鎘對水生動物生物大分子的影響及機理

■許友卿 劉永強 李偉峰 丁兆坤*

(1.廣西北部灣海洋生物多樣性養(yǎng)護重點實驗室(欽州學院)，廣西欽州535011；2.廣西大學水產(chǎn)科學研究所 廣西高校水生生物健康養(yǎng)殖和營養(yǎng)調(diào)控重點實驗室，廣西南寧530004)

鎘(Cadmium，Cd)是飼料、食物、山、地和水中常見的污染物之一，是重金屬的典型代表。Cd 的離子態(tài)比絡合態(tài)的毒性大，僅微量就可導致魚等水生動物中毒、致畸、致癌等。水中Cd 極易被水生動物富集，并通過食物鏈轉(zhuǎn)移和蓄積，危害其他動物及人[1]。水中Cd 不但導致某些物種數(shù)量銳減乃至滅絕，也干擾整個水生生態(tài)系統(tǒng)[2]。因此，引起了特別關(guān)注。

水中Cd不易被降解，只能通過分散、轉(zhuǎn)化和富集等方式遷移[3]。盡管普通環(huán)境Cd含量很低，但許多水生動物對Cd 具有極強的富集能力，如貝類可富集105～106倍[4]。當體內(nèi)Cd累積速率大于Cd排出和解毒速率時，就會誘導機體產(chǎn)生大量活性氧自由基(reactive oxygen species, ROS)，ROS可與脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子反應，導致脂質(zhì)過氧化(LPO)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)異常和DNA 損傷，進而引起細胞結(jié)構(gòu)和功能損傷乃至死亡[5-6]。然而，鮮有報道利用Cd的毒性機理，調(diào)控和防護Cd對水生動物的危害，因為Cd對水生動物的毒害機理尚未徹底闡明。因此，Cd 對水生動物的毒理生理和生化影響途徑及機制尚需深入研究。

本文主要綜述Cd對水生動物生物大分子的影響及機理。旨在學習、理解和深入研究Cd 對水生動物核酸、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和糖原等的影響及其機制，更好地控制Cd污染，保護水生動物和生態(tài)環(huán)境，發(fā)展可持續(xù)的健康生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。

1 鎘對水生動物核酸的影響

核酸在水生動物生長、遺傳、變異等一系列重大生命現(xiàn)象中起決定作用，是生命最基本的物質(zhì)之一[7]。然而，Cd可影響核酸的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和基因表達等。

1.1 鎘損傷水生動物DNA，抑制DNA合成和修復

Cd 損傷DNA。暴露于Cd 24 h 后，斑馬魚(Danio rerio)肝的活細胞數(shù)目減少，這是由于Cd 累積引起細胞內(nèi)ROS 增加，后者導致DNA 鏈斷裂和細胞凋亡所致[8]。Jia 等[9]報道，Cd 可誘導鯉魚(Cyprinus carpio)脂質(zhì)過氧化和氧化應激反應，進而損傷肝細胞DNA。Cd 暴露顯著損傷泥蚶（Tegillarca granosa）血細胞DNA，且隨Cd濃度升高，DNA損傷程度增加[10]。Cd與核酸堿基結(jié)合導致核酸的結(jié)構(gòu)變化，從而改變細胞遺傳物質(zhì)或性狀[11]，乃至引發(fā)核溶解[12]。

Cd抑制DNA合成和修復。Pereira等[13]研究表明，Cd暴露導致斑馬魚胚胎細胞DNA雙鏈斷裂，抑制DNA依賴性蛋白激酶(DNA-PK)活性，進而影響對損傷DNA的修復途徑。Todd等[14]報道，亞致死濃度Cd主要通過ROS作為信號分子，下調(diào)斑馬魚胚胎修復蛋白2基因(MSH2)和修復蛋白6基因(MSH6)的表達。MSH2-MSH6基因表達受抑制，進而抑制DNA修復，導致細胞凋亡，并促進致癌效應[15]。Cd不僅可誘導鯽魚(Carassius auratus)DNA 損傷和基因異常表達，而且還抑制DNA合成和修復，Cd毒性作用呈劑量效應和時間效應，隨著Cd暴露濃度增加和時間延長，毒性作用增大[11]。

1.2 鎘導致水生動物基因表達異常

鯉魚暴露于Cd 5 mg/l，其基因組DNA 甲基化區(qū)域發(fā)生變化，導致一些沉默基因表達異常[16]。短暫的Cd 暴露可抑制銀鮭魚(Oncorhynchus kisutch)谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(GST)基因表達[17]。Cd 也抑制鮭魚特定的嗅覺過氧化物酶(POD)基因的表達[18]。Peng 等[19]指出，Cd 暴露可干擾抑制南美白對蝦(Litopenaeus vannamei)細胞分裂周期蛋白42(Cdc42)的表達。暴露于Cd 0.4 mg/l可導致稀有鮈鯽(Gobiocypris rarus)載脂蛋白C-I基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控異常[20]。

2 鎘對水生動物蛋白質(zhì)的影響

機體內(nèi)蛋白質(zhì)的種類很多，性質(zhì)和功能各異，均易受Cd的影響。

2.1 鎘對水生動物抗氧化酶的影響

Cd可改變抗氧化酶的活性，進而改變細胞對ROS及其產(chǎn)物的清除能力[21]。Cd對抗氧化酶活性的影響，因物種、組織器官、濃度和時間而異。暴露于Cd的截形斧蛤(Donax trunculus)乙酰膽堿酯酶(AChE)和GST活性均顯著低于對照組[22]。暴露于Cd的牙鲆(Paralichthys olivaceus)幼魚肝、腎和鰓GST、谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)、超氧化物歧化酶(SOD)活性顯著降低[23]。但是，低濃度Cd對水生動物抗氧化酶活性呈現(xiàn)短暫“誘導”，其后是“抑制”，而高濃度Cd抑制水生動物抗氧化酶的活性，并對機體造成氧化損傷，而且具有劑量效應和時間效應[10，24-25]。Huo等[26]給淡水龜（Chinemys reevesii）腹腔注射Cd 15 mg/kg后，顯著降低其血漿SOD和過氧化氫酶(CAT)活性，但于第4周，SOD活性逐漸升高。與此同時，Jamwal等[27]報道，用添加Cd 45 μg/g飼料投喂虹鱒(Oncorhynchus mykiss)，導致其肝、腎和肌肉中還原型谷胱甘肽(GSH):氧化型谷胱甘肽(GSSG)比率降低，脂質(zhì)過氧化增加，而SOD、CAT和GPx活性升高。暴露于Cd連續(xù)8 d，導致厚殼貽貝(Mytilus coruscus)和長江華溪蟹鰓組織SOD、CAT和GPx的活性均先升后降[28-29]。不同濃度Cd對背角無齒蚌(Anodonta woodiana)外套膜抗氧化酶(SOD、GPx和CAT)活性的影響，呈現(xiàn)“抑制-誘導-抑制”變化，而鰓抗氧化酶活性呈現(xiàn)“誘導-抑制”變化，且鰓誘導SOD、GPx和CAT活性早于外套膜[30]。Cd對不同組織器官抗氧化酶活性誘導差異，可能是因為不同組織器官的結(jié)構(gòu)和功能相異所致。

2.2 鎘對水生動物其他功能性蛋白的影響

Cd可與機體許多酶的活性基團(如-SH、-NH2、-OH等)結(jié)合，生成不溶性物質(zhì)，從而改變酶系統(tǒng)[31]。Cd在進入生物體后可與GPx分子中的硒結(jié)合形成Cd-Se復合物，從而破壞GPx 活性中心的Se 代半胱氨酸結(jié)構(gòu)，導致GPx 失去活性[32]。于Cd 1.0 mg/l 暴露30 d，導致金頭鯛(Sparus aurata) 血清補體活性和白細胞呼吸顯著降低，而血清CAT 活性及白細胞吞噬功能則增加，但血清免疫球蛋白M(IgM)水平和白細胞過氧化物酶活性并未改變[33]。亞致死濃度CdCl2導致海鞘（Botryllus schlosseri）血細胞肌動蛋白架構(gòu)變更而影響其吞噬作用[34]。紫貽貝(Mytilus edulis)暴露于Cd 100 μg/l 15 d，可引起其消化腺體功能障礙，tRNA-氨酰化效率降低40%，進而影響蛋白質(zhì)合成[35]。

Cd抑制日本對蝦(Penaeus japonicus)血清中谷草轉(zhuǎn)氨酶(GOT)、谷丙轉(zhuǎn)氨酶(GPT)和堿性磷酸酶(AKP)，而且隨著鎘濃度增加，抑制作用加強[36]。Cd不僅通過影響酶活性而抑制蛋白質(zhì)合成，還可通過酶的活性影響機體能量代謝。Cd可抑制盤麗魚(Symphysodon sp)腎ATPase活性而抑制其能量代謝[37]。高濃度Cd顯著降低喀拉鲃(Catla catla)血液中血紅蛋白(Hb)和總紅血細胞(TRBC)含量以及紅細胞壓積(PCV/HCT)，進而抑制各組織的氧氣供應，從而導致魚體代謝緩慢和產(chǎn)能過低[38]。

3 鎘對水生動物脂肪的影響

脂肪不僅是機體供能和儲能的重要物質(zhì)，也是生物膜的重要結(jié)構(gòu)成分。水生動物尤其是魚類利用脂質(zhì)作為主要能源物質(zhì)，因此脂質(zhì)代謝在機體維穩(wěn)方面發(fā)揮非常重要的作用[39]，對生命活動極具意義[40]。

3.1 鎘對水生動物脂肪含量的影響

Cd暴露可影響魚類脂肪生成酶和脂肪分解酶的活性，從而影響脂肪代謝和脂質(zhì)含量[41]。Pan等[42]發(fā)現(xiàn)，在Cd 0～25 μg/l暴露30 d的斑馬魚肝脂質(zhì)代謝紊亂，肝甘油三酯含量顯著增加。Cd降低斧蛤體內(nèi)ω-3多不飽和脂肪酸(PUFAs)的含量，因為PUFAs是Cd激活脂質(zhì)過氧化的主要對象[43]。于Cd環(huán)境暴露30 d，導致虹鱒(Oncorhynchus mykiss)體內(nèi)甘油三酯和膽固醇含量先降后增[44]。

Cd對脂質(zhì)的影響因其濃度和時間而異。暴露于低濃度氯化鎘(CdCl2)，克氏原螯蝦血清中膽固醇、甘油三酯水平逐漸上升，而暴露在高濃度CdCl2時，二者顯著下降[45]。泥蚶在一定Cd濃度范圍內(nèi)，其肌肉中磷脂酰肌醇(PI)含量隨Cd濃度增加而減少，呈負相關(guān)；反之，磷脂酰膽堿(PC)和磷脂酰乙醇胺(PE)的含量呈正相關(guān)。例如，暴露于Cd 1.2 mg/kg組的泥蚶肌肉PI含量比暴露于Cd 0.12 mg/kg組減少35.85%，但是PC和PE含量分別增加27.11%和26.32%[46]。隨著暴露時間增加，淡水蟹(Sinopotamon henanense)脂質(zhì)和甘油三酯(TG)含量逐漸減少，表明更多的能量被用于暴毒應激消耗[2]。

3.2 鎘對水生動物脂質(zhì)過氧化的影響

脂質(zhì)過氧化是多不飽和脂肪酸(PUFAs)或脂質(zhì)在活性氧攻擊下氧化變質(zhì)，最終分解為丙二醛(MDA)的過程[47]。河南華溪蟹于Cd 58、116 mg/l暴露7 d，導致其體內(nèi)脂質(zhì)過氧化終產(chǎn)物——MDA含量較對照組極顯著增加(P＜0.01)[48]。Cd對水生動物脂質(zhì)過氧化的影響，因劑量、作用時間和組織器官而異。Zheng等[49]報道，成年雌性斑馬魚之腦和肝ROS、一氧化氮(NO)、MDA，隨Cd暴露時間延長而增加，即具有時間效應。在Cd 0.05 mg/l暴露35 d的鯽魚肝胰MDA含量是對照組的325%(P＜0.05)[50]。亞東鮭(Salmo truttabfario)腎和肝[51]以及背角無齒蚌(Anodonta woodiana)外套膜和鰓[30]的MDA含量，隨所暴露的Cd濃度增加而增加，即呈劑量效應，也隨暴露時間延長而增加，即呈時間效應。然而，McRae等[52]報道，于Cd 0～10 μg/l暴露96 h的大斑南乳魚(Galaxias maculatus)腎CAT活性和脂質(zhì)過氧化水平?jīng)]有顯著變化，但于Cd＞25 μg/l時，魚肝脂質(zhì)過氧化水平顯著增加，CAT活性顯著降低。暴露于Cd 0～32 mg/l的河口泥螺(Amphibola crenata)內(nèi)臟組織中CAT活性，隨Cd濃度增加而提高，脂質(zhì)過氧化水平無明顯變化[53]。Na?ja等[54]報告，孔雀魚(Salaria pavo)完全暴露于Cd 2 mg/l環(huán)境1 d，其肝中MDA含量是對照組的1.8倍，但鰓MDA含量沒有變化。Fang等[55]報道，鯽魚于Cd暴露14 d后，其肝MDA含量顯著升高，而21 d后MDA的含量迅速降低。這可能是因為MDA本身是一種毒性物質(zhì)，MDA積累會影響細胞膜上與調(diào)節(jié)細胞增殖、分化或凋亡相關(guān)酶的功能，進而引起一系列功能紊亂所致。

4 鎘對水生動物糖原的影響

糖類(或碳水化合物)是機體最重要的供能物質(zhì)，也是構(gòu)成細胞膜、神經(jīng)組織和機體的重要原料，參與細胞的多種活動。Cd暴露刺激機體代謝，消耗體能而影響糖原含量。De Silva等[53]發(fā)現(xiàn)，Cd導致河口泥螺內(nèi)臟團能量代謝紊亂，包括血淋巴葡萄糖水平升高，組織糖原水平降低，且與Cd濃度呈顯著的劑量效應。Cd脅迫顯著降低寬額鱧(Channa gachua)肝和性腺糖原水平[56]。暴露于Cd 環(huán)境14 d 的鰱魚(Hypophthalmichthys molitrix)肌肉糖原和甘油三酯水平顯著下降，血清葡萄糖和乳酸水平顯著上升，表明Cd 顯著影響魚體的能量代謝[57]。Tripathi等[58]報道，于亞致死濃度Cd暴露30 d的條紋密鱸(Colisa fasciatus)總蛋白、總糖原以及核酸(DNA、RNA)含量均下降，但其血糖水平卻增加。與此相似，暴露在Cd環(huán)境的虹鱒[44]和克氏原螯蝦[45]的血糖含量均顯著升高，這可能是機體糖代謝途徑受Cd干擾所致。

5 鎘對水生動物生物大分子影響的機理

5.1 鎘直接或間接作用于DNA

Cd2+進入水生動物機體后，不僅能引起細胞內(nèi)細胞器的形態(tài)改變，而且能與功能蛋白質(zhì)結(jié)合，占據(jù)酶的活性位點使之失活，導致代謝紊亂，同時Cd2+能與帶負電的核酸結(jié)合，引起核酸裂解[59]。Cd通過置換細胞膠質(zhì)和內(nèi)膜蛋白絡合的銅、鐵等金屬離子而導致機體產(chǎn)生ROS，或通過損傷線粒體而誘導ROS，后者攻擊DNA鏈導致DNA單/雙鏈斷裂等。Cd引起DNA 錯配，增加突變頻率，并導致DNA交聯(lián)。Cd損害DNA修復系統(tǒng)，抑制DNA修復酶的活性，從而增加對DNA的損傷作用[60]。

5.2 鎘作用于大分子羧基、氨基、巰基等基團

Cd 與酶的活性位點結(jié)合影響其活性和功能。Cd2+可以取代谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶中的Zn2+而致其失活[59]。Olszowski 等[61]發(fā)現(xiàn)，Cd與線粒體中蛋白質(zhì)硫醇結(jié)合，改變線粒體膜的通透性，進而抑制呼吸鏈反應，并生成ROS，對機體造成氧化損傷。Cd 通過細胞膜上的離子通道進入細胞，使線粒體膜受損，脂肪酸代謝酶活性下降，進而影響脂質(zhì)代謝[62]。Cd顯著抑制脂肪酸去飽和酶的活性，從而使機體的脂肪酸水平發(fā)生改變，進而導致一些病理過程[61]。

5.3 鎘影響基因表達

Cd 通過影響脂蛋白酶(LPL)、肉毒堿棕櫚基轉(zhuǎn)移酶II(Carnitine palmitoyl transferase II，CPTII)和過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor, PPAR)mRNA 的表達，進而影響脂質(zhì)合成與脂肪酸氧化相關(guān)酶的活性，導致機體脂肪代謝異常[63]。Cd 可誘導提高黃鯰魚(Pelteobagrus fulvidraco)肝PLP、脂肪酸合成酶(FAS)和PPARγ基因的表達，從而加速肝脂質(zhì)代謝[64]。高濃度Cd 不僅影響水生動物脂質(zhì)代謝相關(guān)酶基因的表達（如上調(diào)乙酰輔酶A羧化酶(ACC)和脂肪酸延長酶(FAE)的mRNA 表達，下調(diào)PPARα、肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶(carnitine palmitoyl transferase, CPT)、?；o酶A氧化酶(ACOX)和甾醇載體蛋白(SCP)的mRNA 表達），還抑制甲狀腺激素基因的表達而影響甲狀腺激素通路對脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)[65]。

5.4 鎘改變能量代謝

Cd暴露可使日本虎斑猛水蚤(Tigriopus)中磷酸丙糖異構(gòu)酶(Triosephosphate isomerase)和果糖-1，6-二磷酸酶(Fructose-1，6-bisphosphatase)基因表達上調(diào)，加強糖酵解途徑[32]。暴露在Cd 的淡水蝦呼吸速率顯著增加，肌糖原濃度顯著減少，這是因為糖酵解的反應速率增加所致[66]。Hani等[67]報道，于Cd 0.5 μg/l暴露90 d的刺魚(Gasterosteus aculeatus)腸胰蛋白酶、淀粉酶和腸堿性磷酸酶活性受抑制，影響能量代謝，體內(nèi)糖原、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)能量儲備顯著減少。Cd顯著促進斑馬魚肝脂肪酸合成酶(FAS)、6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶(6PGD)、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PD)和蘋果酸酶(ME)的活性，但抑制肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1(CPT1)、激素敏感脂肪酶α(HSLα)和脂肪三?；视椭久?ATGL)的活性，還誘導線粒體膜電位異常，影響能量代謝[42]。

6 結(jié)語與展望

綜上所述，Cd可通過各種途徑影響水生動物核酸、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、糖原等生物大分子，并有劑量效應、時間效應和組織器官差異，其毒性機制尚未完全弄清。今后應利用現(xiàn)代分子生物學和細胞生物學等手段，深入研究Cd對水生動物生物大分子的影響和毒性分子機制、水生動物的應答和調(diào)控機理，特別應加強下述研究：

①探討相關(guān)研究技術(shù)，為深入研究提供先進的技術(shù)保障。

②深入研究Cd對生物大分子毒性影響及機理。

③深入研究Cd的解毒機制。

④篩選出對Cd敏感的分子生物標記物。

⑤探索降低Cd污染的措施和方法。

⑥調(diào)控Cd污染、保護水生生物和生態(tài)環(huán)境的應用研究。