基于电感耦合等离子质谱检测对虾中重金属及其健康风险评价

严 峰,杨路瑶,汪 伦

(1.海南大学海洋学院,南海海洋资源利用国家重点实验室,热带生物资源教育部重点实验室,海南省热带水生生物技术重点实验室,海南海口 570228; 2.无锡市恒信安全技术服务有限公司,江苏无锡 214028)

食品安全问题一直我国民众关注的热点和焦点,水产品作为食品的重要组成部分,其质量安全关乎消费者的生命健康[1]。随着我国工业和经济的迅猛发展以及城市化进程的快速推进,大量的工业废水和生活污水排入释放到环境中,使得各种环境介质遭受着各种污染,海洋环境同样如此[2-4]。海水和沉积物中的污染物可被海洋生物吸附,然后通过食物链的传递,在鱼虾类水产品中富集,从而对消费者的健康和安全产生威胁[5-6]。

对虾,学名东方对虾,又称中国对虾、中国明对虾、斑节虾，属于节肢动物门,软甲纲,十足目,对虾科,对虾属。对虾肉质松软,营养丰富,味道鲜美,还富含微量元素,具有减少胆固醇含量、扩张冠状动脉、防止动脉硬化、预防高血压及心肌梗死等功能,具有重要的经济价值和食用价值[7-8]。我国是世界上最大的对虾生产国,也是重要的对虾消费国。因而对虾的质量会影响着我国消费者的健康和安全。目前水产品的污染物已经受到了国内外研究者的广泛关注,包括持久性有机污染物和重金属[9-10]。然而我国研究者对于对虾中重金属的研究还鲜有报道。王彩蕴等[11]运用火焰原子吸收分光光度法测定了对虾及其生长环境中重金属锌。卢元玲[12]运用石墨炉原子吸收光谱仪测定了对虾、对虾养殖水体和饲料中重金属的浓度。对于对虾中重金属的前处理方法的研究也较少。因而目前国内有关对虾中重金属的数据以及其对消费者健康风险的认识还非常有限。

本文基于微波辅助消解和ICP-MS,建立了一种对虾中重金属测定的方法,运用基质加标和GBW10050(GSB-28)大虾成分标准物质中的9种重金属元素含量的测定考察其方法的可靠性,并运用该方法测定了海口市售对虾中重金属的浓度。最后运用健康风险评估模型定性定量的评估了对虾摄入对人群的致癌风险和非致癌风险,可以为更好的认识对虾中重金属的危害提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

双氧水(分析纯) 海南言成实业有限公司;硝酸(分析纯) 海南天磊生物科技有限公司;Ar(纯度为99.999%) 海南加滕化工气体有限公司;对虾样品(20只) 海口水产品综合批发市场(体长均匀,长约20厘米,重约50 g);Mn、Cu、Zn、Cd、Cr、As、Pb、Co、Ni的标准品 北京万佳首化公司;大虾生物成分分析标准物质GBW10050(GSB-28) 北京世纪奥科生物技术有限公司。

7500A电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS) 美国安捷伦公司;MARS微波消解仪 美国培安公司;SCIENTZ-25T冷冻干燥机 宁波新芝生物科技股份有限公司;Milli-Q超纯水纯化系统 美国默克默理博公司。

1.2 实验方法

1.2.1 标准溶液配制 标准溶液和内标溶液的配制方法如下:用1%的硝酸溶液将1000 μg/mL的Mn、Pb、Ni、Cu、Zn、Cr、As、Cd和Co的混合标准溶液逐级稀释成浓度为0.1、0.5、1.0、5.0、10.0、20.0、50.0 μg/L的标准工作曲线溶液。用1%的硝酸溶液将浓度为1000 μg/mL的Bi和Sc内标溶液稀释成10 μg/mL。

1.2.2 对虾的预处理 为减少由于对虾表面的污泥而引起的测定误差,本次实验对虾先用超纯水清洗,去头、剥壳,然后在-80 ℃超低温冰箱中冷冻30 min,再经冷冻干燥机中冻干,粉碎研磨后过50目筛。最后样品保存在-20 ℃冰箱中,以待分析。

1.2.3 对虾中金属元素的测定 分别称取0.5 g虾肉样品放入消解罐中,加入5 mL浓硝酸溶液之后,继续加入2 mL浓度为30%的双氧水溶液,放入微波消解仪中,设置温度为100 ℃,功率为1000 W,时间为1 h。然后放气,冷却至室温,放气,然后按照以下四道程序进行微波消解:四道程序功率均为运行功率为1000 W,第一次升温至90 ℃,升温时间10 min,维持该温度6 min,然后设置第二道程序升温至125 ℃,升温时间14 min,维持该温度7 min。第三道升温程序设置为升温至175 ℃,升温时间为15 min,维持该温度8 min。第四道升温程序设置为升温至200 ℃,升温时间为16 min,维持该温度9 min。消解完毕后,冷至室温。打开消解罐,用少量水冲洗上盖内壁,合并至罐中。将消解罐置于智能控温电加热器中赶酸(140 ℃),待溶液剩约1 mL时,用水洗涤消解罐(3次),洗液合并于50 mL 塑料容量瓶中,加入定量内标,用超纯水定容,过0.22 μm的膜,等待上机测定。同时测定3份平行样品和空白样品。

ICP-MS程序:分析模式为定量分析;射频功率为1350 W;采样锥为铂锥;采样深度为6.5 mm;等离子体气流速为16.0 L/min;载气流速为1.0 L/min;辅助气流速为1.0 L/min;雾化室温度为2.0 ℃;积分时间为0.3 s;采集次数为3次;分析测试前用10 μg/L的Li、Y、Tl、Ce的调谐液按照安捷伦公司提供的使用说明对ICP-MS灵敏度进行调谐,使仪器达到分析测定要求,同时用调谐溶液做P/A调谐,使Li、Y、Tl、Ce的检测浓度达到分析要求。

1.2.4 加标回收实验 为了验证方法的可靠性,选GBW10050(GSB-28)大虾成分标准物质,对大虾成分标准物质中加入三个不同浓度的标准溶液做基质加标实验,加标量分别为0.4、1.0和2.0 μg/g,然后按照1.2.2和1.2.3的方法进行预处理和仪器分析。

1.2.5 标准物质的测定 为了验证方法的精密性,按照1.2.2和1.2.3的方法,对大虾成分标准物质GBW10050(GSB-28)中9种重金属(Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb)的浓度进行测定,以考察测定浓度和实际浓度的标准偏差。

1.2.6 健康风险模型 所测定的9种重金属元素中,Cr和As两种通过口腔摄入暴露会对人体产生致癌风险[13-14],而其他7种元素目前还没有相关研究表明其通过口腔摄入暴露会对人体产生致癌风险,因此本文的致癌风险评估仅针对这两种元素。

成人消费者通过日常的对虾摄入暴露对人体的致癌风险由公式(1)计算。

TCR=(CCr×SFCr+CAs×SFAs)

式(1)

式中：TCR是对虾样品中Cr和As两种元素对成人消费者的总致癌风险；CCr和CAs是对虾中Cr和As的浓度(μg/g);SFCr和SFAs是Cr和As两种元素致癌斜率因子(day·kg/mg)(表1)[13-14];IR是成人消费者每天的虾摄入量(1.39 g/day)[6];EF是暴露频率(365 day/year)[6,11];ED是暴露时间(53 year)[6];CF是转换因子(1);BW是成人的体重(60 kg)[15];AT是平均寿命(70 year)[6,15]。

表1 重金属元素的RfD和SF值Table 1 Values of RfD and SF of heavy metal elements

在本文所测定的9种重金属元素中,文献[13-14]表明9种元素通过口腔摄入暴露都会对人体产生非致癌风险,因此本文的非致癌风险评估针对所测定的9种元素。成人消费者通过日常的对虾摄入暴露对人体的非致癌风险由公式(2)计算。

式(2)

式中：TNCR是对虾样品中9种元素对成人消费者的总非致癌风险；Ci是对虾中9种金属元素的浓度(μg/g);RfDi是对虾中9种金属元素的非致癌斜率因子(mg/kg/day)(表1)[13-14];IR是成人消费者每天的虾摄入量(1.39 g/day);EF是暴露频率(365 day/year);ED是暴露时间(53 year);CF是转换因子(1);BW是成人的体重(60 kg);AT是平均寿命(53 year)[6,14]。

1.3 数据处理

本研究运用WPS和Microsoft Excel进行数据的统计分析,运用蒙特卡洛模型进行健康风险的模型计算。

2 结果与分析

2.1 加标回收及精密度实验

为了验证微波消解ICP-MS联用技术进行对虾样品中重金属测定的可靠性,本文进行了基质加标实验。实验选用GBW10050(GSB-28)大虾成分标准物质,分别加入三个不同浓度的标准溶液(加标量分别为0.4、1.0和2.0 μg/g)。表2为不同元素的标准曲线和相应的相关性系数,可以看出9种元素的R2均大于0.999,表明具有较好的线性关系。不同元素不同加标浓度的测定情况见如表3所示。从表3可以看出,在0.4、1.0和2.0 μg/g的加标水平,9种重金属元素的加标回收率处于(87.5%±12.2%)～(95.7%±1.8%)之间,表明该方法具有较高的准确性和稳定性。

表2 标曲的线性方程和决定系数(R2)Table 2 Standard curves and coefficients of determination(R2)

表3 标准大虾样品GBW10050(GSB-28)中各重金属元素的加标回收率Table 3 Results of recovery test of each heavy metal element in national reference standard materials of prawns GBW10050(GSB-28)

2.2 标准物质的测定

由于样品基体的复杂性和多样性,为确保本次方法的准确性和精确度,在选定的条件下分析了大虾成分标准物质GBW10050(GSB-28)中的9种重元素含量,结果见表4。从表4可以看出,各元素的回收率的变化范围为87.6%～110%,测定值均在标准值允许误差范围[16-17]。

表4 微波消解ICP-MS联用对大虾成分标准物质GBW10050(GSB-28)中各重金属元素的测定结果(μg/g)Table 4 Analytical results of heavy metal elements in national reference standard materials of prawns GBW10050(GSB-28)(μg/g)

2.3 海口市售对虾中重金属含量

运用所建立的前处理方式对海口市售对虾样品中的9种重金属进行了检测,具体结果见表5。可以看出,9种重金属元素在所有的对虾样品中均有检出。其中检出率和检出浓度最高的为Zn、Cu和Mn这三种常量元素，其检出率为100%,其他6种元素的检出率在32.2%～96.4%。检出浓度最高的为Zn,其浓度为(55.22±41.25) μg/g,其次为Cu(22.3±11.7) μg/g和Mn(8.2±4.4) μg/g,然而Cr、Ni、As、Pb、Cd和Co的检出浓度较低,均低于1 μg/g。

为保护消费者的健康,我国农业部和卫生部针对水产中重金属的浓度,前后颁布了几部国家质量标准,主要有GB2762-2012《食品安全国家标准食品中污染物限量》、GB/T18406.4-2001《农产品质量安全无公害水产品安全要求》、NY5073-2006《无公害食品 水产品中有毒有害物质限量》以及NY5158-2005《无公害食品淡水虾》,其对对虾中各金属元素的限量值见表5。可以看出,除目前的国家标准缺少所测得的Co、Ni和Zn三种元素外,其他6种元素的含量均低于我国现行的参考标准,初步表明对虾样品中重金属对消费者健康的潜在威胁有限。

表5 海口市售对虾样品中重金属的含量、检出率和国家限量值Table 5 Concentration,detection rates and corresponding thresholds of heavy metal elements in prawns

目前,国内也有研究者对不同区域对虾中重金属的浓度进行了测定。刘丽等[16]测定了湖南对虾中Pb和Cd的浓度,其浓度分别为0.0347～0.0812 mg/kg和为0.0084～0.0438 mg/kg。与本研究相比,污染水平相当。陈雪昌等[1]浙江海域海捕虾中甲基汞、As、Pb和Cd的平均浓度分别为0.0315、0.140、0.0425和0.0743 mg/kg,其污染水与本研究相当[1]。张英武等[19]人研究了泉州湾对虾中6种重金属(Cu、Cr、Cd、Pb、Hg和As)的浓度,结果表明其浓度分别为2.66、0.38、0.31、1.31、0.01和0.81 mg/kg。本研究中Cu和Cr的浓度比泉州湾的更高,但是和As的浓度比泉州湾的低很多。有研究表明,虾蟹贝体内污染物的浓度主要与沉积物中污染物的浓度和沉积物中有机碳的含量有关,因此这可能是与虾类生长环境中(沉积物)污染物浓度和有机碳浓度的差异有关[18-19]。

2.4 海口市售对虾样品中重金属对消费者的健康风险

为了更深入更好的了解对虾中重金属对人群的致癌风险和非致癌风险,本文运用USEPA推荐的健康风险评估模型结合蒙特卡洛模拟定性定量的评估重金属对成人消费者的健康风险。

对虾中Cr和As对消费者的致癌风险见表6和图1。从表6可以看出对虾中两种重金属对消费者的5%、均值、中值和95%致癌风险分别为4.16×10-6、1.06×10-5、9.05×10-6和2.14×10-5。通常致癌风险小于10-6表明污染物对人群的致癌风险基本可以忽略,当致癌风险处于10-6和10-4之间表明污染物对人群存在潜在的致癌风险,而当致癌风险大于10-4时,表明存在非常大的致癌风险[21-23]。在本研究中,对虾中两种重金属对消费者的总致癌风险大于10-6但是小于10-4,表明存在潜在的风险但尚不严重。此外对虾中9重金属对消费者非致癌风险分别为2.18×10-2、3.69×10-2、3.43×10-2和6.00×10-2。通常非致癌风险小于1表明污染物对人群不存在明显的非致癌风险,当非致癌风险大于1时,表明污染物对人群存在严重的非致癌风险[24-26]。在本研究中,对虾中9种重金属对消费者的5%、均值、中值和95%非致癌风险均远小于1,表明本文所研究的市售对虾中的9种重金属对消费者不存在明显的非致癌风险。此外,因为本研究的样品采集量相对较小,对虾样品仅采集了一次,且没有考虑季节性差异等因素,因此风险评估的结果会有一定的不确定性。

表6 海口市售对虾中重金属对消费的健康风险Table 6 Health risks of heavy metal elements in prawns from Haikou city for consumers

图1 海口市售对虾中重金属对消费者的致癌和非致癌风险Fig.1 Cancer and non-cancer risk of heavy metal elements in prawns from Haikou city for consumers注：a:致癌风险；b:非致癌风险。

3 结论

本文建立一种微波辅助消解ICP-MS方法用于测定对虾中重金属的含量并用于评估海南市售对虾中重金属的浓度。结果表明在0.4、1.0和2.0 μg/g的加标水平,9种重金属元素的加标回收率处于(87.5%±12.2%)～(95.7%±1.8%)之间,表明该方法具有较高的准确性和稳定性。在选定的条件下分析了GBW10050(GSB-28)大虾成分标准物质中的9种重元素含量,各元素的回收率的变化范围为87.6%～110.0%,测定值均在标准值允许误差范围。9种重金属元素在所有的海口市售对虾样品中均有检出。其中检出率和检出浓度最高的为Zn、Cu和Mn这三种常量元素，其检出率为100%,其他6种元素的检出率在32.2%～96.4%。对虾中Cr和As对消费者的5%、均值、中值和95%致癌风险分别为4.16×10-6、1.06×10-5、9.05×10-6和2.14×10-5,表明存在潜在的风险但尚不严重。对虾中9重金属对消费者的5%、均值、中值和95%非致癌风险均远小于1,表明本文所研究的市售对虾中的9种重金属对消费者不存在明显的非致癌风险。