重金屬富集對生物體Homesis效應(yīng)的研究進(jìn)展

孫倩倩等

摘要

總結(jié)了重金屬Homesis現(xiàn)象的分子生物學(xué)機(jī)理和生物學(xué)意義，并且對Homesis劑量-效應(yīng)模型在重金屬風(fēng)險評估中的價值進(jìn)行探討，旨在評價重金屬對生物的影響、重金屬污染和食用安全監(jiān)測、環(huán)境毒理學(xué)、環(huán)境污染診斷，同時為制定重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)等提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞Hormesis效應(yīng)；重金屬；劑量-效應(yīng)模型；風(fēng)險評估；環(huán)境毒理學(xué)

中圖分類號S-03文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2015）21-005-02

在16世紀(jì)，Paracelsus提出“劑量決定毒物”理論，即自然界物質(zhì)都是有毒的，而劑量決定物質(zhì)是否為毒物。在19世紀(jì)，Schulz[1]觀察到汞和苯酚等對酵母有促進(jìn)生長作用，并且提出AmdtSchul定律，即當(dāng)生物體受到某種微弱的刺激（如很小劑量的物質(zhì)）時，可激發(fā)和加強(qiáng)生物體的生命活力，表現(xiàn)為興奮效應(yīng)；但，當(dāng)刺激或劑量增加到一定程度時，生物體活力減弱，表現(xiàn)出抑制效應(yīng)。這是雙相-劑量效應(yīng)順勢療法的實(shí)踐基礎(chǔ)。由于低劑量興奮效應(yīng)不易被檢測，而且重復(fù)性較差等，這個理論被擱置下來。在1943年，Southam在研究紅雪松提取物對真菌的作用時，發(fā)現(xiàn)其效應(yīng)為雙相-劑量效應(yīng)關(guān)系，以此命名為“Hormesis”，發(fā)表在《Phytopathology》雜志上。這是Hormesis首次出現(xiàn)在學(xué)術(shù)刊物上。“Hormesis”效應(yīng)又稱毒物興奮效應(yīng)，是以雙相劑量-反應(yīng)曲線為特征的適應(yīng)性反應(yīng)，表現(xiàn)為在致毒物質(zhì)不同的劑量或強(qiáng)度下，生物體表現(xiàn)不同的劑量-反應(yīng)關(guān)系，在高劑量時表現(xiàn)為負(fù)面影響，在低劑量時表現(xiàn)為有益作用的現(xiàn)象[2]。Hormesis現(xiàn)象出現(xiàn)在各類生物，各類有毒物質(zhì)（包括氰化物、重金屬化合物、除草劑、多環(huán)芳烴、植物生長激素、抗生素等）及各類生命現(xiàn)象（包括生殖、壽命、生長、細(xì)胞分裂及腫瘤形成等）中。

重金屬通常是指密度大于5 g/cm3的金屬，約有45種。有些重金屬是生命活動必需微量元素（如鐵、銅、鋅等），在較高濃度時致毒，但是大部分重金屬是非必需元素，并且對生物體有很強(qiáng)的毒性（如汞、鉛、鎘等）。自然界中的重金屬有2個來源。一是巖石風(fēng)化、火山活動等自然活動釋放的重金屬等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年排放鉛、鋅、鎘、銅、鉻等重金屬的量分別約為1.2×103、4.5×103、1.4×103、2.8×103、4.3×103 t[3]。另一類則是釆礦業(yè)、冶金業(yè)、工業(yè)廢水、生活污水等人類生產(chǎn)、生活排放的重金屬。重金屬可被自然界生物體富集，通過食物鏈對人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。對于采礦、冶金、電鍍和染料等行業(yè)排放的含鎘的廢水，經(jīng)水生物富集可達(dá)相當(dāng)高的濃度，如甲殼類、藻類、魚類的富集系數(shù)分別為150、400、5 000。當(dāng)重金屬進(jìn)入體內(nèi)后，可與動植物體內(nèi)的蛋白質(zhì)、無機(jī)元素、化合物等結(jié)合，使得體內(nèi)許多重要物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響其生理功能、新陳代謝和生命活動等。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，重金屬污染問題已成為威脅生物體安全的非常重要的食品安全問題和水產(chǎn)生態(tài)環(huán)境問題。環(huán)境中有毒物質(zhì)的低劑量興奮效應(yīng)正越來越受到人們的廣泛關(guān)注。

1重金屬富集引起的Hormesis效應(yīng)

1.1 Hormesis效應(yīng)在重金屬研究中的應(yīng)用

重金屬影響生物體的Hormesis效應(yīng)，主要表現(xiàn)在促進(jìn)其生長發(fā)育能力和免疫力功能等。研究表明，低劑量鎘離子處理苜?？商岣咂渲旮?、主根長、干質(zhì)量，而隨著鎘濃度的不斷增加，上述指標(biāo)呈明顯降低的趨勢[4] ；銅離子處理紫背萍呈現(xiàn)低濃度促進(jìn)生長、高濃度抑制效應(yīng)[5]，即低劑量刺激植物細(xì)胞分裂，其間期縮短，分裂速度加快，高劑量時細(xì)胞分裂間期延長，使其分裂延滯[6]。在低劑量時，汞離子、鎘離子可使葉綠素含量增加；在高劑量時，葉綠素含量降低[7]。刺參體腔細(xì)胞在鋅離子、鉛離子、鎘離子單一污染作用下呈現(xiàn)Homesis效應(yīng)，且其劑量-效應(yīng)關(guān)系呈“拋物線”[8]。文獻(xiàn)報(bào)道，鎘離子對黑花蠅（Phormia regina）、水蚤（Daphnias）、黑呆頭魚（Fathead minnow）、多毛目環(huán)節(jié)動物（Polychaetes）等生物體中都表現(xiàn)出Hormesis效應(yīng)[9-10]。

1.2重金屬引起Hormesis效應(yīng)的分子生物學(xué)機(jī)理

重金屬引起的低劑量效應(yīng)可能與機(jī)體抗氧化酶消除自由基有關(guān)，即生物體抗氧化應(yīng)激機(jī)制。植物中的抗氧化酶如超氧化物岐化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等在植物中發(fā)揮著不可替代的作用[11]。研究發(fā)現(xiàn)，鎘可增加植物細(xì)胞內(nèi)活性氧物質(zhì)的表達(dá)，而活性氧對細(xì)胞內(nèi)的氧化平衡有破壞作用[12]，對植物細(xì)胞產(chǎn)生損傷。葉亞新等[13]研究表明， 隨著鎘離子刺激濃度的增加，蘿卜幼苗SOD活性呈上升趨勢，但是隨著鎘離子刺激時間的增加，SOD活性又逐漸降低；莖和根的POD活性隨鎘離子刺激濃度的增加而上升，而葉中POD活性則表現(xiàn)為下降趨勢，甚至低于空白組，說明植物不同部位發(fā)揮作用的抗氧化酶種類不同。另有研究提出，Hormesis效應(yīng)是由于低劑量刺激影響其分子靶位TIP/NOX蛋白質(zhì)[14]。NOX可影響機(jī)體表達(dá)生物學(xué)效應(yīng)，是細(xì)胞生長的Hormesis效應(yīng)分子的靶位[15]，促進(jìn)細(xì)胞分裂，影響植物細(xì)胞生長速度；當(dāng)植物體內(nèi)的NADH（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）氧化酶（NOX）活性被抑制后細(xì)胞生長受阻，低濃度的刺激作用能夠增加NOX活性，從而解釋Hormesis效應(yīng)。葉小明等[16]研究表明，低濃度的鎘離子可以刺激DNA的復(fù)制，誘導(dǎo)合成應(yīng)激蛋白，上調(diào)原癌基因和轉(zhuǎn)錄因子等多種細(xì)胞因子的表達(dá)。這些都表現(xiàn)出Hormesis的劑量-反應(yīng)關(guān)系特點(diǎn)。郝長付等[17]研究表明，當(dāng)鎘離子誘導(dǎo)HEK293細(xì)胞增殖時，ERK信號傳導(dǎo)通路中轉(zhuǎn)錄因子cfos蛋白在低劑量興奮效應(yīng)中發(fā)揮重要作用。

1.3Hormesis效應(yīng)的生物學(xué)意義

Hormesis效應(yīng)是自然界生物體長期進(jìn)化過程中順應(yīng)自然選擇的結(jié)果，可使生物體自穩(wěn)狀態(tài)被破壞后能盡快修復(fù)損傷，促使生物體自我保護(hù)，以抵御環(huán)境中不利因素的影響。有毒物質(zhì)低劑量刺激造成生物體輕微損傷，可激活發(fā)揮其體內(nèi)Hormesis效應(yīng)機(jī)制，使得機(jī)體盡快恢復(fù)到原來的狀態(tài)[18]。當(dāng)在植物受到外界因素的不良刺激時，可啟動其自身保護(hù)機(jī)制，清除由于脅迫作用而產(chǎn)生的過氧化氫等自由基，以保護(hù)機(jī)體免受損傷[19]。水生沉水植物菹草和金魚藻在鎘離子作用下可促進(jìn)其內(nèi)源保護(hù)系統(tǒng)的表達(dá)，但隨著鎘離子毒害劑量作用的加重，植物體的自我防衛(wèi)能力降低。丁磊等[20]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度鎘脅迫對鯽魚溶菌酶（LSZ）和過氧化物酶（POD）有時間-效應(yīng)關(guān)系、劑量-效應(yīng)關(guān)系以及Hormesis現(xiàn)象；鎘對LSZ和POD激活作用是鯽魚對鎘污染的適應(yīng)性反應(yīng)，以增強(qiáng)其機(jī)體的免疫力，高濃度鎘脅迫對LSZ和POD的抑制作用可能是由于鎘污染對鯽魚的作用已超過機(jī)體的適應(yīng)能力。

2Hormesis效應(yīng)在環(huán)境毒理學(xué)中的應(yīng)用

2.1 Hormesis劑量-效應(yīng)關(guān)系模型

公共衛(wèi)生管理部在對有害因素進(jìn)行危險評估時，以劑量-效應(yīng)關(guān)系為毒理學(xué)風(fēng)險評估與制定相關(guān)條例的基本依據(jù)，并且制定管理法規(guī)和控制措施。毒理學(xué)中有3種劑量-效應(yīng)曲線模型，分別為線性非閾值模型（Linear nonthreshold model，LNT Model）、閾值模型（Threshold model）、興奮效應(yīng)模型（Hormetic model）（圖1）。大多有毒物質(zhì)的安全閾值是根據(jù)線性模型時對物質(zhì)高劑量檢測的結(jié)果，并且經(jīng)過線性推導(dǎo)出安全濃度，認(rèn)為當(dāng)劑量低于其未觀察到有害作用量（Nonobserved adverse effect level，NOAEL）時不會引起生物學(xué)效應(yīng)。當(dāng)大量有毒物質(zhì)低于NOAEL時，其引起的劑量反應(yīng)并不僅僅呈現(xiàn)劑量-效應(yīng)關(guān)系，而且具有Hormesis效應(yīng)的特征[21]。

Hormesis劑量-效應(yīng)關(guān)系曲線分為低劑量刺激和高劑量抑制2個區(qū)段。當(dāng)刺激劑量或強(qiáng)度高于NOAEL時，其生物學(xué)效應(yīng)與線性閾值或非閾值模型相同；當(dāng)刺激劑量或強(qiáng)度低于NOAEL時，其引起的生物學(xué)效應(yīng)符合倒U型模型或J型模型。有毒物質(zhì)的倒U型曲線表明在低劑量時可誘導(dǎo)促進(jìn)生物體生長發(fā)育，J型曲線表現(xiàn)為在低劑量時抑制生物體生長發(fā)育[22]。3種劑量-效應(yīng)關(guān)系模型的特點(diǎn)、區(qū)別和應(yīng)用見表1。

2.2Hormesis劑量-反應(yīng)模型在重金屬風(fēng)險評估中的應(yīng)用

Hormesis效應(yīng)在毒物風(fēng)險評估中具有重要的應(yīng)用價值，被應(yīng)用于致癌物質(zhì)和非致癌物質(zhì)的風(fēng)險評估領(lǐng)域。高劑量

重金屬對生物體的不良效應(yīng)備受關(guān)注，如抑制生長發(fā)育、致畸性、致癌性等行為，卻很少注意低于未觀察到NOAEL 劑量

對生物體的影響，導(dǎo)致人們不能對重金屬的毒理學(xué)效應(yīng)做出全面、客觀的評價。美國環(huán)?？偸穑‥nvironmental Protection Agency，EPA）在評估有毒物質(zhì)的致癌性時，將Hormesis效應(yīng)納入?yún)⒖挤秶源私忉屩掳┪镔|(zhì)“How clean is clean？”，對化學(xué)物質(zhì)危險度評價的影響受到廣泛的關(guān)注。

Homesis的劑量-反應(yīng)模型較符合實(shí)際情況，而不是在低劑量下總呈現(xiàn)線性關(guān)系，因此Hormesis模型較傳統(tǒng)毒理學(xué)線性閾值或線性非閾值法更具科學(xué)性、合理性。將Hormesis效應(yīng)作為危險物質(zhì)風(fēng)險評估的影響因素。它涵蓋劑量-反應(yīng)曲線的整個階段，且考慮各種影響因素[23] 。Hormesis效應(yīng)考慮了實(shí)際可能接觸劑量或強(qiáng)度，包括可能接觸劑量或強(qiáng)度的上限和下限；在低劑量危險度分析中，還應(yīng)考慮年齡、時間等參數(shù)對效應(yīng)的影響，不能只考慮終生日平均劑量或短期內(nèi)日平均劑量，且風(fēng)險必須以毒物的總體作用效果來表示[24]。

Hormesis現(xiàn)象不易被觀測到，其刺激作用發(fā)生的低劑量閾值通常在NOAEL的5%～10%范圍內(nèi)。統(tǒng)計(jì)分析表明，僅有5%～7%的Hormesis發(fā)生刺激作用的劑量閾低于NOAEL的1%，偶爾也有當(dāng)劑量低于NOAEL的1/1 000時仍可發(fā)生刺激作用[25-28]。因此，將Hormesis模型應(yīng)用在重金屬風(fēng)險評估中仍需要進(jìn)行更深入的研究。

3結(jié)語

重金屬對生物體的低劑量興奮效應(yīng)已被實(shí)踐所證實(shí)，對其分子生物學(xué)機(jī)理已有諸多研究，但尚未得到一致的結(jié)論。Hormesis劑量-效應(yīng)模型較傳統(tǒng)閾值或非閾值模型更具靈活性，但將Hormesis劑量-效應(yīng)模型應(yīng)用于重金屬風(fēng)險評估中仍有諸多問題亟待解決。

參考文獻(xiàn)

[1] CHAPMAN P M.The implications of hormesis to ecotoxicology and ecological risk assessment[J].Hum Exp Toxicol，2001，20：499-505.

[2] CALABRESE E J.Hormesis：Changing views of the dose response[J].Mutat Res，2002，511：181-189.

[3] NRIAGU J.Global metal pollution[J]. Environment，1990，32：7-33.

[4] 許蘇凌，邢承華，方勇.鎘脅迫對紫花苜蓿生長及植株鎘含量的影響[J].廣東微量元素科學(xué)，2008，15（3）：23.

[5] 涂俊芳，王興明，劉登義，等.不同濃度銅對紫背萍和青萍色素含量及抗氧化酶系統(tǒng)的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，17（3）：502.

[6] 韓善華.汞離子脅迫對植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響及其機(jī)制[J].中國微生態(tài)學(xué)雜志，2009（5）：480.

[7] 王澤港，駱劍鋒，劉沖.單一重金屬污染對水稻葉片光合特性的影響[J].上海環(huán)境科學(xué)，2004，23（6）：240.

[8] 張峰，劉洪偉，宋志東.幾種重金屬對刺參體腔細(xì)胞超氧陰離子（O2-）產(chǎn)生的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25（z1）：100.

[9] 王東紅，彭安，千子健.有毒物質(zhì)低劑量刺激作用的研究進(jìn)展[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2004，4（1）：18-21.

[10] LIU S Z.On radiation hormesis expressed in the immune system[J].Critical Reviews in Toxicology，2003，33：431-442.

[11] 汪洪，趙士誠，夏文建，等.不同濃度鎘脅迫對玉米幼苗光合作用、脂質(zhì)過氧化和抗氧化酶活性的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2008，14（1）：36-42.

[12] 趙胡，鄭文教，陳杰.土壤鎘污染對大蒜幼苗生長及根系抗氧化系統(tǒng)的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2008，27（5）：771-775.

[13] 葉亞新，金琎，陳佳佳，等.鎘脅迫下蘿卜幼苗根、莖、葉保護(hù)酶活性的比較[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008（3）：131-135.

[14] MORRE D J.A protein disulfidethiol interchange protein with NADH：Protein disulfide reductase （NADH oxidase） activity as a molecular target for low levels of exposure to organic solvents in plant growth[J].Human & Experimental Toxicology，1998，17：272-277.

[15] MORRE D J.Chemical hormesis in cell growth：a molecular target at the cell surface[J].J Appl Toxicol，2000，20：157-163.

[16] 葉小明，庾蕾，莊志雄，等.TaqManMGB探針檢檢測人REV3L基因的毒物興奮效應(yīng)[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)：理工版，2005，22（4）：358-362.

[17] 郝長付，郝衛(wèi)東. ERK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在CdCl2誘導(dǎo)HEK293細(xì)胞低劑量興奮效應(yīng)中的作用[J].衛(wèi)生研究，2011，40（4）：517-522.

[18] 讓歐艷，讓蔚清.低劑量興奮效應(yīng)及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用[J].實(shí)用預(yù)防醫(yī)學(xué)，2009（1）： 329.

[19] 付世景，宗良綱，張麗娜，等.鎘、鉛對板藍(lán)根種子發(fā)芽及抗氧化系統(tǒng)的影響[J].種子，2007，26（3）：14-17.

[20] 丁磊，吳萍，蔡春芬，等.Cd2+對鯽血清溶菌酶和過氧化物酶的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23（2）： 10.

[21] CALABRESE E J，BALDWIN L A.Hormesis：A biological hypothesis[J].Environmental Health Perspectives，1998，106（S1）：357-362.

[22] DAVIS J M，SVENDSGAARD D J.Ushaped doseresponse curves：Their occurance and implications for risk assessment[J].BELLE Newslett，1992，1：4-15.

[23] XIA S J，ZHANG J F，WANG Z Z.Environmental risk assessment of chemical pollutants in the "benchmark dose method"[J]. Journal of Environmental & Occupational Medicine，2005，22（2）：178-180，186.

[24] SIELKEN R，STEVENSON D.Some implications for quantitative risk assessment if hormesis exists[J].Hum Exp Toxicol，1998，17：259-262.

[25] CALABRESE E J，BALDWIN L A.A quantitativelybased methodology for the evaluation of chemical Hormesis[J].Human and Ecological Risk Assessment，1997，3（4）：545-554.

[26] CALABRESE E J，BALDWIN L A.Hormesis as a default parameter in derivation[J].Human & Experimental Toxicology，1998，17：444-447.

[27] CALABRESE E J，BALDWIN L A，HOLLAND C.Hormesis：A highly generalizable and reproducible phenomenon with important implications for risk assessment[J].Risk Analysis，1999，19（2）：261-281.

[28] CALABRESE E J，BALDWIN L A.Hormesis：Ushaped dose responses and their centrality in toxicology[J].Trends in Pharmacological Sciences，2001，22（6）：285-291.