吳城鄱陽湖自然保護區魚體重金屬的富集及安全性評價

涂宗財龐娟娟鄭婷婷唐平平王 輝張 露沙小梅陳雪嵐

(1.江西師范大學生命科學學院, 功能有機小分子教育部重點實驗室, 南昌 330022; 2.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室, 南昌 330047)

吳城鄱陽湖自然保護區魚體重金屬的富集及安全性評價

涂宗財1,2龐娟娟1鄭婷婷1唐平平1王 輝2張 露1沙小梅1陳雪嵐1

(1.江西師范大學生命科學學院, 功能有機小分子教育部重點實驗室, 南昌 330022; 2.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室, 南昌 330047)

為研究吳城鄱陽湖自然保護區魚類重金屬的污染情況, 以鄱陽湖吳城6種常見淡水魚(鯉、鳙、鰱、草魚、青魚、鳊)為研究對象, 分別研究魚心臟、肝臟、鰓絲和肌肉等部位中銅、鋅、鉛、鎘4種重金屬的富集情況, 并采用目標危險系數(THQ)評價其健康風險。結果顯示, 重金屬元素在魚體不同器官中的富集程度不同, Cd在肝臟中的含量最高, Cu在肝臟和心臟中的含量最高, Pb在肝臟中的富集含量最低, Zn在各器官的總體含量要高于其他3種元素。4種重金屬在魚肌肉中的含量均符合國內外標準。目標危險系數(THQ)分析結果表明, Pb導致的健康風險最高, Cd最低, 單一重金屬THQ值和復合重金屬TTHQ值均小于1, 說明吳城鄱陽湖自然保護區魚類重金屬的污染程度較低, 不會對消費者健康產生潛在危害。

吳城鄱陽湖自然保護區; 淡水魚; 重金屬; 富集; 安全性評價

水體重金屬污染已成為全球性的環境問題。由于水體環境惡化和魚類自身的富集作用, 過量的重金屬除了對魚類自身生理活動造成影響, 還會通過食物鏈的形式傳遞到人體, 對人類的健康產生威脅[1]。鎘(Cd)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)是常見的重金屬污染物, 對魚類的生理活動有重要影響[2], 如鎘可改變魚類的營養結構, 抑制魚鰓對鈣的吸收,影響魚類生長代謝及組織器官功能[3]; 銅是生物體必需的營養元素之一, 但當其達到一定濃度時也會對生物體特別是臟器造成傷害, 抑制鰓的運動, 影響其呼吸[4]; 鋅是生物體必需的一種微量元素, 是生物體內數十種酶的主要成分, 但當鋅過量攝入時,會對水生生物產生毒害作用[5]; 而鉛具有相對較強的穩定性和難降解性, 是典型的積累性污染物[6]。

鄱陽湖是我國第一大淡水湖, 也是國家級自然保護區, 其不僅是野生動物的自然保護區, 同時還擁有著豐富的漁業資源。近年來因自然保護區的建立, 使得吳城鎮的經濟發展和人類活動都有所增加, 這不僅對漁業資源的生長造成了一定影響, 而且對經濟魚類的需求量也在不段地加大, 因此研究吳城鄱陽湖自然保護區中魚類的重金屬污染情況對湖區居民健康及長江中下游的生態都有重要意義。本文以吳城鄱陽湖自然保護區6種大宗淡水魚(鯉、鳙、鰱、草魚、青魚、鳊)為研究對象, 分別研究銅、鋅、鉛、鎘4種重金屬在魚的心臟、肝臟、鰓絲和肌肉的富集情況, 并采用目標危險系數(THQ, Target Hazard Quotient)評價其健康風險。本研究可為開發鄱陽湖魚類資源提供一定的數據支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

魚類樣品于2016年3月捕撈采集, 樣品共28尾,魚類樣品的種類、食性和數量等指標如表 1所示。樣品捕撈后立即放入加有冰塊的樣品箱中, 運回實驗室進行去魚鱗、魚頭處理, 然后用超純水清洗,濾紙吸去水分, 最后分別取心臟、肝臟、鰓絲和肌肉裝聚乙烯袋中, 置于–80℃冰箱冷凍待測。

1.2 儀器與試劑

硝酸(優級純), 國藥集團化學試劑有限公司; 高氯酸(優級純), 國藥集團化學試劑有限公司; Cu、Zn、Pd、Cd標準品, 國家標準物質研究中心。實驗所用玻璃和塑料儀器先用洗滌劑和清水清洗,再用10%硝酸浸泡24h以上, 用去離子水沖洗干凈,自然晾干備用。實驗所用試劑均為優級純。

表 1 魚類基本數據Tab.1 Basic information of fishes

AA-240Z型石墨爐原子吸收光譜儀, 美國Varian公司; DB-2型數顯控溫電熱板, 江蘇金壇市環宇科學儀器廠; 精密微量天平, 沈陽龍騰電子有限公司; LEADER-A1超純水儀, 上海領得儀器有限公司。

1.3 樣品分析

魚樣在室溫下自然解凍后準確稱取0.5000 g樣品放入酸洗過的125 mL高腳燒杯中, 加入6 mL混合酸(HNO3鯰HClO4=9鯰1), 蓋上表面皿室溫預消解過夜后, 置于可調式電熱板上加熱消解, 若變棕黑色, 再加混合酸, 直至冒白煙, 待消化液成無色透明或略帶黃色后冷卻。取下表面皿后將高腳燒杯置于可調式電熱板上趕酸, 直至有白色晶體析出, 冷卻。將樣品用去離子水溶解后轉入50 mL容量瓶中, 再用去離子水少量多次洗滌高腳燒杯, 洗液合并于容量瓶中并定容, 待測。最后采用美國Varian公司的AA-240Z型石墨爐原子吸收光譜儀測定樣品中Cu、Zn、Pb和Cd的含量。

1.4 健康風險評估

采用目標危險系數(THQ)評價消費者通過魚肉攝取重金屬的風險。公式如下:

其中, C為魚肉中重金屬的含量(mg/kg), FIR為魚的消費量[71 g/(d·人)], EDtot為暴露時間(70年), EFr為暴露頻率(365d/年), RfD為口服參考劑量[Cd: 1×10–3mg/(kg·d), Cu: 0.04 mg/(kg·d), Zn: 0.3 mg/(kg·d), Pb: 0.004 mg/(kg·d)], BWa為人體平均體重(58.1 kg), Atn為非致癌性暴露平均時間(365d/年×暴露年限, 約為70年)[7—9]。

1.5 數據處理

數據結果用平均值±SD表示, 運用SPASS 20.0軟件對數據進行單因素方差分析和多重檢驗。

2 結果

2.1 四種重金屬在魚肌肉中的含量

表 2 魚肌肉組織中重金屬含量Tab.2 Heavy metal concentrations in muscle of six fish species (mg/kg), wet weight

由表 2可知, 同一重金屬在不同魚類肌肉的富集程度不同。Cu、Zn、Pb和Cd在6種魚類肌肉中的含量分別為0.35—1.49、6.14—9.44、0.18—0.53和0.10—0.22 mg/kg。Cu、Zn、Pb和Cd在6種魚類肌肉中的含量比較結果分別為鯉>鳊>青魚>鰱>鳙>草魚、鳊>鯉>青魚>鳙>草魚>鰱、鰱>草魚>青魚>鳙>鯉>鳊、草魚>鰱>鳙>鳊>鯉>青魚。單因素方差分析結果顯示, 在不同魚體中Zn的含量差異顯著(P<0.05)。鯉肌肉中的Cu含量最高, 青魚肌肉中Cd的含量最低, 鳊肌肉中Zn含量最高, 鰱肌肉中Pb含量最高。

2.2 安全性評價

魚類肌肉中重金屬含量通常用來評價人類攝食魚肉的安全性[10]。對照中華人民共和國農業部發布的行業標準《NY 5073-2006無公害食品 水產品中有毒有害物質限量》[11](表 2), 在所測樣品中銅、鋅、鉛、鎘含量均低于相應的限量標準, 符合無公害水產品的要求。參考澳大利亞國家衛生和醫學研究理事會制定的人體消費衛生標準[12,13]中魚類重金屬的限定值(表 2), 樣品中銅、鋅、鉛、鎘均低于人體消費衛生標準, 屬于安全食用范圍。

目標危險系數(THQ)是USEPA (美國環境保護局, United States Environmental Protection Agency)于2000年建立的一種評價人群健康風險的方法, 其最大特點在于不僅能夠評價單一重金屬的健康風險, 而且可以評價多種重金屬復合暴露的健康風險。當THQ<1 時認為對暴露人群無風險[8,14]。THQ的數值越小, 表示魚肉中存在的健康風險越低。由表3可知, 單一重金屬的THQ和總TTHQ值均小于1, 說明吳城鄱陽湖自然保護區魚肉中重金屬含量均在安全范圍內, 對人體產生的健康風險較低。從吳城鄱陽湖自然保護區鯉中攝入單一重金屬的THQ值大小為: Pb>Cu>Zn>Cd; 從其他5種魚攝入單一重金屬的THQ值大小為: Pb>Zn>Cu>Cd, 說明Pb產生的風險最高, Cd產生的風險最低。

2.3 重金屬在魚體的分布特征

由表 4可知, 同種重金屬元素在不同魚類各部位的富集程度不同, 肝臟中的Cd含量明顯高于其他部位。Cd在鯉、鳙、鰱、草魚、青魚肝臟中富集的含量均最高, 且富集順序為鯉>草魚>青魚>鰱>鳙>鳊; 在鯉心臟中的含量最高(0.94 mg/kg), 青魚鰓絲中的含量最高(0.51 mg/kg)。 本文分析發現Cd在鯉肝臟中的含量與鳊肝臟中的存在顯著性差異(P<0.05)。Cu在6種魚不同組織中的含量也有所變化, 除鳊外, 總體符合如下規律: 心臟>肝臟>鰓絲>肌肉, Cu主要富集在鯉、鳙、鰱、青魚、草魚的肝臟和心臟中。在肝臟部位, Cu在青魚中的含量最高, 是鳙(Cu含量最低)中的2.97倍; 在心臟中, 鯉中的含量最高(5.33 mg/kg), 是鳊(Cu含量最低, 為1.77 mg/kg)中的3倍。

Pb在6種魚心臟、肝臟、鰓絲和肌肉的含量分別為0.20—0.41、0.22—0.33、0.15—0.53和0.18—0.53 mg/kg。其中, Pb在鰱肌肉中的含量最高, 其次為青魚心臟, 在鳊鰓絲中的含量最低。Zn在不同魚類中的含量差異顯著, 但在4個部位的含量差異不明顯, 總體含量要高于其他3種元素。Zn在鯉各組織的富集順序為肌肉>鰓絲>心臟>肝臟; 在鳙和草魚器官中的富集順序為肌肉>心臟>肝臟>鰓絲; 在鰱各組織的富集順序為鰓絲>心臟>肌肉>肝臟; 在青魚器官中的富集順序為肌肉>鰓絲>肝臟>心臟; 在鳊組織內的富集順序為鰓絲>肌肉>心臟>肝臟。Zn在鰱和鳊的肝臟和肌肉中均存在顯著性差異(P<0.05)。

3 討論

不同重金屬在魚類肌肉中的含量不同, 但基本符合以下規律: 必需微量元素含量(Zn、Cu)>非必需微量元素含量(Pb、Cd)。Yi等[7]研究發現, 鄱陽湖11種魚類肌肉中重金屬含量順序為Zn>Cu>Cr> Hg>Ni>As>Pb>Cd; 郭春晶[15]的研究發現, 鄱陽湖區魚類重金屬含量分布特征為Zn>Cu>Pb>Cd, 以上研究都與本文研究發現必需微量元素含量(Zn、Cu)>非必需微量元素含量(Pb、Cd)的結果一致。可能是因為Zn、Cu是生物體的必需微量元素, 生物體對其存在自動吸附的過程, 從而導致魚類肌肉中Zn、Cu的含量大于Pb、Cd的含量。本文研究發現鯉、鳙、鰱、草魚、青魚、鳊6種魚中Zn、Cu和Pb的含量略低于長江流域6種魚中的含量(4.47—25.7、0.86—2.26、0.05—0.56 mg/kg), Cd的含量與長江流域6種魚中的含量(0.0047—0.12 mg/kg)基本一致[16]。

表 3 魚肉中重金屬中的THQTab.3 The individual and combined heavy metal THQ in muscle

吳城鄱陽湖自然保護區6種魚(鯉、鳙、鰱、草魚、青魚、鳊)肌肉中Cu、Zn、Pb、Cd四種重金屬元素的含量均符合中華人民共和國農業部發布的行業標準和澳大利亞國家衛生和醫學研究理事會制定的人體消費衛生標準。從吳城鄱陽湖自然保護區鯉中攝入單一重金屬的THQ值大小為: Pb>Cu>Zn>Cd; 從其他5種魚肉中攝入單一重金屬的THQ值大小為: Pb>Zn>Cu>Cd, 說明Pb產生的風險最高, Cd產生的風險最低。

表 4 重金屬在魚體各器官中的分布Tab.4 The distribution of heavy metals in different organs of several fish species (mean±SD) (mg/kg, wet weight)

Zn在6種魚中的含量明顯高于其他3種元素, 這與蔡深文等[10]和Ploetz等[17]的研究結果一致。Zn是生物體必需的微量元素, 其在生物體內具有重要的功能, 不僅參與生物體內的多種代謝過程, 還是許多酶的組成成分或激活劑[18]。Cu在6種魚中的含量僅次于Zn, 可能是因為Cu在生物體內的主要作用是進行氧化還原反應, 在生物系統中起著獨特的催化劑, 其不僅參與造血過程中銅及鐵的代謝, 同時還參與一些酶的合成和黑色素合成[19]。因此, 生物體必需元素(Zn、Cu)比非必需元素(Pb、Cd)更易于被生物主動吸收。另外, 有研究發現, 鄱陽湖水體、底泥中重金屬Cu、Zn含量明顯高于Pb、Cd的含量[20,21]。由于以上原因使得魚類暴露在這樣的環境中, 通過其生理作用將重金屬累積到體內, 進而導致魚體內重金屬Zn、Cu的含量高于Pb、Cd。Cu在肝臟及心臟中的含量最高, 這與田林鋒等人的發現一致[19]。Cd主要富集在6種魚的肝臟中, 這一方面可能是因為肝臟是動物體的主要解毒器官。另一方面, 肝臟可通過抗氧化系統酶活性的誘導來進行自我保護, 通過抑制相關代謝酶的活性, 從而使代謝物積累在肝臟中[22,23]。Pb在6種魚肝臟中的富集含量最低, 主要是因為肝臟中的金屬硫蛋白含量不受Pb的誘導, Pb不能以與金屬硫蛋白結合的形式存在肝臟中, 從而導致其在肝臟中Pb的含量低[24,25]。本研究還發現Cu、Pb、Cd三種重金屬元素在底棲性魚類中的含量高于生活在上層和中層的魚類。

綜上可知, 吳城鄱陽湖自然保護區6種魚中的重金屬含量均在安全范圍內。不同魚類各部位富集重金屬的能力存在明顯差異, Cd在肝臟中的富集含量最高, Cu在肝臟及心臟中的含量最高, Pb在肝臟中的富集含量最低, Zn在同一種魚的各器官含量差異不明顯, 且總體含量要高于其他3種元素。目標危險系數(THQ)分析結果表明, Pb導致的健康風險最高, Cd最低, 單一重金屬THQ值和復合重金屬TTHQ值均小于1, 說明吳城鄱陽湖自然保護區魚類重金屬不會對消費者健康產生潛在危害。

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HEAVY METAL CONTENT AND SAFETY EVALUATION OF FISHES NATURE RESERVE IN WUCHENG SECTION OF POYANG LAKE, CHINA

TU Zong-Cai1,2, PANG Juan-Juan1, ZHENG Ting-Ting1, TANG Ping-Ping1, WANG Hui2, ZHANG Lu1, SHA Xiao-Mei1and CHEN Xue-Lan1
(1.Key Laboratory of Functional Small Organic Molecule, Ministry of Education, College of Life Science, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China; 2.State Key Laboratory of Food Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330047, China)

To assess the heavy metal pollution of fishes from nature reserve Wucheng section of Poyang Lake in China, concentrations of Cu, Zn, Pb and Cd in the tissues (e.g., heart, liver, gill and muscle) of six fish species (carp, bighead carp, white semiknife carp, grass carp, black carp and bream) from nature reserve Wucheng section of Poyang Lake were analyzed.The health risk of heavy metal pollution was assessed with Target Hazard Quotient.The results showed that different tissues accumulated diverse metal levels.The highest Cd content was detected in liver, and the highest Cu concentration was found in livers and hearts, and the lowest Pb was observed in liver, Zn level is higher than other three heavy metals in all four tested tissues.The levels of Cu, Zn, Pb and Cd in muscle of all fish species were significantly lower than those of the proposed limits based on domestic and international standards.The THQ analysis indicated that Pb has the highest health risk, whereas Cd shows the least risk.Both THQ and TTHQ values of four metals were less than 1.Therefore, the heavy metal in the fish of nature reserve Wucheng section of Poyang Lake has no potential risk for consumers.

Nature reserve in Wucheng section of Poyang Lake; Freshwater fish; Heavy metal; Accumulation; Safety evaluation

X174

A

1000-3207(2017)04-0878-06

10.7541/2017.109

2016-08-26;

2016-11-17

江西省重大生態安全問題監控協同創新中心資助項目(No.JXS-EW-00); 江西省現代農業產業技術體系建設專項資金(JXARS-03)資助 [Supported by Collaborative Innovation Center for the Major Ecological Security Issues of Jiangxi Province and Monitoring Implementation (No.JXS-EW-00); Earmarked Fund for Jiangxi Agriculture Research System (JXARS-03)]

涂宗財(1965—), 男, 博士, 教授; 主要從事綠色食物資源的高值化利用。E-mail: tuzc_mail@aliyun.com