水產品中重金屬異質性導致的風險

曹歡，胡鈺梅，潘迎捷,2,3，趙勇,2,3,#，劉海泉,2,3,4,*

1. 上海海洋大學食品學院，上海 201306 2. 上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海 201306 3. 農業農村部水產品貯藏保鮮質量安全風險評估實驗室(上海)，上海 201306 4. 上海海洋大學食品熱加工工程技術研究中心，上海 201306

我國海洋面積廣闊，淡水資源豐富，養殖歷史悠久，水產種類繁多。人們對水產品需求的日益增加促進了水產養殖規模的擴大，水產品的質量與安全受到重點關注。目前，農藥、獸藥和重金屬等化學性污染物在水體中殘留，被水生動植物富集后，通過食物鏈轉移至人體內，導致一些公害性疾病的發生，對人體健康造成危害[1]。重金屬因具有高毒性、生物蓄積性和難降解性，即使含量未超過標準也會引起不利的環境影響和潛在的人體健康風險[2]，所以水產品中重金屬的污染成為食品安全領域的研究重點之一。

重金屬含量決定著其對人體健康是否有風險以及風險的高低，現行的我國國家標準中的限值均為重金屬總含量。通過查閱文獻統計了中國6個地區市售水產品中砷、汞、鎘和鉛4種重金屬總量的平均值，并通過單因子污染指數(Pi)進行評估。對于水生生物重金屬污染，目前并未有明確的等級劃分，參照白艷艷等[3]對廈門市售水產動物重金屬污染狀況評價時所用標準：當Pi<0.2時,表明重金屬濃度處于正常的背景值范圍內；0.2≤Pi≤0.6時,表明處于輕污染水平；0.6

重金屬形態異質性指不同形態的重金屬會對人體健康造成不同的風險。一種重金屬有多種價態，不同價態的重金屬會與其他元素生成不同的化合物，在諸多環境因素和微生物的作用下，不同形態的重金屬又會在生物體內轉化，而不同形態的重金屬對生物體的危害不同，導致依據重金屬總量不能準確地評估重金屬對環境和生物的污染。目前對水產品中重金屬具體形態未有明確的限量標準，所以不能用單因子污染指數、個體每日暴露量等方法進行健康風險評估，因這些方法可能低估重金屬的膳食風險。本文討論了砷、汞、鎘和鉛4種水產品中常見重金屬的不同形態對人體健康造成的危害，提出應重視水產品及其他食品中重金屬形態異質性的研究，以期為水產品中重金屬膳食風險評估提供參考。

1 重金屬形態異質性(Speciation heterogeneity of heavy metals)

1.1 砷形態異質性

砷是一種類金屬元素，普遍存在于土壤、水體和生物體中，是一種毒性較高的重金屬污染元素。由于砷的生物利用度和生物蓄積性高，并可從水生食物鏈底部轉移到較高營養級生物中，故備受關注[10]。砷作為人體必需的礦物質之一，約有90%來自水產品[11]，水產品的攝入成為人體接觸砷元素的主要途徑之一。有機砷農藥、獸藥的大量使用，使水體中砷濃度提高，在環境因素和微生物作用下，水體中砷形態多樣，這導致嚴重的環境污染問題和潛在的人體健康風險。

砷在自然界中多以化合物的形式存在，化合態的砷有兩大類，一類是以離子共價鍵結合形成的無機砷，如亞砷酸鹽(AsⅢ)、砷酸鹽(AsⅤ)；另一類化合物是以原子共價鍵結合形成的有機砷，如一甲基砷酸(MMA)、二甲基砷酸(DMA)、砷甜菜堿(AsB)和砷膽堿(AsC)等。砷在水產品中的常見存在形態如表2所示。顏惠芬等[12]選取了海南省農貿市場上具有代表性的海水魚、淡水魚、海水蝦、海水蟹、貝類及其他水產品，測定AsⅤ、AsⅢ、MMA、DMA和AsB這5種砷形態的含量，結果表明，6種水產品中AsB的含量最高,MMA和DMA含量均≤0.07 mg·kg-1，無機砷含量很低且都在限值要求范圍內。趙艷芳等[13]測量蝦蛄中砷形態及含量，結果顯示有機砷AsB是蝦蛄中砷的主要形態，占總砷的75.0%～95.7%，平均值為88.1%，無機砷含量較低，占總砷的1.71%～6.14%。所以，有機砷中AsB是水產品中砷存在的主要形式。

表1 中國不同地區砷、汞、鎘和鉛的單因子污染指數(Pi)Table 1 The single factor pollution index (Pi) of arsenic, mercury, cadmium and lead in different regions of China

表2 水產品中常見的砷、汞、鎘和鉛化合物形態及其毒性評價Table 2 Morphology and toxicity evaluation of common arsenic, mercury, cadmium and lead compounds in aquatic products

國際癌癥研究中心確認無機砷及其化合物為Ⅰ級致癌物質，MMA和DMA被歸為潛在的致癌物質[14]，可知，砷的毒性效應與賦存形態密切相關。一般來說，無機砷的毒性比有機砷高。以砷化合物的半致死量LD50(mg·kg-1)計，其毒性由大到小依次為AsⅢ﹥AsⅤ﹥MMAⅤ﹥DMAⅤ﹥AsC﹥AsB，砷與有機基團結合越多，其毒性越小[15-16]。無機砷包括三價砷和五價砷，三價砷比五價砷毒性高[17]，三價砷可以與細胞大分子的巰基發生反應，生成酶抑制劑，從而影響機體的正常新陳代謝；五價砷因與磷的理化性質相似，可以代替磷酸作為酶的激活劑，使磷酸化偶聯反應無法正常進行，從而產生毒性[18]。無機砷在人體內的普遍代謝途徑如圖1所示[19]，五價砷與人體內的谷胱甘肽(GSH)反應生成三價砷，然后在甲基轉移酶的催化下以S-腺苷甲硫砷酸(SAM)為甲基供體進行甲基化，轉化為MMA、DMA，最后以五價的DMA形態代謝出體外。研究人員發現在人體腸道微生物的作用下，21 h之內最多可將50%的無機砷轉化為MMAⅤ和DMAⅤ[20]。此外，人體內的營養因子與無機砷的甲基化也有一定的關系[21-22]，體內葉酸含量的增加可以促進總砷轉化為DMA，使尿液中的DMA含量增加，從而降低無機砷的危害。MMA和DMA二者的毒性相比于無機砷弱，但也會導致巨核細胞凋亡，在酶的作用下會脫甲基形成自由基，促使脂質氧化，損害膜細胞[18]；AsC無毒，不穩定，易氧化為AsB，還可以分解為MMA、DMA；AsB是水產品中砷存在的主要形式，無毒[23]，進入人體后可以迅速被排泄；砷脂是一類脂溶性的含砷化合物，包括含砷糖類、含砷脂肪酸、砷糖磷脂和三甲基砷酸離子脂肪醇，多見于魚油和脂肪型魚類[24]，砷糖[25]、含砷脂肪酸[26]及其中間代謝產物在細胞培養中顯示出細胞毒性。

現如今對于水產品中重金屬砷的研究較多，但砷的化合物形態眾多，其在人體內的轉化代謝還未有系統性的理論研究，不同的代謝途徑會產生具有不同毒性的代謝產物，且對于砷的具體形態檢測只停留于實驗研究階段，市場上水產品的砷含量檢測還是以總砷和無機砷的含量為標準。所以今后對于水產品以及其他食品中砷的研究，不僅需要對其具體形態進行定性與定量，還需要對不同形態砷的代謝途徑進行詳細的研究。

1.2 汞形態異質性

汞是一種在室溫下能以液體狀態存在的金屬元素，是環境中毒性最強的金屬元素之一，主要來源于恒溫裝置、溫度計、牙科用汞合金以及乳膠涂料。環境中的汞通過自然或人為活動進入水體，被水生動植物吸收富集，然后通過食物鏈轉移至人體內，從而對人體健康產生潛在的風險。汞的存在形態主要有元素汞(Hg0)、無機汞(Hg及其化合物)和有機汞(甲基汞(MeHg)和乙基汞(EtHg))。不同形態的汞具有不同的毒性。元素汞通過消化道進入人體后，可以擴散進入血液，并通過腦血屏障進入腦組織，對腦部造成損傷[27]；無機汞對人體腎臟會造成損傷，劑量過高，會致死[28]；有機汞可以在人體內的肝腎富集，部分進入腦組織中，使大腦皮層、小腦和末梢神經造成損傷，低劑量也會導致嚴重危害。其中，甲基汞的毒性最強[29]，甲基汞對生理功能有嚴重的影響，可導致人體發生急性胃炎中毒和神經衰弱，嚴重時會損傷人體腎臟[30]。但汞的毒理機制尚未清楚，還需要進一步詳細研究。

圖1 無機砷在體內的普遍代謝途徑注：GSH表示谷胱甘肽；MMA表示一甲基砷酸；DMA表示二甲基砷酸；SAM表示S-腺苷甲硫氨酸。Fig. 1 General metabolic pathway of inorganic arsenic in vivoNote: GSH stands for glutathione; MMA stands for monomethyl arsenic acid; DMA stands for dimethyl arsenic acid; SAM stands for S-adenosylmethionine.

水產品中汞的存在形態主要是甲基汞[31]，因為在水體中微生物的作用下，任何形態的汞都可以甲基化。李子君[32]測定了市售水產品中的汞，發現魚類和貝類中甲基汞的檢出率為72%；Zhang等[33]研究發現海魚中甲基汞的富集濃度比淡水魚和貝類高；童銀棟等[34]發現甲基汞更容易在水產品中富集。因為日本的水俁病，許多國家對水產品中甲基汞高度重視，歐盟立法要求測定水產品中汞的具體形態及含量，中國對水產品中甲基汞的限量值為0.5 mg·kg-1，其中規定肉食性魚類中甲基汞限量值為1.0 mg·kg-1。目前國標(GB/T5009.17—2003)中測定水產品中總汞和甲基汞含量主要是通過帶有電子捕獲器的氣相色譜儀，但該方法只能檢測出極性較強的甲基汞，需要進行多步萃取才能獲得純凈的甲基汞苯溶液，操作也比較繁瑣[35]，所以市場上水產品中重金屬汞的檢測還是以總汞的含量為標準。

1.3 鎘形態異質性

鎘是一種非生物所需的重金屬元素，毒性高，在生物體內降解速度緩慢，生物半衰期可長達10 a以上[36]，易被人體消化道吸收并在體內富集，水生生物中貝類的鎘富集度比魚類高[37]。環境中鎘的含量很少，主要是印染、電池和電鍍等工業污染造成水體中鎘離子濃度提高，然后富集在水生動植物中的鎘沿著食物鏈逐級往上傳遞，不斷地在生物體內濃縮放大，當累積到一定濃度時就會對生物體產生毒性效應，從而危害生物體健康，影響其正常發育和代謝平衡[38]。生物體內的鎘主要以有機鎘和無機鎘2種形態存在，進入生物體內的鎘離子與蛋白質、有機酸等結合形成較穩定的有機鎘[39]，只有少部分以無機態離子存在[40]，所以水產品中有機鎘占主要地位。趙艷芳等[41]采用體積排阻高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜聯用技術(SEC-HPLC-ICP-MS)檢測到紫菜中3種鎘的形態均為有機態鎘；同法測定了扇貝、菲律賓蛤仔、三疣梭子蟹和蝦蛄可食用組織中鎘的形態，也均是有機態的鎘[42-43]。Rodríguez-Cea等[44]使用液相色譜結合ICP-MS研究了2種海水魚中的鎘形態，發現鎘僅與巴西假單胞菌中的一種金屬硫蛋白亞型結合，這表明鎘在不同的海魚中可能具有不同的形式。因檢測方法以及樣品前處理方法的不完善，關于鎘的具體形態研究很少，有關水產動植物體內不同組織器官中有機鎘和無機鎘所占比例的研究更是少之又少，所以應該加強對水產品中鎘形態及其毒理機制的研究。

鎘對人體的肺、肝、腎、骨、心血管系統、泌尿生殖系統、免疫系統和神經系統(聽覺系統)等都會造成損傷[45-46]。有學者認為在動物體內，相較于無機鎘，有機鎘的毒性較弱[47]。Zhu等[38]采用體外生理學提取試驗和小鼠急性毒性試驗研究了不同形態鎘的生物毒性，發現相比于無機態的氯化鎘，有機態的谷胱甘肽鎘和金屬硫蛋白鎘對肝腎的抗氧化系統造成的損害較小，且不同形態鎘的生物利用度存在著明顯的差異，氯化鎘的生物利用度最高，谷胱甘肽鎘和金屬硫蛋白鎘的生物利用度相對較低。林忠寧等[48]研究了有機鎘化合物對體液免疫功能的影響，選擇了有機鎘金屬硫蛋白鎘和無機鎘氯化鎘2種不同形態的鎘，研究結果顯示，有機鎘可以抑制體液免疫功能，但明顯要弱于無機鎘的作用。Barrouillet等[49]采用體外實驗方法研究了2種不同形態的無機鎘(氯化鎘和硫酸鎘)對豬腎細胞的毒性，發現2種不同形態的無機鎘沒有明顯的毒性差異。但對于不同形態鎘的毒性研究并無統一準確的結論，所以鎘的形態異質性還需進一步研究。

1.4 鉛形態異質性

鉛是一種無生物學功能的重金屬，是人類利用最早的金屬之一，在土壤中分布廣泛。隨著工業的迅速發展，過量的鉛排放造成土壤污染，同時，水體中的鉛濃度不斷提高，從而對水生動植物產生影響。鉛在生物體中具有高蓄積性，水生動植物中的鉛會隨著食物鏈進入人體并在人體內蓄積，能夠對人體任何器官產生不利影響，且會影響人的神經系統、心血管系統、生殖系統和泌尿系統[50-51]。鉛的毒性除了與其濃度有關，還與其存在形態密切相關。鉛主要有3種價態：+4價、+2價以及0價，這些不同價態的鉛與其他元素組成不同的化合物，有些化合物不穩定，無法在自然界中長久存在，例如PbO2。目前常見的鉛形態是有機態的烷基鉛和苯基鉛。烷基鉛主要包括四甲基鉛和四乙基鉛，但由于這2種化合物不能穩定存在，易被分解為三甲基鉛、三乙基鉛、二乙基鉛以及二甲基鉛等，最后降解為無機鉛。

水產品中鉛主要是無機鉛。He等[52]對我國福建沿海地區的海產品進行分析，發現有一半海產品樣品中只含有無機鉛，另一半樣品中含有無機鉛和有機鉛中的三甲基鉛，且海水魚類中的三甲基鉛含量最高，約是蝦貝類的3倍，三甲基鉛的含量均低于國家標準的最大允許限量。王淑霞等[53]采用毛細管電泳-電感耦合等離子體質譜法測定藻類中3種不同形態的鉛化合物，實驗結果表明，海帶和紫菜樣品中的鉛形態主要是無機態的氯化鉛，基本不含有有機態的氯化三甲基鉛和氯化三乙基鉛，可能是因為藻類細胞壁上含有大量能夠與無機鉛結合的官能團，可以充分吸收無機鉛。李杰等[54]采用HPLC-ICP-MS檢測了桂魚、草魚、黃鱔和河蟹等常見水產品中鉛形態，都未檢測出有機態的三甲基鉛和三乙基鉛。因為水產品不是鉛的主要暴露來源，所以關于水產品中鉛的檢測多集中于鉛總量，對于形態的檢測研究很少。

鉛對生物體內的神經、血液、腎臟、生殖系統和免疫系統都會造成損傷，其主要中毒機理是干擾細胞信號的傳遞，阻礙神經細胞的活動，抑制酶的生理活動[55]。鉛的形態主要是有機鉛和無機鉛，研究證明，相較于無機鉛，有機鉛的毒性強，其中，三乙基鉛和四乙基鉛的毒性是無機鉛毒性的10倍～100倍[56]。四乙基鉛會抑制膽堿酯酶的活性，輕者使大腦某些功能失調，重者損傷神經細胞，造成彌漫性腦損傷和腦水腫；四乙基鉛在肝臟中會轉化為三乙基鉛，會阻礙大腦中供能物質葡萄糖的氧化[57-58]。所以，為了更加準確地評估物質的毒性風險，對鉛的形態分析十分必要。

2 重金屬形態轉化異質性(Speciation transformation heterogeneity of heavy metals)

目前，對市場上水產品中重金屬的風險評估主要依據新鮮水產品的檢測結果，但在中國，水產品主要通過蒸煮、油炸和烹炒等烹飪方式制成熟食后食用。在烹飪過程中，溫度、時間和傳熱介質等條件不僅會改變水產品中營養物質，還會影響水產品中重金屬的含量。研究表明，烹飪處理后重金屬總量增加或減少通常與水分、蛋白質、脂肪和碳水化合物的損失有關。但有研究者發現，水產品種類也可能影響烹飪方法引起的變化。Perugini等[60]研究發現，煮沸后歐洲鱈魚中總汞濃度沒有增加，而煮沸后挪威龍蝦中總汞濃度明顯增加，其原因可能是魚中汞與蛋白質結合，一般的烹飪溫度未能使蛋白質變性，仍與汞結合，所以未能檢測出；蝦中的汞會與蝦青素相結合，蝦青素遇熱變性，使與之結合的汞更容易被檢測出。

同時，烹飪方式也會影響重金屬的形態轉化。砷在水產品中賦存形態豐富，且研究較多。現有的研究已證明，水產品在烘烤后(150 ℃以上)，有機砷中無毒的AsB能分解為有毒的四甲基砷離子(TMA+)。對于AsB、MMA和DMA等砷的常見形態，有研究表明，一些海產品在烹飪后(炸、烤、煎)AsB、DMA、MMA和TMA+濃度會明顯提高[61]；雙殼貝和魷魚中無機砷濃度在烹飪后會升高[62]。Schmidt等[63]采用LC-ICP-MS/MS分析方法，評價烹調處理(煮沸、油炸)對黑鰭鯊和亞洲虎蝦中砷形態的影響，發現在任何烹飪處理中都沒有觀察到砷形態之間的相互轉換；Chi等[64]研究發現，煮沸和油炸對蝦中砷形態轉化無任何影響，所以在低溫和短時間的烹飪處理下，砷形態不會有轉化。對于其他重金屬，甲基汞在烹飪前后無任何改變[65]，而其他形態的汞以及不同形態的鉛、鎘都未有研究。目前，關于烹飪后水產品中重金屬的研究大多是海產品，關于淡水水產品的研究很少，且對于烹飪方法對重金屬形態之間的轉化影響還未闡明。所以要加強烹飪后淡水水產品中重金屬總量及其形態變化的研究。

3 重金屬的代謝規律(Metabolic law of heavy metals)

通常情況下，水產品中的重金屬通過食物鏈轉移到人體內，大部分重金屬會通過腎臟被排出體外，代謝規律如圖2所示。重金屬會和食物及消化液中的蛋白質及多肽類結合，或與陰離子反應生成沉淀，大部分通過糞便排出體外，且不被人體吸收；部分重金屬會被人體吸收，與血漿蛋白結合，有些會在肝臟中分解并通過膽汁排出，有些會在腎小管中通過尿液排出。同時會有少量的重金屬進入血液中，與體內的酶結合，使酶喪失正常功能，從而破壞正常的生理代謝，或者讓蛋白質改性，且進入血液中的重金屬會在人體內富集，很難代謝排出。由于不同形態的重金屬化學性質不同，其吸收、分布和代謝能力也不盡相同，有的形態易于排出體內，有的易于富集在機體內，在表3中統計了砷、汞、鎘和鉛4種重金屬不同形態在機體內的吸收代謝情況[66]。此外，重金屬化合物在經過胃腸道時，會在腸道菌群的影響下，進行形態之間的轉化。Harrington等[67]接種人類糞便中微生物來研究AsB的轉化情況，發現在有氧條件下，AsB可以轉化為DMA等化合物，在無氧條件下，AsB沒有降解。腸道菌群對重金屬形態的轉化是一個很復雜的過程，至今未有明確的說法，所以在將來的研究中，微生物對重金屬形態轉化的影響是一個研究重點。

4 展望(Prospect)

水產品在加工過程中，不同的加工條件會使重金屬的形態發生改變，可能會導致重金屬從無毒形態轉化為有毒形態，提高水產品中重金屬的風險；在人體消化過程中，胃腸道消化液會使重金屬溶解吸收，腸道微生物可能會使重金屬的形態發生改變，導致風險提高。所以，在今后的研究中，不僅要加強重金屬的形態研究，還要了解重金屬在加工過程和機體代謝過程中形態轉化機制，以及不同形態重金屬的毒理機制。目前，隨著科學技術的進步，重金屬檢測技術越來越發達，有關形態檢測的技術越來越精密，但需要克服的困難也越來越多，包括樣品的前處理太過復雜、前處理不當導致樣品中重金屬形態改變、對儀器要求嚴格等。重金屬種類眾多，形態多樣，價態之間的轉化復雜，使得重金屬的形態研究無法快速進步。所以，對于今后的重金屬形態異質性研究來說，繼續開發高精準的重金屬形態分析方法是必不可少的，現有的各種聯用技術能夠很好地將重金屬的形態分離和檢測步驟聯合在一起，但要優化分析策略以及樣品的前處理方法，繼續深入研究分離富集和檢測技術，提高聯用技術水平，使各形態的重金屬在得到較好分離的基礎上能夠達到超痕量分析的要求。重視對鎘、鉛等其他水產品中含量較少的重金屬形態異質性的研究及其不同形態的毒理研究，努力開發快速、便攜的現場檢測技術，以便滿足我國不同類別食品質量安全檢測和風險評估需求。

圖2 重金屬在機體內的代謝規律Fig. 2 Metabolism of heavy metals in the body

表3 不同形態的重金屬化合物在機體內的吸收代謝Table 3 Absorption and metabolism of different forms of heavy metal compounds in the body