洞庭湖东南缘草鱼、鲢鱼及其生活水域底泥微量元素含量特征及健康风险评价

陈方伟，郭军，李聪，杨鹏至，陈创，汤恒佳，廖琦

中国地质调查局长沙自然资源综合调查中心，湖南 长沙 410600

重金属元素在自然状态下不易降解，具有累计效应甚至对生物有致癌作用。在生物体内富集的重金属元素可以通过食物链在人体蓄积、放大（孙鹏飞等，2021），从而对人体造成各种损害，甚至引起器官中毒（Emmerson B T，1973；汪鹏等，2018）。镉（Cd）是对人体危害巨大的重金属元素，研究表明人体Cd摄入量不存在安全阈值，应尽可能地降低人体Cd摄入(汪鹏等，2018)，与Cd类似性质的还有As、Pb、Cr、Hg等有毒重金属元素。硒是人体必需的微量营养元素之一，在一定范围内摄入对人体是有益的，同时具有防衰老、抗癌的功效，与适量的Cu、Fe、Zn等微量元素共同参与人体新陈代谢，维持人体器官正常运转，而饮食是人体获取这些有益微量元素最直接、最广泛的来源。

淡水鱼类富含人体所需的各种维生素和营养元素，肉质鲜嫩、易于消化，适合不同年龄段的人食用。根据《中国居民膳食指南科学研究报告（2021）》（中国营养学会，2021），中国人均鱼虾摄入量为24.3g·d-1，不足三分之一的成年人能够达到平均每天摄入鱼虾40 g以上。洞庭湖是中国重要的水产品基地，洞庭湖及其周边水域养殖有大量鱼类等水产品，年产量达59.34万吨。随着工业发展引起的“三废”排放，洞庭湖水域环境遭受到不同程度的污染，主要水产养殖区域鱼类食用健康风险和重金属污染也备受关注。目前，洞庭湖区域关于水质和沉积物的研究较多，认为湖区水质基本达到《GB3838-2002地表水环境质量标准》（国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局，2002）地表水Ⅲ级水质标准，整体水质污染有逐渐加重的趋势。沉积物中主要污染重金属元素为Hg和Cd，全湖重金属污染处于中度生态风险水平，随着环境保护、污染企业治理，底泥中重金属污染水平有降低的趋势（郭晶等，2016；马如莉，2020）。有关鱼类重金属的研究也较多（田林峰等，2012；马细兰等，2018；张晓文等，2018；徐承香等，2020），绝大多数是关于不同鱼类种间重金属蓄积能力的比较，还有同一鱼类各组织间重金属蓄积能力的比较。关于不同流域鱼类重金属含量及其污染评价也较多，也有学者针对不同流域鱼类重金属含量特征进行了研究，例如，张晓文等（2018）对4种太湖水产品重金属富集特征及食用安全性进行了评价。有关水体环境的研究也较多，田林锋等（2012）研究了贵州百花湖鱼体器官及肌肉组织重金属含量与水体重金属污染水平的相关性；郑雄伟等（2020）选择洪湖市典型的“稻虾共作”田，研究了稻虾养殖区与常规种植区的环境及产品安全性指标的差异；陈希清等（2021）对湘南骑田岭南坡中上部芙蓉洞禾花鱼养殖基地的水体、土壤进行了地球化学研究并进行了重金属污染评价；还有学者研究认为与国内外河流湖泊鱼体重金属相比，洞庭湖区域鱼体重金属含量处于中等水平，不同食性鱼类重金属富集大小顺序为肉食性＞杂食性＞草食性，同一鱼类不同器官重金属富集能力也有差别，体现在同一鱼类肌肉组织中重金属含量最低。此外，目前水产品重金属对人体健康风险评价的应用也比较广泛，如徐承香等（2020）基于贵阳花溪农贸市场食用鱼类重金属含量及健康风险进行了评价。以上大部分研究都是基于鱼体重金属元素进行污染风险评价和物源解析，且都以Pb和Cd的富集为主，涉及的重金属类型比较单一，还有少量学者对这两种元素以外的Hg、As进行研究（曹菊花等，2019），对人体有益、不可或缺的微量元素的评价较少。

本研究对洞庭湖东南缘两种常见的鱼类（草鱼、鲢鱼）及其生活水域底泥微量元素含量进行分析，并采用美国环保局（US EPA）发布的目标危害系数法（Target Hazard Quotient，THQ）（刘芳芳，2013）来评价洞庭湖东南缘草鱼、鲢鱼的重金属安全性，保障湖湘人民鱼类饮食健康安全。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

洞庭湖位于湖南省与湖北省之间，为长江主要支流之一，其南有湘、资、沅、澧四水汇入，北有松滋口、虎渡口、藕池口连接长江。洞庭湖地区为亚热带季风性气候，四季分明、气候宜人、降雨充足、日照和无霜期长及热辐射量较低，平均气温在16.4～17℃间，年平均降雨量1100～1400 mm；每年7-8月为丰水期，湖区容纳四方来水，吸纳长江过剩水量，显著减小长江中下游的洪水威胁，成为面积超过2600 km²的水域，11-4月为枯水期，湖水显著补给长江，维持长江航道的水位，确保正常通航。

洞庭湖地区为有名的“鱼米之乡”，出产诸如鱼虾、稻米、莲藕及菱角等农副产品。入湖的湘、资、沅、澧四大水系周边有诸多金属矿企，污水排放导致周边水系存在不同程度污染（谢意南等，2017；冷阳等，2018）。本次采样分布于洞庭湖东南缘岳阳县、汨罗市、湘阴县，采样区域大体为四个区域，采样地块面积均在50-100亩左右，分别为：岳阳县新墙河养殖区和中洲乡养殖区、汨罗市屈原管理区养殖区、湘阴县鹤龙湖养殖区，主要以四大家鱼养殖为主，养殖区周边靠近东洞庭湖、湘江、汨罗江、新墙河、白泥湖等入洞庭湖的主要水系（图1）。

图1 水样、底泥样和鱼样品的采集点位Fig.1 Collection points of water samples,sediment samples and fish samples

1.2 样品采集

1.2.1 表层水样品采集

于2020～2021年8～9月在东洞庭湖的相关水域采集水样，只采取表层水样（水面下0.5 m），每瓶水装水90%，留出一定的空间。采样前先用原水清洗瓶体和瓶塞2-3次，分别按照原样、酸化水样和其他水样的顺序添加保护剂后密封并立刻冷藏，共采集14件样品。

1.2.2 表层底泥样品采集

于2020～2021年8～10月在东洞庭湖的相关水域采集表层底泥（水体底部0～15cm），采样时应在水域中间位置采集表层底泥样品，采用专门研制的采样工具(抓斗式采泥器)，一般采取三个点均匀混合成一个样品，用塑料勺取适量样品装入样品袋中，扎紧袋口，进行密封保存，本次共采集33件底泥样品。

1.2.3 鱼样品采集

2021年7～9月，在岳阳县、汨罗市和湘阴县系统采集了64件鱼样品，分草鱼、鲢鱼两类样品比较分析。样品为洞庭湖东南缘不同水域人工养殖鱼类，采样方式为到养殖点现捞、购买等方式，采样重量为2 kg左右，采样密度根据养殖规模大小合理控制。采样区域大体为四个区域：新墙河、中州乡、鹤龙湖和屈原管理区水域。采样地块面积均在5-12亩左右，在野外实际采样记录鱼长、鱼重。本次共采集草鱼、鲢鱼各29件、35件。

1.3 样品分析检测

酸化水（浑浊水样加酸在电热板上加热消解澄清）样品直接用ICP-OES测定Fe、B、P。用ICP-MS测定Zn、Cd、Pb、Cu、Mn；用原子荧光法测定Se、As、Hg；玻璃电极法直接测定原水中的pH值；本文所有研究数据均为湖南省地质测试研究院测得。

将沉积物样品悬挂在自然通风条件下风干，通过充分研磨后去掉多余杂质，过10目尼龙筛，采用缩分法提取分析化验样品。利用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定Cr、Cu、Mn、Ni、Zn；电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定Pb、Mo、Cd、Ge；原子荧光光谱法（AFS）测定As、Hg、Se。

鱼采取活体取样直接送到实验室检测元素含量，样品加工流程：先用自来水把样品刷洗干净，然后用蒸馏水冲洗。取鱼肉部分放进冷冻干燥机，待样品干燥后，用多功能食品加工机粉碎至20～40目（0.84～0.42 mm）后装袋密封，待测。测试方法见表1。

表1 鱼肉中微量元素分析方法配套方案Table 1 Matching scheme of trace element analysis method for fish meat

1.4 重金属污染评价

1.4.1 表层水重金属污染评价

本次研究选择单因子污染指数法、综合污染指数法对表层水样重金属污染现状进行评价，具体见公式（1）、（2）。

单因子质量指数法的计算公式:

式中:Pi为i种元素的污染指数；Ci为水体重金属含量实测值（μg/L）；Si为地表水环境质量标准值（μg/L）（一般取国家二级标准）。Pi＜1，水体未受污染；Pi＝1，水质处于临界状态；Pi＞1，水体受到了污染。

内罗梅综合质量指数法的计算公式:

式中:Pj为j监测点的综合污染指数;Pjmax为监测点所有污染物单项污染指数中的最大值;Pjave为j监测点所有污染物单项污染指数的平均值，该评价法将水质污染程度分为6个水平（郑家传等，2022）：Pj＜0.5，清洁；0.5≤Pj＜1.0，尚清洁；1.0≤Pj＜2.0，轻度污染；2.0≤Pj＜5.0，中度污染；5.0≤Pj＜10.0，重度污染；Pj≥10.0，严重污染。

1.4.2 表层底泥重金属污染评价

本次研究采取Hakanson潜在生态风险评价方法对表层底泥重金属污染水平进行评价，该方法分为两个部分，单因子风险值Eri和总潜在生态风险指数RI（Eclogical Risk Index），其计算公式分别为：

式中：Eri为重金属i的潜在生态危害系数；Tri为重金属i的毒性响应系数（表2）；Cif为第i种重金属元素的污染系数；Csi为沉积物中第i种重金属含量的实测值(×10-6)（刘芳芳，2013）；Cni为重金属i的背景参比值(采用工业化以前江汉平原沉积物中重金属最高背景值）（冷阳等，2018）（表2）。并且，参照Hakanson方法，根据重金属单因子风险值(Eri)和总潜在生态风险值(RI)对沉积物中重金属污染程度（Cif、Cd）进行分级（谢意南等，2017；马如莉，2020）（表3）。

表2 重金属的背景参比值(Cni)和毒性响应系数(Tri)Table 2 Reference values(Cni)and toxicity coefficient(Tri)of heavy metals

表3 Cd、Cfi、Eri和RI相对应的污染程度及生态风险分级Table 3 Degree of pollution and potential ecological risks corresponding to Cd,Cif,Eir and RI

1.4.3鱼类重金属污染评价

生物体污染状况的评价一般是使用污染指数法，本次研究采用单因子污染指数法进行评价，具体见公式（1）。评价标准（曾龄颐，2012）：Pi≤0.2时，为无污染；0.2＜Pi≤0.6时，轻度污染；0.6＜Pi≤1.0时，中度污染；Pi＞1.0时，重度污染。

对于生物样品中多种重金属的综合污染评价，本次研究采取均方根综合指数进行分析（EPA US，2000），计算公式如下：

式中：PI为此生物样品的综合污染指数；Pi为单因子（元素）i的单因子污染指数；n为评价中选取的元素种类数。最后，我们根据综合污染指数的计算结果将重金属污染水平划分为四个等级：PI≤1.0，无污染；1.0≤PI≤2.0，轻度污染；2.0≤PI≤3.0，中度污染；PI＞3.0，重度污染。

1.4.4 重金属健康风险评价

采用目前国内外应用比较广泛的美国环保局发布的目标危害系数法（Target Hazard Quotient，THQ）(王文君等，2019)来评价鱼类的重金属安全性。THQ法优点在于可同时评价单一重金属的安全性及多种重金属复合安全性，在食品中广泛应用，其计算方法见公式（6）、（7）：

单一重金属健康风险指数（THQ）计算公式：

多种重金属复合风险指数计算公式：

式中，EF为接触频率（365 d·a-1）；ED为平均寿命（a）；FIR为消化食物的比率（g·person-1·d-1）；c为食物中重金属的含量（mg·kg-1）；RFD为重金属健康风险参考剂量（mg·kg-1·d-1）；WAB为人均平均体重（kg）；TA为平均接触时间（=EF×ED）。

参照《中国居民膳食指南（2022）》（中国营养学会，2022）中“每周最好吃鱼300～500 g”，选取高值500 g，结合资料收集，确定洞庭湖东南缘地区人均寿命为74.7 a，成人平均体重为57.3 kg，儿童体重为平均22.9 kg，成人食用鱼摄入量为0.071 kg/d，儿童鱼肉摄入量为0.015 kg/d。

由数据查阅到Hg、Pb、Zn、Cr、Cu、Cd的RFD（参考剂量）值见表4。

表4 健康风险分析参数取值Table 4 Values for health risk analysis parameters

THQ≤1，表明该污染物不会引起人体的健康风险，是安全的；THQ＞1，表明该污染物会引起人体的健康风险，是不安全的；THQ值越大表明该污染物对人体健康风险性越大，也就越不安全。多种重金属复合健康风险指数（TTHQ）评价标准同THQ。

1.5 数据处理与分析

表层水、表层底泥、鱼类元素含量统计等数据均运用Origin 2021处理，数据分析运用SPSS Statistics 25进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 草鱼、鲢鱼生活水体污染特征

洞庭湖东南缘水体的14件表层水样中，Cd、Hg、Se、Zn变异系数在0.35～0.48之间（表5），变异程度弱，空间分布较为均匀。Cr、Cu、Pb变异系数在0.56～0.71之间，属于强烈变异，空间分布较不均匀。表层水中，重金属元素富集能力为Zn＞Cu＞Pb＞Hg＞Cd。除Hg元素超过国家Ⅰ类地表水标准，其他元素都在国家Ⅰ类地表水限值内。主要原因是靠近湘江、洞庭湖口的水样Hg元素含量偏高，Cr的含量大都低于仪器的检测限。Hg、Pb、Zn、Cu、Se高于洞庭湖水体环境背景值，分别为背景值的2.19、1.79、2.4、2、1.8倍，表明洞庭湖东南缘水系水体中Hg、Pb、Zn、Cu、Se的污染风险较高。Hg单因子污染指数是1.115，处于轻度污染水平。综合污染指数为0.801，介于0.5和1.0之间，属于尚清洁水平。

表5 洞庭湖东缘水体表层水重金属元素含量特征及环境背景值和限量标准（μg/L）Table 5 Characteristics of heavy metal element content（μg/L）in surface water of the eastern edge of Dongting Lake and its environmental background values and limit standards

2.2 草鱼、鲢鱼生活水域底泥污染特征

洞庭湖东南缘水域底泥中不同元素的质量分数差异较大（表6），表现为w（Zn）＞w（Cr）＞w（Pb）＞w（Cu）＞w（Ni）＞w（As）＞w（Ge）＞w（Mo）＞w（Se）＞w（Hg）。

表6 洞庭湖水域表层底泥中重金属元素含量（×10-6）Table 6 Contents of heavy metals（×10-6）in surface sediment of Dongting Lake

由表7可以看出，从Cfi来看，Zn、Pb、Hg、Cd全湖平均值位于1.4～3之间，属于中度污染，从不同水域来看，费加湖的Cu和湘江的Cd为中度污染，这与洞庭湖主要污染来源是湘水顺湘江河道流入洞庭湖的实际情况一致（秦迪岚等，2012；谢意南等，2017）；从Cd来看，全湖整体为中度污染水平，主要是因为湘江、洞庭湖口Cd分别是16.7、11.5，其中湘江、洞庭湖口底泥中Cd元素是其中度污染的主要影响因素，Cd成为全湖重金属污染水平主要贡献因子，这与洞庭湖主要污染重金属元素为Cd元素一致，其余水域为低度污染；从Eri来看，Hg、Cd为“中度”生态风险水平，其余为“轻度”生态风险水平。Cd与Hg的生态风险贡献率为88.36%，说明Cd和Hg是洞庭湖东南缘水域底泥中重金属的主要风险污染物，和冷阳等（2018）的研究认为洞庭湖重金属污染中Cd为首要污染物的结论一致。所有采样点各重金属总生态风险水平RI全湖平均为166.7,属于“中度”生态风险水平（郭晶等，2016），不同采样区域的生态风险水平为：湘江＞洞庭湖口＞新墙河＞汨罗江＞费加湖＞东庭湖东。

表7 洞庭湖各采样点底泥的RI及总体污染程度CdTable 7 RI and overall contamination level Cd of bottom mud at each sampling point in Dongting Lake

2.3 草鱼、鲢鱼重金属评价

29件鲢鱼和35件草鱼样品中有4件草鱼、10件鲢鱼样品超出富硒食品含量标准，草鱼、鲢鱼安全富硒率分别为86%和34%；有13件鲢鱼样品As超出无公害水产限值标准（表8）。

表8 洞庭湖东南缘草鱼、鲢鱼微量元素含量统计Table 8 Statistics of trace element content of grass carp and silver carp on the southeast edge of Dongting Lake

对鱼体内重金属采用污染指数法进行评价，其结果见表9。从单因子污染指数来看，主要污染元素为As、Pb元素，为轻度污染水平。从综合污染指数来看，洞庭湖东南缘主要养殖区鱼体处于无污染范围，其中鲢鱼重金属污染程度大于草鱼，体现出不同生活习性鱼类重金属富集的差异性（多数研究表明鱼类重金属富集规律为杂食性鱼类体内重金属比食草性鱼类更容易富集），最高值（0.73）位于营田养殖区。由于污染指数法突出了单个因子的影响，所以洞庭湖东南缘主要水产养殖区重金属污染还需结合实际情况进行分析。

表9 洞庭湖东南缘主要淡水养殖区鱼类重金属污染指数Table 9 Heavy Metal Pollution Index of fish in the main freshwater aquaculture areas on the southeastern edge of Dongting Lake

2.4 草鱼、鲢鱼健康风险评价

由洞庭湖东南缘草鱼、鲢鱼通过人体摄入的THQ值和TTHQ值（表10）可知，草鱼的重金属THQ均值从大到小依次为Cr＞Zn＞Cu＞Hg＞Pb＞Cd，鲢鱼的重金属THQ值从大到小依次为Hg＞Zn＞Cr＞Pb＞Cu＞Cd。成人、儿童THQ指数均小于1，说明洞庭湖东南缘不同鱼类单一重金属对人群健康风险不明显。多种重金属复合风险TTHQ也都小于1，对人体健康风险不明显（徐承香等，2020）。由此可知，洞庭湖东南缘不同鱼类之间的单一重金属健康风险和复合健康风险虽有一定差异，但差异不大。两种主要经济鱼类，鲢鱼对于人体健康风险要大于草鱼，结果与其重金属污染指数具有一致性。儿童的风险程度小于成人的健康风险程度，主要是儿童日均摄入量相比成人明显较少。

表10 草鱼、鲢鱼重金属摄入量的健康风险评价Table 10 Health risk assessment of heavy metal intake in grass carp and silver carp

2.5 草鱼、鲢鱼重金属污染相关性分析

洞庭湖草鱼、鲢鱼体内重金属元素相关性见图2，从中可以看出：在草鱼中，As与Hg、Se呈极显著正相关，他们的相关系数分别为0.73、0.61，As与Cr显著正相关，Cr与Se显著正相关，相关系数分别为0.39、0.40；鲢鱼中As与Se、Cd呈极显著负相关，相关系数分别为-0.90、-0.63，Cu、Pb显著正相关，相关系数为0.39。草鱼和鲢鱼体内重金属的相关性差异，体现了不同鱼类等水产品自身对重金属富集能力的差异性。

图2 草鱼（a）、鲢鱼（b）元素相关性分析Fig.2 Correlation analysis of elements in grass carp(a)and silver carp(b)

由表11可以看出，洞庭湖东南缘鱼类重金属污染与养殖水域呈显著性正相关，相关系数为0.956。

表11 以重金属素含量为依托的鱼体与环境之间的相关性分析Table 11 Correlation analysis between fish bodies and the environment based on heavy metal element content

3 讨论

本次研究中，洞庭湖表层水除Hg外，其余重金属均未超出国家Ⅰ类地表水标准，与祝云龙等（2008）的研究结果一致。Hg、Pb、Zn、Cu、Se高于洞庭湖水体环境背景值（李健等，1986），分别为背景值的2.19、1.79、2.4、2、1.8倍，Hg单因子污染指数是1.1153（表5），处于轻度污染水平。综合污染指数为0.801（表5），处于尚清洁水平，主要是位于洞庭湖口的表层水样中Hg元素含量偏高，这可能与污水排放有关。

近年来，洞庭湖鱼类被检测出来的重金属污染基本集中在鲫鱼、鲶鱼，且大多集中在鱼内脏部位。本文选取目前洞庭湖水域集中养殖且市场消费比较多的草鱼（中下层，植食性）、鲢鱼（中上层，滤食性）为对象，分不同区域采样，结合重金属污染和微量元素含量特征进行研究，结果表明：洞庭湖东南缘主要水产养殖区，鲢鱼重金属污染程度大于草鱼，结合其生活习性，表现为杂食性＞草食性。这与重金属能在食物网中逐级累积的结论（祝云龙等，2008）是一致的。

洞庭湖东南缘主要水产养殖区草鱼、鲢鱼微量有益元素Se全部富集，目前有大量的研究表明：Se元素容易在水产品中富集。目前富硒食品产业集中在农产品中，富硒食品给农产品带来了大量的附加价值，对于地方推进特色产业开发，提高农业种植收入有很大的帮助。结合研究来看，打造富硒水产品产业前景比较大，但需要开拓市场，提升民众对水产品富硒价值的认同感。

有研究表明，与水体和底泥中重金属含量相比，当鱼体内重金属含量高于水体中重金属含量，低于底泥中重金属含量，且底泥中重金属含量远高于水中重金属含量时，可以判断鱼体内重金属含量是以食物暴露途径为主，这与田林峰等（2012）、王丽等（2017）的研究结果相似。

洞庭湖东南缘主要水体水系表层底泥中，湘江和洞庭湖口的Cd、Hg是主要的生态风险贡献因子，本次研究的结果与前人研究具有一致性。这种区域污染差异印证了近年来随着经济发展，位于洞庭湖周边的工矿企业排污至湖体，且排污行为集中在东、南洞庭湖及其入湖水系——湘江、资江、沅江、澧水流域的事实。

4 结论

（1）洞庭湖东南缘表层水除Hg元素超过国家Ⅰ类地表水标准，其他元素都在国家Ⅰ类地表水限值内。Hg、Pb、Zn、Cu、Se高于洞庭湖水体环境背景值，分别为背景值的2.19、1.79、2.4、2、1.8倍，表明洞庭湖水系水体中重金属元素污染风险较高。Hg单因子污染指数是1.115，处于轻度污染水平。综合污染指数为0.801，大于0.5、小于1.0，处于尚清洁水平。

（2）Cd和Hg是洞庭湖东南缘水域底泥中重金属的主要风险污染物，Cd为首要污染物。全湖平均RI（潜在生态风险）为166.7，属于中度潜在生态风险水平。

（3）洞庭湖东南缘草鱼、鲢鱼微量元素含量特征表现为：草鱼有4件，鲢鱼有10件超出富硒食品含量标准，鲢鱼有13件样品As超出无公害水产限值标准，草鱼、鲢鱼安全富硒率分别为86%和34%。洞庭湖东南缘主要养殖区鱼体重金属处于无污染范围，从综合污染指数来看，鲢鱼重金属污染水平大于草鱼，体现了不同生活习性鱼类重金属富集的差异性。

（4）THQ（单一重金属健康风险指数）成人、儿童指数均小于1，说明不同鱼类单一重金属对人群健康风险不明显。多种重金属复合风险TTHQ均小于1，对人体健康风险不明显。

（5）洞庭湖东南缘草鱼、鲢鱼体内重金属存在明显相关性差异，体现了不同鱼类等水产品自身对重金属富集能力的差异性，且洞庭湖东南缘鱼类重金属污染与养殖水域呈显著性正相关，相关系数为0.956。