污染土壤中氟的人體胃腸吸收可給性影響因素及健康風(fēng)險(xiǎn)

李 卉,韓占濤,劉心哺,王妍妍,張 威,馬麗莎 (1.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,河北 石家莊 050061；2.中國地質(zhì)調(diào)查局河北省地下水污染機(jī)理與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050061；3.生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心,北京 100012；.河北地質(zhì)大學(xué),河北 石家莊 050031)

氟是在自然環(huán)境中廣泛分布且與人體健康密切相關(guān)的微量化學(xué)元素之一[1].氟具有雙閾值性,食物或飲水中氟缺乏,會(huì)影響人體牙齒和骨骼組織代謝,而氟的過量攝入則會(huì)造成人體氟中毒[2-3].隨著氟在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛使用,來源于煉鋼廠、氟化鹽場、磷肥廠等企業(yè)生產(chǎn)過程排放的大量含氟廢水、廢渣和含氟大氣沉降進(jìn)人環(huán)境后,其中一部分直接或間接進(jìn)人土壤,通過食物鏈、手-口直接接觸、皮膚接觸以及呼吸等途徑,對(duì)人體健康造成潛在危害[4-5].為滿足城市建設(shè)用地需求,一些污染場地將轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)或居住用地,根據(jù)現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則[6]對(duì)氟污染場地進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、制定合理的風(fēng)險(xiǎn)管理措施已受到各級(jí)環(huán)保部門的重視.

在土壤暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中,經(jīng)口攝入(無意)的污染土壤對(duì)人體造成的風(fēng)險(xiǎn)值/危害商越來越高,其中,對(duì)兒童尤為明顯[7-8].目前的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估假設(shè)土壤中污染物經(jīng)口攝入后能完全進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng),因此在計(jì)算暴露劑量時(shí)以土壤中污染物總量為基準(zhǔn).然而土壤中污染物被人體攝入后,并不能完全被人體吸收,需依次經(jīng)歷胃液和腸液的提取,僅溶解于胃、腸液中的污染物方可被吸收并對(duì)人體健康產(chǎn)生危害.研究表明,在模擬的胃液,腸液條件下,金屬(Cd、As、Pb、Cu、Zn、Mn),POPs,多溴聯(lián)苯醚等污染物并不能完全從土壤中解吸[9-13],以土壤中污染物總量進(jìn)行評(píng)估的結(jié)果很大程度上夸大了其風(fēng)險(xiǎn)危害.因此,研究人員推薦采用體外模擬(in vitro)人體消化吸收[14-15]的方法,測試土壤中能夠溶解于胃腸系統(tǒng)的污染物濃度(即人體/生物可給性濃度),并以此為基準(zhǔn)計(jì)算人體攝入量更為準(zhǔn)確[16-17].國內(nèi)外應(yīng)用in vitro 方法測定污染物的人體可給性研究主要集中于實(shí)驗(yàn)方法、主要控制條件、影響因素及其在健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究中的應(yīng)用[14],關(guān)注的污染物主要針對(duì)土壤重金屬[7,9,13],而土壤中無機(jī)陰離子,如氟離子等在胃腸液條件下的吸附/解吸機(jī)理及影響因素尚不明確.尚德榮等[18]利用in vitro 方法,研究了南極磷蝦中氟的生物可給性,而在人體胃腸液條件下,生物體和土壤環(huán)境中氟的解吸情況可能顯著不同,因此,綜上所述,本研究擬利用in vitro 可給性測試方法對(duì)某氟污染場地中土壤中氟的人體胃腸吸收可給性及其影響因素進(jìn)行研究,同時(shí)分析其對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)的影響,以期為氟污染場地開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及管控、修復(fù)方案的制定提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試土樣

表1 土壤樣品理化參數(shù)Table 1 Physicochemical parameters of soil samples

供試樣品取自太原市某玻璃化工廠(土樣編號(hào):S1-S16),受氟化物污染土壤經(jīng)風(fēng)干、研磨后,過60 目篩備用.土壤樣品經(jīng)硝酸+氫氟酸消解后,用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS,安捷倫7500)測定土壤中總鐵(TFe)和總鋁(TAl);pH 值采用電位法測定;土壤中水溶性氟(cs') 和總氟(cs)采用氟離子選擇電極法測定;土壤水溶性氟用水直接提取;總氟采用堿熔融法提取,且測定前需在提取液中加入總離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)緩沖溶液[19].測定結(jié)果見表1.

1.2 土壤中氟可給的體外模擬消化測試

本研究使用的 in vitro 實(shí)驗(yàn)方法為 UBM(Unified Bioaccessibility Model)方法,該方法是英國地質(zhì)調(diào)查局于2005 年聯(lián)合美國、加拿大、荷蘭等7個(gè)國家的實(shí)驗(yàn)室共同開發(fā)的一種測試體外模擬消化測試方法,用來連續(xù)模擬人體的胃、腸消化階段[20-22].根據(jù)UBM 方法模擬液組分配制胃、腸模擬液[23],所用試劑均為優(yōu)級(jí)純,所有模擬液在實(shí)驗(yàn)當(dāng)天制備,以保證其新鮮和完全溶解.每個(gè)樣品設(shè)置一個(gè)平行樣,具體操作過程如下:

①胃提取階段,取5g 風(fēng)干研磨后土樣(＜0.25μm)置于500mL 具塞磨口錐形瓶中,加入120mL 模擬胃液(包含氯化鉀、尿素、粘液素、胃蛋白酶、鹽酸等,pH值調(diào)至(1.1±0.2)),混合均勻后,用1:1 的HCl 溶液調(diào)節(jié)土壤溶液pH值至(1.1±0.2),將錐形瓶放入已預(yù)熱至(37±2)℃的振蕩器中,以200r/min 振蕩1h,測定瓶內(nèi)土壤溶液的pH 值,確保其介于1.0～1.5 之間.取40mL土壤溶液以5000r/min離心10min,利用離子選擇電極法測定上清液中氟的濃度ρ(gF).

②腸提取階段,向胃提取階段結(jié)束后的錐形瓶中補(bǔ)充新鮮模擬胃液至120mL,之后再加入300mL模擬腸液(包含尿素、胰酶、膽汁鹽、NaHCO3等,pH值調(diào)至6.3±0.5),混合均勻后用5mol/LNaOH 溶液調(diào)節(jié)土壤溶液pH 值至6.3±0.5,放入振蕩器繼續(xù)震蕩4h 后再次測定其pH 值并準(zhǔn)確調(diào)節(jié)至6.3±0.5.從中取40mL 土壤溶液以7000r/min 離心10min,利用離子選擇電極法測定上清液中氟的濃度ρ(giF).

1.3 可給性濃度計(jì)算

土壤中氟在胃及腸階段的可給性濃度及其可給性采用式(1) ～ 式(4)計(jì)算.

式中:cgb為土壤中氟在模擬胃階段的人體可給性濃度, mg/kg;cgib為土壤中氟在模擬腸階段的人體可給性濃度,mg/kg;cs為土壤中氟的總濃度,mg/kg;ρ(gF)為模擬胃液中氟的濃度,mg/L;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質(zhì)量,mg;ρ(giF)為模擬腸液氟的濃度,mg/L;vgi為測試過程中模擬腸液的體積,L;BioG 為胃階段氟的人體可給性,無量綱;BioGI 為腸階段的人體可給性,無量綱.

1.4 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

土壤中氟的暴露途徑為食用農(nóng)作物、經(jīng)口攝入、皮膚接觸、呼吸吸入(包括土壤顆粒物和土壤氣態(tài)污染物).本研究僅將經(jīng)口攝入作為關(guān)鍵暴露途徑,分別以土壤中氟的濃度及人體胃腸吸收可給性濃度作為暴露濃度的健康風(fēng)險(xiǎn),以進(jìn)行差異性分析,計(jì)算式如式(5)～式(7)所示,對(duì)于單一污染物的非致癌效應(yīng),僅考慮人群在兒童期受到的危害,經(jīng)口攝入土壤途徑的土壤暴露量采用公式(8)計(jì)算:

式中:cs、cgb和cgib分別為土壤氟濃度,土壤氟在胃和腸提取階段的人體可給性濃度,mg/kg;HQg、HQgb和HQgib分別為土壤中氟經(jīng)口攝入后以cs,cgb和cgib計(jì)算的非致癌風(fēng)險(xiǎn)(危害商),無量綱;SAF 是暴露于土壤的參考劑量分配系數(shù),無量綱;RfDo是經(jīng)口攝入?yún)⒖加?jì)量,mg/kg/d;OISERnc是經(jīng)口攝入土壤暴露量(非致癌效應(yīng)),kg/kg/d;OSIR 是人體每日攝入土壤量,mg/d;ED 是暴露期,a;EF 是暴露頻率,d/a;BW 是人體體重,kg;ABS0是經(jīng)口攝入吸收效率因子,無量綱;ATnc是非致癌效應(yīng)平均時(shí)間,d.上述各參數(shù)的取值如表2 所示.

表2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型參數(shù)取值Table 2 Values of the risk assessment model parameters

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤中氟的胃腸吸收人體可給性分析

對(duì)不同深度的16 個(gè)土壤樣品的模擬胃、腸提取液氟濃度進(jìn)行測試,并計(jì)算氟的模擬胃、腸可給性濃度,結(jié)果如表3 所示.對(duì)比表3 與表1 可知,供試土樣中氟在胃及腸階段的可給性濃度明顯低于土壤中氟的總濃度.可見,即使在強(qiáng)酸性的胃液中,隨土壤經(jīng)口攝入后的氟也不會(huì)完全溶解進(jìn)入人體血液循環(huán)系統(tǒng).本研究供試土樣中氟在同一提取階段的可給性結(jié)果差異性較小,其中,胃階段可給性為2.59%～6.57%,平均值為3.53%,腸階段為1.09%～2.52%,平均值為1.44%,總?cè)梭w可給性為3.68%～9.09%,平均值為4.97%.

氟在模擬胃階段的可給性明顯高于模擬腸階段(表3),尚德容等[18]在關(guān)于南極磷蝦中氟的人體可給性研究中也發(fā)現(xiàn),南極磷蝦中的氟在胃提取階段的人體可給性顯著大于腸提取階段的人體可給性,分別為61.24%～87.50%和16.97%～27.31%,且在大量的As,Cd,Zn 等重金屬生物可給性的研究中也可得到近似結(jié)果,如鐘茂生等[24]采用UBM模擬胃腸消化的方法測試了來自湖南,廣西和大連 12 個(gè)污染土壤樣品中Cd 的人體可給性,結(jié)果顯示,Cd 在胃提取階段的可給性為 12.24%～81.10%,平均值為53.60%,腸提取階段的可給性為2.01%～43.30%,平均值為19.74%.崔巖山等[25]利用in vitro 方法研究了我國不同地區(qū)16 個(gè)土壤樣品中鎘的生物可給性,發(fā)現(xiàn)模擬胃液和小腸液中鎘的生物可給性分別 6.37%～69.43%和3.19%～36.91%,平均值分別為25.34%和14.84%.Pelfrene 等[21]利用UBM 方法研究了法國北部冶煉廠農(nóng)田污染土壤中鎘,鉛和鋅的人體可給性,結(jié)果表明三種重金屬污染物在胃和腸提取階段的可給性分別為82%,55%,33%和45%,20%,10%.產(chǎn)生上述結(jié)果的原因在于胃液具有強(qiáng)酸性,經(jīng)模擬胃液提取后,土壤中可給性氟化物或重金屬轉(zhuǎn)變成離子形態(tài)存在,因此其可給性濃度較高;當(dāng)加入模擬腸液后,提取環(huán)境的pH 值大幅升高,原本以離子形態(tài)存在的溶解性污染物再次與土壤顆粒吸附結(jié)合,最終導(dǎo)致腸液中污染物的可給性降低[9,26].

表3 氟可給性濃度及人體可給性計(jì)算結(jié)果Table 3 Fluorine bioaccessible concentration and bioaccessibility

2.2 影響因素

雙變量相關(guān)性分析結(jié)果如圖1 所示,該研究中胃提取階段氟的人體可給性最顯著影響因素是土壤中水溶性氟cs'(R2=0.9466, P＜0.01, n=16),其次為TFe (R2=0.8675, P＜0.01, n=16)和TAl (R2=0.8258,P＜0.01, n= 16),但與cs(R2=0.0327, P＞0.05,n=16)及pH (R2= 0.0214, P＞0.05, n=16)無關(guān).模擬胃腸液提取土壤氟本質(zhì)上也是溶液化學(xué)提取,因此可提取含量與水溶性氟含量呈現(xiàn)明顯正相關(guān).前人關(guān)于土壤總氟與水溶性氟相關(guān)性的研究結(jié)果表明在不同土壤總氟受土壤母質(zhì)礦物組分影響變幅極大的前提下,土壤總氟與可溶性氟呈現(xiàn)出非相關(guān)性[27-29],因此根據(jù)相關(guān)性傳遞理論,土壤中氟的可給性濃度也與總氟呈非相關(guān)性.此外,余大富等[30]對(duì)土壤氟背景含量與人體氟效應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行了研究,也發(fā)現(xiàn)土壤總氟量與人體氟效應(yīng)無直接關(guān)系.

在土壤pH 值對(duì)水溶性氟含量影響的研究中,一般認(rèn)為二者存在一定正相關(guān)性[31-32],因?yàn)橥寥乐蠴H-和F-在黏土礦物上會(huì)產(chǎn)生競爭吸附,因此土壤pH 值較大,水溶性氟含量也較高,但在本研究中,胃提取階段氟的人體可給性與土壤pH 值并未呈現(xiàn)出相關(guān)性,這可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中16 個(gè)土壤樣品的pH值為6.42～7.78,變幅相對(duì)較小,土壤水溶性氟、總鐵含量因素對(duì)胃提取階段氟的影響比土壤pH 值的影響更明顯,因此土壤pH 值的影響被掩蓋,但由圖1(b)可以看出,土壤氟胃提取階段濃度明顯小于土壤水溶性氟濃度,這是因?yàn)槲敢耗M液pH 值較低,中和了土壤中的OH-,增強(qiáng)了土壤對(duì)氟的吸附性,因此胃階段氟可給性濃度較低.

圖1(d)和(e)結(jié)果顯示土壤中氟在胃提取階段的可給性濃度與TFe 和TAl 呈正相關(guān).現(xiàn)有研究表明,水-土系統(tǒng)中氟以多種賦存形態(tài)存在,其中,鐵錳結(jié)合態(tài)氟(氟與鐵、錳及鋁的氧化物、氫氧化物和水合氧化物)是土壤中氟的一種重要存在形式,其與土壤pH 值,Fe 和Al 含量呈顯著正相關(guān)[33-34],胃液的強(qiáng)酸性促進(jìn)鐵錳結(jié)合態(tài)氟轉(zhuǎn)化為水溶態(tài),因此,根據(jù)相關(guān)性傳遞理論,在胃提取階段,氟的可給性濃度與TFe和TAl 呈正相關(guān)關(guān)系.此外,鐵鋁氧化物膠體是土壤中氟的主要吸附劑之一,在pH 值較低的環(huán)境條件下,其對(duì)F-的吸附性增強(qiáng),會(huì)使得水溶性氟濃度降低[35],但在本研究中鐵鋁氧化物對(duì)氟的可給性濃度影響并不明顯.

在腸提取階段,溶液pH 值顯著增大,一方面,由于OH-和F-競爭吸附作用的增強(qiáng)促進(jìn)了F-的解吸,另一方面也促進(jìn)了鐵錳結(jié)合態(tài)氟的生成,但相對(duì)于氟在胃階段的可給性濃度,pH 值對(duì)氟在腸提取階段的可給性濃度影響相對(duì)較小,因此,cgb僅與cgib呈顯著正相關(guān)(R2=0.9726,P＜0.01,n=16).

圖1 氟的人體可給性濃度影響因素相關(guān)性分析Fig.1 Correlation analysis of influence factors for fuorine bioaccessible concentration

2.3 人體可給性預(yù)測模型

以相關(guān)土壤理化參數(shù)為自變量,胃及腸提取階段氟的人體可給性濃度為因變量,采用逐步回歸(multi-variable regression)方法擬合基于關(guān)鍵影響因素的人體可給性濃度預(yù)測模型. 為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,隨機(jī)選取8 個(gè)土壤樣品(S1、S3、S5、S7、S9、S11、S13、S15)的測試結(jié)果進(jìn)行建模,再用剩余8 個(gè)土壤樣品的檢測結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證.建模結(jié)果如式(9)、(10)所示.

由式(9)、(10)可知,基于土壤水溶性氟含量和土壤總鋁含量能夠較好的預(yù)測氟在胃階段的人體可給性,R2達(dá)到0.9614,腸階段僅基于cgb即可較好的預(yù)測其人體可給性濃度,R2為0.9848.利用建模的8 個(gè)原始土壤樣品數(shù)據(jù)分別回代至式(9)和(10),計(jì)算表征模型預(yù)測誤差的平均誤差(MAE,該值越小,說明測定值與預(yù)測值之間差異越小,預(yù)測越準(zhǔn)確)、均方根誤差(RMSE,該值越小,表明測定值和預(yù)測值間的偏差越小,測量準(zhǔn)確度越高)以及可決系數(shù)(r2,該值越高,表明全部自變量對(duì)因變量的解釋程度越高,擬合優(yōu)度越大).結(jié)果顯示,對(duì)于式(9),MAE、RMSE 和r2分別為0.02、0.02 和0.97,對(duì)于式(10),三者分別為0.01、0.01 和0.99,表明上述模型的總體預(yù)測精度較高.

圖2 氟的人體可給性濃度模型預(yù)測值與實(shí)測值的相關(guān)性Fig.2 Correlation between predicted and measured values of fuorine bioaccessible concentration

利用剩余8 個(gè)樣品(S2、S4、S6、S8、S10、S12、S14、S16)對(duì)模型預(yù)測的準(zhǔn)確性進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn),結(jié)果如圖2 所示.由圖可知,氟的人體可給性濃度模型預(yù)測值與實(shí)測值相關(guān)性模型的斜率分別為0.74 和0.77,R2大于0.95,說明預(yù)測值與實(shí)測值偏差較小.統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果表明,預(yù)測值與實(shí)測值之間無明顯差異(P＜0.01,n=8).可見,該研究構(gòu)建的模型能較準(zhǔn)確地預(yù)測氟在胃及腸提取階段的人體可給性濃度.

2.4 人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

以土壤中氟濃度及胃腸提取階段的人體可給性濃度,計(jì)算不同氟污染土壤樣品的人體健康風(fēng)險(xiǎn),得到危害商計(jì)算結(jié)果如表4 所示. 由表4 可知,以土壤中總氟化物濃度為暴露濃度計(jì)算的危害商值均在1.0 以上,根據(jù)污染場地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估導(dǎo)則規(guī)定,單一非致癌性污染物可接受的危害商水平為1.0,即本研究中所有氟污染樣品對(duì)人體健康的風(fēng)險(xiǎn)均超過人體健康可接受水平.考慮氟在人體胃液和腸液中的可給性,樣品在胃、腸階段的危害商分別為2.81×10-2～6.63×10-2和1.20×10-2～2.54×10-2,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人體健康可接受水平值.可見,根據(jù)土壤中氟化物濃度作為暴露濃度計(jì)算人體健康風(fēng)險(xiǎn),并依此制訂管理及修復(fù)對(duì)策可能過于保守,在實(shí)施過程中增加不必要的經(jīng)濟(jì)成本.而基于人體胃、腸階段人體可給性的暴露濃度計(jì)算則可能為人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供更為科學(xué)的依據(jù).

表4 氟污染土壤樣品危害商計(jì)算結(jié)果Table 4 Hazard quotient (HQ) of soil samples contaminated by fluorine

3 結(jié)論

3.1 本研究供試土樣中氟在胃提取階段的可給性為2.59%～6.57%,平均值為3.53%,腸提取階段的可給性為1.09%～2.52%,平均值為1.44%,可見,土壤中氟在胃及腸提取階段的人體可給性濃度遠(yuǎn)低于土壤中氟濃度,且模擬胃提取階段氟的人體可給性明顯高于模擬腸提取階段,前者是后者的2.29～2.61 倍.

3.2 土壤中胃提取階段氟的人體可給性濃度與土壤中cs'(P＜0.01,n=16)、TFe(P＜0.01,n=16)和TAl(P＜0.01,n=16)顯著正相關(guān),與cs(P＞0.05,n=16)和pH(P＞0.05,n=16)無關(guān);腸提取階段氟的人體可給性濃度與胃階段氟的可給性濃度(P＜0.01,n=16)顯著正相關(guān).

3.3 基于土壤水溶性氟和總鋁含量構(gòu)建的模型能較好的預(yù)測氟在胃提取階段的人體可給性濃度,相關(guān)系數(shù)(R2)為0.96;基于氟在胃階段的人體可給性濃度構(gòu)建的模型能較好地預(yù)測其在腸提取階段的可給性濃度,R2為0.98.

3.4 以供試土壤樣品中氟濃度為暴露濃度計(jì)算人體健康風(fēng)險(xiǎn)分別是考慮氟在胃、腸液中人體可給性因子的15.23～37.01 倍和39.76～86.67 倍,據(jù)此計(jì)算人體健康風(fēng)險(xiǎn)并依此制訂管理及修復(fù)對(duì)策可能過于保守,在實(shí)施過程中也可能增加不必要的經(jīng)濟(jì)成本.