東洞庭湖鰱魚和鳙魚中重金屬富集差異分析

劉曉偉 - 陸維亞 - 薛敏敏 - 李忠海 -

(1. 長垣烹飪職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453400；2. 中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004； 3. 湖南省產(chǎn)商品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，湖南 長沙 410007)

洞庭湖由東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖3個(gè)主要的湖盆組成。其中東洞庭湖位于湖南省岳陽市境內(nèi)，屬于國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，得天獨(dú)厚的生態(tài)環(huán)境孕育了極為豐富的物產(chǎn)[1]。同時(shí)也是中國重要的淡水養(yǎng)殖基地，經(jīng)濟(jì)魚類有113種，包括鰱魚、鳙魚、鯉魚、草魚、鳊魚、青魚等[2]。2007年之前，東洞庭湖水體中重金屬砷和汞存在超標(biāo)的情況[3]。自2007年以來，國家啟動(dòng)了一系列針對(duì)東洞庭湖生態(tài)恢復(fù)和保護(hù)的項(xiàng)目并開展水環(huán)境整治行動(dòng)，但是這并不能完全杜絕工業(yè)污染的存在。污染物除了通過直接排放進(jìn)入水環(huán)境以外，還可以通過降水從大氣層進(jìn)入湖水，包括一些重金屬，如Pb、Hg、Cd、Cr、As等[4]。這些污染物又通過水體進(jìn)入水生生物體內(nèi)，進(jìn)而對(duì)其生長發(fā)育產(chǎn)生負(fù)面影響。

劉芳芳等[5]研究了東洞庭湖網(wǎng)箱養(yǎng)殖鯉魚在生長期重金屬富集的變化規(guī)律，其中Pb和Cu隨鯉魚的生長而增加，Zn和Cd隨著鯉魚的生長先增長后下降；楊晨馳等[6]分析了鯽魚不同組織中重金屬的含量分布，不同組織的污染程度排序?yàn)樾韵?鰓>肌肉；曾齡頤等[7]比較了不同活動(dòng)水層的魚類中重金屬富集的差異性，底棲生活的魚類重金屬污染重于上層的?？梢娭袊鴮?duì)魚類中重金屬富集的研究已經(jīng)不少，研究方向也頗具多樣化，但是以上研究都是針對(duì)同一種魚類或者是兩種不同生活習(xí)性的魚類來展開的，相同生活習(xí)性的魚類中重金屬富集是否存在差異，差異產(chǎn)生原因的解釋尚不多見。為此，本研究通過分析野生鰱魚和鳙魚中重金屬富集情況，評(píng)價(jià)東洞庭湖中重金屬的污染程度，并分析生活習(xí)性相似的不同魚類對(duì)重金屬富集差異產(chǎn)生的原因，以期更好地了解重金屬的富集規(guī)律，為食物中重金屬的吸附清除提供必要資料。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

硝酸、高氯酸：優(yōu)級(jí)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

過氧化氫：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

氫氟酸：分析純，長沙市湘科精細(xì)化工廠；

鹽酸：優(yōu)級(jí)純，衡陽市凱信化工試劑有限公司；

超級(jí)微波儀：AS76型，北京萊伯泰科儀器股份有限公司；

原子熒光光度計(jì)：AFS-933型，北京吉天儀器有限公司；

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)：7700x型，安捷倫科技(中國)有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品采集

(1) 水樣采集：樣品均于2014年11月采自東洞庭湖六門閘、君山公園和岳陽樓附近。在每個(gè)采樣點(diǎn)用500 mL的聚乙烯塑料瓶于湖面下50 cm處取水樣一瓶，取樣前先用湖水潤洗瓶子2次，貼上標(biāo)簽。樣品于4 ℃冷藏保存[7]。

(2) 沉積物采集：沉積物樣品取水底0～10 cm處，每個(gè)采樣點(diǎn)取500 mL，貼上標(biāo)簽。剔除碎石和砂礫后的樣品于50 ℃恒溫干燥48 h，用2 mm篩孔(或20目篩)的篩子將干燥的沉積物均質(zhì)。4 ℃冷藏備用[8]。

(3) 魚樣采集：鰱魚和鳙魚樣品由漁船分別在3個(gè)采樣點(diǎn)附近水域撒網(wǎng)捕獲。兩種魚樣各購入10條。樣品重量均在500 g左右。放入裝有冰袋的保溫箱帶回實(shí)驗(yàn)室。將魚去鱗，用超純水清洗并擦干表面水分，取出肝臟、鰓和腦，魚肉剔骨，分別勻漿，放入密封袋中-18 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 樣品預(yù)處理 稱取經(jīng)過前處理的樣品(鰱魚、鳙魚)0.300 0 g 左右于石英管中，加硝酸3 mL，蓋上蓋子。將石英管按順序排列于架子上放入加有5 mL H2O2和110 mL超純水的微波消解罐中，于超級(jí)微波消解儀消解。消解結(jié)束后，將石英管中消解液倒入比色管中，并用超純水洗滌石英管，洗液并入比色管。將比色管放入電熱裝置，130 ℃加熱30 min使硝酸揮發(fā)。取出，用超純水定容至25 mL，4 ℃冷藏待測(cè)。同時(shí)做試樣空白[9]。

稱取均質(zhì)的沉積物0.5 g左右于聚四氟乙烯坩堝中，加水濕潤，加10 mL鹽酸，于120 ℃電爐加熱蒸發(fā)至約5 mL。加15 mL硝酸于240 ℃加蓋蒸發(fā)至約5 mL后，取下稍冷。另加10 mL硝酸，10 mL氫氟酸和5 mL高氯酸240 ℃加熱，經(jīng)常搖動(dòng)坩堝，蒸發(fā)至約2 mL。加少量水沖洗坩堝并蒸發(fā)趕酸3次。將坩堝中樣液轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶，定容。同時(shí)做試樣空白。置于4 ℃冰箱冷藏待測(cè)[10]。

1.2.3 樣品測(cè)定 將待測(cè)樣品過0.45 μm的膜，用Agilent 7700x ICP-MS測(cè)定樣品中重金屬Cr、Cu、Cd和Pb的濃度。用原子熒光光譜儀測(cè)定重金屬Hg。每個(gè)樣平行測(cè)定3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

用SPSS 17.0處理分析鰱魚和鳙魚組織間以及兩種魚類間重金屬含量的差異顯著性，用Origin 8.0作圖比較所測(cè)魚類中重金屬含量是否超出標(biāo)準(zhǔn)限量值。

2 結(jié)果與分析

2.1 水樣和沉積物中重金屬分布及分析

由表1可知，東洞庭湖水體中重金屬含量都不高。相對(duì)于水體，沉積物中重金屬含量較高。經(jīng)測(cè)定，沉積物樣品的pH值均>6.5，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值(見表2)，可以將東洞庭湖土壤中的重金屬含量進(jìn)行等級(jí)劃分。其中Cr平均值低于國家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)限值，Cu、Pb和Hg的平均值低于國家二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)限值，Cd的平均含量是國家三級(jí)土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值的6倍。

姚志剛等[11]和萬群等[1]分別在2006年和2011年對(duì)東洞庭湖沉積物中重金屬進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見表1。經(jīng)對(duì)比2006年和2011年測(cè)得的沉積物中重金屬含量Cr和Cu的差別不大，Cd增加了近1倍，Pb和Hg則相應(yīng)都減少了50%以上。本次試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果相比2006年，5種重金屬污染都得到了一定的緩解；相比2011年，除Pb和Hg含量稍有增加外，其它3種重金屬含量都更低?？梢妵覍?duì)東洞庭湖生態(tài)環(huán)境的治理取得了一定的成效，但是Cd的含量仍然高于國家三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)的限值。

2.2 重金屬在魚類不同組織中的分布及差異分析

2.2.1 重金屬在魚類不同組織中的分布 魚類作為一種水生生物，其體內(nèi)重金屬含量的高低可用來評(píng)判水體中重金屬的污染程度[12]。鰱魚和鳙魚是東洞庭湖中兩種主要的經(jīng)濟(jì)魚類，它們具有相似的生活習(xí)性，但是野生鰱魚傾向于食用浮游植物，而野生鳙魚更喜食浮游動(dòng)物[13]。表3標(biāo)明了兩種魚的肉、鰓、肝和腦中5種重金屬含量的平均值以及組織間重金屬含量的差異顯著性。鰱魚和鳙魚的不同組織中各重金屬含量的分布排序一致。Cr的排序?yàn)轹w>肝>腦>肉，Cu為肝>腦>鰓>肉，Cd為肝>鰓>腦>肉，Pb為鰓>肝>肉>腦，Hg為肉>肝>腦>鰓。除了Cr在鰱魚肝和腦中，Cu在鰱魚肉和鰓、肉和腦、鰓和腦，鳙魚肉和鰓中，Cd在鰱魚肉和鰓、肉和腦、鰓和腦，鳙魚肉和腦中，Pb在鰱魚肉和肝中，Hg在鰱魚肝和腦中含量差異不顯著外，其它組織間含量的差異都為顯著或極顯著。

表1 本試驗(yàn)水樣和沉積物以及往年沉積物中重金屬含量的平均值?

? nd表示未檢出。

表2 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值(pH>6.5)

鰱魚和鳙魚間不僅各重金屬在組織中的含量不同(除Cr在肝和腦，Cu在鰓和肝，Pb在鰓中差異不顯著外，其它都具有極顯著性差異)，而且各重金屬在組織間的離散程度也不同。其中，Cr在鰱魚鰓中的含量最高，在鰱魚各組織中的離散程度，即標(biāo)準(zhǔn)差為0.268，鳙魚中的離散程度為0.064；Cu在鳙魚肝中的含量最高，在鰱魚各組織中的離散程度為4.479，鳙魚中的離散程度為4.767；Cd在鰱魚肝中含量最高，鰱魚中離散程度為0.659，鳙魚中為0.051；Pb在鳙魚鰓中含量最高，在鰱魚各組織中離散程度為0.137，鳙魚中為0.189；Hg在鳙魚肉中含量最高，在鰱魚中離散程度為0.019，鳙魚中為0.044。Cr和Cd在鰱魚中有最高含量，而Cu、Pb和Hg在鳙魚中有最高含量。重金屬在某種魚中有更高的含量，則其在這種魚中偏向于有更高的離散程度。

2.2.2 重金屬在魚類不同組織中的分布差異分析 魚肉對(duì)重金屬的親和力較弱，一般不會(huì)大量富集重金屬。魚鰓作為魚的呼吸器官，承擔(dān)了氣體交換、排泄氮代謝廢物和參與滲透壓調(diào)節(jié)的功能。魚鰓表面覆有一層由葡糖酸胺聚糖組成，富含陰離子的黏液。這使得黏液對(duì)重金屬存在一定的親和力而富集重金屬[14]。肝臟是生物體一個(gè)重要的解毒器官，富含谷胱甘肽和金屬硫蛋白(主要為MT-Ⅰ和MT-Ⅱ)，這兩種物質(zhì)又含有大量的半胱氨酸殘基，殘基上的巰基可結(jié)合重金屬(主要為Cu、Cd和Zn)形成螯合物從而達(dá)到解毒的效果。魚腦中也含有相當(dāng)數(shù)量的金屬硫蛋白(主要為MT-Ⅲ)，可主要結(jié)合Cu和Zn而起到重要的神經(jīng)生理和神經(jīng)調(diào)節(jié)功能，也可結(jié)合非基本金屬元素起到抑制和解毒的作用[15]。

Cr在鰱魚和鳙魚不同組織中的排序?yàn)轹w>肝>腦>肉，可能是這兩種魚鰓表面的陰離子黏液對(duì)Cr的親和能力更強(qiáng)于巰基。對(duì)于不同種類的魚，Cr在組織中的分布并不相同。方展強(qiáng)等[16]檢測(cè)鯽魚中Cr在組織中的分布則為肝>鰓>肉。NY 5073—2006中規(guī)定Cr在魚類中的限量為2.0 mg/kg，由表3可知，鰱魚和鳙魚各組織中Cr的含量均較低，低于限量值。

Cu的排序?yàn)楦?腦>鰓>肉。Mamdouh等[17]在Siganus rivulatus和Sargus sargus這兩種魚中檢出的Cu在不同組織中的分布排序也是肝>鰓>肉。因?yàn)镃u是機(jī)體進(jìn)行生命活動(dòng)的必需微量元素，參與多種酶的調(diào)控，所以相比較其它重金屬Cu在魚中的含量相對(duì)較高。這也使Cu在魚類中的標(biāo)準(zhǔn)限量相對(duì)較高，達(dá)到了50 mg/kg，所測(cè)鰱魚和鳙魚中Cu在各組織中的含量均遠(yuǎn)低于限量值。

Cd的排序?yàn)楦?鰓>腦>肉，和劉芳芳等[5]在研究東洞庭湖網(wǎng)箱養(yǎng)殖鯉魚不同組織中Cd的分布排序一致，測(cè)得鯉魚的鰓、肝臟和肌肉中Cd的含量分別為0.015～0.078，0.031～0.151，0.003～0.021 mg/kg，與本試驗(yàn)所得結(jié)果相近。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中Cd在魚類中的限量為0.1 mg/kg，由表3 得出，鰱魚和鳙魚肝臟中Cd的含量均超過了限量，而其它組織中含量并未達(dá)到限量值。

Pb在鰱魚和鳙魚不同組織中的分布排序?yàn)轹w>肝>肉>腦。Farkas等[18]在鳊魚中也發(fā)現(xiàn)Pb的分布規(guī)律為鰓>肝>肉，但是這種分布會(huì)因?yàn)轸~的種類不同而有差異，鰻魚中Pb的含量則為肝>鰓。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定魚類中Pb的限量為0.5 mg/kg。由表3可知，Pb在這兩種魚中的含量均低于標(biāo)準(zhǔn)限量，魚鰓中的含量較高已接近限量，魚肉中檢出量很低，甚至在鳙魚肉中并未檢出。

Hg在兩種魚中的分布排序?yàn)槿?肝>腦>鰓。與其它金屬不同，Hg在魚肉中的含量高于其它組織中。Elizabeta等[19]的研究也發(fā)現(xiàn)在tench、pumpkinseed、prussian carp和eel 4種魚均是肉中檢出量最高。可能是Hg除了易與含巰基的低分子化合物結(jié)合外，還傾向于與血液中的血紅蛋白、血漿蛋白以及體液中的陰離子結(jié)合，使得魚肉中Hg的含量偏高[20]。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中Hg在魚類中的限量為0.5 mg/kg，由表3可知，即使在Hg含量最多的魚肉中也遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限量。

2.3 不同魚類重金屬富集差異分析

2.3.1 鰱魚和鳙魚中重金屬的富集差異顯著性分析 由表3可知，除了Cr在肝臟和魚腦、Cu在魚鰓和肝臟以及Pb在魚鰓中不存在顯著差異性外，其它均存在顯著或極顯著差異。

表3 重金屬在鰱魚和鳙魚組織中的含量分布及差異顯著性分析?

? 同列數(shù)字后英文字母表示差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

鰱魚和鳙魚間各組織對(duì)重金屬的富集濃度基本都存在差異性，說明即使是有同種生理功能的組織，不同魚類對(duì)重金屬誘導(dǎo)的代謝速度、組織內(nèi)金屬硫蛋白的合成速度以及其它相關(guān)因素也不盡相同[21]。另外，這種差異性并不是某一種魚中重金屬的含量處于絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，如Cr在鰱魚鰓中含量高于鳙魚鰓，但鰱魚肉中的含量卻低于鳙魚肉。這5種重金屬都表現(xiàn)出在某種魚中有更高的含量，則在這種魚中偏向于有更高的離散程度?？烧J(rèn)為若魚體某一組織有很強(qiáng)的富集重金屬的能力，則這一組織傾向于先將魚體內(nèi)其它組織中的重金屬遷移過去或是優(yōu)先吸附重金屬[22]。

2.3.2 生物-沉積物富集因子(BSAF)分析 生物-沉積物富集因子(BSAF)可用于評(píng)價(jià)生物對(duì)被測(cè)重金屬富集的難易程度。BSAF按式(1)計(jì)算。

B=Ct/Cs，

皮片移植后皮膚細(xì)胞依賴受皮區(qū)創(chuàng)基組織滲液供養(yǎng)而存活。在植皮12 h后，創(chuàng)基毛細(xì)血管才開始長入，3～4 d后皮片與創(chuàng)傷基底面才可建立新的血液循環(huán)。在此過程中，皮片處于較低的氧張力中，缺氧狀態(tài)影響皮片成活[4-5]。通過高壓氧治療，可以使血液中的氧含量增高，增加了受皮區(qū)創(chuàng)基對(duì)皮片的供氧[6]。另外，高壓氧治療還可以加速上皮細(xì)胞有絲分裂速度，加速成纖維細(xì)胞合成和毛細(xì)血管增生，促進(jìn)皮片的成活[7]；可以殺滅部分細(xì)菌，并且提高細(xì)菌對(duì)抗生素的敏感性[8]，可以增強(qiáng)巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞的能力[9]，使得創(chuàng)面抗感染的能力加強(qiáng)。

(1)

式中：

B——生物-沉積物富集因子；

Ct——組織(魚肝)中重金屬含量，mg/kg；

Cs——沉積物中重金屬含量，mg/kg。

由表4可知，鰱魚和鳙魚中重金屬Cu、Cd和Hg的BSAF都相較于另外2種重金屬更大，可以認(rèn)為這兩種魚都更易于富集Cu、Cd和Hg。

生物-沉積物富集因子越高代表魚類越容易富集這種重金屬。鰱魚和鳙魚中Cu、Cd和Hg的BSAF都相對(duì)Cr和Pb更高，這和Shouta等[20]的研究一致，他們指出在羅非魚和紅螯螯蝦中Cu、Zn和Cd的BSAF值顯著高于Cr、Co和Pb?？赡苡捎贑d易被植物吸收，所以以浮游植物為食的鰱魚和雜食性的鳙魚也易富集Cd，且鰱魚的BSAF顯著高于鳙魚的。Cu作為生物體的一種必需金屬元素，也必定相較其它重金屬更易被富集。鰱魚和鳙魚對(duì)于Cu的BSAF值相近，也表明這兩種魚對(duì)Cu的需求量相似。Hg可與生物體內(nèi)的巰基結(jié)合而被生物體富集[23]。鳙魚中Hg的BSAF值顯著大于鰱魚的，可能是鳙魚中的巰基總量大于鰱魚的，或是鳙魚中活性巰基的穩(wěn)定性高于鰱魚的[24]。

2.4 東洞庭湖魚中重金屬污染評(píng)價(jià)

表4 鰱魚和鳙魚生物-沉積物富集因子的平均值

3 結(jié)論

鰱魚和鳙魚不同組織中各重金屬含量的分布排序一致。一般魚肉對(duì)重金屬的親和力較弱(除Hg外)，魚鰓和肝臟都易富集重金屬，但對(duì)不同重金屬的富集各有強(qiáng)弱，魚腦對(duì)部分重金屬(如Cu、As、Zn)有相對(duì)較強(qiáng)的富集作用。除了鰱魚和鳙魚肝臟中的Cd超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)限量外，其它組織中重金屬均低于限量值。

不同魚類的組織間重金屬的富集基本都存在顯著差異。根據(jù)魚類的生物-沉積物富集因子，相比Cr和Pb，鰱魚和鳙魚都更易富集Cu、Cd和Hg。其中，鰱魚比鳙魚更易富集Cd；而鳙魚比鰱魚更易富集Hg。

東洞庭湖沉積物中重金屬Cd污染嚴(yán)重。結(jié)合每周可耐受攝入量PTWI(adult)以及魚類中重金屬含量，鰱魚和鳙魚中重金屬的污染排序?yàn)镃d>Cr>As>Pb>Hg>Zn>Cu，其中部分組織中Cd和Cr的含量超出了PTWI(adult)。因此在重金屬治理過程中需優(yōu)先緩解Cd和Cr的污染。

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