羊栖菜不同部位微量元素含量测定及健康风险评价

朱姚镓，刘宇璇，汪恒玮，汪芷因，李 丹，吴嘉平

(浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021)

羊栖菜(Sargassumfusiforme)是一种广泛分布于西北太平洋海岸潮间带的温带褐藻。羊栖菜中含有丰富的营养成分，例如褐藻硫酸多糖、甾醇类化合物、膳食纤维、蛋白质和氨基酸等[1-2]，具有较高的食用价值。羊栖菜也被推崇为一种天然的治疗剂，《中华人民共和国药典》《神农本草经》等指出其具有消痰软坚散结、治奔豚气、消宿食、利水消肿等药理作用[3-4]。此外，大规模的海藻养殖能够吸收海水中大量的营养物质，如氮、磷等[5]，大幅度减缓海水富营养化状态[6]，吸收二氧化碳，释放氧气，提升海水pH，改善海水生态环境[7-9]。

长期以来，工业、农业和生活污水等不断排放入海，对滨海水质和沉积物造成了一定影响[10-11]。2020年全国直排海水中的六价铬、铅总量达到了2 153 kg和14 100 kg[12]。因海藻中的细胞壁等结构能提供较多可与离子结合的官能团，且液泡等结构能够隔离和固定微量元素，故海藻易从周围环境中富集各种离子[13-14]。虽然海藻能够对海水中的有益微量元素进行吸收积累，但同时也能吸收积累一些有害离子如Pb2+、Cd2+、Cr2+等，进而有可能通过摄入等方式对人体健康安全造成潜在风险。

虽然近年来对羊栖菜的关注日益增多，但是主要针对其中的活性成分等[2,15]进行研究，对微量元素含量的研究相对较少，且主要为针对羊栖菜整体的微量元素含量进行测定[16-19]，对羊栖菜不同部位微量元素的分布与富集情况的报道尚不多见。在日本，经常将羊栖菜的茎和气囊等不同部位进行分开售卖，故而对分部位羊栖菜的微量元素含量进行分析、研究具有一定的理论意义和实用价值。

本研究对不同养殖区域成熟期羊栖菜4种可食部位(主茎、侧茎、气囊和生殖托)的7种微量元素As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量进行分析测定，以研究微量元素在羊栖菜不同部位的分布特点和含量水平，同时采集养殖区海水进行环境评估，并对羊栖菜中微量元素的食用风险进行评价。本研究旨在确定羊栖菜不同部位的微量元素分布特性，探讨羊栖菜中的微量元素含量水平和食用安全性，为生产者和消费者食用部位的选择提供参考，同时为今后羊栖菜资源的进一步开发利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集及测定

1.1.1 研究区域概况 自然生长的羊栖菜主要附着在低潮带岩石上。1989年，羊栖菜在人工试养成功后开始大面积推广养殖，经过30多年发展，2019年浙江温州洞头区的羊栖菜养殖面积达到了约906 hm2，产量达到了1.94万吨，被誉为中国羊栖菜之乡[20]。本研究在洞头区的3个养殖区(胜利岙、仙叠岩和五屿头)进行采样(图1)。

图1 洞头区采样位点分布示意Fig. 1 Distribution of sampling stations in Dongtou District图中S为胜利岙，X为仙叠岩，T为五屿头；下同。

1.1.2 样品采集和前处理 2020年5月在洞头区3个养殖区采集羊栖菜成熟期样品，同时采集表层水样。海藻样品低温运回实验室后用去离子水清洗，去除表面附着物及淤泥颗粒，用纸巾吸干表面水分。将羊栖菜分为主茎、侧茎、气囊、生殖托4个部分，55 ℃烘干48 h后磨碎备用。海水采样方法参照《海洋监测规范》[21]。

1.1.3 实验方法 称取羊栖菜不同部位样品约0.1 g，加入5 mL HNO3，在恒温石墨炉中消煮，期间加数次H2O2，煮至溶液澄清。冷却至室温后用去离子水稀释定容至25 mL，静置后取上清液待测。每个样品平行测定3次，同时做空白对照组。

海藻及海水样品中的As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等微量元素用电感耦合等离子质谱仪(inductively coupled plasma mass spectrometer， ICP-MS)测定。分析中所用试剂均为优级纯，分析过程以标准物质GBW10023(紫菜)进行质量控制。实验中标准物质回收率为92.5%～110.7%。

1.2 健康风险评价

采用目标危害系数法[22-23]对羊栖菜中的重金属进行健康风险评价。该方法通过单一重金属危害系数(target hazard quotient, THQ)和多种重金属复合危害系数(total target hazard quotient, TTHQ)对通过食物途径摄入重金属的健康风险进行评估，其计算公式如下：

(1)

TTHQ=∑THQ

(2)

式(1)中：EF为暴露频率(365 d/a)，ED为暴露持久性(30 a)，FIR为羊栖菜摄入率(20 g/标准人日)[16]，C为实验测得的各重金属含量(mg/kg)，RfD为经口服摄入重金属参考剂量[mg/(kg·d)]，其中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn分别为3.0×10-4、1.0×10-3、3.0×10-3、4.0×10-2、2.0×10-2、3.5×10-3、0.3 mg/(kg·d)[22-24]，WAB为人体平均体重(63.45 kg)，TA为平均暴露时间(10 950 d)。

鉴于重金属对人体健康的影响一般是由多种元素共同作用的结果，该方法的优势在于评价单一重金属健康风险的同时，对多种重金属复合暴露的健康风险进行评估。如果THQ或TTHQ指数小于1.00，则说明暴露人群没有明显的健康风险，反之，则说明相关暴露人群可能存在健康风险。

1.3 元素富集系数

元素富集系数(bioconcentration factor, BCF)为海藻吸收和积累环境中微量元素能力的指标，其计算公式[25-26]为

(3)

式(3)中：CS为海藻中微量元素含量(mg/kg)，CW为海水中微量元素含量(μg/L)。

1.4 数据统计及分析

数据采用Excel 2019和DPS 16.05软件进行统计分析，结果用平均值±标准差表示。采用Duncan新复极差检验进行差异性分析，显著水平设定为P=0.05。

2 结果与分析

2.1 羊栖菜各部位重金属含量

羊栖菜不同部位的微量元素分布特征见图2。羊栖菜中微量元素总体平均含量较高的为As(26.37～84.00 mg/kg)和Zn(29.37～44.64 mg/kg)，其次为Cu(3.91～9.94 mg/kg)和Ni(1.18～2.57 mg/kg)，Cd(0.32～1.08 mg/kg)、Cr(0.60～1.30 mg/kg)和Pb(0.82～1.38 mg/kg)的含量较低。从图2可知，对于As、Cd、Cr和Cu而言，虽然各元素含量随着区域的不同而存在一定差异，但生殖托和气囊中的含量显著高于主茎和侧茎中的含量(P<0.05)。在3个站位中，羊栖菜的As和Cr含量在站位X中最高，Cd和Cu含量在站位T中最高。对于元素Ni、Pb和Zn而言，不同部位的羊栖菜含量存在显著差异(P<0.05)，不同站位间的元素含量分布特征也存在一定差异。

图2 羊栖菜中各部位微量元素含量Fig. 2 Concentrations of trace elements in different tissues of Sargassum fusiforme不同英文小写字母表示数值之间差异显著(P<0.05)。

2.2 海藻微量元素富集能力

表1为各采样站位海水中的微量元素含量。从表中可以看出，海水中微量元素的分布为：Zn > As > Cr/Cu/Ni > Pb > Cd。与海水水质标准[27]对照，除了Zn元素为二类水质标准外，其他元素含量达到了一类水质标准。3个区域中，站位T的海水水质状况相对较好。

表1 各采样位点海水中微量元素含量

实验测得羊栖菜体内微量元素含量均高于周围海水中的含量，说明羊栖菜具有较强的元素富集能力(表2)。羊栖菜富集系数计算结果表明，羊栖菜中As的富集系数最高，Cr在羊栖菜中的富集系数最低。而不同站位的羊栖菜对微量元素的富集特征存在一定差异，站位S的羊栖菜对Zn的富集系数最高，站位T对Cd的富集系数最高，位点X对As、Cr、Cu、Ni和Pb的富集系数最高。

表2 羊栖菜微量元素富集系数

2.3 海藻各部位富集能力综合评价

对羊栖菜中各微量元素含量进行主成分分析(principal component analysis， PCA)，根据特征方差累计贡献率确定主成分个数。由图3可知，前3个主成分累积贡献率达到87.4%，基本保留了原有数据的基本信息。第一主成分(PC1)的贡献率为38.1%，该变量在As、Cd、Cr和Cu上有相似正载荷(0.40～0.53)；第二主成分(PC2)的贡献率为27.4%，该变量在Ni上有较高正载荷(0.66)，表明第二主成分主要支配着羊栖菜中Ni的富集能力；第三主成分(PC3)的贡献率为21.9%，Zn和Pb有着较高的正载荷，分别为0.62和0.54。

根据主成分分析结果，提取前3个主成分对羊栖菜中微量元素的富集能力进行综合评价(表3)。由表3可知，站位X和站位T羊栖菜各部位对微量元素的富集能力排序为生殖托>气囊>侧茎>主茎。站位S羊栖菜各部位对微量元素的富集能力排序为气囊>侧茎>生殖托>主茎。相比较而言，三个区域中站位S的羊栖菜的富集能力较弱。由结果可知，羊栖菜气囊对于微量元素的富集能力较强，主茎和侧茎对于微量元素的富集能力较弱。考虑到生殖托为羊栖菜仅在成熟期产生的特殊部位，故而生殖托对微量元素的富集能力差异可能与其生长时间存在一定关联。

图3 各微量元素的二维载荷系数图Fig. 3 2-dimensional loading plots of the trace elementsPC1贡献率为38.1 %，PC2贡献率为27.4 %，PC3贡献率为21.9 %。

表3 羊栖菜各站位不同部位微量元素富集能力的综合得分

2.4 健康风险评估

羊栖菜微量元素的健康风险评估结果见图4。从单一微量元素的风险来看，各微量元素的THQ值均小于1.00，故各微量元素的摄入对人体健康不存在风险。从微量元素的种类上来看，As和Cd对健康风险的占比最高，THQ平均值达到了0.34和0.16。其次为元素Pb和Cr，THQ平均值约为0.10。元素Cu、Ni和Zn引起的健康风险占比相对较低。

从微量元素复合风险上来看，仅站位T和X的生殖托存在TTHQ大于1.00的情况，表明居民经膳食单独摄入这两个站位的生殖托会存在一定风险。而站位T和X的气囊虽然尚属安全，但TTHQ的值分别为0.95和0.98，十分接近1.00，存在一定的安全隐患，应当引起重视。总体而言，羊栖菜主茎和侧茎的微量元素复合风险低于生殖托和气囊。因此，当地居民需控制羊栖菜生殖托及气囊的摄入，以减少潜在的微量元素摄入风险。

2.5 讨论

羊栖菜对各微量元素的吸收富集能力不同，故各微量元素的含量差异较大。羊栖菜中Zn和Cu含量相对较高，而此类元素是植物生长所必需的微量元素，是生物体内多种酶的组成成分，对海藻体内的生命活动有着较为重要的作用[13]。元素Ni、Pb、Cr和Cd的含量相对较低，考虑到这些元素具有高生物毒性[24]，羊栖菜对这部分微量元素可能存在选择性吸收。此外本研究表明，因生长地域的差异，羊栖菜的元素含量和富集程度也存在较大差别。以往的研究表明，海洋环境污染会使藻体内元素含量与水环境中元素含量达到动态平衡并呈现线性关系[28]。不同海域海藻中的元素含量差异能有效地反映不同沿海系统各元素的动态变化，进而反映水质变化。Say等(1990)在英国1个未受污染、5个受污染河口采集浒苔属(Enteromorpha)的样本进行Zn、Cd、Hg和Pb含量的测定，结果表明，不同河口浒苔属的元素含量存在差异，且未受污染河口的浒苔属样本中的元素含量相对较低[29]。Pise等(2013)通过对不同站位的Porphyravietnamensis中的重金属含量、脂质过氧化物(lipid peroxidation, LPO)与过氧化氢(H2O2)等氧化应激标志物、抗氧化酶过氧化氢酶(catalase， CAT)和谷胱甘肽硫转移酶(glutathione S-transferase， GST)等的测定结果表明，同一种海藻对不同的环境条件有不同的生化反应[30]。本研究结果表明，羊栖菜不同部位对不同微量元素的富集能力存在显著差异。从羊栖菜的生长环境而言，虽然所有部位均和海水环境直接接触，但是不同部位的生长及发育阶段不同，可能对微量元素的吸收富集产生不同的影响。对不同生长期龙须菜(Gracicilarialemaneiformis)中重金属含量的历史研究表明，不同生长期龙须菜对重金属的富集能力不同，且随着龙须菜的生长，元素的富集量增加[31]。针对坛紫菜(Porphyralhaitanensis)的两个明显异性世代——叶状体和丝状体的Cu胁迫结果表明，坛紫菜自由丝状体对Cu离子的胁迫更为敏感，在急性毒理试验中，在短时间内，较低浓度下，其生长状况已经受到极显著的抑制现象[32]。

图4 羊栖菜微量元素单一及复合健康风险评价Fig. 4 THQ and TTHQ of trace elements in Sargassum fusiforme图中红色虚线为健康风险临界线，当健康风险低于1.00时则说明暴露人群没有明显的健康风险。

As元素在羊栖菜中的含量相对较高，但之前的研究表明，海藻中的As大多以毒性较小的有机态存在，目前已知的仅无机砷(包括三价砷和五价砷)对人体有致癌作用[33-34]。一般大部分微量元素主要贮存在细胞壁中，但As在细胞中的分布位置较为不同。有研究表明羊栖菜中As主要贮存在胞液中，在胞液中的分布比例达到了58%[13]。在实际的海藻生产中，加工过程中的洗涤、浸泡和蒸煮等步骤能够降低最后成品中的As含量[35-36]，也有通过脱砷剂等方法对羊栖菜进行脱砷处理，降低羊栖菜中的As含量[37]。除此之外有研究表明，Se能够通过抗炎症、抗氧化和抗凋亡等机制减轻As中毒的症状[38]。而Se是浙江产羊栖菜特殊的营养成分[39]，故而羊栖菜中的Se可能削弱了其中高含量的As对人体的影响。食用羊栖菜在日本有着十分久远的历史，最早在1643年的料理书中就记载了羊栖菜的烹饪方法[40]。现今羊栖菜仍是日本最受欢迎的海藻食品之一，调查报告显示羊栖菜人均日摄入量为3.3 g[41]。目前并没有证据表明这种水平的As暴露对人体造成有害影响。但是考虑到羊栖菜中As毒性的复杂性，关于羊栖菜中As的风险评估仍需要进一步的研究。

3 结论

洞头羊栖菜中微量元素的平均含量由高到底排序为As > Zn > Cu > Ni > Pb > Cr > Cd。针对羊栖菜不同部位而言，虽然元素As、Cd、Cr和Cu的具体含量差异随着采样区域的不同而存在一定差异，但生殖托和气囊中的含量显著高于主茎和侧茎中的含量。羊栖菜对于As元素有较强的富集能力。从微量元素复合风险上来看，部分站位的生殖托存在TTHQ略大于1.00的情况，长期食用对人体健康存在风险。但考虑到部分元素在生物体内不同形态的毒性不同，可能存在风险高估的结果。总体而言，摄入羊栖菜主茎和侧茎的微量元素复合风险低于生殖托和气囊。