王晓飞,许桂苹,魏萌萌,陈丽君,张海强

(1.广西大学 轻工与食品工程学院,广西 南宁 530004;2.广西壮族自治区环境监测中心站,广西 南宁 530028)



不同体外模拟法提取农田土壤重金属的研究

王晓飞1,2,许桂苹1,2,魏萌萌1,陈丽君1,张海强2

(1.广西大学 轻工与食品工程学院,广西 南宁 530004;2.广西壮族自治区环境监测中心站,广西 南宁 530028)

摘要：采用3种体外消化方法(SBET、PBET和SGET),对农田土壤中重金属元素Cu、Zn、Pb和Cd进行了提取效果分析。结果表明:3种方法的模拟消化液对土壤中Cu、Zn和Cd的提取量表现为SBET>PBET>SGET;3种方法的模拟消化液中胃液对土壤中同一重金属的提取量表现为SGET>PBET>SBET;土壤中Cu、Zn、Pb和Cd在PBET和SGET法中经胃液消化的产物进入肠液后溶解量降低。因此,在重金属Cu、Zn、Pb和Cd经土壤-口腔途径对人体健康风险的评价中,基于保护人体健康,可通过由模拟胃液组成的体外消化法来研究它们的生物可接受性。

关键词：体外消化方法;模拟消化液;重金属;土壤;提取

近几年,我国耕地土壤的重金属污染现象较为普遍[1-2],且随着工业化[3]和城市化[4-5]的快速发展,土壤重金属污染问题备受关注[6-7]。土壤-口腔途径是重金属元素对不同人群的身体健康产生危害的主要途径之一,如果直接采用土壤重金属全量来进行人体健康风险评价,则会高估其负面影响,因为通过口腔摄入的土壤重金属量并不是人体实际吸收的量[8-10]。因此,已有学者将模拟人体消化程序的体外消化实验引入环境科学,认为通过分析测定得出的能被人体消化液溶解、有可能被吸收的那部分土壤重金属量优于土壤全量评价得出的结果,更能真实地反映土壤重金属的生物可接受性[11-13]。

目前,国内外学者对土壤重金属的生物可接受性研究较少,主要通过分析测定土壤重金属在体外模拟消化液中溶解量的方法来评价土壤重金属的污染。有关文献[14-16]报道的不同体外消化实验所用的模拟消化液均是参照人体的消化液组成进行设计的,但是具体模拟消化液组成和操作程序稍有区别,从而导致不同体外消化试验的结果存在差异,缺乏可比性。

我们以广西某尾矿库溃坝影响区域的农田土壤为研究对象,选择SBET、SGET和PBET 3种具有代表性的体外消化方法依次进行溶解分离,测定模拟消化液中重金属Cu、Zn、Pb、Cd的含量,分析测定结果的差异性,以期为正确选择合适的体外消化方法提供依据,为开展土壤重金属人体健康风险评价提供科学依据。

1材料与方法

1.1土壤样品采集与前处理

土壤样品采集于广西某尾矿库溃坝影响区域的农田甘蔗地土壤,按照五点法共采集3个表层(0～10 cm )土壤混合样品。将所采集样品放置于实验室内自然风干,挑拣出样品中的甘蔗根和小石块等杂质,将风干的土样按照四分法取适量样品分别过20目和100目尼龙筛,装袋,供分析用[18]。

1.2样品分析

土壤pH值、有机质含量和阳离子交换量的测定参照文献[19];重金属Cu、Zn、Pb和Cd的全量测定参照文献[20];包括体外消化实验样品在内的消化液或提取液中重金属含量的测定同样参照文献[20]，采用电感耦合等离子体质谱法。在分析过程中加入国家标准样品GSS-21和GSS-25，以进行质量控制,确保各重金属的回收率均在允许范围内。

1.3不同模拟消化液的组成及消化条件

消化实验所用土壤均过100目,与消化液以1∶100的比例进行混合,放置于预先设定好的恒温水浴箱(37 ℃)中振荡(100 r/min)一定时间；在振荡结束后，将消化液离心(4000 r/min)10～15 min，然后取上清液，过0.45 μm滤膜后待测。SBET(Simple Bioaccessibility Extraction Test)、PBET(Physiologically-Based Extraction Test)和SGET(Simple Gastrointestinal Extraction Test)这3种体外消化方法的具体组成及操作步骤参照文献[13]。

1.4统计分析

采用Microsoft Office Excel 2010及SPSS 21.0 for Windows进行数据统计分析。

2结果与分析

2.1土壤的理化性质与重金属含量

从表1可知：本实验土壤pH值的平均值为4.60,呈酸性至强酸性；土壤重金属Cu、Zn、Pb和Cd含量的平均值分别为37.59、797.31、879.36、1.68 mg/kg,均高于研究区域的土壤背景值；另外,重金属Pb、Cd 和Zn的最低值均高于土壤背景值及土壤环境质量二级标准值,说明土壤重金属Pb、Cd 和Zn的含量已经超标,局部区域土壤受到重金属污染,达到威胁农业生产和人体健康的程度,应该引起高度重视。

表1　供试土壤的理化性质与重金属含量

2.23种体外模拟消化液对土壤重金属的提取量

不同模拟体外消化液对土壤重金属的提取效果不仅与重金属的种类有一定关系,而且还与消化液的组成成分有直接的关系。SBET法仅模拟胃液,其pH值在1.5左右,具有较强的酸性,溶解效果相对较好;在PBET法所用的体外模拟消化液中，胃液和肠液同时存在,特别是肠液中添加有胆汁盐和胰液素,两者具有一定的络合作用,可以促进重金属的溶解；在SGET法所用的体外模拟消化液中，胃液和肠液同时存在,但是肠液中不含有胆汁盐和胰液素。统计分析结果表明：土壤中Cu、Zn和Cd的表现规律一致；而Pb的表现行为与其他重金属元素有差异。由表2可知：SBET法、PBET法和SGET法对土壤A中Cu的提取量分别为4.41、0.89、2.08 mg/kg,对土壤B中Cu的提取量分别为6.60、1.47、2.50 mg/kg，这3种模拟方法对A和B中Cu的提取量差异显著；PBET法和SGET法对土壤C中Cu的提取量分别是3.48、3.33 mg/kg,与SBET法对Cu的提取量6.13 mg/kg存在显著性差异；此外，这3种模拟体外消化液对土壤A、B和C中Zn、Pb和Cd的提取量也存在显著差异,且对土壤中Cu、Zn和Cd的最高提取量均表现为SBET>PBET>SGET，这是因为Zn和Cd在SBET法胃肠液中的提取量远高于SGET法的提取量；对土壤A中Pb的提取量以SBET法最高,提取量为15.21 mg/kg,而对土壤B和C中Pb的提取量则均以PBET法最高,提取量分别为19.87和27.57 mg/kg，这是因为PBET法所用消化液中含有胃蛋白酶和柠檬酸等成分,可以跟重金属Pb发生一定的络合作用,强化对Pb的提取过程,另外,模拟肠液中含有胰液素和胆汁盐,两者可以降低对重金属的沉淀作用。因此,在土壤重金属污染风险评价中,对土壤中Cu、Zn和Cd的生物可接受性可通过SBET法进行评估,而对土壤中Pb的生物可接受性可以采用PBET法进行评估。

2.33种体外模拟消化液胃液提取量对比

从图1中可以看出,不同体外模拟法对土壤中同一重金属的胃液提取量不尽相同,对于本研究中的土壤样品A、B、C，以SGET法胃液提取量最高,PBET法和SBET法次之;此外,不同重金属在不同消解方法中胃液的提取量存在显著差异性。对于Cu的胃液提取量,SBET法与PBET法相差较小,但SGET法高出近1倍;Zn和Cd在不同胃液消化液中提取量的变化规律较为一致,且胃液提取量表现为SGET法>PBET法>SBET法;Pb在不同的胃液消化液中提取量差异显著。以上这些结果表明,不同模拟胃液消化液对土壤重金属的提取效果可能与消化液的组成成分以及重金属种类有关。PBET法和SGET法的胃液中均含有胃蛋白酶,可与消化液中的金属离子结合形成络合物,以促进重金属的溶解。以上4种重金属的离子配合物以Cu2+最稳定,会首先与胃蛋白酶结合；另外,SGET法胃液中胃蛋白酶的含量高于PBET法,所以SGET法模拟胃液对Cu的提取量会远大于PBET法模拟胃液的提取量。

表2土壤重金属在3种体外消化液

中的提取量均值

mg/kg

图1　重金属在体外消化方法中胃液提取量

2.43种体外模拟消化液肠液提取量对比

从图2可以看出,不管是PBET法还是SGET法,模拟胃液提取的重金属进入模拟肠液后会发生改变。对于土壤样品A、B和C中的Cu、Zn、Pb和Cd而言,它们在胃液中的提取量均显著高于其在胃肠液中的提取量。这与Roussel的研究结果一致，这是因为Cu、Zn、Pb和Cd经胃液提取后进入肠液进一步被消化时,由于模拟肠液的pH值高于胃液的,因此这些重金属元素会发生沉淀作用,被溶解量降低,从而生物可接受性降低。

3结论与讨论

3种体外模拟消化液对广西某尾矿库溃坝影响区域甘蔗田土壤中Cu、Zn、Pb和Cd的提取量均存在显著差异；3种模拟体外消化液对土壤中Cu、Zn和Cd的提取量表现为SBET法>PBET法>SGET法。

3种体外模拟消化液对土壤中同一重金属的胃液提取量也有差异,以SGET法胃液为最高,其次是PBET法胃液和SBET法胃液。

不管是PBET法还是SGET法,经胃液提取后进入肠液进一步被消化时,土壤中的Cu、Zn、Pb和Cd会发生沉淀作用,其被溶解量和生物可接受性会降低。因此,在重金属Cu、Zn、Pb和Cd经土壤-口腔途径对人体健康风险的评价中,基于保护人体健康,可通过由模拟胃液组成的体外消化法来研究它们的生物可接受性。

图2　重金属在体外消化方法中胃液和胃肠液中的提取量

参考文献:

[1] 宋伟,陈百明,刘琳.中国耕地土壤重金属污染概况[J].水土保持研究,2013,20(2):293-298.

[2] 增希柏,徐建明,黄巧云,等.中国农田重金属问题的若干思考[J].土壤学报,2013,50(1):186-194.

[3] 秦普丰,刘丽,侯红,等.工业城市不同功能区土壤和蔬菜中重金属污染及其健康风险评价[J].生态环境学报,2010,19(7):1668-1674.

[4] 李海燕,石安邦.城市地表颗粒物重金属分布特征及其影响因素分析[J].生态环境学报,2014,23(11):1852-1860.

[5] 庞博,张银龙,王丹.城市不同功能区内叶面尘与地表灰尘的粒径和重金属特征[J].生态环境学报,2009,18(4):1312-1317.

[6] 樊霆,叶文玲,陈海燕,等.农田土壤重金属污染状况及其修复技术研究[J].生态环境学报,2013,22(10):1727-1736.

[7] 张小敏,张秀英,钟太洋,等.中国农田土壤重金属富集状况及其空间分布研究[J].环境科学,2014,35(2):693-704.

[8] Freeman G B, Johnson J D, Liao S C, et al. Absolute bioavailability of lead acetate and mining waste lead in rats [J].Toxicology, 1994, 91(2): 151-163.

[9] 赵多勇,王成,杨莲,等.“环境-植物-人体”体系中重金属来源及迁移途径[J].农业工程,2013,3(3):55-58.

[10] 唐翔宇,朱永官.土壤中重金属对人体生物有效性的体外试验评估[J].环境与健康杂志,2004,21(1):183-185.

[11] Cabanero A I, Madrid Y, Camara C. Selenium and mercury bioaccessibility in fish samples: an in vitro digestion method [J]. Analytical Chimica Acta, 2004, 526: 51-61.

[12] Kientz K, Jimenez B D, Perez L, et al. In-vitro bioaccessibility of metals in soils from a superfund site in Puerto Rico [J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2003, 70(5): 927-934.

[13] 崔玉静,张旭红,朱永官.体外模拟法在土壤-人途径重金属污染的健康风险评价中的应用[J].环境与健康杂志,2007,24(9):672-674.

[14] Intawongse M, Dean J R. In-vitro testing for assessing oral bioaccessibility of trace metals in soil and food sample [J]. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2006, 25(9): 876-886.

[15] Omen A G, Hack A, Minekus M, et al. Comparison of five in vitro digestion to study the bioaccessibility of soil contaminants [J]. Environmental Science and Technology, 2002, 36(15): 3326-3334.

[16] Schroder J L, Basta N T, Casteel S W, et al. Validation of the in vitro gastrointestinal method to estimate relative bioavailable lead in contaminated soils [J]. Journal of Environmental Quality, 2004, 33(2): 513-521.

[17] 李仪.土壤和灰尘中铜锌铅生物可接受性的体外消化方法研究[D].杭州：浙江大学,2013：49-57.

[18] 张海强,赵钟兴,王晓飞,等.不同提取剂对蔗田土壤中重金属有效态提取效率的研究[J].江西农业学报,2015,27(8):96-98.

[19] 刘凤枝,马锦秋.土壤监测分析实用手册[M].北京:化学工业出版社,2012:99-190.

[20] 苏荣,王晓飞,洪欣,等.微波消解-电感耦合等离子质谱法测定土壤中10种重金属元素[J].现代化工,2015,35(1):175-177.

[21] GB 15618─1995,土壤环境质量标准[S].

[22] 广西壮族自治区环境局.广西壮族自治区土壤环境背景值图集[M].成都:成都地图出版社,1992:3-15.

[23] Ruby M V, Davis A, Schoof R, et al. Estimation of lead and arsenic bioavailability using a physiologically based extraction test [J]. Environmental Science and Technology, 1996, 30(2): 422-430.

[24] Roussel H, Waterlot C, Pelfrene A, et al. Cd, Pb and Zn oral bioaccessibility of urban soils contaminated in the past by atmospheric emissions from two lead and zinc smelters [J]. Archives of Environmental Contamination and Toxicology, 2010, 58(4): 945-954.

(责任编辑:黄荣华)

收稿日期：2015-12-25

基金项目：广西自然科学基金项目“西江流域水环境重金属污染机制与调控”(2013GXNSFEA053001);广西突发污染事故应急技术研究特聘专家岗位项目。

作者简介：王晓飞(1984─),男,山西阳泉人,研究方向为糖类副产物的资源化技术及环境控制。

中图分类号：X53

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)07-0083-04

Study on Extraction of Heavy Metals from Farmland Soil by Using Different in-vitro Digestion Simulative Methods

WANG Xiao-fei1,2, XU Gui-ping1,2, WEI Meng-meng1, CHEN Li-jun1, ZHANG Hai-qiang2

(1. College of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China;2. Environmental Monitoring Center of Guangxi Zhuang Autonomus Region, Nanning 530028, China)

Abstract：Three representative in-vitro digestion tests (SBET, PBET and SGET) were used to extract heavy metals Cu, Zn, Pb and Cd from farmland soil, and their extraction efficiencies were analyzed and compared. The extraction ability of simulative digestive juice of three in-vitro tests for Cu, Zn and Cd showed the following order: SBET>PBET>SGET. The extraction ability of simulative gastric juice of three in-vitro tests for the same heavy metal in the soil had the sequence of SGET>PBET>SBET. The dissolved quantity of Cu, Zn, Pb and Cd in intestinal juice after they were digested by the gastric juice of PBET and SGET was decreased. Therefore, in the evaluation of health risk of Cu, Zn, Pb and Cd to human body through soil-oral approach, in order to protect human health, we can use in-vitro simulative gastric juice digestion method to study the bioaccessibility of these heavy metals in soil.

Key words：In-vitro digestion test; Simulative digestive juice; Heavy metal; Soil; Extraction