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水环境镉对罗非鱼的毒性作用和机理探讨

柏世军  
【摘要】: 重金属镉已成为世界各地水域主要污染物之一,严重影响水生生物的生长、发育、繁殖,并通过食物链损害人类健康。鱼类与哺乳动物(包括人)生理构造相似,大多数污染物对鱼类和人类机体产生类似影响。因此,深入研究Cd~(2+)对鱼类的毒害作用以及机理对实现水产养殖业可持续发展和人类健康具有重要意义。本试验以世界广泛养殖的罗非鱼(Oreochromis niloticus)为试验对象,通过对水环境Cd~(2+)胁迫作用下罗非鱼内分泌、血浆渗透压和离子组成调节能力、能量代谢、GSH代谢等方面的研究,对Cd~(2+)内分泌干扰作用以及ROS诱导机制进行了探讨。具体内容主要包括以下几方面: 1罗非鱼对水环境Cd~(2+)的敏感性 采用静水水生生物急性毒性试验方法,观察罗非鱼中毒症状并计算半数致死浓度(LC_(50))。结果发现高浓度组鱼首先出现异常行为:游动急促,上下窜动;随后身体失去平衡,游动缓慢,反应迟钝,最后呈螺旋式运动,逐渐丧失运动能力而静止在底部,直至死亡。低浓度组出现中毒症状需要时间较长,但一旦中毒症状相同。解剖显示:血液暗红色;肝脏颜色加深,质地松软;腹腔内充满黄色胶胨状物质;鱼鳃水肿,呈紫红色。计算结果显示,水环境Cd~(2+)对罗非鱼鱼种24h、48h、72h和96h LC_(50)分别为27.73mg/L,16.87mg/L,12.43mg/L和9.11mg/L,安全试验浓度为0.91mg/L。 1罗非鱼对水环境Cd~(2+)的蓄积和排放 采用室内模拟方法,将罗非鱼在不同浓度Cd~(2+)(0.5mg/L和1.0mg/L)溶液中暴露60d后再转移到清洁水体排放30d。结果表明,罗非鱼对水环境Cd~(2+)蓄积具有时间和剂量效应关系;蓄积速度因组织而异:鳃、肝、肾Cd~(2+)浓度迅速增加,肌肉中增加缓慢。60d后Cd~(2+)蓄积量为肾肝鳃肌肉。排放期间,鳃和肌肉Cd~(2+)迅速降低,肝Cd~(2+)含量几乎维持不变,肾Cd~(2+)含量略有增加。排放30d后,肌肉Cd~(2+)排出率59.37%(0.5mg/L)和80.44%(1.0mg/L)。表明受Cd~(2+)污染罗非鱼经清洁水排放后有望达到食用标准。 3水环境Cd~(2+)对罗非鱼渗透压和血浆离子组成的影响 将罗非鱼分别暴露在0.5和1.5mg/L Cd~(2+)溶液中,分别在5,10和20d后对血浆渗透压、离子组成及调节系统进行了检测。结果显示,0.5mg/LCd~(2+)暴露5d后鳃扁平上皮细胞(PC)微脊数量增加,泌氯细胞(CC)和ATPase无明显变化,促肾上腺皮质激素(ACTH)、皮质醇(Cor)和3,5-环化腺苷酸(cAMP)含量以及头肾腺苷酸化酶(AC)活性显著升高(p0.05);10d后,PC微脊增多并呈不规则排列,CC表面积增加,但数量无明显变化,ATPase活性显著升高(p0.05),其余指标恢复正常;20d后,CC数量增加,颗粒物排列密度降低,部分CC表面积增加,呈丘状突出;ATPase、ACTH、Cor和cAMP含量以及AC活性显著高于对照(p0.05);20d暴露期内渗透压和离子组成无显著变化(p0.05)。1.5mg/LCd~(2+)20d暴露期内PC细胞个体清晰可辨,微脊明显增多;CC数量和ATPase活性在暴露5d后呈增加趋势(p0.05),ACTH、Cor和cAMP含量以及AC酶被显著诱导(p0.05),血浆K~+浓度显著升高,Na~+和Cl~-浓度显著下降(p0.05),Ca~(2+)浓度和渗透压正常;10d后CC数量明显增加,颗粒物排列密度明显降低,ATPase显著升高(p0.05),其余检测指标正常;20d后CC数量、Ca~(2+)-ATPase、渗透压、Ca~(2+)、Na~+和Cl~-浓度显著降低(p0.05),K~+、ACTH浓度显著高于对照,Cor水平正常。20d暴露期内,所有处理组MDA与对照无显著差异(p0.05)。由此可见,高浓度Cd~(2+)长时间胁迫干扰ACTH信号传递,影响Cor合成和释放,损害了鱼体修复能力,从而诱发血浆渗透压和离子组成不可逆紊乱。因此,内分泌信号传递干扰作用可能是Cd~(2+)毒性机理之一。 4.水环境Cd~(2+)对罗非鱼鳃能量代谢的影响 将罗非鱼分别暴露在0mg/L、0.5mg/L和2.5mg/LCd~(2+)水中7d,观察鳃线粒体超微结构并对线粒体琥珀酸脱氢酶(SDH)、细胞色素氧化酶(CCO)、超氧化物歧化酶(SOD)活性、丙二醛(MDA)含量和鳃磷酸果糖激酶(PFK)、乳酸(LD)、游离氨基酸(FAA)、总蛋白、谷丙转氨酶(GPT)、谷草转氨酶(GOT)、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)、血糖、血清FAA和能量负荷(EC)进行了检测。结果显示,0.5mg/LCd~(2+)胁迫作用下,SOD、SDH和CCO活性在前5d暴露时间内被持续诱导,7d后恢复正常;血糖仅仅在暴露后的第3d和第5d显著高于对照(p0.05);其余检测指标无显著变化。2.5mg/L处理组7d后可见部分线粒体肿胀、空泡化、膜结构破损,线粒体计分显著升高(p0.05)。SOD活性被逐渐诱导,3d后达最高,但从第5d起开始下降,7d后显著降低(p0.05)。PFK、SDH和CCO活性逐渐增加,5d后活性最大,比对照分别高58.33%、37.00%和59.62%,同时FAA、GOT、GPT和PEPCK也显著高于对照(p0.05);7d后,除PEPCK恢复正常外,其余酶活指标均显著降低而LD显著增加(p0.05);血糖持续升高,7d后浓度达到0.97mg/L,比对照提高67.24%(p0.005);FAA在暴露后的第5d和第7d比对照显著高30.91%和60.31%,浓度分别为0.72和0.75mg/mL。EC仅仅在暴露7d后显著降低(p0.05)。结果提示:低浓度Cd~(2+)暴露导致罗非鱼蛋白质周转代谢和糖氧化分解加强;高浓度Cd~(2+)短时间胁迫作用下罗非鱼不但加强糖氧化分解满足能量需求和加快蛋白质周转代谢合成各种应激分子,还分解部分蛋白氧化供能。但高浓度Cd~(2+)胁迫长时间胁迫,将抑制线粒体SOD酶活性,导致线粒体氧化损伤,同时抑制PFK,引发鱼鳃能量供应障碍。因此,Cd~(2+)引发鱼鳃能量代谢障碍可能是Cd~(2+)毒性机理之一。 5.水环境Cd~(2+)胁迫作用下罗非鱼肝脏GSH代谢的变化和活性氧(ROS)的诱导机理 将罗非鱼鱼种在3.0mg/LCd~(2+)暴露1、5、10、20和40d后,对还原型谷胱甘肽(GSH)、氧化型谷胱甘肽(GSSG)和谷胱甘肽循环代谢相关酶活性进行测定,并对GSSG-GSH比率进行了计算。结果表明,GSH含量逐渐降低,GSSG-GSH比率逐渐升高;硒依赖谷胱甘肽过氧化酶(Se-GPX)、谷胱甘肽硫转移酶(GST)、葡萄糖—6—磷酸脱氢酶(G6PDH)的活性和GSSG含量在前20d暴露期内逐渐升高,40d后显著降低,但仍显著高于对照(p0.05)。谷胱甘肽还原酶(GR)和γ—谷胺酰二酰基半胱胺酸合成酶(γ-GCS)活性在试验期间变化不明显,GR仅仅在40d后显著降低,暴露20d后γ-GCS短暂升高。40d后线粒体计分显著增加。结果表明Cd~(2+)亚慢性胁迫作用初期肝脏通过加强GSH合成和周转代谢抵御Cd~(2+)的毒害作用,但随着暴露时间延长,这种反应逐渐丧失。结果提示:Cd~(2+)在初期诱导ROS生成增加并非通过损伤线粒体完成,但GSH耗竭将导致线粒体损伤而将加速ROS形成。


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