大洋魷魚體內重金屬富集特征及健康風險評估

陶玲，吳強，李鐵軍，楊承虎，謝婧倩,*

1.上海海洋大學海洋生態與環境學院，上海 201306

2.浙江省海洋水產研究所，舟山 316021

重金屬在環境中難以降解，具有較長的半衰期，能夠通過各種途徑進入生物體與酶等蛋白質結合[1]。在濃度很低的情況下就可以產生毒性作用[2]。海洋是人類社會發展的寶貴財富，相關資料顯示全球88%的生物生產力來自海洋[3]。越來越多的研究指出遠洋生物已被重金屬污染[3-5]。人類通過攝食海產品間接受到重金屬的危害。進而產生潛在的致癌、致畸、致突變風險[6]。重金屬導致的食用安全問題，已引起人們的高度關注。

魷魚在全世界大洋中的總資源量約4.20×108～6.50×108t[7]，是我國遠洋漁業的兩大主要品種(魷魚、金槍魚)之一。魷魚生長迅速，富含蛋白質、牛磺酸、鈣、磷和鐵等營養物質，被廣泛食用。不僅如此，魷魚在海洋食物網中起著承上啟下的作用，對維系海洋生態系統平衡具有重要的作用。然而，近年來已有研究表明食用魷魚可能帶來健康風險。如馬來西亞Kedah-Perlis沿岸魷魚墨囊、頭部及肌肉中已檢出鎘(Cd)和鉛(Pb)超標[8]。在中國南海采集的鳶烏賊組織中同樣檢出Cd超標[9]。總體而言，目前研究缺少對全球海域魷魚體內重金屬富集差異及健康風險的關注。

本研究在全球范圍內魷魚生長較多的三大海區：西北太平洋、東南太平洋和印度洋采集了樣品，分析魷魚不同組織中重金屬元素鉻(Cr)、砷(As)、Cd、Pb和汞(Hg)的富集程度，探討元素間的相互關系以及在不同海域的分布特征。運用單因子污染指數(single factor index,SFI)、金屬污染指數法(metal pollution index,MPI)評價魷魚重金屬污染水平和食用質量水平。在此基礎上利用目標危害系數法(target hazard quotients,THQ)評估人體攝入健康風險。并利用蒙特卡洛分析計算3片海域魷魚的最大攝入量。本研究為探明全球海域魷魚體內重金屬富集特征及其健康風險評估提供了理論依據，為海產品質量標準制定提供理論基礎數據。同時為沿岸居民魷魚攝食提供了參考依據。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 樣品采集

2017—2018年利用燈光圍捕法采集北太平洋褶柔魚(Todarodespacificus，n=18)，東南太平洋美洲大赤魷(Dosidicusgigas，n=36)和印度洋鳶烏賊(Symplectoteuthisoualaniensis，n=18)樣品，每個采樣區域設置6個采樣點(表1和圖1)。捕獲的3種魷魚均屬于柔魚科，在生活特性上具有較大的相似性(表2)[10-12]，因此認為這3種魷魚在富集重金屬水平上不存在明顯的種間差異，可視為同類進行比較。魷魚運送至實驗室后，在-20 ℃下保存至實驗分析。

表1 站位點信息Table 1 Sampling locations

圖1 采樣點分布示意圖Fig. 1 Sketch map of the sampling sites

表2 3種魷魚的生活習性Table 2 The habits of three squid

1.2 樣品預處理和測定方法

1.2.1 魷魚樣品處理

魷魚樣品在解剖之前，全部進行解凍。樣品用去離子水洗凈、使用不銹鋼刀分離出肌肉、胃和肝臟組織并稱量質量。所有組織樣品在處理后都立即冷凍干燥保存。

1.2.2 金屬含量測定

魷魚樣品中Hg的測定：取0.03 g樣品(干質量)，置于測汞儀(DMA-80，Milestone，意大利)進行檢測。測試條件如表3所示。

表3 測汞儀DMA- 80的工作條件Table 3 Direct mercury analyzer DMA 80 operation parameters

Cr、As、Cd和Pb的測定：取魷魚樣品0.10 g置于聚四氟乙烯消解管中，向消解管中加入HNO3(Trace Metal，賽默飛)∶H2O2(優級純，國藥集團化學試劑有限公司，中國)=4∶2(V/V)的混合溶液6 mL，搖勻擰緊后放入全自動微波消解儀(ETHOSUP，萊伯泰科，北京，中國)中進行消解，待消化液冷卻后移入50 mL離心管中，以超純水定容至50 mL，采用電感耦合等離子體質譜(ICP-MS，Agilent 7900a，美國)分析測定儀測定其含量，測試條件如表4所示。

表4 電感耦合等離子體質譜分析儀工作條件Table 4 ICP-MS operation parameters

1.3 質量控制

Cr、As、Cd、Pb和Hg的檢出限分別為0.05、2.00×10-3、2.00×10-3、0.02和1.00×10-3μg·g-1，定量限分別是0.20、5.00×10-3、5.00×10-3、0.05和3.00×10-3μg·g-1。各元素的標準曲線范圍如表5所示，由于As與Cd的濃度較高，超出標線范圍，文中的濃度數據為樣品稀釋10倍后再換算得出，未超過標線范圍的Cr和Pb為未稀釋樣品測得的數據。

表5 各元素的標準曲線Table 5 The standard curve of each element

1.4 魷魚重金屬污染水平評價

魷魚肌肉重金屬污染評價依據《海洋生物質量》(GB 18421—2001，表6)，采用單因子污染指數法(single factor index,SFI)和金屬污染指數法(metal pollution index,MPI)[13-14]對3片海域魷魚的污染程度和重金屬富集能力差異進行評估。

表6 海洋生物質量標準值Table 6 Standard concentrations of 5 elements in marine organisms (mg·kg-1)

單因子污染指數法：SFI=Ci/Si

(1)

式中，SFI表示重金屬i污染指數；Ci表示生物體實測重金屬i含量(mg·kg-1，鮮質量)，Si為重金屬i的評價標準值(mg·kg-1，鮮質量)，按照國家食品衛生標準值(GB 2762—2012、GB 13106—1991)，Pb、Cd、Cr、As和Hg的標準值分別為0.5、0.1、2.0、0.5和0.05 mg·kg-1。SFI的評價標準如表7所示[15]。

表7 單因子污染指數法(SFI)的污染標準Table 7 The single factor index (SFI) value with the corresponding pollution criteria

(2)

式中：Cn為樣品中第n種重金屬的濃度(mg·kg-1，鮮質量)；n為評價元素個數，MPI的評價標準如表8所示。

表8 金屬污染指數法(MPI)的污染標準Table 8 The metal pollution index (MPI) value with the corresponding pollution criteria

1.5 重金屬暴露健康風險評估

1.5.1 每日估計攝入量(EDI)

由于目前缺少魷魚的日平均攝入量數據，魷魚在頭足類中占有較高的食用比例，故本研究使用頭足類日平均攝入量近似替代魷魚的日平均攝入量[16]。根據頭足類中重金屬的濃度和頭足類的每日消費量計算出這5種重金屬的每日攝入量(estimated daily intake,EDI)[17-18]，計算公式如下。

(3)

式中：Ci和FIR分別表示重金屬濃度(mg·kg-1)和頭足類日平均攝取率(g·d-1)，BW指平均體重(成人平均體質量70 kg)[19]。聯合國糧農組織(FAO)調查數據顯示，在西北太平洋、東南太平洋和印度洋地區，頭足類的平均日消費量分別為4.10、2.50和2.40 g·d-1。

1.5.2 非致癌風險評價(THQ)

單一重金屬危害系數(the target hazard quotient,THQ)是比較污染物攝入與標準參考劑量的綜合風險指標，常用于重金屬的非致癌風險評價[20]。當THQ<1時，認為暴露人群無明顯健康風險；當THQ≥1時，則暴露人群存在健康風險。計算公式如下：

(4)

式中：EF為暴露頻率(365 d·a-1)；ED為平均暴露時間(70 a)；AT為平均曝光時間(d)；RfD為金屬的參考口服劑量(mg·kg-1·d-1)，RfD分別為1.50(Cr)、3.00×10-4(As)、3.00×10-3(Cd)、3.50×10-3(Pb)和5×10-4(Hg) mg·kg-1·d-1；AT=ED×365(d)[20-21]。鑒于魷魚體內重金屬的混合疊加效應，常用危害指數(HI)綜合評估各種重金屬對人體健康造成的風險[22]。同樣，HI值≥1表示重金屬對人體有潛在的危害。否則，風險可以忽略不計。HI計算公式如下：

HI=∑THQ=THQCr+THQAs+THQPb+THQCd+THQHg

(5)

1.6 數據分析

數據整理利用Excel 2010完成，采用Ocean Data View進行采樣點繪制，皮爾森相關性、主成分分析等繪圖利用Origin 2019b完成，利用R(V.4.0.3)軟件進行蒙特卡洛分析。

2 結果(Results)

2.1 大洋魷魚重金屬富集特征

魷魚體內5種重金屬元素Cr、As、Cd、Pb和Hg濃度如圖2所示，含量分別為nd～0.68、0.14～14.88、nd～247.80、nd～1.46和3.00×10-3～0.15 μg·g-1。Cd和As的濃度明顯高于其他3種重金屬。組織間表現出消化腺>胃>肌肉的趨勢，主要是因為消化腺含有大量的蛋白質，重金屬與酶上的巰基能發生大量的結合[23-24]。

圖2 魷魚體內重金屬濃度注：灰色代表西北太平洋，紅色代表東南太平洋，藍色代表印度洋。Fig.2 Concentrations of heavy metals in squidsNote:Grey represents Northwest Pacific,red represents Southeast Pacific,and blue represents Indian Ocean.

魷魚重金屬富集特征還與生活的海域有關。Cr在區域間呈現西北太平洋(肌肉：0.15～0.53 μg·g-1，胃：0.12～0.50 μg·g-1，消化腺：0.07～0.25 μg·g-1)>東南太平洋(肌肉：0.08～0.12 μg·g-1，胃：0.10～0.17 μg·g-1，消化腺：0.08～0.19 μg·g-1)>印度洋(肌肉：0.06～0.16 μg·g-1，胃：0.06～0.68 μg·g-1，消化腺：0.03～0.16 μg·g-1)。Pb則呈現西北太平洋>印度洋>東南太平洋的趨勢。另外，據Dorneles等[25]研究發現，生物碎屑可以釋放Cd至環境，魷魚可以通過攝食生物碎屑間接提高體內Cd含量。有研究表明Cd易富集在上升流表層區域[26]，魷魚生活在水深100 m左右，夜晚至水表層活動，為其攝入Cd提供了良好的條件。魷魚組織中Cd濃度呈現出印度洋(肌肉：0.83～2.91 μg·g-1，胃：2.25～15.37 μg·g-1，消化腺：118.72～247.80 μg·g-1)>東南太平洋(肌肉：0.24～0.80 μg·g-1，胃：1.54～10.34 μg·g-1，消化腺：59.75～93.99 μg·g-1)>西北太平洋(肌肉：0.07～0.49 μg·g-1，胃：0.11～0.57 μg·g-1，消化腺：23.94～43.69 μg·g-1)的趨勢，該3塊區域中印度洋存在1塊季節性上升流區域，東南太平洋擁有赤道上升流[27]，使得這2塊海域擁有更多的Cd元素，魷魚體內表現出富Cd現象。除此以外，As也表現出了海域差異性，印度洋>東南太平洋>西北太平洋。根據《全國海岸帶和灘涂資源綜合調查簡明規程》中軟體類生物質量標準(表9)，Cd和As的含量均超過標準，需要引起重視。此外，Hg的濃度呈現西北太平洋(肌肉：0.04～0.52 μg·g-1，胃：0.03～0.91 μg·g-1，消化腺：0.06～0.15 μg·g-1)>東南太平洋(肌肉：0.02～0.04 μg·g-1，胃：0.01～0.04 μg·g-1，消化腺：0.03～0.08 μg·g-1)>印度洋(肌肉：7.00×10-3～0.01 μg·g-1，胃：3.00×10-3～7.00×10-3μg·g-1，消化腺：4.00×10-3～0.03 μg·g-1)的趨勢。據估計，目前全球一半以上的人為Hg排放來自亞洲[28]。而西北太平洋可能是來自亞洲的大氣Hg源的下風，導致其中有較高的污染物水平[29]。Kojadinovic等[30]認為印度洋這樣的熱帶海洋受到的污染比北部海洋少，而且，印度洋與大型人為活動中心隔絕，因此在印度洋呈現較低的污染水平。

表9 軟體類生物質量標準Table 9 Biological quality standards for mollusks (μg·g-1,濕質量Wet weight)

根據皮爾森相關性分析(數據已正態化處理)，重金屬Cd與Hg、Pb呈明顯正相關，相關系數分別為0.26和0.30，與其他重金屬未呈明顯正相關或呈負相關。As與Pb也呈現明顯正相關，相關系數為0.28，說明魷魚體內這2組元素可能存在著相似的來源(圖3)。

圖3 5種元素間的相關性Fig. 3 The correlations among five elements

2.2 魷魚重金屬污染水平評價

根據《海洋生物質量》(GB 18421—2001)，海洋生物質量可劃分為3類，第1類生物質量最優，第2類次之，第3類相對較差[31]。采用SFI和MPI對三大海域魷魚肌肉重金屬含量進行污染水平評價，結果如圖4和圖5所示。從3類生物體的污染指數來看，與第1類海洋生物質量相比，除Cr和Hg在3片海域的SFI不超過1外，其余3種重金屬元素在各區域污染指數幾乎100%超過1。印度洋Cd最高SFI值達到14.57，平均為8.09，As最高SFI值達到7.94，平均為6.51，Pb最高SFI達到3.65，平均值為2.44。與第2類海洋生物質量相比，除印度洋Cd、As的SFI值仍>1外，其余均<1，符合質量標準。因此，需要對印度洋區域重金屬污染問題加強控制和監管。

圖4 單因子污染指數(SFI)法評價魷魚肌肉重金屬水平注：灰色代表西北太平洋，紅色代表東南太平洋，藍色代表印度洋。Fig.4 Heavy metals levels in squid muscles assessed using single factor index (SFI) method Note:Grey represents Northwest Pacific,red represents Southeast Pacific,and blue represents Indian Ocean.

圖5 魷魚肌肉重金屬污染指數(MPI)注：灰色代表西北太平洋，紅色代表東南太平洋，藍色代表印度洋。Fig.5 The metal pollution index (MPI) in squid musclesNote:Grey represents Northwest Pacific,red represents Southeast Pacific,and blue represents Indian Ocean.

3片海域魷魚體內重金屬污染指數如圖5所示，印度洋魷魚對重金屬富集能力最強，MPI值為0.68±0.04，與單因子污染指數法結果一致。總體而言，MPI均<2，能夠滿足無公害水產品安全要求。

2.3 健康風險評價

魷魚中有毒元素的積累對消費者的健康有害，而肌肉是魷魚的主要被食用組織，因此，對魷魚肌肉進行健康風險評估至關重要。5種有毒元素的EDI是根據肌肉中有毒元素的濃度和FAO給出的當地日平均攝入量計算出來的。Cr、As、Pb、Cd和Hg的平均EDI均<3.40×10-6mg·kg-1·d-1，遠低于聯合國糧農組織/世界衛生組織食品添加劑專家委員會制定的有毒元素每日攝入耐受量(PTDIs)[32-33]。5種重

金屬的THQ平均值均<1(表10)。此外，As的THQ值最高，而Cr的THQ值最低。由圖6可知，3種魚類的HI均<1。HI在3片海域的排序為印度洋(0.88)>東南太平洋(0.35)>西北太平洋(0.34)，表明靠近這3片海域的當地居民長期攝食這3種魷魚不會造成潛在的重金屬健康風險。5種重金屬對HI的貢獻率有較大差異性，貢獻率大小排序為As>Cd>Pb>Hg>Cr，故可視As和Cd為主要風險元素，其中As對HI的貢獻率最高(超過90%)，應對其予以優先關注防控。同時As又是威脅人類健康的主要重金屬之一，攝入后可能導致腎癌、皮膚癌和神經紊亂[34]，因此應加強魷魚食用品中As的健康風險防控。

表10 3片海域魷魚中5種重金屬健康風險評價Table 10 Health risk assessment of five heavy metals of squid from three regions

圖6 重金屬的非致癌風險Fig. 6 THQ of individual metal

盡管定量分析方法評估的結果均表明攝食3片海域魷魚對人體不會產生健康風險，但攝入量增大仍然有產生風險的可能。因此，利用蒙特卡洛模擬方法對5種重金屬的聯合作用進行不確定性模擬計算，結果表明在西北太平洋、東南太平洋和印度洋3片海域的魷魚的最大攝入量分別為99、48.5和20.5 g·d-1(圖7)。為人們攝食魷魚的風險評估提供了數據支撐。

圖7 蒙特卡洛分析Fig. 7 Mento Carlo simulation

3 討論(Discussion)

西北太平洋、東南太平洋和印度洋3片海域魷魚組織中重金屬均表現出消化腺>胃>肌肉，Cd、As大于Cr、Pb和Hg。重金屬呈現明顯的地域差異性。相關性分析結果顯示，Cd、Hg與Pb呈明顯正相關，As與Pb也呈現明顯正相關，說明2組元素可能存在相似的來源。

印度洋Cd、As濃度較高，通過SFI、MPI值的計算，兩者均超過《海洋生物質量》(GB 18421—2001)，中對其的限定值。非致癌風險評估結果表明3片海域魷魚均不存在健康風險，可放心適量食用。通過蒙特卡洛分析，得出3片海域魷魚的最大推薦食用量，分別為99、48.5和20.5 g·d-1。

基于本文的研究結果，建議加強對重金屬排放的監管力度，同時制定出更加完善的海產品中不同種類重金屬的標準。針對不同區域、不同海產品以及不同人群等特點給出更具針對性的參考食用量和食用頻率、引導人們避免食用被污染的海產品，從而減少有害重金屬的攝入風險，保證海產品的食用安全性。

致謝：感謝上海海洋大學魷釣技術組對本研究樣品的技術支持，感謝劉必林研究員在實驗實施方面提供的幫助及評審專家提出的寶貴意見。