土壤中銅的生物可給性及其對人體的健康風險評價

尹乃毅，羅 飛，張震南，王姣姣，王振洲，蔡曉琳，宋 靜，崔巖山,*

1. 中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京 1000492. 中國科學院南京土壤研究所，南京210008

土壤中銅的生物可給性及其對人體的健康風險評價

尹乃毅1，羅 飛2，張震南1，王姣姣1，王振洲1，蔡曉琳1，宋 靜2，崔巖山1,*

1. 中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京 1000492. 中國科學院南京土壤研究所，南京210008

為了研究土壤中銅的生物可給性與土壤理化性質(zhì)之間的相互關(guān)系以及人體無意攝入土壤銅的風險，采集我國一些地區(qū)的15個土壤樣品，利用invitro方法研究了這些土壤中銅的生物可給性及其對人體的健康風險。結(jié)果表明，有2個土壤樣品中銅的含量高過我國土壤環(huán)境質(zhì)量標準的三級標準，有8個土壤樣品中銅的含量高過二級標準；土壤中銅的溶解態(tài)濃度及其生物可給性變化很大，胃腸階段銅的溶解態(tài)含量分別為5.2～308.8 mg·kg-1和5.9～348.5 mg·kg-1，平均值分別為74.8 mg·kg-1和82.0 mg·kg-1；而銅的生物可給性分別為18.3%～66.6%和21.3%～77.4%，平均值分別為44.2%和51.1%。胃階段銅的生物可給性與土壤有機質(zhì)和pH呈顯著正相關(guān)，而與粘粒呈顯著負相關(guān)，與鐵鋁氧化物有顯著相關(guān)性；小腸階段銅的生物可給性與土壤有機質(zhì)和pH呈顯著正相關(guān)，與土壤中總銅和錳氧化物含量呈顯著負相關(guān)。如以胃階段為判斷，無意攝入土壤中銅對兒童的TDI(tolerable daily intake)貢獻率除浙江富陽為2.51%外，有12個土壤樣品低于1.00%，最低為0.11%。如以小腸階段為判斷，無意攝入土壤中銅對兒童的TDI貢獻率除浙江富陽和浙江臺州的土壤分別為2.83%和2.01%，另有12個土壤樣品低于1.00%?？梢?，對于本研究中大多數(shù)土壤，通過口部無意攝入土壤中銅的對人體并沒有很高的風險。

土壤；銅；生物可給性；口部攝入；健康風險

銅是人類身體的必需元素，一旦缺乏會造成人類生理功能的障礙。而過量銅可能危害人類健康，引發(fā)癌癥等其它疾病[1]。過去50年中，排放到全球環(huán)境中的Cu的量大概是9.139×108t[2]，其中大部分進入土壤，世界各國土壤出現(xiàn)了不同程度的銅污染，中國土壤銅污染問題日益嚴重[3]。土壤中金屬元素進入人體的途徑包括食物鏈、無意口部攝入、呼吸和皮膚接觸等，其中食物鏈途徑是土壤金屬元素進入人體的主要途徑[4]，而無意口部攝入的銅污染土壤對人體，特別是對兒童體內(nèi)總銅攝入量的貢獻率越來越高，甚至成為主要途徑。因此，研究人體，特別是兒童通過無意口部攝入土壤銅的量對其總銅攝入量的貢獻率具有重要的科學意義。目前，在人體健康風險評價中，研究者主要通過動物實驗(invivo，測定生物有效性)和體外實驗(invitro，測定生物可給性)進行評估。但動物實驗存在著費用高、試驗周期長、動物的個體差異等一些不足。相對而言，invitro方法因操作簡單、費用低、結(jié)果較為準確等優(yōu)點而受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[5]。Invitro實驗結(jié)果反映的是土壤中銅的生物可給性(bioaccessibility)，即土壤中的銅直接進入人體的消化系統(tǒng)并可以被人體胃腸道溶解的部分[6]，這是人體對土壤銅可能吸收的最大量。目前，國內(nèi)外對土壤銅生物可給性的研究主要集中于生物可給性的方法、影響因素及其在人體健康風險評價等方面[7-9]。但我國對土壤中銅生物可給性方面的研究較少，特別是缺乏土壤銅生物可給性與土壤理化性質(zhì)之間的相互關(guān)系以及無意攝入土壤銅對人體健康風險的系統(tǒng)研究。

本研究將采集我國一些地區(qū)銅污染的土壤，利用invitro方法分析這些土壤中銅的生物可給性，進一步系統(tǒng)探討土壤理化性質(zhì)對銅生物可給性的影響，并分析其相關(guān)性。同時利用生物可給性結(jié)果評估土壤銅的無意口部攝入量對人體中銅的攝入總量的貢獻率。研究結(jié)果將對污染土壤中銅的生物可給性及其對人體的健康風險評價起到一定的推動作用，也將為制定防治土壤銅中毒的相關(guān)標準和法規(guī)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 土 壤

研究所用的15個土壤，分別采自我國不同地區(qū)的農(nóng)田和礦區(qū)。土壤樣品采集后風干，過20目、60目及100目篩，分別保存以備用，其中過20目、100目篩土壤用于土壤基本理化性質(zhì)分析，過60目篩土壤用于土壤中金屬含量的分析和invitro實驗。

1.2 土壤理化性質(zhì)

土壤pH值：采用水提法，土液比為1:2.5，pH計(METTLER TOLEDO SG，CH)測定[10]；土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法[11]；粒度采用激光粒度儀測定(Mastersizer 2000，Malvern，UK)；土壤無定形鐵錳鋁氧化物采用草酸-草酸銨提取法[12]；土壤金屬總量采用王水、HClO4消解[13]，消煮樣品中包括試劑空白和標準土壤樣品(GSS-5中國地質(zhì)樣品分析研究中心)，用以證實消解及分析過程中的準確性和精度。土壤銅總量和模擬胃腸液樣品中銅含量的測定儀器為ICP-OES(OPTIMA5300DV，Perkin-Elmer Co，USA)。

1.3invitro實驗

本研究使用的invitro實驗方法主要采用Ruby等[14]提出的PBET方法，并參考Rodriguez等[15]提出的IVG方法進行了改進。它由2個連續(xù)的階段組成，即胃階段和小腸階段，具體操作步驟如下：

(1)胃階段配制模擬胃液(內(nèi)含NaCl、檸檬酸、蘋果酸、乳酸、冰乙酸、胃蛋白酶等，并用濃鹽酸將pH值調(diào)為1.5)，將模擬胃液(mL)及過60目篩的土壤樣品(g)以100:1的比例混合于反應器內(nèi)，每種土壤2個平行，置于37℃恒溫溶出儀中以模擬人體溫度，以100 r·min-1振蕩，同時通入氬氣1 L·min-1模擬胃腸的厭氧環(huán)境。1 h后吸取5 mL反應液，過0.45 μm濾膜，4℃保存待測。

(2)小腸階段用NaHCO3粉末將反應液pH調(diào)至7.0，加入胰酶、膽鹽，繼續(xù)置于37℃恒溫溶出儀中，以100 r·min-1振蕩，通入1 L·min-1氬氣。其間，每隔15 min左右測定反應液pH值，若偏離7.0，則用濃HCl和NaHCO3飽和溶液調(diào)節(jié)使其維持在7.0±0.1。4 h時吸取5 mL反應液，過0.45 μm濾膜，4℃保存待測。

1.4 結(jié)果計算

(1)生物可給性

在胃階段或小腸階段的生物可給性可由下式計算：

BA (%) = (c×V)/(M×T)×100%

式中，BA為土壤金屬元素的生物可給性(%)；c為invitro實驗胃階段或小腸階段反應液中金屬的可溶態(tài)含量(mg·L-1)；V為各反應器中反應液的體積(L)；T為土壤金屬元素的總量(mg·kg-1)；M為反應器中的土壤的質(zhì)量(kg)。

(2)口部攝入土壤銅對人體總銅的貢獻率

WHO建議銅的每日允許攝入量(tolerabledaily intake，TDI)為0.16mg·(kg·d)-1[16]。兒童和成人的無意口部攝入土壤量按200mg計算[17]；兒童體重按衛(wèi)生部全國第四次兒童體格發(fā)育調(diào)查報告中2～6歲兒童平均體重(15.4kg),成人(男子)56kg計算[18].即無意口部銅攝入對人體銅的TDI貢獻率(%)=(模擬胃或小腸中銅溶解態(tài)含量×攝入土壤量)/(體重×TDI值)×100%。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

采用SPSS18(IBM)和Excel 2010對數(shù)據(jù)進行分析。

2 結(jié)果與分析(Results and analysis)

2.1 土壤樣品的基本屬性

所采集的土壤的基本理化性質(zhì)和土壤中銅的含量有很大的變化范圍(表1)。pH值范圍為3.34～7.66，包括了4種強酸性土壤(pH<5.0)，4種酸性土壤(pH 5.0～6.5)，5種中性土壤(pH 6.5～7.5)，2種堿性土壤(pH7.5～8.5)[19]。有機質(zhì)含量范圍為0.90%～5.00%，大部分土壤都低于4.00%；粘粒含量范圍為0.4%～34.8%。鐵、錳、鋁氧化物的含量分別為0.8～67.2 g·kg-1，0.03～9.83 g·kg-1，0.55～21.40 g·kg-1。銅含量范圍為26.4～650.1 mg·kg-1，根據(jù)我國土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB 156182-1995)[20]，有2個土壤樣品中銅含量高過三級標準，有8個土壤樣品中銅的含量高過二級標準。

表1 土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic characteristics of the soils

續(xù)表1

9遼寧大連LiaoningDalian礦區(qū)Mining1.513.460.428.20.033.61226.410浙江上虞ZhejiangShangyu農(nóng)田Farmland2.297.371.75.20.320.5534.611浙江臺州ZhejiangTaizhou農(nóng)田Farmland4.294.9218.95.30.071.02650.112浙江富陽ZhejiangFuyang農(nóng)田Farmland4.837.6619.42.60.121.02495.813廣西平果GuangxiPingguo農(nóng)田Farmland2.813.3451.19.839.6770.314云南昆明YunnanKunming農(nóng)田Farmland2.935.2432.167.27.3221.4047.115云南楚雄YunnanChuxiong農(nóng)田Farmland4.876.331.326.34.005.3028.3

2.2土壤中銅的溶解態(tài)及其生物可給性

土壤中銅的溶解態(tài)含量及其生物可給性變化很大，胃階段銅的溶解態(tài)含量為5.2～308.8mg·kg-1，平均值為75.3mg·kg-1，銅的生物可給性為18.3%～66.6%，平均值為45.3%；小腸階段銅的溶解態(tài)含量為5.9～348.5mg·kg-1，平均值82.5mg·kg-1，銅的生物可給性為21.3%～77.4%，平均值為52.1% (表2)。

表2 土壤中銅的溶解態(tài)及生物可給性(n=2)Table 2 Dissolved copper and bioaccessibility of soil copper (n=2)

2.3 各因素間關(guān)系分析

對土壤樣品的基本理化性質(zhì)、土壤中銅的溶解態(tài)含量和銅的生物可給性進行了pearson相關(guān)性分析，各因素相關(guān)系數(shù)見表3?？梢?，模擬胃腸液中銅的溶解態(tài)濃度與土壤總銅的含量有極顯著相關(guān)性，胃階段銅的生物可給性與土壤pH、有機質(zhì)、鐵鋁氧化物均有顯著相關(guān)性，而小腸階段銅的生物可給性與土壤有機質(zhì)呈極顯著相關(guān)性。同時，對土壤樣品的基本理化性質(zhì)和銅的生物可給性進行了多元逐步回歸分析，結(jié)果為：

G-BA=-14.759+10.645OM-0.754Clay+5.258pH (r2=0.81)

I-BA=3.180+10.691OM-0.040T-Cu+3.885pH-2.099Mno (r2=0.80)

由回歸方程式可以看出，在胃階段，生物可給性與土壤有機質(zhì)和pH呈顯著正相關(guān)，而與粘粒呈顯著負相關(guān)；在小腸階段，生物可給性與土壤有機質(zhì)和pH呈顯著正相關(guān)，與土壤中總銅和錳氧化物含量呈顯著負相關(guān)。

2.4 風險預測

利用土壤中銅的溶解態(tài)濃度、人體可能攝入的土壤量、人體的體重及WHO建議銅的每日允許攝入量進行計算分析，得出人體無意從土壤中攝取的銅對人體銅TDI的貢獻率(表4)。從表4中可見，如以胃階段為判斷，無意攝入土壤中銅對兒童的TDI貢獻率除浙江富陽為2.51%外，其它都低于2.00%，有12個土壤樣品低于1.00%，最低為0.11%。無意攝入土壤中銅對成人的TDI貢獻率除浙江富陽和浙江臺州的土壤分別為0.69%和0.51%外，其它的土壤樣品均低于0.30%。如以小腸階段為判斷，無意攝入土壤中銅對兒童的TDI貢獻率除浙江富陽和浙江臺州的土壤分別為2.83%和2.01%，另有11個土壤樣品高于1.00%。對于成人，除浙江富陽土壤為0.78%，有6個土壤樣品低于0.10%。

表3 各因素之間的相關(guān)性Table 3 Correlations matrix for the factors

注:**: 極強相關(guān)性(p<0.01); *: 強相關(guān)性(p<0.05)。
Note:**: pole strong correlation(p<0.01); *: strong correlation(p<0.05).

表4 兒童和成人在胃腸階段可能攝入的銅對銅每日允許攝入量的貢獻率/%Table 4 Contribution of children and adults up take from soils to TDI/%

3 討論(Discussion)

3.1 土壤中銅的溶解態(tài)含量及其生物可給性

3.2 無意攝入土壤中的銅對人體的健康風險

口部無意攝入的土壤重金屬對人體的健康風險受到越來越多的關(guān)注。生物可給性已成為研究土壤中重金屬對人體健康風險的重要方法之一。但目前還沒有針對無意口部攝入土壤中重金屬的允許劑量(或建議攝入劑量)，因此，大多數(shù)的研究是用無意攝入土壤中的重金屬與人體允許攝入劑量(或建議攝入劑量)進行比較。EPA[29]研究發(fā)現(xiàn)，2～6歲兒童每日無意口部攝入土壤量為100 mg，而Ljung等[30]研究了兒童攝入不同土壤量(200 mg、400 mg和10 g)后，鎘對兒童每日允許攝入量的貢獻率，崔巖山等[31]研究污染土壤對我國兒童的健康風險評價時選定每日土壤攝入量為200 mg。Boisa等[21]發(fā)現(xiàn)，土壤中銅對TDI的貢獻率很低，對兒童的健康危害風險較低。Okorie等[22]研究了灰塵中銅的生物可給性，并以每日可能攝入100 mg土壤評價無意攝入土壤銅對兒童的健康風險，結(jié)果顯示其對TDI的貢獻率最高達到了5.00%。由于兒童每日對土壤的攝入量受多種條件的影響，各研究所采用的土壤攝入量不同，導致結(jié)果差異很大。本研究所采用的兒童每日攝入的土壤量為200 mg，通過利用模擬胃和小腸液中銅的溶解量分析可以看出，除了浙江臺州和富陽的土壤中銅的含量很高，從而使得其對成人和兒童銅的每日允許攝入量的貢獻率較高外，其它土壤樣品中對TDI的貢獻率都低于1.00%，甚至有些土壤低于0.10%。采自內(nèi)蒙古赤峰礦區(qū)的土壤雖然銅的總量達到了390.9 mg·kg-1，但由于其生物可給性較低，故其對人體銅的每日容許攝入量的貢獻率較低。這表明，對于本研究中大多數(shù)土壤，通過口部無意攝入的土壤中銅對人體并沒有很高的風險。只有銅含量較高，且具有較高的生物可給性的土壤，才會對人體健康產(chǎn)生很大的風險.

綜上所述，(1)采集的15個土壤樣品，有2個土壤樣品中銅的含量高過我國土壤環(huán)境質(zhì)量標準的三級標準，有8個土壤樣品中銅的含量高過我國土壤環(huán)境質(zhì)量標準的二級標準。土壤中銅的溶解態(tài)及其生物可給性的值變化范圍很大，模擬胃腸液中銅的溶解態(tài)含量與總銅含量有顯著相關(guān)性，胃階段銅的生物可給性與土壤有機質(zhì)和pH呈顯著正相關(guān)，而與粘粒呈顯著負相關(guān)，與鐵鋁氧化物有顯著相關(guān)性；小腸階段銅的生物可給性與土壤有機質(zhì)和pH呈顯著正相關(guān)，與土壤中總銅和錳氧化物含量呈顯著負相關(guān)。(2)浙江富陽的土壤對兒童銅的TDI貢獻率最高，在胃和小腸階段分別為2.51%和2.83%，有12個土壤對兒童銅的TDI貢獻率在胃腸階段都低于1.00%。對于本研究中大多數(shù)土壤，通過口部無意攝入土壤中銅的對人體并沒有很高的風險。

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BioaccessibilityofSoilCopperandItsHealthRiskAssessment

Yin Naiyi1, Luo Fei2, Zhang Zhennan1, Wang Jiaojiao1, Wang Zhenzhou1, Cai Xiaolin1, Song Jing2, Cui Yanshan1,*

1. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 1000492. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008

14 April 2014accepted9 June 2014

Fifteen soil samples were collected from typical sites in China to study the bioaccessibility of soil copper (Cu) based on the PBET (physiologically based extraction test) method. The relationship between the soil properties and the bioaccessibility as well as the health risk assessment of the oral ingestion soil was also investigated. The results showed that comparing with Chinese environmental quality standard for soils, the concentrations of Cu in two soil samples were higher than the third standard (<400 mg·kg-1) and the concentrations in eight soil samples exceeded the secondary standard (<50 mg·kg-1, pH<6.5; <100 mg·kg-1, 6.57.5). The high variability of dissolved and bioaccessible Cu of soils were observed. The concentrations of bioaccessible Cu ranged from 5.2-308.8 mg·kg-1with a mean of 74.8 mg·kg-1in the gastric phase and 5.9-348.5 mg·kg-1with a mean of 82.0 mg·kg-1in the small intestinal phase. The Cu bioaccessibility ranged from 18.3%-66.6% with a mean of 44.2% in the gastric phase and 21.3%-77.4% with a mean of 51.1% in the small intestinal phase. The significant positive correlations between the Cu bioaccessibility with soil pH, organic matter were observed in the gastrointestinal phase. The negative correlations with clay in the gastric phase and with the concentrations of Cu and Mn-oxide in the small intestinal phase were observed. For children, the highest contribution of the oral ingestion soil Cu to the tolerable daily intake (TDI) that estimated by WHO was 2.51% in the gastric phase and 2.83% in the small intestinal phase, but the contribution rate of 12 soil samples was lower than 1.00% in the gastrointestinal phase. The health risk from the oral ingestion of soil Cu was low in most of collected soil samples.

soil; copper; bioaccessibility; oral ingestion; health risk

2014-04-14錄用日期：2014-06-09

1673-5897(2014)4-670-08

： X171.5

： A

崔巖山(1972—)，男，博士，教授，主要研究方向為重金屬污染控制及其對人體健康風險，發(fā)表學術(shù)論文60余篇。

國家自然科學基金(No. 41271493)

尹乃毅(1988-)，男，碩士研究生，研究方向為重金屬對人體健康評價，E-mail: yinnaiyi12@mails.ucas.ac.cn

*通訊作者(Corresponding author)，E-mail: cuiyanshan@ucas.ac.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20140414002

尹乃毅，羅 飛，張震南, 等. 土壤中銅的生物可給性及其對人體的健康風險評價[J]. 生態(tài)毒理學報, 2014, 9(4): 670-677

Yin N Y, Luo F, Zhang Z N, et al. Bioaccessibility of soil copper and its health risk assessment [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2014, 9(4): 670-677 (in Chinese)