陳奕

1. 上海城投上境生態(tài)修復(fù)科技有限公司，上海 200232 2. 上海污染場地修復(fù)工程技術(shù)研究中心，上海 200232

由于我國早期工業(yè)生產(chǎn)過程中的環(huán)保措施不完善，導(dǎo)致工業(yè)區(qū)域的土壤普遍受到重金屬污染。目前，土壤重金屬污染已成為我國污染面積最廣、危害最大的環(huán)境問題之一[1]。但為了滿足城市建設(shè)用地需求，很多被污染的土地轉(zhuǎn)為商業(yè)或居住用地[2]。土地再利用過程中，對土壤重金屬污染進(jìn)行人體健康風(fēng)險(xiǎn)評估十分必要，也是管理部門制訂相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控方案的基礎(chǔ)。

重金屬具有很強(qiáng)的毒性和生物累積效應(yīng)，容易對人體健康造成危害，引發(fā)疾病和多種健康風(fēng)險(xiǎn)[3]。土壤中重金屬元素進(jìn)入人體的途徑包括食物鏈、無意經(jīng)口攝入、呼吸和皮膚接觸等[4]。其中，無意經(jīng)口攝入為人體重金屬攝入的主要途徑[5]。在目前的健康風(fēng)險(xiǎn)評估體系的假設(shè)中，經(jīng)口攝入的土壤重金屬元素常被認(rèn)為能完全進(jìn)入人體并被吸收。在計(jì)算暴露劑量時(shí)常以進(jìn)入人體的重金屬元素總量作為基準(zhǔn)來評價(jià)其危害指數(shù)。實(shí)際上，土壤中重金屬元素經(jīng)口攝入后不能完全被人體胃液及腸液吸收[6-7]，其對人體健康的負(fù)面影響很可能會被高估。因此，以土壤中重金屬總量進(jìn)行人體健康風(fēng)險(xiǎn)評估的結(jié)果過于保守，容易造成污染場地的過度修復(fù)。重金屬生物可給性(bioaccessibility)是指在模擬的人工腸胃系統(tǒng)中，重金屬元素直接進(jìn)入人體的消化系統(tǒng)并被人體胃腸道溶解出的比例[8]。重金屬生物可給性含量則能更準(zhǔn)確評估污染場地土壤的人體健康風(fēng)險(xiǎn)。

近年來，歐美國家已經(jīng)開展了重金屬生物可給性的體外消化實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于污染場地風(fēng)險(xiǎn)評估。美國環(huán)境保護(hù)局(US EPA)在2007年頒布了場地風(fēng)險(xiǎn)評估過程中測試污染物的生物可給性的技術(shù)導(dǎo)則[9]。英國環(huán)境污染評估與修復(fù)合作研究中心在2009年頒布了關(guān)于污染物生物可給性的技術(shù)報(bào)告[10]。利用生物可給性評價(jià)土壤重金屬對人體的健康風(fēng)險(xiǎn)逐步成為人體健康風(fēng)險(xiǎn)評估的重要方法之一[11-12]。研究土壤中重金屬生物可給性的常用方法有體內(nèi)試驗(yàn)(invivo)和體外試驗(yàn)(invitro)。由于體外試驗(yàn)方法具有設(shè)計(jì)試驗(yàn)簡單快速、費(fèi)用低、可控性強(qiáng)和分析結(jié)果較準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，正逐步成為研究重金屬生物可給性的重要方法[13]。

我國陸續(xù)開發(fā)了許多工業(yè)園區(qū)，其土壤普遍存在重金屬污染物，并呈現(xiàn)多種重金屬污染共存的特征，而其人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)尚缺乏有效的方法。本研究以蘇州某工業(yè)園區(qū)為例，選取體外胃腸法(IVG)分析了污染場地土壤重金屬元素Cu、As、Sb和Ni的生物可給性，探究了土壤理化性質(zhì)對重金屬元素生物可給性的影響，并分析其相關(guān)性。同時(shí)，利用基于生物可給性的人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，評估了污染場地中經(jīng)口攝入的土壤重金屬對暴露人群造成的健康風(fēng)險(xiǎn)，以期為今后土壤重金屬生物可給性在污染場地修復(fù)中的應(yīng)用提供案例支持。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 供試土壤

本研究采集的土壤來自某工業(yè)園區(qū)廢棄地塊，將該地塊等面積劃分出3個(gè)采樣區(qū)(A區(qū)、B區(qū)和C區(qū))，運(yùn)用棋盤式布點(diǎn)法，在每個(gè)采樣區(qū)布設(shè)10個(gè)采樣點(diǎn)，共設(shè)置30個(gè)采樣點(diǎn)，分布如圖1所示。在各采樣點(diǎn)采集0～20 cm表層土壤樣品。分別為A1～10、B1～10和C1～10，共30個(gè)土壤樣品。A1～10、B1～10和C1～10分別均勻混合，用四分法隨機(jī)取2 kg土壤，裝入聚乙烯樣品袋，多余部分棄去，分別為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)土樣，去除石粒、植物殘?bào)w等雜質(zhì)后自然風(fēng)干，使用木制工具研磨，過250 μm(60目)尼龍篩后保存待測。

圖1 采樣點(diǎn)分布示意圖Fig. 1 The sketch map of soil sampling sites

1.2 土壤理化性質(zhì)

土壤樣品基本理化性質(zhì)參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》進(jìn)行分析測定[14]。每個(gè)區(qū)域采集的土壤做3個(gè)平行樣，分別為A區(qū)(A1、A2和A3)、B區(qū)(B1、B2和B3)和C區(qū)(C1、C2和C3)，土壤pH值采用水提法(土水質(zhì)量比為1∶2.5)[14]，土壤有機(jī)質(zhì)含量采用外加熱-重鉻酸鉀法[15]，采用粒徑分析儀(MALVERN Mastersizer 2000，英國)進(jìn)行土壤粘粒分析[16]。土壤樣品經(jīng)100目篩篩分處理后，采用ICP-MS元素分析儀(7500cx，Agilent，美國)檢測土壤重金屬濃度。測定土壤重金屬總量時(shí)進(jìn)行質(zhì)量控制，每個(gè)土樣做3個(gè)平行試驗(yàn)，每批樣設(shè)2個(gè)試劑空白，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)均用空白值進(jìn)行校正。

1.3 In vitro實(shí)驗(yàn)

本研究使用的invitro實(shí)驗(yàn)方法主要是體外胃腸法(IVG)，連續(xù)模擬人體的胃和小腸階段。

1.3.1 模擬胃階段

配制模擬胃液，準(zhǔn)確稱取8.770 g NaCl和10 g胃蛋白酶，加入去離子水稀釋定容至1 000 mL，充分搖勻使其完全溶解。準(zhǔn)確稱取(1.000±0.001) g土壤樣品于250 mL錐形瓶中，加入150 mL胃模擬液和50 g生面團(tuán)，搖勻后在溫度為37 ℃、轉(zhuǎn)速為100 r·min-1的搖床中震蕩，并持續(xù)通入1 L·min-1氬氣。10 min后檢查pH值是否為1.800±0.100，若偏離，則用體積分?jǐn)?shù)為10%的HCl或飽和NaHCO3調(diào)節(jié)。隨后每15 min檢查一次，使pH穩(wěn)定在1.800±0.100。1 h后，將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移至離心管中，以10 000 r·min-1離心10 min，使用0.450 μm醋酸纖維膜過濾，取50 mL過濾后的反應(yīng)液，加入1～2滴1 mol·L-1硝酸溶液，1～4 ℃保存待測。反應(yīng)液中重金屬濃度以c表示。

1.3.2 模擬小腸階段

胃階段消化結(jié)束后，用飽和NaHCO3將反應(yīng)液pH值調(diào)至5.5，加入0.360 g膽汁鹽和0.036 g胰蛋白酶，搖勻后在37 ℃、轉(zhuǎn)速為100 r·min-1的搖床中震蕩，并持續(xù)通入1 L·min-1氬氣。10 min后檢查pH值是否為5.500±0.100，若偏離，用體積分?jǐn)?shù)為10%的HCl或飽和NaHCO3調(diào)節(jié)。隨后每15 min檢查一次，使之穩(wěn)定在5.500±0.100。1 h后，將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移至離心管中，10 000 r·min-1離心10 min，使用0.450 μm醋酸纖維膜過濾，取50 mL過濾后的反應(yīng)液，加入1～2滴1 mol·L-1硝酸溶液，4 ℃保存待測。反應(yīng)液中重金屬濃度也以c表示。

1.4 生物可給性計(jì)算

1.4.1 溶解態(tài)量

在體外胃腸法實(shí)驗(yàn)中的胃階段和小腸階段，從單位質(zhì)量土壤中溶出重金屬的含量，稱為土壤重金屬的溶解態(tài)含量，由下式計(jì)算：

Ds=(c×V)/Ms

式中：Ds為土壤重金屬元素在胃、小腸階段的溶解態(tài)含量(mg·kg-1)；c為胃、小腸階段反應(yīng)液中重金屬元素含量(mg·L-1)；V為胃、小腸階段反應(yīng)液的體積(L)；Ms為反應(yīng)器中土壤的質(zhì)量(g)。

1.4.2 生物可給性

BA(%)=Ds/Ts×100%

式中：BA為重金屬元素在胃、小腸階段的的生物可給性(%)；Ds為土壤重金屬元素在胃、小腸階段的溶解態(tài)含量(mg·kg-1)；Ts為土壤樣品中重金屬元素的含量(mg·kg-1)。

1.5 健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

采用土壤中單一污染物危害商模型評價(jià)工業(yè)園區(qū)土壤重金屬元素經(jīng)口攝入后對人體產(chǎn)生的健康危害。由于采樣區(qū)域?yàn)榉敲舾杏玫?，因此，只考慮土壤重金屬對成人暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)。依據(jù)《污染場地風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.3—2014)[17]計(jì)算危害商指數(shù)HQois，采用重金屬總量及生物可給性為參數(shù)，對風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果進(jìn)行修正。其中，單一污染物的可接受危害商為1。經(jīng)口攝入土壤途徑的危害商指數(shù)HQois采用下式計(jì)算：

式中：HQois為經(jīng)口攝入土壤途徑的危害商(無量綱)；SAF為暴露于土壤的參考劑量分配系數(shù)(無量綱)；QISERnc為經(jīng)口攝入土壤暴露量(非致癌效應(yīng))(kg(土壤)·kg-1(體重)·d-1)；csur為表層土壤中污染物濃度(mg·kg-1)；必須根據(jù)場地調(diào)查獲得以上參數(shù)值；RfDo為經(jīng)口攝入?yún)⒖紕┝?mg(污染物)·kg-1(體重)·d-1)。

1.6 數(shù)據(jù)分析方法

采用Microsoft Office Excel 2010及SPSS21(IBM)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；采用GraphPad Prizm進(jìn)行圖形制作。

2 結(jié)果(Results)

2.1 土壤理化性質(zhì)

采樣區(qū)域土壤基本理化性質(zhì)如表1所示，該污染場地pH為9.812±0.724，屬于堿性土壤。有機(jī)質(zhì)分布不均勻，為(84.324±82.745) g·kg-1，粘粒為17.314%±4.831%，屬于粉(砂)壤土質(zhì)地。區(qū)域土壤重金屬污染分布有顯著差異性，A區(qū)Cu含量較高，為(5 682.845±598.338) mg·kg-1，As含量較低，為(5.943±0.194) mg·kg-1。B區(qū)As含量較高，為(10.284±0.752) mg·kg-1。C區(qū)Cu含量較低，為(264.087±21.793) mg·kg-1，Sb含量較高，為(22.327±4.409) mg·kg-1，Ni全區(qū)分布較均勻，為(32.958±5.537) mg·kg-1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)及重金屬元素含量Table 1 Basic characteristics of the soils and contents of heavy metals

2.2 胃腸階段重金屬的溶解態(tài)含量

各區(qū)域胃腸階段土壤中重金屬元素溶解態(tài)含量平均值如表2所示。不同區(qū)域土壤中Cu、As、Sb和Ni的溶解態(tài)含量有較大差異。胃階段土壤中Cu、As、Sb和Ni的溶解態(tài)含量范圍分別為100.669～2 657.269、2.419～4.331、0.788～3.525和10.575～14.100 mg·kg-1，小腸階段土壤中Cu、As、Sb和Ni的溶解態(tài)含量范圍分別為41.047～2 333.453、1.766～3.359、0.250～1.156和8.375～10.969 mg·kg-1。從胃階段到小腸階段，各重金屬元素的溶解態(tài)含量均有所降低。

2.3 胃腸階段土壤中重金屬的生物可給性及其關(guān)聯(lián)因素

胃腸階段土壤中重金屬元素的生物可給性如圖2所示。在胃腸階段，土壤中Cu、As、Sb和Ni的生物可給性有較大差異。胃階段土壤中Cu、As、Sb和Ni的生物可給性范圍分別為2.145%～50.231%、27.571%～44.400%、11.241%～20.261%和27.414%～46.555%。小腸階段土壤中Cu、As、Sb和Ni的生物可給性范圍分別為16.986%～46.658%、20.726%～34.437%、3.984%～7.433%和20.968%～39.502%。從胃階段到小腸階段，土壤中Cu的生物可給性降低了0.403%～24.672%，As的

表2 胃腸階段重金屬的平均溶解態(tài)含量Table 2 The average dissolved content of heavy metals in the gastric and small intestinal phase

圖2 土壤中重金屬在胃、小腸階段的生物可給性注：A、B、C和D分別表示A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)和全區(qū)。Fig. 2 Bioaccessibility of soil heavy metals in the gastric and small intestine phaseNote: A, B, C and D represent area A, B, C, and the whole region, respectively.

生物可給性降低了5.748%～11.661%，Sb的生物可給性降低了6.887%～14.333%，Ni的生物可給性降低了3.299%～12.747%。土壤中Cu在胃階段和小腸階段的平均生物可給性均最高，分別為41.550%和31.856%，Sb在胃階段和小腸階段的平均生物可給性均最低，分別為15.444%和5.564%。

對土壤樣品的基本理化性質(zhì)、土壤中重金屬元素含量、重金屬元素在胃腸階段的溶解態(tài)含量及其生物可給性進(jìn)行了Pearson相關(guān)性分析，各因素相關(guān)系數(shù)如圖3所示。結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)與總Cu含量和溶解態(tài)含量呈顯著正相關(guān)性，與Ni的生物可給性呈顯著負(fù)相關(guān)性。土壤pH值與總Cu含量和溶解態(tài)含量呈顯著負(fù)相關(guān)性。土壤粘粒與總Sb含量和溶解態(tài)含量呈顯著負(fù)相關(guān)性。土壤總Cu、As和Sb含量與其溶解態(tài)含量呈顯著正相關(guān)性，總Ni含量與其胃腸生物可給性呈顯著負(fù)相關(guān)性?？侰u含量和溶解態(tài)含量與Ni的生物可給性呈顯著負(fù)相關(guān)性。

圖3 各因素之間的相關(guān)性(n=9)注：**、*表示相關(guān)性(P<0.01)、相關(guān)性(P<0.05)；T表示總量，G表示胃溶解態(tài)，I表示小腸溶解態(tài)，G-B表示胃生物可給性，I-B表示小腸生物可給性；OM表示有機(jī)質(zhì)含量，Clay表示粘粒含量。Fig. 3 Correlations matrix for the factors (n=9)Note: **, * indicate correlation (P <0.01) and correlation (P <0.05); T, G, I, G-B and I-B represent the total amount, dissolved state in the stomach, dissolved state in the small intestine, bioavailability of the stomach, and bioavailability of the small intestine, respectively; OM stands for organic matter content and Clay stands for clay content.

2.4 人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

本研究利用土壤重金屬總量和生物可給性含量為參數(shù)對人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，并對結(jié)果進(jìn)行了比較。重金屬對人體健康的危害一直被認(rèn)為是從吸收開始的[18]。雖然，本研究中重金屬胃階段可給性較高，但是人體胃的吸收能力微弱，腸道才是人體吸收的主要場所。所以，結(jié)合實(shí)際的人體吸收情況，采用小腸階段的生物可給性作為人體健康風(fēng)險(xiǎn)評估的主要參數(shù)，結(jié)果如表3所示。用重金屬的生物可給性修正前，全區(qū)土壤中Cu、As、Sb和Ni的危害商指數(shù)范圍分別為0.036～0.923、0.116～0.224、0.073～0.390和0.007～0.012，平均值分別為0.462±0.358、0.171±0.041、0.183±0.122和0.010±0.002；修正后，重金屬元素的危害商指數(shù)顯著降低，全區(qū)土壤中Cu、As、Sb和Ni的危害商指數(shù)范圍分別為0.006～0.352、0.035～0.068、0.004～0.017和0.003～0.040，平均值分別為0.173±0.144、0.050±0.013、0.010±0.005和0.003±0.001。其中，Cu的危害商指數(shù)最高，Ni的危害商指數(shù)最低。修正前后全區(qū)重金屬元素的危害商指數(shù)均<1，風(fēng)險(xiǎn)水平可接受。

3 討論(Discussion)

3.1 胃腸階段重金屬生物可給性

本研究中，土壤中重金屬元素在胃腸階段的生物可給性差異較大，其差異主要與土壤理化性質(zhì)(pH、粘粒和有機(jī)質(zhì)等)和實(shí)驗(yàn)中pH、固液比和停留時(shí)間等參數(shù)有關(guān)。土壤中重金屬元素的生物可給性可能是多種因素共同作用的結(jié)果，比如土壤的重金屬總量就是一個(gè)重要的影響因素，本研究中Cu在胃階段和小腸階段的平均生物可給性均最高，Sb在胃階段和小腸階段的平均生物可給性均最低，因?yàn)橥寥罉悠分锌侰u含量最高，總Sb含量最低，總Cu的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于總Sb。土壤有機(jī)質(zhì)、pH和粒徑都會影響重金屬生物可給性[19]。本研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)與總Cu含量和溶解態(tài)含量呈顯著正相關(guān)性，土壤pH值與總Cu含量和溶解態(tài)含量呈顯著負(fù)相關(guān)性。土壤粘粒與總Sb含量和溶解態(tài)含量呈顯著負(fù)相關(guān)性，總Ni含量與其胃腸生物可給性呈顯著負(fù)相關(guān)性。Palmer等[20]發(fā)現(xiàn)土壤中總Ni含量與其胃腸生物可給性呈顯著負(fù)相關(guān)性，與本文研究結(jié)果相印證。

表3 用生物可給性修正前后土壤中重金屬的危害商(HQois)Table 3 The hazard quotient index (HQois) of heavy metals in soil before and after correction by bioaccessibility

本研究中，土壤Cu、As、Sb和Ni在胃階段的生物可給性均高于小腸階段的生物可給性，這可能是因?yàn)槲鸽A段到小腸階段時(shí)，模擬腸液環(huán)境變化大，重金屬發(fā)生沉淀反應(yīng)，重新被固定，從而降低了生物可給性。Vasiluk等[21]研究發(fā)現(xiàn)土壤中Ni的生物可給性在胃向小腸階段轉(zhuǎn)化后顯著降低。Juhasz等[22]研究發(fā)現(xiàn)IVG方法中胃階段As生物可給性高于小腸階段。但是，不同的方法不同的參數(shù)條件在胃腸轉(zhuǎn)化中可能會呈現(xiàn)不同的規(guī)律。Poggio等[23]用體外模擬方法研究農(nóng)業(yè)及居民區(qū)土壤重金屬生物可給性發(fā)現(xiàn)，Cu的生物可給性從胃到小腸階段由20%升到了35%。Pouschat和Zagury[24]用IVG方法研究了鉻化砷酸銅污染土壤中As的生物可給性，發(fā)現(xiàn)其小腸階段高于胃階段。

3.2 基于生物可給性的人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

本研究中，與基于重金屬總量的危害商相比，基于重金屬生物可給性的危害商顯著降低。雖然，單一重金屬的危害商均<1，但多種重金屬復(fù)合的危害商可能>1，因此，重金屬的復(fù)合污染及其風(fēng)險(xiǎn)需要納入健康風(fēng)險(xiǎn)評估中。以基于生物可給性的無意經(jīng)口攝入量替代總量已成為研究土壤中重金屬對人體健康風(fēng)險(xiǎn)的重要方法之一。Liu等[25]研究了農(nóng)村土壤中As對兒童的總致癌健康風(fēng)險(xiǎn)，在基于重金屬總量和可給量2種情況下的評價(jià)結(jié)果分別為5.98×10-5和3.04×10-5。李繼寧等[26]研究發(fā)現(xiàn)，銻礦地區(qū)土壤重金屬對人體具有較高的非致癌和致癌風(fēng)險(xiǎn)，而由于土壤重金屬生物可給性普遍較低，因此，用其對風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果調(diào)整后，重金屬對暴露成人的健康危害并不顯著。依據(jù)土壤重金屬總量會過高估算人體的暴露風(fēng)險(xiǎn)，而考慮生物可給性，對準(zhǔn)確評價(jià)人體健康風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。開展污染場地健康風(fēng)險(xiǎn)評估能為后續(xù)修復(fù)技術(shù)方法可行性評估、修復(fù)工程實(shí)施及場地修復(fù)驗(yàn)收提供基礎(chǔ)依據(jù)。基于體外實(shí)驗(yàn)的重金屬生物可給性研究是完善我國重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的重要途徑之一。本文基于工業(yè)區(qū)場地多種重金屬污染的研究，為污染場地的健康風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)確評估提供重要案例和科學(xué)依據(jù)。