汞对海洋双壳贝类毒性效应研究进展
2018-03-29申雪娇张健宁刘小莉王宜艳孙虎山
申雪娇 张健宁 刘小莉 王宜艳 孙虎山
摘要:在诸多海洋重金属污染问题中,汞污染因低剂量、强毒性而备受瞩目,其在水中的形态多样,且可相互转化,使得汞污染十分复杂,给预防和治理带来了一定的难度。水生生物是重金属通过食物链传递到人类的一个重要途径,双壳贝类营底栖滤食性生活,移动性差,易受到重金属污染的影响,适合作为汞污染的指示生物。文章综述了近年来重金属汞在双壳贝类中的毒性研究进展,包括汞的基本毒性、汞的形态转化特征及汞在双壳贝类中的吸收、累积效应,汞对双壳贝类酶活性的影响与对活性氧自由基的调控,以及双壳贝类在代谢、基因表达水平上对汞胁迫的响应,并且对双壳贝类中汞毒性的研究方向进行展望,以期为汞污染治理的进一步研究提供参考。
关键词:双壳贝类;汞;毒性效应
中图分类号:S944.3文献标识号:A文章编号:1001-4942(2018)03-0148-06
Abstract Mercury pollution has attracted much attention in marine pollution problems because of its strong toxicity in the low dosages. Mercury has a variety of forms in water, and its mutual transformation make mercury pollution complicated and bring some difficulties in prevention and treatment. Aquatic organism is an important way to transport heavy metals to human through the food chain. Bivalve molluscs have a life of bottom-dwelling and filter-feeding with poor mobility, and are susceptible to heavy metal pollution, which decide that they are suitable to be used as indicator organism for mercury pollution. In this paper, we reviewed the research progress of the mercury toxicity on marine bivalves, including the main toxicity, speciation transformation characteristics and the absorption and accumulation of mercury in bivalves. The review also included the effects of mercury on enzyme activity and the regulation of active oxygen free radicals in bivalves, and the responses of bivalves to mercury in the metabolic and gene expression levels. The research direction in mercury toxicity on marine bivalves was also forecasted. It was expected to provide references for further mercury pollution control.
Keywords Bivalves; Mercury; Toxic effect
近年来,随着沿海经济迅速发展,沿海海域的环境污染问题也愈演愈烈,其中,重金属污染具有蓄积性、持久性,在诸多污染问题中尤为突出,倍受全世界的广泛关注[1]。汞与人类生活息息相关,人类通过汞矿开采、燃煤、电池制造等将汞排放到环境中,同时也将汞应用于种子处理、牙齿填充物、疫苗的防腐剂等多种领域[2]。汞是一类高毒性的重金属污染物,它可以直接影响中枢神经系统,并导致神经性疾病,如老年痴呆症和帕金森综合症[3],对人類的肾脏和免疫功能等也均有毒性[4,5]。王沛芳等在2014年就汞对水生生物的毒性做了概述,在水生动物中,贝类因其特殊的生活习性而更适合作为环境污染的指示生物[6],故文章针对汞对双壳贝类的毒性效应做一详述,以期为汞的海洋污染研究及治理提供一定的理论依据。
水环境在全球汞循环中起着至关重要的作用[7],水生动植物经食物链传递对汞进行蓄积,而通过鱼虾贝类作为食物传递是人类遭受汞威胁的重要途径。有研究指出,人类自闭症发病率的升高可能与从食用鱼类中获得的汞有一定联系[8]。贝类相较鱼虾类活动范围小,不能及时躲避污染物的侵害,易长时间暴露于重金属污染的环境中,经常被当作重金属污染的指示生物[9]。另外,贝类在水环境与人体之间汞的传递中起着关键作用,可以用来评估汞对人体的健康风险。所以,研究汞对双壳贝类的毒性作用有一定的必要性及实际意义,将为探索汞的毒性机制及生物效应提供理论参考。
1 重金属汞的特点
1.1 汞的基本毒性特征
对生物而言,部分重金属属于生物的必需元素,如铜、锌等,只有当积累过量时才会产生毒性。而汞是一种任意剂量均有毒性的生物非必需元素,且很容易在海洋生物体内积累[10]。Anandraj等研究证实,在较低浓度时翡翠贻贝就会对汞进行积累,而铜、锌在生物体内的积累量与时间及浓度无直接关系[11]。
在自然环境中汞有不同的存在形态,主要包括元素汞、无机汞、有机汞,不同形态毒性强弱不同,汞毒性的研究主要针对毒性较大的甲基汞与无机汞。甲基汞作为一种常见的有机汞形态,具有极高的毒性,如很强的致畸作用[12]、生殖毒性[13],可以通过胎盘传递给胎儿引起胎儿出现行为及神经认知功能障碍[14,15],另外,它还能穿过血脑屏障在脑中积累,引起神经毒性[16]。之前关于无机汞的研究多集中于肾脏毒性以及对免疫功能的损伤[17-19],现有对青鳉的研究已证实,脑也是无机汞毒性作用的一个重要靶器官,无机汞主要通过诱导青鳉氧化应激反应、阻碍细胞骨架装配、引起代谢紊乱产生神经毒性[20]。
1.2 汞的环境地球化学
随着汞的环境循环,世界范围内的不同海域均承受着不同程度汞污染的威胁。秦延文等对渤海湾沉积物中的重金属含量进行测定显示,汞是此海域沉积物中的主要污染元素,已经达到重污染程度[21]。中国海洋局公布的《2016年中国海洋环境状况公告》显示,2016年中国主要河流汞的排海量为39吨,对81个入海排污口的邻近海域沉积物质量监测结果显示,其中25个邻近海域沉积物质量不能达到所在海域对沉积物质量的要求,不达标的污染物主要有硫化物、铜、汞和石油类[22]。母清林等调查了浙江近岸7个海域监测点贝类的重金属含量,29份样品中仅有1份样品中没有检测出铅,其余样品均检测出重金属砷、汞、铅、铜、锌和镉,其中,汞的平均含量为0.016 mg/kg[23]。另外,很多国家和地区海域的重金属污染状况也均有报道[24,25],甚至人迹罕至的北极也出现了汞污染问题,许多北极动物体内汞含量超出阈值[26]。北极海洋环境特殊,地处偏远,其汞污染的来源几乎均来自远距离运输而不是点源排放[27],可见,汞污染不止存在于某一国家或地区,而是具有普遍性的,需要我们更深入的研究,以期找到治理方法来遏制其蔓延。
1.3 水生环境中汞形态的转化
不同形态的汞之间可以相互转化。汞主要以溶解态Hg2+形式存在于水体中,水体是汞循环的中心环节,溶解态Hg2+也是其他形态汞的转化枢纽。汞形态之间的相互转化会影响其迁移、毒性及在生物体内的富集等[28]。孟梅等研究了渤海周边软体动物对汞的富集及放大效应,结果表明,汞在软体动物食物链中存在生物放大效应,其中,具有生物放大效应的是甲基汞,而无机汞则随着营养级的传递表现出生长稀释效应[29]。Lehnherr等研究证明,水生环境中,无机汞可以转化为更有生物活性的甲基汞形式[30]。在微生物汞还原酶(merA)和有机汞裂解酶(merB)等还原去甲基化作用下甲基汞也可以转变为无机汞[31]。冯新斌等研究指出,无机汞甲基化转化为甲基汞主要发生在厌氧环境中,甲基汞还原为无机汞主要在汞浓度较高的有氧环境下发生[32]。
综上所述,水生环境中汞的形态转化复杂,其在水生生态系统中的转化机理等还有待进一步研究。
2 汞对海洋双壳贝类的毒性效应
海洋双壳贝类多栖息在滨海、河口地区,且移动性差、活动范围小,易暴露于各种海洋污染物中,并对其进行富集,所以汞污染极易影响贝类。目前,关于汞对贝类的毒性研究主要有:贝类对重金属汞的富集累积效应;汞对贝类生理生化指标的影响,包括抗氧化酶系统、代谢物、基因表达水平等的影响。另外,还有一些汞对贝类生长发育及形态学影响的研究。
2.1 双壳贝类对汞的富集累积效应
双壳贝类以浮游植物及藻类为主要食物来源,海洋动物可通过食物链将水生植物富集的重金属进行生物蓄积与放大[33,34],这也是双壳贝类富集汞的一条途径。另外,海洋环境中的汞主要存在于沉积物中[35],所以水体中的颗粒物及沉积物中的重金属经鳃或体表进入体内也是贝类富集汞的重要途径。即使水体和沉积物中的汞含量较低,成体双壳贝类也能够将重金属在体内积累至环境浓度的几个数量级以上[36]。Shirneshan等以僧帽牡蛎为生物检测物研究波斯湾海岸汞的健康威胁时发现,沉积物、僧帽牡蛎软组织以及贝壳中的汞含量分别是3.44、50.66、2.29 μg/kg,软组织中汞含量远高于沉积物及贝壳[37]。王茂波等研究了烟台部分海域水产品中甲基汞的含量,发现贝类以(0.097±0.013) μg/kg的甲基汞含量明显高于其他海产品[38]。
关于双壳贝类对汞的富集及积累规律已有一些研究,明确了影响重金属在双壳贝类体内积累的因素包括生物因素与非生物因素。生物因素包括个体、器官等,就贝类自身而言,不同品种、不同个体及相同个体不同组织器官间对汞的富集均有差异。Brix等发现紫贻贝和欧洲猿头蛤的软组织汞含量随着个体的壳长增加而增大[39]。Inza等研究河蚬各器官对重金属的累积情况时发现,甲基汞主要在河蚬外套膜和足中积累,无机汞主要分布在內脏团中,说明器官对汞的累积存在特异性[40]。非生物因素包括重金属性质、暴露时间、暴露浓度等,各种环境因素都可能影响汞在贝类体内的蓄积[41-43]。就汞本身的理化性质而言,相同的暴露条件下,甲基汞由于其脂溶性能迅速跨膜扩散,相较于无机汞有很明显的生物富集优势[44,45]。王晓宇研究了汞对四角蛤蜊急性毒性效应,24、48、96 h半致死浓度分别为3.71、0.61、0.21 mg/L,说明汞对四角蛤喇的毒性作用与作用时间及浓度成正相关[46]。贝类对汞的富集累积效应是错综复杂的,需要我们不断去发掘和探索。
2.2 汞对贝类生理生化指标的影响
汞对生物的毒害作用一方面是由于其与巯基有很强的亲和性,使含巯基的蛋白和酶的活性受到抑制,另一方面是汞能诱导生物体产生过量活性氧自由基,引起机体过氧化损伤。
林岳夫等发现氯化汞对翡翠贻贝谷丙转氨酶有强烈的抑制作用,从而影响其代谢过程[47]。Liu等以渤海常见的三种菲律宾蛤仔品系白蛤、两道红、斑马蛤研究了汞对蛤仔的代谢影响,其中,白蛤的琥珀酸、牛磺酸、乳酸、龙虾肌碱、胆碱和甜菜碱代谢降低,而谷氨酸、谷氨酰胺、丙氨酸、精氨酸、甘氨酸、乙酰乙酸乙酯和ATP/ADP(三磷酸腺苷/二磷酸腺苷)含量均增加,相较于汞对另外两种蛤仔的代谢响应最为显著[48],这也印证了林岳夫等[47]的试验结果。另外,Regoli等研究证实,重金属蓄积会引起海洋生物体产生过量活性氧自由基,从而破坏海洋生物体的活性氧平衡,进而诱导生物体的过氧化损伤[49]。陈琳琳等以25 μg/L Hg2+对紫贻贝进行毒性暴露,测定鳃中抗氧化酶类活性变化,显示SOD(超氧化物歧化酶)、CAT(过氧化氢酶)和GPx(谷胱甘肽过氧化物酶)均呈现短期内上升,后随暴露时间延长而降低的趋势,表明短期内的汞暴露能使抗氧化酶活性增强,随暴露时间延长,汞又对抗氧化酶的活性表现出显著的抑制作用[50]。
貝类可以从基因水平影响过氧化物酶系统及重金属解毒蛋白的表达来抵抗汞胁迫。Fang等研究发现,汞暴露可以改变河蚬的鳃、消化腺、外套膜中金属硫蛋白和超氧化物歧化酶mRNA的转录[51]。陈晓聪等研究了菲律宾蛤仔对不同浓度Hg2+的富集效应,分别测定了鳃及血细胞中8种抗氧化酶以及重金属解毒相关蛋白的基因剂量和时序表达情况,表明不同处理浓度下8种基因表达量均有差异,经对比,选定鳃谷胱甘肽过氧化物酶、热休克蛋白以及血细胞热休克蛋白基因为不同浓度的汞污染生物标志物[52]。
汞胁迫下,贝类体内的抗氧化酶系统、代谢物甚至基因表达层面均呈现出不同的响应状态,抗氧化酶系统及代谢物的变化反映了汞毒性的作用结果,而基因表达的研究则是从分子水平上探索了汞毒性的原因,均可为筛选汞污染的标志物提供参考。
2.3 汞对贝类生长发育及形态学影响的研究
汞对水生生物的发育及行为、形态学影响研究较多的是鱼类[53-58],贝类的相关研究较少。据Abdallah等的研究报告显示,重金属胁迫会造成贝类鳃、消化腺及外套膜等结构出现超显微损伤[59]。Adjei-Boateng等研究表明,汞会影响蛤蜊的性腺成熟[60]。Fathallah等对汞、铜、锌对蛤仔的精子活力、受精和胚胎发育进行试验,结果表明,当汞浓度为4.12 μg/L时,幼体成活率明显降低,胚胎发育率的半数有效浓度为21.1 μg/L,当汞浓度达到32 μg/L就会对受精产生明显的抑制作用,当汞浓度大于256 μg/L时对蛤仔的发育能力抑制作用明显,三种重金属中汞的毒性最强[61]。Zhang等运用蛋白质组学技术研究了汞对牡蛎性腺蛋白表达的影响,经鉴定筛选出13个差异表达蛋白,形态学验证结果显示,汞处理组的牡蛎性腺发生了形态学病变[62]。汞有致畸及发育毒性,但目前对贝类的发育、形态学研究还相对较少,有待进一步完善和丰富,以便进一步了解汞对双壳贝类的毒性作用。
3 展望
双壳贝类因其特殊的生活习性,可以作为汞污染的指示生物,但目前针对汞对双壳贝类的毒性研究还相对较少,且范围有限,关于汞毒性的分子机制还不是很清楚,不同汞形态对海洋双壳贝类的毒性效应机理等都有待进一步深入的研究,这也将是今后关于汞毒性研究的热点问题。另外,针对汞对双壳贝类的研究还不够系统,可以尝试从发育学、形态学再到蛋白基因层面层层递进式地对汞的毒性作用做系统全面的研究。代谢及蛋白组学技术在贝类的生态毒理学方面的应用,可以帮助我们从根本上分析汞对双壳贝类毒性的作用机制,这些技术也将为重金属对贝类的毒性研究提供新的方向。
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