仿刺参(Apostichopus japonicus)，俗称海参、刺参，属棘皮动物门、海参纲、楯手目、刺参科、仿刺参属的种类^[1]。在中国和马来西亚，刺参被认为是有很好滋补效果的补品，对高血压、哮喘病、风湿、阳痿、便秘等疾病有治疗作用^[2-4]。刺参市场需求量增大，掀起了刺参养殖的热潮，但养殖过程中使用的饲料、各种抗菌药和消毒剂也给环境带来了不同程度的污染^[5-6]。铜盐一般作为消毒剂用于消除池塘、水田、水渠和河湖中的绿藻污染^[7]，铜(Cu)也是水产动物必需的微量元素之一^[8]，对机体的生理功能和生长发育起着十分重要的作用。然而，当水体中的铜离子(Cu²⁺)超出一定的范围，易引起Cu在生物机体内特别是肝脏的大量积蓄^[9-10]，各国研究学者一般从Cu对水生动物细胞膜毒性和组织质量分数变化及分布规律等方面进行研究^{[8, 11-12]}。BUNDRIDGE^[13]发现海参(Pentacta anceps)和绿刺参(Stichopus chloronotus)消化道能分泌一种消化酶消化饲料中的化合态铜，使其成为单体铜并积累到体壁组织中。高浓度Cu将变成一种抑制物或毒性物质，且在生态系统中不被分解或消除^[14-15]。该研究以硫酸铜(CuSO₄)和氯化铜(CuCl₂)2种异源铜盐对幼参进行攻毒试验，确定2种不同来源的Cu²⁺对幼参的半致死质量浓度(LC₅₀)和安全质量浓度(SC)，观察两者对幼参肠道组织学影响，初步探讨刺参Cu²⁺中毒机理，为制定不同铜盐作为消毒剂或兽药使用标准提供数据支持，也可用于刺参养殖环境评价学研究。

1.   材料与方法

1.1   试验材料

仿刺参幼参由国家海洋科研基地内山东省海洋生物研究院海水良种繁育中心提供，所有幼参为同一批孵化，挑取体质量为3~5 g的健康个体暂养7 d，暂养期间每天按参总质量3%辅以3倍干海泥(水分7.90%)投喂商品饲料(YSB)，定时吸污更换海水，试验前1 d不投饵。

1.2   试验方法

1.2.1   试验的理化条件

在山东省海洋生物研究院中试实验室进行；水温(16±1)℃，溶解氧质量浓度即时测定值≥6 mg · L^-1，24 h不间断充氧；pH为7.96~8.20，试验过程中每天8: 00和15: 00测定2次pH；盐度31.18±0.34；海水来自青岛团岛海域，经沙滤池过滤，Cu²⁺的本底质量浓度为0.001 mg · L^-1，符合GB 11607-89中铜质量浓度＜0.10 mg · L^-1的限量。

1.2.2   急性毒性试验

采用文献[16]~[18]的方法，根据预试验给出的CuSO₄和CuCl₂(CuC1₂ · 2H₂O和CuSO₄ · 5H₂O为分析纯)100%致死的最低浓度与0%致死的最大浓度结果，按浓度对数的等差比例设5个浓度组，1个对照组，设有3个平行组，每组投放平均体质量在(3.88±0.32)g的刺参10只进行攻毒试验。采用静水法，试验期间不投饵，观察记录24 h、48 h、72 h和96 h各组刺参的死亡数，随时捞出死亡个体(取体壁匀浆-18 ℃保存，用于刺参体内Cu²⁺质量分数测定)或其他污物(主要指内脏)。结合文献[19]和试验观察，刺参死亡判断标准为萎缩，翻吻破肚，排脏，部分或全身发白、发蓝，溃烂，最后溶化。

1.2.3   刺参后肠组织学观察试验

根据1.2.2的结果选取CuSO₄/CuCl₂急性毒性试验中间浓度进行试验，设对照组1组，每组10只刺参，攻毒24 h后活体解剖刺参。取后肠固定于波恩氏(Bioun′s)溶液中，固定24 h后经冲洗、系列梯度酒精脱水、二甲苯透明、石蜡包埋、做连续切片(厚度为7 μm)苏木精-伊红染色、中性树胶封片，显微镜下观察其组织结构，数码显微照相。

1.2.4   刺参体内Cu²⁺质量分数测定

参照GB/T 5009.13-2003食品中铜的测定。

1.3   数据处理

使用SPSS 13.0数理统计软件计算求出24 h、48 h、72 h和96 h的LC₅₀及各自的95%置信区间，采用单因素方差分析，显著水平为P＜0.05时采用Tukey检验进行多重比较，试验数据以平均值±标准误差(X±SD)表示。

安全质量浓度计算公式^[20]：

式中LC₅₀²⁴为生物24 h LC₅₀ (mg · L^-1)；LC₅₀⁴⁸为生物48 h LC₅₀ (mg · L^-1)。

式中C_w为幼参体内Cu²⁺质量浓度(mg · L^-1)；C₀为暴露质量浓度(mg · L^-1)。

2.   结果与分析

2.1   异源铜盐攻毒刺参幼参后的中毒症状

使用CuSO₄和CuCl₂对刺参幼参攻毒后，幼参出现了不同程度的中毒现象，即根据浓度不同化皮程度也不同，部分刺参出现摇头现象，继而逐渐死亡，但2组均没有吐肠现象。ρ^Cu2+_CuSO4>0.25 mg · L^-1攻毒24 h后全部刺参沉入箱底，刺激无反应，化皮率100%；ρ^Cu2+_CuSO4>0.10 mg · L^-1攻毒24 h后大部分刺参活动迟缓，管足不能附壁，沉入箱底，有3只幼参出现化皮现象，96 h后全部10只幼参完全化皮，刺激后反应微弱或无反应；ρ^Cu2+_CuCl2>0.075 mg · L^-1攻毒24 h后即有2只幼参出现化皮，48 h后10只幼参全部出现化皮现象且刺激无反应；ρ^Cu2+_CuCl2>0.19 mg · L^-1攻毒24 h后受试幼参全部化皮，溃烂。由此可以初步推断CuCl₂对幼参的急性毒性大于CuSO₄，这可能是实际生产中通常采用CuSO₄溶液来灭藻杀菌而不采用CuCl₂的原因。

2.2   CuSO₄/CuCl₂对幼参后肠毒性组织学观察结果

Cu²⁺暴露液质量浓度为0.06 mg · L^-1时，幼参经过24 h暴露后体表有溃烂白点，肠道组织切片结果见图 1。对照组健康刺参肠道由内到外分别为肠上皮、单层粘膜层、粘膜下层、较窄的纵层、较宽的环层、浆膜层构成(图 1-a)，对照组健康刺参的血小窦通过间皮细胞连接(图 1-b)。图 1-c~e分别显示的CuCl₂攻毒刺参后肠40倍放大的图片，通过组织切片观察，CuCl₂和CuSO₄ 2组刺参的血小窦均已脱落成游离状态，图 1-c中箭头所指部位为刺参后肠粘膜上层细胞皱襞脱落，刺参后肠粘膜层上皮细胞死亡分解，血窦内皮与粘膜层脱落(图 1-d)，粘膜下层结缔层与肌肉层分离，疏松结缔层内细胞已经死亡分解(图 1-e)；图 1-f~h分别显示的CuSO₄攻毒刺参后肠400倍放大图片，其中刺参肠道上皮细胞死亡(图 1-f)，生发层有大量嗜碱性细胞生成，显示的是刺参肠道上皮细胞正在分解(图 1-g)，粘膜上层与结缔层正在分离，结缔层生有大量嗜酸性细胞(图 1-h)。通过组织切片的解析可以看出，CuSO₄和CuCl₂试验组的刺参肠道均有不同程度的损伤，表现为刺参肠道粘膜上层脱离粘膜下层结缔组织，结缔组织中出现许多吞噬变形细胞用于解毒。同一攻毒时间后的CuCl₂攻毒组的刺参肠道粘膜下层结缔层与肌肉层分离(图 1-e)，而CuSO₄攻毒组的粘膜上层与结缔层正在分离(图 1-h)，由此可见，CuCl₂对刺参肠道的毒性(类似腐蚀作用)大于CuSO₄的毒性。但刺参真正的致死原因是由于体表腐蚀作用，或是肠道腐蚀作用亦或是双重作用，有待进一步研究，以便用于指导刺参养殖过程中受到重金属侵染时作出及时正确的补救措施。吞噬变形细胞属于刺参体腔细胞，其在棘皮动物免疫过程中具有重要作用。刺参体腔受到刺激后会产生相应的反应，体腔细胞开始合成或分泌多种效应因子，李霞等^[23]发现虾夷马粪海胆(Strongylocentrotus intermedius)有2种体腔细胞，变形吞噬细胞具有吞噬酵母的功能，色素细胞可释放色素颗粒参与体液免疫反应。孙永欣^[24]研究发现高剂量的黄芪多糖(APS)会刺激刺参体腔内的吞噬细胞增多，用于吞噬外源APS，与该研究的结果类似。

图  1  对照组与硫酸铜/氯化铜攻毒组刺参后肠组织切片图

a. 对照组刺参后肠(×1 000)；b. 对照组血小窦(×1 000)；c~e. CuCl₂攻毒刺参后肠(×400)；f~h. CuSO₄攻毒刺参后肠(×400)；ml. 黏膜层；cm. 环肌；lm. 纵肌；ct. 结缔组织；mu. 粘膜上皮层；pce. 假复层纤毛柱状上皮；mc. 间皮细胞

Figure  1.  Intestinal tissue slices of sea cucumber of control group and CuSO₄/CuCl₂ toxic group

a. hindgut 1 000 times micro-amplification; b. blood sinus 1 000 times micro-amplification of control group; c~e. hindgut 400 times micro-amplification of CuCl₂ toxic group; f~h. hindgut 400 times micro-amplification of CuSO₄ toxic group; ml. mucous layer; cm. circular muscle; lm. longitudinal muscle; ct. connective tissue; mu. Mucosa; pc. pseudostratified ciliated columnar epithelium; mc. mesothelial cells

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2.3   CuSO₄/CuCl₂对幼参半致死浓度计算结果

急性毒性浓度设置和死亡数量记录见表 1。根据试验结果利用浓度对数-概率回归方程，计算出CuSO₄/CuCl₂对幼参的不同时间LC₅₀和95%置信区间，结果见表 2。

表  1  CuSO₄/CuCl₂来源的Cu²⁺对幼参急性毒性试验浓度设计与死亡结果(n=3)

Table  1.  Analysis of concentrations of different copper ions on juvenile sea cucumber mg · L^-1

暴露时间/hexposure time	ρ(CuSO4)(Cu2+)						ρ(CuCl2)(Cu2+)
	0.25	0.16	0.10	0.06	0.04		0.19	0.12	0.075	0.05	0.03
24	9	6	3	0	0		9	6	3	0	0
48	10	9	6	2	0		10	9	9	2	1
72	10	10	8	7	4		10	10	10	4	3
96	10	10	10	8	7		10	10	10	6	5

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表  2  CuSO₄/CuCl₂来源的Cu²⁺对幼参急性毒性试验统计结果(n=3)

Table  2.  Result of different copper ions on juvenile sea cucumber in acute toxicity test

时间/h time	硫酸铜/氯化铜CuSO4/CuCl2	浓度对数-概率回归方程regression equation	半致死质量浓度/mg·L-1 LC50	相对标准偏差RSDLC50	95%置信区间/mg·L-1 95%confidence interval	P
24	CuSO4	P=5.29x+4.53	0.140	0.005 0	0.110~0.180	0.001
	CuCl2	p=5.58x+5.52	0.100	0.005 0	0.097~0.130
48	CuSO4	p=5.72x+5.97	0.090	0.008 0	0.072~0.110	0.003
	CuCl2	p=4.19x+5.01	0.064	0.008 0	0.053~0.076
72	CuSO4	p=3.62x+4.81	0.047	0.008 0	0.023~0.063	0.966
	CuCl2	p=4.14x+5.74	0.041	0.009 0	0.028~0.053
96	CuSO4	p=4.18x+6.24	0.032	0.003 0	1.2×10-23~0.045	0.933
	CuCl2	p=5.37x+7.75	0.036	0.004 0	0.029~0.042

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采用ANOVA方差分析2种铜盐对幼参在不同时间的LC₅₀组间差异显著，采用Tukey进行双重检验，结果见表 2。CuSO₄来源的Cu²⁺对幼参24 h、48 h和72 h的LC₅₀均大于CuCl₂来源的Cu²⁺对幼参24 h、48 h和72 h的LC₅₀，CuCl₂对幼参96 h LC₅₀大于CuSO₄对幼参96 h LC₅₀；但2种铜盐在24 h和48 h的LC₅₀之间差异极其显著，而72 h和96 h的LC₅₀差异不显著；由此可见在暴露初期，前48 h内Cu²⁺来源不同对刺参的毒性影响极其显著，随着暴露时间的延长Cu²⁺来源的不同对刺参的毒性影响不显著。

分别将2种铜盐对幼参的暴露时间和LC₅₀结果拟合后发现，CuSO₄对幼参的LC₅₀与暴露时间满足对数函数关系，而CuCl₂对幼参的LC₅₀与暴露时间满足幂函数关系，且相关系数都较高(表 3)；分别对暴露时间和LC₅₀进行t检验，发现CuSO₄的暴露时间对LC₅₀差异不显著(P=0.05)，而CuCl₂的暴露时间对LC₅₀差异显著(P＜0.05)。

表  3  CuSO₄/CuCl₂对幼参的暴露时间和半致死浓度回归参数一览表

Table  3.  Expose time and LC₅₀ of juvenile with different copper ions

铜来源source	回归方程regression equation	R2	t
硫酸铜CuSO4	y=-0.08 ln(x)+0.1411	0.99	0.053
氯化铜CuCl2	y=0.110 3x-0.836	0.99	0.034

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2.4   异源铜盐对幼参毒性限量与相关标准对比结果

根据1.3中式(1)得出异源铜盐对幼参的SC为：SC_CuSO4=0.011 mg · L^-1，SC_CuCl2=0.006 5 mg ·L^-1，SC_CuSO4是SC_CuCl2的1.69倍，说明CuCl₂对幼参的毒性大于CuSO₄对幼参的毒性。

通过中国不同海水水质标准对铜的限量(表 4)，可以看出关于海水水质的相关标准均是强制性的，但是标准中的Cu²⁺没有针对来源进行规定。文章研究得出的CuSO₄对幼参SC为0.010 mg ·L^-1，与《无公害食品海水养殖用水水质》、《海水水质标准》二类标准和《渔业水质标准》中的铜限量一致；CuCl₂对幼参SC为0.006 5 mg · L^-1介于《海水水质标准》一类标准和二类标准之间。

表  4  国内不同标准中水环境铜限量汇总表^[11-13]

Table  4.  Table of different standards of copper maximum limit in seawater in China

标准名称standard name	标准类型type		最高限量/mg·L-1maximum limit
NY 5052-2001	强制性	第一类≤0.005	≤0.010	第三类、第四类≤0.050
GB 3097-1997	强制性		第二类
			≤0.010
GB 11607-1989	强制性		≤0.010

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2.5   幼参体壁内Cu²⁺质量分数与暴露液中Cu²⁺质量浓度的关系

刺参幼参体壁中w(Cu²⁺)随暴露水体中ρ(Cu²⁺)(CuSO₄来源)的增大呈现逐渐升高的趋势，两者的关系满足多项式y=-141.03x²+70.58x+0.593 2(R²=0.92)(图 2-a)；对于CuCl₂来源的刺参幼参体壁中w(Cu²⁺)随暴露水体中ρ(Cu²⁺)的变化也呈现同样的趋势，但两者的关系满足对数关系y=1.302 ln(x)+7.373 7(R²=0.93)(图 2-b)。

图  2  暴露水体中铜离子质量浓度与刺参体内壁铜质量分数关系图

Figure  2.  Copper concentration in tissue of juvenile after exposure

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因此，刺参幼参对不同来源的Cu²⁺的富集效果是不一样的。

刺参幼参对不同来源Cu²⁺的96 h内富集系数不同，利用AVONA分析得出，两者差异不显著(P=0.56>0.050)，但幼参对CuSO₄来源的富集系数小于CuCl₂来源的富集系数(表 5)。CuSO₄对刺参幼参的毒性小于CuCl₂，因此，渔业养殖中可采用CuSO₄杀灭水质中的微生物或其他藻类。

表  5  刺参幼参对异源铜离子96 h富集系数

Table  5.  96 h bioconcentration factor of juvenile with different copper ions toxicity

铜来源source of copper ion	暴露质量浓度/mg·L-1 exposure concentration	96 h富集系数96 h bioconcentration factor
硫酸铜CuSO4	0.020~0.25	27.37~100
氯化铜CuCl2	0.030~0.19	37.60~132.50

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国家标准中不再对Cu²⁺进行限量(表 6)，但NRJAGU^[25]认为Cu是所有生物都需要的微量元素，它对生物生长的抑制效应是浓度的两步函数，浓度过低会抑制生物的生长，甚至死亡，但过高会产生毒性效应。孙元芹等^[22]认为文蛤(Meretrix meretrix)暴露在ρ(Cu²⁺)为0.05 mg · L^-1，富集30 d后体内w(Cu²⁺)达0.44 mg · L^-1时(鲜质量)文蛤全部死亡。刘天红等^[26]前期研究认为Cu²⁺对于12月龄栉孔扇贝(Chlamys Farreri)属于剧毒类物质。程波等^[27]认为低浓度的Cu²⁺对于凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)具有重要的作用，可以作为他们的营养元素、血蓝蛋白成分，且在许多生物酶的组成和功能上也发挥着重要的作用，但是过量的Cu²⁺对于对虾来说却有害，甚至会是致死。由于金属能被海洋生物富集，沿食物链转移后最终影响人类健康^[28-29]，因此，建议应该结合具体的养殖环境及食品安全毒理学评价数据，加强对水产品中Cu²⁺限量的研究，而不只是参考国际食品法典标准。

表  6  关于铜限量的食品安全标准

Table  6.  Food safety standards maximum limit of copper

标准名称standard name	标准类型type	最高限量/mg·L-1maximum limit
GB 2733-2005《鲜冻动物性水产品卫生标准》	强制性	/
GB 2762-2005《食品中污染物限量》	强制性	/
GB 15199-1994《食品中铜限量卫生标准》*	强制性	≤50
注：*.根据2011年第3号中国国家标准公告，已废止 Note：*.According to announcement of No.3 National Standard of P.R.China of 2011 which was abolished.

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根据张志杰和张维平^[30]的毒物毒性分级表(表 7)，对不同来源的Cu²⁺对刺参幼参毒性进行定性分析，半数耐受限(median tolerance limit, TLm)和LC₅₀在大部分情况是等价^[22]。CuSO₄对刺参幼参96 h的LC₅₀为0.032 mg · L^-1，CuCl₂对刺参幼参96h的LC₅₀为0.036 mg · L^-1，通过与表 7比对，认为CuSO₄、CuCl₂对于幼参均属于剧毒类物质。刘存岐等^[31]认为Cu²⁺对日本沼虾(Macrobrachium nipponense)的毒性较强，可能影响其体内酶的功能。程波等^[27]认为可能是CuCl₂、CuSO₄阴离子的不同引起凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)蜕皮率和死亡率有所不同，但具体原因有待进一步研究。其他学者^[32-33]也研究了Cu²⁺毒性，但缺乏定性分析。

表  7  有毒物质对水产类的毒性标准

Table  7.  Toxicity criteria of toxicants for fish

等级scale	剧毒extremely toxic	高毒highly toxic	中毒toxic	低毒low toxic
半数耐受限/mg·L-1 TLm	＜0.10	0.10~1	1~10	>10

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3.   结论

1) CuSO₄和CuCl₂对刺参幼参急性毒性效果不同，CuSO₄对刺参幼参的24 h、48 h、72 h和96 h的LC₅₀分别为0.14 mg · L^-1、0.09 mg · L^-1、0.047 mg · L^-1和0.032 mg · L^-1；CuCl₂对刺参幼参的24 h、48 h、72 h和96 h的LC₅₀分别为0.10 mg · L^-1、0.064 mg · L^-1、0.041 mg · L^-1和0.036 mg · L^-1；其中CuSO₄和CuCl₂对刺参幼参的24 h和48 h LC₅₀差异极其显著；72 h和96 h差异不显著。

2) CuSO₄和CuCl₂对刺参幼参的SC分别为0.011 mg · L^-1、0.065 mg · L^-1，对于刺参幼参属于剧毒物质。

3) 2种来源Cu²⁺对刺参肠道均有不同程度的损伤，表现为刺参肠道粘膜上层脱离粘膜下层结缔组织，结缔组织中出现许多吞噬细胞用于解毒。

4) 暴露溶液中CuSO₄来源的Cu²⁺与CuCl₂来源的Cu²⁺都是水合铜离子，主要不同的是暴露溶液中的阴离子，试验说明不同的阴离子对Cu²⁺的毒性有拮抗作用。

5) 建议应该结合具体的养殖环境及食品安全毒理学评价数据，加强对水产品中Cu²⁺限量的研究。