李子夏,李祥忠,逯 海,周 芳,張昊琪
1.西安醫(yī)學(xué)院 口腔醫(yī)學(xué)院,西安 710021
2.云南大學(xué) 地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心,昆明 650500
3.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院化學(xué)計(jì)量與分析科學(xué)研究所,北京 100013
鉛(Pb)是環(huán)境中常見(jiàn)的有毒有害、可致癌的污染物,廣泛分布在人們的生活與工作環(huán)境中。Pb是一種不可降解的環(huán)境污染物,可通過(guò)食物、土壤、水和空氣等,經(jīng)呼吸道、消化道、皮膚等進(jìn)入機(jī)體,Pb在人體的安全水平為零(Byers et al,2020;Meng et al,2020)。含Pb污染物進(jìn)入人體后,可與人體內(nèi)許多蛋白質(zhì)、酶和氨基酸的官能團(tuán)結(jié)合,干擾機(jī)體正常的生理生化活動(dòng),導(dǎo)致人體神經(jīng)、血液、消化與生殖系統(tǒng)的損害和疾?。⊿anders et al,2009)。目前,Pb污染是危害人類尤其是兒童身體健康的十三種環(huán)境因素中的重大威脅之一,因其可導(dǎo)致神經(jīng)和智力發(fā)育障礙,越來(lái)越受到政府和民眾的重視和關(guān)注(Byers et al,2020;Meng et al,2020)。據(jù)估計(jì),因Pb暴露而導(dǎo)致死亡的人數(shù)每年超過(guò)14萬(wàn)例,占全球疾病負(fù)擔(dān)的0.6%(Papanikolaou et al,2005;O’Connor et al,2020)。隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快,現(xiàn)代工業(yè)迅速發(fā)展,資源開(kāi)采、化工企業(yè)生產(chǎn)和能源消耗不斷向環(huán)境釋放大量Pb,因此Pb中毒不僅是科研人員重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題,也越來(lái)越成為一個(gè)重要的社會(huì)問(wèn)題(Robbins et al,2010;Dong et al,2020)。
人體Pb暴露通??捎萌梭w標(biāo)記物,比如尿液、血液、唾液、頭發(fā)、骨頭等Pb含量來(lái)評(píng)估。由于血Pb、尿Pb和發(fā)Pb樣品容易獲得,其測(cè)定方法簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì),被廣泛用作人體內(nèi)Pb負(fù)荷的生物標(biāo)志物。
然而,成人體內(nèi)90%以上的Pb以不溶性的磷酸鉛(Pb3(PO4)2)形式儲(chǔ)存于身體硬組織(牙齒和骨骼)中,僅少部分與血液維持動(dòng)態(tài)交換。血液或者尿液能夠反映人體樣品采集時(shí)段內(nèi)的Pb暴露信息,而牙齒作為人體硬組織重要部分是人體中Pb積蓄的重要部位,一旦Pb沉積于牙齒中,將穩(wěn)定存在,釋放量可以忽略。因此,牙齒Pb含量記錄了從出生至牙齒脫落前連續(xù)累積的Pb暴露量,即使在血液中無(wú)法檢測(cè)出的長(zhǎng)期、連續(xù)、低劑量的Pb暴露也可在牙齒中檢測(cè)到(Barbosa et al,2005;Arruda-Neto et al,2009;de Almeida et al,2011;Zeng et al,2012;Ceni?-Milosevi? et al,2013;Akkus and Ozdenerol,2014;Amin,2014;Shishniashvili et al,2016)。這也是為什么齒Pb逐漸被廣泛用于反映環(huán)境Pb暴露的原因。
以上認(rèn)識(shí),也得到一些動(dòng)物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí),因涉及到倫理,人類一直未有現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文充分考慮到這些情況,通過(guò)生活在不同鉛暴露區(qū)的居民離體牙Pb含量的研究來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證。采集了高鉛暴露區(qū)(鉛鋅冶煉廠地區(qū))和鉛暴露對(duì)照區(qū)(農(nóng)業(yè)種植區(qū))附近長(zhǎng)期居住、不同年齡段居民的離體牙,采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)定分析離體牙的Pb含量,旨在論述不同Pb暴露地區(qū)人牙齒Pb含量特征和年齡關(guān)系。
電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS):鉑金埃爾默300D 型ICP-MS。
酸純化系統(tǒng):美國(guó)Savillex DST-1000亞沸蒸餾系統(tǒng)。
超純水系統(tǒng):密理博MIlli-Q超純水儀。
H2O2和HNO3為UP級(jí)(蘇州晶瑞化學(xué)股份有限公司),其中HNO3經(jīng)DST-1000亞沸蒸餾純化后使用。
Pb含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):(1)GSB04-1767-2004多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液:100 μg · g-1(國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心研制);(2)Spex多元素混標(biāo)CLMS-5。
超級(jí)微波消解系統(tǒng):麥爾斯通UltraWAVE超級(jí)微波化學(xué)平臺(tái)(Milestone公司,意大利;中國(guó)萊伯泰科代理)。
采集高鉛暴露區(qū)(西北某鉛鋅冶煉廠地區(qū))和鉛暴露對(duì)照區(qū)(農(nóng)業(yè)種植區(qū))附近長(zhǎng)期居住、不同年齡段居民的離體牙。按年齡段分為兒童(6 —12歲)、青 年(13 — 24歲)、成 年 人(25 — 64歲)和老年人(>65歲)四個(gè)組別,每個(gè)組別的牙齒個(gè)數(shù)分別大于35顆。每顆離體牙樣本,首先用去離子水沖洗干凈,放入丙酮溶液中浸泡24 h,接著用手術(shù)刀將牙表面的血跡、附著表面的軟組織等有機(jī)物仔細(xì)刮凈,用去離子水和乙醇沖洗干凈后晾干,裝入編好號(hào)的樣品袋。實(shí)驗(yàn)前將經(jīng)過(guò)前處理的牙齒樣品進(jìn)一步處理獲得牙釉質(zhì),將牙釉質(zhì)用瑪瑙研缽研磨至200目。稱取50 mg牙釉質(zhì)樣品放入消解罐,加入3 mL 50%的HNO3和2 mL 30%的H2O2溶 液,輕 輕 晃 動(dòng)消解罐,放入U(xiǎn)ltraCLAVE微波系統(tǒng)消解,消解完畢后冷卻定容至25 mL待用,同步做試劑空白實(shí) 驗(yàn)(Li et al,2013;He et al,2015;He et al,2016;He et al,2019)。
Pb含 量 采 用PE 300D型ICP-MS測(cè) 定,測(cè)定前先用質(zhì)量調(diào)諧液進(jìn)行儀器調(diào)諧。在儀器的最佳工作參數(shù)條件下,按儀器操作規(guī)程,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制、空白及樣品測(cè)定,獲得測(cè)定結(jié)果。
射頻功率、載氣流量和采樣深度是ICP-MS最重要的參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中,采用質(zhì)量調(diào)諧溶液對(duì)對(duì)儀器的靈敏度、測(cè)定精密度等儀器的工作條件進(jìn)行優(yōu)化,得到優(yōu)化的試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。
表1 ICP-MS 儀器工作參數(shù)Tab. 1 The operation parameters for ICP-MS
在選定的微波消解-ICP-MS測(cè)定條件下,對(duì)采集于鉛鋅冶煉廠地區(qū)(高鉛暴露區(qū))和農(nóng)業(yè)種植區(qū)(鉛暴露對(duì)照區(qū))不同年齡段人體離體牙進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)圖1。
圖1表明:生活在不同Pb暴露區(qū)的居民,牙齒Pb含量差異明顯。生活在農(nóng)業(yè)種植區(qū)的兒童、青年、成年人和老年人的牙齒平均Pb含量分別是(23.6 ± 10.4) μg · g-1、(26.5 ± 18.3) μg · g-1、(24.3 ±9.4) μg · g-1和(28.6 ± 11.5) μg · g-1,而生活在鉛鋅冶煉廠周圍兒童、青年、成年人和老年人的牙齒平均Pb含 量 則 分 別 是(60.8 ± 15.3) μg · g-1、(110.7 ±20.6) μg · g-1、(140.3 ± 25.9) μg · g-1和 (200.1±30.5) μg · g-1。生活在高Pb暴露區(qū)居民的牙齒Pb含量比同年齡段農(nóng)業(yè)種植區(qū)的要高。
圖1同時(shí)表明:生活在高Pb暴露區(qū)的居民,老年人齒Pb含量明顯高于兒童,兒童(6 —12歲)為(60.8 ± 15.3) μg · g-1,老 年 人(>65歲)為(200.1 ± 30.5) μg · g-1,約為兒童的3倍;而生活在Pb暴露對(duì)照區(qū)居民,齒Pb含量與年齡變化無(wú)明顯相關(guān)性,兒童(6 — 12歲)為(23.6 ± 10.4) μg · g-1,老年人(>65歲)為(28.6 ± 11.5) μg · g-1。
圖1 不同Pb暴露區(qū)人體離體牙Pb含量和年齡關(guān)系Fig. 1 Relationship between lead content in human isolated teeth and age in different lead exposure areas
由污染源排入環(huán)境中的Pb主要以無(wú)機(jī)Pb或化合物的形式存在,再通過(guò)呼吸道、消化道進(jìn)入人體,與體內(nèi)一系列蛋白質(zhì)、酶和氨基酸的功能團(tuán)(巰基)結(jié)合,以磷酸氫鉛、甘油磷酸化合物、蛋白質(zhì)化合物或Pb2+化合物形式存在,并很難被排出體外,僅有小部分可以通過(guò)消化系統(tǒng)和其他代謝途徑,如汗液、脫毛發(fā)、脫皮等方式排出。環(huán)境中的Pb無(wú)處不在,物品本身含有鉛或各種物品表面有沉淀下來(lái)的Pb,人體通過(guò)呼吸和手直接接觸這些物品都會(huì)增加攝入Pb的機(jī)會(huì)(Byers et al,2020)。因此,牙齒Pb水平與居住環(huán)境、生活習(xí)慣和飲食習(xí)慣等多種因素有關(guān)。
根據(jù)本研究結(jié)果,對(duì)比Pb暴露區(qū)和Pb對(duì)照區(qū)數(shù)據(jù),可以明顯獲知環(huán)境對(duì)牙齒Pb的影響。前人研究結(jié)果表明:鉛鋅冶煉廠周圍降塵中的Pb含量較高,是 陜 西 省 表 層 土 壤 鉛 背 景 值 21.4 mg · kg-1的10 — 154倍(Li et al,2020)。即使后期鉛鋅冶煉廠關(guān)閉,其前期沉降下來(lái)的Pb仍會(huì)在下風(fēng)向的土壤中長(zhǎng)期存在。環(huán)境中的Pb又會(huì)以各種形式被該地區(qū)的居民吸收(de Almeida et al,2007;Hegde et al,2010)。因此高Pb暴露區(qū)的Pb會(huì)被該地區(qū)的居民吸收并蓄積在牙齒中,造成該地區(qū)居民牙齒Pb含量逐年增加(Arora et al,2009;Al-Qattan and Elfawal,2010;Fischer and Wiechu?a,2016;Fernández-Escudero et al,2020)。本 研 究也表明:高Pb暴露區(qū)居民受到環(huán)境Pb的影響,其牙齒Pb的含量隨年齡增長(zhǎng)逐漸升高。
受環(huán)境污染和工業(yè)影響,通過(guò)呼吸道、飲食或體表接觸等方式,人體攝入大量的Pb,而攝入的Pb對(duì)人體健康造成嚴(yán)重影響。因此,如何快速、準(zhǔn)確地獲得人體Pb含量是各醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)部門(mén)及其他社會(huì)部門(mén)所關(guān)注的重要問(wèn)題。
研究和實(shí)踐表明:血Pb含量能一定程度上顯示Pb在體內(nèi)吸收、停留、釋放、排泄的變化,是反映近期Pb接觸的重要指標(biāo)。無(wú)論是在環(huán)境Pb污染較嚴(yán)重的情況下,還是在穩(wěn)定的低水平Pb接觸狀態(tài)下,血Pb都能反映當(dāng)時(shí)體內(nèi)的Pb含量狀況。但是,血Pb水平只與環(huán)境Pb暴露水平呈平衡關(guān)系,而不能直接反映人體Pb負(fù)荷量的高低,因此不能表征Pb在人體內(nèi)的積存效應(yīng)。攝入人體90% — 95%的Pb主要存儲(chǔ)在骨骼和牙齒等硬組織中,且它們存儲(chǔ)的半衰期較長(zhǎng)。因此,骨Pb和齒Pb是正確反映人體受Pb污染中毒程度的理想指標(biāo),可以作為累積接觸的生物標(biāo)志物(Kamberi et al,2012;Shepherd et al,2016;Shishniashvili et al,2016)。雖然體內(nèi)X射線熒光技術(shù)的發(fā)展,推動(dòng)了體內(nèi)骨基質(zhì)Pb含量的測(cè)定,但由于技術(shù)的復(fù)雜性,采用不同激發(fā)源測(cè)試的骨Pb含量相差較大,無(wú)法得到廣泛使用。而與骨Pb一樣可以代表機(jī)體Pb負(fù)荷指標(biāo)的齒Pb,不僅適于換牙期兒童Pb毒性的研究,也可以用于美容、醫(yī)療等拔除后的離體牙研究,應(yīng)用范圍大大擴(kuò)展(Arruda-Neto et al,2009)。因此,人體離體牙Pb有可能作為人體長(zhǎng)期Pb暴露優(yōu)選生物標(biāo)志物。
基于微波和ICP-MS聯(lián)用測(cè)定不同Pb暴露區(qū)、不同年齡人體離體牙的Pb含量,獲得以下認(rèn)識(shí):
(1)鉛鋅冶煉廠地區(qū)(高Pb暴露區(qū))和農(nóng)業(yè)種植區(qū)(Pb暴露對(duì)照區(qū))人體離體牙Pb含量存在顯著不同的特征。生活在高Pb暴露區(qū)的居民,老年人齒Pb含量明顯高于兒童,兒童(6 — 12歲)為(60.8 ± 15.3) μg · g-1,老年人(>65歲)為(200.1 ±30.5) μg · g-1,約是兒童的3倍;而生活在Pb暴露對(duì)照區(qū)居民,齒Pb含量與年齡變化無(wú)明顯相關(guān)性,兒 童(6 — 12歲)為(23.6 ± 10.4) μg · g-1,老年人(>65歲)為(28.6 ± 11.5) μg · g-1。
(2)生活在高Pb暴露區(qū)的人群,其牙齒不斷蓄積環(huán)境來(lái)源的Pb,而Pb一旦蓄積于牙齒,將穩(wěn)定存在,因此人體離體牙Pb有可能作為人體長(zhǎng)期Pb暴露優(yōu)選生物標(biāo)志物。