灤河流域鯽魚體內(nèi)重金屬分布及風險評價

王瑞霖，孫然好，武大勇

1. 北京化工大學環(huán)境科學與工程系，北京 100029 2. 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085 3. 衡水學院生命科學系，衡水 53000

灤河流域鯽魚體內(nèi)重金屬分布及風險評價

王瑞霖1,2，孫然好2,*，武大勇3

1. 北京化工大學環(huán)境科學與工程系，北京 100029 2. 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085 3. 衡水學院生命科學系，衡水 53000

采集灤河流域鯽魚樣本并分析重金屬元素(Cu、Zn、Cr、Pb、As、Cd)在其體內(nèi)的分布特征及食用風險。實驗結果表明鯽魚體內(nèi)重金屬含量由高到低順序為Zn>Cr>Cu>Pb>As>Cd，蓄積器官主要為肝臟和鰓部，Cu和Cr主要蓄積在肝臟，Zn、Pb、Cd主要富集在鰓部，As的蓄積器官隨地域變化，而且下游樣本中各組織器官重金屬含量下游高于上游。針對鯽魚肌肉的評價表明，Zn、Cr、Pb含量超出《無公害食品水產(chǎn)品中有毒有害物質(zhì)限量》(NY5073—2006)、《食品污染物限量》(GB2762—2012)和《食品中鋅限量衛(wèi)生標準》(GB 13106—1991)規(guī)定的標準限值，超出倍數(shù)依次為Cr(3.34)>Pb(2.24)>Cd(1.15)。基于目標危險系數(shù)法(THQ)評價結果表明鯽魚肌肉組織單一重金屬THQ值均小于1，As導致的健康風險最高，Cr最低；總風險系數(shù)(TTHQ)顯示下游的溯河(TTHQ=1.263)與陡河(TTHQ=1.381)存在食用風險，風險比重較高的元素是As、Pb、Zn。

重金屬；鯽魚；灤河；食用風險

隨著工業(yè)化和城市現(xiàn)代化的發(fā)展，重金屬已經(jīng)成為水環(huán)境中普遍存在并具有潛在毒性的一種持久污染物[1]。重金屬污染不僅對水生生物造成了嚴重的危害[2-3]，還極易通過食物鏈傳遞到高等生物體內(nèi)富集[4-5]，并最終導致人體健康風險增加。魚類作為水生生物常見種，不僅可以直接從水體環(huán)境吸收重金屬，還因為位于水生生態(tài)系統(tǒng)頂端通過食物鏈吸收重金屬并在體內(nèi)積累富集。因此，魚類體內(nèi)的重金屬含量在一定程度上可以很好地反映水環(huán)境的重金屬污染狀況及其對人體的健康風險[6-7]。

近年來，灤河流域也出現(xiàn)了重金屬污染問題[8]，大量的工業(yè)“三廢”、農(nóng)業(yè)及城市生活污水未經(jīng)處理或處理未達標就直接排入水體，并對流域生活的居民健康造成潛在威脅[9]。雖然有研究關注到灤河流域水體[10]、沉積物[11]和土壤[12]的重金屬污染狀況，但鮮見有關灤河流域魚體內(nèi)重金屬研究。由于鯽魚能從水體中以及沉積物中吸收一定量的污染物(如重金屬元素)并在體內(nèi)器官富集[13-14]，因此常被用作生物標志物來反映水體重金屬的污染狀況[15]。鯽魚(Carassius auratus)是灤河流域河流中分布廣泛[16]且易于采集的典型魚種，也是當?shù)鼐用袢粘ＯM及食用魚種之一。因此，本研究選用鯽魚作為反映灤河水生生態(tài)系統(tǒng)受重金屬污染程度的指示生物并進行食用風險評價，旨在揭示灤河的重金屬污染狀況并為魚類健康消費提供參考，以期為流域水環(huán)境重金屬監(jiān)控預警、風險管理提供科學依據(jù)。

1　材料與方法(Materials and methods)

1.1研究區(qū)概況及樣品采集

灤河流域是海河三大子流域之一，位于東經(jīng)115°30′～119°45′，北緯39°10′～42°40′，發(fā)源于河北省豐寧縣巴顏圖古爾山麓，于樂亭縣流入渤海，流域面積44 750 km2左右。其中，山區(qū)面積43 940 km2，平原面積810 km2[17](圖1)。

2014年5月在灤河干流及主要支流選取了13個采樣點(圖1)，其中1～7號點位于流域的上游，海拔300～1 300 m，多為丘陵、山地和高原區(qū)域；8～13號屬平原下游區(qū)域，海拔小于200 m。鯽魚采用掛網(wǎng)、電擊和垂釣等方式捕獲，捕獲后篩選5條體長8～9 cm，體重30～34 g體表無明顯損傷、活力較強的鯽魚，現(xiàn)場測量體長和體重后用河水洗凈后裝入密封袋，并置于車載冰箱中冷凍保存。

圖1　灤河流域采樣點分布Fig. 1　Sampling sites in the Luan River

1.2樣品處理及分析

將凍存的鯽魚解凍后用蒸餾水洗凈，經(jīng)不銹鋼刀解剖，剔除魚鱗、魚刺等，分別取肌肉、肝臟和鰓部組織，濾紙吸干表面殘留水分，將不同組織研磨成肉糜后備用。經(jīng)冷凍干燥機(FD-1A-50，博醫(yī)康，北京)冰凍干燥24 h后，使用分析天平稱取干燥的魚類各組織樣品0.1000 g，加入9 mL m(HF):m(HCl):m(HNO3)=1:2:3的混合酸，經(jīng)微波消解儀(Mars 6,CEM,USA)進行密閉消解(120 ℃，5 min；150 ℃，8 min；190 ℃，20 min；1 600 W)。消解完成后將消解液轉(zhuǎn)移至坩堝，于140 ℃加熱至消解液中的酸蒸干，使用容量瓶加超純水(≥ 18.0 Ω·cm-1)定容至50 mL后待測[13,18]。實驗所用硝酸(65%，北京化學試劑公司)、氫氟酸(40%，北京化學試劑公司)、鹽酸(36%，北京化學試劑公司)均為優(yōu)純級。

采用ICP-MS (7500a，Agilent Technologies，USA)對鯽魚組織中的Cu、Zn、Cr、Pb、Cd、As共6種重金屬元素進行定量測定。使用黃魚成分分析標準物質(zhì)(GBW08573，國家海洋局第二海洋研究所)，分別進行加標回收率的測定。實驗測得各元素回收率均在90%～110%之間，滿足實驗質(zhì)量控制需求。實驗過程中每批樣品均做全程空白，同時對所有樣品進行平行樣品測定，以保證實驗的精密度，各個測定樣品重金屬的相對標準偏差均小于5%。

1.3肌肉重金屬分析及食用風險評價

鯽魚污染程度分析采用與國內(nèi)標準限制值比較的方法進行，標準限值指重金屬在魚類可食用部分即肌肉中允許的最大含量水平，參考標準包括《食品中污染物限量》(GB 2762—2012)、《無公害食品 水產(chǎn)品中有毒有害物質(zhì)限量》(NY 5073—2006)和《食品中鋅限量衛(wèi)生標準》(GB 13106—1991)等，用以確定食品或水產(chǎn)品是否受到重金屬污染。魚類的重金屬標準限值見表1，Cu、Zn、Cr、Pb、Cd、As標準限值分別為50、50、2、0.5、0.1、0.1 mg·kg-1。

表1　魚類重金屬標準限值

注：1)標準中未涉及

Note:1) Not mentioned in the standard.

采用美國國家環(huán)境保護局提出的目標危險系數(shù)法(target hazard quotients, THQ)[19]評估人體通過食物途徑攝入重金屬的風險[20]。該方法假定人體攝入重金屬的劑量等于吸收劑量，利用吸收劑量與參考劑量的比值作為評價標準。具體計算公式如下：

THQ= (EF×ED×FIR×C) ×10-3/(RFD×WAB×TA)

式中，EF為人群暴露頻率(365 d·a-1)，ED為暴露時間(通常取平均壽命70 a)，F(xiàn)IR為食品攝入率(g·d-1)，C為食物中的重金屬含量(mg·kg-1)，RFD為口服參考劑量(mg·kg-1·d-1)，WAB為人體平均體重(kg)，TA為非致癌性暴露平均時間(d)，取值為365ED。依據(jù)US EPA制定的標準，Cu、Zn、Cr、Pb、Cd、As的口服參考劑量分別為0.04、0.3、1.5、0.004、0.001、0.0003 mg·kg-1·d-1。根據(jù)對研究區(qū)域進行的問卷調(diào)查和走訪，研究區(qū)每日鯽魚攝入量約為50 g，取FIR=0.05 kg·d-1。居民人均體重取70 kg。

若THQ比值小于1則認定暴露人群無明顯食用風險，反之大于等于1時則認為存在食用風險。由于多種重金屬可以共同作用對人體健康產(chǎn)生危害，重金屬的總風險系數(shù)(TTHQ)等于各種重金屬的危險系數(shù)之和：

TTHQ=THQ(單一金屬)

2　結果與討論(Results and discussion)

2.1鯽魚體內(nèi)不同金屬器官分布研究結果

不同金屬在不同來源鯽魚體內(nèi)的器官分布研究結果如圖2所示，從圖2中可以看出不同重金屬元素在鯽魚肌肉、肝臟、鰓部組織間的分布狀況有一定差異，鰓部和肝臟的重金屬蓄積濃度顯然高于肌肉，是鯽魚蓄積重金屬的主要器官。Cu、Cr表現(xiàn)為肝臟>鰓部>肌肉；Zn、Cd、Pb表現(xiàn)為鰓部>肝臟>肌肉；As在上游表現(xiàn)為鰓部>肝臟>肌肉，下游為肝臟>鰓部>肌肉。現(xiàn)有研究結果表明重金屬在魚體組織中的吸收和積累取決于諸多因素，如暴露時間、暴露濃度、重金屬種類和生物有效性等，同時還受水化學性質(zhì)和魚的生理代謝活性等因子的影響。一些重金屬對某些組織或器官有較高的親和性，或與某些內(nèi)源性物質(zhì)(如蛋白質(zhì)或多肽)結合性高，可較長時間存留在機體內(nèi)，導致生物蓄積現(xiàn)象的出現(xiàn)[21]。

許多不同區(qū)域的研究表明，重金屬在魚體鰓部和內(nèi)臟的含量較高，而肌肉中較低，并涉及了廣泛的魚種[22-26]，與本研究結果基本一致。重金屬在水體中進入魚體內(nèi)的途徑通常有3種[21]：①鰓部作為魚的呼吸器官，在吸收水體中氧的過程中，同時是接觸水中污染物的第一目標[27]，會連帶吸收水體中的重金屬，經(jīng)血液循環(huán)系統(tǒng)進入其他組織器官；②魚類通過攝食餌料和一些水生生物中的重金屬進入體內(nèi)；③通過體表與水體的滲透交換作用，重金屬會伴隨進入體內(nèi)。因此，魚的鰓部和肝臟作為魚類代謝旺盛的器官能比其他組織器官蓄積更多濃度的重金屬[28]。研究發(fā)現(xiàn)，生命必需元素，如Cu、Cr等，主要蓄積在肝臟、腎臟、胰臟等內(nèi)臟器官中，而生命非必需元素，如Pb、Cd等，主要積累在鰓部和鱗片中[21]。肝臟能夠蓄積更多的重金屬與它們能產(chǎn)生金屬結合蛋白-金屬硫蛋白(MT)有密切關聯(lián)[29]：鰓部表面覆蓋著一層由葡糖酸胺聚糖(如透明質(zhì)酸、硫酸軟骨素等)組成的富含氧、硫、氮等電子供體的黏液，該黏液是一層多陰離子的復雜介質(zhì)，具有離子交換功能而使其對金屬有親和能力，因此可以使金屬離子附著在鰓部表面或進入魚鰓內(nèi)部[30-31]，魚鰓中重金屬的含量較高，可能與鰓部結合重金屬的黏液很難被完全清除有關[32]；肝臟作為魚類儲存、代謝和解毒的主要器官[33]，肝臟中的大量的MT與重金屬結合，調(diào)節(jié)生物體必需重金屬元素(如Cu、Zn、Cr等)的生理功能，并對非必需元素(如Cd、Pb)可能造成的毒害作用進行脫毒。MT是生物體內(nèi)唯一一種起明確金屬代謝作用的低分子蛋白，與重金屬的結合能力的強弱排序為Cu2+>Cd2+>Pb2+>Zn2+[34]，可見Zn2+與MT的結合能力較弱，這可能是Zn在鯽魚體內(nèi)鰓部高于肝臟的原因。而對于As，富集器官很可能隨著地域環(huán)境的改變而改變，主要的富集器官為鰓或肝臟。相比之下，肌肉中由于MT含量很低從而對重金屬的親和力遠不及肝臟和鰓部[35]，因此肌肉中的重金屬含量顯著低于肝臟和鰓部。綜上所述，鯽魚組織器官對不同元素的蓄積能力的差異主要與不同器官的功能差異和對某種重金屬元素特定的選擇性關聯(lián)密切，對同種元素在不同地區(qū)分布模式的差異可能是由于棲息環(huán)境、習性、養(yǎng)殖方式等各種因素綜合造成的[36]。

圖2　重金屬元素在鯽魚體內(nèi)不同組織的分布Fig. 2　Distribution of heavy metals in different tissues of crucian

研究表明[37-39]，重金屬元素在魚體組織內(nèi)的含量與魚的體長或者體重存在一定的相關性，為了準確評估鯽魚體內(nèi)重金屬分布的空間差異，因此選取體長和體重接近的鯽魚消除誤差。圖2結果顯示，重金屬在魚體各器官中含量上游均低于下游。上游重金屬含量的高值位于承德市附近的5號灤河、6號武烈河、7號瀑河，下游高值位于唐山市附近的12號溯河和13號陡河。以含量最高的Zn為例，下游近唐山的13號陡河濃度是11號灤河的1.49倍，是9號灤河的1.67倍，城市的人為干擾可能是重金屬含量較高的原因。重金屬濃度由高到低依次是Zn>Cr>Cu>Pb>As>Cd，郝紅等[11]發(fā)現(xiàn)灤河流域重金屬含量空間分布自上游至下游呈逐漸增加趨勢，且濃度梯度為Zn >Cr>Cu>Pb >Cd，下游區(qū)域過多的人為源輸入是重金屬污染的主要原因，與本文研究結果類似。

表2　肌肉中重金屬的含量(單位：mg·kg-1)

表3　不同地區(qū)肌肉中重金屬含量(單位：mg·kg-1)

注：1)原文獻中未測定

Note:1) It was not detected in the literature.

2.2鯽魚肌肉重金屬分析

研究區(qū)肌肉重金屬含量測定結果如表2所示，經(jīng)與標準限值比較，Zn、Cr、Cd平均值超過國家規(guī)定的標準限值，且各元素的峰值都處于下游區(qū)域。結果表明灤河流域鯽魚受到一定程度的重金屬污染，主要為Zn、Cr、Pb，且以工礦業(yè)為主、人口密集的下游區(qū)域肌肉重金屬含量高于以農(nóng)業(yè)為主、人口較少的上游區(qū)域。各金屬超出標準限值由高到低依次為Cr(3.34)>Pb(2.24)>Zn(1.15)。重金屬濃度峰值位于12號溯河和13號陡河，它們的特征是靠近唐山市區(qū)和渤海入海口。環(huán)渤海區(qū)域經(jīng)濟發(fā)達，眾多河流流入渤海，同時也成為重金屬重要的匯聚地，重金屬污染較重[40]。魚類體內(nèi)的重金屬含量在很大程度上受環(huán)境影響，研究表明位于采礦區(qū)的塌陷塘肌肉中的重金屬含量較非礦區(qū)明顯升高[41],與本文下游含量水平高于上游結果類似。

將研究區(qū)鯽魚與國內(nèi)其他水域或地區(qū)的鯽魚肌肉中的重金屬含量進行比較(表3)，灤河流域研究區(qū)相對于其他地區(qū)鯽魚肌肉重金屬含量處于較高的水平。其中Cu、Zn、Cr、Pb處于較高水平，As處于較低水平，低于廣東珠江三角洲地區(qū)、三峽庫區(qū)和東三省。鯽魚肌肉重金屬含量較高的地區(qū)共同特征是都位于工業(yè)經(jīng)濟較發(fā)達的區(qū)域，存在一定的河流重金屬污染現(xiàn)象，外源重金屬的長期輸入是肌肉組織重金屬蓄積升高的主要原因。

2.3重金屬的食用風險評價

關于魚類重金屬風險的研究，國內(nèi)多是將檢測到的重金屬含量與國家標準進行比較[46]，定性判斷魚類是否受到重金屬污染，且多限于單一重金屬，而魚類多種重金屬的風險評估研究則較少。目標危險系數(shù)法(THQ)的優(yōu)點在于不僅可以評估單一重金屬的攝入健康風險，而且可以評價多種重金屬復合暴露的健康風險[47]。研究區(qū)13個點位的食用風險系數(shù)THQ平均值如表4所示，鯽魚單一重金屬THQ由高至低依次為As>Pb>Zn>Cu>Cd>Cr。所有重金屬的總風險系數(shù)TTHQ中，As和Pb的貢獻比例最高，分別為33.66%和28.05%，超過了60%，可見As和Pb是鯽魚食用的主要風險元素。Cr是風險系數(shù)最小的元素，雖然其重金屬含量超過了《食品中污染物限量》(GB 2762—2012)和《無公害食品水產(chǎn)品中有毒有害物質(zhì)限量》(NY 5073—2006)規(guī)定的標準，但其THQ遠小于0.01，總貢獻率不足1%，不足以造成食用風險。Cd雖然毒性較大，但由于含量較低，THQ也較低，不到0.1，僅占總貢獻率的6%。Zn雖然為人體生命必需元素，但由于其含量最高且超過了《食品中鋅限量衛(wèi)生標準》(GB 13106—1991)規(guī)定的標準，同時THQ超過了0.1，在總貢獻率中接近20%，大量食用會有造成風險。

表4　鯽魚重金屬食用健康風險評價

從空間分布看，灤河下游TTHQ高于上游，2個點位的TTHQ>1，分別是12號溯河(TTHQ=1.263)和13號陡河(TTHQ=1.381)；其余點位均高于0.5(圖3)。位于承德市附近的5號灤河和6號老牛河TTHQ都超過了0.7，風險比重較高的元素是As、Pb、Zn。雖然6種重金屬THQ都小于1，且總風險系數(shù)TTHQ小于1。但是，當居民日均食用鯽魚超過71 g·d-1時即會造成食用風險，位于工礦業(yè)發(fā)達城市的居民食用風險較高，特別是兒童和懷孕婦女食用魚類的健康風險可能更高[48]。

圖3　采樣點健康食用風險Fig. 3　Health risk grades of the sampling sites

通訊作者簡介：孫然好(1982-)，男，地圖學與地理信息系統(tǒng)博士，副研究員，主要研究方向環(huán)境效應評價、景觀生態(tài)學等。

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Distribution and Risk Assessment of Heavy Metals in Crucian Carp (Carassiusauratus) of Luan River

Wang Ruilin1,2, Sun Ranhao2,*, Wu Dayong3

1. Department of Environmental Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China 2. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Science, Beijing 100085, China 3. College of Life Sciences, Hengshui University, Hengshui 53000, China

14 March 2015accepted 5 May 2015

The crucian carp (Carassius auratus) and river sediment samples were collected from the Luan River in this study. The concentration of heavy metals in fish and sediment was measured for Cu, Zn, Cr, Pb, Cd, and As by ICP-MS. The concentration of heavy metals decreased in the order of Zn, Cr, Cu, Pb, As, Cd. Moreover, the heavy metal concentration differed among different parts of the fish body. Specifically, the concentrations of Cu and Cr were high in liver whereas those of Zn, Pb and Cd were high in gill. As concentration depended on the sample sites. Generally, the heavy metal concentration in downstream was high than that in upstream. The results indicated that the concentration of Zn, Pb, and Cd in the muscle of crucian carp excessed lots of food safety limits, including the national limited quantity of poisonous and harmful contents of the national pollution-free aquatic products (NY 5073—2006), limited quantity of contaminants in foods (GB 2762—2012), and tolerance limit of zinc in foods (GB 13106—1991). The excess value of heavy metal concentration is Cr(3.34)>Pb(2.24)>Cd(1.15). Finally, the consumption risk was assessed based on US EPA’s target hazard quotient (THQ) method. The results indicated that As had the highest health risk whereas Cr showed the least risk. All THQ values of 6 heavy metals were less than 1. However, the fish consumption in downstream might have risks with the evidence of high TTHQ values of combined heavy metals in Suhe River (TTHQ=1.263) and Douhe River (TTHQ=1.381). This study indicated that the high risk of As, Pb, and Zn should be paid more attention in the regular fish consumption.

heavy metal; Carassius auratus; Luan River; risk assessment

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07501002-002)

王瑞霖(1988-)，男，碩士，研究方向為流域水環(huán)境污染控制，E-mail: zhuoye886@163.com

Corresponding author)， E-mail: rhsun@rcees.ac.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20150314002

2015-03-14 錄用日期：2015-05-05

1673-5897(2015)6-229-09

X171.5

A

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