銅對(duì)生物體的毒性效應(yīng)及研究進(jìn)展

余玲玲+黃碧捷+肖夢茹+張夢蝶

摘要：指出了隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加快，全球范圍內(nèi)的環(huán)境污染問題是發(fā)展過程中必須面對(duì)和解決的，其中重金屬污染問題尤為嚴(yán)峻。分析了金屬銅離子的來源及危害，綜述了銅對(duì)植物、動(dòng)物、微生物等的毒性效應(yīng)進(jìn)展并提出了研究展望。

關(guān)鍵詞：銅;毒性效應(yīng);復(fù)合污染;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）12-0145-03

1銅離子的來源及危害

重金屬廣泛存在于自然界中，隨著人類開采、冶煉、加工及商業(yè)制造活動(dòng)的日益增加，使得各種重金屬進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，并在其中積累、遷移和轉(zhuǎn)化，給生物帶來不可逆轉(zhuǎn)的傷害，如2010年福建紫金礦業(yè)潰壩事件、瑞昌市工業(yè)園自來水中毒事件等都是由銅離子引起。

大氣中的銅離子污染主要來源于金屬銅冶煉及其加工過程中所排放出的含大量銅及其化合物的煙塵，該煙塵會(huì)對(duì)呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重傷害。含銅物質(zhì)的加工、銅鋅礦的開采過程會(huì)排放出大量含銅廢水，該廢水一方面影響水生生物的生存，污染水質(zhì)和土壤;另一方面，人食用了該廢水澆灌的食物會(huì)造成重金屬中毒。土壤中銅污染主要來源于巖石風(fēng)化和含銅廢水的灌溉等。銅離子會(huì)富集在生長于污染土壤中的農(nóng)作物體內(nèi)，通過食物鏈進(jìn)入人體，使人產(chǎn)生急性胃腸炎、肝組織壞死、記憶力減退、注意力不集中等不良影響;地表徑流和滲透作用會(huì)使地表水和地下水受到其污染。

2銅對(duì)植物的毒性效應(yīng)

銅離子是植物生長中必需的微量元素，過高或過低的銅離子都會(huì)對(duì)植物的生長指標(biāo)（如種子萌發(fā)、根伸長等）、呼吸作用、光合作用、蒸騰作用、酶的活性及結(jié)構(gòu)、遺傳物質(zhì)的表達(dá)等產(chǎn)生影響。

2.1對(duì)水生藻體的影響

水體中的初級(jí)生產(chǎn)者是微藻，微藻為其他生物的生存提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。低濃度的銅離子，對(duì)藻體的細(xì)胞密度、光密度及葉綠素a的含量有促進(jìn)作用，但是超過某一范圍后對(duì)藻類的生長有明顯的抑制作用。不同濃度銅離子對(duì)不同藻類的毒性效應(yīng)是不同的。李晨辰等人[1]發(fā)現(xiàn)在銅離子濃度為1 mg/L時(shí)，綠色微囊藻（Microcystis viridis）的生長受到明顯抑制，而簡建波等人[2]以三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，銅離子濃度相對(duì)增加50%才對(duì)其生長產(chǎn)生了明顯的抑制作用。實(shí)驗(yàn)條件的不同會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生變化，如染毒時(shí)間。郭翠[3]等人研究表明：在急性條件和慢性條件下，得出了紅藻壇紫菜（Porphyra haitanensis）的葉狀體的丙二醛（MDA）含量，超氧化合物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）的活性隨染毒時(shí)間發(fā)生了變化。眾多的關(guān)于銅離子對(duì)藻類的影響研究說明：實(shí)驗(yàn)結(jié)果受化合物和營養(yǎng)液的種類、光照時(shí)間、培養(yǎng)方法、選取試驗(yàn)藻類的生長地區(qū)和階段等的變化而變化。只有用科學(xué)的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)一和規(guī)范，才能保證數(shù)據(jù)的連貫性和系統(tǒng)性、實(shí)驗(yàn)的相互對(duì)比性。

2.2對(duì)陸生植物生長發(fā)育的影響

銅離子對(duì)植物的種子萌發(fā)、根伸長、葉綠素的合成、植株干重鮮重等一般都表現(xiàn)為“低促高抑”現(xiàn)象。表1列舉了4類不同植物對(duì)其生長指標(biāo)的影響。

植株吸收的銅離子在所需范圍之內(nèi)時(shí)，對(duì)植物生長發(fā)育有促進(jìn)作用，當(dāng)其吸收量超過一定的范圍之后，在植株體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的自由基和MDA，抑制植株的生長，引起植物新陳代謝的紊亂。在相同植株的不同部位，對(duì)銅離子的耐受力是不一樣的，例如：根是直接與銅離子接觸的部位，對(duì)銅離子的敏感程度強(qiáng)于莖。對(duì)不同植株的相同部位，銅離子的耐性也不同。在發(fā)生輕微污染的土地中，可根據(jù)植株的耐受力選擇合適的植株進(jìn)行種植，在一定程度上可以充分利用土壤中的重金屬和土地資源。

已有的眾多文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較大差別的原因在于：一方面是由于染毒受試對(duì)象選擇（試驗(yàn)階段、受試物種）不一樣;另一方面是由于實(shí)驗(yàn)條件的不同，如染毒時(shí)間、光照時(shí)間、培養(yǎng)液或土壤類型、銅離子化合物的種類、濃度梯度的差異等使結(jié)果存在偏差。在MS培養(yǎng)基中，銅的毒害主要表現(xiàn)在對(duì)芽的生長影響;而在蒸餾水的培養(yǎng)基中，對(duì)發(fā)芽率、芽長和根長有明顯毒害作用[8]。為消除因無法類比實(shí)驗(yàn)結(jié)果而帶來的“浪費(fèi)”，在染毒實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)消除無關(guān)變量的干擾，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性;選用的染毒受試生物上應(yīng)具代表性和普適性。課題組正進(jìn)行著對(duì)綠豆整個(gè)生命周期內(nèi)，硫酸銅和氯化銅對(duì)其的毒性影響研究，力圖建立普適性、全程性的植物毒性效應(yīng)研究模式。

2.3對(duì)陸生植物生理生化指標(biāo)的影響

植物吸收的銅離子超過閾值時(shí)，會(huì)使植物產(chǎn)生酶的活性和氣孔的開閉發(fā)生改變，體內(nèi)水分的分布受到影響，細(xì)胞膜的選擇透過性改變等一系列反應(yīng)。植物體內(nèi)各種酶的變化情況的影響因素：首先會(huì)隨著銅離子劑量的變化而變化，且銅離子對(duì)酶的活性的促進(jìn)濃度最大值是不同的。銅離子致大球蓋菇胞內(nèi)過氧化物酶（POD）和CAT的活性先增加后降低，極值濃度分別為200 μmol/L和100 μmol/L[9];其次會(huì)隨著植株受銅離子毒害時(shí)間而變化，例如：經(jīng)過銅處理的小麥幼根的SOD酶的活性隨脅迫時(shí)間的延長呈“降-升-降”的趨勢，POD和谷胱甘肽硫基轉(zhuǎn)移酶（GST）均隨時(shí)間的延長和濃度的升高呈現(xiàn)下降趨勢[10];最后，銅離子對(duì)基因表達(dá)有影響，尤其是銅離子濃度和時(shí)間的交互作用對(duì)其影響因素更為明顯。

黃瓜愈傷組織對(duì)銅離子吸收積累速度較快，在大于20 mg/L銅離子脅迫下，愈傷組織會(huì)對(duì)銅積累量達(dá)到超富集水平。隨著銅離子濃度的變化，黃瓜體內(nèi)銅離子主要富集部位也發(fā)生了變化，在較低濃度銅脅迫下，主要積累在細(xì)胞壁;在較高濃度銅脅迫下，主要積累在細(xì)胞可溶部分。黃瓜作為生產(chǎn)生活中較常見且易栽培的植株，其愈傷組織可大范圍用作對(duì)銅離子積累機(jī)理的研究材料。通過選取不同實(shí)驗(yàn)對(duì)象，可發(fā)現(xiàn)潛在對(duì)銅離子有超量積累的植株，在植物對(duì)重金屬污染土地的處理上會(huì)有一定的指導(dǎo)作用。

2.4微觀及宏觀系統(tǒng)的影響endprint

外界生活條件的改變，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)體本身基因的表達(dá)和遺傳的改變，這種改變是物競天擇、適者生存的結(jié)果，而物種的微觀改變也會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)，即產(chǎn)生宏觀改變。在不同濃度的銅處理體外培養(yǎng)的豬胰島細(xì)胞發(fā)現(xiàn)對(duì)其SS基因mRNA的表達(dá)沒有顯著性影響[11]，但在二價(jià)銅離子與類胡蘿卜素作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自由基，對(duì)DNA產(chǎn)生傷害。在研究銅離子對(duì)微觀水平影響時(shí)，不僅要探討其濃度、種類、作用時(shí)間等對(duì)某一因素的單一影響，還要研究可能相關(guān)的多個(gè)指標(biāo)之間變化的關(guān)系。例如，銅離子作用受試物種后，所研究指標(biāo)發(fā)生變化，可能由于外界因素（溫度、光照等）的影響，而不是銅離子的作用。被銅離子污染的土壤中細(xì)菌的種類會(huì)發(fā)生改變，從而使土壤的緊實(shí)度、質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)特性都可能發(fā)生變化，而且其周邊的植株隨著銅脅迫時(shí)間的延長其中毒程度會(huì)不斷加深。有時(shí)銅離子污染的范圍雖小，但隨著時(shí)間的增加，污染程度和污染范圍也會(huì)在一定程度上有所增加，所以為防止大范圍的污染，應(yīng)首先減少或消除小范圍的污染。

3銅對(duì)動(dòng)物的影響

銅作為生長發(fā)育所必須的元素，它可以調(diào)控黑色素的合成，增強(qiáng)機(jī)體的免疫能力，參與含銅蛋白質(zhì)的形成，對(duì)造血過程和髓蛋白的合成有促進(jìn)作用等。飼料中低劑量的銅具有促進(jìn)生長的作用，斑點(diǎn)叉尾鮰在飼料銅水平作用下，其肝體比及肥滿度都有所增加[12];但若暴露濃度超過一定的范圍，則會(huì)對(duì)生物體帶來嚴(yán)重傷害，中國花鱸幼魚隨著銅離子暴露濃度和時(shí)間的延長，其肝臟的氧化系統(tǒng)減弱，肝臟組織溶解性壞死，鰓部組織出現(xiàn)大量血竇，且具有一定遺傳毒性[13]。

4對(duì)土壤蚯蚓及其他微生物的影響

4.1對(duì)蚯蚓的影響

蚯蚓作為低劑量暴露效應(yīng)的早期生物檢測指標(biāo)，不僅對(duì)減小土壤中重金屬的含量有一定的作用，而且蚯蚓對(duì)污染物的傳遞、物質(zhì)的循環(huán)、能量的流動(dòng)都有一定的作用，甚至施用蚯蚓糞便可顯著降低果實(shí)中鉛、汞、無機(jī)砷的含量，所以了解銅離子對(duì)蚯蚓的毒性是非常必要的。蚯蚓在受到低濃度銅離子傷害時(shí)，CAT和SOD均呈現(xiàn)出“抑制-激活”的變化[14]。為了適應(yīng)變化的外界環(huán)境，蚯蚓通過調(diào)節(jié)自身氧化系統(tǒng)來保護(hù)機(jī)體，減小傷害。

4.2對(duì)其他微生物的影響

土壤生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的重要表征參數(shù)是土壤微生物種群結(jié)構(gòu)。在受到銅離子作用后，種群的結(jié)構(gòu)和多樣性指數(shù)都會(huì)發(fā)生改變。在SBR反應(yīng)器中，隨著銅離子濃度增大，硝酸菌的種群結(jié)構(gòu)變化大，多樣性指數(shù)變小;銅離子濃度變化對(duì)反硝化菌的多樣性指數(shù)影響明顯，對(duì)其菌群結(jié)構(gòu)影響很小;對(duì)活性污泥鏡檢發(fā)現(xiàn)，隨銅離子質(zhì)量濃度的增加，污泥中微生物種類以及數(shù)量逐漸減少，在銅離子的質(zhì)量濃度增加至20 mg/L時(shí)以纖毛類鐘蟲等為主的原生動(dòng)物已基本檢測不到，而且污泥絮體大量解體。在日常SBR工藝運(yùn)行時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制重金屬的濃度，保證實(shí)際生產(chǎn)的有序進(jìn)行。若能利用銅離子對(duì)某些微生物的抑制作用，來篩選出所需菌種，得到所需的物質(zhì)，從工業(yè)生產(chǎn)來說會(huì)簡化工藝流程、實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。銅離子對(duì)土壤的微生物結(jié)構(gòu)有一定的調(diào)節(jié)作用，施加銅脅迫后，接種食真菌線蟲會(huì)使土壤基礎(chǔ)呼吸增加，抑制真菌生長，間接促進(jìn)細(xì)菌增長[15]。在高濃度銅離子下，線蟲的生長周期和產(chǎn)卵數(shù)量都會(huì)下降，研究重金屬對(duì)各種微生物的作用機(jī)制后，對(duì)由微生物作用引起的疾病的治療將有指導(dǎo)性作用。

5研究進(jìn)展

5.1新型銅化合物毒性效應(yīng)研究

納米材料越來越廣泛地被用于電子、醫(yī)藥、食品、化工、軍事、航空航天等領(lǐng)域，現(xiàn)今環(huán)境中的許多復(fù)雜的遷移轉(zhuǎn)化、環(huán)境行為和生態(tài)效應(yīng)都是由于納米材料造成的。納米氧化銅具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和抗菌性能，所以也被廣泛運(yùn)用。納米氧化銅對(duì)植物、動(dòng)物都有明顯的毒性效應(yīng)。納米氧化銅對(duì)植物不同部位及不同時(shí)期的毒性效應(yīng)是不同的，且其毒害程度和毒物的粒徑有一定關(guān)系，一般說來，粒徑越小，毒害作用越大。銅離子對(duì)植物種子根伸長和芽體生長都有抑制作用，因?yàn)榧{米銅的粒徑最小，所以其毒性效應(yīng)強(qiáng)于微米銅和銅離子。隨著納米氧化銅暴露時(shí)間和劑量的增加，腎細(xì)胞的ROS升高，培養(yǎng)上清中的MDA、細(xì)胞內(nèi)GSH均上升[16]?？偠灾杭{米氧化銅比同濃度下的無機(jī)銅離子毒性效應(yīng)大，對(duì)納米氧化銅的使用及處理應(yīng)嚴(yán)格要求，避免給生物帶來傷害。

5.2復(fù)合污染條件下的毒性效應(yīng)研究

復(fù)合污染下的毒性效應(yīng)研究更接近于實(shí)際。華玉丹等人[17]發(fā)現(xiàn)鋅和銅離子復(fù)合處理對(duì)各項(xiàng)生理指標(biāo)的毒害作用低于銅離子單獨(dú)處理，高于鋅單獨(dú)處理的情況;劉文權(quán)等[18]發(fā)現(xiàn)在銅、鋅離子濃度1∶1配比的情況下，對(duì)金魚的聯(lián)合作用為毒性增強(qiáng)的協(xié)同作用;銅和鐵對(duì)生物質(zhì)代謝有明顯的抑制作用，特別是在揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）基板上的產(chǎn)生與消耗[19]。復(fù)合污染條件下，銅對(duì)生物體的毒性效應(yīng)會(huì)因拮抗、聯(lián)合、協(xié)同等作用發(fā)生變化，所以現(xiàn)在越來越多的研究都更關(guān)注于實(shí)際的復(fù)合污染條件下銅的環(huán)境行為，應(yīng)引起足夠的重視。

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