煤矸石污染水域和天然水域Cd元素在鯽魚組織中的沉積規(guī)律

閆永峰，張遼，閆明

1. 商丘師范學院生命科學學院，河南 商丘 476000；2. 河南農(nóng)業(yè)大學林學院，河南 鄭州 450002

煤矸石污染水域和天然水域Cd元素在鯽魚組織中的沉積規(guī)律

閆永峰1*，張遼1，閆明2

1. 商丘師范學院生命科學學院，河南 商丘 476000；2. 河南農(nóng)業(yè)大學林學院，河南 鄭州 450002

煤矸石是采煤和洗煤過程中排放的固體廢物，其中含有大量的重金屬元素Cd，煤矸石的無序排放不僅對環(huán)境造成了污染，而且也對人體健康和食品安全構(gòu)成了嚴重的威脅。研究商丘永城采煤塌陷區(qū)煤矸石污染水域Cd在魚體中的沉積規(guī)律，可為進一步研究Cd污染對魚類的危害和對煤矸石污染水域魚肉食品安全的評估奠定基礎。本試驗采用火焰原子吸收法測定了煤矸石污染水域和天然無污染水域鯽魚各個組織中 Cd的含量。結(jié)果表明，（1）塌陷區(qū)煤矸石污染水域鯽魚（Carassius auratus）的鰓、心臟、肌肉中Cd含量分別為1.063 0±0.278 4、8.638 9±3.230 1、1.146 1±0.204 6 μg·g-1均高于無污染天然水域鯽魚相應組織的含量，其中鰓、肌肉中Cd含量顯著高于對照組（P<0.05）。（2）天然水域中，Cd在鯽魚體內(nèi)的含量規(guī)律為：肝臟>心臟>肌肉>鰓，但是各組織間的含量差異不顯著；而煤矸石污染水域中，Cd在鯽魚體內(nèi)沉積規(guī)律是：心臟>肌肉>肝臟>鰓，心臟中的含量遠遠高于其他組織。(3)一個成人每周可安全食用這兩個水域的魚肉量分別為823、365 g；若超過此含量，將存在著潛在健康威脅。結(jié)論：煤礦石污染水域鰓、肌肉組織中Cd含量遠遠高于天然水域，Cd更易沉積在鯽魚的心臟組織中，每周食用煤矸石污染水域魚肉365 g以上就存在著健康威脅。

鯽魚；重金屬；火焰原子吸收

煤矸石是煤礦開發(fā)過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，每年煤矸石的排放量相當于當年煤炭產(chǎn)量的10%～20%（丁偉等，2011；Fan等，2013）。煤矸石中主要包括了20多種元素，如：Ca、Mg、Fe、S、Si、As、Cr、Pb、Hg、Cd、Se、Mn、Ni、Cu、Zn、Sb、Co、Mo、Be、V、Ba、Ti、Th、U、Ag（Xue等，2014）。其中，對人體危害較大的重金屬有：Hg、Cd、Cr、Pb、Cu、As、Zn（孫長安等，2006；Zhou等，2014）。這些煤矸石重金屬污染物會沉積在水生動物的肌肉等組織中（劉天驕和陳玉翠，2007），影響水生動物的生長和免疫功能（閆永峰和王兵麗，2010；閆永峰等，2010；閆永峰等，2011；閆永峰等，2012；閆永峰等，2012；Olivares等，2014；曾艷藝等，2014；曾艷藝等，2014）。當人們食用后，有害物質(zhì)會進入人體，對人體健康產(chǎn)生重要影響（朱爽，2008）。Cd易引發(fā)癌癥（Schwab，2012），且可能和干擾腫瘤抑制蛋白p53的剪切修復有關（Sigel等，2013），給人類的健康帶來了極大威脅。煤礦塌陷區(qū)被復墾后，形成一些養(yǎng)殖水域，煤矸石往往被用作池壁或池底，這使得煤矸石污染對漁業(yè)生產(chǎn)、食品安全產(chǎn)生了更加重大的威脅趨勢。但是，目前還未見到煤矸石污染對魚體組織器官特別是肌肉中重金屬離子殘留的報道。因此，研究Cd在魚體各個器官、組織，特別是在可食用部分的殘留量，一方面可指導人們認識水體污染物在魚器官的殘留特點，為評價污染指標的選擇作為依據(jù)；另一方面，了解魚肉中有害物殘留的規(guī)律是當今食品安全的迫切需要。本試驗以鯽魚(Carassius auratus)作為研究對象，通過測定Cd在煤矸石污染水體中鯽魚各個組織器官的殘留量，明確煤矸石污染物Cd在鯽魚體內(nèi)的沉積規(guī)律，為人們食用該魚肉的安全性進行評估。

1 材料和方法

1.1 研究樣地概況

試驗組鯽魚的采樣地點為永城小徐莊（33°57′N，116°22′E）附近的采煤塌陷區(qū)形成的天然魚塘，該地區(qū)水域污染主要由煤矸石淋洗、煤塵污染和礦井排水造成的。對照組鯽魚的采樣地點為商丘市黃河故道的天沐湖（34°35′N，115°41′E），其周圍基本無工廠和煤礦企業(yè)，基本無重金屬污染。

1.2 試劑和儀器

Cd元素的標準物質(zhì)，解剖工具，電子分析天平，瓷坩堝，電熱板，高溫電爐（馬弗爐），容量瓶（50 mL），試劑瓶，濃硝酸，超純水，AFS3300型火焰原子吸收分光光度計，電熱恒溫干燥箱。

1.3 樣品測定

參照李華和鄧林（2012）、顧佳麗（2012）的方法進行。

1.3.1 樣品預處理

（1）首先將鯽魚用超純水清洗干凈后用濾紙吸干，在解剖后分別取出鯽魚的肝臟、心臟、鰓，分離肌肉，并將各種樣品移入瓷坩堝中。

（2）將瓷坩堝放入電熱恒溫干燥箱在150 ℃下干燥 3 h，待冷卻后將樣品用電子分析天平準確稱取5份樣品的質(zhì)量，并記錄下數(shù)據(jù)。

（3）各向樣品中加入濃硝酸5 mL放置0.5 h，然后放置在電熱板上加熱至無煙。

（4）移入馬弗爐中緩慢加熱至預設溫度（500～550 ℃）進行灰化3 h，直至樣品被完全灰化。

（5）若有黑色顆粒存在則需要重復步驟3和4，直至完全變成白色粉末。

（6）待冷卻后移出用3 mol·L-1硝酸l mL溶解4次，然后移入50 mL容量瓶中，用超純水進行定容，待測。

1.3.2 標準溶液的配制

用優(yōu)級純的濃硝酸和濃鹽酸配制成體積分數(shù)為1%的稀硝酸和稀鹽酸，作為Cd元素標準貯備液的稀釋劑。準確稱取Cd標準物質(zhì)，分別用稀硝酸或稀鹽酸進行溶解，然后用逐步稀釋法配制成 0、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50 μg·mL-1的標準空白和標準溶液。

1.3.3 樣品測定

測定采用火焰原子吸收分光光度計法測定，元素檢測條件為：波長228.8 nm，狹縫0.7 nm，燈電流3.0 mA，空氣流量13500 mL·min-1，燃燒器高度13.5 nm。

樣品平行測定5次，按回歸方程計算出各個樣品溶液中各重金屬元素的含量，然后再根據(jù)稀釋倍數(shù)和樣品干重計算出各重金屬元素的含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

各組織含量差異，采用LSD多重比較Cd在各個組織含量差異；采用獨立樣本T檢驗比較心臟加肝臟與鰓加肌肉之間的差異；采用獨立樣本T檢驗比較污染水域和未污染水域在相應組織的差異；P≤0.05表示差異顯著；P≤0.01表示差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

從表1可知，天然水域中，鯽魚在肝臟、心臟、鰓、肌肉中的濃度采用LSD多重比較的結(jié)果表明在統(tǒng)計上無顯著性差異，也沒有明顯規(guī)律。但是，在污染水域中，心臟中 Cd的濃度極顯著（P<0.01，心臟同三者比較P均等于0.000）高于肝臟、鰓和肌肉組織。但肝臟、鰓、肌肉之間差異不顯著（P>0.05，肝臟和鰓比較P=0.951，肝臟和肌肉比較P=0.965肌肉和鰓比較P=0.915）。

另外，據(jù)表1可知，無論是在煤矸石污染水域還是天然無煤矸石污染水域中，心臟Cd的含量最高，且在污染和未污染水域魚體中，心臟的Cd含量差異最大，兩水域的平均值差異達7.0624 g。

表1 鯽魚各組織中Cd的濃度(n=8)Table 1 The concentration of Cd in the tissues of crucian carp

如表2所示，Cd更容易沉積在鯽魚的內(nèi)臟中，所有樣本心臟加肝臟Cd含量平均為8.2879 g，而鰓和肌肉含量平均為1.8531 g，即內(nèi)臟中Cd的含量遠遠高于鰓和肌肉的含量。

表2 鯽魚組織Cd濃度差異(n=8)Table 2 The difference of the concentration of Cd in the tissues of crucian carp

由圖1可知，比較污染水域和未污染水域結(jié)果來看，兩種水域中肝臟中 Cd的濃度差異不顯著（P=0.402）。但是，污染水域鯽魚的鰓（P=0.017）、肌肉（P=0.026）中Cd的濃度均顯著高于未污染水域，而心臟（P=0.005）極顯著高于對照組。

3 討論

通過結(jié)果分析可知，天沐湖的鯽魚生活在基本無污染的環(huán)境中，因而在肝臟、鰓、心臟、肌肉中Cd的含量均比較低，在0.31～2.14 μg·g-1之間；同時各組織間無顯著性差異。而采煤塌陷區(qū)的魚塘受長期的煤矸石淋洗液和煤礦排水的流入，使水體受到了比較嚴重的污染，所以，生活在這種環(huán)境下的鯽魚在鰓、心臟、肌肉的含量顯著高于天沐湖的鯽魚。另外，重金屬污染物在鯽魚體內(nèi)主要沉積在心臟、鰓、肌肉中，其中，心臟沉積最為明顯；是未污染水域的4倍，肝臟中沉積相對較少，肌肉中Cd的沉積量也顯著高于未污染水域。田林鋒報道了Cd在鰱魚（Hypophthalmichthys molitrix）和鯉魚（Cyprinus carpio）的腎臟、肝臟中沉積較高；同時，心臟、肌肉含量遠遠低于腎臟、肝臟組織（田林鋒等，2012）。本研究未測得腎臟組織中Cd的濃度，但本試驗鯽魚肝臟中濃度和田林鋒測得鯉魚和鰱魚肝臟濃度接近，而污染水域心臟、肌肉中的濃度是田林鋒報道的10～150倍、5～50倍。這可能有兩方面原因：一是水域，水體中含Cd差異很大；二是魚的種類、大小不同。田林鋒報道的同一水體中，鰱魚在各組織中Cd的含量均高于鯉魚（田林鋒等，2012）。顧佳麗測得遼西地區(qū)重金屬污染水域的鯽魚中Cd的含量在內(nèi)臟中為0.09 μg·g-1，在鰓組織中的含量為0.06 μg·g-1，且Cd在鯽魚中沉積規(guī)律為：內(nèi)臟>鰓>肌肉（肌肉中未檢測出 Cd）（顧佳麗，2012）。一方面，本試驗測得的水平相對較高，這可能是由于地域的差異，本試驗選擇的無污染水域也可能受到了一定程度的污染或者本來含量較高；另一方面，本試驗結(jié)果表明：未污染水域中，Cd在鯽魚體內(nèi)的含量規(guī)律為：肝臟>心臟>肌肉>鰓；而煤矸石污染水域Cd在鯽魚體內(nèi)沉積規(guī)律是：心臟>肌肉>肝臟>鰓。這可能是由于本試驗的鯽魚長期處于高污染水域中，經(jīng)過在長期飼養(yǎng)，Cd在體內(nèi)富集，使機體Cd濃度不斷升高，因此內(nèi)臟和肌肉都含有較多的Cd，而鰓因為還和外界水體進行不斷交換，因此反而還略低于肌肉中Cd的含量。另外，魚在水體中生活的時候長短也可能對結(jié)果有一定影響。另外，總的來看，本實驗鯽魚內(nèi)臟中Cd的含量高于鰓和肌肉，這一點和顧佳麗的結(jié)論相似（顧佳麗，2012）。

圖1 兩種水域的鯽魚各組織中Cd的含量的比較(n=8)Fig. 1 The compare of concentration of Cd in the tissues of crucian carp in the two different kind waters

魚肉中的Cd被人食用后，會可能干擾腫瘤抑制蛋白 p53的剪切修復（Sigel，2013），引發(fā)癌癥（Schwab，2012），給人類的健康帶來了極大威脅。根據(jù)世界衛(wèi)生組織/聯(lián)合國糧農(nóng)組織食品添加劑聯(lián)合專家委員會制度的暫定每周可耐受攝入量Cd為0.007 mg·kg-1（顧佳麗，2012），按60 kg成人標準體重來算的話，一個成人Cd的周耐受攝入量為0.42 mg·kg-1，本試驗中測得的魚肉中Cd的含量為0.51和1.15 μg·g-1，因此，一個成人每周可安全食用這兩個水域的魚肉量分別為823、365 g；若超過此含量，將存在著潛在健康威脅。

4 結(jié)論

污染水域鰓、肌肉組織中Cd含量遠遠高于未污染水域；Cd更易沉積在鯽魚的心臟中；煤矸石污染水域的鯽魚肉食用超過 365 g，即存在著一定的潛在健康威脅。

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Determination of the Cd in the Tissues of Crucian Carp (Carassius auratus) in the Coal Gangue Polluted Water and Natural Water

YAN Yongfeng1*, ZHANG Liao1, YAN Ming2
1. Department of Life Science, Shangqiu Normal University, Shangqiu 476000, China; 2. Faculty of Forestry and Horticulture, Henan Agricultural University, Shangqiu 476000, China

Coal gangue is the solid waste emissions in the process of coal mining and coal washing, which contains a lot of heavy metal: Cadmium (Cd), pose a serious threat to food security and human health. Study on the rule of the deposition of Cd in the tissues of fish from gangue pollution water of Yongcheng, Shangqiu. which can lay foundation for further study on harm to fish from Cd pollution and on food safety assessment of fish from the coal gangue polluted water. Methods: Cd was determined by using the flame atomic absorption method. Results: (1) The concentration of Cd in the gills, heart, muscle of crucian carp (Carassius auratus) from the coal mining subsidence area, were 1.063 0±0.278 4μg·g-1, 8.638 9±3.230 1μg·g-1, 1.146 1±0.204 6μg·g-1, which were higher than the tissues of crucian carp in natural pollution-free waters. The concentration of Cd in the gills, muscle were significantly higher than the control group (P<0.05). (2) In native waters, the rule of concentration of Cd in crucian carp was: liver>heart>muscle>gills. However, there was no significant difference between each tissues. In polluted water, the sedimentary rule of Cd in the crucian carp was: heart>muscle>liver>gills. Heart was much higher than in the other tissues. (3) An adult can be safe to eat the fish meat weekly from the two waters were respectively 823 g, 365 g; if more than these content, there would be a potential health threat. Conclusion: The concentration of Cd in gills, muscle of crucian carp in polluted waters was much higher than not polluted waters, Cd are more likely to deposited in the heart of crucian carp. If the consumption of fish meat from coal gangue pollution water is more than 365 g weekly, there will be a health threat.

crucian carp (Carassius auratus); heavy metal; flame atomic absorption spectrometry (FAAS)

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.03.016

Q958.116

A

1674-5906（2015）03-0476-04

閆永峰，張遼，閆明. 煤矸石污染水域和天然水域Cd元素在鯽魚組織中的沉積規(guī)律[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(3): 476-479.

YAN Yongfeng, ZHANG Liao, YAN Ming. Determination of the Cd in the Tissues of Crucian Carp (Carassius auratus) in the Coal Gangue Polluted Water and Natural Water [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(3): 476-479.

河南省科技發(fā)展計劃重點科技攻關項目（082102350040）；河南省教育廳自然科學研究計劃項目（2009B180020）

閆永峰（1967年生），男，教授，博士，從事動物生態(tài)學研究。E-mail: yanyf01@sina.com。*通信作者：

2014-12-30