張小磊,王晶晶,安春華,李春發(fā),梁少民
1.河南省科學(xué)院地理研究所,河南 鄭州 450052;2.鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院,河南 鄭州 450052
魚類富含對(duì)人體健康有益的高蛋白、低飽和脂肪酸和歐米伽脂肪酸,是人體蛋白質(zhì)補(bǔ)充的重要來源(Guerin et al.,2011;覃東立等,2014),對(duì)人類體力和智力的發(fā)展具有重大作用,受到世界各地消費(fèi)者的喜愛,被視為日常生活中最為常見的食物之一。然而,近些年來,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們的生產(chǎn)、生活活動(dòng)強(qiáng)度不斷加大,導(dǎo)致大量重金屬進(jìn)入水體,引起水體重金屬污染,并通過食物鏈進(jìn)入魚類體內(nèi)(Qin et al.,2015;Yi et al.,2008)。魚類吸收重金屬后不能完全通過生物代謝作用排出體外,造成重金屬在魚體中的存留與累積(顧佳麗,2012),產(chǎn)生潛在的致癌、致畸、致突變風(fēng)險(xiǎn)(Sfakianakis et al.,2015;謝文平等,2014),帶來魚類的食用安全問題,已引起人們的高度關(guān)注。
目前,不同水體中魚類重金屬的相關(guān)研究資料有很多,主要集中在長江(Yi et al.,2017;Fu et al.,2013;曾樂意等,2012;余楊等,2013;張菲菲等,2017)、珠江(Liang et al.,2016;Kwok et al.,2014;謝文平等,2010)等流域,它們不同程度地揭示了各研究區(qū)域魚類中重金屬污染的特征及其健康風(fēng)險(xiǎn),具有十分重要的理論和實(shí)踐意義。已有的研究結(jié)果表明,黃河及其沿岸地區(qū)(簡稱沿黃地區(qū),下同)水體(Zuo et al.,2016)、沉積物(敖亮等,2012;焦保玉等,2015)和土壤(張鵬巖等,2013)中都存在一定程度的重金屬污染問題,這可能會(huì)對(duì)沿黃地區(qū)魚類中重金屬含量及食用安全造成影響,危害人體健康,故亟需開展魚類重金屬污染與健康評(píng)估的相關(guān)研究,但目前該地區(qū)此類研究尚為缺乏。由于鄭州市的魚類供應(yīng)主要來自人工養(yǎng)殖,隨著人們對(duì)魚類產(chǎn)品質(zhì)量安全及養(yǎng)殖環(huán)境關(guān)注度的提高,開展沿黃地區(qū)養(yǎng)殖魚類中重金屬污染與健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
沿黃地區(qū)緊鄰鄭州市區(qū),便利的水利和交通條件已使該地發(fā)展成為鄭州市及其周邊地區(qū)重要的水產(chǎn)品養(yǎng)殖與銷售集散地。本研究選取黃河南岸養(yǎng)殖魚類中較為常見的鯽魚(Carassius auratus)、鯉魚(Cyprinus carpio)、草魚(Ctenopharyngodon idellus)和鰱魚(Hypophthalmichthys molitrix)為研究對(duì)象,分析魚類體內(nèi)重金屬含量水平及污染特征,并采用健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型開展食用安全健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),旨在為了解沿黃地區(qū)養(yǎng)殖魚類中重金屬污染水平、開展環(huán)境及水產(chǎn)品安全評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。
采樣點(diǎn)分布于沿黃地區(qū)的鞏義市、滎陽市、惠濟(jì)區(qū)和中牟縣等4市縣(圖1)。
圖1 采樣位置分布示意Fig.1 Location of the sampling sites
分別于2016年10月和2017年4月對(duì)樣地漁場內(nèi)鯽魚、鯉魚、草魚和鰱魚4種常見經(jīng)濟(jì)魚類進(jìn)行采樣,共采集魚類樣品133尾。樣品采集后迅速冷藏并帶回實(shí)驗(yàn)室,測定魚類體長、體重(表1)。解剖后取肌肉組織(用不銹鋼刀具剔除魚刺)50~100 g于-20 ℃冰箱中冷凍保存。所有采樣工具和保存容器事先均按要求清洗凈化。
測定前將樣品置于室溫下解凍,用去離子水沖洗兩遍后晾干,再用不銹鋼剪刀剪碎,放入組織破碎器中均漿,然后冷凍干燥并用研缽研磨成粉末。
表1 采集魚類樣品基礎(chǔ)參數(shù)Table1 Characteristics of the sampled fish species
準(zhǔn)確稱取0.5 g樣品粉末于消解罐中,分別加入6.0 mL HNO3和2.0 mL H2O2,浸泡1 h后,擰緊罐蓋,放入微波消解儀中進(jìn)行消解。待消解結(jié)束,冷卻后加入0.5 mL HNO3并轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中,用適量超純水洗滌消解罐內(nèi)壁多次,合并洗液后定容,混勻待測。實(shí)驗(yàn)中所用 HNO3和H2O2均為優(yōu)級(jí)純。
采用電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)譜法(ICP-MS,美國 Thermofisher,ELEMENT-2型)測定樣品中Pb、Cr、Cd、Cu、Zn的含量,采用液相色譜-原子熒光光譜法(LC-AFS,北京海光,6000型)測定樣品中Hg和As含量(依照GB 2762—2017,本研究魚類樣品中的Hg和As分別指甲基Hg和無機(jī)As,下同)。
所有樣品進(jìn)行平行樣測定,以保證實(shí)驗(yàn)精度。采用加標(biāo)回收方法進(jìn)行質(zhì)量控制,每 10個(gè)樣品加入 2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW-10020),各元素加標(biāo)回收率在90.6%~108.2%之間。
采用均值型污染指數(shù)法進(jìn)行魚類重金屬污染評(píng)價(jià),計(jì)算公式為:
式中,P為某種魚體內(nèi)重金屬綜合污染指數(shù);n為重金屬種類個(gè)數(shù);Pi為第i種重金屬的單一污染指數(shù);Ci為第i種重金屬的實(shí)測值;Si為第i種重金屬的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
本研究以《農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量無公害水產(chǎn)品安全要求》(GB 18406.4—2001)、《食品中鋅限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13106—1991)和《食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)為參考確定Si(表 2)。
表2 魚類重金屬污染評(píng)價(jià)參考限量Table2 Reference limit of evaluation of heavy metal pollution in fish species
根據(jù)表3中的分別標(biāo)準(zhǔn)對(duì)P進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)(楊晨馳等,2013)。
表3 魚類重金屬污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table3 Classification standard of heavy metal pollution index in fish species
采用目標(biāo)危害系數(shù)(Target Hazard Quotient,THQ)評(píng)估魚類體內(nèi)單一重金屬對(duì)人體健康所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)(USEPA,2011),計(jì)算方法如下:
式中,EF為暴露頻率,365 d?a-1;ED為暴露時(shí)間,70 a;FIR為魚類攝入率,基于鄭州市居民飲食狀況調(diào)查資料,按26 g?person-1?d-1計(jì)算;C為魚類中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg?kg-1);RFD為參考劑量(mg?kg-1?d-1),見表 2;WAB為平均體質(zhì)量,60 kg;TA為平均暴露時(shí)間,25550 d。
該方法假定重金屬吸收劑量與攝入劑量相等,當(dāng)THQ大于1時(shí),說明暴露人群有明顯的健康風(fēng)險(xiǎn),且該值越大,風(fēng)險(xiǎn)越大;反之,則不存在健康風(fēng)險(xiǎn)(Yang et al.,2013)。
由于多種重金屬可以共同作用對(duì)人體健康產(chǎn)生危害,重金屬的復(fù)合目標(biāo)危害系數(shù)(TTHQ)等于各重金屬的THQ之和,即:
式中,THQi為i種重金屬的目標(biāo)危害系數(shù)。
運(yùn)用Excel 2007和SPSS 17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與統(tǒng)計(jì)分析。
沿黃地區(qū)養(yǎng)殖水體魚類中 Pb、Cr、Cd、Cu、Zn、Hg和As質(zhì)量分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(表4)表明:4種魚類中7種重金屬的檢出率都超過60%,其中,Cr、Cu和Zn更是全部檢出。所有樣品中Pb、Cr、Cd、Cu、Zn、Hg和 As的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍分別為 nd~1.183、0.010~1.413、nd~0.673、0.025~6.264、1.048~27.263、nd~0.476 和 nd~0.518 mg?kg-1,說明不同重金屬在魚體中的含量水平差異較大(P<0.05),平均含量表現(xiàn)為:Zn>Cu>Cr>Pb>As>Hg>Cd,且 Zn和 Cu的平均含量遠(yuǎn)高于其他重金屬。這可能是因?yàn)樽鳛樯匦璧奈⒘吭?,Zn、Cu更容易被魚體吸收,從而導(dǎo)致其在魚體中的含量水平偏高。
表4 沿黃地區(qū)養(yǎng)殖魚類中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)分析Table4 Statistical analysis of w of heavy metals in fish species
同市場售賣的魚類相比,沿黃地區(qū)養(yǎng)殖魚類中Pb、Cr、Cd、Cu、Zn、Hg和 As的平均含量與安徽蚌埠市市場售賣的相近(盛蒂等,2014);除Hg外,其他6種重金屬的平均含量均低于北京農(nóng)貿(mào)市場售賣的魚類的含量(劉平等,2011)。與珠江三角洲等自然水體中的魚類相比,本研究魚類Cd和Hg的平均含量處于較高水平,Pb和Zn處于相近水平,Cr、Cu 和 As則處于較低水平(謝文平等,2010)。與淡水貝類相比,本研究魚類重金屬的平均含量均處于較低水平(鄭翠玲等,2008)。這些差異可能是由魚類樣品的來源與數(shù)量、魚類自身的生物學(xué)特性及其生存環(huán)境的差異造成的。
由圖2可知,不同魚類中重金屬平均含量存在較大的差異。就Pb、Cd、Cu、Zn而言,均以草魚最高,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.325、0.074、1.525、8.232 mg?kg-1;其次是鯽魚和鯉魚,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.262、0.044、1.245、7.904 mg?kg-1和 0.259、0.039、1.135、7.114 mg?kg-1;以鰱魚最低,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0.219、0.026、0.834、5.919 mg?kg-1。就 Cr、Hg而言,鯽魚最高,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0.498、0.081 mg?kg-1;鯉魚和草魚次之,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.484、0.073 mg?kg-1和 0.449、0.045 mg?kg-1;鰱魚最低,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.412、0.042 mg?kg-1。就As而言,鯽魚最高,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.092 mg?kg-1;草魚和鯉魚次之,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0.085 mg?kg-1和 0.069 mg?kg-1;鰱魚最低,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.048 mg?kg-1。
圖2 不同魚類中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.2 The w of heavy metals in different fish species
魚類生活習(xí)性和食性的不同是影響魚體內(nèi)重金屬含量差異的關(guān)鍵因素。本研究中4種魚類的生活習(xí)性各不相同:鯽魚是以植物為主食的雜食性魚類,一般生活在水體底層;鯉魚是底棲雜食性魚類,葷素兼食;草魚是草食性魚類,幼魚期也吃一些幼蟲、蚯蚓等葷食,喜居于水體的中下層和近岸多水草區(qū);鰱魚是以浮游植物為主食的濾食性魚類,絕大多數(shù)時(shí)間活動(dòng)于水域的中上層。通常情況下,不同魚類中重金屬含量差異規(guī)律表現(xiàn)為:底層魚類高于中上層魚類、雜食性魚類高于植食性魚類(盛蒂等,2014;劉平等,2011)。這可以理解為與重金屬元素在魚體內(nèi)富集而產(chǎn)生的生物放大作用或與水體底層“泥-水”微界面重金屬釋放、遷移和轉(zhuǎn)化有關(guān)。換言之,即棲息于水體中下層的雜食性魚類,更容易接觸和吸收重金屬污染物質(zhì),并通過食物鏈的延長和營養(yǎng)級(jí)的增加,使重金屬在自身體內(nèi)積聚,從而導(dǎo)致這些魚類中重金屬含量水平的升高。本研究中,就水層空間分布而言,所有魚類均表現(xiàn)出了上述類似規(guī)律,然而,就食性而言,植食性的草魚中重金屬含量非但不低,大部分重金屬含量反而偏偏高。這與謝文平等(2010)的研究結(jié)論有所不同,而與劉平等(2011)對(duì)市場魚類的研究結(jié)論較為相似,可能是由不同水體中魚類的主要食物來源不同導(dǎo)致的。
現(xiàn)有的魚類重金屬評(píng)價(jià)研究中,污染指數(shù)法被廣泛采用。其中,重金屬單一污染指數(shù)可用于評(píng)價(jià)魚類中重金屬元素的累計(jì)污染程度,綜合污染指數(shù)可評(píng)價(jià)魚類的重金屬綜合污染程度。
依據(jù)魚類重金屬污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表3),重金屬單一污染指數(shù)評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。
重金屬單一污染指數(shù)表明(表5),Pb有71.43%的樣品處于Ⅲ級(jí)輕污染水平以上,其中13.53%的樣品超出了標(biāo)準(zhǔn)限值,構(gòu)成嚴(yán)重污染;Cr、Cu、Zn和Hg多數(shù)樣品處于警戒水平以下,其中Cu和Zn更是有超過半數(shù)的樣品達(dá)到了清潔水平;Cd有超標(biāo)樣品出現(xiàn),但超標(biāo)率很低,僅為4.51%,同樣以處于警戒水平以下的樣品為主;As相比其他重金屬污染程度較重,處于Ⅳ級(jí)中污染水平的樣品接近60%,并有12.78%的樣品超標(biāo)。
表5 魚類重金屬污染程度單一污染指數(shù)占比Table5 Proportion of single pollution index of heavy metal pollution in fish species %
結(jié)合表5和圖3可知,本研究中所有魚類重金屬污染均處于Ⅲ級(jí)輕污染水平,綜合污染指數(shù)具有種類差異,表現(xiàn)為草魚>鯽魚>鯉魚>鰱魚,說明草魚受到的重金屬綜合污染程度相對(duì)較重。研究發(fā)現(xiàn),草魚是當(dāng)?shù)貪O民養(yǎng)殖的主要魚種,并常搭配不同數(shù)量的鯽魚、鯉魚、鰱魚等進(jìn)行混養(yǎng),這有利于節(jié)約成本、增加收入。在此情況下,漁民只能以投喂草魚飼料為主,但這種飼料對(duì)鯽魚、鯉魚和鰱魚來說并不適口,其攝入量有限,它們的食物來源仍與野生狀態(tài)下類似。這就導(dǎo)致了在既定投食量下草魚能夠獲得更多的進(jìn)食機(jī)會(huì),引起體內(nèi)重金屬元素的較多積聚,從而使本研究中草魚重金屬綜合污染評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)高于其他魚類。
圖3 不同魚類重金屬綜合污染指數(shù)Fig.3 Comprehensive pollution index of heavy metals in different fishes species
依據(jù)4種魚類中重金屬的平均含量與成人日均魚類消耗量,對(duì)目標(biāo)危害系數(shù)進(jìn)行了估算。結(jié)果顯示(表6),鯉魚體內(nèi)單一重金屬目標(biāo)危害系數(shù)THQ排序?yàn)?Hg>As>Cr>Pb>Cd>Cu>Zn,而在其他 3 種魚類中則為 As>Hg>Cr>Pb>Cd>Cu>Zn,且在所有魚類中THQ的值均遠(yuǎn)小于1,表明沿黃地區(qū)養(yǎng)殖魚類中單一重金屬暴露對(duì)當(dāng)?shù)厝巳旱慕】碉L(fēng)險(xiǎn)不明顯。由表6還可知,在不同魚類中,TTHQ表現(xiàn)為鯽魚>鯉魚>草魚>鰱魚,其均值也均小于 1,可知日常食用沿黃地區(qū)養(yǎng)殖魚類安全性較高。
表6 不同魚類中重金屬目標(biāo)危害系數(shù)Table6 Target hazard quotients of heavy metals in different fish species
進(jìn)一步分析可知,不同重金屬對(duì)TTHQ的貢獻(xiàn)率存在較大差異(圖4)。As、Hg和Cr的平均貢獻(xiàn)率較高,分別為32.00%、26.23%和20.06%,總貢獻(xiàn)率高達(dá)78.29%,說明在沿黃地區(qū)養(yǎng)殖魚類中As、Hg和Cr是主要風(fēng)險(xiǎn)元素。研究表明(Hu et al.,2017),對(duì)人類健康造成威脅的主要重金屬包括As、Hg和Cr。As攝入后可能導(dǎo)致腎癌、皮膚癌和神經(jīng)紊亂;Hg攝入后直接沉入肝臟,對(duì)大腦、神經(jīng)、視力破壞極大;Cr攝入后可引起腎臟、肝臟、神經(jīng)系統(tǒng)和血液的廣泛病變,導(dǎo)致死亡。同時(shí)由于該地區(qū)土壤等介質(zhì)中 As、Hg和 Cr含量相對(duì)較高,且As為土壤中的重要污染元素(張鵬巖等,2013),因此應(yīng)加強(qiáng)沿黃地區(qū)養(yǎng)殖魚類中As、Hg和Cr健康風(fēng)險(xiǎn)防控。本研究并未就兒童攝食魚類后重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)展開評(píng)估,但由于兒童體質(zhì)與發(fā)育的特殊性,在后續(xù)研究中將把兒童的攝入風(fēng)險(xiǎn)作為健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的內(nèi)容加以單獨(dú)探討。
(1)沿黃地區(qū)養(yǎng)殖魚類中重金屬平均含量水平表現(xiàn)為 Zn>Cu>Cr>Pb>As>Hg>Cd,均未超過食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn);不同養(yǎng)殖魚類中重金屬的平均含量存在較大差異,總體上表現(xiàn)為中下層及底層魚類高于中上層魚類。
圖4 不同重金屬對(duì)TTHQ的貢獻(xiàn)率Fig.4 Contribution rates of different heavy metals to TTHQ
(2)7種重金屬中,Pb、As和Cd有超標(biāo)樣品出現(xiàn),但超標(biāo)率均較低,分別為 13.53%、12.78%和4.51%,其他重金屬的含量均處于食品中污染物限量范圍之內(nèi)。整體而言,沿黃地區(qū)養(yǎng)殖魚類中重金屬污染均處于Ⅲ級(jí)輕污染水平,且綜合污染程度具有種類差異,表現(xiàn)為草魚>鯽魚>鯉魚>鰱魚。
(3)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明,當(dāng)?shù)鼐用袢粘J秤醚攸S地區(qū)養(yǎng)殖魚類,重金屬暴露造成的健康風(fēng)險(xiǎn)較低,食用安全性較高。As、Hg和Cr對(duì)復(fù)合重金屬目標(biāo)危害系數(shù)的貢獻(xiàn)率達(dá)到78.29%,是主要風(fēng)險(xiǎn)元素。因此,需進(jìn)一步研究沿黃地區(qū)養(yǎng)殖魚類中As、Hg和Cr的污染來源并進(jìn)行有效防治,同時(shí)建議相關(guān)部門加強(qiáng)對(duì)該地區(qū)養(yǎng)殖魚類中As、Hg和Cr健康風(fēng)險(xiǎn)的防控。
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