不同砷形態在水產品中的毒理及轉化研究進展

劉香麗，汪 倩，宋 超，范立民，孟順龍，裘麗萍，陳家長,

（1南京農業大學無錫漁業學院，江蘇無錫214081；2中國水產科學研究院淡水漁業研究中心，江蘇無錫214081；3農業農村部水產品質量安全環境因子風險評估實驗室（無錫），江蘇無錫214081；4農業農村部水產品質量安全控制重點實驗室，北京100000）

0 引言

砷(As)是一種普遍存在的類金屬元素，水環境中的砷元素位列第14位，人體內砷位列第12位[1]。在化學元素周期表中砷位于第四周期第五主族，與N、P元素位于同一主族，所以五價態的砷和五價態的氮磷元素有著相似的理化性質[2]，當砷的價態處于五價時，生物細胞很容易誤吸收As，致使細胞膜的轉運系統紊亂，影響機體新陳代謝。研究表明[3]，AsB的性質類似于甜菜堿，一種含氮甜菜堿，在鹽度改變時發揮著滲透劑的作用以維持細胞內外滲透壓平衡，其五價氮離子性質與五價砷很相似，這也就是海藻類中無機砷和砷甜菜堿含量高的原因。砷原子序數是33[4]，原子質量是74.92，熔點817℃，沸點615℃，熔點和沸點可以作為AAS和AFS等光譜分析方法檢測砷含量時的參考。

自然界中的砷除了天然單質砷外，還包括有砷化物礦、氧化物礦、硫化物礦和砷酸鹽礦，海洋水體中的砷大部分就來自于這些含砷礦物質，研究表面[5]海水中的砷含量為2 μg/kg，淡水一般為0.4～80 μg/kg。對砷的研究主要集中在海產品，淡水水產品相對而言較少，原因是海水中海藻類富集砷能力強，通常是海水砷含量的1000～10000倍，通過食物鏈逐級富集最終在海產品中大量存在，海洋生物總砷含量為1～100 mg/kg[6]。孟昭宇[7]通過對中國沿海水產品中砷形態的研究發現，有機砷是水產品最主要的形式，其中砷糖是海藻類中最主要的含砷化合物，在魚類蝦類和貝類中，二甲基砷酸、砷甜菜堿和砷膽堿等有機砷化合物約占總砷的80%，砷糖和MMA 很少。人類體內的砷含量約90%來自水產品，如果人類一次攝入砷過量，則會引起急性或亞急性中毒，表現為惡心、頭疼、嘔吐、渾身無力和腹瀉等征兆；若長期暴露在砷的環境中，長時間的飲用被砷污染的水體或者食用含砷殘留的水產品，均可導致慢性中毒，嚴重的可誘發皮膚癌、肺癌和膀胱癌。進入人體內的砷廣泛存在于各種組織，尤以毛發、指甲和皮膚含量最高[8]。本研究在前人基礎上對水產品不同砷形態毒性機理和轉化機制研究，擬深入了解在水產品體內無機砷和有機砷之間的轉化機制，以期改變相應條件阻斷無機砷和有機砷的毒性放大效應，同時也可為以后研究砷形態提供理論參考，為后續的水產品膳食風險評估給予指導意義。

1 水產品中砷的來源途徑

1.1 水環境

水體是水產品直接接觸的環境，體內的砷也是直接或間接從水環境中攝取的，對蝦蟹魚類來說最直接的方式就是通過鰓和體表帶入體內，同時也能通過食物鏈條在體內逐級富集，但其富集的能力不及海藻類。砷可以用于冶金、制藥和農業等領域，也可以合成金屬合金和半導體材料[9]，甲基砷酸鹽、砷酸鉛和砷酸鈣可以用來制作殺蟲劑；亞砷酸鹽可以用來制作除草劑；砷酸鉻、砷酸銅和砷酸鋅可以起到防止木材腐爛的作用，甚至還可以添加在化妝品和保健品中，其應用越廣泛，對水環境和大氣環境帶來的威脅越嚴重。水環境中砷的來源主要有2 個途徑：（1）工廠污水的排放。制造含砷制劑和含砷農藥的化工廠排放的污水含有砷金屬，如果沒有達標直接進入水體，就會造成水環境大面積的砷污染；（2）巖石和土壤的風化、含砷礦石的冶煉可以通過大氣沉降、地表徑流進入水體[10]。

1.2 水產飼料的投入

砷雖然是一種有毒的類金屬，但少劑量添加在動物飼料中可以起到刺激動物生長發育和抗菌消炎的作用，還可以改善動物肉質。如果投喂用量過大、投喂頻率過多，也會造成水產品體內砷代謝負擔增大，導致砷殘留超標。依據GB 13078—2001《飼料衛生標準》中規定，砷（以總砷計）在肉粉、魚粉和肉骨粉中的添加量不得大于10 mg/kg[11]。

砷元素幾乎不溶于水，一旦進入水體，一方面被蝦蟹魚貝類、海藻類富集，另一方面通過絮凝作用沉入水底，底泥中的砷在微生物作用下不斷的被氧化還原，如遇風雨天氣，底泥中的砷離子經過攪動重新進入水體，繼續被水生動物富集，如此惡性循環，最終導致整個水生生態系統功能紊亂，由此看來控制污水的排放和加強水產飼料的管理可以減小砷對水環境以及水產品的危害。

2 砷在水環境中的形態、毒性及檢測方法

砷分為有機砷和無機砷，一般認為，以原子共價鍵結合其他物質形成的砷化合物稱為有機砷，砷以離子共價鍵結合而成的為無機砷。常見的無機砷形式有常溫下氣態的氫化砷（AsH3，可溶于水）、固態的As2O3和As2O5，后兩者溶于水分別形成亞砷酸鹽和砷酸鹽；常見的有機砷形態有MMA（一甲基砷酸）、DMA（二甲基砷酸）、AsB（砷甜菜堿）、AsC（砷膽堿）、TMAO（三甲基砷氧化物）、TETRA（四甲基砷離子）、砷糖(Arsenosugars)和砷脂(Arsenolipids)。

2.1 無機砷As3+和As5+

無機砷的兩種價態，也是大氣環境流入水體的最直接形式，溶于水成為亞砷酸鹽As(OH)3和砷酸鹽AsO(OH)3，而后經過水生生物一系列的遷移和轉化最終成為有機砷。研究表明在深海中無機砷的主要形式時As5+，在海洋表層則主要是As3+、MMA、DMA，原因是表層水中豐富的微生物可以將高價態的砷還原為低價態的砷，并進行甲基化形成一甲基砷酸和二甲基砷酸[12]。在所有砷化物中As3+和As5+毒性最高，但有學者[13]表明，DMA(Ⅲ)和MMA(Ⅲ)毒性比無機砷還強。三價砷產生的毒性機理主要是與細胞內一些大分子中的巰基反應產生作用，生成酶的抑制劑，使巰基酶失去活性，影響機體原有的正常的的新陳代謝機制，如與細胞中谷胱甘肽還原型酶中巰基的結合，使之失去了將氧化型谷胱甘肽轉化為還原型谷胱甘肽的活性，還原型谷胱甘肽在抑制血紅蛋白氧化、維持巰基蛋白含量方面具有重要的作用。雖然三價態砷離子毒性很強，但其砷化物As2O3，俗稱砒霜，卻是醫藥中用于治療惡性腫瘤和肝癌的常用制劑，其作用機理是三氧化二砷能致使肝癌細胞凋亡，進一步導致肝癌細胞增殖得以抑制[14]。五價砷的理化性質與同一主族的磷元素相似，所以五價砷產生毒性的主要機理是代替磷酸作為酶的激活劑，破壞了磷酸化偶聯反應的正常進行，進而產生毒性[15]，汪寧欣[16]在研究砷與磷之間的關系實驗中發現兩者在吸收過程中存在明顯的競爭抑制現象，在磷元素不足條件下，細胞合成了更多的磷酸鹽轉載體進而使胞內增加了對五價砷的吸收能力。雖然無機砷的毒性較強，但在水產品中的含量是痕量的，小于總砷的0.02%～11%[17]。中國衛生部制定的GB 2733—2005《鮮、凍動物性水產品衛生標準》和GB 2762—2012《食品中污染物限量》[18-19]中規定魚類及其制品中無機砷的含量不得超過0.1 mg/kg，其他水產動物及其制品無機砷的含量不得超過0.5 mg/kg，但對總砷沒有規定。孟春英等[20]參照GB 5009.11—2014《食品安全國家標準食品中總砷及無機砷的測定》[21]采用了液相色譜-原子熒光光譜法測定浙江沿海水產品無機砷含量，結果顯示，樣品無機砷含量貝類＞蝦蟹類＞魚類。胡燕杰[22]采用氫化物-原子熒光法研究浙江寧海縣魚蝦貝類中的無機砷含量情況，結果表明貝類(0.42 mg/kg)＞蝦類(0.08 mg/kg)＞魚類(0.02 mg/kg)，但均未超標。貝類無機砷含量高的原因可能是貝類對無機砷的富集能力比蝦蟹魚強，且貝類生活在底泥中，重金屬在底泥中的含量往往高于水體。有人采用采用濕法消解-原子熒光光譜法和微波消解-電感耦合等離子體質譜法，對廈門市海產品總砷含量同時進行測定，研究表明2 種方法對檢測結果基本一致，都可直接用于水產品總砷的測定[23]。

2.2 有機砷

2.2.1 MMA 和DMA 一甲基化砷酸和二甲基化砷酸，有 MMA(Ⅲ)、MMA(Ⅴ)和 DMA(Ⅲ)、DMA(Ⅴ)四種價態，MMA(Ⅴ)和DMA(Ⅴ)是海產品和一些陸地食物的常見形式，MMA 和DMA 多存在于脂肪型魚類，如鯖魚和鯡魚。三價的甲基砷酸鹽在食物中幾乎檢測不到，4 種形態砷化合物在人類的尿液中通常作為無機砷的代謝產物排出。MMA 毒性很弱，DMA 毒性較MMA 弱，但兩者皆可誘導巨核細胞的凋亡。有人曾用MMA和DMA誘導實驗鼠發生腫瘤，其中MMA3+對人類淋巴細胞基因損傷嚴重，對GSH還原酶和硫氧化蛋白還原酶的抑制作用比As3+強數倍，說明在損傷人類淋巴細胞基因方面As3+的毒性不如MMA3+[12]。甲基砷酸鹽的致毒機理主要與DNA損傷有關，一定砷濃度可以增加過氧化物酶和過氧化氫酶的活性，導致DNA的氧化損傷[24]，尤其在急性砷中毒人群中DNA氧化損傷程度最明顯[25]。張海亭等[26]通過體外實驗研究了As3+、MMA(Ⅲ)和DMA(Ⅴ)對人皮膚成纖維細胞的影響，結果表明低濃度范圍內對皮膚細胞表現出顯著的增殖作用，濃度處于10～15μmol/L之間卻對細胞有明顯的致毒效應，毒性比較為MMA(Ⅲ)＞As3+＞DMA(Ⅴ)。

2.2.2 AsB 和AsC 砷甜菜堿和砷膽堿，是海洋動物中砷的主要形式[6]，尤其是有鰭魚類，但在淡水魚類中含量很低，一般小于 0.1 mg/kg（干重）[27]。AsB 惰性、無毒，能迅速被排泄，構成海產品砷的大部分，約占總提取砷的80%，濃度在1～300μg/kg范圍之內[28]。有研究表明，砷甜菜堿并沒有使哺乳動物的細胞發生突變現象，表明不具有細胞毒性，且沒有免疫的轉化毒性；AsC一般認為無毒，在海產品中少量存在，容易氧化為AsB，還可以分解為MMA 和DMA。通常認為AsC 是AsB 的一種主要前體形態，其半致死量分別是6500 mg/kg 和 10000 mg/kg[15]，砷膽堿無毒，沒有胚胎毒性。

2.2.3 Thio-DMA 硫代二甲基砷酸，有一定的毒性，在人體的尿液中作為無機砷和砷糖的代謝產物少量存在，其產生機制很可能是在魚類胃腸道內與巰基蛋白的結合[29]。

2.2.4 TMAO 三甲基砷氧化物，在海產品中極少存在，研究表明TMAO 的含量在冰凍魚體內或在冰凍條件下高于新鮮魚類，原因是體內微生物在冰凍的前期仍然可以保持轉化砷化合物的活性，但一旦超過兩個月冰凍時間，一些砷化合物將會氧化。研究發現TMAO在冰凍的1個月內含量是升高的，但冰凍3個月之后含量開始下降并跟新鮮魚時的水平一樣[30]。幾乎沒有毒性，但含量達到一定高度時其毒性才會展現出來，有學者[12]分別用0、50、200 mg/kg 飼喂實驗鼠，其干細胞腺瘤發生率逐漸升高，原因可能是TMAO 造成DNA 的氧化損傷，促進了細胞增殖。

2.2.5 TETRA 四甲基砷酸鹽，具有毒性，在新鮮海產品中極少存在，在軟體動物中較常見，在冷凍條件下或溫度高于150～160℃烘烤條件下，尤其在烤焦的肉類中含量升高，可能是由于AsB 的脫羧反應[15,31]，說明該砷的化合物與溫度有一定關系，所以在烘烤、煎炸海洋水產品時要注意TETRA含量的增加。

2.2.6 砷糖和砷脂 一般認為無毒，砷糖在可食用藻類和甲殼類中常見，目前已報道的砷糖形式有20 多種，在人體中代謝普遍且可以轉化為DMA。有人采用HPLC-HG-AFS 方法對12 種海藻類砷形態進行檢測，結果顯示4 種砷糖含量為0.11～7.2 mg/kg[32]。砷脂是一類脂溶性的含砷化合物，包括含砷糖類、含砷脂肪酸、砷糖磷脂和三甲基砷酸離子脂肪醇，多見于魚油和脂肪型魚類[29]。

砷形態中研究較多的是As3+、As5+、MMA、DMA、AsB、AsC，孟昭宇[7]通過采用HPLC-ICP-MS方法對沿海水域魚蝦貝和海藻類中砷形態的研究，結果發現在魚類樣品中沒有檢測出砷糖和MMA，只有少量的無機砷；在南美白對蝦中檢測到了其他有機砷化合物，但除了砷糖和MMA外，同時并沒有檢測出無機砷；貝類樣品中只檢測出了少量的砷糖；海藻樣品中，砷糖檢出量最多，約占總砷的50%，幾乎沒有檢測到一甲基砷酸；五價砷為主要形式，有的海藻類五價砷甚至超過了無機砷含量的70%，原因可能是這些海藻類存在氧化性強的離子或生活在含氧豐富的海面，三價砷氧化為五價砷[13]。趙艷芳等[33]運用ICP-MS 和HPLC-ICP-MS對蝦蛄可食用肌肉和性腺進行砷形態的檢測，結果表明性腺組織總砷含量高于肌肉組織，無機砷在肌肉和性腺中均有檢測到且肌肉組織中無機砷含量最高，部分樣品含有少量MMA和DMA，同時還發現AsB是蝦蛄可食組織的主要砷形態。

3 砷在生物體內的遷移、轉化和代謝機制

按 LD50 毒 性 AsH3＞As( Ⅲ) ＞As( Ⅴ) ＞MMA＞DMA＞TMAO＞砷糖＞AsC＞AsB，總體來說，無機砷的毒性大于有機砷，有機砷中砷連接的官能團越多，毒性越小[34]。不同砷形態之間可以相互轉化，砷酸鹽類轉化為亞砷酸鹽類化合物導致的中毒事件已有報道。2003年，臺灣人食用對蝦后又攝入了大量的維生素C，進而導致食物中毒，VC具有很強的還原性，所以專家分析可能是在維生素C 的條件下，攝入體內的砷酸鹽還原成毒性較強的亞砷酸鹽[15]。在水環境中，無機砷As5+還原為As3+，進行甲基化先后生成MMA(Ⅴ)和MMA(Ⅲ)，繼續甲基化生成DMA(Ⅴ)和DMA(Ⅲ)，這個過程通過浮游生物的膜轉運系統完成。無機砷的甲基化需要必需的甲基供體，研究表明[35]通過向攻毒后的小鼠注射還原型谷胱甘肽和甲硫氨酸可以有效降低總砷濃度，減少潛在的危害。無機砷在生物腸道內被甲基化生成甲基砷酸鹽也是因為生物體內腸道中存在還原性谷胱甘肽[36]。體內營養因子與無機砷的甲基化也有一定關系，有報道指出[37-38]體內葉酸含量的增加可以加速總砷轉化為DMA，導致尿液中的DMA 含量增加，而血液中總砷和MMA含量降低，減少了無機砷的毒性危害。相關研究表明機體內砷的富集程度與As3+濃度呈正相關，說明體內砷化合物只有少量轉化為有機砷，大多數被代謝直接排出體外[39]。其他有機砷化合物轉化及代謝機制如下：75%的AsC 轉化為AsB，AsB可以作為代謝產物經尿液直接排出[40]。在多數海洋生物體內AsB 的含量高達70%，甚至大于90%。但有研究表明海洋動物并不能通過無機砷合成AsB，所以推測可能是死亡或腐爛的藻類向水環境中排出砷糖，而后由細菌、真菌等微生物轉化而成，進而被海洋動物吸收[41-42]，AsB在體內的吸收很可能是因為其與滲透性谷氨酸甜菜堿有相似的性質[43]，；AsC還可以與磷脂結合生成砷脂，多在富含脂的組織中轉化，在體內，67%的砷糖可以轉化為DMA(Ⅴ)[44]。陳麗竹[45]在菲律賓蛤仔無機砷轉化機制的研究中表明無機砷更容易在肝胰腺中富集且將其轉化成砷甜菜堿，而在鰓組織中更容易轉化為DMA。TMAO 的形成有兩個來源機制：一是魚腸道內的微生物群可以對體內吸收的砷酸鹽甲基化；二是死亡腐爛的細菌分解AsB 形成，所以TMAO 在冰凍魚中的含量大于新鮮魚[12]。TETRA 是軟體動物的主要形式，在冷凍或者溫度高于160℃是其含量升高，原因可能是AsB的脫羧反應，AsB在體內由尿液直接排出，但在體外高溫(＞160℃)條件下，由于其脫羧反應可以生成有毒性的TMAO 和TETRA，同時DMA 部分分解為MMA，MMA 部分分解為五價砷和三價砷[46]。由以上砷的代謝途徑來看，從無機砷到有機砷是一個脫毒過程，而從有機砷到無機砷是一個增毒過程，說明不同的代謝途徑產生的代謝產物不同，產物的毒性也不一樣，因此在以后的研究中要深入研究其機制，在無機砷脫毒的過程中避免因其代謝產物從無機態重新轉化為有機態。

4 總結與展望

研究表明，一些砷制劑可以用作惡性腫瘤和白血病的醫療制劑，還可以作為畜禽飼料添加劑，這些用途促使冶煉廠加大對砷礦的開采和化工業對砷制劑的開發，生產過程中不可避免的對大氣、水環境、土壤造成砷污染，砷極易在作物、水產品中富集，最終通過食物鏈進入人類體內，對人體產生潛在的危害。砷的形態決定了其毒性大小，一般來說，無機砷毒性最大，甲基砷毒性較弱，砷膽堿和砷甜菜堿次之，砷糖和砷脂則認為無毒性。但隨著對有機砷研究的深入，發現有的有機砷毒性甚至比無機砷還要強，所以在國際標準中只對總砷和無機砷限量就不合適了，對以后重金屬砷研究應注重以下幾點：

（1）不同砷形態在生物體內是可以相互轉化的，不同生物器官的富集規律也不相同，比較而言，對一些有機砷毒性的研究還不太深入，以后科研人員要加大對有機砷毒性機理的研究，可以考慮將有機砷作為限量標準。

（2）食品質量安全關系全人類，隨著國家對食品重金屬殘留問題越來越重視，檢測重金屬殘留的方法也日益完善和成熟，除了對砷的毒性、富集規律和檢測方法研究外，還應該開展砷的風險評估研究，為人體日攝入量提供參考。

（3）對砷的研究大多集中在海產品，對淡水產品研究較少，尤其是蝦蟹類，中國是淡水養殖大國，所以對淡水生物展開重金屬檢測十分有必要。