菲對(duì)水生動(dòng)物的致毒及解毒機(jī)理

■許友卿 劉富娟 丁兆坤

(廣西大學(xué)水產(chǎn)科學(xué)研究所廣西大學(xué)廣西高校水生生物健康養(yǎng)殖與營(yíng)養(yǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004)

菲（Phe）是多環(huán)芳烴（PAHs）最典型的代表。Phe 是一個(gè)3環(huán)PAHs。PAHs的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，親脂性強(qiáng)，水中的沉積物和懸浮顆粒對(duì)PAHs的吸附作用強(qiáng)，富集于水底泥中的PAHs不易降解和氧化，具有持久性。由于Phe的疏水性，水中沉積物是Phe的主要?dú)w宿，并可通過(guò)地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生二次污染。隨著工農(nóng)業(yè)和社會(huì)的發(fā)展，空氣、水體、土壤和動(dòng)植物體內(nèi)的Phe檢出率較高，在水環(huán)境中Phe的分布也越來(lái)越廣泛。

Phe不僅能引起動(dòng)物腎、肝、睪丸損傷，肺水腫和骨軟化，而且與腎、肺、前列腺的癌變等相關(guān)，對(duì)環(huán)境、人和其他動(dòng)物健康造成嚴(yán)重威脅。因此美國(guó)環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)把Phe列為污染黑名單的前茅，Phe常被用作研究PAHs代謝的模型化合物。

然而，迄今為止，對(duì)菲的研究多在其影響，少在其致毒機(jī)理，更亟待研究其解毒機(jī)理。

本文主要綜述了Phe對(duì)水生動(dòng)物的致毒與解毒機(jī)理研究新進(jìn)展，為更好地控制和治理Phe污染，保護(hù)水生動(dòng)物和生態(tài)環(huán)境，發(fā)展可持續(xù)的漁業(yè)提供參考。

1 菲對(duì)水生動(dòng)物的影響

魚(yú)對(duì)Phe敏感，尤其是魚(yú)類(lèi)的早期生命階段對(duì)Phe特別敏感。因此，通常用魚(yú)特別是幼魚(yú)來(lái)考察Phe等污染的毒性。Phe污染導(dǎo)致魚(yú)體氧自由基或活性氧激增，進(jìn)而改變抗氧化酶如超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（CAT）和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GPX）的活性。

Phe污染的濃度不同，影響相異。低濃度Phe（0.05 μg/l）對(duì)黃顙魚(yú)（Pelteobagrus fulvidraco）肝SOD活性主要表現(xiàn)誘導(dǎo)作用，而暴露于高濃度Phe（100 μg/l）時(shí)，先抑制肝SOD活性，但隨著暴露時(shí)間延長(zhǎng)，肝SOD活性會(huì)逐漸升高，然后維持在一個(gè)較高水平。楊濤等(2011)將紅鰭笛鯛（Lutjanus erythopterus）置于不同濃度Phe 96 h，發(fā)現(xiàn)低濃度（10 μg/l）Phe能夠顯著誘導(dǎo)紅鰭笛鯛肝和鰓SOD的活性；但當(dāng)Phe濃度達(dá)到50和250 μg/l時(shí)，肝SOD活性呈現(xiàn)先抑制后誘導(dǎo)。張民等(2003)研究了不同濃度Phe對(duì)鯽魚(yú)（Crucian）肝微粒體芳烴羥化酶（AHH）的影響，發(fā)現(xiàn)在0.25 mg/l Phe時(shí)誘導(dǎo)AHH活性最顯著。AHH氧化PAHs形成的環(huán)氧化合物經(jīng)活化后會(huì)與DNA形成共價(jià)鍵，引發(fā)生物體內(nèi)遺傳物質(zhì)的改變，甚至致癌?？紫榈系葘l紋鋸鮨（Centropristis striata）置于不同Phe濃度環(huán)境48 h后發(fā)現(xiàn)，最高濃度組（500 μg/l）受精卵孵化率比低濃度組（50 μg/l）下降了17.80%，心臟畸形指數(shù)和仔魚(yú)死亡率分別增加了214.96%和82.36%。

然而，許友卿(2013)等將海水青鳉仔魚(yú)（Oryzias melastigma）暴露于不同濃度Phe溶液中，發(fā)現(xiàn)海水青鳉仔魚(yú)機(jī)體內(nèi)的丙二醛（MDA）、谷胱甘肽-S轉(zhuǎn)移酶（GST）、7-乙氧基異吩噁唑酮脫乙基酶（EROD）和金屬硫蛋白（MT）活性都顯著升高。岳南南等(2014)用不同含量Phe的人工配合飼料投喂中華倒刺鲃（Spinibarbus sinensis）幼魚(yú)16周，發(fā)現(xiàn)谷丙轉(zhuǎn)氨酶（ALT）活性隨飼料中Phe濃度的升高而升高；谷草轉(zhuǎn)氨酶（AST）活性亦然，而且Phe在1 000和1 500 μg/g時(shí)分別與對(duì)照組之間差異顯著（P＜0.05）；然而肝糖原隨飼料中Phe濃度的升高而降低，且各組間的差異顯著（P＜0.05）；

暴露時(shí)間相異，影響不同。暴露于（48.5 mg/l）菲不同時(shí)間的河蜆（Corbicula fluminea）死亡率隨時(shí)間的增加而上升。暴露于0.15 mg/l Phe 3 d的縊蟶（Sinonovacula constrzcta）DNA損傷程度以2級(jí)為主（小于0.6），而暴露15 d的縊蟶DNA損傷程度達(dá)到嚴(yán)重級(jí)別（大于0.6），與對(duì)照組差異顯著。

斑馬魚(yú)、鯰魚(yú)（Clarias gariepinus）、青鳉魚(yú)、河峴(Corbicula fluminea）、翡翠貽貝（Pernaviridis）、中華哲水蚤（Calanus sinicus）、中華絨螯蟹（Eriocheir sinensis）等暴露于Phe時(shí)，都出現(xiàn)了嚴(yán)重Phe中毒現(xiàn)象，Phe中毒均嚴(yán)重影響其抗氧化酶和DNA。

2 菲對(duì)水生動(dòng)物影響（致毒）的機(jī)理

大部分PAHs及其中間產(chǎn)物的致毒機(jī)制主要通過(guò)以下三種途徑致毒：①在原癌基因Ras易感位點(diǎn)激活Ras基因或發(fā)生突變，誘導(dǎo)其表達(dá)過(guò)量并致使細(xì)胞癌變；②直接與靶細(xì)胞DNA結(jié)合，導(dǎo)致DNA損傷和染色體畸變；③中間代謝產(chǎn)物參與機(jī)體的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生活性氧，導(dǎo)致脂類(lèi)和蛋白質(zhì)等生物大分子過(guò)氧化，造成機(jī)體生物膜損傷。

菲的毒性機(jī)制是通過(guò)受體和細(xì)胞色素P450酶介導(dǎo)，而且主要是受體介導(dǎo)。脊椎動(dòng)物都存在芳烴受體（AHR）。Phe通過(guò)與AHR結(jié)合途徑致毒，Phe與AHR結(jié)合，再與EAHR核轉(zhuǎn)錄因子（ARH nuclear translator）結(jié)合誘導(dǎo)細(xì)胞色素 P45101A（CYP1A）基因轉(zhuǎn)譯。Phe誘導(dǎo)P450 mRNA迅速上升，蛋白和細(xì)胞色素P450亞酶 CYP1A1活性增加，從而產(chǎn)生誘導(dǎo)作用。Tiem等(2011)發(fā)現(xiàn)，AHR2的作用是作為氧化還原基因感應(yīng)的中介。

3 菲的解毒及其機(jī)理

3.1 直接解毒

直接解毒是通過(guò)人為添加具有抗損傷作用的機(jī)體必需元素，從而直接而快速地發(fā)揮有效的解毒作用。維生素C（VC）和維生素E（VE）不僅是人和動(dòng)物包括水產(chǎn)動(dòng)物的必需微量營(yíng)養(yǎng)素，并且具有抗自由基損傷，增加免疫功能而參與機(jī)體解毒等，故VC、VE均有緩解菲中毒癥狀的功效。

3.1.1 VC解毒

菲污染導(dǎo)致機(jī)體不同程度的氧化和DNA損傷，而VC對(duì)氧化及DNA損傷均有顯著改善和修復(fù)作用，故其對(duì)機(jī)體菲中毒有解毒作用。VC是一種強(qiáng)抗氧化劑，它的最大特性是還原作用，通過(guò)還原效應(yīng)消除氧自由基的毒性。VC的抗氧化作用表現(xiàn)在可與、HOO-及OH-迅速反應(yīng),生成半脫氫抗壞血酸，清除單線態(tài)氧，還原硫自由基，其抗氧化作用依靠可逆的脫氫反應(yīng)來(lái)完成。添加外源VC可改善機(jī)體抗氧化能力，降低體內(nèi)脂過(guò)氧化物——丙二醛（MDA）的含量，提高組織內(nèi)VC的沉積量，并可顯著提高谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GPX）的活性，從而提升抗氧化能力。

添加VC可修復(fù)機(jī)體的氧化應(yīng)激損傷。添加不同劑量VC可顯著緩解建鯉（Cyprinus carpiovarJian）氧化應(yīng)激損傷的程度，于低濃度時(shí)添加越多，恢復(fù)SOD、CAT、GPX活性的能力越高，VC為28 mg/l時(shí)建鯉SOD、CAT、GPX活性均分別顯著高于對(duì)照組（0 mg/l VC）。給幼建鯉添加不同劑量VC，能顯著提高機(jī)體內(nèi)SOD、CAT、GPX、GST和GR活性。適宜濃度（30 mg/l）的VC能顯著提高普安銀鯽（Carassius auratus gibelio）胚胎及仔魚(yú)的抗氧化能力，并有效降低其受到的氧化損傷。

3.1.2 VE解毒

維生素E（VE）對(duì)菲中毒有顯著緩解作用。分別給PAHs致毒的紅鰭東方鲀（Fugu rubripes）注射VE 10、20 mg/尾和30 mg/尾，24 h后，發(fā)現(xiàn)機(jī)體超氧化物歧化酶酶活分別比對(duì)照組（0 mg/尾）高88.2%、65.7%和81.5%。飼料中的VE能夠有效提高大菱鲆（Scophthalmus maximus）幼魚(yú)的抗氧化能力。這是因?yàn)閂E是重要的非酶抗氧化物質(zhì)，具有很強(qiáng)的抗氧化作用，可以保護(hù)細(xì)胞膜和亞細(xì)胞膜，并對(duì)DNA損傷有修復(fù)作用。VE是最重要的脂溶性斷鏈型抗氧化劑，其速度比BHT快200倍（BHT是一種工業(yè)抗氧化劑，用于防止烤制食物脂肪氧化酸?。?。VE的抗氧化作用是與脂氧自由基或脂過(guò)氧化自由基反應(yīng)，向它們提供氫離子，使脂質(zhì)過(guò)氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中斷。

3.2 間接解毒

間接解毒的主要途徑是凈化環(huán)境。植物、微生物、土壤和其他一些因素對(duì)菲有轉(zhuǎn)化和吸附作用，能凈化環(huán)境，緩解毒害或解毒，但其機(jī)理各不相同。

3.2.1 植物解毒

用適宜的植物能有效去除環(huán)境中Phe。例如，用海洋灘涂耐鹽植物海馬齒（Sesuvium portu lacastrum Linn）修復(fù)Phe污染的海水4 d后，海水中Phe濃度降低了44.0%。在土壤含菲0.322 mg/kg范圍內(nèi)，種植高羊茅（Festuca arundinace）70 d后，Phe的去除率為52.82%～83.28%。

植物修復(fù)是利用植物及其根的微生物代謝活動(dòng)來(lái)吸收、積累、降解或轉(zhuǎn)化環(huán)境中的污染物，以達(dá)到凈化、修復(fù)環(huán)境的目的。與其他修復(fù)方式相比，植物修復(fù)具有投資少、效益高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。

3.2.2 微生物解毒

微生物是通過(guò)其對(duì)Phe吸附和轉(zhuǎn)化作用而達(dá)到解毒效果。細(xì)菌 Phx1在0.1OD接種量下，24 h內(nèi)能將25 ml MS培養(yǎng)基中的100 μg/ml菲降解殆盡。多食鞘氨醇桿菌屬（Sphingobacterium multivorum）（P-1、P-4）、芽孢桿菌屬（Bacillus Cohn）（P-2）、節(jié)桿菌屬（Arthrobacter）（P-3）、貪噬菌屬（Variovorax）（P-5）和考克氏菌屬（Kocuria kristinae）（P-6）均能有效降解Phe。

3.2.3 水體及其沉積物解毒

如果將菲中毒后的水生動(dòng)物置于無(wú)污染水環(huán)境一段時(shí)間，中毒程度會(huì)逐漸好轉(zhuǎn)，故凈化水環(huán)境是緩解菲中毒的一種有效措施。

水體沉積物對(duì)Phe有吸附作用，主要由沉積物或土壤中的礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)共同作用而解毒。沉積物和土壤中的非水解有機(jī)碳（NHC）和黑炭（BC）控制對(duì)Phe的吸附行為。

3.2.4 其他因素解毒

研究發(fā)現(xiàn)，能凈化水體中Phe的因素有氧含量、營(yíng)養(yǎng)元素、礦物質(zhì)、溫度、水中共存的污染物等，但機(jī)理各不相同。田華等(2015)研究表明，風(fēng)積砂中菲的自然降解符合準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，降解半衰期為17 d；菲的降解率與生物量呈正相關(guān)；25～35℃和中性條件能夠促進(jìn)風(fēng)積砂中菲的降解；氧的存在對(duì)于土壤中菲的降解具有重要作用。營(yíng)養(yǎng)素對(duì)Phe的吸收、轉(zhuǎn)化和降解有調(diào)節(jié)作用。提高鹽度能促進(jìn)Phe的吸附，促進(jìn)程度與沉積物所含的有機(jī)質(zhì)相關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

綜上所述，菲污染嚴(yán)重威脅水生動(dòng)物的生長(zhǎng)、發(fā)育和存亡。然而，過(guò)去研究Phe毒性及解毒物質(zhì)頗多，但研究機(jī)理較少而尚待進(jìn)一步弄清。隨著工農(nóng)業(yè)和城市化的迅猛發(fā)展，菲污染日益嚴(yán)重，未來(lái)應(yīng)該綜合利用多學(xué)科，從基因、分子、細(xì)胞、器官和整體水平，多層次地全面深入地研究Phe對(duì)生物特別是水生動(dòng)物的影響及解毒，特別要注重用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)從分子和基因水平研究其機(jī)理。具體地說(shuō)，應(yīng)注意研究：①Phe致毒的主靶器官、基因及機(jī)理；②對(duì)Phe敏感的生物標(biāo)記物；③Phe在體內(nèi)降解、排除的機(jī)制；④Phe解毒的方法及機(jī)理；⑤建立水體和沉積物的Phe濃度控制水平，保護(hù)水體生態(tài)環(huán)境和敏感的水生生物，服務(wù)于生產(chǎn)衛(wèi)生安全的漁業(yè)產(chǎn)品和發(fā)展可持續(xù)的漁業(yè)。