陸惠蓮，曹慕華，梁曉霞，譚文婷，彭靖服，原麗紅

（廣東藥科大學生命科學與生物制藥學院，廣東 廣州 510006）

2020 年央視“3·15 晚會”以“海參水‘深’，養(yǎng)海參竟然整箱放敵敵畏”為題，曝光了山東即墨部分養(yǎng)殖戶在海參養(yǎng)殖過程中違規(guī)使用敵敵畏清池的養(yǎng)殖亂象，引發(fā)社會廣泛關注[1]。有機磷農藥進入水體后，可在生物體內積蓄，對養(yǎng)殖環(huán)境及水產生物產生不容忽視的影響，最終將危害人類安全，因此在含有有機磷農藥敵敵畏的水體中，同池塘中魚、蝦、蟹等生物相繼死亡，而海參卻能正常存活，其抗“毒”（有機磷農藥）機理成為人們談論的熱點話題。文獻[2-4]顯示，海參對多種有機磷農藥的抗性較強，當前尚無海參對敵敵畏抗藥性的直接數(shù)據(jù)，海參抗有機磷農藥機理至今不明。為探究海參抗有機磷農藥的潛在機理，現(xiàn)以玉足海參為研究對象，通過敵敵畏等有機磷農藥的毒性反應和海參自身結構及行為特點，分別對海參免疫、呼吸、消化、神經四大系統(tǒng)降解、代謝敵敵畏的機理進行研究，以期為海參養(yǎng)殖、加工和食用安全提供理論基礎。

1 有機磷農藥的應用和毒性機理

1.1 有機磷農藥的使用情況

自20 世紀80 年代有機氯農藥被禁用后，新一代有機磷農藥因具有易降解、不易被生物富集、對殺滅靶生物毒性大、對生態(tài)環(huán)境影響較小等優(yōu)點[5]，成為目前我國農藥市場所占份額最大、農業(yè)生產使用最廣泛的一類農藥，廣泛應用于種植業(yè)。我國作為農業(yè)大國，合理地使用農藥可以保障糧食的產量，如果停止使用農藥，我國糧食的產量會減產25%~30%，將有約3.5 億人挨餓[6]，但農藥的超范圍和超量使用會給生態(tài)系統(tǒng)和人體健康帶來巨大的危害。農藥施用于農田后，僅有10%~20%會進入空氣并被植物吸收，剩余的80%~90%將進入土壤，并按不同途徑擴散到其他環(huán)境介質中[7]。農藥進入土壤后，可隨河流、大氣、工業(yè)排放等方式匯入海洋，更有研究指出，沿海地區(qū)比內陸地區(qū)農藥使用量大[8]，因此農藥最終會在水體中富集，對水生生物產生影響。研究發(fā)現(xiàn)，國內水環(huán)境中，農藥殘留以有機氯類（Organochlorine pesticides, OCPs）和有機磷類（Organophosphorus pesticides, OPs，包含樂果、氧化樂果、敵敵畏、對硫磷、甲基對硫磷、三唑磷、敵百蟲等）為主，OPs殘留濃度最高，且含量高于 OCPs[9]；Gao 等[10]在農藥殘留調查中發(fā)現(xiàn)，中國七大河流和三大流域地表水的OPs 殘留現(xiàn)象嚴重；田澍等[11]在南通市地表水質監(jiān)測點，發(fā)現(xiàn)農田附近的不同區(qū)域的水樣可檢出有機磷農藥致螟磷和對硫磷，其含量最高達15.6 μg/L；朱麗芳等[12]定量檢測了杭嘉湖樂果含量，檢出最大濃度達到30 180 ng/L；許紅睿等[13]定量研究了江蘇部分地區(qū)13 個水廠的水源水和出廠水中的49 種半揮發(fā)性有機污染物，檢出部分常用有機磷農藥，其中敵敵畏的檢出率達到了100%。不僅僅在流域水體方面，有機磷農藥的殘留也涉及了水生生物。在海南省最大的松濤水庫中，發(fā)現(xiàn)魚類體內殘留甲基對硫磷農藥[14]；在山東省的微山湖水系的太白湖中，發(fā)現(xiàn)河蚌體內存在敵敵畏殘留[15]，其風險已超過人體所能承受的范圍。由此可見，有機磷農藥污染具普遍性，而未來在農業(yè)上仍會被廣泛使用。國內水域污染情況及2020 年央視“3·15 晚會”曝光的敵敵畏清池事件，反映出養(yǎng)殖戶對農藥使用安全意識不強、水域中有機磷藥物殘留現(xiàn)象較嚴重等問題，這終將影響生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定、水生生物乃至人類的安全。

1.2 有機磷農藥對水生生物毒性作用機制

敵敵畏、樂果、對硫磷等有機磷農藥是一種神經毒劑，主要通過干擾生物神經系統(tǒng)功能進而對生物體產生毒害作用。目前已發(fā)現(xiàn)的有機磷類農藥對水生生物的毒性機制主要有3 種。一是OPs會抑制膽堿酯酶活性，使生物體內乙酰膽堿大量堆積，毒蕈堿受體和煙堿受體能持續(xù)興奮，長期刺激受體，阻斷神經細胞去極化，引起神經傳導失常，神經代謝生理功能紊亂，導致生物體中毒死亡[16]。二是OPs 會誘導細胞產生氧化應激反應，通過產生大量自由基，使機體超氧化物歧化酶（SOD）活力降低，過量的自由基數(shù)量超過生物體抗氧化體系的還原能力。導致細胞遭受氧化損傷，進而損傷線粒體等細胞器，線粒體損傷可以導致多種系統(tǒng)受影響，引起不同的細胞、組織和器官疾病[17]。三是樂果、敵敵畏、甲胺磷等有機磷農藥引起生物體中毒后，生物體會產生“中間綜合征”，以肌肉無力、呼吸困難等為特征[18]。

1.3 有機磷農藥對水生生物毒性的相關研究

通過對中國知網數(shù)據(jù)庫（CNKI）學術期刊進行檢索［關鍵詞：有機磷農藥（Organophosphorus pesticides）］，篩選并總結了自 2002 年 1 月 1 日至2020年12 月31 日有機磷農藥對水生生物毒性方面的文獻（圖1），相關研究選取的物種情況，見圖2?？梢钥闯?，有機磷農藥對水生生物毒性方面的研究逐年增加，且主要集中在斑馬魚、海膽等模式生物及魚、蝦、貝類和海參等經濟動物中。

圖1 有機磷農藥對水生生物的毒性方面文獻發(fā)表數(shù)量

圖2 全球有機磷農藥毒性研究選取的水生生物種類

劉亞莉等[19]構建了淡水水生生物對敵敵畏的物種敏感性分布模型，發(fā)現(xiàn)不同水生生物對敵敵畏的敏感度不同?，F(xiàn)整理了敵敵畏對常見水生生物（魚、蝦、貝類）的急性毒性數(shù)據(jù)，見表1。由表1 可見，敵敵畏對蝦類、貝類的半致死濃度（LC50）較低（0.008~3.796 mg/L），對魚類的 LC50較高（23.300~66.189 mg/L）。由于未檢索到海參對敵敵畏抗性的直接數(shù)據(jù)，查找了近年來有關敵百蟲、三唑磷等有機磷農藥對海參的影響的研究數(shù)據(jù)，確定了敵敵畏對玉足海參幼苗（260 日齡）的LC50為103.062~277.943 mg/L，見表2。由表 2 可見，海參對有機磷農藥的抗性普遍較強。

表1 敵敵畏對常見水生生物的毒性影響 mg/L

表2 不同有機磷農藥對海參的毒性影響 mg/L

2 海參生理特點與其潛在的抗“毒”機理

海參（Sea cucumber），屬棘皮動物門（Echinodermata），海參綱（Holothuroidea），自古以來就被認為是一種名貴的滋補食材，位列“八珍”之一。海參含有多種生物活性物質，如海參多糖、海參皂苷、海參膠原蛋白、海參多肽及脂類物質等[26]，這些活性成分具有抗腫瘤、抗菌、抗病毒、抗凝血及延緩衰老、降血脂、降血糖、防止動脈硬化、增強免疫力和提高記憶力等多種保健作用。伴隨經濟不斷發(fā)展，消費者對身體健康日益重視，對名貴滋補食品海參的需求劇增。僅2008 年，全球干海參產量超過2 萬 t，海參產業(yè)遍布 70 多個國家[27]；2018 年，全球干海參總產量達3.93 萬t，其中我國干海參的產量約為4 379 t；至2020 年，中國刺參鮮參產量已達20 萬t，直接經濟效益300 多億元，全產業(yè)鏈產值達1 000 億元[1]。海參需求量及產量與日俱增，海參養(yǎng)殖過程中敵敵畏的亂用和海參高抗“毒”現(xiàn)象引發(fā)了廣泛關注。現(xiàn)梳理了近20 年關于海參的生理結構特點相關研究成果，從海參的免疫系統(tǒng)、神經系統(tǒng)和消化系統(tǒng)等方面特點探討海參抗有機磷農藥的潛在機理。

2.1 海參免疫系統(tǒng)

2.1.1 基本特征 海參屬于無脊椎動物，缺乏脊椎動物所具有的特異性免疫系統(tǒng)，只具有非特異性免疫系統(tǒng)，其免疫功能主要通過體壁防御和體內免疫來完成。體壁防御是海參抵抗外來病原體的第一道防線[28]。海參的體內免疫應答分為細胞免疫和體液免疫兩個部分。細胞免疫主要通過大量的體腔細胞來完成，體腔細胞有吞噬細胞及3 種球狀細胞。吞噬細胞顯示出2 個不同的形態(tài)：花瓣形和絲狀形，前者參與外源物質的吞噬，后者則在凝血和組織修復中發(fā)揮作用。3 種球狀細胞包括Type I細胞、Type II 細胞和Type Ⅲ細胞[29]。體液免疫反應以體腔細胞分泌的各種免疫因子進入體腔為基礎[30]，免疫因子主要存在于海參體腔液中，包括凝集素（apostichopus japonicus lectin, AJL）、溶血素（hemolysin）、補體系統(tǒng)（complements system）以及溶菌酶（lysozyme, LSZ）、酸性磷酸酶（acid phosphatase,ACP）、堿性磷酸酶（alkaline phosphatase, AKP）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）和過氧化物酶（peroxidase, POD）等，它們能夠對外來的入侵者進行識別和攻擊。其中ACP、AKP、LSZ、SOD和POD 這5 種酶是機體免疫調控的重要成分[31]。該研究發(fā)現(xiàn)，隨著敵敵畏濃度升高海參體內SOD活性呈下降趨勢（未發(fā)表數(shù)據(jù)），這體現(xiàn)了海參免疫因子對有機磷環(huán)境的應答。

2.1.2 潛在機理 線粒體是細胞進行有氧呼吸的主要細胞器。線粒體呼吸鏈中如果有電子漏出，則會產生活性氧（reactive oxygen species, ROS），導致氧化損傷?；钚匝跬ㄟ^奪取細胞體內富電子物質的電子而對細胞產生毒害作用，進一步誘導細胞線粒體結構及功能的改變，引起細胞凋亡和壞死[32-33]。

文獻[34]指出，有機磷農藥會誘導細胞產生氧化應激。氧化應激會加快線粒體產生活性氧的速度，使機體內ROS 生成過多，導致神經元、髓鞘被嚴重破壞，如果不及時清除，便會引起蛋白質失活、DNA 鏈斷裂和膜脂過氧化，使細胞遭受氧化損傷，導致生物體死亡。

海參具有發(fā)育良好的抗氧化防御系統(tǒng)，包括抗氧化酶如SOD、過氧化氫酶（catalase, CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase, GPX）等，可以直接清除有害的ROS 和其他與ROS 生成有關的化合物[35]，保護機體免受此種氧化損傷。SOD 是海參體腔免疫中的關鍵酶，能催化O2-發(fā)生歧化反應，加速O2-轉變?yōu)镠2O2和O2，從而消除O2-，在維持機體活性氧代謝的平衡中起重要作用[36]。海參的體壁和各種免疫細胞與免疫因子組成強大的免疫系統(tǒng)，在消除有機磷農藥引起的氧化應激反應所產生的活性氧方面起重要作用。此外，活性氧ROS 還受到miRNAs 的調節(jié)，影響海參的免疫反應[37]。

2.2 海參呼吸系統(tǒng)

2.2.1 基本結構 呼吸樹（respiratory tree）是海參類特有的呼吸器，為半透明的分枝狀憩室，但只見于枝手目、循手目和芋參目。呼吸樹的根部位于泄殖腔上端和大腸交界處，在腸道左側和右側的體腔內各有一分支，并通過細小的結締組織脊與體壁相連，其末端呈小囊狀，形圓、壁薄。呼吸樹由外向內依次為體腔上皮、肌層、血腔、內皮細胞和中央腔[38]，其組織學和消化道相似，實際上它是消化道的突出部分，周圍散布有體腔細胞，特別是有色球形體居多，內有許多待排泄顆粒。

2.2.2 潛在機理 海參通過膨大呼吸樹，增生上皮細胞等方式抵御有機磷農藥的毒性。Telahigue等[39]使用草甘膦（Glyphosate, GLY）及其商業(yè)劑型RD○R短期作用于海參的呼吸樹（96 h），通過組織病理學觀察，發(fā)現(xiàn)暴露于草甘膦的海參呼吸樹出現(xiàn)了增生，且出現(xiàn)內膜上皮肥大及融合，肌肉層受損且變薄，體腔上皮被侵蝕并肥大，內膜上皮有部分脫落、解體的現(xiàn)象。筆者研究發(fā)現(xiàn)，玉足海參經一定濃度的敵敵畏處理后出現(xiàn)體腔上皮細胞被侵蝕且局部肥大、融合，肌層變薄并出現(xiàn)損傷斷裂，結締組織明顯增生，中央腔狹窄等現(xiàn)象（未發(fā)表數(shù)據(jù)），可見海參的呼吸樹為有機磷農藥主要損傷的部位之一。此外，呼吸樹不僅參與海參的呼吸運動，還參與其排泄過程。呼吸樹內皮細胞的質膜囊泡多集中于細胞上部，可攝入海水中的大分子物質。被攝入的物質經細胞消化后，會轉化為小分子物質。這種攝取和消化一方面使內皮細胞吸收海水中的營養(yǎng)物質，另一方面又可降解海水中的有毒物質[40]。因此呼吸樹的增生可能是海參加速物質交換、排出有機磷農藥殘留的結果，這或許是其抵抗有機磷農藥毒害的一種方式。

2.3 海參消化系統(tǒng)

2.3.1 基本結構 海參消化系統(tǒng)主要包括口、咽、胃囊、腸道和泄殖腔5 個部分，腸道是海參消化系統(tǒng)重要組成部分，環(huán)繞分布于體腔之中，管長一般為體長的3 倍左右，是海參體內最大的內臟器官[38]。根據(jù)其位置及形狀差異，海參腸道可分為前降腸、前升腸和后降腸，靠腸系膜連接于體壁。前降腸顏色最深，至前升腸顏色逐漸變淺且變細，內壁形成環(huán)形褶皺；后降腸腸壁明顯變薄，其顏色最淺，兼有許多卷曲，內壁形成高而窄的褶皺，常充滿食物殘渣，主司消化和吸收[41]；腸道末端膨大成為泄殖腔，分支衍生出呼吸樹。

2.3.2 潛在機理 以有機磷農藥敵敵畏為例，海參腸道內已發(fā)現(xiàn)能降解敵敵畏的菌群，這可能是海參對敵敵畏等有機磷農藥具有高度抗性的原因之一。海參腸道微生物群落非常豐富，其中的腸道菌群已被證明是維持其健康的重要因素，并且對其生長和功能具有廣泛的影響。當海參進食藻類、底泥等物質后，其腸道菌群會將大分子有機物分解成小顆粒，進而生成可供腸道吸收的小分子，為機體提供能量。李智等[42]、李建光[43]和張文姬[44]分別研究發(fā)現(xiàn)，芽孢桿菌屬和假單胞菌屬為海參腸道優(yōu)勢菌群，豐度為22.0%~36.9%和17.4%~33.3%。楊瑞紅等[45]及孫薇等[46]分別在土壤中分離出多株假單胞菌（如變形假單胞菌、惡臭假單胞菌、熒光假單胞菌等）和芽孢桿菌（如土壤短芽孢桿菌），皆對敵敵畏具有較好的降解作用，其中包含降解有機磷效率高達84.1%的菌株。同為水生生物，魚類和蝦類腸道中主要以變形菌門、厚壁菌門和擬桿菌門的菌群為主，分別占魚類和蝦類腸道菌群的90%和65%以上[47]。通過對比不難發(fā)現(xiàn)，海參腸道內含有高豐度的能降解敵敵畏的菌群可能是海參對敵敵畏具高抗性的原因之一。然而目前無研究證明海參腸道菌群與敵敵畏等有機磷農藥的相關性，因此值得進一步研究。

2.4 海參神經系統(tǒng)

2.4.1 基本結構 棘皮動物的神經系統(tǒng)呈放射狀，結構相對簡單，由3 個神經網絡（外神經網絡、下神經網絡和內神經網絡）結合成神經索[48]。而海參的神經系統(tǒng)較為獨特，以神經環(huán)為中樞，向外分化出連接口部周圍觸手的神經節(jié)及5 條輻神經。輻神經是一條扁平的神經節(jié)狀索，輻神經外側的腔稱為上神經竇，上神經竇的前端形成分支竇通向各個觸手；輻神經內側的腔稱為下神經竇，下神經竇形成分支通向體壁直到肌肉纖維，控制運動[38]。

除此以外，海參各個臟器的體腔上皮都受到內臟神經叢的支配，內臟神經叢以孤立的神經元為單位，由肌肉層和纖維延伸到其他組織層，并控制著與內臟活動相關的肌肉組織[49]。在腸道方面，海參腸神經系統(tǒng)可分為基底上皮神經叢、內臟神經叢、黏膜神經內分泌神經叢和結締組織神經叢四部分，分別對腸道的上皮層、肌肉層、腸腔內壁表皮層和內部結締組織層進行控制[50]。在呼吸方面，海參的內臟神經叢支配呼吸樹上皮，從而控制其呼吸運動[51]。

2.4.2 潛在機理 在海參神經系統(tǒng)中，膽堿酯酶起著重要的作用。海參含有豐富的乙酰膽堿酯酶，用于降解累積過多的乙酰膽堿。乙酰膽堿被認為是海參運動系統(tǒng)中的主要神經遞質，介導運動神經元和感覺神經元的傳遞，誘導成年海參的腸道肌肉收縮。同時，海參神經元釋放的囊泡被認為是膽堿能物質，其結構類似于含乙酰膽堿的囊泡，但膽堿能神經元仍未有確切定位[52]。

有機磷農藥能夠通過與膽堿酯酶不可逆的結合，從而抑制膽堿酯酶的活性[17]，對海參神經系統(tǒng)產生影響。膽堿酯酶活性的降低會導致乙酰膽堿的堆積，導致腸肌肉長期受到乙酰膽堿的刺激，Chen 等[53]指出海參在不良環(huán)境下或受到刺激后，會觸發(fā)“刺激—吐臟—自?！钡男袨闄C制，孫修勤等[54]表示其吐臟機理非常復雜，主要分為3 階段：一是內臟連接韌帶和泄殖腔、腸系膜及體壁肌腱連接韌帶的快速軟化；二是體壁或泄殖腔強烈的局部軟化；三是肌肉收縮并斷裂、弱化，繼而排出失去韌帶連接的內臟。研究表明，海參吐臟行為發(fā)生時其自切位置基本恒定[55]，最終會使海參腸道和呼吸樹完全排出體外。周翊[18]指出，敵敵畏等有機磷農藥引起生物體中毒后，生物體會產生“中間綜合征”，以肌肉無力、呼吸困難等為特征。而海參的呼吸系統(tǒng)是呼吸樹，主要的肌肉組織是腸道，這兩個部分受到敵敵畏等有機磷農藥的損害可能最為嚴重。海參在敵百蟲、三唑磷、草甘膦環(huán)境下均能發(fā)生吐臟反應[22-24]。該研究發(fā)現(xiàn)，海參在有機磷農藥45~240 mol/L的環(huán)境中出現(xiàn)吐臟現(xiàn)象，且首次出現(xiàn)吐臟的時間隨濃度的增大而前移（未發(fā)表數(shù)據(jù)），說明海參在高濃度敵敵畏的刺激下，觸發(fā)該保護機制的時間縮短，使其盡可能排出敵敵畏的毒素，但是在吐臟之后，仍處于敵敵畏環(huán)境下的海參未出現(xiàn)再生現(xiàn)象。結合現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)表明，海參通過吐臟這種自我保護行為，將敵敵畏損傷明顯的靶器官（呼吸樹和腸道）排出體外，可使海參體內有機磷農藥含量降低，進而減少其對海參的毒害作用，但在該機制下海參抵抗有機磷損害的程度有限。

3 結語

有機磷農藥在我國農業(yè)中扮演著不可或缺的角色，但由此帶來的環(huán)境污染與超范圍使用現(xiàn)象所造成的食品安全問題也成為人們關注的熱點之一。根據(jù)現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，海參對敵敵畏等有機磷農藥具有較高的抗藥性，然而現(xiàn)階段研究大多集中于對有機磷農藥急性毒性數(shù)據(jù)的測定和海參病理組織損害程度的觀察，關于海參抗有機磷農藥的機理研究較少。因此，全面挖掘海參的高抗“毒”機理將為海參的安全養(yǎng)殖和精深加工提供理論依據(jù)，具有較高的學術意義和產業(yè)價值。今后應重點關注海參腸道菌群（尤其是能降解有機磷農藥的菌群）、吐臟現(xiàn)象以及免疫應答因子等方面在調節(jié)海參抗有機磷農藥損傷過程中發(fā)揮的作用。