鎘在蝦蟹中的生物富集和毒性效應(yīng)的研究進展

李玲，吳方舟，梁金榮，劉虎，郭慧，申玉春

（1.廣東海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，廣東 湛江 524025；2.湛江市海洋生態(tài)與養(yǎng)殖環(huán)境重點實驗室，廣東 湛江 524025）

鎘（cadmium，Cd）是一種天然存在的重金屬[1]，是對人體和生態(tài)系統(tǒng)具有毒害作用的物質(zhì)[2]。環(huán)境中的鎘污染物難以降解，可隨食物鏈遷移和累積，富集到更高營養(yǎng)級的生物體內(nèi)[3]。在人體內(nèi)，鎘的半衰期長達(dá)7～30 年，可在人體積蓄50 年之久，長期攝入微量鎘，可以引起“痛痛病”[4]。鎘廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，易造成土壤、水體污染[5]。第一次全國污染源普查結(jié)果顯示，全國工業(yè)源共產(chǎn)生Cd 量為2 673.1 t，排放量為37.7 t[6]。2012 年廣西龍江發(fā)生重金屬鎘污染事件，鎘排放量達(dá)21 t[7]。2016 年冬季太湖湖水的鎘含量為0.74 μg/L[8]。2019 年7 月23日，我國生態(tài)環(huán)境部將鎘及鎘化合物列入有毒有害水污染物名錄（http://www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk01/201907/t20190729_712633.html）。鎘污染與公眾健康的關(guān)系受到人們的密切關(guān)注。

Hao 等[9]調(diào)查舟山和海南海域水生生物鎘含量時，發(fā)現(xiàn)蟹類體內(nèi)的鎘含量都遠(yuǎn)高于魚類。甲殼動物是水生態(tài)系統(tǒng)中分布較為廣泛的種群，其富集重金屬能力強于魚類[10]，對水環(huán)境中各種理化性質(zhì)的變化反應(yīng)較靈敏，是適合評估水生生態(tài)環(huán)境健康狀態(tài)的標(biāo)志生物。甲殼動物是人類主要食用海產(chǎn)品之一，特別是十足目蝦蟹類是我國乃至世界范圍內(nèi)重要的養(yǎng)殖對象[11]。甲殼動物通過攝食或鰓呼吸吸收水體中離子態(tài)的重金屬并累積在體內(nèi)，富集到危險濃度時，嚴(yán)重影響其生理生化過程[12]。鑒于此，本文歸納了蝦蟹各組織中的鎘含量分布與生物富集特點，并闡述了鎘對蝦蟹的毒性效應(yīng)，以期為深入研究甲殼動物抗重金屬脅迫的響應(yīng)機制提供參考。

1 水中鎘污染物的來源

鎘是一種呈銀白色，略帶淡藍(lán)光澤，質(zhì)軟，富有延展性的重金屬，其所有化學(xué)形態(tài)都具有毒性。鎘是非必需的重金屬無機污染物，廣泛存在水生生態(tài)系統(tǒng)中[13]。鎘來源主要有天然來源和人為來源。天然來源包括海底火山噴發(fā)將地殼深處的重金屬帶上海底，把重金屬及其化合物帶入海洋；地殼巖石風(fēng)化后通過陸地徑流、大氣沉降等方式將重金屬注入河流、湖泊、海洋，增加水體中的重金屬含量[14]。人為來源包括礦山與海洋油井的開采、工農(nóng)業(yè)污水（如電鍍、冶金、蓄電池、制革、顏料、涂料以及化工廠的排水、重金屬農(nóng)藥等）[15]。

2 蝦蟹類對鎘的生物富集規(guī)律

2.1 鎘進入蝦蟹體內(nèi)的途徑

重金屬進入蝦蟹體內(nèi)的途徑主要有4 類[16]：（1）鰓的呼吸作用，甲殼動物通過鰓的呼吸作用吸收重金屬離子，經(jīng)血液循環(huán)系統(tǒng)輸送到機體各組織；（2）受鎘污染的飼料，凡納濱對蝦Litopenaeus vannamei 攝食鎘污染的飼料，其生長速率被抑制和肝胰腺結(jié)構(gòu)損傷[17]；（3）體表滲透交換作用，甲殼動物的體表可通過與水體的滲透交換作用富集重金屬；（4）食物鏈的傳遞，浮游藻類等水生植物通過絡(luò)合或離子交換的方式吸附水中的重金屬，經(jīng)食物鏈進入甲殼動物體內(nèi)。目前認(rèn)為水生生物富集重金屬的主要途徑是攝食[18]，但水環(huán)境中的鎘離子通過鰓呼吸作用和體表滲透方式進入體內(nèi)亦不可忽視。

2.2 鎘在蝦蟹體內(nèi)的組織分布

蝦蟹動物的鰓直接接觸外界水環(huán)境，所以鰓絲表面易聚集重金屬或者重金屬離子通過鰓呼吸進入體內(nèi)。肝胰腺是甲殼動物最重要的消化器官，是消化、吸收、代謝和營養(yǎng)物質(zhì)儲存的主要場所[19]。重金屬進入蝦蟹體內(nèi)后，一部分通過肝胰腺代謝排出體外，另一部分通過消化道吸收蓄積在肌肉組織中。王劍萍和申屠基康[20]檢測三種蟹體中肝胰腺鎘富集平均含量：三疣梭子蟹Pounus trituberculatus最高為2.48 mg/kg，鋸緣青蟹Scylla serrata 0.5 mg/kg，中華絨螯蟹Eriocheir sinensis 0.39 mg/kg。據(jù)檢測，墨西哥西北海岸的加州對蝦Penaeus californiensis雄蝦各組織的鎘富集含量分別為：肝胰腺（13.6±1.9）mg/kg＞鰓（0.3±0.1）mg/kg＞肌肉（0.1 mg/kg）[21]。Ma 等[22]發(fā)現(xiàn)，河南華溪蟹Sinopotamon henanense在23.2 mg/L 鎘脅迫下3 d 后，其鰓中鎘濃度為（20.81±2.01）mg/kg，5 d 后其肝胰腺和肌肉的鎘含量分別為（9.80±0.35）mg/kg 和（6.70±0.3）mg/kg，各組織富集鎘的能力順序為鰓＞肝胰腺＞肌肉。另外，在500 μg/L 鎘暴露下，日本囊對蝦Marsupenaeus japonicus 的鎘富集量隨著時間增加而增加；在相同時間內(nèi)，日本囊對蝦的鎘富集量依鎘濃度增加，其大小順序為500 μg/L＞50 μg/L＞5 μg/L＞0 μg/L[23]。鎘在蟹體中鰓、肌肉和肝胰腺的累積量也具有暴露時間、劑量的依賴性[22]。綜上可知，蝦蟹類富集鎘的主要組織是肝胰腺和鰓絲，且不同組織中鎘含量隨著鎘濃度、暴露時間增加而增加。

2.3 鎘與金屬硫蛋白（MT）的關(guān)系

鎘進入人體后，與金屬硫蛋白（Metallothionein，MT）形成鎘硫蛋白，蓄積在肝和胃中。MT 是一類廣泛存在于生物中的低分子量、能被金屬誘導(dǎo)的金屬結(jié)合蛋白[24]，富含半胱氨酸（Cys），能螯合金屬離子，調(diào)節(jié)微量元素貯存、運輸和代謝及具有對重金屬有解毒作用和清除活性氧的功能[25,26]。MT 含量與水環(huán)境和體內(nèi)組織中的重金屬含量之間有顯著的相關(guān)性，可將MT 可以作為重金屬暴露的生物標(biāo)志物[27]。Wu 等[28]發(fā)現(xiàn)長時間鎘脅迫下，凡納濱對蝦肝胰腺的MT 含量呈先上升后緩慢下降的變化趨勢，總體水平仍比對照組高。Ma 等[22]發(fā)現(xiàn)河南華溪蟹在不同濃度的鎘脅迫下，其MT 濃度在第1 d 達(dá)到最大值，隨后降低；其MT 濃度在不同組織中大小順序為：肝胰腺、鰓、肌肉和卵巢。趙艷芳等[29]發(fā)現(xiàn)總鎘含量高的三疣梭子蟹Portunus trituberculatus 肝胰腺中的Cd 主要與MT 結(jié)合，而鎘含量低的肝胰腺組織中Cd 主要與Cys 結(jié)合，MT、Cys 作為解毒物質(zhì)，能夠通過巰基與金屬離子結(jié)合形成無毒或低毒的配合物而排出體外，從而起到解毒的作用。但王曉玲[30]認(rèn)為Cd 與紫貽貝Mytilus edulis 體內(nèi)的MT結(jié)合成Cd-MT 后，更難將鎘離子代謝排出體外。金屬硫蛋白能減輕鎘的毒性作用，可能是一方面MT螯合Cd2+形成Cd-MT，降低游離鎘離子濃度；另一方面MT 清除活性氧，降低活性氧對組織的氧化損傷。

3 鎘的毒性效應(yīng)

重金屬對水生生物的毒性效應(yīng)分為致死效應(yīng)和行為影響。這些影響主要表現(xiàn)為:直接毒死生物個體，抑制某些酶活性，降低其免疫抵抗力和攝食。

3.1 鎘的毒性作用方式

重金屬對甲殼動物的毒性作用方式可分為三種：一是單一重金屬的毒性作用，且不同種類的單一重金屬對甲殼動物的毒性強弱不同；二是同一金屬對不同階段的生物的毒性強弱不同；三是兩種及兩種以上重金屬的聯(lián)合作用[31]。半數(shù)致死濃度（LC50）是衡量水中毒物對水生動物毒性大小的重要參數(shù)，其LC50越大，其生物毒性越小，其LC50越小，其生物毒性就越大。姜會超等[32]發(fā)現(xiàn)Hg、Cu、Cd、As、Zn 對日本對蝦Penaeus japonicas 胚胎LC50分別為：0.0177 mg·L-1、0.1070 mg·L-1、1.6057 mg·L-1、3.3682mg·L-1、8.2644 mg·L-1，即Hg＞Cu＞Cd＞As＞Zn。毒物的致死效應(yīng)與受試動物暴露時間有密切關(guān)系，所以LC50需要標(biāo)明受試時間，如脊尾白蝦Exopalaemon carinicauda 在24 h、48 h、72 h、96 h 的LC50分別為：0.66 mg·L-1、0.379 mg·L-1、0.343 mg·L-1和mg·L-1[33]。鎘對不同生長階段的水生生物的毒性不同，Cd 對體長6～9 mm、體質(zhì)量2～8.5 mg 的凡納濱對蝦幼蝦的24hLC50為2.22 mg·L-1[34]；體長（8.00±0.53）cm,體質(zhì)量（5.31±0.56）g 的凡納濱對蝦的24h LC50為0.952 mg·L-1[35]，幼蝦的整體抵抗力較強，可能與其自身新陳代謝快有關(guān)。重金屬的毒性強弱與游離重金屬離子相關(guān)。一方面，游離的金屬離子濃度與鹽度成反比，而非重金屬的總濃度，在鹽度為5 ppt、15 ppt、27 ppt 海水中，凡納濱對蝦的鎘96h LC50分別是0.45 mg·L-1、0.69 mg·L-1和1.02 mg·L-1[36]。另一方面鹽度高低影響蝦蟹的滲透壓，影響機體對金屬離子的吸收能力。

3.2 鎘中毒原理

Cd 通過攝食、呼吸，甚至皮膚進入動物體內(nèi)[37]，代謝周期長，可通過食物鏈進行積累和生物放大[38]，引起機體生化改變、生理機能障礙和形態(tài)畸形，包括氧化應(yīng)激、凋亡和致癌作用等[39]。鎘通過與蛋白質(zhì)、DNA 的巰基、硫酸鹽和羰基位點結(jié)合，抑制DNA 修復(fù)功能[40]，導(dǎo)致蛋白質(zhì)和DNA 結(jié)構(gòu)、功能受損[41]。鎘降低肝臟細(xì)胞的抗氧化能力并損傷其線粒體功能，引起肝臟內(nèi)活性氧增加，自由基與脂質(zhì)的代謝障礙[42]。游離的鎘離子誘導(dǎo)機體產(chǎn)生大量活性氧（ROS），過量的ROS 能氧化損傷生物大分子如DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)[43]。線粒體是細(xì)胞產(chǎn)生活性氧的主要場所，細(xì)胞內(nèi)大約90%的氧被線粒體所消耗，大部分氧被電子傳遞鏈所傳來的電子還原為水，小部分氧被電子傳遞鏈中漏流出來的電子單價還原，形成超氧陰離子[44]。正常生理狀態(tài)下，細(xì)胞內(nèi)存在抗氧化酶系統(tǒng)維持活性氧產(chǎn)生和清除的平衡。一旦細(xì)胞內(nèi)氧化還原的平衡被打破，線粒體功能出現(xiàn)紊亂，會使正常氧化還原過程產(chǎn)生更多的ROS。ROS 增多會影響線粒體呼吸鏈復(fù)合物的活力，從而影響線粒體的氧化磷酸化而降低細(xì)胞內(nèi)ATP 的合成，導(dǎo)致能量代謝混亂，抑制生長、繁殖等過程。引起線粒體膜通透性的改變，誘導(dǎo)Ca2+和細(xì)胞損傷的因子如細(xì)胞色素C（Cyt C）等釋放；干擾線粒體DNA的轉(zhuǎn)錄與翻譯，抑制線粒體DNA 編碼蛋白的合成，影響線粒體蛋白的正確表達(dá)；還可以直接攻擊細(xì)胞生物大分子如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)及核酸等，引起細(xì)胞的氧化性損傷[45]。以上途徑又進一步產(chǎn)生更多ROS，形成一個惡性循環(huán)，最終引起細(xì)胞凋亡或壞死。

3.3 鎘對蝦蟹的免疫影響

一般認(rèn)為，甲殼動物等無脊椎動物只有先天性免疫，包括細(xì)胞免疫和體液免疫。血細(xì)胞包括透明細(xì)胞、小顆粒細(xì)胞和大顆粒細(xì)胞，可以通過識別、吞噬、包囊、排出或者通過釋放免疫物質(zhì)來清除病原體或外來物[46]。研究發(fā)現(xiàn)，10-3mol·L-1Cd2+對凡納濱對蝦血細(xì)胞的吞噬活力，抑制率為79.6%[47]。10-9～10-6mol·L-1的Cd2+對羅氏沼蝦Macrobrachium rosenbergii 的離體血細(xì)胞活性和酯酶活力沒有顯著影響；但Cd2+濃度達(dá)到10-5mol·L-1時，顯著抑制了酯酶的活力；達(dá)到10-4mol·L-1和10-3mol·L-1時，細(xì)胞活性和酯酶活力均顯著下降[48]。擬穴青蟹Scylla paramamosain 的血細(xì)胞總數(shù)在Cd2+脅迫1 d 后顯著下降[49]。

3.3.1 鎘對活性氧及其抗氧化酶系統(tǒng)的影響

當(dāng)必需和非必需重金屬濃度在水生生物體中蓄積超出一定值后，都會產(chǎn)生大量活性氧ROS[50]。ROS 包括超氧陰離子（O2-·）、羥自由基（OH·）和過氧化氫（H2O2）、以及由此衍生的有機過氧化物自由基（RO·、ROO·）、單線態(tài)氧（1O2）等物質(zhì)[51]。超氧歧化物酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）在平衡體內(nèi)ROS 含量起重要作用。SOD 催化超超氧陰離子（O2-·），迅速轉(zhuǎn)換成過H2O2[52]。CAT和GPx 將H2O2消除并轉(zhuǎn)化為H2O 和O2，消除H2O2[53]。丙二醛（MDA）是脂質(zhì)過氧化的二次產(chǎn)物，反映了ROS 攻擊的程度，可作為膜損傷的指標(biāo)[54]。美食奧螻蛄蝦Austinogebia edulis 在0.5 mg·kg-1鎘脅迫時，肌肉的SOD、CAT、GPx 活力增加；在5 mg·kg-1鎘濃度下，肌肉的SOD、CAT 和GPx 活力顯著下降，MDA 含量顯著增加[55]。通常，低毒物濃度下出現(xiàn)的活性升高現(xiàn)象被稱為“毒物興奮效應(yīng)”；而高劑量的重金屬離子則抑制正常的生理過程，被稱為“毒物抑制效應(yīng)”[56]。高濃度鎘離子與SOD、谷胱甘肽還原酶（GSSG-R）的巰基結(jié)合，與GPx 中的硒形成硒鎘復(fù)合物，或取代銅鋅超氧岐化酶（Cu/Zn-SOD）中的Zn，使抗氧化酶的活性降低或喪失[57]，造成機體ROS失衡，造成細(xì)胞或組織氧化損傷。

3.3.2 鎘對溶酶體的影響

溶酶體是分解蛋白質(zhì)、核酸、多糖等生物大分子的亞細(xì)胞器，是甲殼動物免疫防御系統(tǒng)和健康狀態(tài)的生物標(biāo)志物[58]。過量的ROS 改變?nèi)苊阁w膜通透性，向細(xì)胞質(zhì)中釋放水解酶如溶菌酶（LSZ），酸性磷酸酶（ACP）和堿性磷酸酶（AKP）[59]。由此可見，溶酶體膜通透性和水解酶活力均是檢測甲殼動物應(yīng)對環(huán)境脅迫下的重要免疫指標(biāo)[60]。河南華溪蟹Sinopotamon henanense 在0.725 mg·L-1、1.450 mg·L-1和2.900 mg·L-1鎘脅迫14 d 和21 d 后，其溶酶體膜的穩(wěn)定性比對照組明顯降低，在處理時間內(nèi)各實驗組的酸性磷酸酶活性顯著升高，堿性磷酸酶活性在2.900 mg·L-1鎘實驗組達(dá)到最高值[61]。秦圣娟[62]發(fā)現(xiàn)河南華溪蟹在29 mg·L-1、58 mg·L-1鎘暴露下，血清ACP、AKP 活力都在處理時間內(nèi)升高。擬穴青蟹暴露于不同Cd2+濃度1 d 后0.025 mg·L-1、0.1 mg·L-1Cd2+濃度組擬穴青蟹血清中溶菌酶活性較對照組顯著上升；3 d 后只有0.1 mg·L-1Cd2+濃度組擬穴青蟹血清中溶菌酶活性仍呈顯著升高狀態(tài)，其余Cd2+濃度組地擬穴青蟹血清中溶菌酶活性與對照組差異不顯著[63]。

4 結(jié)語

水環(huán)境中的鎘來源廣泛，威脅甲殼動物和人類健康，需要嚴(yán)格控制其廢水排放和管理漁業(yè)養(yǎng)殖環(huán)境。甲殼動物主要通過攝食鎘污染的食物富集鎘，但水環(huán)境中的鎘離子通過鰓呼吸和體表滲透不可忽視。蝦蟹類富集鎘的主要組織是肝胰腺和鰓絲，且不同組織中鎘含量隨著鎘濃度、暴露時間增加而增加。鎘離子誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生大量活性氧，過量的活性氧氧化損傷DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等生物大分子；鎘離子抑制抗氧化酶活性，進一步加重細(xì)胞損傷或凋亡。金屬硫蛋白含量與體內(nèi)組織中的重金屬含量之間有顯著的相關(guān)性，可將MT 可以作為重金屬暴露的生物標(biāo)志物。