土壤和灰塵中銅鋅鉛生物可接受性的體外消化方法研究.pdf

1、為了快速而可靠地對土壤/灰塵中重金屬的健康風險進行評價，模擬人體消化過程的體外消化實驗在過去的二十多年里得到了快速的發(fā)展，并被廣泛地應用于土壤/灰塵中重金屬生物可接受性的測定。土壤/灰塵中重金屬的生物可接受性指的是土壤/灰塵中重金屬在人體模擬消化液中的溶解度。至今為止，雖然提出和發(fā)展了許多體外消化方法，但仍沒有建立一種通用的體外消化方法。不同設計的體外消化方法在消化物質組成和操作上都存在較大的差異，這不僅使得不同體外消化方法的結果缺乏可

2、比性，也造成了對體外消化方法選擇和使用的隨意性，體外消化方法研究的最終目的是完成體外消化方法的統(tǒng)一化、標準化，并使之能在實際應用中被廣泛地接受和推廣。為了能最終實現(xiàn)這一目標，在目前的研究階段需要完成的工作主要有:1）明確體外消化方法組成（如腸相消化、消化酶）的作用、意義及其對結果的影響，為體外消化方法的選擇和使用提供理論參考和指導;2）研究重金屬體外消化方法和其它污染評價方法的差異及聯(lián)系，豐富重金屬生物可接受性的內涵和意義;3）發(fā)展和推

3、廣體外消化方法，擴大體外消化方法在實際應用中的影響和范圍。
　　 本研究選擇了三種較為常用但設計不同的體外消化方法:SBET法(SimpleBioaccessibility Extraction Test)、PBET法(Physiologically Based Extraction Test)和SGET法（Simple Gastrointestinal Extraction Test）。SBET法是一個僅由胃相消化組成，且不添

4、加胃蛋白酶的體外消化方法。PBET法是一個由胃腸液消化組成，且添加了所有消化酶（胃蛋白酶、膽汁鹽和胰液素）的體外消化方法。SGET法則是一個由胃腸相消化組成，但僅添加了胃蛋白酶，沒有添加腸酶（膽汁鹽和胰液素）的體外消化方法。在研究中選取了3種性質差異較大的土壤，比較了三種方法對土壤Cu、Zn和Pb提取能力的差異，探討體外消化方法的不同設計，即有無腸相消化、是否添加消化酶（胃酶:胃蛋白酶;腸酶:膽汁鹽和胰液素）等對結果的影響，對腸相消化和

5、消化酶在體外消化方法中的意義和作用進行了討論，明確了土壤中Cu、Zn和Pb適用的體外消化方法類型。在此基礎上，選擇PBET法作為同時測定土壤中Cu、Zn和Pb生物可接受性的方法，比較了PBET法與六種常用單一提取劑法（0.1 M HNO3、0.4 M HOAc、0.1 M NaNO3、0.01 MCaCl2、0.05 M EDTA和0.5 M DTPA）對土壤中Cu、Zn和Pb的釋放效果，探討了土壤重金屬生物可接受性和植物有效性整合的可

6、能性?？紤]到PBET法胃液組成成分在提取土壤重金屬功能上的相似，對PBET法胃液中成分（檸檬酸鈉、蘋果酸鈉、醋酸和乳酸）在提取土壤Cu、Zn和Pb中的作用進行了分析討論，并對簡化PBET法消化液組成的可能性進行了驗證。最后，應用PBET法對杭州城市土壤和街道灰塵中Cu、Zn和Pb的生物可接受性及對人體的健康風險進行了評價。本研究主要得到以下結果:
　　 (1)三種體外消化方法（SBET、PBET和SGET法）對土壤重金屬的提取能

7、力有顯著差異，僅由胃相消化組成的SBET法對土壤Zn和Pb的提取效率最高，且在PBET法和SGET法中，土壤Zn和Pb在胃腸相中提取量遠低于其在相應胃相中的提取量。研究表明，消化液pH值是影響土壤中Zn和Pb生物可接受性的主要因素，當土壤經過酸性胃相消化進入中性腸相后，在胃液中已經溶解的Zn和Pb會因pH的升高而發(fā)生沉淀，降低溶解度，所以土壤中Zn和Pb的胃相消化結果代表了其在消化道中的最大溶解度。但由于消化酶的作用，在PBET法和SG

8、ET法中，從胃液進入腸液后，土壤Cu的溶解度不但不一定降低，甚至有可能升高，所以土壤Cu的胃相消化結果不能代表其在消化道中的最大溶解度。由此可知，出于保護和預防的目的，在土壤重金屬生物可接受性評價中，可以使用僅由胃相消化組成的體外消化方法（如SBET法）對土壤中Zn和Pb的生物可接受性進行測定，但對土壤Cu，則應選擇由胃腸相消化組成，且添加了消化酶的體外消化方法（如PBET法）進行測定.
　　 (2)為了揭示消化酶（胃蛋白酶、膽

9、汁鹽和胰液素）在體外消化方法釋放土壤重金屬中的作用，分別比較了三種體外消化方法（SBET、PBET和SGET法）中添加消化酶和不添加消化酶時，土壤重金屬提取量的差異。結果表明，對于重金屬的提取量而言，在三種方法中，與沒有添加消化酶的結果相比，消化液中添加消化酶后，土壤重金屬的提取量增加、降低或不變。這主要與消化酶與金屬離子的反應有關:消化酶與金屬離子的結合可以促進和保持土壤重金屬的溶解，但另一方面，消化酶與金屬離子的結合可能會促使消化酶

10、發(fā)生沉淀，從而使與之結合的金屬離子也變得不溶，所以消化酶對土壤重金屬在消化液中溶解性的影響主要取決于消化酶提取的土壤重金屬與隨消化酶沉淀的重金屬之間的差值.除此之外，消化酶在消化液中的作用因方法的不同而有所差異:PBET法中添加消化酶（胃蛋白酶、膽汁鹽和胰液素）能保持或提高土壤Cu在胃腸液中的溶解度;SGET法中同時添加了胃酶和腸酶時，其結果更能體現(xiàn)土壤和元素類型、性質的差異。由于消化酶對土壤重金屬提取量的影響主要表現(xiàn)在腸液中，所以消化

11、酶添加在由胃腸液組成的體外消化法（如PBET和SGET法）中是必不可少的，但對于僅有胃相消化組成的體外消化方法（SBET法），胃蛋白酶添加并不是必須的。
　　 (3)通過與六種常用單一提取劑法（0.1 MHNO3、0.4 M HOAc、0.1MNaNO3、0.01 M CaCl2、0.05 M EDTA和0.5 M DTPA）結果的比較發(fā)現(xiàn)，PBET法對土壤Cu、Zn和Pb的提取能力較強，其對土壤重金屬的提取效率明顯高于中性鹽提

12、取，且與稀酸和絡合劑提取相近。由相關分析可知，PBET法胃相和胃腸相對土壤Cu和Pb的提取量與土壤粘粒呈顯著負相關，與土壤全P、全K、全Mg、全Ca及相應的重金屬全量呈顯著正相關;PBET法胃相和胃腸相對土壤Zn的提取量則與土壤全Fe、全Zn呈顯著正相關。多元逐步線性回歸分析表明，土壤中Cu、Zn和Pb的全量很好地解釋了PBET法胃液和胃腸液中土壤Cu、Zn和Pb的溶解性，且土壤重金屬在PBET法胃腸液中的溶解度在很大程度上取決于土壤重

13、金屬在胃液中的提取量;但和胃液消化結果相比，PBET法胃腸液的消化結果更能體現(xiàn)土壤和元素類型、性質的差異:生物可接受態(tài)土壤Cu、Zn和Pb在PBET法胃相消化中的變異系數(shù)分別是70.4％、80.1％和119.9％，但腸相消化結束后它們的變異系數(shù)分別增加到了71.7％、91.8％和128.7％。在六種常用的單一提取劑中，EDTA的提取能力和PBET法相似，而且其提取結果和PBET法一樣，都能被土壤中重金屬全量很好地解釋，因此，在某種程度上

14、來說，PBET法和EDTA對土壤Cu、Zn和Pb的提取結果同時代表了土壤Cu、Zn和Pb的植物有效性和生物可接受性。
　　 (4)對PBET法胃液中成分（1.25 g胃蛋白酶、0.50g檸檬酸鈉、0.50g蘋果酸鈉、500μl醋酸和420μl乳酸）在提取土壤重金屬中的作用進行了研究，以PBET法原始胃液為對照，比較了在胃液pH值一定的條件下，消化液中僅分別含有1.25 g胃蛋白酶、0.50 g檸檬酸鈉、0.50 g蘋果酸鈉、50

15、0μl醋酸和420μl乳酸時，土壤重金屬提取量的變化情況。結果表明，PBET法原始消化液的提取能力最強，其次是僅含有檸檬酸鈉的消化液。對PBET法原始消化液的提取過程進行分析:溶液中金屬離子優(yōu)先與分子量較小的有機酸，如乳酸或醋酸，結合形成復合物，當消化液中游離的小分子有機配合體大量減少時，檸檬酸才能與金屬離子結合形成復合物。因此，檸檬酸鈉有可能通過逐步多級電離的方式模擬PBET法原始消化液中有機酸（蘋果酸、醋酸、乳酸）對土壤中重金屬的提

16、取作用。對PBET法消化液進行簡化，即胃液中僅含1.25 g胃蛋白酶和1.0 g檸檬酸鈉，發(fā)現(xiàn)PBET法簡化消化液的結果并不能完全代替PBET法原始消化液的提取結果，因為:對某一具體的土壤而言，簡化消化液的提取量與原始消化液的提取量之間存在一定的差異。如果使用PBET法簡化消化液對某一具體的土壤中重金屬的健康風險進行評估，其結果可能存在較大偏差;而且，土壤Cu、Zn和Pb在PBET法原始消化液中的結果更能體現(xiàn)土壤間性質的差異。但回歸分析

17、表明，土壤中Cu、Zn和Pb在PBET法簡化消化液中提取量與他們在PBET法原始消化液中提取量的相關系數(shù)分別為0.968、0.977和0.977，呈顯著線性正相關。所以，PBET法簡化消化液對土壤Cu、Zn和Pb的提取結果可用于推測土壤Cu、Zn和Pb在PBET法原始消化液中的提取結果。
　　 (5)根據(jù)中國土壤環(huán)境質量二級標準，杭州城市土壤未被Cu污染，但Zn和Pb有不同程度的污染。杭州市街道灰塵中Cu、Zn和Pb的含量平均為

18、221.67、478.70和105.31 mg/kg，與文獻中報道的我國其他城市的街道灰塵中Cu、Zn和Pb的含量相比，杭州市街道灰塵中除Cu含量略有偏高以外，Zn和Pb的含量屬于一般水平。應用PBET法對杭州城市土壤和街道灰塵中Cu、Zn和Pb的生物可接受性進行了測定，并分別根據(jù)重金屬全量和PBET法對重金屬的提取量計算杭州城市土壤和街道灰塵的人體每日可攝入量限值，以兒童每人每日平均攝入0.208 g土壤/灰塵為參照，對杭州城市土壤和

19、街道灰塵中重金屬的人體健康風險進行了評估。結果表明:1）杭州城市土壤和街道灰塵中重金屬對人體健康風險的大小順序為Pb＞Cu＞Zn;2）根據(jù)PBET法對土壤中Cu、Zn和Pb的提取量，杭州城市土壤最低的人體每日攝入量限值分別為23.1 g（延安路）、84.5 g（杭鋼）和3.01 g（武林廣場）;3）根據(jù)PBET法對灰塵中Cu、Zn和Pb的提取量，人體每日灰塵攝入量限值最小的分別為25.64 g（鳳起路）、24.29 g（火車站）和3.3