■許友卿 劉永強(qiáng) 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(yǎng)護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(欽州學(xué)院)，廣西欽州535011；2.廣西大學(xué)水產(chǎn)科學(xué)研究所 廣西高校水生生物健康養(yǎng)殖和營(yíng)養(yǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)、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(yīng)，產(chǎn)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(huán)境中不能被進(jìn)一步分解，卻能與多種物質(zhì)反應(yīng)，在多種化合物與基團(tuán)間轉(zhuǎn)化，形成毒性更大的污染物[3]。Cd的所有化學(xué)形態(tài)對(duì)人和動(dòng)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(tài)毒性最大[4]。Cd 以離子態(tài)和金屬顆粒通過(guò)攝食、鰓吸收、體表滲透等途徑進(jìn)入機(jī)體。Vadlamani等（2018）[5]報(bào)道，低濃度Cd 就可引起魚(yú)類等水生動(dòng)物胚胎發(fā)育失常、提前孵化，并且能夠?qū)е伦恤~(yú)畸形、生長(zhǎng)減慢、繁殖力下降，甚至死亡。因此，研究Cd對(duì)水生動(dòng)物繁殖、生長(zhǎng)、發(fā)育的影響和機(jī)理，做好防護(hù)工作，具有十分重要的意義。

本文主要綜述Cd 對(duì)水生動(dòng)物繁殖、生長(zhǎng)和發(fā)育的影響及機(jī)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(duì)水生動(dòng)物繁育和生長(zhǎng)的危害，保護(hù)水生動(dòng)物和生態(tài)環(huán)境，生產(chǎn)衛(wèi)生安全的漁業(yè)產(chǎn)品和發(fā)展可持續(xù)的漁業(yè)提供參考。

1 鎘對(duì)水生動(dòng)物繁殖的影響

Cd 通過(guò)影響水生動(dòng)物的生殖細(xì)胞而影響其繁殖。暴露于Cd 1.5 μg/l 的長(zhǎng)江華溪蟹(Sinopotamon yangtsekiense)，導(dǎo)致其精母細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)變異，主要表現(xiàn)為線粒體腫脹與空泡化、高爾基體變形、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴(kuò)張和膜結(jié)構(gòu)受損等，進(jìn)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(yú)(Danio rerio)精子的運(yùn)動(dòng)速度和質(zhì)膜的完整性，顯著增加DNA 片段化，從而增加魚(yú)類孵化期間突變或死亡的可能性[7]。2018 年，Kollár 等[8]發(fā)現(xiàn)，于Cd 25 mg/l 暴露30 min后，鯉魚(yú)(Cyprinus carpio L.)精子運(yùn)動(dòng)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(huì)引發(fā)遺傳毒性損傷，影響其繁殖[9]。Cd可通過(guò)影響分子間的相互作用誘導(dǎo)精子的凋亡反應(yīng)[10]。Cd抑制尼羅羅非魚(yú)(Oreochromis niloticus)雌魚(yú)卵泡成熟，進(jìn)而抑制肝合成卵黃蛋白。由于卵黃蛋白原水平降低，卵母細(xì)胞缺乏卵黃(卵黃蛋白)構(gòu)成的材料，因此卵母細(xì)胞的發(fā)育受阻[11]。雌性黑頭呆魚(yú)(Pimephales promelas)卵巢積累Cd而轉(zhuǎn)移到卵子，降低受精卵的孵化成功率[12]?？梢?jiàn)，Cd可通過(guò)影響水生動(dòng)物生殖細(xì)胞成熟、生理功能及活性等，影響其繁殖。

Cd通過(guò)影響水生動(dòng)物的性激素分泌而影響其繁殖。水生動(dòng)物的繁殖能力可通過(guò)下丘腦-垂體-性腺-肝進(jìn)行激素信號(hào)傳遞和調(diào)控[13]。Cd 等金屬污染物可通過(guò)影響魚(yú)類雌激素和睪酮的分泌，進(jìn)而損害魚(yú)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(dǎo)致蝦性腺成熟時(shí)間顯著延遲[15]。水體或飼料中Cd 均顯著刺激尼羅羅非魚(yú)雌二醇分泌，但對(duì)睪酮水平影響不顯著[16]。Cd顯著誘導(dǎo)斑馬魚(yú)雌魚(yú)17 β-雌二醇(E2)的分泌[17]。然而，Tilton 等[18]報(bào)道，雖然所有暴露于Cd 的日本青鳉(Oryzias latipes)雄魚(yú)和雌魚(yú)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(méi)有受到顯著影響。Das等[19]發(fā)現(xiàn)，暴露于25 mg/l CdCl2的鯉魚(yú)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(duì)不同濃度Cd的敏感性相異所致。

Cd 通過(guò)損傷水生動(dòng)物卵巢和精巢而影響其繁殖。Cd 可在水生動(dòng)物性腺中積累，高濃度Cd 可引起睪丸間質(zhì)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(fā)育[20]。Cd暴露可降低水生動(dòng)物卵巢和精巢的性腺指數(shù)[21]。暴露在5 mg/kg Cd兩周，尼羅羅非魚(yú)睪丸曲細(xì)精管直徑變小，睪丸質(zhì)量降低，睪丸上皮細(xì)胞出現(xiàn)壞死和水腫，進(jìn)而阻礙精子產(chǎn)生[11]。CdCl2顯著抑制羅氏沼蝦卵巢生長(zhǎng)[15]。Cd暴露還導(dǎo)致尼羅羅非魚(yú)雌魚(yú)卵巢損傷，卵巢滯后發(fā)育和卵泡細(xì)胞變形[16]。于Cd 14.8 μg/l 暴露30 d的歐洲鰻魚(yú)(Anguilla anguilla)卵巢發(fā)育受抑制，卵母細(xì)胞無(wú)法成熟，這可能是Cd抑制線粒體基因表達(dá)所致[22]。

2 鎘對(duì)水生動(dòng)物胚胎發(fā)育的影響

Cd 影響水生動(dòng)物的發(fā)育，尤以影響胚胎發(fā)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(yú)類胚胎發(fā)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(dòng)，仔魚(yú)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(wú)節(jié)幼體數(shù)，而且延長(zhǎng)后者發(fā)育至成年的時(shí)間[25]。暴露于不同濃度Cd(0.001～0.05 mg/kg)的鯉魚(yú)受精卵孵化成幼魚(yú)的頭部和脊柱都出現(xiàn)不同程度的畸形和彎曲[26]。Williams 等[27]研究表明，紅色斑點(diǎn)彩虹魚(yú)(Melanotaenia fluviatilis)的受精卵暴露在Cd 0.033～3.3 mg/l，其幼魚(yú)的存活率顯著低于對(duì)照組，脊柱畸形率顯著高于對(duì)照組，其中較高的Cd 濃度組魚(yú)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(dǎo)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(jiàn)，Cd 對(duì)水生動(dòng)物胚胎時(shí)期的發(fā)育影響很大，畸形率和死亡率很高。

3 鎘對(duì)水生動(dòng)物生長(zhǎng)的影響

Cd 能強(qiáng)烈地抑制羅非魚(yú)的生長(zhǎng)，而且Cd 的毒性作用是不可逆轉(zhuǎn)的，即使被暴毒后的魚(yú)轉(zhuǎn)移到無(wú)Cd環(huán)境，其生長(zhǎng)依然受到抑制乃至死亡[29]。暴露于Cd 0.20 mg/kg的日本對(duì)蝦(Penaeus japonicus)的生長(zhǎng)性能被顯著抑制[30]。于Cd 0.01 mg/l 暴露20 d 后，食蚊魚(yú)(Gambusia affinis)體重和體長(zhǎng)均顯著降低，尤其是Cd對(duì)幼魚(yú)生長(zhǎng)的抑制作用最為顯著[31]。

Cd對(duì)水生動(dòng)物生長(zhǎng)的影響因濃度而異。實(shí)驗(yàn)表明，低劑量Cd(3.0 mg/kg飼料)可促進(jìn)軍曹魚(yú)(Rachycentron canadum L.)的生長(zhǎng)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(zhǎng)速率[32]。于低濃度Cd 暴露30 d 的鯽魚(yú)，對(duì)其生長(zhǎng)有一定促進(jìn)作用，而高濃度Cd 則抑制鯽魚(yú)生長(zhǎng)，而且魚(yú)體會(huì)出現(xiàn)病變現(xiàn)象[33]。

Cd對(duì)水生動(dòng)物生長(zhǎng)的影響因物種而異。Vadlamani等[34]把南亞野鯪(Labeo rohita)幼魚(yú)暴露于半致死濃度Cd 0.994 mg/kg 20 d，導(dǎo)致該魚(yú)的平均長(zhǎng)度、濕重和干重分別比對(duì)照組降低了7.3%、10.24%和16.32%。當(dāng)把鯉魚(yú)幼魚(yú)暴露于半致死濃度Cd 4.938 mg/kg 20 d，則該魚(yú)平均長(zhǎng)度、濕重和干重分別比對(duì)照組降低了16.95%、11.2%和41.96%，表明不同物種對(duì)Cd 的敏感性相異。Heydarnejad等[35]發(fā)現(xiàn)，于Cd濃度為1 μg/l和3 μg/l暴露30 d的虹鱒(Oncorhynchus mykiss)生長(zhǎng)速率(SGR)和體重增加率(BWG)持續(xù)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(guò)影響魚(yú)攝取營(yíng)養(yǎng)和代謝而抑制其生長(zhǎng)。

4 鎘影響水生動(dòng)物繁殖、發(fā)育和生長(zhǎng)的機(jī)理

4.1 通過(guò)影響相關(guān)基因表達(dá)

Cd 影響性腺相關(guān)基因的表達(dá)。Cd 可攻擊鰻魚(yú)(Anguillidae)卵巢線粒體，下調(diào)環(huán)氧化酶1(cox1)、線粒體ATP 酶、細(xì)胞色素c(cytc)和NADH 脫氫酶5(ND5)基因的表達(dá)水平，從而下調(diào)參與線粒體呼吸鏈相關(guān)蛋白的水平，使卵母細(xì)胞無(wú)法成熟[21]。Cd可抑制羅非魚(yú)卵巢中具有調(diào)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(dá)，從而影響魚(yú)類性腺的發(fā)育和性細(xì)胞的成熟[16]。腹腔注射20 μg/kg CdCl248 h后，鱸魚(yú)(Micropterus salmoides)睪丸中雄激素受體β和與膽固醇代謝相關(guān)的基因均被抑制，表明Cd 不僅影響性腺相關(guān)基因的表達(dá)，還通過(guò)影響能量代謝基因的表達(dá)，進(jìn)而影響水生動(dòng)物的繁殖[36]。

Cd 影響胚胎發(fā)育調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。3～5 μmol/l Cd可誘導(dǎo)斑馬魚(yú)胚胎氧化應(yīng)激增加2～3倍，導(dǎo)致核苷酸切除修復(fù)基因(NER)下調(diào)，8-氧鳥(niǎo)嘌呤DNA糖基化酶基因(OGG1)表達(dá)增加，從而影響胚胎的發(fā)育[37]。Bonaventura 等[38]發(fā)現(xiàn)，暴露在Cd 環(huán)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(cuò)誤表達(dá)，導(dǎo)致胚胎畸形。

Cd影響生長(zhǎng)調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。Cd可誘發(fā)虹鱒內(nèi)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(guān)激素基因的表達(dá)，進(jìn)而影響機(jī)體生長(zhǎng)[39-40]。暴露于Cd 25 mg/l 48 h，導(dǎo)致羅非魚(yú)血清中皮質(zhì)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(guò)影響魚(yú)內(nèi)分泌和糖代謝而影響其生長(zhǎng)[41]。

4.2 通過(guò)影響酶活性

Cd可與機(jī)體許多酶及生物活性物質(zhì)的活性基團(tuán)(如-SH、-NH2、-OH等)結(jié)合，生成不溶性物質(zhì)，改變酶系統(tǒng)，從而影響繁育和生長(zhǎng)[42]。Cd降低斑馬魚(yú)的超氧化物歧化酶(SOD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)活性，增強(qiáng)氧化損傷，進(jìn)而影響魚(yú)體的發(fā)育和生長(zhǎng)[43]。暴露在Cd 30 μg/l 的斑馬魚(yú)，顯著降低其體內(nèi)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(tǒng)和生長(zhǎng)等[44]。Hani 等[45]發(fā)現(xiàn)，暴露于0.5 μg/l Cd 環(huán)境90 d的刺魚(yú)(Gasterosteus aculeatus)，一方面降低其SOD 活性，損害機(jī)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(zhǎng)發(fā)育。與此同時(shí)，Pan等[46]報(bào)道，Cd顯著誘導(dǎo)斑馬魚(yú)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(píng)果酸酶(ME)的活性，抑制肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1(CPT1)、激素敏感脂肪酶α(HSLα)和脂肪三?；视椭久?ATGL)的活性，從而影響魚(yú)的糖代謝、脂肪代謝和生長(zhǎng)發(fā)育。

4.3 通過(guò)影響代謝

Cd誘導(dǎo)水生動(dòng)物體內(nèi)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(guò)程[47],干擾魚(yú)對(duì)Ca 和P 的吸收和利用，導(dǎo)致Ca和P代謝失衡，從而影響魚(yú)的生長(zhǎng)發(fā)育[48]。Cd還誘導(dǎo)水生動(dòng)物體內(nèi)能量失衡，如Cd導(dǎo)致菲律賓簾蛤（R.philippinarum）代謝紊亂，影響其繁殖和生長(zhǎng)發(fā)育[49]。Theuerkauff 等[50]報(bào)道，暴露于Cd 環(huán)境的蜘蛛蟹(Neosarmatium meinerti)腮滲透調(diào)節(jié)能力受損，降低Na-KATP 酶活性，導(dǎo)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(dǎo)致其代謝紊亂而抑制機(jī)體的發(fā)育和生長(zhǎng)[26]。

5 小結(jié)與展望

綜上所述，Cd 嚴(yán)重威脅水生動(dòng)物的繁育和生長(zhǎng)。近年隨著工農(nóng)業(yè)和城市化的迅猛發(fā)展，Cd 污染日益嚴(yán)重，影響日益加重，因此該領(lǐng)域的研究者任重而道遠(yuǎn)。未來(lái)應(yīng)該綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)，從基因、分子、細(xì)胞、器官和整體水平，多層次全面地深入研究Cd對(duì)水生動(dòng)物繁殖、發(fā)育和生長(zhǎng)的影響，注重用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)從分子和基因水平研究其機(jī)理。特別應(yīng)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究：①Cd 致毒的主要靶器官、基因、途徑和機(jī)理；②對(duì)Cd敏感的生物標(biāo)記物；③Cd 在體內(nèi)可能降解和排出的機(jī)制；④Cd 解毒的方法和機(jī)理；⑤建立水體和沉積物的Cd濃度控制水平，保護(hù)水體生態(tài)環(huán)境和敏感的水生生物，服務(wù)于生產(chǎn)衛(wèi)生安全的漁業(yè)產(chǎn)品和發(fā)展可持續(xù)的漁業(yè)。