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【技能交流】重金属对水生生物的毒性效应机制发表于: 2022-04-11 00:30
本文摘要:【技能交流】重金属对水生生物的毒性效应机制 研究配景 重金属由于其长期性、生物毒性、不行降解性和能进入食物链的特点,甚至在必然条件下还能与某些有机物产生反映从而转化成毒性更大的金属-有机复合污染物,正成为最严重的情况问题之一。

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【技能交流】重金属对水生生物的毒性效应机制 研究配景 重金属由于其长期性、生物毒性、不行降解性和能进入食物链的特点,甚至在必然条件下还能与某些有机物产生反映从而转化成毒性更大的金属-有机复合污染物,正成为最严重的情况问题之一。水生生物如动物、植物和微生物等对重金属有必然的积聚和浓缩感化,但当重金属的浓度和毒性凌驾水生生物所能蒙受的能力时,就会对其相关指标甚至生命勾当等方面发生严重的毒性效应,同时会造成遗传突变或变异,进而发生物种多样性及保存方面的改变;由于重金属可以通过食物链最终通报给人等高级生物,对人体康健也发生严重威胁,如重金属进入人体后不易被排出,并不停积聚,一旦凌驾人体的生理负荷时,就会引起生理布局病变,并导致急、慢性或持久的危害,如Zn、Cd、CH3Hg、Se、Ni等具有致畸性。

在高浓度重金属情况下,摄入过量的重金属将会引起中毒,甚至可能发生严重后果。水体重金属污染是指含有重金属离子的污染物进入水体造成的污染,主要包括Pb、Cd、Cr、Hg、As、Mn等毒性较强的重金属,同时还包括Cu、Co、Zn、Se、Ni等一般毒性的重金属。

水体重金属的来历包括工业来历、农业来历和都会化来历,如来自化工、电镀、采矿及金属冶炼等行业,煤炭、石油等化石燃料的燃烧,其废气中的大量重金属进入大气后再通过降雨的形式进入水体;含重金属Cu、As、Hg、Pb等元素的化肥、农药通过农业的使用进入泥土,进而颠末雨水的淋溶等方式进入水体;都会化进程的加速,使得垃圾点火、汽车尾气排放发生的重金属也能通过干湿沉降等途径进入水体。由于水体重金属对水生生物及人类的危害极大,浩瀚专家学者已经开展了重金属对水生生物的生态毒性方面的研究,尤其是Hg、Cd、Pb、Cr、As等非必须元素对生物造成的急性、亚急性以及慢性中毒等毒性效应研究。别的,也有研究人员做了重金属对人体和动物毒性或致癌方面的研究。

成果表白:通过重金属Fe、Cu、Cd、Cr、Hg、Ni、Pb等的刺激感化发生的活性氧,会对机体发生一系列毒性效应,如脂质过氧化、巯基卵白耗损,与核卵白、DNA反映,对生物大分子物质造成损伤。基于此,本文综述了水体重金属的污染近况,以及水体重金属对水生生物的生态毒性效应及其机制,并展望了重金属对水生生物生态毒性效应的将来研究重点和偏向,可为重金属的水质基准和风险评估研究提供重要理论依据。摘要 跟着我国经济的快速增长和人民糊口程度的日益提高,由此发生的情况污染问题也日益突出,个中水体重金属污染由于其具有危害大、漫衍广、连续长等特点而备受社会各界的遍及存眷。重金属污染物通过干、湿沉降等各类途径跟着糊口污水和工业废水等进入水体,不仅对水生生物造成极大影响,还严重威胁人类的身体康健。

综述了水体重金属的污染近况,以及水体重金属对水生生物的生态毒性效应及其机制,并展望了重金属对水生生物生态毒性效应的将来研究重点和偏向,为重金属对水生生物的生态毒性效应进一步研究和水体重金属污染的情况治理提供参考,同时可为重金属的水质基准和风险评估研究提供重要理论依据。一 水体重金属污染近况 在已往的几十年里,由于工业化的迅速推进,含有重金属的工业废水、糊口污水、农业杀虫剂等被排放到世界河道和湖泊中,进而在水生生物和沉积物中积聚。海内外对水体中的重金属污染状况均有许多报道,我国部门地域水体受重金属污染的环境比力严重,水体底泥中重金属污染率到达80.1%以上,而水体中99%的重金属以各类形态存储在底质沉积物中,且比年来多种重金属污染呈上升趋势。

谢文平等在研究我国南部水体重金属污染环境时,发明贵州省地表水存在严重的重金属Cd、Pb污染现象;珠三角区域水体重金属Cr、Pb和Hg别离超标22.2%、11.1%和5.6%。张莉等研究了华东地域如福建九龙江流域呈现As超标环境,超标率到达14.81%。

展开全文 外洋对河道水体重金属污染研究较早,多瑙河、莱茵河等已成为水体重金属污染的重点研究对象;塔斯克基湖、埃布罗河三角洲和黑海都检测出多种重金属存在;Rahman等研究表白,孟加拉国Dhaka加工区内及Bangshi河的水体中重金属Pb、Cd、Cu、Zn、Mn、As、Ni和Cr的含量很高,远凌驾WHO及USEPA的尺度。可见,今朝水体重金属污染问题已成为一个全球性的情况问题。二 水体重金属的来历及危害 1.水体重金属的来历 自然勾当来历和工钱勾当来历是水体重金属的两大主要来历。个中,自然勾当来历包括海火柴山喷发造成的重金属泄漏,地壳运动、岩石风化、泥土侵蚀、干湿沉降等方式也是水体重金属的重要来历途径;工钱勾当来历主要包括矿山采矿、油田开采、电镀冶金、废旧电器以及化工场废水的排放,农业上农药化肥等的使用,并通过雨水冲刷等方式使得泥土里的重金属流失,进而直接或间接排放到水体中,城市对水体情况造成很是严重的重金属污染。

水体重金属具有污染来历遍及、逗留时间漫长,且具有累积和富集浓缩特性,容易沿食物链通报,污染后不易被察觉及难以恢复等特点。2.水体重金属的危害 重金属是一种原子密度>5 g/cm3的金属和类金属。一些有毒重金属如Ni、As、Cr、Zn、Cu、Cd、Co、Pb等,会对情况发生严重危害,Cd2+、Pb2+、Hg2+、Ag+和As3+等离子形式和生物组织器官产生感化,形成相应的有毒化合物,陪同着重金属生物富集和浓度的升高,所体现出来的毒性特征也差别,配体和氧化态对重金属的生物操纵性起着至关重要的感化。假如重金属的累积浓度或效应到达必然限值时,以至于引起细胞新陈代谢的粉碎,此时就成为有毒重金属。

金属的毒性效应主要引起大脑和神经系统功效损失,损害血液含量以及肝、脾、肾脏等器官,从而造成身体衰弱、影象力减退、皮肤过敏、高血压等症状。基于此,世界各地的卫生组织正在抓紧研究重金属的毒性机理,若干办理机构也已通过了含重金属废水排放的尺度限值。表1枚举了一些重金属污染物的来历、危害、最大有害浓度(maximum contaminant level, MCL)以及GB 3838—2002《地表水情况质量尺度》(Ⅲ类)限值。

表1 水体重金属来历和危害 三 重金属对水生生物的毒性效应及机制 1.重金属对水生生物的毒性效应 重金属主要通过以下3种途径进入水活泼物体内: 1)水活泼物操纵鳃等器官将溶解在水中的重金属离子接收至体内,然后将重金属蓄积在皮肤外貌细胞或颠末血液输送至体内的各个器官或组织; 2)水活泼物通过摄取食物等方式,将重金属通过消化道接收,进而进入体内; 3)通过皮基层将重金属接收,再通过重金属与体表的渗透互换感化进入体内。1)重金属的生物累积感化。水体中的重金属一旦进入生物体内,不易被代谢、剖析、解除体外,很是容易在动物肝肾等器官内富集。

Olivares等证实,通过与机体内金属联合卵白如金属硫卵白相联合,是重金属在生物体内富集的主要机制。Rainbow等研究发明,生物体摄入重金属的历程无需耗损能量,且不易被排出体外,进而出现出毒性的累积效应。秦华伟等研究了6种重金属对3种海水养殖生物的急性毒性效应时发明,在颠末96 h的处置惩罚后,3种生物体内重金属含量明明增加。孙妮等在研究湛江港海区沉积物和海洋生物中重金属的富集特征时发明,在沉积物中的重金属除Cd外,其他含量均高于其在海洋生物体中的含量;在湛江港流域的生物体内重金属Cu、Zn、Cd存在严重的富集累积环境;软体类和甲壳类对重金属Hg和Pb的富集能力相当,而软体类从沉积物中富集重金属Sn和Cd的能力强于甲壳类,富集重金属Cu的能力弱于甲壳类。

Rzymski等研究双壳类对差别重金属富集环境表白,双壳类对重金属Cu和Cd的富集能力很是高。Topcuolu等研究了重金属在土耳其黑海水生生物体内的含量,成果表白,Pb、Cd和Cr等在软体动物和贝类体内富集量最高,Fe和Zn富集量最少。

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2)生物早期发育毒性。在鱼类的胚胎期和仔鱼期早期发育阶段,很容易被重金属伤害,重金属一旦进入幼体,可与生物体内的核酸、酶、维生素、激素等物质产生反映,改变其化学布局和生物活性,进而对遗传发育、内排泄以及中枢神经等多个系统的功效发生损害、引起病变甚至灭亡等。郭勇勇等研究了三峡库区水样中重金属对斑马鱼(Brachydanio rerio)胚胎发育的毒性,成果表白,经7 d袒露后,虽然所有斑马鱼胚胎的孵化率、相对成活率和畸形率并无明明差异,但幼鱼体内生殖相关基因、神经发育相关基因均显著下降。

张亚辉等以24,72 h时到达致死和胚胎孵化抑制为终点时发明,重金属Cu和Cd对斑马鱼胚胎具有明明的毒性感化。García等研究发明,海洋多毛纲动物沙蚕(Nereis succinea)的胚胎和幼虫对Ag更敏感,袒露于AgNO3中显著增加了胚胎的致死率和畸变率。Munley等研究发明,水生蜗牛(Fruticicolidae)袒露于重金属Co、Cu、Pb、Ni中28 d后,抑制了其早期胚胎生长,56 d 后抑制了其产卵量。除此之外,Cu、Pb和Zn等重金属都可以或许显著影响生物早期胚胎的发育和孵化,进而导致胚胎发育延迟的后果。

3)生物免疫毒性。凡是认为,低剂量浓度的重金属或短期的袒露具有免疫刺激感化,促使生物体血细胞的吞噬活性加强,可是高剂量浓度重金属或持久袒露可以或许显著滋扰生物细胞的吞噬能力,主要是因为在此历程中重金属可以或许与细胞膜联合,从而改变细胞膜的流动性和细胞膜上离子泵的通透性,细胞膜不变性下降,造成吞噬活性降低。Paul等在研究Pb对淡水鱼的免疫毒性感化时发明,Pb滋扰了肠巨噬细胞的噬菌感化和细胞粘出力,同时血清中的肿瘤坏死因子含量也明明下降。Qin等报道称重金属Cd袒露影响了溪蟹(Potamidae)体内的酶活性。

Vijayavel等表白,Ni袒露促使青蟹血淋巴内超氧阴离子的生成及吞噬感化的加强,可是又显著抑制酚氧化酶的活性。Chandurvelan等研究表白,重金属Cd袒露能增加河蚌体内起吞噬感化的嗜碱粒细胞和嗜酸粒细胞含量,并使细胞内DNA产生显著的损伤。

4)基因突变和变异。重金属一旦进入生物体内后会产生富集浓缩,当重金属剂量浓度凌驾必然量或持久袒露后会对生物体组织器官造成损伤,并诱导大量的活性氧(ROS)及亲电子代谢产品发生,进而与DNA分子联合,使得生物体内的细胞受到外界情况的氧化攻击,导致生物体内脂质产生一系列的反映,如过氧化反映、遗传物质改变、碱基核糖基氧化,进而造成某些细胞灭亡或癌变。Hix等研究成果表白,DNA在被铁离子诱导以后发生的大量甲基自由基攻击时,会引起DNA高度甲基化。

Pfohl-Leszkowicz等的研究也表白,重金属离子可以或许显著抑制甲基转移酶的活性,重金属Pb、Cu以及Zn2+等均能抑制5-甲基转移酶的活性。唐建勋等在研究重金属Cu、Pb单因子及结合毒性对泥鳅(Misgurnus anguillicaudatus)卵细胞DNA的损伤效应时发明,均造成泥鳅卵细胞DNA损伤,具有基因毒性。

同时,行文珍研究表白,Pb和Cr对泥鳅具有差别水平的遗传毒性效应,且毒性效应在必然条件下跟着处置惩罚浓度的增大和处置惩罚时间的耽误而加强,到达必然浓度和时间后毒性效应则会被抑制。5)内排泄滋扰毒性。重金属袒露导致高血压和糖尿病等代谢疾病的机制之一可能是重金属、有机氯农药和多氯联苯都是典型的内排泄滋扰物,进入生物体内就可以对激素合成和排泄发生滋扰,并形成内排泄滋扰毒性,如重金属Cd、Mn、Cr等元素会增加代谢紊乱的发病率,金属类内排泄滋扰物袒露后可增加氧化应激并诱导线粒体功效紊乱的风险。成年的大西洋石首鱼(Micropogonias undulatus)袒露于亚致死浓度的Pb、Cd等重金属后造成血液类固醇浓度、卵巢类固醇排泄勾当和卵巢发育显著上升或下降。

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木伟娜研究表白,Cd袒露对鲤鱼(Cyprinus carpio)血浆中甲状腺激素发生较大的滋扰效应。罗永巨在研究Cd对吉富罗非鱼(Oreochroms mossambcus)毒性效应及繁殖力影响历程中发明,Cd可以或许晋升血清中雌二醇的含量,但对睾丸酮含量影响不明明。在基因程度,Cd可以或许提高卵巢中雌激素受体(estrogen receptor, ER)的表达,但Cd袒露可以抑制卵黄卵白原(vitellogenin, VTG)的生成。在精巢中,Cd通过提高糖皮质激素受体(glucocorticoid receptor, GR)的表达抑制精细胞和精子的发育。

Li等研究发明,鲦鱼(minnow)幼体袒露于重金属Hg 4 d后,体内促肾上腺皮质激素释放激素,甲状腺球卵白、甲状腺受体α和β基因表达被显著诱导,甲状腺素T3和T4含量增加。2.重金属对水生生物的毒性效应机制 1)重金属对水活泼物的毒性效应机制。一些水活泼物持久糊口在有重金属存在的情况中,可调解自身的生理生化指标,以提高对重金属的应激性和耐受性。

比方,鱼类持久糊口在有重金属污染的水体中,其体内会发生相应的卵白质和酶来抵挡体内的重金属离子,如热激卵白(heat shock protein, HSP)、金属硫卵白(metallothionein, MT)、转铁卵白(transferrins,TF)、谷胱甘肽转移酶(glutathione transferase, GT)、过氧化氢酶(catalase, CAT)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)等,从而减轻重金属对细胞的损伤。重金属如Cd、Hg等进入生物体内,会与体内其他物质产生竞争感化,此时,MT的巯基能与有害重金属产生联合反映,从而发挥解毒感化,进而将重金属等有害物质排出体外。

SOD可以或许歧化超氧阴离子自由基发生H2O2,从而把对有机体有害的自由基清除,CAT可将H2O2催化生成无害的H2O和O2,同时还与SOD、POD发生协同感化,清除体内多余的自由基和过氧化物。Xu等发明,MT表达量在被重金属Cd胁迫诱导后会升高,使得羟基和过氧化物得以被清除,促使机体发生抵御氧化的应激反映。Chen等研究了大黄鱼肝脏中转铁卵白在重金属Cd离子袒露下的含量变化环境时,发明其血清中的铁离子经重金属Cd离子处置惩罚后迅速升高,在24 h到达最大值,后缓慢下降并到达初始正常值。Hansen等将鳟(Salmo playtcephalus)袒露于含Cd和Zn的水体15 d期间,发明鳃中Cd和Zn有显著接收,且Cd的程度与SOD转录的程度存在显著的相关性。

别的,水活泼物在受到重金属污染时会排泄富厚的黏液,在必然水平上可以提高对重金属的耐受性。2)重金属对水生植物的毒性效应机制。水生植物的重金属毒性效应主要体现在粉碎细胞膜布局、抑制呼吸感化、光互助用、生长发育历程,以及对遗传物质的迫害等生理生化历程。重金属进入植物体内会改变抗氧化酶活性、诱发ROS发生、引起氧化损伤效应,同时还会通过滋扰一些细胞内的转录因子活性、诱发细胞凋亡等,滋扰植物体内正常的生理、生化反映。

付贵权等在研究Cu胁迫对半叶马尾藻(Sargassum hemiphyllum)生长及生理生化特性的影响时发明,适当质量浓度的Cu胁迫(≤0.05 mg/L)对半叶马尾藻生长和生理生化指标有正面效应,而过高质量浓度Cu胁迫(0.05 mg/L)对藻体生长和抗逆能力有必然的负面影响。简敏菲等研究Cd、Pb胁迫下湿地植物丁香蓼(Ludwigia prostrata)的生理生化特征时发明,丁香蓼生长受到显著抑制,叶绿素a、b及叶绿素a+b的含量随重金属浓度升高呈下降趋势,对丁香蓼体内的超氧化物歧化酶活性的影响体现出差别的趋势。也有研究表白,在高浓度Cu处置惩罚下,水芹(Oenanthe javanica)株高和根数都显著减少,鲜更生物量也明明降低,同时叶绿素总量、叶绿素a和可溶性卵白总体均呈下降趋势。另外,植物细胞的超微布局及细胞膜的通透性,生长发育、水分及营养元素的接收代谢、光互助用、呼吸感化、体内的抗氧化酶活性、体内的遗传物质等方面也受到重金属的严重影响。

3)重金属对水生微生物的毒性效应机制。微生物通过细胞次生代谢产品如有机酸、糖卵白、多糖等的排泄来加强细胞对重金属胁迫等情况的适宜性,这些胞外代谢物靠和重金属离子联合来提高细胞的抗逆性,可是,重金属离子经常会对生物体发生氧化损伤感化,进而诱导发生过量的氧自由基,造成生物体的细胞膜被粉碎,同时粉碎生物体正常的呼吸代谢途径。张博文等研究了滏阳河河道水体中重金属对青海弧菌Q67毒性,重金属离子抑制了还原型黄素单核苷酸与氧化型黄素单核苷酸活性,使得它们之间的转化不能正常举行。

许飘用白腐真菌吸附重金属成果发明,高浓度Cd胁迫可显著抑制黄孢原毛平革菌的生长,并导致菌丝体形态变化以及木质素降解酶系(LiP和MnP)活性降低。周上洋等应用基因重组发光菌E.coli HB101 pUCD607研究了Zn2+、Cu2+、Hg+的单一毒性和二元混淆体系的结合毒性,成果表白,单一重金属离子对基因重组发光菌的毒性顺序为Hg+>Zn2+>Cu2+。四 结论与展望 水体重金属污染已经成为一个全球性的问题,重金属一旦进入水体将不能被去除,只能通过一系列的物理化学反映使重金属产生形态上的迁移、转化,最终在水体各组分之间形成一个庞大的体系。

今朝,世界各国的专家学者对重金属的毒性效应、机制等方面已经做了许多研究,在后续的研究事情中,提出以下几点发起: 1)由于一些新兴污染物如抗生素、微塑料等进入水体,结合水体颗粒物、溶解性有机物 (dissolved organic material, DOM)等与重金属形成一个更为庞大的体系,水情况因子对金属生物有效性的影响和机制研究应成为研究重点。2)一些重金属可能是微量级的,但重金属在迁移、转化历程中是否产生毒性效应的改变应该被连续追踪,并成立相应的模型,以监视、预测、评估重金属的毒性变化环境。来历:洪亚军,冯承莲,徐祖信,廖伟,闫振飞,刘大庆,符志友.重金属对水生生物的毒性效应机制研究进展 [J].情况工程.2019,37(11):1-9 文章来历:情况工程 免责声明:推送文章及图片系网络转载,版权归原作者和原出地方有。

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