某污染場(chǎng)地土壤重金屬生物可給性及其對(duì)修復(fù)目標(biāo)的影響研究

張 玉，熊 杰，唐翠梅，莊相寧，裴 宇

（1.北京建工環(huán)境工程咨詢有限責(zé)任公司；北京，100015；2.中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)，北京，100101）

由于早期生產(chǎn)方式過(guò)于粗放、環(huán)保措施不到位，重金屬污染是中國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的污染場(chǎng)地中較為典型的污染物。隨著國(guó)家退二進(jìn)三的策略，越來(lái)越多的重金屬污染場(chǎng)地轉(zhuǎn)換用途變?yōu)樯套∮玫?，需要?duì)其開展場(chǎng)地調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，確定其修復(fù)目標(biāo)值并根據(jù)需要開展一系列的修復(fù)治理工作[1]，以滿足場(chǎng)地后續(xù)安全使用的要求。

目前，人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程在計(jì)算暴露劑量時(shí)一般以土壤中重金屬總量為依據(jù)，即假設(shè)土壤中的重金屬在經(jīng)口攝入暴露途徑進(jìn)入人體后能夠完全被人體吸收[2]，進(jìn)而進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng)對(duì)人體造成危害。但越來(lái)越多的研究[3-7]表明，即使在酸性胃液條件下，重金屬也并不能完全從土壤中解吸進(jìn)入人體胃液，導(dǎo)致以土壤中重金屬總量進(jìn)行評(píng)估所獲取的結(jié)果非常保守，造成場(chǎng)地過(guò)度修復(fù)與資金浪費(fèi)。因此，越來(lái)越多的研究人員推薦采用模擬人體消化吸收過(guò)程的方法測(cè)試土壤中能夠溶解于胃腸系統(tǒng)的重金屬含量，即重金屬的生物可給性，并以此為基準(zhǔn)計(jì)算人體攝入量，這能在很大程度上克服現(xiàn)有評(píng)估方法過(guò)于保守的問(wèn)題。

生物可給性可以通過(guò)活體實(shí)驗(yàn)（in vivo）進(jìn)行，結(jié)果較為準(zhǔn)確、可靠，但具有試驗(yàn)周期長(zhǎng)，動(dòng)物個(gè)體間差異等不足之處[8]。而體外實(shí)驗(yàn)（in vitro）能夠一定程度評(píng)價(jià)生物體對(duì)物質(zhì)的吸收狀況，研究表明，采用體外實(shí)驗(yàn)（in vitro）方法測(cè)試的結(jié)果與動(dòng)物毒理試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的相關(guān)性很好[9]。In vitro 方法以人工模擬腸胃法為主，在模擬的人工腸胃系統(tǒng)中，將可能被血液系統(tǒng)吸收的污染物的含量定義為污染物的生物可給性（bioaccessibility）[10]，是污染物被生物可能吸收的最大值，并以此為基準(zhǔn)計(jì)算人體攝入量，這在很大程度上克服了現(xiàn)有評(píng)估方法過(guò)于保守的問(wèn)題[3-5]。

截至目前，已經(jīng)報(bào)道的基于模擬人體胃腸消化生理特征的重金屬可給性測(cè)試方法有10 種[11]，包括PBET、SBET、IVG、USP、MB&SR、DIN、SHIME、

RIVM、TIM 及UBM，其中PBET 方法最先由Ruby等[9]于1993 年提出，該方法依次模擬重金屬在胃及腸液中的釋放，發(fā)展較成熟，可操作性較強(qiáng)，已測(cè)試的污染物較多，且已通過(guò)相關(guān)的活體實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，是應(yīng)用最為廣泛的方法之一[12-15]。

本文以西南某鋼廠重金屬污染土壤為例，采用PBET 方法研究污染土壤中重金屬的生物可給性，分析土壤樣品主要理化性質(zhì)對(duì)生物可給性的影響。同時(shí)利用得到的生物有效性系數(shù)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估確定的修復(fù)目標(biāo)值進(jìn)行進(jìn)一步的修正，為該場(chǎng)地后續(xù)相關(guān)工作的開展起到指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

該實(shí)驗(yàn)所用的土壤來(lái)自于西南某關(guān)閉待搬遷鋼廠受重金屬（As、Pb、Cu、Ni）污染的土壤。采集完畢后，將土樣置于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干后，用瑪瑙輾缽將土壤碾碎并過(guò)0.25 mm 篩，過(guò)篩后的土壤樣品一部分測(cè)定其基本理化性質(zhì)，另外的土壤用于測(cè)定其重金屬總量，并開展In Vitro 胃腸模擬實(shí)驗(yàn)。土壤樣品的基本理化性質(zhì)與重金屬含量見表1。

其中土壤pH 值采用0.01mol/L CaCl2溶液提?。ㄍ烈罕?∶2.5），pH 值 計(jì)測(cè)定[16]；土壤有機(jī)質(zhì)采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法測(cè)定[17]；土壤粒徑分級(jí)采用比重計(jì)法；土壤中重金屬總量測(cè)定采用王水-HClO4消解，并用ICP-MS 測(cè)定。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

In Vitro 實(shí)驗(yàn)采用Rubby[9]等提出的PBET 方法，分為模擬胃吸收與模擬腸吸收兩個(gè)連續(xù)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、醋酸和胃蛋白酶，用濃HCl 將pH 值調(diào)到1.5），將模擬胃液（mL）及過(guò)60 目篩的土壤樣品（g）以100∶1 的比例混合于反應(yīng)器內(nèi)，每種土壤3 個(gè)平行置于37 ℃恒溫?fù)u床中以模擬人體溫度，以振速100 r/min 振蕩，同時(shí)通入氬氣1 L/min 模擬厭氧環(huán)境。振蕩1 h 后吸取反應(yīng)液并過(guò)0.45 μm 濾膜，4 ℃保存待測(cè)重金屬濃度。

表1 土壤樣品的基本理化性質(zhì)與重金屬含量表

（2）小腸階段：用NaHCO3飽和溶液將反應(yīng)液的pH值調(diào)至8，加入胰酶、膽鹽，繼續(xù)置于37 ℃恒溫?fù)u床中，以100 r/min振蕩，通入1 L/min氬氣。期間，每隔15 min測(cè)定反應(yīng)液pH值，若偏離8.0，則通過(guò)滴加濃HCl或NaHCO3飽和溶液維持反應(yīng)液的pH值在8.0。振蕩4 h后，吸取反應(yīng)液，過(guò)0.45 μm濾膜，4 ℃保存待測(cè)重金屬濃度。

1.3 計(jì)算方法

（1）生物可給性計(jì)算

重金屬在胃階段或小腸階段的生物可給性BA計(jì)算見公式（1）

式中：BA—生物可給性，%；CIV—反應(yīng)液中可溶態(tài)重金屬濃度，mg/L；VIV—反應(yīng)液體積，L；CS—土樣重金屬總含量，mg/kg；MS—加入反應(yīng)液的土樣質(zhì)量，kg。

（2）風(fēng)險(xiǎn)控制值的計(jì)算

所在場(chǎng)地未來(lái)作為居住用地，在此情景下，重金屬的暴露途徑有經(jīng)口攝入、皮膚接觸和吸入土壤顆粒物3 種，各暴露途徑下的風(fēng)險(xiǎn)控制值計(jì)算采用中國(guó)《污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》（HJ 25.3-2014）中的方法進(jìn)行，暴露參數(shù)和毒性參數(shù)參考《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 36600-2018）中更新的參數(shù)，其余參考導(dǎo)則中的推薦參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

Pearson 相關(guān)性分析使用SPSS 24.0 分析軟件進(jìn)行，圖形制作使用Excel 2010。

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬生物可給性

土壤樣品中重金屬As、Pb、Cu、Ni 在胃階段和小腸階段的生物可給性結(jié)果分別見表2 和圖1?？梢钥闯觯词乖趶?qiáng)酸性的模擬胃腸消化液中，可溶出的重金屬也遠(yuǎn)小于其土壤中總含量，即表明污染土壤中的重金屬僅小部分可溶于胃腸中被人體吸收，這與已有研究結(jié)論[6，18]相一致。

表2 土壤中As、Pb、Cu、Ni溶解態(tài)及生物可給性

圖1 胃和腸階段As、Pb、Cu、Ni的生物可給性因子對(duì)比

另外，不同重金屬在胃階段和小腸階段的生物有效性因子存在較大差異，其中As 和Pb 在胃階段的生物可給性明顯高于小腸階段，這與已有研究結(jié)論[19-22]相一致。這主要是由于胃階段的pH 值較低，酸性條件有利于重金屬以離子形態(tài)溶出[23]，而重金屬?gòu)乃嵝晕鸽A段進(jìn)入微堿性的小腸液中，會(huì)發(fā)生沉淀或重吸收作用，導(dǎo)致生物可給性降低[24，25]。Cu 在胃階段的生物可給性低于小腸階段，這主要是由于Cu2+在與胃液中的胃蛋白酶形成較為穩(wěn)定的絡(luò)合物[26]，從而使得Cu2+在胃液中的溶液度低于腸液，生物可給性降低[27-29]。Ni 的生物有效性因子較其他3 種重金屬較低，且胃階段的生物有效性略低于小腸階段，這與李儀等[23]的研究結(jié)果相一致。

從分析結(jié)果可見，As、Pb 和Cu 的生物可給性明顯高于Ni。As 在胃階段的生物可給性因子為3.64%～12.44%，小腸階段的生物可給性因子為2.86%～14.00%。Pb 在胃階段的生物可給性因子為7.15%～19.59%，小腸階段的生物可給性因子為0.07%～0.77%。Cu 在胃階段的生物可給性因子為3.53%～9.70%，小腸階段的生物可給性因子為7.86%～16.61%。Ni 在胃階段的生物可給性因子為0.98%～4.18%，小腸階段的生物可給性因子為1.12%～4.58%。不同研究者采用PBET 方法得出的生物有可給因子有較大差異，如付瑾等[15]采用PBET方法計(jì)算紅壤中As 在胃階段生物可給因子為（4.5±2.6）%～（23.4±1.4）%，腸階段的生物可給性因子（0.9±0.1）%～（17.8±2.1）%。陳曉晨[21]研究城市表層與城市道路較為接近區(qū)域的土壤中鉛在胃階段的生物可給性為28.83%～60%，小腸階段的可給性因子6.86%～26.63%。Piggio 等[29]研究發(fā)現(xiàn)意大利某區(qū)域土壤中Cu 的生物可給性從胃階段的20%上升到小腸階段的35%。尹乃毅等[30]采用PBET 法的研究結(jié)果表明，礦區(qū)土壤中的Cu 在胃階段的生物可給性18.8%～66.6%，小腸階段的22.5%～77.4%，而采集的農(nóng)田土壤中Cu 在胃和小腸階段的生物可給性分別為18.3%～62.3%和41.3%～70.3%。徐琪等[31]研究城市灰塵中重金屬的生物可給性，結(jié)果表明不同區(qū)域灰塵中Ni 在胃腸階段總的生物可給性為1.3%～10.6%，尹乃毅等[32]的研究則表明，Ni 在胃階段的生物可給性為5.2%～18.5%，小腸階段為74.3%～94.5%。與各研究生物有效性結(jié)果對(duì)比，本試驗(yàn)所得的生物可給性因子相對(duì)偏低，初步判斷與場(chǎng)地土壤中夾雜有大量煉鐵產(chǎn)生的鋼渣有一定關(guān)系。鋼渣中含有大量的堿性氧化物且比表面積較大，同時(shí)其含有相當(dāng)數(shù)量的鐵和硅元素，在一定條件下進(jìn)行處理可以聚合成為很好的絮凝材料，是理想的吸附材料[33，34]。因鋼渣的這些特性，可能會(huì)吸附一部分土壤中的重金屬，使得重金屬較難溶出，引起生物可給性因子的降低。

2.2 土壤理化性質(zhì)對(duì)生物可給性的影響

引起生物有效性結(jié)果存在較大差異的因素主要有供試土壤的基本理化性質(zhì)、pH 值、重金屬總量、有機(jī)質(zhì)含量、鐵、錳的含量等[18，22，35]多種。為了進(jìn)一步分析各因素與生物可給性因子的相關(guān)關(guān)系，對(duì)土壤的基本理化性質(zhì)（pH 值、w（黏粒）、w（有機(jī)質(zhì)））、w（Fe）、w（Mn））、重金屬總量（w（THM））、胃階段重金屬溶解態(tài)含量（Dg）、胃階段生物可給因子（BAg）、腸階段重金屬溶解態(tài)含量（Di）、腸階段生物可給因子（BAi）共10 個(gè)因素分別進(jìn)行了pearson 相關(guān)性分析，所得的相關(guān)系數(shù)矩陣見表3 至表6。

表3 各因素之間的相關(guān)性—As

表5 各因素之間的相關(guān)性—Cu

表6 各因素之間的相關(guān)性—Ni

從分析結(jié)果可見，對(duì)重金屬在生物可給性存在顯著影響的因素主要為pH 值、w（Fe）、w（Mn）、重金屬總量，這與已有的研究成果相一致[6，15，20，36]。

土壤pH 值一般認(rèn)為是影響重金屬生物活性的重要因素之一。該研究中As 和Pb 在胃或小腸階段的溶解態(tài)濃度均呈顯著正相關(guān)，pH 值與Cu 和Ni在胃和小腸階段的生物可給性呈顯著以上正相關(guān)。Navarro 等[37]研究發(fā)現(xiàn)，pH 值影響重金屬生物有效性的最重要因素。鄭順安等[38]研究表明，pH 值和黏粒含量是影響重金屬Pb 生物可給性的最重要因子，二者可以解釋69.49%的Pb 的生物可給性的變化。

Pb、Cu、Ni 在胃提取階段溶解態(tài)含量與ω（Mn）呈顯著正相關(guān)，原因可能在于這些重金屬離子易與Mn 在酸性條件下生成易溶解的化合物[22]，本研究中w（TPb）、w（TCu）均與w（Mn）呈顯著正相關(guān)，也在一定程度上解釋了這一情況。而As 在胃提取階段溶解態(tài)含量則與w（Mn）無(wú)顯著相關(guān)性，但與w（Fe）存在顯著相關(guān)性，主要是因?yàn)橥寥乐需F氧化物是砷的主要結(jié)合位，易與As 結(jié)合形成較為穩(wěn)定的化合物[39，40]，在胃階段因強(qiáng)酸性的環(huán)境，使與鐵氧化物結(jié)合的As釋放出來(lái)，引起溶解態(tài)含量正向變化；

重金屬總量也是影響生物可給性的重要因素，該實(shí)驗(yàn)中重金屬總量與其在胃階段溶解態(tài)含量均呈極顯著正相關(guān)。鐘茂生等[6]的研究表明，影響供試土壤Cd 生物可給性的最重要因素是w（TPAs）。李繼寧等[41]的研究表明，Cu、Zn、As、Cd、Pb 等重金屬的生物可給性均有重金屬總量呈顯著正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.8 以上。

眾多研究表明，w（黏粒）、w（有機(jī)質(zhì)）對(duì)生物可給性也會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響，Girouard 等[42]研究發(fā)現(xiàn)土壤中黏粒和有機(jī)質(zhì)的量與As 的生物可給性有很好的相關(guān)性。尹乃毅等[30]研究發(fā)現(xiàn)銅在胃和小腸階段的生物可給性均與有機(jī)質(zhì)呈顯著相關(guān)性，可通過(guò)有機(jī)質(zhì)含量等組成的多元回歸方程預(yù)測(cè)生物可給性因子。但該項(xiàng)目中w（黏粒）、w（有機(jī)質(zhì)）對(duì)生物可給性因子的影響未達(dá)到顯著水平，這可能與供試土壤來(lái)自一個(gè)場(chǎng)地，土質(zhì)相差不大，有機(jī)質(zhì)和黏粒含量差距較小，因此未能在生物有效性因子的結(jié)果上體現(xiàn)出來(lái)。

2.3 修復(fù)目標(biāo)值的確定

研究生物有效性因子時(shí)，一般將胃和小腸階段的生物可給性加和，得到一個(gè)總的生物可給性值[14]。導(dǎo)則中默認(rèn)重金屬經(jīng)口攝入吸收因子（ABS0）為1，即默認(rèn)經(jīng)口攝入土壤中的重金屬污染物可被人體全部吸收，而該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，攝入的重金屬即使在強(qiáng)酸性的胃液中，也不會(huì)完全被人體吸收。本文以實(shí)測(cè)胃和腸階段生物可給性因子總和的95%置信區(qū)間上限值（ABS0＜1）代替導(dǎo)則默認(rèn)值（1）進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，修正重金屬的修復(fù)目標(biāo)值。

因重金屬Pb 一般采用血鉛模型開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，因此僅對(duì)As、Cu、Ni 等3 種重金屬的修復(fù)目標(biāo)值進(jìn)行修正。計(jì)算得到As、Cu、Ni 3 種重金屬生物有效性系數(shù)95%上限值分別為0.184，0.2389 和0.0806，分別以此代替導(dǎo)則默認(rèn)值（1）開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)果表明采用生物有效性因子修正后，As 的修復(fù)目標(biāo)值從0.45 mg/kg 修正為1.55 mg/kg，Cu 的修復(fù)目標(biāo)值從2 000 mg/kg 修正為8 381 mg/kg，Ni 的修復(fù)目標(biāo)值從129 mg/kg 修正為150.8 mg/kg。

從修正結(jié)果可見，場(chǎng)地As、Cu、Ni 的初步建議修復(fù)目標(biāo)值均有了一定程度提高。以矯正后的修復(fù)目標(biāo)值計(jì)算土方量（As 除外），場(chǎng)地待修復(fù)Cu 污染土壤方量從1.17 萬(wàn)m3降低到0，減少了100%，待修復(fù)Ni 污染土方量從3.36 萬(wàn)m3降低到2.32 萬(wàn)m3，減少了約31%，在避免對(duì)人體造成危害的同時(shí)，節(jié)約了修復(fù)成本，避免了過(guò)度修復(fù)。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）場(chǎng)地土壤中在胃和腸階段溶出的重金屬的濃度遠(yuǎn)低于重金屬總量，即土壤中的重金屬不會(huì)完全溶出被人體吸收。其中重金屬As 和Pb 在胃階段的生物可給性高于小腸階段，而重金屬Cu 和Ni 則不同，其在胃階段的生物可給性低于小腸階段。

（2）影響重金屬生物可給性的因素主要有pH值、w（Fe）、w（Mn）和重金屬總量。pH 值與4 種重金屬在胃腸階段的溶解態(tài)濃度或生物可給因子呈顯著正相關(guān)。As 在胃提取階段溶解態(tài)含量與w（Fe）存在顯著正相關(guān)，Pb、Cu、Ni 在胃提取階段溶解態(tài)含量與w（Mn）呈顯著正相關(guān)。重金屬總量與其在胃階段的溶解態(tài)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

（3）采用生物可給性結(jié)論，可對(duì)根據(jù)中國(guó)《污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》計(jì)算的修復(fù)目標(biāo)值進(jìn)行修正，以修正后的修復(fù)目標(biāo)值計(jì)算土方量，在避免對(duì)人體造成危害的同時(shí)，場(chǎng)地待修復(fù)Cu 污染土壤方量減少了100%，Ni 污染土壤方量減少了31%。采用生物可給性方法減少了待修復(fù)的土方量，節(jié)約了修復(fù)成本，避免了過(guò)度修復(fù)。