yīng)力水平的增加，龍葵的脯氨酸含量增加。在劉茵對(duì)黑麥草種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)影響的研究中表明：鋅離子對(duì)黑麥草種子發(fā)芽勢(shì)有顯著抑制時(shí)，鋅離子濃度在120 mg/L;對(duì)發(fā)芽率有顯著抑制時(shí)，鋅離子濃度在300 mg/L ;且鋅脅迫對(duì)黑麥草幼苗的根長(zhǎng)和苗長(zhǎng)有抑制作用[13]。和其他的鋅化合物的毒性效應(yīng)一樣都是對(duì)植物有著“低促高抑”的作用。在楊利玲[14]等人對(duì)不同濃度硼、鋅、鉬微肥浸種對(duì)長(zhǎng)豇豆種子萌發(fā)的影響中表明：對(duì)于不同的微肥種類，從不同的微肥浸種對(duì)長(zhǎng)豇豆種子發(fā)芽、幼苗生長(zhǎng)及經(jīng)濟(jì)效益等方面綜合考慮，鋅肥采用0.06%的硫酸鋅較適宜。這是對(duì)低濃度鋅的一種應(yīng)用，使其促進(jìn)種子的萌發(fā)，有利于植物的生長(zhǎng)。在李紅寧[15]等人的ZnSO4、CaCl2、H2O2處理對(duì)小油桐種子發(fā)芽特性和幼苗生長(zhǎng)的影響中表明：低濃度的鋅離子能提高種子中淀粉酶的活性，使種子中儲(chǔ)藏的淀粉更加充分分解，為種子萌發(fā)提供充足的營(yíng)養(yǎng)和能量;高濃度的鋅離子抑制淀粉酶的活性從而抑制種子的萌發(fā)。這種研究也可以應(yīng)用于其他的植物甚至動(dòng)物來(lái)找到最適的濃度以促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育。在賀詩(shī)水[16]等人的鋅離子對(duì)錦鯉的急性毒性及安全濃度評(píng)價(jià)中表明：鋅離子的濃度越高，染毒時(shí)間越長(zhǎng)，錦鯉表現(xiàn)越敏感，錦鯉的死亡率越高，LC50值越小;當(dāng)鋅的濃度超過錦鯉的生態(tài)閾值時(shí)會(huì)引起生物中毒，表現(xiàn)為體表和鰓的粘液增多，體表出現(xiàn)許多白色的小顆粒，體色逐漸變黑且大口吐氣泡。在王建國(guó)[17]等人的硫酸鋅對(duì)4種水生動(dòng)物的急性毒性作用中表明：硫酸鋅對(duì)中華絨螯蟹仔蟹安全濃度為0.58 mg/L，24h的LC50為18.39 mg/L，48h的LC50為11.10 mg/L，72h的LC50為7.63 mg/L，96h的LC50為5.84 mg/L;異育銀鯽幼魚的安全濃度為1.96 mg/L，24h的LC50為46.51 mg/L，48h的LC50為33.43 mg/L，72h的LC50為23.86 mg/L，96h的LC50為19.58 mg/L;克氏原螯蝦幼蝦的安全濃度為0.26 mg/L，24h的LC50為84.48 mg/L，48h的LC50為16.50 mg/L，72h的LC50為4.78mg/L ，96h的LC50為2.60 mg/L;田螺的安全濃度為3.42mg/L ，24h的LC50為89.34 mg/L，48h的LC50為56.33 mg/L，72h的LC50為38.90 mg/L，96h的LC50為34.23 mg/L，說(shuō)明隨著鋅濃度的增加不同的物種表現(xiàn)出不同的中毒癥狀、死亡率增加，其中克氏原螯蝦幼蝦對(duì)鋅的毒性最為敏感，田螺的耐性最強(qiáng)。

3鋅對(duì)生物體毒性效應(yīng)研究展望

3.1新型鋅的化合物的挑戰(zhàn)

納米材料以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而展現(xiàn)出來(lái)的特殊性質(zhì)從而受到極大的關(guān)注，對(duì)于納米材料的研究越來(lái)越多越來(lái)越廣泛，同時(shí)也應(yīng)該注意到其有可能產(chǎn)生的環(huán)境污染以及對(duì)生物體可能產(chǎn)生的毒性效應(yīng)。已有一些關(guān)于納米氧化鋅對(duì)生物的毒性效應(yīng)的研究報(bào)道，納米材料種類的不斷增加勢(shì)必要進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。除納米材料外，還有許多的鋅的有機(jī)化合物或者絡(luò)合物，這類物質(zhì)對(duì)生物體的毒性效應(yīng)研究不鮮見報(bào)道，應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注這類新型鋅的化合物對(duì)生物的毒性效應(yīng)。

3.2毒性測(cè)試新方法的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)毒性效應(yīng)往往以LC50或者EC50來(lái)表征鋅對(duì)生物體的毒性效應(yīng)，不少研究嘗試了新的方法來(lái)表征物質(zhì)的毒性?？寡趸锩笍姆肿铀缴戏从沉宋廴緦?duì)魚肝臟細(xì)胞的損傷，可以嘗試將抗氧化酶作為重金屬暴露的生物標(biāo)記物，雖然有人曾提出這方法，但鮮有實(shí)驗(yàn)用此方法進(jìn)行研究。并且實(shí)驗(yàn)的同時(shí)也要考慮到污染的種類、形態(tài)、濃度以及受試生物等因素。嘗試新的方法進(jìn)行毒性測(cè)試是未來(lái)環(huán)境毒理學(xué)的發(fā)展方向之一。

3.3受試生物的統(tǒng)一性

傳統(tǒng)毒性效應(yīng)往往以受試生物胚胎存活率的高低來(lái)評(píng)判鋅的毒性效應(yīng)，也有用植物或者動(dòng)物的某一個(gè)特定的生長(zhǎng)階段來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)的，以其LC50或者EC50為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行毒性效應(yīng)的比較。在此基礎(chǔ)上我們可以嘗試對(duì)受試生物進(jìn)行統(tǒng)一，可以研究植物從種子萌發(fā)到植物的生長(zhǎng)發(fā)育的全過程中鋅對(duì)不同時(shí)期的植物生長(zhǎng)的毒性效應(yīng)，或者研究動(dòng)物從胚胎到生長(zhǎng)發(fā)育的全過程中鋅對(duì)不同時(shí)期的動(dòng)物生長(zhǎng)的毒性效應(yīng)，這樣就可以對(duì)受試生物有一個(gè)全面的研究，也利于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享，這樣不同地區(qū)不同研究人員的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有可對(duì)比性，有利于得到共性的結(jié)論。

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