大陳島海域不同年齡褐菖鲉對重金屬富集作用研究

黃宏 ，鄭欣蕓，李迎東，趙旭 ，俞錦辰，汪振華

1.上海海洋大學海洋生態與環境學院，上海 201306；2.上海海洋大學海洋牧場工程技術研究中心，上海 201306；3.中國水產科學研究院東海水產研究所，上海 200082

重金屬是海洋環境中常見的污染物，在環境介質中具有分布廣、殘留久、易通過生物富集的特性，同時高頻率的重金屬污染事件，使得重金屬污染成為多種生態系統面臨的嚴重問題（趙勝男等，2013）。重金屬具有從環境到生物的遷移性和毒性，并會通過食物鏈進入人體，會對人類健康造成極大危害（孔明等，2015）。生物體內重金屬富集受到棲息環境、生理結構、生活習性、生長年齡、重金屬理化性質及賦存形態等多方面的影響（張柏豪等，2021）。

大陳島海域位于浙江省東南部外側海區，是著名的漁場之一。近年來，由于人為活動的干擾，大陳島海域漁業資源較大幅度減少。隨著大陳島藍色海灣生態修復工程的實施，大陳島海域的生態資源、環境保護以及水產品的食用安全開始受到關注（吳常文等，2002）。褐菖鲉（Sebastiscus marmoratus）為暖溫性底層肉食性本土棲居魚類，生活在近海底的巖礁區域（汪振華等，2019），活動范圍較小，通常在2 km范圍之內（吳常文，1999）。同時褐菖鲉在大陳島及鄰近海域，是漁民刺網和延繩釣作業的主要漁獲物之一。國內外對于褐菖鲉的生理、攝食生態等研究已較系統（He et al.，2012；王志錚等，2002；吳祖立等，2012；薛彬等，2017），但結合褐菖鲉的生活習性與棲息環境，探討不同體長、年齡褐菖鲉體內重金屬的富集特征研究尚未見報道。因此，本研究通過測定大陳島海域海水及不同生長階段褐菖鲉體內重金屬含量，分析介質及生物體內重金屬富集特性，評價其食用安全性，對于該海域環境保護、水產品捕撈及食用健康管理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與預處理

于2019年12月、2020年9月、2021年1月和2021年4月，共4個航次分別對大陳島海域海水、生物樣品進行采樣。海水樣品采集按照海洋監測規范，并結合水文數據與大陳島海洋牧場建設規劃設置站位 17個；生物樣品采集是基于拖網、刺網、延繩釣等作業方式的可操作性與褐菖鲉生活習性等綜合考慮設置采樣站位10個。水樣及生物樣品具體采樣站位如圖 1所示。樣品的采集、運輸及儲存均嚴格按照《海洋監測規范》（GB 17378.4—2007）進行。取樣工具和樣品儲存的容器均提前按照重金屬檢測分析的質量控制標準進行預處理。表層、底層海水分別在海面下約0.5 m與距離海底0.5 m采集，水樣抽濾后滴加HNO3（優級純）酸化（pH＜2）裝入聚乙烯樣品瓶中；生物樣品采集后立即帶回實驗室，測定并記錄生物學數據，然后經去鱗、去皮洗凈等預處理后，取肌肉組織裝入樣品袋冷凍保存待用。

圖1 大陳島海域調查采樣點位示意圖Figure 1 Location map of sample sites in Dachen Islands sea area

1.2 樣品處理與分析

海水樣品：Hg和As采用原子熒光法、Zn元素采用火焰原子吸收分光光度法、Cr、Cd、Pb和Cu采用無火焰原子吸收分光光度法進行測定（Silva et al.，2020）。處理與分析過程嚴格按照《海洋監測規范》（GB 17378.4—2007）（中國國家標準化管理委員會，2007），采用標準空白、樣品空白、標準樣品進行質量控制。平行樣品測定的標準偏差低于5%。

生物樣品：帶回實驗室后，經過-80 ℃冷凍干燥后用瑪瑙研缽研磨。準確稱取研磨后生物樣品0.5000 g（±0.0005 g），裝入消解罐中，并加少許超純水使樣品濕潤，加入8 mL硝酸、4 mL過氧化氫后于微波消解儀（MDS-6G，上海新儀微波化學科技有限公司）消解，消解過程參考黃宏等（2016）的研究方法。將消解液置于恒溫電加熱板上趕酸，待有大量白煙冒出，液體近干時取下，待消解液冷卻轉移至25 mL比色管并定容。同時取超純水進行空白對照實驗。

Cu、Zn、Pb、Cd和Cr元素的測定采用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES，美國 Perkin Elmer）；As和 Hg的測定用雙道原子熒光光度計（AFS-9770，北京科創海光儀器有限公司）。樣品分析過程中采用國家標準（CBW07309）規定的標準物質進行質量控制，平行樣的誤差低于 5%，各元素的回收率均在80%—120%以內。

1.3 污染評價方法

1.3.1 重金屬污染評價

對褐菖鲉肌肉組織的重金屬污染程度評價選擇單因子污染指數法和綜合污染指數法（馮長君等，2009），其計算公式為：

式中：

Pi——重金屬i的單因子污染指數；

Ci、C0——重金屬i實測值和標準值（mg·kg-1），評價標準參考GB 2762—2005《食品中污染物限量》（中華人民共和國衛生部，2005）和NY 5073—2006《無公害食品水產品中有毒有害物質限量》（中華人民共和國農業部，2006）中的標準限值（As=0.1、Hg=0.5、Cd=0.1、Cu=50、Zn=0、Pb=0.5、Cr=2.0）。評價標準：Pi≤0.2 時，表示無污染；0.2＜Pi≤0.6 時，表示輕度污染；0.6＜Pi≤1.0 時，表示中度污染；Pi＞1.0時，表示重度污染（田林鋒等，2012；羅欽等，2020）。

綜合污染指數（PCi）全面反映多種重金屬污染物的協同作用，更突出高濃度重金屬對魚類的影響，計算方法為：

式中：

Pi,max——所有重金屬污染指數中的最大值。評價標準：PCi≤1.0 時，表示無污染；1.0＜PCi≤2.0 時，表示輕度污染；2.0＜PCi≤3.0時，表示中度污染；PCi＞3.0時，表示重度污染（王麗等，2017）。

1.3.2 生物富集因子

重金屬富集系數是指生物某一組織的元素含量與環境介質中相應元素含量之比，是衡量生物將重金屬吸收至體內能力大小的一個重要指標（段晨松等，2019）。常常采用生物富集因子（BCF，bioconcentration factor），即重金屬在生物體內濃度與水體中濃度的比值。若BCF＞1，稱為生物具有正富集作用（劉金虎，2013）。

式中：

ρi——生物體內重金屬的實測濃度；

ρw——海水中重金屬的實測濃度，μg·L-1。

1.4 魚類生物學參數計算方法

1.4.1 魚體肥滿度

本研究采用魚類樣品的個體體長（L，cm）、年齡（冬齡）及肥滿度（Condition factor，K）作為生長指標。K計算方法如下（李朝文等，2018）：

式中：

m——魚類個體的體質量，g。

1.4.2 褐菖鲉魚齡估算

魚類體長和年齡的關系是判斷褐菖鲉生長發育的重要指標。估算褐菖鲉的年齡并探究其與重金屬元素富集程度的關系是具有重要意義的，褐菖鲉生長速度較為均勻，參照（李朝文等，2018）的研究，采用von Bertalanffy生長方程描述褐菖鲉的生長規律。褐菖鲉年齡與體長的生長公式為：

式中：

A——褐菖鲉的年齡；

L——褐菖鲉的體長cm（生物學數據來自2019年12月—2021年4月在同一研究區域4次調查捕獲的所有褐菖鲉，共計553尾，其中成魚239尾，幼魚314尾，成魚幼魚比例約為1∶1.31。體長范圍3.9—19.3 cm，平均體長10.2 cm，標準偏差21.11。體質量范圍2.39—142.62 g，平均體質量35.39 g，標準偏差 21.08）。通過計算、擬合得出研究海域褐菖鲉的生長參數分別為L∞=29 cm，k=0.31，t0=-1.029（L∞表示褐菖鲉的漸近體長；k表示褐菖鲉生長曲線的平均曲率；t0則表示褐菖鲉的理論生長起點年齡）。文獻記載褐菖鲉一般成熟年齡為1齡左右（吳常文，1999）。

1.5 數據處理

應用SPSS 25.0完成各項指標的Pearson相關性分析（雙尾，P＜0.05），用Origin 2018、Excel軟件進行插圖、表格繪制。褐菖鲉的生長參數和擬合生長曲線應用FiSAT軟件進行。

2 結果與討論

2.1 大陳島海域海水中重金屬污染評價

在各個采樣站點采集到的海水樣品及生物樣品的測定結果如表1所示，大陳島海域表層海水、底層海水中Cu、Zn、Pb、Hg、Cr、Cd和As 7種元素含量均優于國家二類海水水質標準（GB 3097—1997）（國家環境保護局等，1997），總體上呈現 Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg。表層海水與底層海水中重金屬含量總體差異較小，表層海水中Cr、Zn和As的含量略高于底層海水，其余4種重金屬則表現為底層海水中含量略大于表層海水。且大陳島調查海域水流較為湍急，海水混合較均勻，不同站點海水中重金屬環境空間差異性不顯著。另外，褐菖鲉雖然屬于活動區域較小的棲居種魚類，但其為游泳生物，具有一定的活動范圍，所以本文選用海水重金屬的平均值進行污染評價和生物富集因子計算。

表1 大陳島海域褐菖鲉肌肉組織、海水中重金屬質量分數Table 1 Contents of heavy metals in muscle and seawater of Sebastiscus marmoratus in Dachen islands sea area

2.2 褐菖鲉年齡-體長關系

圖2擬合了褐菖鲉體長與年齡的關系，由圖可知褐菖鲉年齡與體長相關性為極顯著（P＜0.005）。且從圖2可知，褐菖鲉幼年生長速度較快，體長增長速度較快，故圖中左下角坐標點較離散。成年后褐菖鲉生長速度逐漸減慢，體長增長速度逐漸緩慢，故圖中右上方又呈現出較離散的趨勢。

圖2 褐菖鲉體長-年齡關系Figure 2 Relationship between body length and age of Sebastiscus marmoratus

2.3 重金屬富集量與褐菖鲉生長參數的關系

表2為褐菖鲉肌肉中不同重金屬含量與生長參數的相關性情況。Hg與體長、年齡呈顯著正相關，而 As、Cu、Zn和 Pb的含量與體長、年齡呈負相關；Cr與體長、年齡相關性不顯著。各體長與年齡組褐菖鲉肌肉中重金屬含量與其肥滿度無顯著相關性。

表2 褐菖鲉肌肉中重金屬質量分數（濕質量）與體長、年齡及肥滿度的相關性Table 2 Correlation analysis of heavy metals among fish length, age and condition factor of Sebastiscus marmoratus

利用調查海域不同站點海水中重金屬含量平均值，計算得到不同年齡組褐菖鲉生物富集因子BCF。圖 3比較了不同年齡組褐菖鲉對重金屬富集能力（lgBCF）。從圖3可知，不同重金屬富集能力存在顯著差異。Cr在各個年齡組的褐菖鲉肌肉中富集能力最低；＜1.2齡的褐菖鲉對Cu富集能力最高，而≥1.2齡褐菖鲉對Hg富集能力最高。隨著體長的增大，褐菖鲉肌肉中 As、Cd、Cu、Zn、Pb、Cr含量呈現減少趨勢，而Hg卻隨著體長增大而增加。

圖3 不同年齡褐菖鲉體內重金屬的生物富集因子Figure 3 Bioaccumulation of heavy metals in Sebastiscus marmoratus at different ages

不同重金屬在褐菖鲉體內富集能力的差異性可能主要與食性和體內代謝機制有關。王凱等（2010）研究發現不同年齡褐菖鲉的攝食種類存在較大的差異性，年齡較小的褐菖鲉更多選擇攝食蝦類、蟹類、端足類，而成年褐菖鲉的主要攝食對象為魚類。樊偉等（2017）監測了紹興市不同種類水產品中重金屬的含量，發現Cd、As和Pb的含量大小順序為：頭足類＞甲殼類＞魚類。施進（2012）對舟山地區海產品重金屬污染風險評價結果表明，Cd和Pb的含量呈現出貝類＞頭足類＞蟹類＞蝦類＞魚類的規律，As和Hg在貝類中含量大于頭足類和魚類。李婷飛（2019）檢測了臺州市椒江區多種水產品中Pb和Cd含量，結果也表現為雙殼類＞甲殼類＞魚類。楊玉峰等（2021）在對粵港澳大灣區典型魚類體內重金屬特征研究中也得出Cd含量為底棲動物食性魚類最高，雜食性魚類次之，游泳動物食性最低。曠澤行等（2021）在對海南島昌化江河口海域的生物進行重金屬富集特征研究時總結出該海域重金屬的平均含量表現為甲殼類＞雙殼 貝類＞魚類。因此以蝦類、蟹類、端足類等為食的幼魚體內重金屬含量高于食用魚類的成魚。

因為褐菖鲉的活動范圍較小，不同生長階段的褐菖鲉個體所處的外界環境相差不大，但處于不同生長年齡的褐菖鲉習性、生理代謝活動強度相差甚遠（張雅芝等，1993）。因此，褐菖鲉生長發育階段和生命活動是決定重金屬在褐菖鲉肌肉組織中富集的重要因素。相關文獻表明，不同生長發育階段的生物體對Hg的富集能力存在著較顯著的差異性。劉金虎（2013）在對萊州灣多相介質中重金屬的遷移與富集中指出，Hg與蛋白質胱氨酸上的巰基有較強的親和作用，會隨著魚類個體的生長通過呼吸、滲透、食物累積等方式進入魚體并吸附在蛋白質上。同時由于Hg在魚體內具有較長的生物半衰期，進入魚體內的Hg會不斷在體內累積。所以Hg的富集量與魚類個體大小（體長、體質量）通常呈正相關。韋麗麗等（2016）通過檢測也發現三峽庫區中翹嘴鲌Culter alburnus和鲇Catfish會隨著生命活動不斷吸收Hg，導致體內的Hg濃度與其相應體長、體質量呈顯著性正相關。Dave et al.（1991）、張蓮英等（1997）也得出相似結論。

Cu和Zn都是生命必需元素，在維持褐菖鲉的生長發育以及繁殖等生理過程中起到了重要作用。近年來，國內外關于Cu和Zn富集水平與生長關系的研究有較大差異性。Anan et al.（2005）在對里海擬鯉Rutilus rutilus的研究中發現，其肌肉組織中Cu、Zn含量與體長、體質量呈負相關；而Yousuf et al.（2000）在對烏帽龍占魚Lethrinus lentjan的研究中發現其Cu、Zn含量與年齡呈正相關。大量的Cu和 Zn會隨著生理生命活動被消耗從而逐漸稀釋。幼年褐菖鲉生理活動、代謝活動都比成魚更加頻繁，對Cu、Zn的吸收及利用能力更強。隨著褐菖鲉生長發育逐漸成熟，Cu、Zn吸收與利用速度將會低于褐菖鲉生長發育的速度，從而呈現出與年齡、體長呈現負相關的現象。

2.4 不同年齡褐菖鲉重金屬污染及風險評價

魚類肌肉是人類常見的優質蛋白來源，比較大陳島海域褐菖鲉肌肉中重金屬的含量與《食品中污染物限量》和《無公害食品水產品中有毒有害物質限量》中的標準限值，探討其食用安全性有著重要的現實意義。如表3所示，褐菖鲉肌肉中各種重金屬含量差異較大，其中生命必需元素Cu和Zn含量較高，主要因為生物體對Cu、Zn的吸收富集比其他重金屬元素強。其余5種重金屬含量較低，但檢測的7種重金屬含量均未超過相關標準中對魚類的限值標準。但單項污染指數Pi的評價結果顯示，褐菖鲉幼魚肌肉中As、Cd的單因子污染指數大于0.2，綜合污染指數小于 1，表明褐菖鲉幼魚肌肉組織中As和Cd存在輕度的重金屬污染。褐菖鲉成魚肌肉中重金屬的單項污染指數均小于 0.2，且綜合評價指數也小于 1，說明成年褐菖鲉受到重金屬污染的風險較低，食用安全性較高。因此建議捕撈或食用成年褐菖鲉。

表3 褐菖鲉肌肉中重金屬食用安全性評價Table 3 Edible safety evaluation of heavy metals in musculature of Sebastiscus marmoratus

3 結論

大陳島海域海水中7種重金屬含量均滿足海水水質二類標準，褐菖鲉肌肉中重金屬含量也均未超過中國相關食品和水產品標準限值；成年褐菖鲉肌肉中重金屬風險較低，但幼魚肌肉中存在As和Cd輕微富集的風險。

褐菖鲉肌肉組織中重金屬的含量與體長、年齡具有顯著相關性。其中Hg含量與體長、年齡呈正相關，而As、Cu、Zn、Pb含量與褐菖鲉體長、年齡呈負相關，總體上，褐菖鲉幼魚肌肉中重金屬富集程度高于成年褐菖鲉。

重金屬的富集不僅受到魚類生長階段、攝食習性及環境介質影響，還可能與性別、性成熟度及脂肪含量等有關。另外，魚類不同組織對重金屬的富集能力也存在差異，本文僅探討了褐菖鲉肌肉組織中重金屬的富集情況，其余組織或器官的富集特性還有待進一步研究。

致謝：感謝實驗室儲鳴老師、王雨青與劉詩婕兩位同學協助完成樣品的預處理等實驗工作；感謝上海市浦東新區環境監測站化學分析室丁溪萍主任以及溫玲、殷麗兩位老師對重金屬檢測中給予的幫助！