煤矸石污染水域和天然水域Cd元素在鲫鱼组织中的沉积规律

闫永峰，张辽，闫明

1. 商丘师范学院生命科学学院，河南 商丘 476000；2. 河南农业大学林学院，河南 郑州 450002

煤矸石污染水域和天然水域Cd元素在鲫鱼组织中的沉积规律

闫永峰1*，张辽1，闫明2

1. 商丘师范学院生命科学学院，河南 商丘 476000；2. 河南农业大学林学院，河南 郑州 450002

煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的固体废物，其中含有大量的重金属元素Cd，煤矸石的无序排放不仅对环境造成了污染，而且也对人体健康和食品安全构成了严重的威胁。研究商丘永城采煤塌陷区煤矸石污染水域Cd在鱼体中的沉积规律，可为进一步研究Cd污染对鱼类的危害和对煤矸石污染水域鱼肉食品安全的评估奠定基础。本试验采用火焰原子吸收法测定了煤矸石污染水域和天然无污染水域鲫鱼各个组织中 Cd的含量。结果表明，（1）塌陷区煤矸石污染水域鲫鱼（Carassius auratus）的鳃、心脏、肌肉中Cd含量分别为1.063 0±0.278 4、8.638 9±3.230 1、1.146 1±0.204 6 μg·g-1均高于无污染天然水域鲫鱼相应组织的含量，其中鳃、肌肉中Cd含量显著高于对照组（P<0.05）。（2）天然水域中，Cd在鲫鱼体内的含量规律为：肝脏>心脏>肌肉>鳃，但是各组织间的含量差异不显著；而煤矸石污染水域中，Cd在鲫鱼体内沉积规律是：心脏>肌肉>肝脏>鳃，心脏中的含量远远高于其他组织。(3)一个成人每周可安全食用这两个水域的鱼肉量分别为823、365 g；若超过此含量，将存在着潜在健康威胁。结论：煤矿石污染水域鳃、肌肉组织中Cd含量远远高于天然水域，Cd更易沉积在鲫鱼的心脏组织中，每周食用煤矸石污染水域鱼肉365 g以上就存在着健康威胁。

鲫鱼；重金属；火焰原子吸收

煤矸石是煤矿开发过程中产生的固体废弃物，每年煤矸石的排放量相当于当年煤炭产量的10%～20%（丁伟等，2011；Fan等，2013）。煤矸石中主要包括了20多种元素，如：Ca、Mg、Fe、S、Si、As、Cr、Pb、Hg、Cd、Se、Mn、Ni、Cu、Zn、Sb、Co、Mo、Be、V、Ba、Ti、Th、U、Ag（Xue等，2014）。其中，对人体危害较大的重金属有：Hg、Cd、Cr、Pb、Cu、As、Zn（孙长安等，2006；Zhou等，2014）。这些煤矸石重金属污染物会沉积在水生动物的肌肉等组织中（刘天骄和陈玉翠，2007），影响水生动物的生长和免疫功能（闫永峰和王兵丽，2010；闫永峰等，2010；闫永峰等，2011；闫永峰等，2012；闫永峰等，2012；Olivares等，2014；曾艳艺等，2014；曾艳艺等，2014）。当人们食用后，有害物质会进入人体，对人体健康产生重要影响（朱爽，2008）。Cd易引发癌症（Schwab，2012），且可能和干扰肿瘤抑制蛋白p53的剪切修复有关（Sigel等，2013），给人类的健康带来了极大威胁。煤矿塌陷区被复垦后，形成一些养殖水域，煤矸石往往被用作池壁或池底，这使得煤矸石污染对渔业生产、食品安全产生了更加重大的威胁趋势。但是，目前还未见到煤矸石污染对鱼体组织器官特别是肌肉中重金属离子残留的报道。因此，研究Cd在鱼体各个器官、组织，特别是在可食用部分的残留量，一方面可指导人们认识水体污染物在鱼器官的残留特点，为评价污染指标的选择作为依据；另一方面，了解鱼肉中有害物残留的规律是当今食品安全的迫切需要。本试验以鲫鱼(Carassius auratus)作为研究对象，通过测定Cd在煤矸石污染水体中鲫鱼各个组织器官的残留量，明确煤矸石污染物Cd在鲫鱼体内的沉积规律，为人们食用该鱼肉的安全性进行评估。

1 材料和方法

1.1 研究样地概况

试验组鲫鱼的采样地点为永城小徐庄（33°57´N，116°22´E）附近的采煤塌陷区形成的天然鱼塘，该地区水域污染主要由煤矸石淋洗、煤尘污染和矿井排水造成的。对照组鲫鱼的采样地点为商丘市黄河故道的天沐湖（34°35′N，115°41′E），其周围基本无工厂和煤矿企业，基本无重金属污染。

1.2 试剂和仪器

Cd元素的标准物质，解剖工具，电子分析天平，瓷坩埚，电热板，高温电炉（马弗炉），容量瓶（50 mL），试剂瓶，浓硝酸，超纯水，AFS3300型火焰原子吸收分光光度计，电热恒温干燥箱。

1.3 样品测定

参照李华和邓林（2012）、顾佳丽（2012）的方法进行。

1.3.1 样品预处理

（1）首先将鲫鱼用超纯水清洗干净后用滤纸吸干，在解剖后分别取出鲫鱼的肝脏、心脏、鳃，分离肌肉，并将各种样品移入瓷坩埚中。

（2）将瓷坩埚放入电热恒温干燥箱在150 ℃下干燥 3 h，待冷却后将样品用电子分析天平准确称取5份样品的质量，并记录下数据。

（3）各向样品中加入浓硝酸5 mL放置0.5 h，然后放置在电热板上加热至无烟。

（4）移入马弗炉中缓慢加热至预设温度（500～550 ℃）进行灰化3 h，直至样品被完全灰化。

（5）若有黑色颗粒存在则需要重复步骤3和4，直至完全变成白色粉末。

（6）待冷却后移出用3 mol·L-1硝酸l mL溶解4次，然后移入50 mL容量瓶中，用超纯水进行定容，待测。

1.3.2 标准溶液的配制

用优级纯的浓硝酸和浓盐酸配制成体积分数为1%的稀硝酸和稀盐酸，作为Cd元素标准贮备液的稀释剂。准确称取Cd标准物质，分别用稀硝酸或稀盐酸进行溶解，然后用逐步稀释法配制成 0、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50 μg·mL-1的标准空白和标准溶液。

1.3.3 样品测定

测定采用火焰原子吸收分光光度计法测定，元素检测条件为：波长228.8 nm，狭缝0.7 nm，灯电流3.0 mA，空气流量13500 mL·min-1，燃烧器高度13.5 nm。

样品平行测定5次，按回归方程计算出各个样品溶液中各重金属元素的含量，然后再根据稀释倍数和样品干重计算出各重金属元素的含量。

1.4 数据处理

各组织含量差异，采用LSD多重比较Cd在各个组织含量差异；采用独立样本T检验比较心脏加肝脏与鳃加肌肉之间的差异；采用独立样本T检验比较污染水域和未污染水域在相应组织的差异；P≤0.05表示差异显著；P≤0.01表示差异极显著。

2 结果与分析

从表1可知，天然水域中，鲫鱼在肝脏、心脏、鳃、肌肉中的浓度采用LSD多重比较的结果表明在统计上无显著性差异，也没有明显规律。但是，在污染水域中，心脏中 Cd的浓度极显著（P<0.01，心脏同三者比较P均等于0.000）高于肝脏、鳃和肌肉组织。但肝脏、鳃、肌肉之间差异不显著（P>0.05，肝脏和鳃比较P=0.951，肝脏和肌肉比较P=0.965肌肉和鳃比较P=0.915）。

另外，据表1可知，无论是在煤矸石污染水域还是天然无煤矸石污染水域中，心脏Cd的含量最高，且在污染和未污染水域鱼体中，心脏的Cd含量差异最大，两水域的平均值差异达7.0624 g。

表1 鲫鱼各组织中Cd的浓度(n=8)Table 1 The concentration of Cd in the tissues of crucian carp

如表2所示，Cd更容易沉积在鲫鱼的内脏中，所有样本心脏加肝脏Cd含量平均为8.2879 g，而鳃和肌肉含量平均为1.8531 g，即内脏中Cd的含量远远高于鳃和肌肉的含量。

表2 鲫鱼组织Cd浓度差异(n=8)Table 2 The difference of the concentration of Cd in the tissues of crucian carp

由图1可知，比较污染水域和未污染水域结果来看，两种水域中肝脏中 Cd的浓度差异不显著（P=0.402）。但是，污染水域鲫鱼的鳃（P=0.017）、肌肉（P=0.026）中Cd的浓度均显著高于未污染水域，而心脏（P=0.005）极显著高于对照组。

3 讨论

通过结果分析可知，天沐湖的鲫鱼生活在基本无污染的环境中，因而在肝脏、鳃、心脏、肌肉中Cd的含量均比较低，在0.31～2.14 μg·g-1之间；同时各组织间无显著性差异。而采煤塌陷区的鱼塘受长期的煤矸石淋洗液和煤矿排水的流入，使水体受到了比较严重的污染，所以，生活在这种环境下的鲫鱼在鳃、心脏、肌肉的含量显著高于天沐湖的鲫鱼。另外，重金属污染物在鲫鱼体内主要沉积在心脏、鳃、肌肉中，其中，心脏沉积最为明显；是未污染水域的4倍，肝脏中沉积相对较少，肌肉中Cd的沉积量也显著高于未污染水域。田林锋报道了Cd在鲢鱼（Hypophthalmichthys molitrix）和鲤鱼（Cyprinus carpio）的肾脏、肝脏中沉积较高；同时，心脏、肌肉含量远远低于肾脏、肝脏组织（田林锋等，2012）。本研究未测得肾脏组织中Cd的浓度，但本试验鲫鱼肝脏中浓度和田林锋测得鲤鱼和鲢鱼肝脏浓度接近，而污染水域心脏、肌肉中的浓度是田林锋报道的10～150倍、5～50倍。这可能有两方面原因：一是水域，水体中含Cd差异很大；二是鱼的种类、大小不同。田林锋报道的同一水体中，鲢鱼在各组织中Cd的含量均高于鲤鱼（田林锋等，2012）。顾佳丽测得辽西地区重金属污染水域的鲫鱼中Cd的含量在内脏中为0.09 μg·g-1，在鳃组织中的含量为0.06 μg·g-1，且Cd在鲫鱼中沉积规律为：内脏>鳃>肌肉（肌肉中未检测出 Cd）（顾佳丽，2012）。一方面，本试验测得的水平相对较高，这可能是由于地域的差异，本试验选择的无污染水域也可能受到了一定程度的污染或者本来含量较高；另一方面，本试验结果表明：未污染水域中，Cd在鲫鱼体内的含量规律为：肝脏>心脏>肌肉>鳃；而煤矸石污染水域Cd在鲫鱼体内沉积规律是：心脏>肌肉>肝脏>鳃。这可能是由于本试验的鲫鱼长期处于高污染水域中，经过在长期饲养，Cd在体内富集，使机体Cd浓度不断升高，因此内脏和肌肉都含有较多的Cd，而鳃因为还和外界水体进行不断交换，因此反而还略低于肌肉中Cd的含量。另外，鱼在水体中生活的时候长短也可能对结果有一定影响。另外，总的来看，本实验鲫鱼内脏中Cd的含量高于鳃和肌肉，这一点和顾佳丽的结论相似（顾佳丽，2012）。

图1 两种水域的鲫鱼各组织中Cd的含量的比较(n=8)Fig. 1 The compare of concentration of Cd in the tissues of crucian carp in the two different kind waters

鱼肉中的Cd被人食用后，会可能干扰肿瘤抑制蛋白 p53的剪切修复（Sigel，2013），引发癌症（Schwab，2012），给人类的健康带来了极大威胁。根据世界卫生组织/联合国粮农组织食品添加剂联合专家委员会制度的暂定每周可耐受摄入量Cd为0.007 mg·kg-1（顾佳丽，2012），按60 kg成人标准体重来算的话，一个成人Cd的周耐受摄入量为0.42 mg·kg-1，本试验中测得的鱼肉中Cd的含量为0.51和1.15 μg·g-1，因此，一个成人每周可安全食用这两个水域的鱼肉量分别为823、365 g；若超过此含量，将存在着潜在健康威胁。

4 结论

污染水域鳃、肌肉组织中Cd含量远远高于未污染水域；Cd更易沉积在鲫鱼的心脏中；煤矸石污染水域的鲫鱼肉食用超过 365 g，即存在着一定的潜在健康威胁。

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Determination of the Cd in the Tissues of Crucian Carp (Carassius auratus) in the Coal Gangue Polluted Water and Natural Water

YAN Yongfeng1*, ZHANG Liao1, YAN Ming2
1. Department of Life Science, Shangqiu Normal University, Shangqiu 476000, China; 2. Faculty of Forestry and Horticulture, Henan Agricultural University, Shangqiu 476000, China

Coal gangue is the solid waste emissions in the process of coal mining and coal washing, which contains a lot of heavy metal: Cadmium (Cd), pose a serious threat to food security and human health. Study on the rule of the deposition of Cd in the tissues of fish from gangue pollution water of Yongcheng, Shangqiu. which can lay foundation for further study on harm to fish from Cd pollution and on food safety assessment of fish from the coal gangue polluted water. Methods: Cd was determined by using the flame atomic absorption method. Results: (1) The concentration of Cd in the gills, heart, muscle of crucian carp (Carassius auratus) from the coal mining subsidence area, were 1.063 0±0.278 4μg·g-1, 8.638 9±3.230 1μg·g-1, 1.146 1±0.204 6μg·g-1, which were higher than the tissues of crucian carp in natural pollution-free waters. The concentration of Cd in the gills, muscle were significantly higher than the control group (P<0.05). (2) In native waters, the rule of concentration of Cd in crucian carp was: liver>heart>muscle>gills. However, there was no significant difference between each tissues. In polluted water, the sedimentary rule of Cd in the crucian carp was: heart>muscle>liver>gills. Heart was much higher than in the other tissues. (3) An adult can be safe to eat the fish meat weekly from the two waters were respectively 823 g, 365 g; if more than these content, there would be a potential health threat. Conclusion: The concentration of Cd in gills, muscle of crucian carp in polluted waters was much higher than not polluted waters, Cd are more likely to deposited in the heart of crucian carp. If the consumption of fish meat from coal gangue pollution water is more than 365 g weekly, there will be a health threat.

crucian carp (Carassius auratus); heavy metal; flame atomic absorption spectrometry (FAAS)

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.03.016

Q958.116

A

1674-5906（2015）03-0476-04

闫永峰，张辽，闫明. 煤矸石污染水域和天然水域Cd元素在鲫鱼组织中的沉积规律[J]. 生态环境学报, 2015, 24(3): 476-479.

YAN Yongfeng, ZHANG Liao, YAN Ming. Determination of the Cd in the Tissues of Crucian Carp (Carassius auratus) in the Coal Gangue Polluted Water and Natural Water [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(3): 476-479.

河南省科技发展计划重点科技攻关项目（082102350040）；河南省教育厅自然科学研究计划项目（2009B180020）

闫永峰（1967年生），男，教授，博士，从事动物生态学研究。E-mail: yanyf01@sina.com。*通信作者：

2014-12-30