底栖动物对重金属生物有效性的研究进展

底栖动物对重金属生物有效性的研究进展陈爱华，张学辉，宋端阳（大连水产学院，大连，116023）E-mail：[e-mail]摘要:重金属污染物的排放和扩散造成了日益严重的环境污染，如何消除环境中的重金属污染物已成为国际性难题。因此，研究底栖动物对重金属的生物降解，以尽快恢复和优化养殖环境，对我国海水养殖业健康发展以及滩涂、浅海和湿地资源的可持续利用具有重要的理论和现实意义。并探讨了底栖动物机体对重金属的解毒机理，指出海洋底栖动物对重金属治理有着巨大的作用。关键词：底栖动物重金属生物有效性重金属污染的范围广，持续时间长，又不易在生物物质循环和能量交换中分解[1],并且能沿食物链转移富集、污染后不易被发现且难于恢复等特点，这使得重金属污染是近年渔业环境污染的公害之一，且形势十分严峻。而现行的重金属工业治理技术，主要是采用物理化学方法，包括吸附、离子交换、膜和化学沉淀以及溶剂提取等，虽能达到一定的效果，但大多投资和运行费用较高且有的操作复杂而难以推广，对于大流域低浓度有害的重金属污染，更是难以处理。金属污染及其治理是当前环境科学研究中的一个重要问题。微生物和植物修复技术各存在优缺点，但对于受污染的海洋沉积物，微生物和植物技术在环境治理中还存在很大的局限性。因此，研究快速消除重金属污染的方法，以尽快恢复和优化养殖环境，对我国海水养殖业健康发展以及滩涂、浅海和湿地资源的可持续利用具有重要的理论和现实意义。多毛类是典型的沉积食性底栖动物，其对底质沉积物的摄食活动不仅维持着种群的丰度，也影响到沉积物的理化性质，是海洋生态食物链中的一个重要环节。多毛类沙蚕可以很好地利用底质中的有机污染物和一些重金属转化为自身的生产力，它们作为海洋食物链中的一个分室既是生产单元，又能够净化底质，使系统内部的废弃物再利用和循环，增加环境生态效益,是海洋生态系统中生物净化的重要生物种类。越来越多的研究表明，海洋底栖动物对污染沉积质治理有着巨大的作用，因此，发展多种生物类群的综合生态治理无疑会对海洋污染环境治理有着巨大功效。．重金属致毒的化学机理化学元素对生物体有益或有害,与生物体在长期演化过程中积累的对元素的吸收选择性有关。若元素在环境中丰度很低,或存在形式不易被生物体接受,生物体在进化过程中就缺乏涉及这类元素的经验。一旦它们侵入生物体,由于未发展出相应的利用或防御机制,生物体难以做出适当反应,于是便发生中毒。重金属元素以自由离子存在时,并不发挥(或只有极弱的)生理活性,只有它们与特定结构的生物配体结合到一起,才表现出生物活性。按相对分子量的大小,生物配体可分为小分子配体(如氨基酸、卟啉、核苷酸等)和大分子配体(如蛋白质、核酸等)。生命活动中的许多重要反应,是在大分子配体同金属离子配位结合之上进行的,其生化活性在很大程度上依赖于生物大分子配体的独特结构及性质,因此,重金属致毒机理中一部分重要的化学基础也建立在金属-生物分子的配位结合之上,并与生物大分子配体的结构密切相关[2]，如金属硫蛋白。2.与降解作用有关的蛋白2.1金属硫蛋白(MTs)重金属对生物的有效性是指重金属对生物的毒性效应或被生物吸收利用的性质。现在认为，金属硫蛋白是其中昀重要的评价指标之一。金属硫蛋白(metallothionein,MTs)是一类低分子量、高金属含量、富含半胱氨酸、诱导性很强的金属结合蛋白。动物对摄入体内的重金属有一定的解毒能力，细胞内会合成巯基蛋白与重金属结合成金属巯基排出体外。自Margoshes和Vallee[3]在蓄积Cd的马肾中发现MTs以来,人们对MT的结构、性质、功能等方面进行了大量深入的研究，但多集中在哺乳动物。20世纪70年代中期首次报道了海洋无脊椎动物-美洲牡蛎(Crassostreavirginica)的金属硫蛋白。正常情况下，金属硫蛋白在生物体内的含量很低，但当生物受到Hg、Cd、Pb、Cu、Zn等重金属污染时，会在其体内诱导合成这类蛋白质。在生物体内，重金属毒性往往体现在游离重金属离子的毒性，当进入细胞内的重金属结合到这类新合成的蛋白质上，毒性作用即消失，从而起到积累和解毒作用。例如，对蟹Rhthropanopens的研究表，Cu的毒性体现在游离的Cu2+浓度，而不是被配体螯合的Cu2+。在低浓度的Cu2+（10-13-1012mol/L）水平时，细胞内的Cu保持恒定，大约5μg/g湿重，大多数Cu2+与诱导产生的类金属硫蛋白结合；当Cu2+浓度达到10-11至10-10mol/L时，这时Cu结合的小分子蛋白含量大大增加；当细胞内的Cu2+达到10μg/g湿重或更高时，蟹的生长就会受到抑制。上述结果说明，蟹体内类金属硫蛋白在Cu2+低浓度时可以解毒，其含量随Cu2+浓度的上升而增加，但当Cu2+达到一定量时，即超过类金属硫蛋白所能螯合的量，Cu2+便游离出来，表现出中毒症状。显然，MTs库贮存积累重金属的能力都不是无限的。当它们被重金属饱和之后，继续合成又赶不上进入细胞的金属结合的需要，多余的重金属就会与动物体内的其他生物分子，包括酶和核酸等生物大分子相互作用，引起中毒现象。目前，关于无脊椎动物MTs的研究十分有限，大多与无脊椎动物体内重金属的蓄积相关联。对水栖寡毛类Elseniafoeteda的研究表明[4]，其体内能够积累大量的Cd，而且与环境中的Cd浓度呈正相关。大多数Cd分布在细胞质中，与三种高、中、低分子量的蛋白结合，其中低分子量的蛋白中具有类似于MTs的特征。同样，在刺沙蚕Neanthesarenaceodentata中，Cd也是主要分布在细胞质里，大多数Cd与类似于MTs的蛋白结合，并随着环境中Cd浓度的增加而增加[5]；经证实MTs在解除世界广布种Themistolibellula和T.AbyssorumBoeck体内Cd的毒性中起着显著的作用[6]；端足目Themisto属动物整体Cd浓度很高，MTs结合Cd高达34%[6]；另外，暴露于Cd环境中的美洲牡蛎，Cd优先于其他配体结合到其MTs上，野外污染种群牡蛎鳃中的MTs结合Cd高达20%[7]。这种特征的Cd吸收峰在处理的第一周就达到高峰，在以后的三周时间内，即使持续给予Cd处理，Cd吸收峰仍维持原状。Wen-xiongWang[8]报道了沙蚕Nereissuccinea对底质中不同形态Hg(溶解态和有机态)的可利用率分别为14.4±8.4％～30.5±9.7％、49.3±12.9％～76.4±12.5％。不过，对MTs是否有重金属解毒作用还存在争议。早在1933年，Vallee就提出那些用来证明MTs具有重金属解毒这一基本功能的结论还存在争议。首先，MTs并不是对所有能诱导它合成的金属都具有解毒作用，例如，虽然Ag、Au、Co和Ni都能诱导MTs的合成，但MTs并不对这些金属有解毒作用；Webb指出，小鼠细胞内Cd-MTs具有比Cd2+本身更大的肾细胞毒性。由于影响生物体内MTs水平的因素很多，pH、温度、离子强度和繁殖阶段等都很复杂的影响着MTs的含量变化，因此，1991年Cossen等人提出不应把MTs称为“解毒蛋白”，也不能把它作为检测环境污染的直接生物学指标。抗氧化酶系统需氧生物细胞内有一套抗氧化的防御系统，主要包括超氧化物歧化酶(Superoxidedismutase,SOD)、过氧化氢酶(Catalase，CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(G1utathionePeroxidase，GPx)等。这个系统的酶类可以因体内自由基化合物数量的增加而被诱导合成。其中，SOD可以迅速地将有害的氧自由基转化为过氧化氢(H202)或过氧化物，CAT将H202转化成H20和02，GPx则分解过氧化氢和过氧化物。这个系统在一定范围内保护细胞免受自由基的伤害。2.2.1谷胱甘肽（GSH）谷胱甘肽是机体内的重要活性物质。GSH[9]有氧化型(GSSG)和还原型(GSH)两种形式。GSSG由谷胱甘肽还原酶还原成GSH。谷胱甘肽(GSH)是细胞昀重要的防御和解毒物质，GSH将有毒物质降解成无毒性物质，由细胞蛋白质递解出细胞[10-12]。随着有毒物质进入细胞的数量增加，细胞中GSH被消耗，含量逐步减少。而重金属离子(M2+)能与巯基酶的-SH结合，使其丧失活性，以致代谢障碍而出现中毒症状。GSH可与它们结合而后排出体外，故有解毒作用。仅从寡毛类中分离鉴定出GST。Grelle和Descamps[13]的昀新报道显示在E.foetida中GST的活性不受重金属影响。但Stenersen[14]、Stenersen和Oien[15]发现在受重金属污染的蚯蚓中存在GSH和GST。2.2.2超氧化物歧化酶（SOD）McCord和Fridvich昀先从牛红细胞中发现了超氧化物歧化酶(SOD)，他们对其结构及功能作了较为详细的阐述。超氧化物歧化酶是一种金属酶类。它几乎存在于所有的生物体中,SOD根据所含金属离子的不同而分为三种类型:(1)CuZn-SOD；(2)Mn-SOD；(3)Fe-SOD。SOD在生物体内的功能是催化超氧化物。对机体的氧化与抗氧化平衡起着至关重要的作用，此酶能清除超氧阴离子自由基(Ｏ2.-)，保护细胞免受损伤，是动物体内一种重要的抗氧化保护酶。因而研究污染物暴露下抗氧化酶活性的变化规律，探索污染物的致毒机理，探讨以抗氧化酶作为污染监测指标的可能性，已引起有关科学研究者的广泛重视[16-18]。生物体内的保护酶系统具有清除自由基的作用，如果保护酶活性较强，就能减少自由基等毒害物质的积累，脱脂过氧化水平就稳定。反之，如果保护酶活性较弱,生物体内自由基等毒害物质的积累就增加，脱脂过氧化水平就不稳定。在对小鼠的研究中发现，低剂量的Cd2+对SOD酶活性的影响可能是与其活动中心的金属元素发生了交换，例如镉可以取代CuZn-SOD中的Zn而形成CuCd-SOD，或取代Mn-SOD中的Mn，使SOD酶失去活性[19]。也可以发生在SOD的转录水平上[20]，因此，暴露于Cd2+后河蟹肝胰脏SOD活性降低是酶本身的活性结构受到损害。然而，不管是哪一种抑制，只要不损伤细胞结构，随着暴露时间的延长，酶的活性可以恢复，这可能是因为肝胰腺内金属硫蛋白(MTs)形成后可使相当部分Cd2+被MTs结合降低了毒性[21]。2.2.3过氧化氢酶(CAT)过氧化氢酶(CAT)主要作用是催化H2O2分解为H2O和02.-，使得H2O2不至于与02-在铁螯合物作用下反应生成非常有害的·OH，即可减少自由基和过氧化脂质的形成，能对机体起重要的保护作用。重金属离子是目前水污染的一种重要因素，同时一些重金属元素也是生物必需元素，重金属离子量的不同对生物机体会产生不同影响。因而研究重金属离子对CAT酶活性影响有较大现实意义。目前在这一方面的研究主要集中在体外条件下重金属离子对CAT酶活性影响以及重金属离子胁迫条件下对一些水生植物CAT酶活性影响[22-24]。过量的重金属离子能导致生物体内大量的氧自由基的产生和积累[23]，因而可诱导机体在酶学水平上发生相应的变化，其中包括CAT酶活性的变化。但目前有关这一方面的研究结果很不一致：葛才林等以水稻叶片为实验材料发现Cu、Hg、Cd胁迫使水稻叶片CAT酶活性降低[23]：而董慧[24]对紫背萍的研究表明，Hg、Cr、Ni等重金属溶液胁迫培养使紫背萍CAT酶活性升高。赵江沙等[25]的研究显示:当Cu2+过量时，其诱导了涡虫体内CAT酶活性的升高。任虹等[22]的研究结果表明，Fe3+、Cu2+、Zn2+、Pb2+4种金属在酶促反应条件下，在一定的浓度范围内，对CAT都有一定的激活作用。其中Fe3+、Cu2+、Zn2+虽是生物代谢所必需的微量