鎘對水生動物繁育和生長的影響及機理

■許友卿 劉永強 陳亨德 李偉峰 鄭一民 丁兆坤*

(1.廣西北部灣海洋生物多樣性養護重點實驗室(欽州學院)，廣西欽州535011；2.廣西大學水產科學研究所 廣西高校水生生物健康養殖和營養調控重點實驗室，廣西南寧530004)

鎘(Cadmium，Cd)是重金屬污染物最典型的代表，具有親脂強、易富集和難降解等特性[1-2]。Cd 作為一種金屬元素，易與氧氣、氯化氫、二氧化硫、水蒸氣、二氧化碳等反應，產生氧化鎘、氯化鎘、亞硫酸鎘、硫酸鎘等化合物，這些化合物在自然環境中不能被進一步分解，卻能與多種物質反應，在多種化合物與基團間轉化，形成毒性更大的污染物[3]。Cd的所有化學形態對人和動物都是有毒的。除硒化鎘、硫化鎘和氧化鎘極微溶于水外，其余都溶于水，其中Cd的離子狀態毒性最大[4]。Cd 以離子態和金屬顆粒通過攝食、鰓吸收、體表滲透等途徑進入機體。Vadlamani等（2018）[5]報道，低濃度Cd 就可引起魚類等水生動物胚胎發育失常、提前孵化，并且能夠導致仔魚畸形、生長減慢、繁殖力下降，甚至死亡。因此，研究Cd對水生動物繁殖、生長、發育的影響和機理，做好防護工作，具有十分重要的意義。

本文主要綜述Cd 對水生動物繁殖、生長和發育的影響及機理，旨在更好地深入理解和研究之，為有效地控制和防治Cd 對水生動物繁育和生長的危害，保護水生動物和生態環境，生產衛生安全的漁業產品和發展可持續的漁業提供參考。

1 鎘對水生動物繁殖的影響

Cd 通過影響水生動物的生殖細胞而影響其繁殖。暴露于Cd 1.5 μg/l 的長江華溪蟹(Sinopotamon yangtsekiense)，導致其精母細胞超微結構變異，主要表現為線粒體腫脹與空泡化、高爾基體變形、內質網擴張和膜結構受損等，進而影響其精子的活性[6]。暴露于Cd 5 μg/l和100 μg/l，降低斑馬魚(Danio rerio)精子的運動速度和質膜的完整性，顯著增加DNA 片段化，從而增加魚類孵化期間突變或死亡的可能性[7]。2018 年，Kollár 等[8]發現，于Cd 25 mg/l 暴露30 min后，鯉魚(Cyprinus carpio L.)精子運動性受顯著抑制，在Cd 50 mg/l 暴露90 min，其精子活性完全喪失。在Cd 0.01～10 000 mg/l 范圍，隨著Cd 濃度增加，普魯士鯽(Carassius auratus gibelio)精子氧化性DNA 損傷加重，表明精子與Cd直接接觸會引發遺傳毒性損傷，影響其繁殖[9]。Cd可通過影響分子間的相互作用誘導精子的凋亡反應[10]。Cd抑制尼羅羅非魚(Oreochromis niloticus)雌魚卵泡成熟，進而抑制肝合成卵黃蛋白。由于卵黃蛋白原水平降低，卵母細胞缺乏卵黃(卵黃蛋白)構成的材料，因此卵母細胞的發育受阻[11]。雌性黑頭呆魚(Pimephales promelas)卵巢積累Cd而轉移到卵子，降低受精卵的孵化成功率[12]。可見，Cd可通過影響水生動物生殖細胞成熟、生理功能及活性等，影響其繁殖。

Cd通過影響水生動物的性激素分泌而影響其繁殖。水生動物的繁殖能力可通過下丘腦-垂體-性腺-肝進行激素信號傳遞和調控[13]。Cd 等金屬污染物可通過影響魚類雌激素和睪酮的分泌，進而損害魚類的繁殖[14]。濃度為25 μg/l 的CdCl2顯著刺激羅氏沼蝦(Macrobrachium rosenbergii)性腺抑制激素(GIH)的分泌，降低性腺刺激激素(GSH)的釋放，導致蝦性腺成熟時間顯著延遲[15]。水體或飼料中Cd 均顯著刺激尼羅羅非魚雌二醇分泌，但對睪酮水平影響不顯著[16]。Cd顯著誘導斑馬魚雌魚17 β-雌二醇(E2)的分泌[17]。然而，Tilton 等[18]報道，雖然所有暴露于Cd 的日本青鳉(Oryzias latipes)雄魚和雌魚的性腺類固醇分泌減少，但是其血漿卵黃蛋白原(VTG)和肝雌激素受體(ER)沒有受到顯著影響。Das等[19]發現，暴露于25 mg/l CdCl2的鯉魚雌二醇水平降低，并且在暴露96 h后雌二醇水平受到最大抑制。這可能是不同物種對不同濃度Cd的敏感性相異所致。

Cd 通過損傷水生動物卵巢和精巢而影響其繁殖。Cd 可在水生動物性腺中積累，高濃度Cd 可引起睪丸間質出血并伴隨水腫，低濃度Cd 可影響性腺固醇類激素的分泌，從而影響性器官的發育[20]。Cd暴露可降低水生動物卵巢和精巢的性腺指數[21]。暴露在5 mg/kg Cd兩周，尼羅羅非魚睪丸曲細精管直徑變小，睪丸質量降低，睪丸上皮細胞出現壞死和水腫，進而阻礙精子產生[11]。CdCl2顯著抑制羅氏沼蝦卵巢生長[15]。Cd暴露還導致尼羅羅非魚雌魚卵巢損傷，卵巢滯后發育和卵泡細胞變形[16]。于Cd 14.8 μg/l 暴露30 d的歐洲鰻魚(Anguilla anguilla)卵巢發育受抑制，卵母細胞無法成熟，這可能是Cd抑制線粒體基因表達所致[22]。

2 鎘對水生動物胚胎發育的影響

Cd 影響水生動物的發育，尤以影響胚胎發育最為顯著，因胚胎是生命的早期，極易受影響。暴露于低濃度Cd 即可引起魚類胚胎發育異常、提前孵化乃至死亡，顯著降低胚胎孵化率和心臟跳動，仔魚畸形[23-24]。高濃度Cd 顯著減少日本虎斑猛水蚤(Tigriopus)胚胎孵化為無節幼體數，而且延長后者發育至成年的時間[25]。暴露于不同濃度Cd(0.001～0.05 mg/kg)的鯉魚受精卵孵化成幼魚的頭部和脊柱都出現不同程度的畸形和彎曲[26]。Williams 等[27]研究表明，紅色斑點彩虹魚(Melanotaenia fluviatilis)的受精卵暴露在Cd 0.033～3.3 mg/l，其幼魚的存活率顯著低于對照組，脊柱畸形率顯著高于對照組，其中較高的Cd 濃度組魚脊柱畸形率27%。紅海鯛(Pagrus major)受精卵受精3 h后，暴露在Cd 0～3.2 mg/l至孵化后96 h，導致孵化率隨著Cd 濃度的增加而下降，其中暴露于Cd 3.2 mg/l 的孵化率為0，各濃度組的異常率也分別在1%～100%之間，異常者包括心臟水腫，尾部退化或畸形，鰭損傷和脊柱彎曲等[28]。可見，Cd 對水生動物胚胎時期的發育影響很大，畸形率和死亡率很高。

3 鎘對水生動物生長的影響

Cd 能強烈地抑制羅非魚的生長，而且Cd 的毒性作用是不可逆轉的，即使被暴毒后的魚轉移到無Cd環境，其生長依然受到抑制乃至死亡[29]。暴露于Cd 0.20 mg/kg的日本對蝦(Penaeus japonicus)的生長性能被顯著抑制[30]。于Cd 0.01 mg/l 暴露20 d 后，食蚊魚(Gambusia affinis)體重和體長均顯著降低，尤其是Cd對幼魚生長的抑制作用最為顯著[31]。

Cd對水生動物生長的影響因濃度而異。實驗表明，低劑量Cd(3.0 mg/kg飼料)可促進軍曹魚(Rachycentron canadum L.)的生長速率，而高劑量Cd(5.0 mg/kg飼料和10.0 mg/kg 飼料)則抑制其生長速率[32]。于低濃度Cd 暴露30 d 的鯽魚，對其生長有一定促進作用，而高濃度Cd 則抑制鯽魚生長，而且魚體會出現病變現象[33]。

Cd對水生動物生長的影響因物種而異。Vadlamani等[34]把南亞野鯪(Labeo rohita)幼魚暴露于半致死濃度Cd 0.994 mg/kg 20 d，導致該魚的平均長度、濕重和干重分別比對照組降低了7.3%、10.24%和16.32%。當把鯉魚幼魚暴露于半致死濃度Cd 4.938 mg/kg 20 d，則該魚平均長度、濕重和干重分別比對照組降低了16.95%、11.2%和41.96%，表明不同物種對Cd 的敏感性相異。Heydarnejad等[35]發現，于Cd濃度為1 μg/l和3 μg/l暴露30 d的虹鱒(Oncorhynchus mykiss)生長速率(SGR)和體重增加率(BWG)持續下降，其血清中的葡萄糖含量先升后正常，而甘油三酯和膽固醇則先降后正常，表明Cd通過影響魚攝取營養和代謝而抑制其生長。

4 鎘影響水生動物繁殖、發育和生長的機理

4.1 通過影響相關基因表達

Cd 影響性腺相關基因的表達。Cd 可攻擊鰻魚(Anguillidae)卵巢線粒體，下調環氧化酶1(cox1)、線粒體ATP 酶、細胞色素c(cytc)和NADH 脫氫酶5(ND5)基因的表達水平，從而下調參與線粒體呼吸鏈相關蛋白的水平，使卵母細胞無法成熟[21]。Cd可抑制羅非魚卵巢中具有調控黃體酮、類固醇激素分泌功能的雌激素受體(ERα)、孕激素受體(PR)和卵黃蛋白原(HVT)基因的表達，從而影響魚類性腺的發育和性細胞的成熟[16]。腹腔注射20 μg/kg CdCl248 h后，鱸魚(Micropterus salmoides)睪丸中雄激素受體β和與膽固醇代謝相關的基因均被抑制，表明Cd 不僅影響性腺相關基因的表達，還通過影響能量代謝基因的表達，進而影響水生動物的繁殖[36]。

Cd 影響胚胎發育調節基因的表達。3～5 μmol/l Cd可誘導斑馬魚胚胎氧化應激增加2～3倍，導致核苷酸切除修復基因(NER)下調，8-氧鳥嘌呤DNA糖基化酶基因(OGG1)表達增加，從而影響胚胎的發育[37]。Bonaventura 等[38]發現，暴露在Cd 環境中72 h，海膽(Paracentrotus lividus)胚胎p38 絲裂原活化蛋白激酶基因(p38 MAPK)被激活，14-3-3ε基因和金屬硫蛋白基因被錯誤表達，導致胚胎畸形。

Cd影響生長調節基因的表達。Cd可誘發虹鱒內分泌紊亂，包括影響下丘腦-垂體-腎間(HPI)和下丘腦-垂體-甲狀腺(HPT)相關激素基因的表達，進而影響機體生長[39-40]。暴露于Cd 25 mg/l 48 h，導致羅非魚血清中皮質醇和葡萄糖水平顯著增加，甲狀腺激素(THs)水平顯著下降，表明Cd 通過影響魚內分泌和糖代謝而影響其生長[41]。

4.2 通過影響酶活性

Cd可與機體許多酶及生物活性物質的活性基團(如-SH、-NH2、-OH等)結合，生成不溶性物質，改變酶系統，從而影響繁育和生長[42]。Cd降低斑馬魚的超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)活性，增強氧化損傷，進而影響魚體的發育和生長[43]。暴露在Cd 30 μg/l 的斑馬魚，顯著降低其體內溶菌酶(LZM)和堿式磷酸酶(AKP)蛋白水平和活性，抑制其免疫系統和生長等[44]。Hani 等[45]發現，暴露于0.5 μg/l Cd 環境90 d的刺魚(Gasterosteus aculeatus)，一方面降低其SOD 活性，損害機體氧化代謝；另一方面抑制其腸胰蛋白酶、淀粉酶和腸堿性磷酸酶活性，抑制能量代謝，兩方面均影響其生長發育。與此同時，Pan等[46]報道，Cd顯著誘導斑馬魚肝脂肪酸合成酶(FAS)、6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶(6PGD)、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PD)和蘋果酸酶(ME)的活性，抑制肉毒堿棕櫚酰轉移酶1(CPT1)、激素敏感脂肪酶α(HSLα)和脂肪三酰基甘油脂肪酶(ATGL)的活性，從而影響魚的糖代謝、脂肪代謝和生長發育。

4.3 通過影響代謝

Cd誘導水生動物體內鈣(Ca)代謝紊亂。Cd2+的離子半徑與Ca2+相似，前者可以模仿后者干擾后者參與的生物過程[47],干擾魚對Ca 和P 的吸收和利用，導致Ca和P代謝失衡，從而影響魚的生長發育[48]。Cd還誘導水生動物體內能量失衡，如Cd導致菲律賓簾蛤（R.philippinarum）代謝紊亂，影響其繁殖和生長發育[49]。Theuerkauff 等[50]報道，暴露于Cd 環境的蜘蛛蟹(Neosarmatium meinerti)腮滲透調節能力受損，降低Na-KATP 酶活性，導致通氣量和呼吸速率分別增加2倍和3 倍，耗能激增，代謝異常。Cd 顯著抑制黃金鱸(Perca flavescens)線粒體酶活性和氧化代謝，導致其代謝紊亂而抑制機體的發育和生長[26]。

5 小結與展望

綜上所述，Cd 嚴重威脅水生動物的繁育和生長。近年隨著工農業和城市化的迅猛發展，Cd 污染日益嚴重，影響日益加重，因此該領域的研究者任重而道遠。未來應該綜合運用多學科知識，從基因、分子、細胞、器官和整體水平，多層次全面地深入研究Cd對水生動物繁殖、發育和生長的影響，注重用現代分子生物學技術從分子和基因水平研究其機理。特別應加強以下幾個方面的研究：①Cd 致毒的主要靶器官、基因、途徑和機理；②對Cd敏感的生物標記物；③Cd 在體內可能降解和排出的機制；④Cd 解毒的方法和機理；⑤建立水體和沉積物的Cd濃度控制水平，保護水體生態環境和敏感的水生生物，服務于生產衛生安全的漁業產品和發展可持續的漁業。