黑海南部养殖鱼类微量元素蓄积特征与人体健康风险评估研究

《Fishes》：Trace Element Accumulation and Human Health Risk Assessment in Cultured Fish Species from the Southern Black Sea

　　

本研究测定了三种常见食用鱼类（虹鳟Oncorhynchus mykiss、欧洲海鲈Dicentrarchus labrax和金头鲷Sparus aurata）可食用肌肉组织中十三种微量元素（铝Al、砷As、镉Cd、铬Cr、钴Co、铜Cu、铁Fe、铅Pb、锰Mn、汞Hg、镍Ni、硒Se和锌Zn）的浓度。样本取自土耳其锡诺普养殖场收获并当日运抵鱼市的个体，于2024年4月至6月期间按月采样。锌和铁在所有物种中浓度最高，而有毒微量元素保持在显著较低水平，其中镉（0.005–0.006 mg/kg）、汞（0.015–0.018 mg/kg）和铅（0.010–0.011 mg/kg）均严格低于欧盟最高允许限量（分别为0.05、0.5和0.3 mg/kg）。此外，基于人均每日鱼类消费量19.72 g进行了全面的人体健康风险评估。所有评估元素的目标危险商（THQ）及累积危险指数（HI，各物种间范围为0.0794–0.0818）均远低于1.0，表明无非致癌风险。通过风险指数（RI）评估的致癌风险对铬（Cr）而言可忽略不计（1.35–2.35 × 10?7），对无机砷（iAs）而言（2.77–4.13 × 10?6）亦处于可接受范围内。本研究的定量结果表明，在所评估条件下，这些养殖水产品中的微量元素浓度保持在安全基线水平内，为黑海南部地区的食品安全和生态监测提供了有意义的数据。

一、研究背景与意义

全球人口快速增长与高品质膳食蛋白需求上升，对海洋生态系统造成了巨大压力，导致全球野生鱼类资源大幅衰退。为应对蛋白质缺口并把握经济机遇，水产养殖业应运而生，成为补充黑海鱼类供给的可持续且经济可行的途径。黑海作为关键水生环境，其水产养殖产量在2021年实现了11.9%的显著增长，海洋养殖产量超过33.5万吨，凸显了该产业在区域粮食安全与经济发展中的关键作用。根据2023至2024年官方数据，土耳其海产品产业正经历结构性转变：海洋捕捞量大幅下降23.3%（从420,527吨降至322,463吨），而水产养殖则持续稳步增长3.7%，达到577,124吨。这一趋势标志着从野生捕捞的不稳定性向受控生产的稳定性转变，使水产养殖成为区域粮食安全的主要支柱。

鱼类因富含优质蛋白质和有益Omega-3脂肪酸等必需营养素，一直是健康膳食不可或缺的组成部分。然而，对水产养殖依赖的日益增加，要求对养殖产品质量与安全性进行严格评估，尤其是环境污染物生物蓄积方面的问题。长期膳食暴露于有毒非必需微量元素可导致严重的健康不良后果，包括肾功能不全、肝毒性和心血管功能障碍。因此，系统量化供人食用鱼类中的微量元素负荷，对于保障消费者健康和确保符合公认监管限值至关重要。尽管黑海水产养殖中镉、汞、铅等有毒元素通常报道处于较低浓度，但海洋污染的动态特征和生物摄取途径的复杂性要求持续系统的监测工作。

这些元素通常来源于多种人为输入，包括工业废水、农业径流和城市废物流，其在水生环境中的持久性促进了在整个水生生物群中的逐步生物蓄积。黑海地区，特别是支持大规模商业化海水养殖的区域，易受这些沿海影响，因此持续监测对验证产品质量至关重要。在该流域养殖的硬骨鱼类中，虹鳟、欧洲海鲈和金头鲷构成了区域鳍鱼养殖产量的绝大多数，是供应国内消费和出口市场的主要商业物种。这三种物种被专门选为代表不同的营养级位置、不同的生理摄取速率，以及禁渔期内消费者可获得的主要上市养殖鳍鱼。本研究旨在通过分析来自黑海南部养殖场地的商业重要养殖鱼类物种中十三种微量元素浓度，为这一关键监测工作做出贡献。

二、研究设计与主要发现

研究人员在2024年4月至6月期间，直接从商业收获的养殖网箱中采集鱼类样本。每个采样月每种鱼获取5个样本，总样本量n=45，每个样本进行三次重复分析。样本采集后立即在约4°C保温冰盒中运至实验室，随后解剖分离可食用肌肉组织，在?21°C下保存待分析。虹鳟平均体长53±4 cm、体重3100±380 g；金头鲷平均体长27±5 cm、体重330±35 g；欧洲海鲈平均体长31±6 cm、体重350±40 g。选择4月至6月采样期是因为该时段为黑海南部养殖鱼类的主要供应期，国家法规禁止在此期间从野生环境捕捞大多数商业物种，因此养殖鱼类构成该时期到达当地市场的新鲜鱼类绝大多数。

研究结果表明，锌和铁在所有物种中浓度最高，其次为硒。三种物种中有毒元素镉（0.005–0.006 mg/kg）、汞（0.015–0.018 mg/kg）和铅（0.010–0.011 mg/kg）均保持相似且较低水平，严格低于欧盟最高允许限量。物种间比较显示，金头鲷的锰（0.268 ± 0.043 mg/kg）和铜（0.133 ± 0.013 mg/kg）积累最高，而虹鳟的铁（2.600 ± 0.485 mg/kg）和铝（0.050 ± 0.005 mg/kg）水平最高。锌、硒、镉、汞和铅的积累在物种间无显著差异。时间变化方面，虹鳟的铁和锌在5月达到峰值，金头鲷的锰呈持续上升趋势，欧洲海鲈的铝从4月到6月呈递增趋势。

三、主要技术方法

研究采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS；Agilent 7700X）测定十三种微量元素浓度，监测同位素包括²⁷Al、⁵²Cr、⁵⁵Mn、⁵⁶Fe、⁵⁹Co、⁶⁰Ni、⁶³Cu、⁶⁶Zn、⁷⁵As、⁷⁸Se、¹¹¹Cd、²⁰²Hg和²⁰⁸Pb。样本前处理采用微波消解系统（Milestone SK10），遵循EPA Method 200.3。质量控制使用标准参考物质TORT-2（龙虾肝胰腺，加拿大国家研究委员会），回收率范围为97.78%–104.20%。健康风险评估计算了估算每日摄入量（EDI）、目标危险商（THQ）、累积危险指数（HI）和风险指数（RI）。统计分析采用Shapiro–Wilk检验、Levene检验、Kruskal–Wallis H检验、Dunn–Bonferroni事后检验、Spearman秩相关分析和主成分分析（PCA）。

四、研究结果

微量元素浓度的时间变化： 虹鳟中铝、锰、铁、锌、无机砷和硒浓度存在显著时间变化，铁和锌在5月达到峰值；欧洲海鲈中铝、镍、无机砷和硒存在显著月间差异，铝从4月（0.033 mg/kg）至6月（0.041 mg/kg）呈递增趋势；金头鲷中铝、锰、铁、钴和硒存在显著时间差异，锰从4月（0.219 mg/kg）至6月（0.312 mg/kg）持续上升。观察到的季节性波动可能归因于季节性水温变化影响代谢率，以及春夏过渡期间水文变化和陆源/农业径流。

物种间微量元素水平差异： 铝、铬、锰、铁、镍、铜和无机砷浓度在物种间存在显著差异。金头鲷的锰和铜积累最高，虹鳟的铁和铝水平最高。锌、硒、镉、汞和铅积累无显著物种间差异。物种间元素水平差异可能与物种特异性代谢需求、不同的摄取和调节效率或商业饲料配方的潜在差异有关。

元素间相关关系： 虹鳟中铬与锰呈强正相关（r = 0.962），锌与铝呈负相关（r = ?0.912）；金头鲷中锰与锌呈负相关（r = ?0.933），与铬呈正相关（r = 0.710）。跨物种合并数据中，铝与汞呈正相关（r = 0.692），铬与钴呈正相关（r = 0.678），锰与铁呈负相关（r = ?0.698），镍与铬呈负相关（r = ?0.652）。铝–汞相关性可能反映共享的颗粒物或流域来源径流途径，锰–铁负相关与化学相似元素共享膜转运通道的竞争性摄取机制一致。

主成分分析： PCA提取了三个特征值超过1.0的主成分，合计解释总方差的68.67%。PC1（34.1%）由镍（0.439）、铁（0.378）、无机砷（0.350）和铬（0.311）的正载荷定义，与锰（?0.457）和铜（?0.367）的强负载荷形成对比。PC2（21.5%）以汞（0.511）和铝（0.495）的强正贡献为特征，钴（?0.330）和硒（?0.322）提供显著负贡献。PC3（13.1%）几乎完全由硒驱动（正载荷0.583），无机砷（?0.410）和镉（?0.287）在该轴上负载荷。双标图显示6月样本主要聚集在PC2正侧（较高铝和汞水平），金头鲷沿PC1负轴与虹鳟和欧洲海鲈明显分离。

与国际标准比较： 镉、汞和铅浓度均大幅低于欧盟委员会和土耳其食品法典规定的最大允许限量。这些测定值与黑海南部野生和养殖鱼类的区域生物监测调查结果密切吻合，也与全球其他海洋和淡水养殖区域的商业水产养殖物种研究结果一致。

人体健康风险评估： 所有评估元素的THQ值均低于1.0阈值，表明食用所检鱼类不会对人体健康造成明显非致癌风险。危险指数（HI）在虹鳟中为0.0818，欧洲海鲈为0.0794，金头鲷为0.0796，均远低于1.0的临界阈值。所有有毒金属的估算每周摄入量（EWI）均低于EFSA和JECFA设定的国际健康指导值的2%。致癌风险方面，铬的RI范围为1.35 × 10^?7（金头鲷）至2.35 × 10^?7（虹鳟），属可忽略水平；无机砷的RI范围为2.77 × 10^?6（金头鲷）至4.13 × 10^?6（欧洲海鲈），处于可接受范围内。金属污染指数（MPI）在三种物种间紧密接近，虹鳟最高（0.0435），其次为欧洲海鲈（0.0418）和金头鲷（0.0413），反映所检养殖鱼类整体元素负荷最小且无物种特异性污染峰值。

五、研究局限与结论

研究人员承认，虽然样本量与此前区域生物监测工作一致，但其检测较小至中等效应量的统计效力固有受限，因此所报告的时间变化和物种间差异需谨慎解读。此外，元素浓度和相关健康风险指数仅来源于单一收获期，将结果外推至其他季节、不同养殖设施、不同地理区域、后续生产周期或野生同种个体需要广泛的未来验证。研究范围严格限定于评估可食用终端产品以评估直接消费者暴露，未对商业饲料和周围网箱水体进行平行表征，因此膳食摄入与水相摄取对总金属负荷的相对贡献无法明确区分。

本研究结论表明，黑海南部商业重要水产养殖物种的微量元素蓄积表现出明显的物种特异性模式，但潜在有害金属的整体蓄积显著受限。在评估条件下，这些养殖硬骨鱼类的可食用组织未蓄积令人担忧水平的有毒环境污染物。从公共卫生角度看，综合风险模型支持无非致癌风险，致癌风险估计在所采用暴露假设下处于常规可接受范围内。通过证明微量元素浓度符合国际食品安全阈值，本研究为该地区水产品的安全性和质量提供了令人放心的证据，支持在研究所覆盖的地理和时间边界内的区域食品质量评估。