應(yīng)用體外模擬法評(píng)價(jià)土壤中重金屬的人體健康風(fēng)險(xiǎn)

王曉飛+鄧超冰+許桂蘋+魏萌萌

摘要：對(duì)土壤重金屬經(jīng)土壤—人途徑的人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，采集廣西壯族自治區(qū)某尾礦庫坍塌導(dǎo)致大面積農(nóng)田污染區(qū)域的土壤樣品，通過體外模擬法（PBET法）進(jìn)行消化，采用重金屬攝入量及其生物可給量進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，研究區(qū)域土壤重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的平均含量分別為37.25、764.46、1 000.33、1.40 mg/kg。模擬胃階段土壤中Cu、Zn、Pb、Cd的生物可給量均大于模擬腸階段重金屬的生物可給量，且在2個(gè)消化階段，土壤中Cu、Zn、Pb、Cd的生物可給量均低于日耐受量。成人日攝入重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的含量分別為1.81～1.93、33.29～42.41、36.94～68.16、0.06～0.10 μg/d，兒童為7.24～7.73、133.17～169.64、147.74～272.65、0.28～0.40 μg/d，兒童Pb的攝入量已經(jīng)明顯超過日可耐受量。因此，土壤中重金屬Pb對(duì)當(dāng)?shù)貎和娜梭w健康具有潛在風(fēng)險(xiǎn)，而其他重金屬通過土壤—人途徑的攝入量會(huì)增加人體對(duì)重金屬攝入的總量，同時(shí)增加健康風(fēng)險(xiǎn)的總量。

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：重金屬；體外模擬法；生物可給量；健康風(fēng)險(xiǎn)

中圖分類號(hào)：X53文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1002-1302（2017）06-0251-04

近年來，土壤重金屬污染[1-3]已經(jīng)危及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[4-5]及食品安全[6-8]，嚴(yán)重威脅人體健康[9-10]。環(huán)境中的重金屬可以通過食物、飲水和呼吸等途徑進(jìn)入人體，特別是土壤中的重金屬通過口腔進(jìn)入人體后在人體內(nèi)積累，并最終對(duì)人體（特別是低齡兒童）健康產(chǎn)生一定的危害[11-12]。目前，分析與評(píng)價(jià)土壤中重金屬元素含量與人體健康的關(guān)系備受關(guān)注[13-18]。如果依據(jù)土壤重金屬總量來評(píng)價(jià)其健康風(fēng)險(xiǎn)，重金屬對(duì)人體健康的負(fù)面影響很有可能會(huì)被高估，因?yàn)橥寥乐亟饘倏偭坎⒉荒鼙蝗梭w全部吸收[19]，所以針對(duì)土壤重金屬的生物有效性（或生物可接受性）開展研究更有意義。土壤重金屬的絕對(duì)生物可接受性只能通過動(dòng)物試驗(yàn)才能獲得，而該試驗(yàn)具有費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、傷害供試動(dòng)物的缺點(diǎn)[20]，所以選擇分析測(cè)定能被人體消化液溶解，易被吸收的土壤重金屬是優(yōu)于土壤全量評(píng)價(jià)和動(dòng)物試驗(yàn)的更好選擇，而且體外消化試驗(yàn)容易操作，便宜，具有可重復(fù)性。因此，模擬人體消化程序的體外消化試驗(yàn)被引入環(huán)境科學(xué)，用于評(píng)價(jià)環(huán)境中污染物的生物可接受性[21]。目前，國(guó)內(nèi)已有運(yùn)用體外模擬試驗(yàn)法來評(píng)價(jià)土壤重金屬的生物可給性或健康評(píng)價(jià)的報(bào)道[22-24]。本研究采集廣西壯族自治區(qū)（簡(jiǎn)稱廣西）某尾礦庫潰壩影響區(qū)域農(nóng)田土壤樣品，運(yùn)用體外模擬法（PBET法）進(jìn)行消化試驗(yàn)，測(cè)定土壤中重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的生物可給性，通過成人和兒童經(jīng)土壤—人途徑而攝入重金屬量及其生物可給量來評(píng)價(jià)土壤中重金屬所導(dǎo)致的健康風(fēng)險(xiǎn)，為科學(xué)評(píng)價(jià)土壤重金屬的人體健康風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試土壤

供試土壤采自廣西某尾礦庫潰壩影響區(qū)域農(nóng)田的甘蔗地土壤，共采集16個(gè)表層（0～10 cm）土壤樣品。將采集的蔗田土壤樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，置于通風(fēng)避光干燥的地方自然風(fēng)干，剔除其中的碎石塊和甘蔗根莖等雜質(zhì)，將風(fēng)干的土樣粗磨后再用瑪瑙研缽細(xì)磨，分別過20、100目的尼龍篩，裝袋，供分析用。

1.2土壤理化性質(zhì)測(cè)定及質(zhì)量控制

土壤pH值用pH計(jì)測(cè)定，土液比為1 ∶2.5；土壤有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定參照標(biāo)準(zhǔn)NYT 1121.6—2006《土壤檢測(cè)第6部分：土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定》；土壤陽離子交換量的測(cè)定參照標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1243—1999 《森林土壤陽離子交換量的測(cè)定》； 土壤重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的全量測(cè)定采用硝酸-鹽酸-氫氟酸三酸-微波消解的方法，并采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定[25]；體外消化試驗(yàn)樣品在內(nèi)的消化液中重金屬含量同樣采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定。

樣品理化性質(zhì)的測(cè)定設(shè)置3個(gè)平行。在測(cè)定土壤重金屬全量時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSS-22來進(jìn)行質(zhì)量控制，回收率為95%～105%。為保證儀器的穩(wěn)定與準(zhǔn)確，在用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定消解液和消化液中重金屬含量時(shí)，每10個(gè)樣品反測(cè)1次標(biāo)樣。

1.3體外模擬法（PBET法）

用于模擬體外消化試驗(yàn)的土壤均過100目尼龍篩，所有供試土壤與消化液均以固液比1 ∶100比例混合，然后將混合溶液放置于恒溫水浴箱中振蕩（37 ℃，100 r/min），胃液或胃腸液提取結(jié)束后離心10 min（4 000 r/min），最后取上清液過0.45 μm濾膜待測(cè)。

PBET法模擬胃液和腸液的提取，其中胃液是由1.25 g胃蛋白酶、0.50 g蘋果酸鈉、0.50 g檸檬酸鈉、420 μL乳酸、500 μL醋酸混合而成，溶解后定容至1 L，并用1 ∶1 HCl溶液調(diào)節(jié)pH值到2.5；然后向土壤中加入胃液振蕩1 h，模擬胃液的消化過程；胃液提取結(jié)束后，用NaHCO3粉末調(diào)節(jié)消化液pH值至7.0，再加入52.5 mg膽汁鹽（Fluka，48305）和15 mg胰液素（Sigma，P3292），之后繼續(xù)振蕩2 h即完成腸液提取。

1.4計(jì)算方法

1.5統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2003和SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1土壤中重金屬Cu、Zn、Pb和Cd的含量

本研究土壤采自廣西某尾礦庫潰壩影響區(qū)域農(nóng)田的甘蔗地，重點(diǎn)選擇Cu、Zn、Pb、Cd等4種重金屬元素，研究區(qū)域蔗田土壤pH值和重金屬含量，結(jié)果見表1、圖1。

由表1、圖1可知，該甘蔗地塊呈酸性，重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的含量范圍分別為36.20～38.67、665.87～848.20、738.72～1 363.23、0.58～1.98 mg/kg，平均含量分別為 37.25、764.46、1 000.33、1.40 mg/kg，以廣西土壤背景值和土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的含量限值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，除Cu含量外，Pb、Cd、Zn含量均高于廣西土壤背景值及國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，且污染指數(shù)的平均值均遠(yuǎn)大于1，說明外界的污染導(dǎo)致重金屬Pb、Cd和Zn在研究區(qū)域存在不同程度的累積，具有重金屬Pb、Cd和Zn污染的特征，或者說是重金屬Pb、Cd和Zn在土壤中的積累已經(jīng)達(dá)到威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人體健康的程度，應(yīng)該引起高度重視。

2.2模擬胃階段和腸階段土壤中重金屬的生物可給性

模擬胃和腸2個(gè)階段污染區(qū)域土壤中重金屬Cu、Zn、Pb和Cd的生物可給性，結(jié)果見表2。在模擬胃階段，研究區(qū)域土壤中重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的生物可給性分別是6.59%～15.60%、5.64%～23.17%、6.86%～12.12%、34.51%～61.28%。在模擬腸階段，研究區(qū)域土壤中重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的生物可給性分別是2.45%～9.21%、0.50%～9.78%、0.59%～3.24%、4.59%～20.74%。比較模擬胃階段和腸階段可明顯看出，研究區(qū)域土壤重金屬在胃消化階段相對(duì)于腸消化階段均顯示出較高的生物可給性，主要與胃部呈酸性環(huán)境有關(guān)系，在體外模擬腸消化階段的消化液呈堿性，使原本在胃中有較高生物可給性的重金屬元素的生物可給性下降，導(dǎo)致重金屬的生物可給性在2個(gè)階段消化結(jié)果呈現(xiàn)較大的差異。

2.3通過土壤—人的途徑而攝入重金屬的量

據(jù)研究，兒童和成人無意識(shí)地經(jīng)口攝入的土壤分別達(dá)005、0.2 g/d[23]。長(zhǎng)期攝入重金屬污染的土壤，經(jīng)過人體的吸收和累積，會(huì)對(duì)成人和兒童的身體健康產(chǎn)生不良影響。因此，本研究采用重金屬攝入量來評(píng)價(jià)口腔—人途徑所導(dǎo)致的健康風(fēng)險(xiǎn)。表3是成人和兒童通過土壤—人途徑而攝入重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的量。本研究只考慮Pb和Cd的每周可耐受性攝入量（PTWI），世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）提出Cd的每周可耐受攝入量為7.00 μg/kg（BW），Pb的PTWI分別為50 μg/kg（BW，成人）、25 μg/kg（BW，兒童）[26-28]。對(duì)于體質(zhì)量為60 kg的成人來說，Cd的攝入量不能超過 60.00 μg/d，Pb的攝入量不能超過 428.57 μg/d；兒童按照30 kg來說，Cd的攝入量不能超過30.00 μg/d，Pb的攝入量不能超過107.14 μg/d。

由表3可知，成人通過土壤—人途徑日攝入重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的含量范圍分別為1.81～1.93、33.29～42.41、36.94～68.16、0.06～0.10 μg/d。與PTWI相比，研究區(qū)域的成人通過土壤—人途徑而攝入重金屬Pb和Cd的量沒有超過WHO提出的Pb和Cd的每日可耐受量。兒童通過土壤—人途徑日攝入重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的含量范圍分別為 7.24～7.73、133.17～169.64、147.74～272.65、0.28～0.40 μg/d。與PTWI相比，研究區(qū)域的兒童通過土壤—人途徑而攝入Cd的量沒有超過PTWI，而攝入Pb的量已經(jīng)明顯超過WHO提出的每日可耐受量，說明研究區(qū)域土壤中Pb對(duì)當(dāng)?shù)貎和慕】稻哂休^大的潛在風(fēng)險(xiǎn)，其他重金屬攝入量均低于相應(yīng)的限量值，但通過土壤—人途徑的攝入量會(huì)增加人體對(duì)土壤中重金屬攝入的總量，同時(shí)風(fēng)險(xiǎn)的總量一并增加。

2.4不同消化階段土壤中重金屬的生物可給量

人體消化道對(duì)食物的吸收功能主要體現(xiàn)在小腸階段，對(duì)于土壤而言，在整個(gè)體外模擬消化試驗(yàn)中，土壤重金屬在腸中的有效比例相對(duì)于胃中比例占有極其重要的地位。其結(jié)果可以有效地表達(dá)經(jīng)口腔攝入土壤中重金屬的生物可給量，或者理解為可能被機(jī)體吸收的最大量。盡管生物可給量還不能完全解釋最后被小腸吸收進(jìn)入人體循環(huán)的實(shí)際量，但可以作為健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的參考依據(jù)。表4是體外模擬消化方法不同消化階段研究區(qū)域土壤中重金屬Cu、Zn、Pb和Cd的生物可給量。在模擬成人胃腸階段，研究區(qū)域土壤中Cu、Zn、Pb、Cd的生物可給量平均為0.23、6.43、4.51、0.04 μg/d 和0.09、180、0.79、0.01 μg/d，與PTWI相比，研究區(qū)域的成人通過土壤—人途徑而攝入重金屬Pb和Cd的量沒有超過WHO提出的Pb和Cd的每日可耐受量。在模擬兒童胃腸階段，研究區(qū)域土壤中Cu、Zn、Pb、Cd的生物可給量平均為0.92、25.71、

18.02、0.15 μg/d和0.35、7.19、3.16、0.04 μg/d，與PTWI相比，研究區(qū)域的兒童通過土壤—人途徑而攝入重金屬Pb和Cd的量同樣沒有超過WHO提出的Pb和Cd的每日可耐受量。重金屬Pb和Cd生物可給量數(shù)據(jù)均低于相應(yīng)的限量值，但通過土壤—人途徑的攝入量會(huì)增加人體對(duì)土壤中重金屬攝入的總量，同時(shí)風(fēng)險(xiǎn)總量一并增加。

3結(jié)論

研究區(qū)域土壤呈酸性，重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的平均含量分別為37.25、764.46、1 000.33、1.40 mg/kg，除Cu外，Pb、Cd和Zn的含量均高于廣西土壤背景值及國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。研究區(qū)域土壤重金屬在胃消化階段相對(duì)于腸消化階段均顯示較高的生物可給性，在模擬胃階段和腸階段，研究區(qū)域土壤中重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的生物可給性分別是659%～15.60%、5.64%～23.17%、6.86%～12.12%、34.51%～61.28%和2.45%～9.21%、0.50%～9.78%、0.59%～3.24%、4.59%～20.74%。成人和兒童日攝入重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的含量范圍分別為1.81～1.93、33.29～4241、36.94～68.16、0.06～0.10 μg/d和7.24～7.73、13317～169.64、147.74～272.65、0.28～0.40 μg/d。與PTWI相比，研究區(qū)域的兒童攝入Pb的量已經(jīng)明顯超過WHO提出的每日可耐受量，說明重金屬Pb對(duì)當(dāng)?shù)貎和慕】稻哂休^大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。成人在模擬胃腸階段，研究區(qū)域土壤中Cu、Zn、Pb、Cd的生物可給量平均為0.23、6.43、4.51、0.04 μg/d 和0.09、1.80、0.79、0.01 μg/d，兒童分別是0.92、25.71、18.02、0.15 μg/d和0.35、7.19、3.16、0.04 μg/d，研究區(qū)域的成人和兒童攝入重金屬的生物可給量均沒有超過WHO提出的每日可耐受量，但通過土壤—人途徑的攝入量會(huì)增加人體對(duì)土壤中重金屬攝入的總量，同時(shí)風(fēng)險(xiǎn)總量一并增加。

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