重金属暴露引起鱼体氧化应激反应的研究进展

罗其勇

摘要综述了水体中重金属对鱼类氧化胁迫的影响，介绍鱼类在受到重金属暴露后机体组织总抗氧化酶（T-AOC）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽转移酶（GST）、谷胱甘肽还原酶（GR）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）活性变化以及谷胱甘肽（GSH）、丙二醛（MDA）含量变化来反映其受到重金属毒性作用情况，以期通过监测鱼体内抗氧化物质的变化来反应水体中重金属的污染情况，也为鱼类养殖的水体条件监测提供参考资料。

关键词重金属；活性氧；氧化胁迫；鱼

中图分类号S912文献标识码A文章编号0517-6611（2018）25-0032-04

Research Progress on Oxidative Stress Reaction of Fish Body Caused by Heavy Metals

LUO Qiyong1，2

（1.Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou ， Guangxi 545006； 2. Key Laboratory of Freshwater Fish Reproduction and Development， Ministry of Education；School of Life Science， Southwest University， Chongqing 400715）

AbstractEffect of heavy metals in water on oxidative stress of fish was reviewed . The antioxidants would change， such as total antioxidant enzymes （TAOC）， and superoxide dismutase （SOD）， catalase （CAT）， glutathione transferase （GST）， glutathione reductase （GR）， glutathione peroxidase （GPx） activity and content of glutathione （GSH）， malondialdehyde （MDA）， it would reflect the toxic when fish were exposed by heavy metals. It can reflect the pollution of heavy metals in the water by monitoring the change of antioxidant in the fish，and provide reference for monitoring water condition of fish culturing.

Key wordsHeavy metals；Reactive oxygen species （ROS）；Oxidative stress；Fish

重金属及其类似物引起的水生环境污染，造成水生生物中毒效应及其毒性作用机制一直都是国内外水生生态环境研究领域的热点[1-3]。重金属在流入水中会经过吸附、沉淀以及络合等作用在水环境中不断转移，或被水生生物积累后随着食物链逐级传递后放大[3]。鱼类是水生生态系统中重要的生物，是水生食物链的关键载体，从较低营养级到最高营养级水平都有分布，在水生生态系统中发挥至关重要作用，常被用来作为水生生态系统健康状况的指示生物[4-5]。

鱼体内活性氧（Reactive oxygen species，ROS）是代谢过程中不可或缺的产物，通常情况活性氧的产生与清除处于动态平衡，而外来因素温度、重金属、有机污染物等影响，会打破其平衡状态。如图1所示，正常生理条件下，鱼体内ROS处于产生和清除动态平衡状态，而外来因素影响，平衡发生改变。在鱼抗氧化胁迫能力范围，极端氧化条件会提升其体内ROS水平，鱼通过自身清除能力，回到最初氧化平衡状态称为“急性氧化胁迫”；一旦ROS含量超过鱼体的清除能力，引起产生与清除状态失衡。鱼体抗氧化效率降低，使其遭受一段时间氧化胁迫才逐渐恢复到最初平衡状态，这称为“慢性氧化胁迫”；此外，有些条件下鱼体ROS水平未能达到最初的平衡点，经过调节而产生新的平衡点且处于平衡状态，这样的情况成为“ROS趋势稳定水平”[5]。当体内ROS水平超过鱼体应对抗氧化协调能力范围，会引起鱼体发生氧化损伤，严重时甚至引起死亡。

鱼类对重金属污染物敏感的特异性可作为评估污染物毒性强弱的关鍵因素。已有研究表明鱼类对许多污染物的敏感存在物种差异性[1-3]。铜（Cu）和锌（Zn）是鱼类生长代谢过程中所必需元素，在细胞生物化学反应需要一定量Cu和Zn参与[6]，然而一旦体内Cu、Zn含量超过鱼体耐受水平会对其产生毒害影响[5，7]。鱼鳃长期与外界环境直接接触，是水体途径重金属暴露最初目标器官，Cu在鳃大量累积引起组织器官产生大量活性氧物质（ROS）进而造成机体的氧化损伤[8]。在Cu水体暴露实验中，黄鲈对Cu的耐受性远高于虹鳟（Oncorhynchus mykiss）和银鲫（Carassius auratus gibelio），而银鲫对Cu耐受性又强于虹鳟和鲤鱼（Cyprinus carpio）[9-10]。鱼类的耐受性与其组织器官应抗氧化胁迫的能力存在极大关联，组织器官会根据需要产生抗氧化物质来清除ROS来应对对抗氧化胁迫。

该研究主要介绍鱼类应对重金属诱导的氧化胁迫产生和清除机制。此外，对重金属诱导鱼类体内氧化胁迫的原因进行分析，以期通过监测生物体内抗氧化物质的变化情况，反应水体中一段时间内重金属的污染情况，为鱼类养殖的水体条件监测提供参考，也为鱼类受外来污染物的影响体内抗氧化物质的研究提供基础资料。

1活性氧的种类

活性氧主要包括以下几种物质：超氧阴离子自由基（O2-·）、羟基自由基（hydroxyl radical，·OH）、过氧化氢[hydrogen peroxide（H2O2）]、单线态氧（singlet oxygen，1O2）等[11-12]。重金属诱发ROS的能力常被认为是其毒性的一种表现[13]，ROS是结构不稳定活性分子，容易发生氧化反应[14]，引起脂肪、蛋白质以及DNA的损伤[15]，并会引起造成一系列生理功能改变以及代谢机制紊乱，对鱼体伤害，甚至死亡。H2O2易与还原性金属（Fe和Cu）发生芬顿反应（Fenton reactions）生成羟基自由基（hydroxyl radical，·OH）[16]。Pb、Cd和Hg等金属元素与抗氧化细胞合成抗氧化物，如谷胱甘肽、含巯基的蛋白质等[16]。此外，重金属会诱导活性氧产生[4，16]。需要保持ROS产生与清除处于平衡状态，以防止代谢紊乱或氧化胁迫的爆发。为应对氧化胁迫，机体需要合成各类抗氧化物质来清除ROS，以降低其对机体的损伤作用[17]。在这些抗氧化物质中，可以分为非酶促系统物质，如：抗坏血酸、维生素E和谷胱甘肽等[18]；抗氧化酶系统物质有超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽还原酶（GR）、谷胱甘肽转移酶（GST）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）和过氧化氢酶（CAT）等，其中抗氧化物质用来应对ROS氧化胁迫，保护组织免受ROS伤害[2，8，17]。

2活性氧的重要标志物

2.1总抗氧化能力（T-AOC）

T-AOC常作为评估抗氧化酶系统功能的综合指标，其活性情况用来反映机体在应对外来刺激，非酶系统和酶系统的代偿能力和自由基团的代谢状态，也可反映非酶系统和酶系统的整体抗氧化能力的强弱，是反应机体抗氧化能力的综合性指标。重金属Hg暴露会造成剑尾鱼（Xiphophorus helleri Heckel）鳃和肝组织中T-AOC活性分别下降39%和30%，表明重金属暴露会降低鱼体的总抗氧化能力[19]。罗非鱼在投喂含有Pb的食物，结果发现肾脏，肝脏中的T-AOC活性随着食物中铅浓度升高呈逐渐降低[20]。以上结果发现，无论是从水体还是食物途径重金属暴露都会对鱼体T-AOC产生影响，因此，T-AOC活性情况常被用来作为鱼类受到重金属胁迫应答反应的重要指标。

2.2谷胱甘肽（GSH）含量变化情况

在鱼体内众多非酶抗氧化物中，GSH是由（γ-glutamate-cysteine-glycine（γ-Glu-Cys-Gly））三种氨基通过肽键缩合而成的化合物，在鱼体内有广泛的分布，尤其肝脏组织中含量最高，具有解毒和抗氧化功能是细胞应对ROS胁迫的最重要物质，能够降低ROS引起的氧化损伤[21]。GSH有活跃的巯基（-SH）与重金属有强烈的亲和能力，形成水溶性共价化合物，通过硫醇尿酸的形式排出体外，保护细胞免受毒性伤害。牙鲆（Paralichthys olivaceus）仔鱼和幼鱼在Cd暴露会引起GSH含量的升高[22]，作者认为是机体代偿性机制应对重金属引起的氧化胁迫；罗非鱼（Oreochromis niloticus）在受到5种重金属（Cd、Cu、Cr、Pb、Zn）暴露，肝脏组织中GSH含量显著降低，表明重金属暴露会消耗体内GSH来缓解重金属引起的氧化胁迫[23]。因此，重金属暴露引起GSH发生改变，表明GSH能对重金属暴露做出很好的应答反应，因此，常常被用来作为水生生物受重金属暴露胁迫的标志物。

2.3谷胱甘肽转移酶（GST）、谷胱甘肽还原酶（GR）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）活性变化情况

在谷胱甘肽（GSH）参与的氧化还原反应过程中，涉及到许多相关酶如谷胱甘肽转移酶（GST）、谷胱甘肽还原酶（GR）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）等。谷胱甘肽還原酶（GR）是在氧化型谷胱甘肽（GSSH）还原成还原型谷胱甘肽（GSH）过程中，以NADPH为氢供体、氧化型谷胱甘肽为氢受体的还原酶，反应生成NADP+和还原型谷胱甘肽。GR活性的强弱会直接影响GSSH还原成GSH的结果。研究表明细胞中高浓度的金属会抑制GR活性，同时使GSH含量的降低，结果导致组织细胞受到氧化伤害[24]。GR受重金属的影响会表现出时间和浓度效应，此外，鱼类和重金属种类的差异会引起其应答反应有不同表现。Hg累积会降低GSH水平和抑制GR活性，使抗氧化防御系统改变，引起组织氧化损伤[24-25]。Eroglu 等[23]研究了罗非鱼在5种重金属（Cd、Cu、Cr、Pb、Zn）暴露下，肝组织中GR活性随着暴露时间表现出先升后降低的趋势。研究者认为GR活性降低会引起GSSG水平升高[24]，GSH应对ROS清除是一个完整的系统，如果鱼体酶系统和非酶系统的调节平衡被打破，机体清除自由基和蛋白质亲和重金属的能力就会降低，使机体清除ROS下降，造成机体氧化损伤。

GPx是由硒半胱氨酸构成其活性中心的一种过氧化物酶，在机体内有广泛的分布，由GSH提供H+，以H2O2为底物，把具有氧化能力的过氧化物（有机氢过氧化物（ROOH）还原成为无毒的羟基化合物（醇（ROH）），是防止生物膜脂质过氧化重要反应，并使H2O2分解成H2O，GSH还原成GSSH，从而对细胞膜的结构和功能起到保护作用，免受过氧化物的伤害。众所周知，CAT也具有清除H2O2的能力，那么，GPx与CAT作用条件有何区别呢？有研究表明：只有当细胞中H2O2变化程度较小的情况GPx优先参与保护反应。GPx活性变化情况与鱼类、重金属的种类以及暴露浓度及时间密切相关。矛尾复鰕虎鱼（Synechogobius hasta）受到水体中Cd暴露，肝、鳃、肾组织中的GPx活性随着暴露浓度呈逐渐降低趋势，在0.17和0.29 mg/L两个暴露暴露组GPx活性均显著低于对照组[26]。食物铅暴露也降低了罗非鱼肾脏中GPx的活性[20]。而Eroglu等[23]发现罗非鱼在Cd在1 mg/L水体暴露1、7、14 d肝组织中GPx活性被诱导；水体中Zn暴露30 d鲫鱼（Carassius auratus）肝脏中的GPx活性也表现出诱导升高的趋势。

谷胱甘肽轉移酶（GST）是一种主要在肝脏中分布的酶，具有清除过氧化物和解毒双重功能，可以使外源或内源的毒性分子失去活性转变为水溶性化合物，完成解毒作用，因此是多种生物内主要的Ⅱ相代谢反应重要转移酶。鱼体组织器官GST活性变化有多种方式[2，27]。淡水鳢（C.punctatus）受CdCl2暴露96 h，肝、鳃和肾组织中的GST活性都显著高于对照组[27]。青鳉（Japanese flounder）胚胎和仔鱼受到48.1和 99.4 μg/L HgCl2短时间暴露，GST活性显著低于对照组，GST活性的降低，认为是由于Hg的浓度过高产生的不利影响已经超过了自身的调节范围[28]。而尼罗罗非鱼3 mg/L Cd暴露在1、5、10、20和40 d肝脏中GST活性先升高后降低，作者认为在短期内鱼体肝组织先表现出应激机制，能够对Cd暴露作出快速应答反应，而长期的暴露是由应激反应转化为解毒机制[29]。

2.4超氧化物歧化酶（SOD）活性变化情况

超氧化物歧化酶（SOD）是清除ROS的主要酶类，在动物、植物、微生物体内都有广泛的存在，能够催化超氧阴离子与氢离子反应，生成H2O2和O2，H2O2在CAT或GPx的作用下进一步的分解为无毒害作用的O2和H2O[2]。但重金属等外源因子导致生物体内的超氧阴离子升高时，SOD活性常常被诱导，以保持细胞内ROS清除与产生之间的动态平衡[11]。但是外源因子作用已超过机体的极限水平，ROS就会在细胞内累积，会对机体产生不可逆转的氧化应激。金鱼在低浓度短期暴露时，SOD活性被诱导，当暴露浓度≥0.4 mg/L，SOD活性被抑制[30]。

2.5过氧化氢酶（CAT）活性变化情况

CAT是抗氧化防御系统关键酶之一，能够把超氧化物歧化酶（SOD）歧化产生超氧阴离子的产物H2O2催化反应生成H2O和O2，所以通常认为CAT与SOD一起构成了生物体抗氧化防御系统的第一道防线[25，31]。机体在遭受重金属暴露引起CAT活性变化的情况时常与SOD活性变化情况一致。水体Cd暴露矛尾复鰕虎鱼肝、鳃和肾组织中CAT活性随着暴露浓度逐渐降低，其变化趋势与SOD的变化趋势相同[26]。而虹鳟、鲤鱼和银鲫受铜暴露后鳃组织中CAT和SOD活性分别在3 d、12 h和24 h均表现出诱导升高的趋势[32]。

2.6脂质过氧化（LPO）

脂质过氧化是生物体细胞受到氧化胁迫和损伤的标志，在抗氧化防御系统中的抗氧化物质不能够中和ROS而引起脂膜发生过氧化[33]。活性氧（羟基自由基·OH）很容易攻击生物膜上的磷脂、膜受体和酶相关多不饱和脂肪酸等大分子物质，从而引起脂质发生过氧化生成脂质过氧化物，如丙二醛（Malonaldehyde，MDA），影响细胞膜的通透性和流动性，结果导致细胞结构和功能发生改变[33]。由于MDA是脂质过氧化的终产物，因此MDA含量水平常被用来反映ROS引起机体脂质过氧化程度的指标[26]。多数研究表明重金属暴露会引起鱼类MDA含量的升高。水体中0.75 mg/L的铅暴露会金头鲷（Sparus aurata）肝组织中的MDA含量，表明Pb暴露会使其脂质过氧化程度加剧[34]；牙鲆在2、4、8 mg/L 镉暴露会引起机体MDA含量升高趋势[22]。然而在牙鲆仔鱼（Paralichthys olivaceus）和幼鱼受到HgCl2暴露，其变态仔鱼期和底栖仔鱼时期MDA含量与对照组无明显差异，只是在幼鱼时期升高[28]。

3结语

生物体的有氧活动中自由基的产生是必不可少的，处于产生和清除是一个持续动态平衡状态。水生生物的多样性和其生理状态可直接反应水体质量情况，而水体质量是决定鱼体生长发育的关键因素。由于重金属在鱼体含量发生改变，会引起鱼体ROS的产生提高，或降低了ROS的清除能力，或对这些过程都影响，对鱼体代谢的关键点和关键过程发生改变，扰乱鱼体最初活性氧自由基的动态平衡状态，对其造成氧化胁迫。因此活性氧自由基的活性情况通常用来作为环境变化的标志物，也可以用于实验室条件下模拟自然条件，来评估和预测自然水体受重金属暴露而引起的水体变化情况。在本综述中，通过概述鱼体在收到重金属暴露而引起各种组织器官的变化情况可以选作为重金属暴露鱼体变化的标志物。其实在关于重金属暴露引起氧化胁迫的标志物这方面还有很多新的设想，可以从分子结构来阐述重金属暴露会引起活性的变化情况，更深层次的了解重金属暴露引起鱼体氧化胁迫的原因。

安徽农业科学2018年

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