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水に溶けないモリブデン酸（MoS2）は実質的に無毒で、ラットに毎日500mgまで44日間投与しても副作用はなかった。 一方、水溶性モリブデン化合物を亜時限的に投与した動物は、胃腸障害、成長遅延、貧血、甲状腺機能低下症、骨・関節変形、肝臓・腎臓異常、死亡などの症状を呈した。 125 mg Mo kg-1 （三酸化モリブデン、MoO3として）、100 mg Mo kg-1 （モリブデン酸カルシウム、CaMoO4として）、または333 mg Mo kg-1 （モリブデン酸アンモニウム、（NH4）2MoO4として）を含むモリブデン強化飼料で40日間維持したラットの50％の死亡率が報告された。 0.1% モリブデン酸ナトリウム (Na2MoO4-2H2O) を数週間摂取させた場合、ウサギは致死的であった。 0.04-0.12%のモリブデンを含む飼料で維持したラットでは成長遅延が観察された。 モリブデンの毒性作用が二次的に獲得される銅欠乏によって引き起こされるかもしれないという証拠は、モリブデン20 ppmと銅5 ppmを含む飼料で11週間後にラットの成長に著しい減少が生じた研究で示された；一方、銅の飼料レベルを20 ppmに上げるとモリブデンの飼料レベルが80 ppmと高くても成長に影響が出なかった。 0.3%のモリブデン（モリブデン酸ナトリウムとして）を含む食餌で数週間以上維持したウサギで、血漿サイロキシンのレベルの低下によって証明される甲状腺機能低下症が見られた。

0.1%のモリブデン（モリブデン酸ナトリウムとして）を含む食餌で4～17週間維持した若いウサギで貧血、ならびに食欲不振、体重減少、脱毛および骨の奇形が発生した。 また、0.04%モリブデン酸ナトリウムを含む飼料で5週間飼育したラット、0.2%モリブデン酸ナトリウムの飼料で5週間飼育したウサギ、0.4%モリブデン酸ナトリウムの飼料で4週間飼育したヒナで貧血が観察された。 0.4%モリブデン酸ナトリウムを含む飼料で11日間飼育したウサギに貧血の徴候および骨髄の著しい赤血球の過形成が観察された。 モリブデン0.04%を4週間以上摂取した動物では、下顎骨外骨、関節変形、腱の剥離、骨端線骨折、骨端板拡大などの骨・結合組織障害が観察された。

モリブデンの過剰摂取により程度の差こそあれ肝臓が影響を受けることがある。 モリブデン酸アンモニウム20mg kg-1を5.5カ月間、飼料として投与した犬で、血清ビリルビンの有意な上昇が観察された。 モリブデン酸アンモニウム50 mg kg-1 day-1を6カ月間投与したウサギと二酸化モリブデン25 mg kg-1 day-1を14日間投与したモルモットで肝臓に脂肪性変化が生じた。 289 mg Mo kg-1 day-1 (モリブデン酸アンモニウムとして)を飲料水中に28日間投与したラットでは、肝臓の組織学的変化と解糖系酵素の活性の変化が観察された。 489 mg Mo kg-1 day-1 (モリブデン酸アンモニウムとして)を20日間食餌投与したラットでは、肝臓周囲壊死、核の凝集、クプファー細胞の増加からなる重度の肝障害が発生した。 同じレベルの飼料を30日間摂取したラットでは、グリコーゲンレベルが72％減少した。 80 mg Mo kg-1 day（(NH4)6Mo7O24-4H2Oとして）を胃内挿管により8週間投与したラットでは、腎臓重量の増加および軽度の腎不全（クレアチニンクリアランスの減少により測定した糸球体ろ過の減少）の兆候が現れた。 また、289 mg Mo kg-1 day-1 (モリブデン酸アンモニウムとして)を飲水で28日間投与したラットでは、腎臓の組織学的変化が観察された。 モリブデン酸アンモニウム1000mg kg-1 day-1 (489mg Mo kg-1 day-1)を20日間食餌投与したラットでは、糸球体の収縮や遠位および近位尿細管の上皮変化などの重度の腎障害が起こりました。

羊や牛では、モリブデンを異常に多く含む植物に食餌すると「涙病」と呼ばれる状態が発生します。 モリブデンが10ppm以上の場合、teart diseaseを引き起こす可能性がある。 24時間以内に発生する可能性のある症状は、衰弱と下痢である。 長期間の暴露は、毛髪の脱色、骨格の奇形、精巣間質細胞の損傷による不妊、受胎不良、泌乳不良を引き起こす。

モリブデンダスト（19.7mg Mo m-3, 毎日4時間、4ヶ月）に暴露したラットは壊死巣と内膜萎縮を伴う子宮角の炎を示した。 妊娠中に高モリブデン飼料で管理されたダムから生まれた新生仔羊に、中枢神経系の重度の脱髄が発生した。 離乳期から交配まで80または140ppmのMo（モリブデン酸ナトリウム二水和物として）を含む飼料で飼育した雄ラットの75％が不妊となり、組織学的検査で精細管変性が確認された。 雌の生殖能力、妊娠および子ガメの大きさは、これらの食餌レベルのモリブデンによって影響を受けなかったが、子ガメの離乳時体重は減少し、泌乳の欠乏が示唆された。 モリブデンを大量に摂取した牛では、精巣間質細胞の損傷による不妊、受胎率の低下、泌乳の欠陥も報告されている。 マウスを用いた3世代にわたる試験では、飲料水中の10ppmのモリブデン（1.9mg Mo kg-1 day-1）により、F1世代およびF3世代の死亡子数が対照群と比較して有意に増加したが、世代ごとの総産卵数および世代ごとの平均産子サイズはモリブデン処理により影響を受けなかったと報告されている。

モリブデンに関する発がん性研究は発表されておらず、（米国）環境保護庁（EPA）、国際がん研究機関、（米国）国立環境健康科学研究所の国立毒性プログラム（NTP）、（米国）労働安全衛生局（OSHA）、米国産業衛生専門家会議（ACGIH）によって発がん物質としてリストされていない。 動物実験では、Moは食道および乳腺の発がんを抑制する効果があることが示されている。 しかし、マウスにMoO3を腹腔内注射すると、マウス1匹あたりの肺腺腫の数が有意に増加し、腫瘍のあるマウスの数は有意に増加しました。

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