水产品中重金属异质性导致的风险

2021-03-25曹欢胡钰梅潘迎捷赵勇刘海泉

生态毒理学报 2021年6期

曹欢，胡钰梅，潘迎捷,2,3，赵勇,2,3,#，刘海泉,2,3,4,*

1. 上海海洋大学食品学院，上海 201306 2. 上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海 201306 3. 农业农村部水产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室(上海)，上海 201306 4. 上海海洋大学食品热加工工程技术研究中心，上海 201306

我国海洋面积广阔，淡水资源丰富，养殖历史悠久，水产种类繁多。人们对水产品需求的日益增加促进了水产养殖规模的扩大，水产品的质量与安全受到重点关注。目前，农药、兽药和重金属等化学性污染物在水体中残留，被水生动植物富集后，通过食物链转移至人体内，导致一些公害性疾病的发生，对人体健康造成危害[1]。重金属因具有高毒性、生物蓄积性和难降解性，即使含量未超过标准也会引起不利的环境影响和潜在的人体健康风险[2]，所以水产品中重金属的污染成为食品安全领域的研究重点之一。

重金属含量决定着其对人体健康是否有风险以及风险的高低，现行的我国国家标准中的限值均为重金属总含量。通过查阅文献统计了中国6个地区市售水产品中砷、汞、镉和铅4种重金属总量的平均值，并通过单因子污染指数(Pi)进行评估。对于水生生物重金属污染，目前并未有明确的等级划分，参照白艳艳等[3]对厦门市售水产动物重金属污染状况评价时所用标准：当Pi<0.2时,表明重金属浓度处于正常的背景值范围内；0.2≤Pi≤0.6时,表明处于轻污染水平；0.6

重金属形态异质性指不同形态的重金属会对人体健康造成不同的风险。一种重金属有多种价态，不同价态的重金属会与其他元素生成不同的化合物，在诸多环境因素和微生物的作用下，不同形态的重金属又会在生物体内转化，而不同形态的重金属对生物体的危害不同，导致依据重金属总量不能准确地评估重金属对环境和生物的污染。目前对水产品中重金属具体形态未有明确的限量标准，所以不能用单因子污染指数、个体每日暴露量等方法进行健康风险评估，因这些方法可能低估重金属的膳食风险。本文讨论了砷、汞、镉和铅4种水产品中常见重金属的不同形态对人体健康造成的危害，提出应重视水产品及其他食品中重金属形态异质性的研究，以期为水产品中重金属膳食风险评估提供参考。

1 重金属形态异质性(Speciation heterogeneity of heavy metals)

1.1 砷形态异质性

砷是一种类金属元素，普遍存在于土壤、水体和生物体中，是一种毒性较高的重金属污染元素。由于砷的生物利用度和生物蓄积性高，并可从水生食物链底部转移到较高营养级生物中，故备受关注[10]。砷作为人体必需的矿物质之一，约有90%来自水产品[11]，水产品的摄入成为人体接触砷元素的主要途径之一。有机砷农药、兽药的大量使用，使水体中砷浓度提高，在环境因素和微生物作用下，水体中砷形态多样，这导致严重的环境污染问题和潜在的人体健康风险。

砷在自然界中多以化合物的形式存在，化合态的砷有两大类，一类是以离子共价键结合形成的无机砷，如亚砷酸盐(AsⅢ)、砷酸盐(AsⅤ)；另一类化合物是以原子共价键结合形成的有机砷，如一甲基砷酸(MMA)、二甲基砷酸(DMA)、砷甜菜碱(AsB)和砷胆碱(AsC)等。砷在水产品中的常见存在形态如表2所示。颜惠芬等[12]选取了海南省农贸市场上具有代表性的海水鱼、淡水鱼、海水虾、海水蟹、贝类及其他水产品，测定AsⅤ、AsⅢ、MMA、DMA和AsB这5种砷形态的含量，结果表明，6种水产品中AsB的含量最高,MMA和DMA含量均≤0.07 mg·kg-1，无机砷含量很低且都在限值要求范围内。赵艳芳等[13]测量虾蛄中砷形态及含量，结果显示有机砷AsB是虾蛄中砷的主要形态，占总砷的75.0%～95.7%，平均值为88.1%，无机砷含量较低，占总砷的1.71%～6.14%。所以，有机砷中AsB是水产品中砷存在的主要形式。

表1 中国不同地区砷、汞、镉和铅的单因子污染指数(Pi)Table 1 The single factor pollution index (Pi) of arsenic, mercury, cadmium and lead in different regions of China

表2 水产品中常见的砷、汞、镉和铅化合物形态及其毒性评价Table 2 Morphology and toxicity evaluation of common arsenic, mercury, cadmium and lead compounds in aquatic products

国际癌症研究中心确认无机砷及其化合物为Ⅰ级致癌物质，MMA和DMA被归为潜在的致癌物质[14]，可知，砷的毒性效应与赋存形态密切相关。一般来说，无机砷的毒性比有机砷高。以砷化合物的半致死量LD50(mg·kg-1)计，其毒性由大到小依次为AsⅢ﹥AsⅤ﹥MMAⅤ﹥DMAⅤ﹥AsC﹥AsB，砷与有机基团结合越多，其毒性越小[15-16]。无机砷包括三价砷和五价砷，三价砷比五价砷毒性高[17]，三价砷可以与细胞大分子的巯基发生反应，生成酶抑制剂，从而影响机体的正常新陈代谢；五价砷因与磷的理化性质相似，可以代替磷酸作为酶的激活剂，使磷酸化偶联反应无法正常进行，从而产生毒性[18]。无机砷在人体内的普遍代谢途径如图1所示[19]，五价砷与人体内的谷胱甘肽(GSH)反应生成三价砷，然后在甲基转移酶的催化下以S-腺苷甲硫砷酸(SAM)为甲基供体进行甲基化，转化为MMA、DMA，最后以五价的DMA形态代谢出体外。研究人员发现在人体肠道微生物的作用下，21 h之内最多可将50%的无机砷转化为MMAⅤ和DMAⅤ[20]。此外，人体内的营养因子与无机砷的甲基化也有一定的关系[21-22]，体内叶酸含量的增加可以促进总砷转化为DMA，使尿液中的DMA含量增加，从而降低无机砷的危害。MMA和DMA二者的毒性相比于无机砷弱，但也会导致巨核细胞凋亡，在酶的作用下会脱甲基形成自由基，促使脂质氧化，损害膜细胞[18]；AsC无毒，不稳定，易氧化为AsB，还可以分解为MMA、DMA；AsB是水产品中砷存在的主要形式，无毒[23]，进入人体后可以迅速被排泄；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[24]，砷糖[25]、含砷脂肪酸[26]及其中间代谢产物在细胞培养中显示出细胞毒性。

现如今对于水产品中重金属砷的研究较多，但砷的化合物形态众多，其在人体内的转化代谢还未有系统性的理论研究，不同的代谢途径会产生具有不同毒性的代谢产物，且对于砷的具体形态检测只停留于实验研究阶段，市场上水产品的砷含量检测还是以总砷和无机砷的含量为标准。所以今后对于水产品以及其他食品中砷的研究，不仅需要对其具体形态进行定性与定量，还需要对不同形态砷的代谢途径进行详细的研究。

1.2 汞形态异质性

汞是一种在室温下能以液体状态存在的金属元素，是环境中毒性最强的金属元素之一，主要来源于恒温装置、温度计、牙科用汞合金以及乳胶涂料。环境中的汞通过自然或人为活动进入水体，被水生动植物吸收富集，然后通过食物链转移至人体内，从而对人体健康产生潜在的风险。汞的存在形态主要有元素汞(Hg0)、无机汞(Hg及其化合物)和有机汞(甲基汞(MeHg)和乙基汞(EtHg))。不同形态的汞具有不同的毒性。元素汞通过消化道进入人体后，可以扩散进入血液，并通过脑血屏障进入脑组织，对脑部造成损伤[27]；无机汞对人体肾脏会造成损伤，剂量过高，会致死[28]；有机汞可以在人体内的肝肾富集，部分进入脑组织中，使大脑皮层、小脑和末梢神经造成损伤，低剂量也会导致严重危害。其中，甲基汞的毒性最强[29]，甲基汞对生理功能有严重的影响，可导致人体发生急性胃炎中毒和神经衰弱，严重时会损伤人体肾脏[30]。但汞的毒理机制尚未清楚，还需要进一步详细研究。

图1 无机砷在体内的普遍代谢途径注：GSH表示谷胱甘肽；MMA表示一甲基砷酸；DMA表示二甲基砷酸；SAM表示S-腺苷甲硫氨酸。Fig. 1 General metabolic pathway of inorganic arsenic in vivoNote: GSH stands for glutathione; MMA stands for monomethyl arsenic acid; DMA stands for dimethyl arsenic acid; SAM stands for S-adenosylmethionine.

水产品中汞的存在形态主要是甲基汞[31]，因为在水体中微生物的作用下，任何形态的汞都可以甲基化。李子君[32]测定了市售水产品中的汞，发现鱼类和贝类中甲基汞的检出率为72%；Zhang等[33]研究发现海鱼中甲基汞的富集浓度比淡水鱼和贝类高；童银栋等[34]发现甲基汞更容易在水产品中富集。因为日本的水俣病，许多国家对水产品中甲基汞高度重视，欧盟立法要求测定水产品中汞的具体形态及含量，中国对水产品中甲基汞的限量值为0.5 mg·kg-1，其中规定肉食性鱼类中甲基汞限量值为1.0 mg·kg-1。目前国标(GB/T5009.17—2003)中测定水产品中总汞和甲基汞含量主要是通过带有电子捕获器的气相色谱仪，但该方法只能检测出极性较强的甲基汞，需要进行多步萃取才能获得纯净的甲基汞苯溶液，操作也比较繁琐[35]，所以市场上水产品中重金属汞的检测还是以总汞的含量为标准。

1.3 镉形态异质性

镉是一种非生物所需的重金属元素，毒性高，在生物体内降解速度缓慢，生物半衰期可长达10 a以上[36]，易被人体消化道吸收并在体内富集，水生生物中贝类的镉富集度比鱼类高[37]。环境中镉的含量很少，主要是印染、电池和电镀等工业污染造成水体中镉离子浓度提高，然后富集在水生动植物中的镉沿着食物链逐级往上传递，不断地在生物体内浓缩放大，当累积到一定浓度时就会对生物体产生毒性效应，从而危害生物体健康，影响其正常发育和代谢平衡[38]。生物体内的镉主要以有机镉和无机镉2种形态存在，进入生物体内的镉离子与蛋白质、有机酸等结合形成较稳定的有机镉[39]，只有少部分以无机态离子存在[40]，所以水产品中有机镉占主要地位。赵艳芳等[41]采用体积排阻高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用技术(SEC-HPLC-ICP-MS)检测到紫菜中3种镉的形态均为有机态镉；同法测定了扇贝、菲律宾蛤仔、三疣梭子蟹和虾蛄可食用组织中镉的形态，也均是有机态的镉[42-43]。Rodríguez-Cea等[44]使用液相色谱结合ICP-MS研究了2种海水鱼中的镉形态，发现镉仅与巴西假单胞菌中的一种金属硫蛋白亚型结合，这表明镉在不同的海鱼中可能具有不同的形式。因检测方法以及样品前处理方法的不完善，关于镉的具体形态研究很少，有关水产动植物体内不同组织器官中有机镉和无机镉所占比例的研究更是少之又少，所以应该加强对水产品中镉形态及其毒理机制的研究。

镉对人体的肺、肝、肾、骨、心血管系统、泌尿生殖系统、免疫系统和神经系统(听觉系统)等都会造成损伤[45-46]。有学者认为在动物体内，相较于无机镉，有机镉的毒性较弱[47]。Zhu等[38]采用体外生理学提取试验和小鼠急性毒性试验研究了不同形态镉的生物毒性，发现相比于无机态的氯化镉，有机态的谷胱甘肽镉和金属硫蛋白镉对肝肾的抗氧化系统造成的损害较小，且不同形态镉的生物利用度存在着明显的差异，氯化镉的生物利用度最高，谷胱甘肽镉和金属硫蛋白镉的生物利用度相对较低。林忠宁等[48]研究了有机镉化合物对体液免疫功能的影响，选择了有机镉金属硫蛋白镉和无机镉氯化镉2种不同形态的镉，研究结果显示，有机镉可以抑制体液免疫功能，但明显要弱于无机镉的作用。Barrouillet等[49]采用体外实验方法研究了2种不同形态的无机镉(氯化镉和硫酸镉)对猪肾细胞的毒性，发现2种不同形态的无机镉没有明显的毒性差异。但对于不同形态镉的毒性研究并无统一准确的结论，所以镉的形态异质性还需进一步研究。

1.4 铅形态异质性

铅是一种无生物学功能的重金属，是人类利用最早的金属之一，在土壤中分布广泛。随着工业的迅速发展，过量的铅排放造成土壤污染，同时，水体中的铅浓度不断提高，从而对水生动植物产生影响。铅在生物体中具有高蓄积性，水生动植物中的铅会随着食物链进入人体并在人体内蓄积，能够对人体任何器官产生不利影响，且会影响人的神经系统、心血管系统、生殖系统和泌尿系统[50-51]。铅的毒性除了与其浓度有关，还与其存在形态密切相关。铅主要有3种价态：+4价、+2价以及0价，这些不同价态的铅与其他元素组成不同的化合物，有些化合物不稳定，无法在自然界中长久存在，例如PbO2。目前常见的铅形态是有机态的烷基铅和苯基铅。烷基铅主要包括四甲基铅和四乙基铅，但由于这2种化合物不能稳定存在，易被分解为三甲基铅、三乙基铅、二乙基铅以及二甲基铅等，最后降解为无机铅。

水产品中铅主要是无机铅。He等[52]对我国福建沿海地区的海产品进行分析，发现有一半海产品样品中只含有无机铅，另一半样品中含有无机铅和有机铅中的三甲基铅，且海水鱼类中的三甲基铅含量最高，约是虾贝类的3倍，三甲基铅的含量均低于国家标准的最大允许限量。王淑霞等[53]采用毛细管电泳-电感耦合等离子体质谱法测定藻类中3种不同形态的铅化合物，实验结果表明，海带和紫菜样品中的铅形态主要是无机态的氯化铅，基本不含有有机态的氯化三甲基铅和氯化三乙基铅，可能是因为藻类细胞壁上含有大量能够与无机铅结合的官能团，可以充分吸收无机铅。李杰等[54]采用HPLC-ICP-MS检测了桂鱼、草鱼、黄鳝和河蟹等常见水产品中铅形态，都未检测出有机态的三甲基铅和三乙基铅。因为水产品不是铅的主要暴露来源，所以关于水产品中铅的检测多集中于铅总量，对于形态的检测研究很少。

铅对生物体内的神经、血液、肾脏、生殖系统和免疫系统都会造成损伤，其主要中毒机理是干扰细胞信号的传递，阻碍神经细胞的活动，抑制酶的生理活动[55]。铅的形态主要是有机铅和无机铅，研究证明，相较于无机铅，有机铅的毒性强，其中，三乙基铅和四乙基铅的毒性是无机铅毒性的10倍～100倍[56]。四乙基铅会抑制胆碱酯酶的活性，轻者使大脑某些功能失调，重者损伤神经细胞，造成弥漫性脑损伤和脑水肿；四乙基铅在肝脏中会转化为三乙基铅，会阻碍大脑中供能物质葡萄糖的氧化[57-58]。所以，为了更加准确地评估物质的毒性风险，对铅的形态分析十分必要。

2 重金属形态转化异质性(Speciation transformation heterogeneity of heavy metals)

目前，对市场上水产品中重金属的风险评估主要依据新鲜水产品的检测结果，但在中国，水产品主要通过蒸煮、油炸和烹炒等烹饪方式制成熟食后食用。在烹饪过程中，温度、时间和传热介质等条件不仅会改变水产品中营养物质，还会影响水产品中重金属的含量。研究表明，烹饪处理后重金属总量增加或减少通常与水分、蛋白质、脂肪和碳水化合物的损失有关。但有研究者发现，水产品种类也可能影响烹饪方法引起的变化。Perugini等[60]研究发现，煮沸后欧洲鳕鱼中总汞浓度没有增加，而煮沸后挪威龙虾中总汞浓度明显增加，其原因可能是鱼中汞与蛋白质结合，一般的烹饪温度未能使蛋白质变性，仍与汞结合，所以未能检测出；虾中的汞会与虾青素相结合，虾青素遇热变性，使与之结合的汞更容易被检测出。

同时，烹饪方式也会影响重金属的形态转化。砷在水产品中赋存形态丰富，且研究较多。现有的研究已证明，水产品在烘烤后(150 ℃以上)，有机砷中无毒的AsB能分解为有毒的四甲基砷离子(TMA+)。对于AsB、MMA和DMA等砷的常见形态，有研究表明，一些海产品在烹饪后(炸、烤、煎)AsB、DMA、MMA和TMA+浓度会明显提高[61]；双壳贝和鱿鱼中无机砷浓度在烹饪后会升高[62]。Schmidt等[63]采用LC-ICP-MS/MS分析方法，评价烹调处理(煮沸、油炸)对黑鳍鲨和亚洲虎虾中砷形态的影响，发现在任何烹饪处理中都没有观察到砷形态之间的相互转换；Chi等[64]研究发现，煮沸和油炸对虾中砷形态转化无任何影响，所以在低温和短时间的烹饪处理下，砷形态不会有转化。对于其他重金属，甲基汞在烹饪前后无任何改变[65]，而其他形态的汞以及不同形态的铅、镉都未有研究。目前，关于烹饪后水产品中重金属的研究大多是海产品，关于淡水水产品的研究很少，且对于烹饪方法对重金属形态之间的转化影响还未阐明。所以要加强烹饪后淡水水产品中重金属总量及其形态变化的研究。

3 重金属的代谢规律(Metabolic law of heavy metals)

通常情况下，水产品中的重金属通过食物链转移到人体内，大部分重金属会通过肾脏被排出体外，代谢规律如图2所示。重金属会和食物及消化液中的蛋白质及多肽类结合，或与阴离子反应生成沉淀，大部分通过粪便排出体外，且不被人体吸收；部分重金属会被人体吸收，与血浆蛋白结合，有些会在肝脏中分解并通过胆汁排出，有些会在肾小管中通过尿液排出。同时会有少量的重金属进入血液中，与体内的酶结合，使酶丧失正常功能，从而破坏正常的生理代谢，或者让蛋白质改性，且进入血液中的重金属会在人体内富集，很难代谢排出。由于不同形态的重金属化学性质不同，其吸收、分布和代谢能力也不尽相同，有的形态易于排出体内，有的易于富集在机体内，在表3中统计了砷、汞、镉和铅4种重金属不同形态在机体内的吸收代谢情况[66]。此外，重金属化合物在经过胃肠道时，会在肠道菌群的影响下，进行形态之间的转化。Harrington等[67]接种人类粪便中微生物来研究AsB的转化情况，发现在有氧条件下，AsB可以转化为DMA等化合物，在无氧条件下，AsB没有降解。肠道菌群对重金属形态的转化是一个很复杂的过程，至今未有明确的说法，所以在将来的研究中，微生物对重金属形态转化的影响是一个研究重点。

4 展望(Prospect)

水产品在加工过程中，不同的加工条件会使重金属的形态发生改变，可能会导致重金属从无毒形态转化为有毒形态，提高水产品中重金属的风险；在人体消化过程中，胃肠道消化液会使重金属溶解吸收，肠道微生物可能会使重金属的形态发生改变，导致风险提高。所以，在今后的研究中，不仅要加强重金属的形态研究，还要了解重金属在加工过程和机体代谢过程中形态转化机制，以及不同形态重金属的毒理机制。目前，随着科学技术的进步，重金属检测技术越来越发达，有关形态检测的技术越来越精密，但需要克服的困难也越来越多，包括样品的前处理太过复杂、前处理不当导致样品中重金属形态改变、对仪器要求严格等。重金属种类众多，形态多样，价态之间的转化复杂，使得重金属的形态研究无法快速进步。所以，对于今后的重金属形态异质性研究来说，继续开发高精准的重金属形态分析方法是必不可少的，现有的各种联用技术能够很好地将重金属的形态分离和检测步骤联合在一起，但要优化分析策略以及样品的前处理方法，继续深入研究分离富集和检测技术，提高联用技术水平，使各形态的重金属在得到较好分离的基础上能够达到超痕量分析的要求。重视对镉、铅等其他水产品中含量较少的重金属形态异质性的研究及其不同形态的毒理研究，努力开发快速、便携的现场检测技术，以便满足我国不同类别食品质量安全检测和风险评估需求。