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重金属污染环境中动物的解毒策略和机制的研究进展
李　薇 ,吴文如 ,喻良文 ,吴 　波 ,林小桦 3
(广州中医药大学 ,广东 广州 　510405)
摘 　要 :随着对重金属污染环境的研究不断深入 ,生活在重金属污染环境中动物的生物学特性和机体内所采用的
解毒机制也不断地被发现。为了更清晰地了解国内外相关研究 ,重点概述了近年来在重金属污染环境中动物的解
毒策略以及动物富集重金属机制的相关研究 ,综合分析了研究存在的问题及发展趋势 ,旨在为今后相关的研究提
供参考依据。
关键词 :重金属污染 ;解毒策略 ;富集机制
中图分类号 :R28213 　　　文献标识码 :A 　　　文章编号 :025322670 (2009) 1021674203
Advances in studies on detoxif ication and its mechanism for animals l iving
in environment polluted by heavy metals
L I Wei , WU Wen2ru , YU Liang2wen , WU Bo , L IN Xiao2hua
( Guangzhou University of Traditional Chinese Medicine , Guangzhou 510405 , China)
Key words : pollution by heavy metals ; detoxification tactics ; enrichment mechanism
　　随着工业和农业生产过程中人们对高效率的不断追求 ,
导致生活环境因工业的“三废”、农业的化肥和农药的大量使
用以及城市的污水和垃圾处理不当而造成的重金属污染急剧
加重。因此 ,近年来各国学者对治理和改善环境污染倾注了
大量的人力和物力。研究者们除了关注污染环境对低耐受重
金属动植物生活的影响外 ,也发现了一些高耐受重金属污染
·4761· 中草药 　Chinese Traditional and Herbal Drugs 　第 40 卷第 10 期 2009 年 10 月
3 收稿日期 :2009204209　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
基金项目 :国家自然科学基金项目 (30772741) ;广东省科技计划项目 (2007B020701004)
作者简介 :李　薇 ,教授 ,博士生导师 ,从事中药品种鉴定和品质评价方面的研究。　E2mail :liwei2li @163. com
甚至具有超富集特性的动植物。关于动植物富集重金属的利
与弊前文曾有概述[1 ] 。而不同学科领域的研究者利用动植物
富集重金属的这一生物特性 ,来达到不同目的 ,如生态环境学
者着重研究如何筛选和利用那些具有重金属超富集作用的植
物和动物对污染土壤和水体进行生物修复[2 ] ,而药学工作者
则重点研究如何解除其富集作用 ,以免这些重金属超富集作
用的动植物通过食物链或药物对人体生命和健康造成危害。
无论最终目的如何 ,都必须对重金属污染环境下的动植物解
毒策略及其富集机制有深入地了解。关于植物的相关研究已
有系统总结[3 ] ,但至今未发现有关动物类似的报道。为此 ,本
文查阅了国内外相关文献 ,重点概述近年来在重金属污染环
境中动物的解毒策略以及富集重金属机制的相关研究进展 ,
一方面为完成本课题组实验研究进行必要的前期准备 ,另一
方面也为其他相关研究者提供参考依据。
1 　动物在重金属污染环境下的解毒策略
在重金属污染环境中生活的动物通常可以利用自身的
特点来避免重金属对身体的伤害。其解毒策略主要表现为
以下 3 种。
1. 1 　体外释放以解除重金属毒性 :国内外学者在研究水中鱼
和虾对水域环境中的重金属反应时发现 ,鱼虾一方面通过饲
料或水体摄入重金属污染物 ,表现为重金属的富集 ;另一方面
发挥自身的解毒功能 ,将重金属向体外释放 ,以维持其体内环
境的稳定[4 ] 。董元华等[5 ]在调查无锡鼋头渚地区太湖湿地中
生活的夜鹭 N ycticorax nycticorax (Linn1 )时也证实 ,羽毛和
肝脏是重金属富集的主要目标器官 ,但是因为夜鹭等鸟类可
以通过定期更换羽毛而将羽毛中富集的大量重金属排出体
外 ,所以重金属在体内的残留量尚不会对动物产生明显的毒
害作用。Braune 等[6 ]研究表明 ,某些重金属如 Hg 在鸟类羽
毛中的富集量可以占到体内总量的 90 %以上。
1. 2 　体内转移以减少重金属毒性 :一般而言 ,生物如果大量
从污染环境中吸收重金属 ,往往对身体产生直接或间接的伤
害作用 ,有的甚至会抑制生长或导致死亡。但也有些动物如
粉正蚓 L umbricus rubel l us Hoffmeister 和赤子爱胜蚓 Eise2
nia f oeti da (Savigny) 不仅可以耐受重金属污染 [7 ] ,而且还
因其具有超浓度富集重金属作用 ,而用作已污染土壤环境的
生物修复的手段。白颈环毛蚓 Pheretima cali f ornica
( Kinb1 )对重金属有极强的耐受力 ,其体内 Cd2 + 的富集量可
达到 47. 30μg/ kg ,为土壤量的 5 倍左右 [8 ] ,并与土壤重金属
量呈线性正相关。通过大量的不同器官组织中重金属累积
量的研究 [9 ] 。发现动物富集重金属主要器官为食管、中肠、
肝脏、肾脏。另有研究还证实鲫幼鱼 [10 ] Cy p rinus acuti dors2
alis Wang、螯虾 [11 ] Cambarus clakii ( Girard) 内脏重金属的
富集能力明显高于肌肉部位 ,其肝脏的富集量是肌肉十几倍
之多。这是因为动物的肝、胰、肾是其主要解毒和排泄器官。
研究者们还发现重金属在动物体内分布规律是重金属吸收
首先进入肝脏和肾脏 ,随着生长时间的延长 ,生物体内重金
属富集速度缓慢 ,一旦肝、肾部位重金属积累过度 ,才会加快
重金属向肌肉转移的速度 [12 ] 。
1. 3 　生理调节以化解重金属毒性 :近来许多学者将注意力集
中到某些动物能够调节体内酶的活性水平 ,来化解体内重金
属的毒性。Wilczek 等[13 ]研究发现 ,重金属污染土壤中的雌性
蜘蛛 A gelena laby rinthica Clerck 的谷胱甘肽过氧化物酶
( GPOX、GSTPx)活性和雄性蜘蛛 Pardosa lugubris Walckenaer
的谷胱甘肽 S2转移酶 ( GST)活性显著增高。董元华等[5 ]发现
夜鹭肝脏中富集的重金属还会因为同时富集的 Se 元素的存
在而降低其他有害元素 Hg 和 Cd 对肝脏的伤害 ,研究中虽未
提出直接与酶活性相关的数据支撑 ,但 Se 元素与有害重金属
元素之间肯定存在着某种生理调节活动。此外 ,郭永灿等的
研究结果也表明 ,中轻度污染区中生活的蚯蚓胃肠上皮细胞
会出现溶酶体增生 ,溶酶体中含有多种酸性水解酶 ,具有消灭
异质 ,参与代谢和解毒作用。说明有毒重金属被消化道吸收
扩散后 ,使细胞产生一种应急防御反应———溶酶体增生 ,将有
毒物进一步浓缩以达到解毒的目的[8 ] 。
2 　动物重金属解毒机制的研究
近年来 ,人们在重金属吸收、累积和转运金属离子的生
理和分子机制方面取得了丰硕的成果 ,特别是与重金属螯合
作用相关的研究最为深入和透彻。研究发现诸如有机酸、氨
基酸、金属转运蛋白及金属硫蛋白等金属离子络合剂对重金
属离子的螯合作用能够缓冲胞质金属离子浓度、增加其溶解
性 ,从而不同程度地提高了动物对重金属的抗性及其在体内
的运输效率。在这些众多的螯合剂中 ,金属硫蛋白 (metallo2
thioneins , M Ts)的作用机制研究最为全面。
MT广泛存在于细菌、真菌、动物和植物中 ,富含半胱氨
酸 ,能被金属诱导产生 ,具有独特的金属硫四面体的络合结
构 ,并通过螯合方式结合有毒游离重金属离子 (如 Cd2 + 、
Pb2 + 、Hg2 + ) ,是唯一一组在金属代谢中作用明确的低分子 (6
000～7 000)蛋白多肽类物质[14 ] 。该类物质由 MT 基因家族
编码合成。人类、鼠、鱼、果蝇、蚯蚓、线虫等[15～20 ]生物体内编
码 MTs 的功能基因也都随后相继被克隆和鉴定。迄今已发
现 MTs 是以各种结构基因编码的多种异构体的形式存在。
在哺乳类动物中已发现 MT 家族的 4 种亚型[21 ] ,MT2Ⅲ仅发
现在脑组织中 ,MT2Ⅳ仅发现在皮肤组织中 ;MT2Ⅰ和 MT2Ⅱ则
几乎存在于所有组织和器官中。它们的基因均定位于第 16
条染色体上 ,由 3 个外显子和 2 个内含子所组成 ,编码含有 20
个半胱氨酸的 61 个氨基酸肽键。其链内半胱氨酸的数目和
位置及碱性氨基酸残基在绝大多数种属 MTs 中都是完全保
守的。在正常生理状态下 ,生物体内存在一定水平的 MT 以
调节必需金属元素 ,当周围环境和生物体内的金属含量达到
一定的浓度时 ,能诱导合成新的 MT。
近年来在不同真核生物、高等植物、原核生物中关于重
金属吸收调控的模式主要有两种假说 :一种是“金属硫蛋白
合成说”;另一种是“谷胱甘肽再生说”。前者通过上调金属
响应 (wM Ts)编码基因 ,诱导性产生大量的、能与重金属离
子结合的 M T ;后者是使已与金属结合过的谷胱苷肽迅速恢
复其结合能力。
英国学者 St u··rzenhaum 率先研究了蚯蚓种系的 wM Ts。
·5761·中草药 　Chinese Traditional and Herbal Drugs 　第 40 卷第 10 期 2009 年 10 月
在粉正蚓肠上皮和胚胎等组织中成功分离出了 3 个随重金
属浓度诱导性上调的 wM Ts 编码基因 : wM T21、wM T22 和
wM T23 [7 ] 。研究表明 ,蚯蚓种系的 wM Ts 是单链蛋白质 ,具
备其他种系动物所含 M T 的共同特征。不同金属离子的诱
导效率是不同的 ,肠黏膜组织中 ,各金属的诱导效率为
Cd2 + 、Zn2 + > Cu2 + > Hg2 + [22 ] 。金属离子对 M T 的诱导表达
作用一般发生在转录水平 ,其中 Zn 和 Cd 是最强的转录活
化诱导物。金属离子对 M T 的转录调控是通过启动子区的
金属响应元件 ( metal responsive element , MREs) 来实现
的 [23 ] 。MREs 是已知调控元件中最具特异性的介导重金属
对 M T 基因转录诱导的顺式作用元件 ,该元件以多拷贝的形
式存在 ,并具有高度保守的 7 bp 核心序列 (5′2T GCRCNC2
3′;R = A 或 G ,N = 任意碱基) 。据报道生物体内预先存在
一种或多种金属效应转录因子 ( metal2responsive t ranscrip2
tion factors , M TFs) ,当其与金属离子结合后便诱导产生变
构 ,进而与 MREs 结合 ,对效应基因进行调控 ,促发 M T 的
mRNA 转录。且 MREs 是唯一能与 M TF 靶向结合的基因
调控元件 [24 ] 。近年来研究者们已分别鉴定或克隆到人类
hM TF21 [25 ] 、鼠 mM TF21 [26 ] 、果蝇 dM TF21 [27 ] 、鱼 fM TF2
1 [28 ] ,并利用 MREs 与 M TF 的特异性 ,对小鼠 [29 ] L2细胞金
属响应机制研究进行了成功的尝试。
3 　结语与展望
基于对重金属污染环境中动物的生物学特性的深入调
查和研究 ,使人们更加了解动物体内对重金属吸收、分布和
代谢的特点 ,同时也进一步探明了不同的动物利用自身特点
所采用的不同的解毒策略。虽然对重金属富集后机体所产
生的解毒作用机制有一定的认识 ,但除了螯合作用中金属硫
蛋白的分子机制外 ,其他很多的分子机制仍不是很清楚。既
使对已有的结果 ,研究者们的结论也存在着较大的差异。此
外 ,与超富集重金属相关的许多生理生化问题尚待进一步研
究 ,如重金属高耐受动物或者是具有重金属超富集特性动物
的生理基础与非耐受动物相比有何不同 ;体内不同的重金属
富集相关的生理反应之间有何种联系等。
动物类中药作为中药的重要组成部分具有应用范围广、
作用强等特点。但随着动物类中药资源的不合理开发利用
和生态环境的破坏 ,使药用动物资源日益减少 ,而药用动物
规范化养殖则是保障动物药可持续发展的关键课题 [30 ] 。重
金属的有效监控是动物药规范化养殖的关键技术之一 ,而目
前尚缺乏这方面的研究。希望能在今后的研究中逐步解决
这些问题 ,为从源头上真正消除动物类中药材重金属超标的
困扰开辟新的途径。
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