海產(chǎn)品中砷的形態(tài)及其毒性研究進(jìn)展

鐘映雄，陳佳佳，汪思鈞，陳建平，李瑞，賈學(xué)靜，劉曉菲，宋兵兵，鐘賽意，3，4*

1(廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院，廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省海洋生物制品工程實(shí)驗(yàn)室，廣東省海洋食品工程技術(shù)研究中心，廣東 湛江， 524088)2(深圳市筍崗海關(guān)，廣東 深圳， 518000)3(廣東海洋大學(xué) 深圳研究院，廣東 深圳，518108)4(海洋食品精深加工關(guān)鍵技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心(大連工業(yè)大學(xué))，遼寧 大連，116034)

砷是一種有毒類金屬，因具有致癌、致畸等特性，被國際癌癥研究中心(International Center for Cancer Research，IARC)歸為I類致癌物。砷毒性不僅與總量有關(guān)，更與其化學(xué)形態(tài)密切相關(guān)。砷分為有機(jī)砷和無機(jī)砷，無機(jī)砷主要有亞砷酸鹽(iAsⅢ)和砷酸鹽(iAsⅤ)，有機(jī)砷主要有一甲基砷(monomethyl arsenic，MMA)、二甲基砷(dimethyl arsenic，DMA)、三甲基砷(trimethyl arsenic， TMA)、砷甜菜堿(arsenic betaine，AsB)、砷膽堿(arsenic choline，AsC)、砷糖(arsenic sugar，AsS)和砷脂(arsenic lipid，AsL)等。一般認(rèn)為無機(jī)砷毒性遠(yuǎn)大于有機(jī)砷，若以半數(shù)致死量(half lethal dose,LD50)計，則砷化合物的毒性依次為：iAsⅢ>iAsV>MMA>DMA>TMA>AsS>AsC>AsB， 而AsL被認(rèn)為毒性極低[1]。食用無機(jī)砷含量超標(biāo)的海產(chǎn)品會導(dǎo)致砷中毒，誘發(fā)的疾病包括但不限于皮膚癌、肺癌和膀胱癌、心血管疾病、糖尿病、生殖和發(fā)育障礙以及神經(jīng)和認(rèn)知功能障礙[2]。因此，分析海產(chǎn)品中不同砷形態(tài)具有重要意義。

砷普遍存在于海洋環(huán)境中，且海產(chǎn)品容易富集砷，并以有機(jī)砷為主要形式。因?yàn)楹Ｑ篝~類和貝類等生物可將吸收的無機(jī)砷通過食物鏈被生物體轉(zhuǎn)化合成AsB等有機(jī)砷，而有機(jī)砷比無機(jī)砷具有更強(qiáng)的食物鏈傳遞能力，最終在海產(chǎn)品中富集更高濃度的砷[3]。其中，AsS是海藻類主要的砷形態(tài)，AsB是魚類和甲殼類主要的砷形態(tài)，AsS和AsB均是貝類的主要砷形態(tài)[4]。人體內(nèi)約90%的砷來源于海產(chǎn)品，其中海產(chǎn)品中85%～94%砷以低毒或者無毒的AsB等有機(jī)砷形式存在[5]。但近年來，研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)砷MMAIII(三價一甲基砷)和DMAⅢ(三價二甲基砷)毒性均比iAsⅢ強(qiáng)[6]。但目前對攝入海產(chǎn)品后不同砷形態(tài)在體內(nèi)代謝途徑的研究不夠深入，且砷毒性效應(yīng)的細(xì)胞靶點(diǎn)以及分子靶點(diǎn)仍不明確，以及新型砷化合物的檢出與結(jié)構(gòu)鑒定仍需進(jìn)一步改進(jìn)與完善。

文章對海產(chǎn)品中砷的形態(tài)、分布特征、毒性以及對人類健康風(fēng)險評估進(jìn)行了論述，并對未來多學(xué)科交叉發(fā)展下，海產(chǎn)品中砷形態(tài)分析、毒性研究及預(yù)測防控的發(fā)展趨勢提出展望。旨在為砷形態(tài)毒性和安全性分析的研究提供借鑒與參考。

1 海產(chǎn)品中砷的形態(tài)

海產(chǎn)品中砷有無機(jī)砷和有機(jī)砷2種形態(tài)。之前的文獻(xiàn)報道中，均未在海產(chǎn)品中檢測出砷單質(zhì)。表1列舉了海產(chǎn)品中砷的存在形式。

海產(chǎn)品中無機(jī)砷受國家標(biāo)準(zhǔn)限量監(jiān)控。同時，IARC將砷和無機(jī)砷列為I類致癌物，其中，無機(jī)砷(iAsⅢ和iAsⅤ)被公認(rèn)為致癌物，有機(jī)砷MMA和DMA也被列為明確的致癌物。不同烹調(diào)方式也會影響砷的毒性和含量[9]，潛在的健康風(fēng)險需引起重視。

表1 海產(chǎn)品中砷的存在形式Table 1 Arsenic species in marine

2 海產(chǎn)品中砷的分布特征

2.1 海產(chǎn)品中砷的含量與形態(tài)

海產(chǎn)品中總砷含量和砷形態(tài)的分布如表2所示。海產(chǎn)品中總砷含量依次為：底棲貝類>底層魚類>中上層魚類>甲殼類，其中貝類總砷含量比中上層魚類高5～7倍[10]。與TAYLOR等[11]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，并發(fā)現(xiàn)海洋食物網(wǎng)中海藻的總砷含量最高。海產(chǎn)品中無機(jī)砷含量依次為：貝類>甲殼類>魚類[12]。海藻中，羊棲菜的總砷和無機(jī)砷較高[3]，其中紫菜總砷平均值達(dá)到17.0 mg/kg[12]，羊棲菜無機(jī)砷含量較高[ω(AsⅤ)>60 mg/kg][8]，但海藻中主要的砷形態(tài)為AsS[4]。貝類中，縊蟶的總砷和無機(jī)砷均高于其他貝類[13]，以藻類和浮游植物為食物的象拔蚌(底棲貝類)其砷含量是鮭魚(中上層魚類)的6～10倍[4]。經(jīng)魚類中砷形態(tài)分析發(fā)現(xiàn)海水魚中砷含量明顯高于淡水魚，魚體內(nèi)重金屬富集的次序?yàn)椋喝馐承贼~類>雜食性魚類>植物食性魚類[14]。一般認(rèn)為魚類中主要砷形態(tài)為AsB，但日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)[15]，沙丁魚中DMA濃度高于AsB，占砷總量的16%～24%。甲殼類中，野生捕蝦的總砷含量幾乎是養(yǎng)殖蝦的100倍[4]，同時陸奕娜等[16]研究顯示，養(yǎng)殖蝦的AsB含量明顯高于非養(yǎng)殖蝦，但AsC含量卻呈現(xiàn)相反結(jié)果[16]?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)海產(chǎn)品中砷形態(tài)以AsB為主，約占總砷85%～94%；砷形態(tài)的含量次序?yàn)棣?AsB)>ω(DMA)>ω(iAsⅤ)>ω(iAsⅢ)>ω(MMA)[10]，無機(jī)砷約占10%[17]。

表2 海產(chǎn)品中總砷含量和所檢出砷形態(tài)(以干重計)Table 2 Total arsenic content and speciation of arsenic in seafood (on dry basis)

2.2 不同組織中砷的分布

海產(chǎn)品不同組織中總砷和形態(tài)砷的富集研究發(fā)現(xiàn)砷累積量與初始暴露期(約0～10 d)呈正相關(guān)；達(dá)到穩(wěn)定期后，砷在組織中積累順序?yàn)椋何改c道>肝臟>鰓>肌肉[20]。同時，90%的砷在魚體內(nèi)轉(zhuǎn)化為有機(jī)形式，且AsB是砷代謝的最終產(chǎn)物[20]。有機(jī)砷在不同組織中的分布為：肌肉>鰓>肝臟>胃腸道，且占總砷95.5%～99.5%[21]。魚類研究發(fā)現(xiàn)尼羅羅非魚中無機(jī)砷的積累順序?yàn)椋焊闻K>胃>鰓>肌肉[22]；從北波斯灣采集的魚類，除了杜氏真鯊?fù)?，其他魚類肝臟組織的砷含量明顯高于肌肉[23]。魚類的生物蓄積表明，肝臟和胃對砷的吸收和蓄積起著重要作用[22]。甲殼類動物中，巨型紅蝦肌肉的砷含量[(16.3±0.8) mg/kg干重]是頭胸[(32.7±1.1) mg/kg干重]的一半[24]。調(diào)查中國主要產(chǎn)區(qū)螃蟹中重金屬(含砷)發(fā)現(xiàn)，雌性褐蟹肉的飲食風(fēng)險高于雄性可食組織[25]；海蟹中性腺(雌)組織的總砷含量同樣高于其他可食用部分，可見性腺組織是積累砷的主要組織[26]。貝類中砷積累順序?yàn)椋贺愵惤M織鰓>性腺>足部肌肉>套膜[27]。綜合魚類、甲殼類和貝類組織中砷富集情況，發(fā)現(xiàn)內(nèi)臟相比肌肉組織更容易富集砷。

2.3 不同海域中砷的分布

收集不同海域海產(chǎn)品砷含量數(shù)據(jù)見表3，并根據(jù)meta分析，發(fā)現(xiàn)我國軟體動物中砷含量由北向南呈下降趨勢[28]。北波斯灣的海產(chǎn)品砷含量均高于地中海和歐洲大西洋，其中軟體動物砷含量分別為歐洲大西洋、地中海的12和6倍。我國從北至南不同魚種的砷含量變化范圍較廣(2.09～134 μg/g)[29]，青島地區(qū)存在相對偏高的現(xiàn)象[13]。我國貝類中，深圳市近江牡蠣砷較高，As含量(按濕重算)為2.24～95.5 mg/kg[17]。砷水平存在地理差異，這可能是由微量元素生物累積量以及工業(yè)和農(nóng)業(yè)污染情況差異造成的[29]。

表3 不同海域海產(chǎn)品中砷含量 單位：mg/kg

3 海產(chǎn)品中砷的毒性

海產(chǎn)品是砷暴露的主要途徑，大量存在于海產(chǎn)品中的AsB無需代謝可直接隨尿液排出，其他砷化合物如AsS、AsL和iAs的尿液代謝物為DMA。然而，最近的研究顯示，某些有機(jī)砷及其中間代謝產(chǎn)物具有細(xì)胞毒性[11]，說明需要對有機(jī)砷的代謝途徑和毒性進(jìn)行下一步研究。圖1顯示海產(chǎn)品中砷形態(tài)在人體內(nèi)的代謝情況[8]。

圖1 海產(chǎn)品中不同形態(tài)砷在人體內(nèi)的代謝Fig.1 Metabolism of arsenic species from seafood in humans

3.1 致癌性

有學(xué)者提出，隨著砷暴露時間的增加或累積，會導(dǎo)致細(xì)胞生長、凋亡行為和基因組信號通路的改變，從而引發(fā)癌癥[32]。關(guān)于劑量-反應(yīng)關(guān)系，暴露在等于或低于參考劑量的砷濃度下均會致癌[33]。懷孕小鼠砷暴露后，會增加其子代的癌癥易感性[34]。流行病學(xué)研究已證實(shí)，砷暴露在200 μg/L或更高水平時，膀胱癌、肺癌和皮膚癌的風(fēng)險增加[35]。砷誘發(fā)的不是癌癥，而是多種毒性，如砷中毒、皮膚病變、支氣管炎或尿路上皮毒性，這些毒性導(dǎo)致再生性增殖，最終間接誘發(fā)癌癥[2]。砷的致癌機(jī)制與miRNA失調(diào)有關(guān)，但誘發(fā)癌癥病因中的機(jī)制和確切作用仍不明確[32]。無機(jī)砷癌變是通過幾種表觀遺傳機(jī)制：DNA甲基化、組蛋白翻譯后修飾、組蛋白變體和miRNA[36]。有機(jī)砷(MMA和DMA)可以抑制線粒體呼吸，導(dǎo)致氧活性物質(zhì)的形成，從而DNA發(fā)生突變，誘發(fā)癌癥和細(xì)胞死亡[22]。其中MMAⅢ和DMAⅢ均可誘導(dǎo)試驗(yàn)鼠發(fā)生腫瘤[37]。在動物研究中，DMAV可促進(jìn)膀胱、腎臟、肝臟和甲狀腺致癌[12]。圖2為攝入無機(jī)砷后，砷在體內(nèi)的代謝情況。

SAM:S-腺苷甲硫氨酸合成酶；SAHC:S-腺苷同型半胱氨酸圖2 無機(jī)砷在人體內(nèi)的代謝Fig.2 Metabolism of inorganic arsenic

3.2 致畸性

動物實(shí)驗(yàn)表明，iAsⅤ對斑點(diǎn)蠑螈胚胎發(fā)育有致畸作用，表現(xiàn)為腹部水腫、尾部扭結(jié)、鰓和面部畸形以及異常彎曲，其嚴(yán)重程度隨著砷(iAsⅤ)濃度的增加而增加[38]。研究斑馬魚胚胎暴露在0.8 mmol/L砷的致畸性，結(jié)果為卵凝固、發(fā)育遲緩、水腫形成、孵化成功、脊柱側(cè)凸[39]。

3.3 生殖毒性

砷和無機(jī)砷對生殖系統(tǒng)有毒性作用。As2O3處理的小鼠中，睪酮生物合成顯著降低，精子運(yùn)動性、活力、膜完整性也出現(xiàn)異常[40]。研究發(fā)現(xiàn)砷可通過抑制睪酮、黃體生成素(luteinizing hormone,LH)、卵泡刺激素(follicle-stimulating hormone, FSH)的合成來抑制精子的發(fā)生和成熟[40]。OMMATI等[41]研究發(fā)現(xiàn)，氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的線粒體損傷和自噬細(xì)胞死亡，通過AMPK/TSC/mTOR和LC3相關(guān)途徑誘導(dǎo)生殖系統(tǒng)毒性。

3.4 神經(jīng)毒性

長期接觸砷會損害中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)。較高的砷暴露[1 mg As/(kg·d)或更多]通常會導(dǎo)致腦病，并伴有幻覺、癲癇、精神混亂、嗜睡、頭痛，有時還會昏迷[34]。在兒童發(fā)育階段接觸砷會改變他們的神經(jīng)發(fā)育。例如，兒童砷暴露與低智商和神經(jīng)認(rèn)知功能有關(guān)[42]。對體外血腦屏障模型的研究中發(fā)現(xiàn)，含砷碳?xì)浠衔?arsenic hydrocarbons，AsHCs)對完全分化的人腦細(xì)胞具有潛在的神經(jīng)毒性[43]。吸入砷還會導(dǎo)致人類的神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生缺陷，如感覺和運(yùn)動神經(jīng)元的周圍神經(jīng)病變，導(dǎo)致反射喪失和肌肉無力[32]。

3.5 細(xì)胞毒性

砷通過不同途徑誘導(dǎo)活性氧，激活蛋白JNK產(chǎn)生細(xì)胞毒性，JNK是有絲分裂活化蛋白激酶的相關(guān)亞組之一，具有介導(dǎo)細(xì)胞凋亡、分化和增殖等細(xì)胞功能,并刺激JNK腫瘤壞死因子[34]。細(xì)胞毒性的順序?yàn)镈MAⅢ、DMMTAV>iAsⅢ、iAsV>MMMTAⅤ(一甲基單硫砷酸)>MMAⅤ、DMAV[42]。有研究發(fā)現(xiàn)小鼠食用海產(chǎn)品后，在其尿液和糞便中發(fā)現(xiàn)一種有毒的代謝物DMMTAV(硫代砷酸)，該物質(zhì)對人肺和膀胱癌細(xì)胞的細(xì)胞毒性作用比iAsⅢ更明顯[6]。比較iAsⅢ或MMAⅢ在人腦細(xì)胞中的細(xì)胞毒性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)MMAⅢ對神經(jīng)元的毒性顯著高于iAsⅢ[44]。砷脂中，AsHC發(fā)揮了最強(qiáng)的細(xì)胞毒性作用，其毒性比iAsⅢ高出5倍；其中AsHC 360的毒性最高[43]。

3.6 遺傳毒性

砷的本質(zhì)上是非誘變的，但可通過DNA損傷、染色體畸變、姐妹染色單體交換和人體系統(tǒng)微核形成引起顯著的細(xì)胞遺傳學(xué)損傷[34]。長期暴露于細(xì)胞中的砷可通過細(xì)胞中S-腺苷蛋氨酸缺失、導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定的DNA低甲基化和DNA甲基化的整體丟失而誘發(fā)遺傳毒性[45]。經(jīng)胎盤砷暴露會導(dǎo)致男性胎兒肝臟DNA甲基化變化和基因表達(dá)異常，且可改變胎兒肝臟的miRNA表達(dá)[34]。DMAⅤ對培養(yǎng)的哺乳動物細(xì)胞具有遺傳毒性作用[8]。

綜述毒性研究中，均未發(fā)現(xiàn)食用海產(chǎn)品導(dǎo)致急性毒性的跡象，但長期低劑量暴露于砷，會引起多器官衰竭、癌癥、皮膚色素沉著、角化亢進(jìn)、生殖并發(fā)癥、神經(jīng)和行為障礙[2]。砷化合物氧化數(shù)越低，毒性越高，甲基化越高，毒性就越低[4]。無機(jī)砷甲基化過程中的中間產(chǎn)物MMAⅢ和DMAⅢ，比無機(jī)砷表現(xiàn)出更強(qiáng)的細(xì)胞毒性、遺傳毒性和酶抑制力[6]。

4 人類健康風(fēng)險評估

海產(chǎn)品中砷通過食物鏈進(jìn)入人體，從而對人類健康構(gòu)成危害。此外，砷在代謝過程中會產(chǎn)生其他未知形態(tài)的中間產(chǎn)物[46]，因此，海產(chǎn)品中砷形態(tài)的分析和毒性研究對健康風(fēng)險評估起重要作用。

目前主要采用目標(biāo)危害商數(shù)(target hazard quotient，THQ)和致癌風(fēng)險(cancer risk，CR)進(jìn)行健康風(fēng)險評估。表4列舉了不同海域的風(fēng)險評估數(shù)據(jù)。其中，北波斯灣的THQ和CR均超于安全閾值，給人體健康帶來風(fēng)險，其中成人食用貝類的THQ高達(dá)8.50。貝類是濾食性動物，易從棲息地攝取和積累重金屬，對人體健康構(gòu)成潛在威脅，是研究重金屬污染的重點(diǎn)對象。有研究表明，食用南海海灣扇貝、櫛孔扇貝對兒童構(gòu)成非致癌風(fēng)險，并提示食用該地區(qū)近江牡蠣、方斑東風(fēng)螺、竹蟶極大可能存在健康風(fēng)險，建議該沿海居民減少貝類的攝入[47]。一般而言，食用商業(yè)魚類和甲殼類海產(chǎn)品的CR在可接受的范圍內(nèi)，不構(gòu)成重大的健康風(fēng)險[48]。但在相同的暴露劑量下，兒童比成人面臨更高的風(fēng)險。這可能是由于兒童的體重相對較低，對非致癌和致癌健康影響更敏感。

表4 不同海域海產(chǎn)品的THQ和CRTable 4 THQ and CR of seafood in different sea areas

風(fēng)險評估結(jié)果表明，幼童、孕婦或備孕女性等特殊人群應(yīng)避免一次性大量或長期食用無機(jī)砷含量較高的海產(chǎn)品，應(yīng)采取有效措施減少有害元素向海洋環(huán)境的排放。

5 結(jié)語

海產(chǎn)品是人體攝入砷的主要來源之一。目前國內(nèi)外對海產(chǎn)品中無機(jī)砷的分析趨于成熟，但對有機(jī)砷形態(tài)的分析方法仍未建立標(biāo)準(zhǔn)。GB 5009.11—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中總砷及無機(jī)砷的測定》中只提及食品中總砷及無機(jī)砷的測定，同時，缺少應(yīng)用于海產(chǎn)品中不同砷形態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)品。在砷化合物的毒性研究中，有機(jī)砷的毒性作用機(jī)制未明確。

因此，對海產(chǎn)品中砷的形態(tài)分析和毒性研究，不應(yīng)只停留于其含量，還應(yīng)在以下幾方面深入研究：在原有檢測技術(shù)上結(jié)合分子生物學(xué)等技術(shù)，對砷進(jìn)行長期追蹤，為海產(chǎn)品中砷形態(tài)轉(zhuǎn)化及污染情況提供數(shù)據(jù)支撐；探究不同砷形態(tài)在人體內(nèi)的毒作用機(jī)制和代謝途徑，例如砷毒性效應(yīng)的細(xì)胞靶點(diǎn)以及分子靶點(diǎn)；結(jié)合預(yù)防醫(yī)學(xué)相關(guān)知識，建立預(yù)測風(fēng)險模型，為科學(xué)指導(dǎo)海產(chǎn)品的攝入和砷中毒的防控提供依據(jù)。相信在不同學(xué)科碰撞下，海產(chǎn)品中砷形態(tài)及其毒性的研究更深入、更全面，并對人類健康風(fēng)險提供科學(xué)依據(jù)。