膳食摄入水产品中重金属的风险评估

刘 冰，王 怡，朱艳杰，赵云霞，王 硕

（1天津科技大学食品科学与工程学院 省部共建食品营养与安全国家重点实验室教育部食品营养与安全国家重点实验室 天津 300457 2南开大学医学院 天津市食品科学与健康重点实验室 天津 300071）

水产品中的重金属污染来源有两种途径，分别为内源性和外源性污染。外源性污染进一步分为水质、土质等因素的污染，而内源性污染包括药物以及化学品的作用等。此外，外界环境因素，例如：工厂的三废排放以及饲料产品的质量问题等也很有可能引发水产品的重金属污染[1]。重金属的主要特点为毒性大、不易降解、易积累等[2]。当人体或动物摄入过多的重金属时，可能引发中毒，甚至危及生命，因此，应高度重视水产品重金属的污染问题并及时做好对其膳食风险的评估。

我国关于水产品质量问题的研究相对较晚，水产品中重金属含量的研究相对匮乏。李文艳等[3]以虾和蟹类为对象，研究了重金属元素镉对以上两种水产品毒性的影响，结果表明，镉能在一定程度上影响蟹和虾的生理结构、酶的生物活性以及生长发育等。宁劲松等[4]研究了青岛市贝类的重金属含量并对其风险系数进行评估，发现目前青岛市场中销售的贝类重金属含量合格，具有较高的安全性。吴烨飞等[5]评估了福建省甲壳类等水产品中砷、铅、镉和汞的含量，发现该省市鱼类和甲壳类等水产品中重金属超标，存在较大的安全隐患。蔡华等[6]对上海市水产品中的重金属含量进行分析，发现部分水产品重金属含量过高，例如：甲壳类等水产品中镉含量较高。

现有文献的研究主要是针对某一地区开展，侧重于样品中污染物含量的检测，且样品数量有限，测定结果不具备代表性，无法用来表示所有人群的膳食风险。概率评估可以更好地量化评估结果的变异性和不确定性，并能为风险评估提供更科学、直观的依据。蒙特卡洛模拟作为一种统计试验方法，通过随机抽样，结合概率论等相关知识来调查分析。依据美国国家科学院（NAS，National Academy of Sciences，United States） 和美国国家环境保护局（USEPA/EPA，United States Environmental Protection Agency）的建议，该法目前成功应用于食品安全风险评价方面[7-9]。本研究运用水晶球软件对水产品中重金属残留的风险概率进行评估。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

主要试剂：浓硝酸（优级纯）、双氧水（优级纯），国药有限公司。

主要仪器：7500cx 电感耦合等离子体质谱仪，美国安捷伦公司；Milli-Q 超纯水系统，美国Millipore 公司；5804 R 离心机，德国Eppendorf 公司；SHZ-D（III）循环水式真空泵，巩义市予华仪器有限责任公司；SB-5200D 型超声波清洗机，宁波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 样品采集及处理

样本来自天津、浙江和广东三省的大型海鲜市场、农产品市场和超市[10]。采样遵循随机抽样原则，采集生活中居民食用较多的4 类水产品。

根据相关国家标准[11]，检测水产品中砷（As）、铅（Pb）、铬（Cr）、汞（Hg）和镉（Cd）这5 种重金属的含量。

1.3 数据来源

1.3.1 人群体重和摄入量数据 根据《中国居民营养与慢性病状况报告（2015年）》和《中国居民营养与健康调查报告之十2002年中国居民营养与健康状况数据集》等，获取体重及水产品日摄入量等数据。经统计、分析和整理发现，我国居民平均体重和日人均水产品摄入量分别为61.8 kg 和29.6 g。表1为我国居民不同年龄阶段的平均体重及水产品日摄入量情况[12-13]。

表1 不同年龄组人群体重和每人每日水产品摄入量Table 1 Weight and daily intake of aquatic products per person by different age groups

1.3.2 相关毒理学数据 参考剂量（RfD）是美国国家环境保护局提出的一种危险度评价指标，取值参考食品添加剂联合专家委员会（Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives，JECFA）[联合国粮农组织（FAO） 和世界卫生组织（WHO）下属组织]制定的每周耐受摄入量（Provisional Tolerable Weekly Intake，PTWI） 及中国营养学会（Chinese Nutrition Society，CNS）制定的相关标准[14-16]。水产品中重金属标准限量按照国家标准（GB 2762-2017）及农业行业标准（NY 5073-2006）[17-18]执行。

表2 重金属每人每日参考摄入量（RfD）取值及参考依据Table 2 Daily reference intake（RFD） of heavy metals per person and reference basis

表3 水产品中重金属标准限量（mg/kg）Table 3 Standard limits for heavy metals in aquatic products（mg/kg）

1.3.3 未检出值处理 在分析检测结果时，综合考虑各种因素，同时结合现行国际标准，当含量不足以达到检测限时，将其赋值为1/2LOD[14-15]。

1.4 风险评估方法

风险评估是评价事件发生风险的重要指标，能够在一定程度上评判出危害发生的概率。根据内容划分，可将其分为4 个部分，分别为危害识别、危害特征描述、暴露评估以及风险特征描述等[19]。

1.4.1 危害识别 危害识别的是指对不利于人体健康风险因子的识别。依据国际食品法典委员会的规定，危害识别主要是指识别食品中危害人体健康的各种因素，包括化学、生物和物理因素等[20]。

1.4.2 危害特征描述 危害特征描述是指在人体处于包含各种风险因子的环境时，评估这种风险因子会对人体产生何种不利影响。危害特征描述需要结合危害识别、暴露评估等多种因素[20]。

1.4.3 暴露评估 暴露评估是一种计算风险因子在人体残留量的过程。首先需要描述危害物进入人体的渠道，然后经过一系列的计算过程评价其进入人体的总量，进而计算出不同摄入量对人体造成的危害。其计算指标包括危险物暴露强度、暴露时间和暴露频率等。其数学表达式为：

式中，EDI——日均污染物暴露量 【mg/（kg·d）】；IR——日均膳食摄入量（g/d）；C——污染物浓度（mg/kg），由大量检测数据所得模型随机抽样获得[21-23]；EF——居民的暴露频率（d/年）；ED——暴露持续时间（年）；BW——人体的平均体重（kg）；AT——居民平均暴露时间（d）。

1.4.4 风险特征描述 风险特征描述是综合评估前3 个阶段所得数据的结果，是预测和估计人类接触对健康有不良影响的风险因素的可能性。评估在不同的接触模式和条件下对人体健康造成危害的风险因素的强度或可能性的过程。

本文以风险熵（HQ）为评价参数，对沿海地区居民摄入水产品的健康风险进行评价。评价指标包括重金属日均暴露量（EDI）和参考剂量（RfD），计算两种指标的具体数值并求其比值。其数学表达式为：

式中，HQ——风险熵；EDI——日均污染物暴露量 【mg/（kg·d）】；RfD——参考剂量 【mg/（kg·d）】。居民摄入某种食物的健康风险与风险熵呈正比，即风险值越高，则居民摄入食物的健康风险也就越大[21-23]；当HQ<1 时，可认为居民膳食摄入某种食物的污染物对暴露人群没有明显的健康风险。

1.5 数据分析方法

数据分析采用Origin 2017 和Excel 2019 软件。使用水晶球软件进一步处理数据，评价结果的污染物暴露量及其危害风险。

2 结果与分析

2.1 沿海地区水产品中重金属污染总体分布

根据食品安全国家标准（GB 2762-2017），沿海地区水产品中As 超标率较高，达到52.74%，并且Cd 和Pb 含量较高，超标率分别为11.99%和6.51%，其余结果见表4。

表4 沿海地区水产品中Cr、As、Cd、Hg 和Pb 含量的总体分析Table 4 Overall analysis of Cr，As，Cd，Hg and Pb contents in coastal aquatic products

2.2 居民膳食摄入水产品中重金属风险评估

2.2.1 暴露评估拟合结果 采用水晶球软件分析样品中重金属含量，采用A-D（Anderson Darling）、K-S（Kolmogorov-Smirnov）和χ2（Chi-Square）3 种统计检验方法检验函数曲线的拟合度。对以上3 种检验方法进行评价拟合，得出最优的函数分布[24]。采用蒙特卡罗模拟法对样品中重金属含量进行拟合分析，结果表明，样品中重金属Cr、Cd、Hg 和Pb 含量符合对数正态分布，As 含量数据符合伽马（Gamma）分布，模型相关参数见表5。

2.2.2 数据来源与参数设置 运用水晶球软件，基于沿海地区水产品中5 种重金属的检测数据建立模型，并根据蒙特卡罗模拟法进行风险评估。在每个模拟过程中进行10 000 次迭代。分布类型及参数见表5。数据来源于《中国居民营养与慢性病状况报告（2015年）》[12]及《中国居民营养与健康调查报告之十2002年中国居民营养与健康状况数据集》[13]。

表5 居民膳食摄入水产品重金属的暴露评估参数Table 5 Exposure assessment parameters of heavy metals in dietary aquatic products

2.2.3 沿海居民膳食摄入水产品中重金属风险评估 以摄入量和含量分布为评价指标，对膳食中摄入重金属的安全风险进行评估。表6为沿海居民从水产品中摄入重金属量的暴露评估结果，图1为其风险概率评估结果。

由表6可以看出，Cr 的平均暴露量及其高百分位数值远低于中国营养学会（CNS） 建议的Cr每日参考剂量，Pb 的暴露量较小，不会对人体产生较大的安全隐患，并且，其暴露量符合国际参考标准。As、Cd、Hg 含量在国际组织规定的参考剂量之下，然而由于其高百分位数值超出建议值，因此存在一定的安全隐患。

表6 沿海居民膳食摄入水产品中重金属日暴露量【mg/（kg·d）】Table 6 Daily exposure of heavy metals to dietary intake of aquatic products by coastal residents [mg/（kg·d）]

图1为每种重金属在不同暴露百分位点情况下的风险概率分布。结果显示，随着暴露百分位数的增加，每种重金属的风险概率也随之增加，总体来看，除砷（As）和镉（Cd）外，其余重金属风险概率均在1 以下，表明Cr、Hg、Pb 的少量残留不会对人体有较大危害。相比之下，当暴露百分位数为99.9时，砷和镉元素的风险概率超过1，表明水产品中砷和镉对人体健康存在一定的安全隐患。

图1 沿海居民膳食摄入水产品中重金属风险概率分布Fig.1 Risk probability distribution of heavy metals in coastal residents' dietary intake of aquatic products

2.2.4 不同年龄组居民膳食摄入水产品中重金属风险评估 基于数据分布模型和膳食暴露评估模型，使用蒙特卡罗模拟方法进行风险评估。不同年龄组居民膳食摄入水产品中重金属暴露评估结果及日暴露量结果见图2。

图2 不同年龄组居民膳食摄入水产品重金属的日暴露量概率及风险概率评估Fig.2 Daily exposure probability and risk probability assessment of dietary heavy metals in different age groups

由图2可知，同一重金属，不同年龄组居民膳食摄入水产品中重金属的日暴露量概率及风险概率评估结果存在明显差异。儿童（0～6 岁）和少年（7～17 岁）因体重偏低，故膳食摄入水产品中重金属的日暴露量和风险概率均较高。另外，需要关注的是不同重金属之间，膳食摄入暴露量及风险概率也存在明显差异。从风险概率评估结果的平均值来看，所有人群膳食摄入水产品中重金属风险都较低，远低于1。同一种类的重金属对不同年龄阶段的人群会产生不同的影响，对其健康的安全隐患也不尽相同。研究发现，水产品中重金属摄入风险与年龄呈反比，即年龄越大，水产品重金属摄入风险就越低。而对相同年龄阶段的居民而言，水产品中重金属摄入风险与暴露百分位点呈正比，即百分位点越高，摄入重金属的风险就越大。总体来看，水产品中铬元素的含量较低，其摄入风险值较低。而其它4 种重金属元素容易对儿童产生不利影响，在高百分位点的情况下，儿童对As、Cd、Hg、Pb 4 种重金属的摄入风险值在1 以上，表明过量的水产品不利于儿童的健康发展。综上可知，5 种重金属膳食摄入风险概率为As>Hg>Cd>Pb>Cr。

2.3 膳食摄入水产品中重金属风险评估模型验证

通过重新少量采集我国天津、浙江、广东大型海鲜市场、农贸市场以及大型超市的水产品样品[25]，运用上述模型对数据进行分析验证。选取儿童摄入水产品中重金属风险为例，具体结果如表8所示。2.3.1 水产品中重金属污染分布情况验证 由表7可知，重金属Cr 超标率为0，整体超标情况为As>Cd>Pb>Hg>Cr。与表4结果基本一致。

表7 水产品中Cr、As、Cd、Hg 和Pb 含量的总体分析Table 7 Overall analysis of Cr，As，Cd，Hg and Pb contents in aquatic products

2.3.2 儿童膳食摄入水产品中重金属风险概率评估结果验证 采用上述评估模型对数据进行处理和分析，采用水晶球软件对模型进行验证，结果见表8。

由表8可知，儿童膳食摄入水产品As、Cd、Hg、Pb 在高百分位上风险概率大于1，说明这4 种重金属对于儿童存在潜在风险。As、Cd、Hg 膳食摄入风险大于Pb，Cr 风险概率评估结果小于1。验证结果与上述结果相似度较高，说明拟合模型具有一定可信度。

表8 儿童膳食摄入水产品中重金属风险概率评估结果[mg/（kg·d）]Table 8 Results of risk probability assessment of heavy metals in children's dietary ingestion of aquatic products [mg/（kg·d）]

3 结论

本研究选取大量样本，对不同地区的水产品进行重金属含量检测，得到水产品中不同重金属的分布情况。从危害识别、危害特征描述，暴露评估及风险特征描述4 个方面分析水产品中的重金属含量，评价其对居民潜在的安全风险。随后，采用水晶球软件对重金属含量进行拟合分析，依据A-D、K-S 和χ2共3 种检验方法来检验。综合3 种评估拟合结果，确定最佳分布类型及参数。应用蒙特卡罗模拟法，根据分布情况得到某重金属含量，以此为依据对其进行暴露评估。最后，计算不同重金属的风险熵，就水产品对人体造成的危害进行识别划分，为水产品的监管提供依据。