不同砷形态在水产品中的毒理及转化研究进展

刘香丽，汪 倩，宋 超，范立民，孟顺龙，裘丽萍，陈家长,

（1南京农业大学无锡渔业学院，江苏无锡214081；2中国水产科学研究院淡水渔业研究中心，江苏无锡214081；3农业农村部水产品质量安全环境因子风险评估实验室（无锡），江苏无锡214081；4农业农村部水产品质量安全控制重点实验室，北京100000）

0 引言

砷(As)是一种普遍存在的类金属元素，水环境中的砷元素位列第14位，人体内砷位列第12位[1]。在化学元素周期表中砷位于第四周期第五主族，与N、P元素位于同一主族，所以五价态的砷和五价态的氮磷元素有着相似的理化性质[2]，当砷的价态处于五价时，生物细胞很容易误吸收As，致使细胞膜的转运系统紊乱，影响机体新陈代谢。研究表明[3]，AsB的性质类似于甜菜碱，一种含氮甜菜碱，在盐度改变时发挥着渗透剂的作用以维持细胞内外渗透压平衡，其五价氮离子性质与五价砷很相似，这也就是海藻类中无机砷和砷甜菜碱含量高的原因。砷原子序数是33[4]，原子质量是74.92，熔点817℃，沸点615℃，熔点和沸点可以作为AAS和AFS等光谱分析方法检测砷含量时的参考。

自然界中的砷除了天然单质砷外，还包括有砷化物矿、氧化物矿、硫化物矿和砷酸盐矿，海洋水体中的砷大部分就来自于这些含砷矿物质，研究表面[5]海水中的砷含量为2 µg/kg，淡水一般为0.4～80 µg/kg。对砷的研究主要集中在海产品，淡水水产品相对而言较少，原因是海水中海藻类富集砷能力强，通常是海水砷含量的1000～10000倍，通过食物链逐级富集最终在海产品中大量存在，海洋生物总砷含量为1～100 mg/kg[6]。孟昭宇[7]通过对中国沿海水产品中砷形态的研究发现，有机砷是水产品最主要的形式，其中砷糖是海藻类中最主要的含砷化合物，在鱼类虾类和贝类中，二甲基砷酸、砷甜菜碱和砷胆碱等有机砷化合物约占总砷的80%，砷糖和MMA 很少。人类体内的砷含量约90%来自水产品，如果人类一次摄入砷过量，则会引起急性或亚急性中毒，表现为恶心、头疼、呕吐、浑身无力和腹泻等征兆；若长期暴露在砷的环境中，长时间的饮用被砷污染的水体或者食用含砷残留的水产品，均可导致慢性中毒，严重的可诱发皮肤癌、肺癌和膀胱癌。进入人体内的砷广泛存在于各种组织，尤以毛发、指甲和皮肤含量最高[8]。本研究在前人基础上对水产品不同砷形态毒性机理和转化机制研究，拟深入了解在水产品体内无机砷和有机砷之间的转化机制，以期改变相应条件阻断无机砷和有机砷的毒性放大效应，同时也可为以后研究砷形态提供理论参考，为后续的水产品膳食风险评估给予指导意义。

1 水产品中砷的来源途径

1.1 水环境

水体是水产品直接接触的环境，体内的砷也是直接或间接从水环境中摄取的，对虾蟹鱼类来说最直接的方式就是通过鳃和体表带入体内，同时也能通过食物链条在体内逐级富集，但其富集的能力不及海藻类。砷可以用于冶金、制药和农业等领域，也可以合成金属合金和半导体材料[9]，甲基砷酸盐、砷酸铅和砷酸钙可以用来制作杀虫剂；亚砷酸盐可以用来制作除草剂；砷酸铬、砷酸铜和砷酸锌可以起到防止木材腐烂的作用，甚至还可以添加在化妆品和保健品中，其应用越广泛，对水环境和大气环境带来的威胁越严重。水环境中砷的来源主要有2 个途径：（1）工厂污水的排放。制造含砷制剂和含砷农药的化工厂排放的污水含有砷金属，如果没有达标直接进入水体，就会造成水环境大面积的砷污染；（2）岩石和土壤的风化、含砷矿石的冶炼可以通过大气沉降、地表径流进入水体[10]。

1.2 水产饲料的投入

砷虽然是一种有毒的类金属，但少剂量添加在动物饲料中可以起到刺激动物生长发育和抗菌消炎的作用，还可以改善动物肉质。如果投喂用量过大、投喂频率过多，也会造成水产品体内砷代谢负担增大，导致砷残留超标。依据GB 13078—2001《饲料卫生标准》中规定，砷（以总砷计）在肉粉、鱼粉和肉骨粉中的添加量不得大于10 mg/kg[11]。

砷元素几乎不溶于水，一旦进入水体，一方面被虾蟹鱼贝类、海藻类富集，另一方面通过絮凝作用沉入水底，底泥中的砷在微生物作用下不断的被氧化还原，如遇风雨天气，底泥中的砷离子经过搅动重新进入水体，继续被水生动物富集，如此恶性循环，最终导致整个水生生态系统功能紊乱，由此看来控制污水的排放和加强水产饲料的管理可以减小砷对水环境以及水产品的危害。

2 砷在水环境中的形态、毒性及检测方法

砷分为有机砷和无机砷，一般认为，以原子共价键结合其他物质形成的砷化合物称为有机砷，砷以离子共价键结合而成的为无机砷。常见的无机砷形式有常温下气态的氢化砷（AsH3，可溶于水）、固态的As2O3和As2O5，后两者溶于水分别形成亚砷酸盐和砷酸盐；常见的有机砷形态有MMA（一甲基砷酸）、DMA（二甲基砷酸）、AsB（砷甜菜碱）、AsC（砷胆碱）、TMAO（三甲基砷氧化物）、TETRA（四甲基砷离子）、砷糖(Arsenosugars)和砷脂(Arsenolipids)。

2.1 无机砷As3+和As5+

无机砷的两种价态，也是大气环境流入水体的最直接形式，溶于水成为亚砷酸盐As(OH)3和砷酸盐AsO(OH)3，而后经过水生生物一系列的迁移和转化最终成为有机砷。研究表明在深海中无机砷的主要形式时As5+，在海洋表层则主要是As3+、MMA、DMA，原因是表层水中丰富的微生物可以将高价态的砷还原为低价态的砷，并进行甲基化形成一甲基砷酸和二甲基砷酸[12]。在所有砷化物中As3+和As5+毒性最高，但有学者[13]表明，DMA(Ⅲ)和MMA(Ⅲ)毒性比无机砷还强。三价砷产生的毒性机理主要是与细胞内一些大分子中的巯基反应产生作用，生成酶的抑制剂，使巯基酶失去活性，影响机体原有的正常的的新陈代谢机制，如与细胞中谷胱甘肽还原型酶中巯基的结合，使之失去了将氧化型谷胱甘肽转化为还原型谷胱甘肽的活性，还原型谷胱甘肽在抑制血红蛋白氧化、维持巯基蛋白含量方面具有重要的作用。虽然三价态砷离子毒性很强，但其砷化物As2O3，俗称砒霜，却是医药中用于治疗恶性肿瘤和肝癌的常用制剂，其作用机理是三氧化二砷能致使肝癌细胞凋亡，进一步导致肝癌细胞增殖得以抑制[14]。五价砷的理化性质与同一主族的磷元素相似，所以五价砷产生毒性的主要机理是代替磷酸作为酶的激活剂，破坏了磷酸化偶联反应的正常进行，进而产生毒性[15]，汪宁欣[16]在研究砷与磷之间的关系实验中发现两者在吸收过程中存在明显的竞争抑制现象，在磷元素不足条件下，细胞合成了更多的磷酸盐转载体进而使胞内增加了对五价砷的吸收能力。虽然无机砷的毒性较强，但在水产品中的含量是痕量的，小于总砷的0.02%～11%[17]。中国卫生部制定的GB 2733—2005《鲜、冻动物性水产品卫生标准》和GB 2762—2012《食品中污染物限量》[18-19]中规定鱼类及其制品中无机砷的含量不得超过0.1 mg/kg，其他水产动物及其制品无机砷的含量不得超过0.5 mg/kg，但对总砷没有规定。孟春英等[20]参照GB 5009.11—2014《食品安全国家标准食品中总砷及无机砷的测定》[21]采用了液相色谱-原子荧光光谱法测定浙江沿海水产品无机砷含量，结果显示，样品无机砷含量贝类＞虾蟹类＞鱼类。胡燕杰[22]采用氢化物-原子荧光法研究浙江宁海县鱼虾贝类中的无机砷含量情况，结果表明贝类(0.42 mg/kg)＞虾类(0.08 mg/kg)＞鱼类(0.02 mg/kg)，但均未超标。贝类无机砷含量高的原因可能是贝类对无机砷的富集能力比虾蟹鱼强，且贝类生活在底泥中，重金属在底泥中的含量往往高于水体。有人采用采用湿法消解-原子荧光光谱法和微波消解-电感耦合等离子体质谱法，对厦门市海产品总砷含量同时进行测定，研究表明2 种方法对检测结果基本一致，都可直接用于水产品总砷的测定[23]。

2.2 有机砷

2.2.1 MMA 和DMA 一甲基化砷酸和二甲基化砷酸，有 MMA(Ⅲ)、MMA(Ⅴ)和 DMA(Ⅲ)、DMA(Ⅴ)四种价态，MMA(Ⅴ)和DMA(Ⅴ)是海产品和一些陆地食物的常见形式，MMA 和DMA 多存在于脂肪型鱼类，如鲭鱼和鲱鱼。三价的甲基砷酸盐在食物中几乎检测不到，4 种形态砷化合物在人类的尿液中通常作为无机砷的代谢产物排出。MMA 毒性很弱，DMA 毒性较MMA 弱，但两者皆可诱导巨核细胞的凋亡。有人曾用MMA和DMA诱导实验鼠发生肿瘤，其中MMA3+对人类淋巴细胞基因损伤严重，对GSH还原酶和硫氧化蛋白还原酶的抑制作用比As3+强数倍，说明在损伤人类淋巴细胞基因方面As3+的毒性不如MMA3+[12]。甲基砷酸盐的致毒机理主要与DNA损伤有关，一定砷浓度可以增加过氧化物酶和过氧化氢酶的活性，导致DNA的氧化损伤[24]，尤其在急性砷中毒人群中DNA氧化损伤程度最明显[25]。张海亭等[26]通过体外实验研究了As3+、MMA(Ⅲ)和DMA(Ⅴ)对人皮肤成纤维细胞的影响，结果表明低浓度范围内对皮肤细胞表现出显著的增殖作用，浓度处于10～15µmol/L之间却对细胞有明显的致毒效应，毒性比较为MMA(Ⅲ)＞As3+＞DMA(Ⅴ)。

2.2.2 AsB 和AsC 砷甜菜碱和砷胆碱，是海洋动物中砷的主要形式[6]，尤其是有鳍鱼类，但在淡水鱼类中含量很低，一般小于 0.1 mg/kg（干重）[27]。AsB 惰性、无毒，能迅速被排泄，构成海产品砷的大部分，约占总提取砷的80%，浓度在1～300µg/kg范围之内[28]。有研究表明，砷甜菜碱并没有使哺乳动物的细胞发生突变现象，表明不具有细胞毒性，且没有免疫的转化毒性；AsC一般认为无毒，在海产品中少量存在，容易氧化为AsB，还可以分解为MMA 和DMA。通常认为AsC 是AsB 的一种主要前体形态，其半致死量分别是6500 mg/kg 和 10000 mg/kg[15]，砷胆碱无毒，没有胚胎毒性。

2.2.3 Thio-DMA 硫代二甲基砷酸，有一定的毒性，在人体的尿液中作为无机砷和砷糖的代谢产物少量存在，其产生机制很可能是在鱼类胃肠道内与巯基蛋白的结合[29]。

2.2.4 TMAO 三甲基砷氧化物，在海产品中极少存在，研究表明TMAO 的含量在冰冻鱼体内或在冰冻条件下高于新鲜鱼类，原因是体内微生物在冰冻的前期仍然可以保持转化砷化合物的活性，但一旦超过两个月冰冻时间，一些砷化合物将会氧化。研究发现TMAO在冰冻的1个月内含量是升高的，但冰冻3个月之后含量开始下降并跟新鲜鱼时的水平一样[30]。几乎没有毒性，但含量达到一定高度时其毒性才会展现出来，有学者[12]分别用0、50、200 mg/kg 饲喂实验鼠，其干细胞腺瘤发生率逐渐升高，原因可能是TMAO 造成DNA 的氧化损伤，促进了细胞增殖。

2.2.5 TETRA 四甲基砷酸盐，具有毒性，在新鲜海产品中极少存在，在软体动物中较常见，在冷冻条件下或温度高于150～160℃烘烤条件下，尤其在烤焦的肉类中含量升高，可能是由于AsB 的脱羧反应[15,31]，说明该砷的化合物与温度有一定关系，所以在烘烤、煎炸海洋水产品时要注意TETRA含量的增加。

2.2.6 砷糖和砷脂 一般认为无毒，砷糖在可食用藻类和甲壳类中常见，目前已报道的砷糖形式有20 多种，在人体中代谢普遍且可以转化为DMA。有人采用HPLC-HG-AFS 方法对12 种海藻类砷形态进行检测，结果显示4 种砷糖含量为0.11～7.2 mg/kg[32]。砷脂是一类脂溶性的含砷化合物，包括含砷糖类、含砷脂肪酸、砷糖磷脂和三甲基砷酸离子脂肪醇，多见于鱼油和脂肪型鱼类[29]。

砷形态中研究较多的是As3+、As5+、MMA、DMA、AsB、AsC，孟昭宇[7]通过采用HPLC-ICP-MS方法对沿海水域鱼虾贝和海藻类中砷形态的研究，结果发现在鱼类样品中没有检测出砷糖和MMA，只有少量的无机砷；在南美白对虾中检测到了其他有机砷化合物，但除了砷糖和MMA外，同时并没有检测出无机砷；贝类样品中只检测出了少量的砷糖；海藻样品中，砷糖检出量最多，约占总砷的50%，几乎没有检测到一甲基砷酸；五价砷为主要形式，有的海藻类五价砷甚至超过了无机砷含量的70%，原因可能是这些海藻类存在氧化性强的离子或生活在含氧丰富的海面，三价砷氧化为五价砷[13]。赵艳芳等[33]运用ICP-MS 和HPLC-ICP-MS对虾蛄可食用肌肉和性腺进行砷形态的检测，结果表明性腺组织总砷含量高于肌肉组织，无机砷在肌肉和性腺中均有检测到且肌肉组织中无机砷含量最高，部分样品含有少量MMA和DMA，同时还发现AsB是虾蛄可食组织的主要砷形态。

3 砷在生物体内的迁移、转化和代谢机制

按 LD50 毒 性 AsH3＞As( Ⅲ) ＞As( Ⅴ) ＞MMA＞DMA＞TMAO＞砷糖＞AsC＞AsB，总体来说，无机砷的毒性大于有机砷，有机砷中砷连接的官能团越多，毒性越小[34]。不同砷形态之间可以相互转化，砷酸盐类转化为亚砷酸盐类化合物导致的中毒事件已有报道。2003年，台湾人食用对虾后又摄入了大量的维生素C，进而导致食物中毒，VC具有很强的还原性，所以专家分析可能是在维生素C 的条件下，摄入体内的砷酸盐还原成毒性较强的亚砷酸盐[15]。在水环境中，无机砷As5+还原为As3+，进行甲基化先后生成MMA(Ⅴ)和MMA(Ⅲ)，继续甲基化生成DMA(Ⅴ)和DMA(Ⅲ)，这个过程通过浮游生物的膜转运系统完成。无机砷的甲基化需要必需的甲基供体，研究表明[35]通过向攻毒后的小鼠注射还原型谷胱甘肽和甲硫氨酸可以有效降低总砷浓度，减少潜在的危害。无机砷在生物肠道内被甲基化生成甲基砷酸盐也是因为生物体内肠道中存在还原性谷胱甘肽[36]。体内营养因子与无机砷的甲基化也有一定关系，有报道指出[37-38]体内叶酸含量的增加可以加速总砷转化为DMA，导致尿液中的DMA 含量增加，而血液中总砷和MMA含量降低，减少了无机砷的毒性危害。相关研究表明机体内砷的富集程度与As3+浓度呈正相关，说明体内砷化合物只有少量转化为有机砷，大多数被代谢直接排出体外[39]。其他有机砷化合物转化及代谢机制如下：75%的AsC 转化为AsB，AsB可以作为代谢产物经尿液直接排出[40]。在多数海洋生物体内AsB 的含量高达70%，甚至大于90%。但有研究表明海洋动物并不能通过无机砷合成AsB，所以推测可能是死亡或腐烂的藻类向水环境中排出砷糖，而后由细菌、真菌等微生物转化而成，进而被海洋动物吸收[41-42]，AsB在体内的吸收很可能是因为其与渗透性谷氨酸甜菜碱有相似的性质[43]，；AsC还可以与磷脂结合生成砷脂，多在富含脂的组织中转化，在体内，67%的砷糖可以转化为DMA(Ⅴ)[44]。陈丽竹[45]在菲律宾蛤仔无机砷转化机制的研究中表明无机砷更容易在肝胰腺中富集且将其转化成砷甜菜碱，而在鳃组织中更容易转化为DMA。TMAO 的形成有两个来源机制：一是鱼肠道内的微生物群可以对体内吸收的砷酸盐甲基化；二是死亡腐烂的细菌分解AsB 形成，所以TMAO 在冰冻鱼中的含量大于新鲜鱼[12]。TETRA 是软体动物的主要形式，在冷冻或者温度高于160℃是其含量升高，原因可能是AsB的脱羧反应，AsB在体内由尿液直接排出，但在体外高温(＞160℃)条件下，由于其脱羧反应可以生成有毒性的TMAO 和TETRA，同时DMA 部分分解为MMA，MMA 部分分解为五价砷和三价砷[46]。由以上砷的代谢途径来看，从无机砷到有机砷是一个脱毒过程，而从有机砷到无机砷是一个增毒过程，说明不同的代谢途径产生的代谢产物不同，产物的毒性也不一样，因此在以后的研究中要深入研究其机制，在无机砷脱毒的过程中避免因其代谢产物从无机态重新转化为有机态。

4 总结与展望

研究表明，一些砷制剂可以用作恶性肿瘤和白血病的医疗制剂，还可以作为畜禽饲料添加剂，这些用途促使冶炼厂加大对砷矿的开采和化工业对砷制剂的开发，生产过程中不可避免的对大气、水环境、土壤造成砷污染，砷极易在作物、水产品中富集，最终通过食物链进入人类体内，对人体产生潜在的危害。砷的形态决定了其毒性大小，一般来说，无机砷毒性最大，甲基砷毒性较弱，砷胆碱和砷甜菜碱次之，砷糖和砷脂则认为无毒性。但随着对有机砷研究的深入，发现有的有机砷毒性甚至比无机砷还要强，所以在国际标准中只对总砷和无机砷限量就不合适了，对以后重金属砷研究应注重以下几点：

（1）不同砷形态在生物体内是可以相互转化的，不同生物器官的富集规律也不相同，比较而言，对一些有机砷毒性的研究还不太深入，以后科研人员要加大对有机砷毒性机理的研究，可以考虑将有机砷作为限量标准。

（2）食品质量安全关系全人类，随着国家对食品重金属残留问题越来越重视，检测重金属残留的方法也日益完善和成熟，除了对砷的毒性、富集规律和检测方法研究外，还应该开展砷的风险评估研究，为人体日摄入量提供参考。

（3）对砷的研究大多集中在海产品，对淡水产品研究较少，尤其是虾蟹类，中国是淡水养殖大国，所以对淡水生物展开重金属检测十分有必要。