鉻渣污染土壤PM10和PM2.5組分中六價(jià)鉻的生物可給性及健康風(fēng)險(xiǎn)評估

李寧，夏天翔，劉增俊，張丹，姜昱聰

1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048 2.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，污染場地風(fēng)險(xiǎn)模擬與修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037

鉻作為一種典型的工業(yè)原料，其污染主要來源于工業(yè)生產(chǎn)。在長期的生產(chǎn)和應(yīng)用中，鉻的開采、冶煉以及鉻鹽的生產(chǎn)等產(chǎn)生的廢水、廢氣和廢渣對土壤環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的污染。三價(jià)鉻和六價(jià)鉻是土壤中鉻的主要存在形式，三價(jià)鉻毒性小，不易遷移，對環(huán)境的危害作用?。欢鶅r(jià)鉻毒性較強(qiáng)，易在土壤中遷移，對環(huán)境有持久的危害性，且容易被人體吸收產(chǎn)生致癌效應(yīng)，故評估土壤中六價(jià)鉻的健康風(fēng)險(xiǎn)尤為重要。

土壤中的六價(jià)鉻主要通過口部攝入、皮膚接觸和呼吸途徑進(jìn)入人體。美國衛(wèi)生和公眾服務(wù)部、國際癌癥研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)研究證實(shí)了六價(jià)鉻是人體致癌物質(zhì)，呼吸吸入和口部攝入六價(jià)鉻均會引起癌癥。此外，由《污染場地風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)導(dǎo)則》(HJ25.3—2014)[1](以下簡稱“HJ25.3—2014”)可知，六價(jià)鉻的呼吸吸入致癌斜率因子(SFi=329)遠(yuǎn)大于經(jīng)口攝入致癌斜率因子(SFo=0.5)，二者相差658倍，而對于其他重金屬如砷，其呼吸吸入致癌斜率因子(SFi=14.5)僅為經(jīng)口攝入致癌斜率因子(SFo=1.5)的9.7倍，二者差異較小。這表明不同于其他重金屬，相比于經(jīng)口攝入而言，呼吸吸入可能是六價(jià)鉻產(chǎn)生人體健康風(fēng)險(xiǎn)的重要途徑。因此，評估六價(jià)鉻經(jīng)呼吸途徑產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)是非常必要的。近年來，可吸入顆粒物PM10和PM2.5在人體內(nèi)的生物可給性研究越來越多。Wiseman和Zereini[2]的研究表明，PM10、PM2.5及PM1中V、Pb、Cu、As和Sb在模擬肺液中的溶解度均達(dá)到80%；Silva等[3]對巴西里約熱內(nèi)盧城市PM10中重金屬的可給性進(jìn)行研究，得出其可給性范圍為1.1%～93%；Hernándezpellón等[4]利用可給性結(jié)果對PM10中Cd的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，得出其由呼吸途徑產(chǎn)生的致癌風(fēng)險(xiǎn)高達(dá)1×10-6～1×10-4。這些研究結(jié)果均表明，呼吸途徑會對人體產(chǎn)生很大的健康風(fēng)險(xiǎn)，故研究可吸入顆粒物中重金屬在肺階段的生物可給性并對其進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評估具有重要意義。然而，目前在進(jìn)行人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)時(shí)一般以土壤中污染物的總量為基準(zhǔn)，但很多研究表明，重金屬進(jìn)入人體胃、腸及肺液后并不會被完全吸收，從而導(dǎo)致以污染物總量為基準(zhǔn)的健康風(fēng)險(xiǎn)評估較為保守，容易造成場地的過度修復(fù)。因此，測定重金屬在人體內(nèi)的生物可給性(溶解于胃腸及肺液中的重金屬含量與攝入土壤中重金屬總量的比值)，體外模擬人體消化和呼吸過程來測試能夠溶解于胃、腸及肺液中的重金屬含量，并以此為基準(zhǔn)來對人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，能夠降低風(fēng)險(xiǎn)評估的不確定性，部分克服現(xiàn)有方法過于保守的問題，對場地風(fēng)險(xiǎn)水平的管控具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，重金屬在消化系統(tǒng)中的可給性研究已經(jīng)較為成熟并形成了統(tǒng)一的可給性測試方法(UBM)；然而，重金屬在肺階段的可給性研究尚少，其在方法上未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，Guney等[5]研究了不同模擬液和不同提取時(shí)間下土壤PM20組分中重金屬的生物可給性，表明相比肺模擬液(Gamble’s solution, GS)而言，利用人工溶酶體液(artificial lysosomal fluid, ALF)得到的可給性較高，且在提取時(shí)間為2周時(shí)達(dá)到最大；Julien等[6]還研究了固液比對可給性結(jié)果的影響，并表明GS較水溶液產(chǎn)生的可給性更高，且在提取時(shí)間為24 h、固液比在1/500～1/50 000范圍內(nèi)時(shí)可給性最大；此外，Kastury等[7]對不同攪拌方式對可給性結(jié)果的影響也進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，使用翻轉(zhuǎn)振蕩器(45 r·min-1)作為攪拌混合方式時(shí)，得到的可給性更高，并推薦使用模擬液為ALF溶液、固液比為1/5 000、提取時(shí)間為24 h，作為PM2.5呼吸途徑可給性測試的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。此外，大量研究也表明，土壤粒徑的大小對重金屬在人體內(nèi)的行為和生物可給性也有著很大影響。研究表明，人體吸入土壤顆粒后，粒徑>10 μm的顆粒主要附著在上呼吸道中，然后通過纖毛從肺部運(yùn)出，而粒徑<10 μm的顆粒會進(jìn)入人體的支氣管區(qū)域，尤其是粒徑<4 μm的部分，一般會到達(dá)肺泡及深肺中，難以清除[8]，故土壤細(xì)顆粒中的重金屬會通過呼吸系統(tǒng)對人體健康產(chǎn)生很大影響。Sheppard等[9]的研究也表明，相比于粒徑更大的顆粒，粒徑<250 μm的土壤顆粒最容易粘附到兒童手上并被攝取，建議在攝入暴露中使用粒徑<250 μm的土壤顆粒進(jìn)行研究。

雖然重金屬在人體內(nèi)的可給性已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注，然而大多數(shù)研究主要集中在Cd、Pb、As和Zn等重金屬上，對六價(jià)鉻的研究鮮有報(bào)道，而且目前的研究大都集中于胃腸階段，對重金屬在肺階段的可給性研究尚少。綜上，本研究采集了西寧市某鉻渣污染場地的8個(gè)土壤樣品，并將其分為<250 μm、<10 μm及<2.5 μm這3種不同的粒徑，旨在(1)分析不同土壤粒徑中六價(jià)鉻、總鉻的濃度分布差異和特征；(2)依據(jù)土壤粒徑大小對人體健康行為的影響，選取合適的粒徑，通過UBM和呼吸吸入生物可給性測試方法(IBM)分別測定六價(jià)鉻在消化和呼吸系統(tǒng)中的生物可給性；(3)以生物可給性濃度作為暴露濃度，對原有的健康風(fēng)險(xiǎn)評估方法進(jìn)行優(yōu)化，提高風(fēng)險(xiǎn)評估的可靠性；并通過對比攝入和呼吸途徑產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果，評價(jià)六價(jià)鉻對人體健康產(chǎn)生危害的主要途徑。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 供試土壤

由于表層土壤是人體口部攝入和呼吸途徑的主要暴露部分，故為了使供試土壤樣品具有較好的代表性，樣品主要采集于西寧市某鉻渣污染場地的表層土壤。將采集后的土壤樣品置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)風(fēng)干、研磨，一部分樣品過60目尼龍篩，獲得粒徑<250 μm的土壤樣品；另一部分樣品利用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的顆粒物再懸浮檢測系統(tǒng)，選用美國URG公司的PM2.5和PM10標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)式采樣器，設(shè)置采樣流量為16.7 L·min-1，空氣動力學(xué)直徑切割粒徑分別為10 μm和2.5 μm，獲得PM10和PM2.5的濾膜樣品。

<250 μm的土壤顆粒是在手-口接觸過程中最容易被攝入的部分，主要用于胃腸階段生物可給性的測定及土壤理化參數(shù)的測定；而空氣動力學(xué)直徑<10 μm和<2.5 μm的土壤顆粒被人體吸入后會沉積到支氣管、肺泡和深肺中，主要用于肺階段生物可給性的測定。

供試土壤樣品檢測指標(biāo)主要包括土壤的粒徑組成、pH、有機(jī)質(zhì)(OM)、六價(jià)鉻及總鉻含量，其中，粒徑組成采用馬爾文粒度分析儀測定；土壤pH采用電位法測定[10]；OM采用重鉻酸鉀外加熱法測定[10]；PM250中的六價(jià)鉻和總鉻分別采用二苯碳酰二肼分光光度法及火焰原子吸收分光光度法測定[10]；PM10和PM2.5中的六價(jià)鉻和總鉻采用國標(biāo)GBZ/T160.7—2004中空氣有毒物質(zhì)的測定方法測定[11]。其中，粒徑分析儀測定結(jié)果為各粒徑的體積百分比，然而，由管孝艷等[12]的研究結(jié)果可知，當(dāng)樣品粘粒含量小于8%左右時(shí)，其均勻性最好，故可以假設(shè)不同粒徑組分中其密度是相同的，從而測得的體積百分比即為各粒徑的質(zhì)量百分比。土壤基本理化參數(shù)檢測結(jié)果如表1所示。

1.2 試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純，生物試劑購自Sigma奧利奇上海(貿(mào)易)有限公司，其余試劑購自中國國藥有限公司。所用儀器及型號分別為：激光粒度分析儀(Mastersizer 2000，上海普迪生物技術(shù)有限公司，中國)、pH酸度計(jì)(FE28，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司，中國)、電熱恒溫油鍋(DU-20，上海一恒科技有限公司，中國)、振蕩翻轉(zhuǎn)器(TCLP-12B，常州市金壇博科試驗(yàn)設(shè)備研究所，中國)、離心機(jī)(LD5-2A，北京京立離心機(jī)有限公司，中國)、原子吸收分光光度計(jì)(AA3510-4，上海精密儀器儀表有限公司，中國)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 胃腸階段生物可給性測試方法

胃腸階段生物可給性測試主要采用國外最新研究的UBM方法，它是英國地質(zhì)調(diào)查局聯(lián)合7個(gè)國家于2005年制定的一種測試重金屬在人體內(nèi)可給性的國際標(biāo)準(zhǔn)方法，主要模擬了土壤中重金屬在口腔、胃及腸3個(gè)階段的釋放過程。由于重金屬在口腔中停留時(shí)間短，且唾液的pH值(6.5±0.5)接近中性，重金屬釋放量很少，故在研究中一般將土壤重金屬在口腔中的釋放過程忽略[13]。具體步驟如下[14]：

(1) 胃提取階段 ①提取前一天提前配制好新鮮的胃、腸和膽汁液，配制方法參考Wragg等[15]所使用的方法，并在(37±2) ℃下提前預(yù)熱2 h；②稱取5 g土壤樣品放入聚乙烯瓶中，加入112.5 mL胃液，搖勻，測定pH是否在1.1±0.2范圍內(nèi)，若不在，用10.0 mol·L-1NaOH或37% HCl進(jìn)行調(diào)節(jié)；③將聚乙烯瓶放入翻轉(zhuǎn)儀中翻轉(zhuǎn)1 h，溫度設(shè)置為(37±2) ℃，模擬胃腸的蠕動；④1 h后取出測定其pH是否在1.1±0.2范圍內(nèi)，否則重新實(shí)驗(yàn)；⑤取100 mL提取液在4 000 r·min-1下離心10 min，并用針式過濾器(孔徑0.45 μm)對離心后的上清液進(jìn)行過濾，然后滴加1～2滴1%的硝酸保護(hù)，并儲存在4 ℃以下用于胃階段六價(jià)鉻可給性濃度的測定。

(2) 腸提取階段 在④的基礎(chǔ)上加入225 mL腸液和75 mL膽汁液，搖勻，調(diào)節(jié)pH至6.3±0.5范圍內(nèi)；將聚乙烯瓶放入翻轉(zhuǎn)儀中翻轉(zhuǎn)4 h取出，測定其pH是否在6.3±0.5范圍內(nèi)，否則重新實(shí)驗(yàn)；取100 mL提取液在4 000 r·min-1下離心10 min，并用針式過濾器(孔徑0.45 μm)對離心后的上清液進(jìn)行過濾，然后滴加1～2滴1%的硝酸保護(hù)，并儲存在4 ℃以下用于腸階段六價(jià)鉻可給性濃度的測定。

1.3.2 肺階段生物可給性測試方法

肺階段生物可給性測試主要參考Broadway等[14]在對格拉斯哥鉻污染土壤生物可給性測試中所用的方法，所用溶液為GS。GS是目前被廣泛認(rèn)可的一種體外測試方法，它代表了深肺的細(xì)胞外環(huán)境[5]，而且利用這種方法得到的生物可給性被證明和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)有很好的一致性[16]。具體步驟為：①提前一天配制好新鮮的肺液，配制方法參考Wragg和Klinck[17]所用的方法，并在(37±2) ℃下提前預(yù)熱2 h；②將制備好的濾膜用不銹鋼剪刀剪碎，放在30 mL的聚乙烯瓶中，加入20 mL肺液；③把聚乙烯瓶放在翻轉(zhuǎn)儀中翻轉(zhuǎn)24 h，溫度保持在(37±2) ℃，取出；④取20 mL提取液在4 000 r·min-1下離心10 min，然后滴加1～2滴1%的硝酸保護(hù)，并儲存在4 ℃以下用于肺階段六價(jià)鉻可給性濃度的測定。

表1 土壤理化參數(shù)Table 1 Physical and chemical parameters in soils

1.3.3 生物可給性計(jì)算

六價(jià)鉻在胃、腸和肺階段的可給性濃度和可給性計(jì)算公式如下[13]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Cgb為土壤中Cr6+在模擬胃階段的人體可給性濃度(mg·kg-1)；Cgib為土壤中Cr6+在模擬腸階段的人體可給性濃度(mg·kg-1)；Clb為土壤中Cr6+在模擬肺階段的人體可給性濃度(mg·kg-1)；Cs為供試土壤中Cr6+的總濃度(mg·kg-1)；C(Cr6+)g為模擬胃液中Cr6+的濃度(mg·L-1)；vg為測試過程中模擬胃液的體積(L)；m為可給性測試過程中土壤的質(zhì)量(mg)；C(Cr6+)gi為模擬腸液中Cr6+的濃度(mg·L-1)；vgi為測試過程中模擬腸液的體積(L)；C(Cr6+)l為模擬肺液中Cr6+的濃度(mg·L-1)；vl為測試過程中模擬肺液的體積(L)；Biog為胃階段Cr6+的人體可給性，無量綱；Biogi為腸階段Cr6+的人體可給性，無量綱；Biol為肺階段Cr6+的人體可給性，無量綱。

2 結(jié)果與討論(Results and discussions)

2.1 不同土壤粒徑中六價(jià)鉻和總鉻的濃度分布特征

為了表明不同粒徑中六價(jià)鉻和總鉻的濃度分布規(guī)律，利用累積因子(accumulation factors, AF)AF來對重金屬的富集程度進(jìn)行描述。其計(jì)算公式如下[18]：

(7)

式中：Xfraction和Xbulk分別代表不同粒徑組分中重金屬的濃度及原土中重金屬的濃度。

由表1可知，六價(jià)鉻和總鉻在PM10和PM2.5組分中的含量大多明顯低于PM250組分(除樣品S3、S7外)。且經(jīng)計(jì)算得到，PM10組分中六價(jià)鉻和總鉻的AF分別為0.080～12.297和0.008～0.261，PM2.5組分中六價(jià)鉻和總鉻的AF分別為0.019～5.721和0.005～0.342(圖1)，較低的OM含量可能是導(dǎo)致樣品S3和S7六價(jià)鉻AF較大的主要原因。相似的結(jié)果在已有的研究中也被發(fā)現(xiàn)，李戀卿等[19]通過分餾系數(shù)指示重金屬在土壤顆粒中的分布差異，發(fā)現(xiàn)鉻在土壤中主要賦存于較粗的團(tuán)聚體顆粒中；Ajmone-Marsan等[20]調(diào)查了5個(gè)歐洲城市中重金屬的分布，發(fā)現(xiàn)在TOR(Torino)和GLA(Glasgow)這2個(gè)城市中鉻在細(xì)顆粒及粗顆粒中的比例分別<20%和<45%，在AVE(Aveiro)、SEV(Sevilla)和LJU(Ljubljana)這3個(gè)城市中所占的比例分別為41%～59%和53%～66%，即均呈現(xiàn)出向粗顆粒聚集的趨勢；Gong等[21]的研究也表明，相比于細(xì)顆粒，鉻在粗顆粒中的濃度更高，這表明由于各種復(fù)雜的因素，如重金屬可能會嵌入到粗顆粒的微團(tuán)聚體中而被粗顆粒優(yōu)先吸附等，導(dǎo)致重金屬不僅僅傾向于在細(xì)顆粒中聚集，也有可能在粗顆粒中聚集。此外，由圖1可知，PM10和PM2.5組分中六價(jià)鉻的AF均大于總鉻，表明相比于總鉻而言，六價(jià)鉻在細(xì)顆粒中的累積程度更高。

圖1 總鉻和六價(jià)鉻在PM2.5和PM10組分中的累積因子Fig. 1 Accumulation factors of total Cr and Cr6+ in PM2.5 and PM10 fractions

在樣品S3、S7中，六價(jià)鉻的AF均大于1，這可能與其較低的OM含量有關(guān)。由圖2中OM與六價(jià)鉻的擬合結(jié)果可知，隨著OM的增加，六價(jià)鉻整體表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，這可能是由于土壤OM中的膠體帶有大量負(fù)電荷，隨著含量的增加，其對六價(jià)鉻的吸附能力越來越強(qiáng)，六價(jià)鉻濃度越來越高；但當(dāng)OM含量過高時(shí)，較高的OM含量又促進(jìn)了部分六價(jià)鉻的還原作用，導(dǎo)致六價(jià)鉻含量又逐漸降低。對于樣品S3和S7，其OM含量較低，分別為5.80 g·kg-1和5.23 g·kg-1)，對六價(jià)鉻的吸附能力較弱，故此時(shí)PM250組分中六價(jià)鉻的含量較低，從而使得AF相對較高。

圖2 PM250組分中有機(jī)質(zhì)與六價(jià)鉻含量的擬合關(guān)系Fig. 2 The relationship between organic matter and Cr6+ in PM250 component

然而，不同粒徑中六價(jià)鉻與總鉻的比例關(guān)系表現(xiàn)出了不同的規(guī)律性。由圖3可知，在粒徑<250 μm、<10 μm及<2.5 μm的土壤顆粒中，六價(jià)鉻占總鉻的比例分別為2%～17%、21%～98%及22%～82%，表明相對于粗顆粒而言，細(xì)顆粒中的鉻更多地以六價(jià)鉻的形式存在。而六價(jià)鉻作為鉻中毒性最強(qiáng)的一種形態(tài)富集在細(xì)顆粒中，極易受到自然或人為因素的作用進(jìn)入到大氣中，具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)移能力；此外，轉(zhuǎn)移到大氣中的細(xì)顆粒極易通過呼吸道侵入人體并沉積在肺泡中，有很強(qiáng)的致癌作用。因此，細(xì)顆粒中的六價(jià)鉻存在很大的環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)，由呼吸吸入的六價(jià)鉻應(yīng)該作為六價(jià)鉻健康風(fēng)險(xiǎn)評估的一個(gè)重要方面。

圖3 不同粒徑中六價(jià)鉻占總鉻的比例Fig. 3 Percentage of Cr6+ to total Cr in different particle size fractions

2.2 供試土壤中六價(jià)鉻的生物可給性

2.2.1 六價(jià)鉻經(jīng)口攝入的生物可給性

供試土壤樣品在胃腸階段的可給性濃度和可給性如表2所示。由表2可知，六價(jià)鉻在胃腸階段的可給性濃度均小于供試土壤樣品中六價(jià)鉻的總濃度，這表明進(jìn)入人體消化系統(tǒng)中的六價(jià)鉻，即使是在酸性很強(qiáng)的胃環(huán)境中也不可能完全溶解，并進(jìn)入到人體的血液循環(huán)中對人體健康產(chǎn)生威脅，因此，測試重金屬的生物可給性，并以此為基礎(chǔ)對人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)是非常必要的。供試土壤中的六價(jià)鉻在不同階段的生物可給性差異較大，其中，胃階段為0.0301%～0.9483%，平均值為0.4821%；腸階段為0.0018%～0.3934%，平均值0.1578%，約為胃階段的0.33倍。由此可見，六價(jià)鉻在胃腸階段的生物可給性均極低，這主要是由于在UBM提取過程中，由于胃液的強(qiáng)酸性環(huán)境及土壤中的有機(jī)質(zhì)含量共同構(gòu)成了良好的氧化還原條件，導(dǎo)致六價(jià)鉻在進(jìn)入小腸之前被大量的還原為三價(jià)鉻[22]，而且，由于三價(jià)鉻氧化為六價(jià)鉻的動力學(xué)非常緩慢，土壤中很少存在三價(jià)鉻向六價(jià)鉻的轉(zhuǎn)化[23]，從而導(dǎo)致了六價(jià)鉻在胃中的生物可給性整體表現(xiàn)極低。然而，Yu等[24]在對鉻礦物殘?jiān)难芯恐邪l(fā)現(xiàn)，六價(jià)鉻在胃腸階段具有較高的生物可給性，分別為53.8%和42.9%，這主要是由于鉻礦物殘?jiān)杏袡C(jī)組分含量較低所致，當(dāng)向其中加入牛奶、面團(tuán)等有機(jī)組分較高的物質(zhì)時(shí)，較低的pH環(huán)境和較高的有機(jī)質(zhì)組分促使了六價(jià)鉻的大量還原，生物可給性降低了1個(gè)數(shù)量級，可給性結(jié)果與本研究結(jié)果相似。另外，Yu等[24]的研究也表明，由于pH的升高，鉻在形成的原位鐵氧化物上大量吸附，并與鐵形成共沉淀，導(dǎo)致其在腸階段的可給性比胃階段更低。

表2 胃腸階段可給性濃度和可給性測試結(jié)果Table 2 Bioaccessible concentrations and bioaccessibility in stomach and intestine

雖然在低pH及高有機(jī)質(zhì)含量的情況下，六價(jià)鉻的還原作用導(dǎo)致其在胃腸階段的生物可給性極低，然而，在某些重污染場地，如果六價(jià)鉻的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了胃階段的還原能力，則高濃度的六價(jià)鉻仍可穿過胃粘膜導(dǎo)致胃腸系統(tǒng)的大量吸收，從而存在潛在的健康危害[25]。由于六價(jià)鉻在吸收過程中存在著形態(tài)的轉(zhuǎn)變，故對As、Pb和Cd等重金屬得出的生物可給性結(jié)論并不能完全適用于六價(jià)鉻，對六價(jià)鉻的健康影響還應(yīng)該進(jìn)行更深入的研究。

2.2.2 六價(jià)鉻經(jīng)呼吸吸入的生物可給性

供試土壤樣品在肺階段的可給性濃度和可給性如表3和表4所示。由表可知，PM10和PM2.5組分中的六價(jià)鉻在肺階段的生物可給性分別為2.52%～41.50%和2.40%～88.12%，平均值分別為14.47%和48.86%?？傮w表現(xiàn)為由PM2.5的可給性顯著高于PM10，平均約為PM10的3.38倍。這主要是因?yàn)榱捷^小的顆粒的比表面積較大，與體液接觸較為充分，六價(jià)鉻的吸收量也更高，從而導(dǎo)致了PM2.5較高的生物可給性。故相比于粒徑較大的顆粒而言，粒徑較小的顆粒更容易溶解并被有效地吸收。而且相關(guān)研究也表明，顆粒越細(xì)，越容易沉積到深肺中難以清除，因此，細(xì)顆粒中六價(jià)鉻的吸入可能對人體的呼吸道疾病產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。目前，肺階段生物可給性研究較少，尚未形成統(tǒng)一的測試方法，本研究所用方法主要參考Broadway等[14]在對鉻與六價(jià)鉻的研究中所用的方法，該研究所用土壤樣品為PM10顆粒，得到的可給性約為7.8%和14.4%，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致，故利用該方法來測定六價(jià)鉻的可給性較為可行。

表3 PM10組分肺階段可給性濃度和可給性測試結(jié)果Table 3 Bioaccessible concentrations and bioaccessibility of PM10 component in lung

表4 PM2.5組分肺階段可給性濃度和可給性測試結(jié)果Table 4 Bioaccessible concentrations and bioaccessibility of PM2.5 component in lung

總體來看，六價(jià)鉻在各提取階段的可給性濃度與供試土壤樣品中總的六價(jià)鉻濃度并無相關(guān)性，如樣品S4在PM2.5中具有最高的六價(jià)鉻濃度，然而它在肺中的生物可給性最低，僅為2.40%，故具有較高總元素濃度的樣品并不一定具有很高的生物可給性，這主要是由于不同土壤樣品中六價(jià)鉻存在的形態(tài)比例不同，從而直接影響了重金屬在人體中的轉(zhuǎn)化及毒性。另外，顆粒比表面積、有機(jī)質(zhì)含量等參數(shù)也會對重金屬的溶解度產(chǎn)生影響。因此，只有當(dāng)土壤中重金屬含量較高，且同時(shí)具有很高的生物可給性時(shí)，才會對人體健康造成很大的危害。

2.3 六價(jià)鉻生物可給性對人體健康風(fēng)險(xiǎn)評估的影響

分別以土壤中六價(jià)鉻的人體可給性濃度及總六價(jià)鉻濃度作為暴露濃度，按照“HJ25.3—2014”[1]，計(jì)算經(jīng)口攝入土壤和吸入土壤顆粒物這2種暴露途徑下六價(jià)鉻的致癌風(fēng)險(xiǎn)，并對其差異進(jìn)行分析。

(1)經(jīng)口攝入土壤中單一污染物的致癌風(fēng)險(xiǎn)，采用下式計(jì)算：

CRois=OISERca×Csur×SFo

(8)

式中：CRois表示經(jīng)口攝入土壤而導(dǎo)致暴露于單一污染物的致癌風(fēng)險(xiǎn)，無量綱；Csur為土壤中污染物的濃度，mg·kg-1；SFo為經(jīng)口攝入致癌斜率因子，(mg·kg-1·d-1)-1，取值0.5；OISERca表示經(jīng)口攝入土壤暴露量，kg·(kg·d)-1，其計(jì)算公式見“HJ 25.3—2014”附錄A中的公式(A.1)。

(2)吸入土壤顆粒物中單一污染物的致癌風(fēng)險(xiǎn)，采用下式計(jì)算：

CRpis=PISERca×Csur×SFi

(9)

式中：CRpis表示吸入土壤顆粒物而導(dǎo)致暴露于單一污染物的致癌風(fēng)險(xiǎn)，無量綱；Csur為土壤中污染物的濃度，mg·kg-1；SFi為呼吸吸入致癌斜率因子，(mg·kg-1·d-1)-1，其計(jì)算公式見“HJ 25.3—2014”附錄B中的公式(B.1)；PISERca表示吸入土壤顆粒物的土壤暴露量，kg·(kg·d)-1，其計(jì)算公式見“HJ 25.3—2014”附錄A中的公式(A.7)。

在考慮六價(jià)鉻生物可給性的條件下，對不同樣品的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。由表5可知，在考慮生物可給性因素前后，六價(jià)鉻產(chǎn)生的人體總致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為47.44×10-6～10 255.08×10-6和5.52×10-6～476.85×10-6，平均值分別為2 430.04×10-6和125.83×10-6，二者差異顯著。而且，在考慮生物可給性條件下，呼吸途徑產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)極高，是經(jīng)口攝入的5.04～176.38倍(胃)、10.92～10 198.00倍(腸)，最高相差2個(gè)數(shù)量級?？梢?，相比于經(jīng)口攝入，六價(jià)鉻對人體的健康危害主要是通過呼吸途徑產(chǎn)生的。且如果僅以土壤中總的六價(jià)鉻濃度作為暴露濃度來進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，將使結(jié)果過于保守。而以人體胃腸及肺液中的可給性濃度作為暴露濃度來計(jì)算，能夠使健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的結(jié)果更為客觀。尤其是對六價(jià)鉻經(jīng)口攝入的暴露風(fēng)險(xiǎn)評估來講影響最為顯著，在未考慮可給性濃度的條件下，8個(gè)采樣點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于致癌水平10-6，而在考慮可給性濃度的條件下進(jìn)行篩選，僅S4、S5、S6和S8這4個(gè)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)值略高于可接受風(fēng)險(xiǎn)致癌水平10-6，這主要是六價(jià)鉻在胃液中的強(qiáng)還原作用導(dǎo)致的。與本研究結(jié)果相似，許多研究都把六價(jià)鉻的還原這一現(xiàn)象作為證據(jù)來表明六價(jià)鉻經(jīng)口攝入的暴露途徑并不會對人體健康產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)[26]，但是在污染嚴(yán)重的鉻污染場地，六價(jià)鉻對人體產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)仍然不能被忽視。

Broadway等[14]在對鉻污染土壤可給性的研究中發(fā)現(xiàn)，居住用地條件下鉻的土壤環(huán)境質(zhì)量指導(dǎo)值(Soil Guideline Values, SGV)為200 mg·kg-1，而在考慮可給性因素下得到的SGV范圍為850～31 600 mg·kg-1，風(fēng)險(xiǎn)水平顯著降低。因此，生物可給性作為一個(gè)調(diào)控場地風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)，提高了潛在暴露風(fēng)險(xiǎn)評估的精確度，為后期污染場地的風(fēng)險(xiǎn)管理提供了更為科學(xué)的依據(jù)。

綜上，(1)不同粒徑中六價(jià)鉻和總鉻的濃度分布存在差異，故依據(jù)顆粒大小對人體健康行為的影響作用，選取合適的粒徑組分進(jìn)行人體不同系統(tǒng)的健康風(fēng)險(xiǎn)評估是非常必要的。(2)基于生理的體外模擬實(shí)驗(yàn)有效地模擬了PM250、PM10和PM2.5中六價(jià)鉻在胃腸及肺階段的生物可給性，結(jié)果表明，在消化系統(tǒng)中，PM250在胃階段產(chǎn)生的可給性較腸階段更高；在呼吸系統(tǒng)中，PM2.5產(chǎn)生的可給性較PM10更高。(3)人體健康風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果表明，以可給性濃度作為暴露濃度計(jì)算得到的健康風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)低于以污染物總濃度作為暴露濃度得到的健康風(fēng)險(xiǎn)，且由呼吸途徑產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于消化系統(tǒng)。相對于經(jīng)口攝入途徑而言，呼吸吸入是六價(jià)鉻產(chǎn)生致癌風(fēng)險(xiǎn)的主要暴露途徑。因此，土壤PM10和PM2.5組分作為呼吸途徑的主要顆粒物來源，對人體健康風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果有著顯著的影響。評估PM10和PM2.5中六價(jià)鉻在人體內(nèi)的生物可給性，并利用該指標(biāo)對人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，對場地的風(fēng)險(xiǎn)管控具有重要意義。

表5 考慮Cr6+人體可給性前后土壤的健康風(fēng)險(xiǎn)值(數(shù)量級：10-6)Table 5 The health risk value before and after considering bioaccessibility of Cr6+(Magnitude: 10-6)

注：根據(jù)“HJ 25.3—2014”，此處呼吸途徑致癌風(fēng)險(xiǎn)是基于PM10組分計(jì)算的；總致癌風(fēng)險(xiǎn)為口部攝入和呼吸吸入途徑致癌風(fēng)險(xiǎn)之和，皮膚接觸途徑致癌風(fēng)險(xiǎn)由于缺乏皮膚吸收因子(ABSd)參數(shù)，無法計(jì)算。

Note: According to “HJ 25.3—2014”, the risk of cancer caused by respiratory pathways is calculated based on PM10. The carcinogenic risk is the sum of the risk of oral intake and respiratory inhalation pathway carcinogenesis. Carcinogenic risk of skin contact cannot be calculated due to lack of dermal absorption factor (ABSd) parameters.

致謝：感謝北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院黃玉虎研究員在細(xì)顆粒樣品制備中給予的幫助。