沉积物风险、海产品生物富集与膳食危害的多层级重金属优先级比较——以中国茅尾海为例

《Toxics》：Heavy-Metal Rankings Across Sediment Risk, Seafood Bioaccumulation and Dietary Hazard in the Maowei Sea, China

　　

： 沉积物指数通常用于设定海水养殖海湾的重金属优先关注顺序，但不同生物类群对重金属的吸收与调控机制存在差异，因此海产品中的优先关注金属可能有所不同。本研究于2022年4月对茅尾海（北部湾）开展单季节调查，测定了水体（27个站位）、表层沉积物（15个站位）及7种商业采捕生物中的7种金属含量，每种生物以12个独立分析的站位混合样品的算术平均值代表。研究人员比较了这些金属在沉积物风险、生物富集和膳食危害三个层级中的排序。Cd和Hg合计贡献了沉积物生态风险指数（ecological risk index, RI）的85%。生物体-沉积物累积因子（biota-sediment accumulation factor, BSAF）在蛤类中以Cd最高，牡蛎中以Zn最高，甲壳类中以Cu最高，鱼类中以Hg最高。在假设无机砷占总砷10%的情况下，文蛤（1.44）和中华绒螯蟹（1.04）的膳食危害指数（hazard index, HI）超过1；在5%的假设下，所有物种均未超过1。在两种比例下，多数物种中贡献最大的膳食金属为As或Cu，而非Cd或Hg。在较低的无机砷比例下，Cd或Hg在蛤类和鱼类中成为主导金属，但在甲壳类和牡蛎中并非如此。本调查中，沉积物排序对海产品优先关注金属的指示作用较弱，这支持按物种和金属分别进行监测的观点。由于膳食排序取决于砷的形态，应优先开展组织砷形态分析。

论文解读

一、研究背景与科学问题

半封闭型沿海海湾的重金属污染评估通常以沉积物为基础展开。河流输入、海水养殖、港口活动和城市径流带来的重金属易于被细颗粒物和有机质吸附滞留，使表层沉积物既成为重金属的汇，也可能在氧化还原条件和水动力变化时成为二次污染源。因此，沉积物地球化学累积指数和潜在生态风险指数（RI）被广泛用于识别优先关注金属。在中国南部的北部湾地区，此类沉积物指数反复将Cd和Hg识别为优先金属。然而，沉积物风险与海产品暴露并非同一对象。水生动物组织中重金属浓度受物种特异性生物动力学过程调控，包括溶解态吸收、食物同化、储存、解毒和外排等。双壳类常高效累积Cd和Zn，十足目甲壳类可携带高负荷Cu，鱼类对多数金属累积较低但保留甲基化且经食物链传递的Hg。因此，某一金属可能因富集程度高和毒理权重高而主导沉积物指数，却未必主导可食组织或最终膳食危害商。沉积物评估、生物富集评估和膳食评估是否识别出相同的优先金属，是一个需要实证检验的问题，而非可安全假设的结论。

钦州湾及北部湾已有研究分别考察了沉积物形态与人体健康的关系、市场双壳类重金属与健康风险、以及养殖牡蛎金属负荷随体长和季节的变化，但尚未有研究在同一养殖海湾内直接比较水体与沉积物评估所识别的优先金属与物种特异性累积及膳食摄入所识别的优先金属。这一比较具有管理意义，因为决策往往从环境监测延伸至海产品安全，而受体已从沉积物栖居群落转变为甲壳类、双壳类和鱼类的消费者，两端关注的金属未必相同。

茅尾海为上述分层比较提供了理想案例。该湾为钦州湾内侧的浅水半封闭内湾，面积约135 km2，接纳茅岭江、大榄江和钦江，潮差3.5至3.8 m，牡蛎排架和网箱养殖占据内湾大部分水域。2022年4月，一项按国家标准执行的基线环境调查在茅尾海及其出口采集了水体、表层沉积物样品，并在湾内12个拖网站位采集了7种商业采捕物种的组织样品。本研究基于该调查记录，检验沉积物指数排序最高的金属是否也是组织负荷和膳食危害的主导金属，从而判断沉积物衍生的优先清单能否直接迁移至海产品安全领域。

二、研究设计与主要结论

研究设置了三个评估层级。环境赋存层级以中国海水水质标准（GB 3097-1997）第一类和海洋沉积物质量标准（GB 18668-2002）第一类为基准，计算了地累积指数（I_geo）、潜在生态风险指数（RI）和平均效应范围中值商（mERM-Q）。生物富集层级计算了相对于水体均值的野外生物富集因子（BAF）和相对于沉积物均值的生物体-沉积物累积因子（BSAF）。膳食危害层级依据美国环保署风险评估指南计算了目标危害商（THQ）和危害指数（HI），并设置了10%和5%两种无机砷占总砷比例的假设情景，同时开展了20000次迭代的蒙特卡洛概率模拟。

研究得出以下主要结论。环境层级方面，水体中仅Hg超标，27个站位中有16个超过第一类标准；沉积物中Cd平均为区域背景值的2.6倍，Hg为1.5倍，二者合计贡献RI的85%，但RI总体处于低至中等水平。生物富集层级呈现明显的类群特异性：三种双壳类的Cd BSAF均超过1，牡蛎的Zn和Cu也超过沉积物水平并持有全数据集最高的Pb BAF；甲壳类以Cu为最高富集金属，蟹的Cu BSAF达4.40；鱼类除Hg外无任何金属超过沉积物水平。膳食危害层级方面，在2025年IRIS无机砷参考剂量下，10%无机砷比例时文蛤（1.44）和绒螯蟹（1.04）的HI超过1，5%时无物种超过1；10%比例下As在全部物种中主导HI，5%时Cu在甲壳类和牡蛎中主导、As在蛤类和鲻鱼中主导、Hg在海鲈中主导。蒙特卡洛模拟显示文蛤、牡蛎和蟹的HI超过1的模拟频率分别为32%、27%和26%。

三、关键技术方法

研究采用的主要技术方法包括：第一，按国家标准（GB 17378系列和GB/T 12763.6-2007）实施的水体、沉积物和生物样品采集与实验室分析，其中水体溶解态金属经螯合溶剂萃取后以石墨炉原子吸收光谱（GF-AAS）和火焰原子吸收光谱（FAAS）测定，Hg和As以原子荧光光谱（AFS）测定；第二，环境评价指标体系，包括水质指数（WQI）、地累积指数、潜在生态风险指数和平均效应范围中值商；第三，生物富集因子（BAF）和生物体-沉积物累积因子（BSAF）的计算，其中组织湿重浓度按文献含水量转换为干重；第四，基于美国环保署框架的确定性膳食危害评估，采用全国平均摄入率48.0 g d^-1和60 kg体重，并设置无机砷比例情景；第五，20000次迭代的蒙特卡洛模拟，对摄入率、体重、组织浓度、无机砷比例和甲基汞比例设定概率分布，输出HI分布、超标频率和主导金属频率。样本来源为2022年4月24至26日广西科学院在茅尾海实施的调查，包括27个水质站位、15个沉积物站位和12个底拖网站位。

四、研究结果

环境赋存：Hg是唯一超过海水第一类标准的金属，16/27站位超标；Cd和Hg合计贡献沉积物RI的85%，其中Cd占48%、Hg占37%；RI平均162，9个站位处于低风险带，6个站位处于中等风险带；mERM-Q平均0.09，整体处于最低毒性效应发生率等级。

生物富集：组织浓度跨金属跨类群差异达三个数量级；Zn在全部物种中浓度最高；双壳类Cd BSAF为4.3至4.8，约为蟹的6倍、鱼类的20倍以上；牡蛎Zn BSAF为6.78、Cu为3.16；蟹的Cu BSAF为4.40，虾为1.30；鱼类仅Hg超过沉积物水平（BSAF 1.60和1.10）；Pb和Cr在所有检出物种中均低于沉积物水平的十分之一，As未在任何物种中达到沉积物水平的一半。

膳食危害：GB 2762-2022食品限量无超标；10%无机砷比例下文蛤HI为1.44、蟹为1.04、牡蛎为0.99；5%时三者降至0.88、0.83和0.84；10%时As在全部物种中主导HI，占比31%至78%；5%时Cu在虾（37%）、蟹（43%）和牡蛎（25%）中主导，As仍在文蛤（64%）和鲻鱼（55%）中主导，Hg在海鲈（56%）中主导；As超越次主导金属的交叉比例从文蛤的1.4%至海鲈的9.6%不等。

概率评估：全部物种HI中位数低于1（0.17至0.71）；95百分位数中文蛤达2.23，牡蛎和蟹约1.9；HI超过1的模拟频率文蛤32%、牡蛎27%、蟹26%、红树蚬7.1%、其余三种不超过1.2%；摄入率是与HI相关性最强的输入（秩相关0.82至0.95），无机砷比例仅在As主导的物种中排名第二。

五、讨论与结论

三个层级识别出不同的优先金属。环境层级指向Cd和Hg；最高BSAF在两种蛤类中为Cd、牡蛎中为Zn、甲壳类中为Cu、鱼类中为Hg；膳食层级在10%无机砷比例下As在全部物种中居首，5%时Cu在甲壳类和牡蛎中居首。As和Cu均无正地累积指数，也未进入沉积物风险指数的前列，但二者合计贡献了蟹HI的三分之二至四分之三。这一分歧源于各层级权重的差异：沉积物指数按毒理响应因子和背景富集加权，偏向Cd（T_r=30）和Hg（T_r=40）；生物富集按物种特异性吸收和保留加权；膳食危害商按组织浓度与参考剂量之比加权，偏向参考剂量低的金属（修订后的As、Hg、Cd）或组织浓度高的金属（甲壳类中的Cu、牡蛎中的Zn和Cu）。

研究结论为：在茅尾海这一养殖海湾中，沉积物指数仍可作为有效的环境筛选工具，识别出Cd和Hg为潜在生态风险驱动金属；但沉积物排序未能指示多数物种在两种主要情景下的膳食主导金属。对于甲壳类和牡蛎，膳食主导金属在任何所考虑的无机砷比例下均不同于沉积物风险前两位金属。研究建议采用按物种和金属分别设计的监测方案，候选组合为双壳类中的As和Cd、甲壳类中的Cu、As和Hg、鱼类中的Hg和As，并将组织砷形态分析作为最优先补充的测定项目。