马鹏程,陈棉彪,黄楚珊,胡国成,李良忠,王钰钰,彭晓武,柳晓琳,张丽娟,*
1. 锦州医科大学,锦州 121000 2. 环境保护部华南环境科学研究所 环境健康研究中心,广州 510535 3. 国家环境保护环境污染健康风险评价重点实验室,广州 510535
随着国民经济的快速发展,工业活动不断加剧,导致我国环境中的重金属、有机物污染日趋严重。环境中重金属主要来源包括自然活动及人类活动。环境中的重金属可以通过工农业及生活废水的排放、地表径流、水体沉积物二次释放及大气沉降等进入水体,在水生生物体内积累和富集,并通过食物链传递,直接或者间接影响人类自身健康。重金属的人体暴露主要途径包括经口摄入、经呼吸摄入及经皮肤接触3种途径。经口摄入食物暴露污染物是主要途径。鱼类含有丰富的营养物质,人类对水产品的消费量不断增加,从而导致摄食水产品暴露污染物的潜在风险不断增加。水产品安全问题已经成为关注的热点之一。研究资料表明,松花江、北江、滦河和淀山湖等淡水鱼类[1-4]及浙江、大亚湾、渤海湾等地海产品[5-7]中均不同程度检出重金属。改革开放以来,珠江三角洲经济发展迅速,土地、资源和环境的承载力与经济发展的矛盾日益突出,产业结构调整和布局逐渐向粤北和粤东发展。本研究采用的鱼类样品来自广东连州市星子镇境内的星子河。星子镇土地肥沃,矿产资源丰富,主要有煤、铅、锌、钨、锡、重钙粗晶矿、硅灰石、大理石、花岗岩等。农副产品是星子镇的一大特色。选择粤北星子河的水生生物作为研究对象,比较分析不同水生生物体内重金属(Cd、Cr、Cu、Pb、Ni和Zn)短期内含量水平及其富集程度,评估通过水产品摄入暴露重金属的潜在健康风险,以期为该区域生态环境管理及鱼类资源保护提供基础资料,同时为保障居民身体健康提供理论依据。
本文的研究区域为连州市星子镇星子河段(采样点见图1),研究范围较小,且鱼体中重金属含量变化差异不明显,故未讨论星子河不同断面的变化规律。本文的水生生物样品采集时间分别为2015年9月和2016年1月,共采集了2次。由于采样间隔时间短,水生生物体内重金属含量变化不明显,且本文重点研究当地居民通过消费水产品暴露重金属的潜在风险。
通过从当地渔民处直接购买的野生鱼类以及在农贸市场野生鱼类贩卖摊购买等方式获得该地区居民常用10种成年野生鱼类样品和2种贝类动物样品。鱼类包括:乌鳢、鲮鱼、翘嘴红鮊、鳜鱼、鲫鱼、鲤鱼、草鱼、泥鳅、鳙鱼和鲳鱼;贝类动物包括田螺和河蚌,样品信息见表1。样品采集后在冷藏状态下运回实验室,鱼类样品首先测量体长和体重等形态学参数,然后解剖取肌肉;河蚌和田螺样品取其内脏团混合后进行分析。
取一定量的鱼类肌肉样品和贝类动物内脏团,用不锈钢剪刀剪碎,然后利用冷冻干燥机冷冻干燥24 h后,进行含水率测定。使用分析天平称取干燥的水生生物组织样品0.1000 g,置于特氟龙试管中,加10 mL王水(浓硝酸:浓盐酸=1:1)溶解样品,微波消解1 h后将特氟龙试管转移至石墨消解仪进行消解,消解完毕后自然冷却,然后用滤纸过滤定容。利用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES,America,Agilent 710)测定Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量水平。
整个实验选择Millpore超纯水仪处理的超纯水为溶剂;所需化学试剂纯度均为优级纯,实验中所使用玻璃仪器以及聚四氟乙烯消解罐均用2.5%HNO3浸泡6 h以上,并且用超纯水清洗后烘干备用。测定之前先绘制标准曲线,拟合度达到99.99%以上再进行正式测试。采用生物成分分析标准物质(GBW10050)进行各个元素回收率测定。实验测得6种元素的回收率范围均在96%~104%之间,满足实验质量控制要求。实验过程中每批样品均做全程空白,同时对所有样品按照10%的原则进行平行样品测定,以保证实验的精密度,各个测定样品重金属的相对标准偏差均小于5%,符合实验室质量控制的要求。
采用综合污染指数法评价水生生物体内重金属污染程度。水生生物体内重金属的标准限值参考《食品中污染物限量》(GB2762—2012)[8]、《食品中锌限量卫生标准》(GB13106—1991)[9]和《无公害食品水产品中有毒有害物质限量》(NY5073—2006)[10]。Cd、Cr、Cu、Pb、Ni和Zn标准限值分别为0.1、2、50、0.5、5.5和50 mg·kg-1。
图1 采样点位图Fig. 1 Distribution of the sampling sites
中文名Chinesename拉丁学名Scientificname样品量Samplesize体长/cmBodylength/cm体重/gBodyweight/g乌鳢Ophiocephalusargus825.25±5.92283.75±139.53鲮鱼Cirrhinusmolitorella614.67±1.0343.83±4.92翘嘴红鮊Erythroculterilishaeformis622.50±0.71214.00±9.90鳜鱼Sinipercachuati628.12±2.43435.25±19.30鲫鱼Carassiusauratus416.00±1.10160.50±14.94鲤鱼Cyprinuscarpio316.00±1.00235.40±50.74草鱼Ctenopharyngodonidellus332.64±2.01642.43±6.56泥鳅Misgurnusanguillicaudatus3--鳙鱼Hypophthalmichthysnobilis331.00±1.41686.00±5.66鲳鱼MegalobramahoffmanniHerreetmvers330.13±0.56823.34±15.66田螺Bellamyaquadrata26--河蚌Unionidae18--
利用单因子污染指数和综合污染指数评价不同鱼类重金属的污染程度[11-12]。
单因子污染指数计算公式:
式中:Pi表示单因子污染指数;Ci表示i类重金属的残留量(mg·kg-1),即重金属实测值;Si表示鱼体内i类重金属限量标准。
多因子污染指数计算公式:
式中:PI表示综合污染指数;Pi表示该样品重金属i的单因子污染指数;n表示评价时所用的重金属种类个数。根据综合污染指数将重金属污染划分为4个等级:PI≤1.0为无污染;1.0
采用美国环保局(USEPA)2000年提出的目标危害系数法(target hazard quotients,THQ)[13]评估人体通过食物途径摄入重金属的风险[14]。该方法假定人体摄入重金属的剂量等于吸收剂量,利用吸收剂量和参考剂量的比值作为评价标准,具体计算公式如下:
式中:Ep为人群暴露频率(365 d·a-1);ED为暴露时间(通常取平均寿命70 a);FIR为食品摄入率(g·d-1);C为食物中重金属的含量(mg·kg-1);WAB为人体平均体重(kg);TA为非致癌性暴露平均时间(d),取值为365 ED;RFD为口服参考剂量(mg·kg·d-1),Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的RFD分别为1×10-3、3×10-3、4×10-2、3.5×10-3、3×10-1mg·kg·d-1。根据广东居民膳食营养状况调查资料,成人淡水鱼类摄入量为73.55 g,贝类30.75 g。成人的体重以55.9 kg计。儿童淡水鱼摄入量42.5 g,贝类15.5 g,标准体重以32.7 kg计。如果THQ的比值小于1,则认定暴露人群没有食用风险,反之大于等于1时则认为存在食用风险。由于多种重金属可以共同作用对人体健康产生危害,重金属的总目标危害系数(TTHQ)等于各种重金属的危害系数之和:
TTHQ=∑THQ
人群通过消费水产品摄入的重金属总量是健康风险评价的另一个关键问题。世界卫生组织(WHO)提出了多种重金属元素暂定每周允许摄入量(provisional tolerable weekly intake, PTWI)的安全阈值,Cd、Cu、Pb、Zn和Ni的PTWI分别为7、3 500、25、7 000、35 μg·kg-1。重金属每周评估摄入量(estimated weekly intake,EWI)计算公式如下:
式中:FIR为食品摄入率(g·d-1);C为食物中重金属的含量(mg·kg-1);WAB为人体平均体重(kg)。
本研究数据采用Excel和SPSS 20.0统计软件进行数据录入和分析;采用Origin软件进行图形绘制。采用SPSS 20.0软件对样品的金属元素进行相关性分析,相关程度用Pearson相关系数表示。
不同水生生物体内重金属(Cd、Cr、Cu、Pb、Ni和Zn)含量水平如表2所示。从表2可以看出,星子河中鱼类体内Cd、Cr、Cu、Pb、Ni和Zn的平均含量水平分别为0.005、0.21、0.46、0.083、0.077和8.04 mg·kg-1,其含量范围分别为0.001~0.021 mg·kg-1、0.08~0.75 mg·kg-1、0.14~0.92 mg·kg-1、ND~0.17 mg·kg-1、0.04~0.13 mg·kg-1、2.82~18.08 mg·kg-1。在所有鱼类样品中,重金属元素从低到高顺序依次为Cd 不同水生生物体内重金属的综合污染指数如图2所示。从图1可以看出,研究区域内鱼类和贝类重金属综合污染指数不同,鱼类重金属综合污染指数较低,均小于1,属于微污染级别;而田螺和河蚌重金属的综合污染指数较高,其中田螺的综合污染指数最高(1.22),属于轻度污染水平。上述研究结果显示,本次采集的水生生物样品中,鱼类样品受到重金属污染的程度较低,能够满足无公害水产品安全要求,而贝类样品中,田螺已经明显受到重金属的污染,大量食用可能会造成健康风险。田螺是一种非选择滤食性动物,重金属会在其体内残留,通过生物放大作用最终进入人体造成慢性中毒,并且具有不可逆性。我国不同水域食用贝类重金属污染存在较大差异性,除了与当地环境污染有关外,可能还与季节、溶解氧、盐度等有关,这些因素不仅影响贝类的生理活动和机体代谢,而且还影响贝类对重金属的吸收[18-20];另一方面,这些因素能够导致重金属形态改变,进而影响其生物可利用性,导致其在贝类体内含量累积程度存在差异。大多情况下,水体中的重金属以离子状态存在或吸附在有机体和有机颗粒表面,在贝类滤食过程中被摄入,形成重金属在贝类体内的富集,这与国内外其他研究结果相一致[21-22]。 表2 不同水生生物体内重金属含量水平(mg·kg-1)Table 2 Concentrations of heavy metals in different aquatic species sample (mg·kg-1) 根据鱼类食性不同,本研究将鱼类分为草食性鱼类(草鱼)、肉食性鱼类(乌鳢、鳜鱼、翘嘴红鮊)、滤食性鱼类(鳙鱼)及杂食性鱼类(鲮鱼、鲤鱼、鲫鱼、泥鳅、鲳鱼)进行比较分析,结果见表3所示。方差分析结果显示:草食性、肉食性、滤食性、杂食性鱼类体内Cd、Cr、Pb和Ni的含量水平差异不显著(P>0.05);杂食性鱼类Cu和Zn的含量水平显著高于滤食性和肉食性鱼类(P<0.05)。这与其他文献报道的鱼类重金属含量表现为肉食性>杂食性>草食性的结果[23-26]不同。王丽等[27]研究东江惠州段鱼类重金属污染情况,其中不同食性鱼体内Cu元素含量表现为杂食性高于肉食性,与本研究结果相一致。 以杂食性鱼类鲫鱼为例,将粤北星子河鲫鱼体内重金属含量与其他地区鲫鱼体内重金属含量进行比较,结果见表4。该地区鲫鱼体内重金属含量处于较低水平,其中Cd含量明显低于其他地区,Cr含量与江苏盐城地区接近[5],Zn含量相对于粤东北以及东江惠州段含量较高[25-26],但明显低于滦河流域地区[3]。 图2 不同水生生物体内重金属综合污染指数注:1~12分别表示乌鳢、鲮鱼、翘嘴红鮊、鳜鱼、鲫鱼、鲤鱼、草鱼、泥鳅、鳙鱼、鲳鱼、田螺、河蚌。Fig. 2 Pollution index of heavy metals in different aquatic species sampleNote: 1-12 stands for Ophiocephalus argus, Cirrhinus molitorella, Erythroculter ilishaeformis, Siniperca chuati, Carassius auratus, Cyprinus carpio, Ctenopharyngodon idellus, Misgurnus anguillicaudatus, Hypophthalmichthys nobilis, Megalobrama hoffmanni Herre etmvers, Bellamya quadrata, Unionidae. 食性Feedinghabits平均含量/(mg·kg-1)Averagecontent/(mg·kg-1)CdCrCuPbNiZn草食性Herbivory0.0040.2630.4860.0600.1058.647*肉食性Carnivorous0.0050.1950.297*0.0770.0754.889*滤食性Filterfeeding0.0010.1410.440*0.0430.0634.636*杂食性Omnivorous0.0060.2180.6250.0850.09111.806 注:*表示同种元素污染下,与杂食性组相比差异有显著性(P<0.05)。 Note:*means under the same heavy metal pollution, compared with the omnivorous group, the difference was significant (P<0.05). 为了进一步准确把握该地区水生生物体内重金属污染水平,本文采用了Pearson相关分析对该地区水生生物体内6种重金属含量进行了相关分析,结果见表5。从表5可以看出,该地区水生生物体内重金属之间具有显著正相关,说明该地区水生生物体内Cd、Cr、Cu、Pb、Ni和Zn等6种重金属的污染情况具有一定程度的相似,从而进一步说明该地区水生生物体内的重金属来源具有相似性。 目标危险系数法(THQ)是一种重金属健康风险评价常用的方法,该方法不仅可以评估单一重金属的摄入健康风险,而且可以评价多种重金属复合暴露的健康风险。本研究根据粤北某河流鱼类和贝类样品中重金属含量水平,结合相关的暴露参数,利用公式计算该地区成人和儿童通过食用鱼类和贝类摄入的重金属THQ值和TTHQ值,结果见表6。从表6可以看出,该地区所有样品中重金属对成人和儿童的单一目标危害系数(THQ)均小于1,说明该地区水生生物单一重金属对人体健康风险不明显。鱼类样品中重金属对成人和儿童的复合健康危害系数(TTHQ)也均小于1,说明食用这些鱼类对人群产生的健康风险并不明显。在贝类样品中,田螺样品重金属对成人的TTHQ大于1,说明长期食用田螺存在一定健康风险;田螺样品重金属对儿童的TTHQ为0.96,虽然小于1,但长期食用可能对儿童产生潜在的健康风险。当地成人通过食用鱼类和贝类摄入Cd、Cu、Pb、Ni和Zn每周评估摄入量(EWI)分别为0.05、4.22、0.77、0.71、74.08 μg·kg-1和0.18、52.18、1.36、2.93、197.45 μg·kg-1;当地儿童通过食用鱼类和贝类摄入Cd、Cu、Pb、Ni和Zn的EWI分别为0.05、4.19、0.73、0.73、73.15 μg·kg-1和0.15、44.96、1.16、2.52、170.15 μg·kg-1。均低于PTWI,其健康风险不高;当地成人和儿童通过食用鱼类和贝类的EWI分别占PTWI的0.12%~3.07%和1.49%~8.37%。 表4 不同河流鲫鱼体内重金属含量水平比较Table 4 The concentrations of heavy metals in Carassius auratus from different rivers 注:“-”表示无对应值。 Note: “-”means no corresponding value. 表5 不同水生生物样品中重金属含量水平相关性分析Table 5 Correlation analysis of different heavy metals in aquatic species samples 注:**为在0.01水平上(双侧)显著性相关。 Note:**means significant correlation at the 0.01 level (on both sides). 表6 不同样品单一及复合重金属摄入的健康风险Table 6 The health risks of single or mixed heavy metals intake in different samples 注:*THQ为目标危害系数;*TTHQ为总目标危害系数。 Note:*THQ means target hazard quotient;*TTHQ means total target hazard quotient. 综上所述: (1)粤北星子河中不同类型水生生物体内重金属含量有明显差异,其中贝类生物体内更容易积蓄重金属,杂食性鱼类体内Cu和Zn含量较其他食性鱼类含量较高。 (2)利用复合健康风险系数评估粤北星子河中水产品对人体的健康风险,食用田螺可能会对人体产生健康风险。 参考文献(References): [1]孙静雯, 于宏兵, 李云飞. 松花江流域鱼体内重金属含量的监测与污染评价[J]. 南水北调与水利科技, 2013, 11(5): 29-33 Sun J W, Yu H B, Li Y F, et al. 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2.3 食用鱼类和贝类的重金属安全性评价