鎘在甲殼類水生生物中的蓄積現(xiàn)狀及賦存形態(tài)研究進(jìn)展

吳 迪 王夢(mèng)圓 史永富 李思曼 蔡友瓊 葉洪麗 黃冬梅 楊光昕

（1中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所/水產(chǎn)品質(zhì)量安全與加工研究室，上海 200090；2上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306）

鎘（Cd）是蓄積性和毒性較強(qiáng)的生物非必需重金屬元素之一，具有一定的致癌和致突變性，易通過食物鏈進(jìn)入人體并產(chǎn)生嚴(yán)重危害［1-2］。鎘在生物體內(nèi)的半衰期長(zhǎng)達(dá)10～30年，并能蓄積長(zhǎng)達(dá)50年之久，是已知的最易在生物體內(nèi)蓄積的污染物之一［3］。1972年，世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）將鎘列為需要優(yōu)先檢測(cè)研究的污染物之一［4］。1993年，國(guó)際癌癥研究中心（International Agency for Research on Cancer，IARC）將鎘列為Ⅰ類致癌物質(zhì)［5］。2019年，鎘及鎘化合物被列入有毒有害水污染物名錄，歐盟（European Union，EU）將鎘列為高危害有毒物質(zhì)和可致癌物質(zhì)并予以規(guī)管［6］。鎘污染至今仍被認(rèn)為是威脅生物多樣性的重要因素［7］，因此，研究鎘的污染狀況和毒理效應(yīng)尤為重要。

甲殼類水產(chǎn)品種類豐富且味道鮮美，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，深受人們喜愛。然而近年來由于環(huán)境、水體等的污染，其食用安全也越來越受到人們的重視［8］。重金屬易在水生生物中蓄積，當(dāng)蓄積水平達(dá)到相關(guān)限量值時(shí)，會(huì)對(duì)水生生物造成潛在的危害［9］，并通過食物鏈的傳遞，進(jìn)而對(duì)人類構(gòu)成食用安全風(fēng)險(xiǎn)隱患［10-12］。因此重金屬在水產(chǎn)品中的污染問題和蓄積現(xiàn)狀被廣泛關(guān)注。在魚類、貝類和甲殼類等水生生物中，因甲殼類大多生活在與污染沉積物密切接觸的環(huán)境中，可作為此類環(huán)境監(jiān)測(cè)優(yōu)先考慮的水生生物指標(biāo)［13-15］。研究人員對(duì)重金屬污染物在甲殼類水生生物中的蓄積狀況開展了相關(guān)的研究，其中對(duì)人體健康有害的主要重金屬元素包括鋁（Al）、砷（As）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鉛（Pb）、汞（Hg）、鎳（Ni）和銀（Ag）等，以鎘污染最為嚴(yán)重，某些甲殼類水生生物對(duì)重金屬鎘具有特異性富集能力［16-20］。而據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和研究報(bào)道，梭子蟹和蝦蛄對(duì)重金屬鎘更易富集［21-22］?；诖?，本文綜述了目前鎘在甲殼類水生生物中的蓄積現(xiàn)狀，針對(duì)梭子蟹和蝦蛄2 種典型鎘蓄積的甲殼類水生生物，揭示其不同組織部位間鎘蓄積的差異性問題，并進(jìn)一步對(duì)鎘形態(tài)的提取方法和定性分析以及不同形態(tài)鎘的毒理效應(yīng)機(jī)制展開論述，以期為今后鎘的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及相關(guān)部門制定科學(xué)合理的標(biāo)準(zhǔn)限量值提供參考。

1 鎘在甲殼類水產(chǎn)品中的蓄積現(xiàn)狀及污染狀況

甲殼類水產(chǎn)品蛋白質(zhì)含量豐富，是人類的優(yōu)質(zhì)動(dòng)物蛋白來源［23］。但隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，海洋環(huán)境受到污染，甲殼類水產(chǎn)品的安全問題也日漸突出，其中重金屬鎘是主要污染物之一，國(guó)內(nèi)外（表1）多地已經(jīng)出現(xiàn)多種甲殼類水產(chǎn)品中重金屬鎘超標(biāo)問題。如在安徽、湖北等六省市的流通環(huán)節(jié)和養(yǎng)殖環(huán)節(jié)中，對(duì)克氏原螯蝦、河蟹和梭子蟹3 種甲殼類水產(chǎn)品中鉛、鎘的濃度水平開展檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)鎘在蟹類中均存在不同的超標(biāo)狀況［24］。市售的海產(chǎn)品中也同樣存在鎘污染現(xiàn)象，相關(guān)研究人員通過監(jiān)測(cè)青島市售的海產(chǎn)品中鎘、汞、砷的污染狀況，發(fā)現(xiàn)甲殼類海產(chǎn)品中鎘的污染最為嚴(yán)重，在甲殼類中以三疣梭子蟹和蝦蛄中的鎘含量最高，其均值達(dá)到2.567 mg·kg-1，均超過貝類（1.053 mg·kg-1）和魚類（0.092 mg·kg-1）中的鎘含量［25］。前人在福建中北部海域地區(qū)采集的魚類和甲殼類樣品中，調(diào)查研究了鉛、鎘、總汞和無機(jī)砷4種重金屬含量，結(jié)果表明只存在鎘污染，且超標(biāo)品種為梭子蟹和蝦蛄兩類［26］。翟明麗等［27］對(duì)青島近海海域中9 種野生海捕水產(chǎn)品開展了重金屬污染狀況的檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)鎘在海水魚類中含量較低，但梭子蟹和蝦蛄中的鎘含量分別高達(dá)1.78 和2.71 mg·kg-1，且超標(biāo)率為100%。國(guó)外學(xué)者也十分關(guān)注甲殼類水產(chǎn)品中重金屬鎘的污染問題，Baki 等［28］通過原子吸收光譜法對(duì)孟加拉國(guó)的圣馬丁島周圍海域采集的海水魚類、龍蝦類和蟹類開展了重金屬含量情況調(diào)查分析，結(jié)果表明，蟹類中鎘的蓄積含量均高于海水魚類和龍蝦類，而梭子蟹中鎘的蓄積情況最為顯著。Artur等［29］探究遼東灣海域的無脊椎水生生物和海魚類水產(chǎn)品中重金屬的含量，采用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法開展檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)海魚類中鎘平均含量為0.3±0.3 mg·kg-1，無脊椎水生生物中鎘平均含量為1.0±0.6 mg·kg-1，其中梭子蟹中鎘的平均含量達(dá)到1.6 mg·kg-1，說明梭子蟹對(duì)鎘具有特異性蓄積能力，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水生環(huán)境中高富集重金屬的生物體監(jiān)測(cè)并開展污染狀況風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鎘在梭子蟹和蝦蛄2 種甲殼類水生生物中具有富集特異性，并有研究人員對(duì)其不同組織部位間的鎘富集規(guī)律及差異性進(jìn)一步開展了相關(guān)的調(diào)查研究。

表1 國(guó)內(nèi)外不同地區(qū)甲殼類水產(chǎn)品中鎘的蓄積分布特征（濕重）Table 1 Accumulation and distribution characteristics of cadmium in crustacean aquatic products from different regions in China and abroad（wet weight）

表1（續(xù)）

1.1 梭子蟹不同組織部位中鎘的分布特征（表2）

表2 梭子蟹不同組織部位中鎘的蓄積差異性（濕重）Table 2 Cadmium accumulation differences in different tissues of Portends trituberculatus（wet weight） /（mg·kg-1）

環(huán)境污染的程度取決于重金屬類型、水生物種、營(yíng)養(yǎng)水平和攝食模式［46］。在甲殼類水生生物中，蟹類通常被認(rèn)為是重要的環(huán)境污染程度生物指示標(biāo)志［47-48］。梭子蟹（Portunus trituberculatus）對(duì)相關(guān)的重金屬具有蓄積特異性，其中重金屬鎘的安全問題尤為突出［49-50］。王玲等［33］對(duì)三門灣海域的魚類、甲殼類和貝類水生生物開展了重金屬污染狀況的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)甲殼類水生生物鎘的蓄積含量均高于魚類和貝類，且蟹類中6種重金屬元素（除鉛）含量均高于蝦類。針對(duì)鎘易在梭子蟹中富集的狀況，研究人員進(jìn)一步對(duì)其不同部位的蓄積差異開展了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)鎘主要蓄積在肝胰腺部位［47］。肝胰腺作為甲殼類水生生物重要的組成部分，參與體內(nèi)的消化、貯存、分泌促生長(zhǎng)物質(zhì)、解毒以及免疫等多種生理功能，其中含量較高的半胱氨酸（cystein，Cys）和金屬硫蛋白（metallothionein，MT）對(duì)過量重金屬元素的調(diào)節(jié)和解毒發(fā)揮著重要作用，這也使得肝胰腺成為重金屬蓄積的主要組織部位［51-53］。Vasanthi 等［48］通過研究比普利卡特湖和科瓦蘭海岸帶的蟹類發(fā)現(xiàn)，在蟹腮和肝胰腺組織部位中均有顯著的鎘富集現(xiàn)象。江晨潔等［24］對(duì)梭子蟹不同部位進(jìn)行了鉛、鎘含量的調(diào)查分析，結(jié)果表明鎘在肝胰腺中有明顯的富集，且均有超標(biāo)樣品檢出，這也與王劍萍等［54］的研究結(jié)論一致。Angeletti等［55］對(duì)亞得里亞海北部采集的地中海蟹類進(jìn)行鎘生物積累規(guī)律的研究，分析了肢體、頭部、腹部以及性腺的鎘蓄積水平，發(fā)現(xiàn)鎘在頭部和性腺中有明顯富集，在其附屬肢體中鎘含量最低。趙艷芳等［56］對(duì)梭子蟹肌肉和肝胰腺中的鎘含量進(jìn)行了研究分析，發(fā)現(xiàn)肝胰腺中的總鎘含量高于肌肉組織，富含蛋白質(zhì)、油脂和膽固醇的蟹黃、蟹膏同時(shí)含有較高濃度的鎘，梭子蟹不同部位中鎘的含量高低順序?yàn)楦我认伲韭殉玻ň遥救拘丶。就燃。鞑课绘k含量存在顯著差異，其中蟹黃的鎘含量超標(biāo)率大于80%，腿肌一般不超標(biāo)，同一蟹體中蟹黃與腿肌中的鎘含量可相差233 倍。Yang 等［57］在山東東部沿海地區(qū)采集了108 份梭子蟹樣品（50 雄蟹，58 雌蟹），將其分為白肉（腿肌和蟹爪）和棕肉（肝胰腺和性腺）兩部分，采用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法檢測(cè)，結(jié)果表明蟹肉中鎘含量無性別差異，不同食用部位的鎘含量有顯著差異，在白肉中鎘含量最高為0.248 mg·kg-1，而棕肉中鎘含量最高達(dá)到18.95 mg·kg-1，相差近80倍。因此基于以上研究，需要進(jìn)一步對(duì)梭子蟹不同部位中鎘蓄積的差異性開展更多的基礎(chǔ)研究，加強(qiáng)對(duì)梭子蟹中易富集鎘的肝胰腺和性腺部位的監(jiān)測(cè)，為人類食用安全風(fēng)險(xiǎn)提供指導(dǎo)意義和參考數(shù)據(jù)。

1.2 蝦蛄不同組織部位中鎘的分布特征（表3）

表3 蝦蛄不同組織部位中鎘的蓄積差異性（濕重）Table 3 Cadmium accumulation differences in different tissues of Squilla oratoria（wet weight）/（mg·kg-1）

蝦蛄（Squilla oratoria）肉富含蛋白質(zhì)、維生素和多種氨基酸，且肉質(zhì)鮮嫩，易于消化吸收，深受人們喜愛。人們?cè)谕ㄟ^蝦蛄獲取營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的同時(shí)，也會(huì)考慮其受污染的狀況和風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外沿海水域中采集的蝦蛄樣品重金屬污染狀況研究發(fā)現(xiàn)，蝦蛄可食組織中鎘的含量較高，超標(biāo)率嚴(yán)重［27］。吳明明等［59］針對(duì)海南省部分沿海城市所采集的蝦蛄樣品，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法檢測(cè)分析了15 種元素的含量分布特征，發(fā)現(xiàn)除了鎘、總砷、銅和鋁外，其余11 種元素含量水平較低，其中鎘超標(biāo)最為嚴(yán)重，超標(biāo)率為65.0%，說明蝦蛄對(duì)重金屬鎘元素具有特異性富集能力，鎘污染風(fēng)險(xiǎn)較為突出。李淵等［44］對(duì)青島地區(qū)市售的19 類156 份水產(chǎn)品中重金屬含量的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，蝦蛄可食用組織中鎘的含量達(dá)到（1.14±0.16）mg·kg-1，均超過了我國(guó)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值0.5 mg·kg-1（甲殼類），應(yīng)避免食用。在對(duì)蝦蛄可食用組織中的研究發(fā)現(xiàn)［60］，其總鎘超標(biāo)率達(dá)100%，且與性別無相關(guān)性，性腺中鎘最高含量為44.2 mg·kg-1，約為肌肉組織（4.75 mg·kg-1）的10倍。Blasco 等［61］對(duì)在墨西哥灣采集的蝦蛄樣品中的軟組織（肌肉組織）和角質(zhì)層（表皮）分別進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)蝦蛄軟組織中的鎘含量范圍為0.91～2.13 mg·kg-1，均值為1.66 mg·kg-1，角質(zhì)層鎘含量范圍為0.31～0.67 mg·kg-1，均值為0.49 mg·kg-1，研究表明蝦蛄的肌肉和表皮對(duì)鎘都有一定的富集能力，對(duì)此有必要進(jìn)一步研究不同部位中鎘不同形態(tài)的生態(tài)毒理學(xué)效應(yīng)。韓典峰［62］對(duì)蝦蛄開展了鎘脅迫暴露試驗(yàn)，并對(duì)其消化道、肌肉和性腺中鎘的蓄積規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同組織之間對(duì)鎘的富集速率均呈前期蓄積較快、中后期逐漸變慢的趨勢(shì)，而在鎘蓄積量上存在差異，雌性蝦蛄消化道組織中鎘的蓄積量最高，性腺組織中最低，而雄性蝦蛄肌肉組織中鎘的蓄積量最低。針對(duì)以上研究，目前仍需進(jìn)一步開展蝦蛄不同組織對(duì)鎘的特異性蓄積機(jī)理研究，為蝦蛄中鎘的殘留機(jī)制和毒性效應(yīng)研究提供參考。

2 鎘的賦存形態(tài)研究

2.1 不同鎘形態(tài)的提取和分離

鎘在生物體內(nèi)表現(xiàn)的形態(tài)有兩種，一種是與有機(jī)物質(zhì)結(jié)合形成的化合物，統(tǒng)稱為有機(jī)鎘形態(tài)，第二種則是以游離的無機(jī)鎘離子態(tài)形式存在［62］。目前關(guān)于生物體內(nèi)鎘形態(tài)研究，首先需要解決的問題是不同形態(tài)鎘的提取和分離。采用的提取劑應(yīng)能充分提取生物體內(nèi)不同形態(tài)的鎘組分且不破壞其形態(tài)結(jié)構(gòu)，是準(zhǔn)確確定鎘形態(tài)的前提。水生生物中鎘形態(tài)的研究起步較晚，關(guān)于陸生植物、藻類以及飼料中的鎘形態(tài)提取分離模式和方法研究較多（表4），如王俊麗等［63］通過對(duì)比乙醇、去離子水和氯化鈉等5種不同的提取劑提取蕹菜葉、莖和根中的鎘，發(fā)現(xiàn)在葉中以乙醇提取態(tài)為主，而根和莖中主要以氯化鈉和乙醇提取態(tài)為主。李敏［64］采用環(huán)己烷和乙醇兩種有機(jī)溶劑從有機(jī)鎘飼料中提取有機(jī)鎘，采用鹽酸浸提法從無機(jī)鎘飼料中提取無機(jī)鎘，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種有機(jī)溶劑對(duì)有機(jī)鎘的提取率非常低，而1%的鹽酸對(duì)無機(jī)鎘形態(tài)提取率效果較好。Polec-Pawlak 等［65］采用三羥甲基氨基甲烷鹽酸鹽（trimethylol aminomethane hydrochloride，Tris-HCl）緩沖液和乙酸銨溶液等提取劑提取擬南芥（Arabidopsis thaliana）中的鎘，發(fā)現(xiàn)Tris-HCl 緩沖液對(duì)水溶性的鎘提取效果最好，其中根部中鎘的提取率為46%，在葉部位中鎘的提取率為58%。Zhao等［66］采用80%乙醇、去離子水、1 mol·L-1NaCl、2%乙酸和0.6 mol·L-1鹽酸5 種不同的提取劑對(duì)紫菜可食用組織中的鎘進(jìn)行逐級(jí)提取，結(jié)果表明采用1 mol·L-1NaCl 作為提取劑萃取紫菜中可溶性鎘的比例最高。趙艷芳等［67］分別采用同樣的5種化學(xué)試劑逐級(jí)提取海帶、裙帶菜和羊棲菜中不同存在形態(tài)的鎘存在的形態(tài)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氯化鈉提取態(tài)鎘含量最高，乙酸提取態(tài)和去離子水提取態(tài)次之。

表4 不同提取劑提取不同部位中鎘的提取效果Table 4 Extraction effects of cadmium from different parts with different extractants

有學(xué)者基于分析和借鑒上述鎘形態(tài)的提取分離方法，對(duì)水生生物中鎘形態(tài)提取開展了相關(guān)的研究，如田姣姣等［68］對(duì)比了Tris-HCl緩沖溶液、HCl（pH值3.5）和堿性蛋白酶3 種不同的提取劑對(duì)三疣梭子蟹可食用組織中鎘形態(tài)逐級(jí)提取的效果，結(jié)果表明Tris-HCl 具備較好的提取效果，對(duì)肝胰腺、性腺等部位的鎘提取率高達(dá)90%，但對(duì)肌肉組織中的提取率僅為60%，仍有37%的非游離態(tài)鎘存在，而經(jīng)堿性蛋白酶處理后可有效溶出。吳曉萍等［69］采用檸檬酸和琥珀酸兩種有機(jī)酸溶劑提取牡蠣勻漿液中的鎘，通過試驗(yàn)分析得出琥珀酸在提取時(shí)間2 h、溫度35 ℃、酸濃度0.02 mol·L-1、料液比1∶15、pH 值2.0 條件下，檸檬酸在提取時(shí)間2 h、溫度35 ℃、酸濃度0.04 mol·L-1、料液比1∶15、pH 值2.5 條件下，提取效果最好，提取率可達(dá)到90.2%～91.8%，但未研究此種提取法是否會(huì)對(duì)鎘形態(tài)產(chǎn)生影響。

2.2 不同鎘形態(tài)的定性和定量分析

2.2.1 無機(jī)鎘離子的研究現(xiàn)狀 關(guān)于建立測(cè)定水產(chǎn)品中無機(jī)鎘離子形態(tài)的方法研究較早，章紅等［71］建立石墨爐原子吸收法（graphite furnace atomic absorption spectrophotometry，GFAAS）測(cè)定了7種水產(chǎn)品中無機(jī)鎘的含量，并進(jìn)一步分析了總鎘和無機(jī)鎘在水產(chǎn)品中的分布特征，但此方法未分析提取劑對(duì)樣品中無機(jī)鎘離子的提取效果。在后續(xù)研究中，研究人員針對(duì)提取和分離分析方法展開了研究，趙艷芳等［72］建立了高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法（high performance liquid chromatography-inductively coupled plasma-mass spectrometry，HPLC-ICP-MS）測(cè)定貝類中無機(jī)鎘離子的含量，發(fā)現(xiàn)總鎘含量較高的貝類中無機(jī)離子態(tài)鎘占比卻較低，此方法為研究無機(jī)鎘在總鎘中的占比問題初步提供了技術(shù)支持。在此基礎(chǔ)上，姜芳等［73］通過進(jìn)一步優(yōu)化前處理過程以及流動(dòng)相的濃度，同樣采用HPLC-ICP-MS 法測(cè)定海洋貝類中無機(jī)鎘離子含量，從而完善了水產(chǎn)品中無機(jī)鎘離子的定性和定量分析方法。對(duì)鎘富集能力強(qiáng)的蝦蛄體內(nèi)的鎘賦存形態(tài)也有研究報(bào)道［60］，主要采用10 mmol·L-1Tris 緩沖溶液與0.1 mol·L-1NaCl混合液（pH值7.5）對(duì)蝦蛄可食組織中無機(jī)離子態(tài)鎘進(jìn)行提取，選用流動(dòng)相為50 mmol·L-1草酸和95 mmol·L-1氫氧化鋰（pH 值4.8）溶液以及陽(yáng)離子交換色譜柱及保護(hù)柱，通過HPLC-ICP-MS 法測(cè)定，發(fā)現(xiàn)無機(jī)離子態(tài)鎘占總鎘的百分比低于20%，表明蝦蛄可食組織中無機(jī)離子態(tài)鎘含量較低，說明鎘主要以有機(jī)形態(tài)存在于蝦蛄可食組織中。下一步研究工作應(yīng)進(jìn)一步完善甲殼類水生生物中無機(jī)鎘離子態(tài)的提取分離和定量方法學(xué)研究，并解決無機(jī)鎘占總鎘具體比例的問題，對(duì)后續(xù)開展鎘在生物體內(nèi)的賦存形態(tài)研究提供技術(shù)支持。針對(duì)具有鎘特異性蓄積能力的蝦蛄和梭子蟹等甲殼類水生生物，探究其在添加無機(jī)鎘暴露過程中，機(jī)體攝入不同濃度無機(jī)鎘后，經(jīng)消化、吸收再到達(dá)不同部位組織后的病理切片狀況以及產(chǎn)生的毒性效應(yīng)，可為進(jìn)一步科學(xué)合理地開展水產(chǎn)品中鎘的限量標(biāo)準(zhǔn)值的制修訂，以及鎘的污染評(píng)價(jià)方法和膳食暴露評(píng)估方面提供參考。

2.2.2 有機(jī)形態(tài)鎘的研究現(xiàn)狀 研究發(fā)現(xiàn)，梭子蟹和蝦蛄體內(nèi)的無機(jī)鎘離子含量占總鎘比例較?。?4］，間接表明了有機(jī)鎘形態(tài)在總鎘中的占比較大，因此下一步的研究重點(diǎn)是關(guān)于其體內(nèi)有機(jī)鎘賦存形態(tài)問題。目前，色譜與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)是元素形態(tài)分析最主要的技術(shù)手段，關(guān)于生物體中有機(jī)鎘形態(tài)的分析儀器已有高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）串聯(lián)電感耦合等離子體質(zhì)譜（inductively coupled plasmamass spectrometry，ICP-MS）、電噴霧（electrospray）串聯(lián)質(zhì)譜（mass spectrometry，MS）、飛行時(shí)間等離子體質(zhì)譜（inductively coupled plasma-time of flight-mass spectrometer，ICP-TOF-MS）等聯(lián)用技術(shù)。在以上分析儀器和技術(shù)中，通過進(jìn)一步優(yōu)化，體積排阻色譜（size exclusion chromatography，SEC）與高效液相色譜（HPLC）串聯(lián)電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）聯(lián)用技術(shù)能夠根據(jù)分子量分離目標(biāo)化合物且靈敏度高，因此能夠較為準(zhǔn)確地反映蛋白質(zhì)、氨基酸和其他巰基化合物在生物體內(nèi)與元素的結(jié)合狀況，故被廣泛采用（表5）。

表5 不同有機(jī)形態(tài)鎘的定性分析方法Table 5 Extraction and analysis methods of different forms of cadmium

由于目前缺少有機(jī)態(tài)鎘的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，無法對(duì)生物體中鎘形態(tài)進(jìn)行定性，基于此，很多學(xué)者嘗試將無機(jī)鎘的標(biāo)準(zhǔn)溶液與其他溶液進(jìn)行絡(luò)合，根據(jù)鎘絡(luò)合物的保留時(shí)間來初步判斷鎘可能在生物體內(nèi)存在的形態(tài)。Yang 等［75］通過建立體積排阻高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜測(cè)定印度芥菜（Brassica juncea）中鎘的形態(tài)，根據(jù)配制的乙二胺四乙酸鎘（ethylene diamine tetraacetic acid-cadmium，EDTA-Cd）、谷胱甘肽鎘（glutathione-cadmium，GSH-Cd）和半胱胺酸鎘（cysteine-cadmium，Cys-Cd）等標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的保留時(shí)間以及文獻(xiàn)報(bào)道的分子量范圍，初步推斷在其葉片和根部中存在植物螯合肽鎘（phytochelatins-cadmium，PCSCd），包括（PC）3-Cd、（PC）2-Cd、GSH-Cd 和Cys-Cd 共4種鎘形態(tài)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片中鎘形態(tài)主要以GSH-Cd 存在。趙艷芳等［76］建立體積排阻色譜-高效液相色譜電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（SEC-HPLC-ICP-MS）對(duì)紫菜中的鎘形態(tài)進(jìn)行了研究，根據(jù)配制Cys-Cd 和GSH-Cd 兩種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的保留時(shí)間和相應(yīng)的分子量范圍，初步推斷在紫菜的水提液中存在（PC）3-Cd、GSHCd 和一種未知小分子有機(jī)態(tài)鎘。以同樣的分析方法對(duì)三疣梭子蟹和蝦蛄可食用組織中鎘的形態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果表明三疣梭子蟹肝胰腺組織中的鎘主要以金屬硫蛋白鎘（metallothionein-cadmium，MT-Cd）和半胱胺酸鎘（cysteine-cadmium，Cys-Cd）兩種形態(tài)存在，肌肉組織中的鎘主要以Cys-Cd 存在，而蝦蛄肌肉組織中的鎘主要以MT-Cd 存在［56］。田姣姣等［68］進(jìn)一步對(duì)三疣梭子蟹體內(nèi)鎘賦存形態(tài)開展了研究，通過采用Tris-HCl 緩沖液進(jìn)行提取，再采用超濾結(jié)合透析的方式對(duì)提取液中不同分子質(zhì)量鎘復(fù)合物進(jìn)行分離測(cè)定，發(fā)現(xiàn)存在分子質(zhì)量＜500 Da、500～10 000 Da，以及＞10 000 Da 的鎘復(fù)合物，表明鎘進(jìn)入生物體后主要與一些大分子物質(zhì)結(jié)合。在前人研究中金屬硫蛋白鎘分子質(zhì)量一般為6～7 kDa［69］，但在田姣姣等［68］的研究中發(fā)現(xiàn)提取液中蛋白分子質(zhì)量主要處于24 kDa 以上，因此該類鎘組分應(yīng)較少含有MT-Cd，或可能是其他大分子蛋白或者多糖、脂類等與鎘形成的復(fù)合物。因此，根據(jù)目前開展的關(guān)于鎘形態(tài)的研究進(jìn)展，需要進(jìn)一步確定鎘是否與大分子蛋白結(jié)合以及是否存在小分子鎘的組分，另外需要進(jìn)一步探索和驗(yàn)證不同鎘形態(tài)的形成機(jī)理以及毒性之間的相互關(guān)系。

重金屬在不同環(huán)境介質(zhì)中的賦存形態(tài)也不同［79］。重金屬的不同形態(tài)可以決定其生物吸收和生物毒性，在評(píng)估毒性效應(yīng)時(shí)，若僅采用重金屬的總濃度作為依據(jù)，可能會(huì)導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果出現(xiàn)偏差［80-81］。研究表明，鎘的生物吸收和生物毒性與其形態(tài)密切相關(guān)，目前以總濃度作為評(píng)價(jià)鎘毒性的指標(biāo)，不能準(zhǔn)確地反映鎘的毒理學(xué)效應(yīng)［82］。近年來，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)鎘開展了大量的研究，但鑒于目前檢測(cè)手段、測(cè)定方法的不完善以及儀器設(shè)備、分離分析的限制因素等制約條件，對(duì)于鎘的形態(tài)分析問題仍未得以明確闡釋。由于缺少鎘形態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)品，因此無法明確水產(chǎn)品中鎘存在的不同形態(tài)及其相關(guān)毒理效應(yīng)。

鎘主要以有機(jī)化合物的形式污染水生生物，但目前國(guó)內(nèi)外主要針對(duì)無機(jī)鎘離子態(tài)開展鎘的毒性研究，對(duì)污染水平的評(píng)價(jià)也主要依據(jù)總鎘指標(biāo)，而對(duì)有機(jī)鎘的研究較為缺乏。針對(duì)這一現(xiàn)狀，需要對(duì)鎘形態(tài)的定性和定量分析開展進(jìn)一步的研究，以更科學(xué)地評(píng)估不同形態(tài)鎘的毒性效應(yīng)，并將研究結(jié)論應(yīng)用于完善相關(guān)限量標(biāo)準(zhǔn)。在有機(jī)鎘形態(tài)及無機(jī)鎘離子形態(tài)的毒性差異研究方面，應(yīng)具體考慮不同形態(tài)鎘對(duì)水生生物造成的急性和慢性毒性影響，通過轉(zhuǎn)錄組、蛋白組學(xué)等分子生物學(xué)手段，深入開展鎘對(duì)甲殼類水生生物的毒性研究［83］。

3 鎘的毒理學(xué)效應(yīng)

3.1 鎘對(duì)人體的毒理危害機(jī)制

鎘是人類在環(huán)境和食品中可能接觸到的最具毒性的元素之一，被人體吸收后會(huì)伴隨整個(gè)生命周期進(jìn)行蓄積，半衰期為25～30年，其毒性及危害受到相關(guān)研究人員的廣泛關(guān)注［84］。有研究表明，鎘主要通過食道和呼吸道進(jìn)入人體，而膳食攝入是人類暴露鎘的主要途徑之一［6］。當(dāng)鎘隨著食物鏈進(jìn)入人體后，首先會(huì)對(duì)呼吸道產(chǎn)生刺激，并抑制呼吸鏈復(fù)合物輔酶（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）遞氫反應(yīng)的表達(dá)，以此降低腺嘌呤核苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）的合成［85］。鎘進(jìn)入呼吸道后會(huì)通過紅細(xì)胞運(yùn)輸作用被運(yùn)送至各組織器官中，然后在腸道［86］蓄積，隨體循環(huán)進(jìn)而在肝臟和腎臟［87］等臟器中蓄積，當(dāng)蓄積達(dá)到一定濃度水平后會(huì)表現(xiàn)出不同的毒性影響，如圖1所示。目前鎘在不同生物體中的賦存形態(tài)以及不同形態(tài)產(chǎn)生的毒性效應(yīng)機(jī)制尚不明確，在已有研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)梭子蟹和蝦蛄等具有鎘蓄積特異性的甲殼類水生生物開展不同鎘形態(tài)的分析及毒性效應(yīng)機(jī)制研究，對(duì)全面揭示鎘的毒性具有重要意義。

圖1 鎘在人體內(nèi)的遷移、蓄積及其毒性作用［6］Fig.1 Transfer and accumulation of cadmium in humans and its toxic effects in organisms［6］

3.2 不同形態(tài)鎘的毒理學(xué)效應(yīng)

3.2.1 無機(jī)鎘離子的毒性研究 無機(jī)鎘離子進(jìn)入生物體后，機(jī)體內(nèi)臟會(huì)合成金屬硫蛋白（metallothionein，MT）來響應(yīng)此類元素進(jìn)入生物體的信號(hào)表達(dá)［62］。MT是一種富含半胱氨酸的小型金屬結(jié)合蛋白，存在于各種動(dòng)物組織中。MT 可以螯合一定的鎘，形成MT-Cd化合物，并奪取與其他功能蛋白結(jié)合的無機(jī)鎘離子，從而降低腎臟、肝臟等關(guān)鍵部位的鎘含量［88］。當(dāng)MT 被鎘飽和后，多余的無機(jī)鎘通過不同的途徑對(duì)生物體的某一器官和組織產(chǎn)生危害，其毒性是多方面的，如與體內(nèi)其他生物分子，包括酶和核酸等生物大分子相互作用。蛋白質(zhì)、肽、脂肪酸均含有與鎘結(jié)合的基團(tuán)，如羧基、氨基、巰基等，其中鎘的關(guān)鍵靶點(diǎn)是蛋白質(zhì)中半胱氨酸的巰基（sulfhydryl group，SH），破壞巰基酶活性使巰基失活會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞核、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體中產(chǎn)生功能缺陷，改變?cè)S多線粒體蛋白質(zhì)活性（穿過外膜和內(nèi)膜的酶和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)），從而抑制生物體的呼吸功能，對(duì)機(jī)體產(chǎn)生損害［89］。有研究報(bào)道，在飼料中添加CdCl2作為無機(jī)鎘暴露組，添加魷魚膏（有機(jī)鎘含量較高）作為有機(jī)鎘暴露組，分別對(duì)南美白對(duì)蝦進(jìn)行膳食暴露，每養(yǎng)殖20～30 d，對(duì)南美白對(duì)蝦進(jìn)行解剖，經(jīng)光學(xué)組織切片觀察后，發(fā)現(xiàn)有機(jī)鎘飼料組對(duì)蝦肝胰臟損傷輕微，而無機(jī)鎘飼料組對(duì)其損傷嚴(yán)重，并能觀察到大片死亡的細(xì)胞核［90］，該研究證明了無機(jī)鎘形態(tài)的毒性大于有機(jī)鎘形態(tài)。

3.2.2 有機(jī)鎘形態(tài)的毒性研究 前人研究表明，重金屬在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其對(duì)生物的毒理學(xué)效應(yīng)，并非取決于重金屬的總濃度，而是由其賦存形態(tài)決定［91］。有機(jī)鎘形態(tài)具有化學(xué)和生物的相對(duì)穩(wěn)定性，其毒理學(xué)效應(yīng)與無機(jī)鎘離子形態(tài)存在明顯差異。目前國(guó)內(nèi)外主要以總鎘含量來評(píng)價(jià)水生生物中鎘的污染水平。對(duì)鎘安全性評(píng)價(jià)方面缺乏不同形態(tài)鎘的毒理學(xué)依據(jù)［72］。

因目前仍無法明確有機(jī)鎘的具體形態(tài)，關(guān)于有機(jī)鎘形態(tài)的毒性機(jī)理研究報(bào)道甚少。相關(guān)研究人員采用不同形態(tài)鎘的飼料對(duì)水生生物進(jìn)行暴露試驗(yàn)，探索不同形態(tài)鎘的毒性。如翟毓秀等［92］采用魷魚、頭足類及其加工下腳料等富含MT-Cd 的原料配制飼料喂養(yǎng)大菱鲆，一年后出現(xiàn)死亡率增高的現(xiàn)象，經(jīng)解剖觀察，死魚的肝、腎、胰腺、膽等均有不同程度的病變，且肌肉中的鎘含量是空白組的4～9 倍，可食用部位中鎘含量有明顯的升高，會(huì)影響到食用安全，證明有機(jī)鎘的毒性不容忽視。但該研究?jī)H通過添加高含量的有機(jī)鎘魷魚等作為有機(jī)鎘暴露組，并未說明有機(jī)鎘飼料組是否含有一定量的無機(jī)鎘形態(tài)，所以還無法明確MT-Cd 對(duì)水生生物的毒性影響，仍需開展進(jìn)一步研究。郭瑩瑩等［93］對(duì)比研究了不同形態(tài)鎘在對(duì)蝦體內(nèi)的蓄積規(guī)律及其毒性，采用富含有機(jī)鎘的飼料和添加無機(jī)鎘的飼料分別對(duì)養(yǎng)殖對(duì)蝦進(jìn)行暴露62 d 后，發(fā)現(xiàn)有機(jī)鎘飼料組對(duì)蝦肌肉中的鎘蓄積量大于相應(yīng)鎘含量的無機(jī)鎘飼料組，意味著有機(jī)鎘對(duì)食品安全影響更為嚴(yán)重，應(yīng)當(dāng)引起重點(diǎn)關(guān)注。以上研究表明不同形態(tài)鎘進(jìn)入水生生物體內(nèi)產(chǎn)生的毒性影響也不一致，且在不同組織中具有蓄積差異性。不同形態(tài)鎘的毒性效應(yīng)因其在不同生物體消化道的吸收率不同而異，且不同形態(tài)鎘進(jìn)入生物體后是否會(huì)發(fā)生形態(tài)的轉(zhuǎn)變尚未見報(bào)道。后續(xù)研究應(yīng)聚焦于水生生物中不同形態(tài)鎘在總鎘中的占比問題，助力相關(guān)部門提出更科學(xué)的鎘安全限量值提供理論依據(jù)，并為今后鎘污染監(jiān)督監(jiān)控和標(biāo)準(zhǔn)的制定提供技術(shù)參考。

4 總結(jié)與展望

本文對(duì)甲殼類水生生物中鎘的蓄積狀況做了概述，圍繞梭子蟹和蝦蛄2 種典型鎘蓄積的甲殼類水生生物不同組織部位間鎘的蓄積差異性問題進(jìn)行分析總結(jié)，并進(jìn)一步對(duì)目前不同形態(tài)鎘的提取方法、定性分析以及毒理學(xué)效應(yīng)研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。鑒于鎘在環(huán)境及水產(chǎn)品中的普遍存在性，且在典型蓄積的梭子蟹和蝦蛄兩種甲殼類水生生物中賦存形態(tài)及毒理學(xué)研究的缺乏，今后可從以下幾方面著手對(duì)甲殼類水生生物中的鎘進(jìn)行進(jìn)一步深入研究：1）完善有機(jī)鎘形態(tài)提取分離、定性定量分析的方法研究，進(jìn)而探索出不同形態(tài)鎘在總鎘中的占比問題，為更加全面評(píng)價(jià)鎘在水產(chǎn)品中的危害和污染程度提供技術(shù)支持。2）在有機(jī)鎘形態(tài)及無機(jī)鎘離子的毒性差異研究方面，應(yīng)具體考慮不同形態(tài)鎘對(duì)水生生物造成的急性和慢性毒性影響，特別是不同形態(tài)鎘在水生生物體內(nèi)表現(xiàn)的毒理學(xué)效應(yīng)，并進(jìn)一步探索有機(jī)鎘形態(tài)和無機(jī)鎘離子在生物體內(nèi)是否會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)化等問題。3）對(duì)具有鎘特異性蓄積能力的梭子蟹和蝦蛄等甲殼類水生生物，需要進(jìn)一步開展其體內(nèi)不同形態(tài)鎘的定性定量研究。