PM10中重金属的提取方法及生物可利用性研究

王洵

河海大学环境学院，江苏 南京 210098

PM10中重金属的提取方法及生物可利用性研究

王洵

河海大学环境学院，江苏 南京 210098

分别运用模拟生物提取法与化学连续提取法对PM10标准参考样品城市源（NIST-1648A）和工业源（BCR-038）中6种重金属（Cd、Co、Cu、Mn、Ni、Pb）质量分数及赋存形态进行分析。其目标是验证2种提取大气固体颗粒物中重金属方法的有效性，并比较2种方法的优缺点，为将来提取PM10中重金属的方法选取提供依据。模拟生物提取法中，使用Gamble溶液模拟人体肺液对PM10样品进行溶解，实验方法操作较为简单快捷；化学连续提取法中，不同溶解步骤则可确定重金属的不同赋存形态。在需要快速确定PM10中某种重金属总量时，应优先使用模拟生物提取法。化学连续提取结果表明，城市源PM10中重金属赋存形态分布没有统一规律，工业源PM10中重金属多以残渣态存在。通过对2种来源的PM10样品中重金属生物可利用性分析，城市源的大气颗粒物对人体的毒性更大，其中标准参考样品城市源PM10中生物可利用性较高的是重金属Cd（BIBio为61.65%±3.45%；BISE为69.02%±3.82%）和Cu，最低的是重金属Co和Pb；标准参考样品工业源PM10中重金属的生物可利用性最高的是Cd（BIBio为27.66%±1.52%；BISE为15.05%±2.13%），而Ni、Co和Pb的生物可利用性较低。

PM10重金属；模拟生物提取；化学连续提取；生物可利用性

近年来，很多研究证明了大气中的可吸入颗粒物的浓度与多种慢性和急性疾病的诱因有着密切联系，其中包括慢性呼吸系统疾病、心脏病、肺癌等（殷永文等，2011；周林等，2009）。虽然可吸入颗粒物在人体肺中的沉积位置及吸入剂量是分析评价其毒性的重要因素，但是其他因素，例如颗粒物形状、大小及化学构成也会对其在生物组织中的毒性有着一定影响。根据其颗粒直径大小，大气颗粒物可分为3类：直径小于100 μm的颗粒物可以穿透鼻子和嘴；颗粒物直径小于10 μm，通常可沉积在上呼吸道，或进入呼吸道深部；颗粒物直径小于2.5 μm时，通常可以深入细支气管和肺泡，并有可能引起炎症反应。颗粒物的直径越小，进入呼吸道的部位越深。大气颗粒物比表面积大、成分复杂，除含有严重危害健康的二氧化硅外，还会吸附大量的重金属，对人体健康产生较大的毒害（朱石嶙等，2008），这些可吸入颗粒物的毒性与其在人体肺液中的溶解程度有关（乔玉霜等，2011；姜薇和赵晓红，2007）。本研究着重对直径小于10 μm的可吸入颗粒物进行分析。

为了更好的认识其对人体的影响，很多研究对大气可吸入颗粒物中的重金属成分进行分析，并着重研究它们对人体呼吸系统健康的潜在影响（Caboche等，2011）。因此，针对可吸入颗粒物中重金属的不同赋存形态，出现了多种分类及提取方法。

化学连续提取实验法最初是为了测定土壤中的颗粒物而设计的（邵孝侯等，1994），但近年来多用于测定大气颗粒物中重金属的不同赋存形态（冯茜丹等，2011；胡恭任等，2011）。连续提取法根据重金属不同形态在不同环境中的特定溶解度，分离并提取不同族类的化合物。事实上，其生物有效性，溶解度，地球化学运输，金属周期都高度依赖于金属的化学和物理形态（Fernández等，2002）。最易于溶解的种类在第一步中被提取，然后将残留颗粒通过过滤或离心回收，用于第二步的溶解提取。

涉及化学连续提取法大气颗粒物的早期研究可以追溯到80年代，由西班牙研究人员在巴塞罗那于1986年创建的第一种方法（Obiols等，1986）将重金属分为4种化学形态：1）可溶性和可交换金属；2）碳酸盐，氧化物以及与还原性金属；3）有机物，氧化性金属以及硫化物；4）残留金属。上世纪90年代，出现了许多其他的化学连续提取法，例如1992年由Zatka提出的一种提取不同形态镍的方法，此方法可以有效的降低提取成本（Oller等，2009；Zatka等，1992）。近年来，塞维利亚大学的研究人员将城市大气颗粒物的化学形态再次进行分类（Fernández等，2002），此分类方法是基于Obiols在1986年的模型，但是在4步提取中使用了不同的原理。

比较上述多个连续提取的方法，可以看出，提取的原理基本上是相同的，但各实验条件与各试剂比例起着至关重要的作用。事实上，缩短提取时间和降低实验预算是近年来连续提取法的改进方向。因此，如果我们要使用一个快速廉价的方法，Zatka连续提取法可推广到镍以外的其他金属。在Fernández连续提取法中，虽然每步的提取时间较长，但提取效果更好，这种连续提取法在很多研究中被使用，包括在中国广东对微粒的研究（Feng等，2009）。

为了探究固体颗粒物溶解在生理体液中的过程，本研究采用了2种方法分析（Davies和Feddah，2003；Midander等，2006；Niu等，2010）。一种称为模拟生物提取方法，是指在实验条件下，提供与人体内部相似的消化和吸收环境，通过分析测定颗粒物中重金属在各种模拟体液中的溶出情况，确定重金属进入人体后的生物可利用性。本研究中使用Gamble溶液模拟人体肺液，通过确定由呼吸作用进入人体的污染物种类和数量，对大气颗粒物PM10中的重金属在人体肺液中的溶解行为进行探究；另一种为化学连续提取方法，用于确定固体颗粒物中重金属的不同化学形态。研究实验的目标是验证2种提取大气固体颗粒物中重金属方法的有效性，并比较2种方法的优缺点，为将来提取PM10中重金属的方法选取提供依据。旨在提高对大气固体颗粒物中重金属（Cd、Co、Cu、Mn、Ni、Pb）毒性的认识，特别是针对重金属对人体肺部生物可利用性的定量研究与分析提供帮助。

1 材料与方法

1.1 标准参考样品

本文选择2种标准参考样品作为实验材料：样品一为美国国家标准局（National Institute of Standards and Technology）的标准参考样品（Standard Reference Material）NIST-1648A，此标准参考样品为城市大气可吸入颗粒物；样品二为欧洲标准局（Institute for Reference Materials and Measurements）的标准参考样品BCR-038，此标准参考样品为工业可吸入颗粒物。

1.2 实验材料准备

本研究对实验环境的要求很高，为了避免污染样品，所有试验操作均在无尘室（Federal Standard(FS)209E，1992标准，1000级）中进行。

针对每种标准参考样品，各进行2次实验，测定其中重金属（Cd、Co、Cu、Mn、Ni、Pb）质量分数。每次实验中，分别称取2种标准参考样品1 mg各置于50 mL聚四氟乙烯（Teflon）离心管中，每一种标准参考样品设置3个平行实验组，另设1个空白对照组。

1.3 模拟人体肺液（Gamble溶液）提取实验

1.3.1 Gamble溶液的配制

Gamble溶液至少需要提前24 h配制完成，其有效期小于一周。Gamble溶液配制方法参照相关文献（Julien等，2011）。所加试剂中，二棕榈酰固体很难溶解，故需使用超声设备加快溶解。

1.3.2 重金属提取

分别称取2种待测样品1 mg置于离心管中，设置3个重复。1）向4个离心管（包括1个空白样）中分别加入20 mL的Gamble溶液，并水浴37 ℃振荡溶解24 h然后离心分离出上层清液。将分离出的上层清液转移至50 mL试管中，并加入500 μL的浓HNO3保存，4 ℃冷藏待测。2）在上步残渣中加入8 mL的HNO3和2 mL体积分数为30%的H2O2，经微波消解后定容50 mL待测。所有待测溶液均使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定其中重金属质量浓度。

1.4 化学连续提取实验

参照Fernández等(2002年)的方法改进。分别称取2种标准参考样品1 mg置于离心管中，设置3个重复。

连续提取实验采取4步提取法：1）可溶态与可交换态（F1态）。向离心管中加入15 mL的超纯水（用HNO3或NaOH调pH至7.4），在室温下搅拌溶解3 h，离心。将分离出的上层清液转移至50 mL试管中，并加入100 μL的浓HNO3保存，4 ℃冷藏待测；2）碳酸盐态、可氧化态与可还原态（F2态）。在上步残渣中加入10 mL的0.25 mol·L-1的NH2OH·HCl溶液（用HNO3调pH至2），在室温下搅拌溶解5h，离心。将分离出的上层清液转移至50mL试管中，并加入100 μL的浓HNO3保存，4 ℃冷藏待测；3）有机质、氧化物与硫化物结合态（F3态）。在上步残渣中分步依次加入2 mL、2 mL、1 mL、2 mL和2 mL共计9 mL 30%的H2O2，并将试管置于150 ℃的加热板上加热，直至液体全部蒸发。在蒸发后的残渣中加入15 mL的2.5 mol·L-1的醋酸铵（NH4AcO；用HNO3调pH至3），在室温下搅拌溶解90 min，离心取上层清液；4）残渣态（F4态）。在上步残渣中加入8 mL的HNO3和2 mL 30%的H2O2，经微波消解后定容50mL待测。所有待测溶液均使用ICP-MS测定其中重金属质量浓度。

2 结果与讨论

2.1 不同测定方法对标准参考样品中重金属的回收率的影响

本研究中，标准参考样品中重金属的回收率为实验中所提取的重金属质量分数与样品中实际重金属质量分数之比。2种来源不同的PM10标准参考样品中重金属Cd、Co、Cu、Mn、Ni和Pb的回收率见图1、2。

图1 不同测定方法对标准参考样品NIST-1648A中重金属回收率的影响Fig. 1 Percentage of extracted heavy metals in SRM NIST-1648A by using two different protocols

图2 不同测定方法对标准参考样品BCR-038中重金属回收率的影响Fig. 2 Percentage of extracted heavy metals in SRM BCR-038 by using two different protocols

从图1中可得，在NIST-1648A中，模拟生物提取方法与化学连续提取法的回收率在74.33%～93.13%之间，说明2种方法都有较好的准确性和重现性。2种提取方法的效果基本持平，因此在将来针对来源为城市大气可吸入颗粒物的分析中，2种提取方法的效果基本相同。模拟生物提取法的重金属回收率由高到低为Ni＞Cu＞Mn＞Cd＞Pb＞Co，化学连续提取法重金属回收率由高到低为Cd＞Pb＞Ni＞Cu＞Mn＞Co。在2种方法的回收结果中，Ni、Cu、Mn和Co的相对高低顺序是一致的。由图1得，只有重金属Cd和Pb的相对回收率顺序在2种方法中发生改变，并且其化学连续提取率高于模拟生物提取率。由此得出，针对城市源重金属Cd和Pb，适合使用化学连续提取法提取，而城市源重金属Ni、Cu、Mn和Co则更适合用模拟生物提取法。

在BCR-038中，2种方法的回收率在62.99%～94.70%之间，根据图2所示，与NIST-1648A不同，BCR-038样品模拟生物提取法的回收效果明显优于连续提取法。与模拟生物提取法相比，化学连续提取法步骤较多，因此实验中每一步的操作都有可能造成样品的损耗，这一损耗在分析工业源的PM10时表现更加明显。从图2还可看出，6种重金属在2种提取方法中的高低趋势并无统一规律，所以并不存在某种重金属使用特定提取方法的情况。结合上述分析，对工业源的PM10的分析更适合使用模拟生物提取法。

根据图1和2，针对不同来源的2种大气可吸入颗粒物，模拟生物提取法的回收效果都十分理想，回收率基本都在80%～90%之间。从而可以推出，模拟生物提取法的提取效果稳定，并不会因为大气颗粒物的来源不同而受到影响。但是对于连续提取法，2种来源大气颗粒物的回收率却存在明显差异，样品NIST-1648A的6种重金属回收率都高于样品BCR-038（图3）。在BCR-038中，化学连续提取法对于6种重金属的回收率高低顺序为Cd＞Mn＞Pb＞Co＞Cu＞Ni，其回收率都低于80%，回收效果并不十分理想。这是因为与来源为城市的PM10相比，来源为工业的PM10中重金属的种类相对较少，一旦发生损耗，对最终结果的影响更加明显（Tokalıoğlu和Kartal，2006）。因此，工业源的大气可吸入颗粒物更适用于模拟生物提取法。

图3 连续提取法测定样品NIST-1648A与BCR-038重金属回收率Fig. 3 Percentage of extracted heavy metals in SRM NIST-1648A and BCR-038 by sequential extraction method

2.2 标准参考样品中重金属赋存形态分析

通过化学连续提取法，还可确定PM10样品中重金属不同赋存形态质量分数：可溶性和交换金属（F1态），碳酸盐、氧化物及还原性金属（F2态），有机物、氧化性金属及硫化物（F3态），残渣态金属（F4态）。由图4可以看出，城市源的大气可吸入颗粒物样品NIST-1648A中，各重金属的赋存形态没有统一规律，这是因为城市大气污染源众多且复杂，但其有机物、氧化性金属及硫化物（F3态）的质量分数都普遍较低，这与城市中较少存在化工生产企业有着重要联系。重金属Cd大部分以可溶性和可交换金属形态即F1态存在（69.02%），重金属Pb以碳酸盐、氧化物及还原性金属形态即F2态存在（67.21%）。重金属Co，Mn，Ni中残留态金属较多，这与其自身稳定的化学性质有密切联系。由上述实验结果可得，来源于城市的大气可吸入颗粒物中重金属赋存形态分布相对随机，并无明显规律，这与对广州市大气颗粒物的研究结果相一致（冯茜丹等，2011），因此在日后的城市大气污染治理过程中，应尽量选择对重金属各个赋存形态都有良好去除效果的方法。

图4 标准参考样品NIST-1648A重金属赋存形态Fig. 4 Speciation of heavy metals in SRM NIST-1648A

由图5所示，来源为工业大气可吸入颗粒物的样品BCR-038中，重金属的主要赋存形态分布十分明显：残渣态金属为本次研究中涉及的6种重金属的主要赋存形态。残渣态金属存在原生矿物的晶格中，能够长期稳定存在，基本不被生物所利用，对人体毒性相对较小，但是在工业生产加工中，对重金属的大量消耗导致其周围的大气中弥散难以被提取的残留态重金属，一旦通过呼吸作用进入人体，虽然不会溶解在体液中，但是其将逐渐在肺部累积，最终引起多种急性和慢性疾病。由于残留态金属的特殊物理性质，难于溶解于一般酸碱环境中，在逐步累积后，很难从人体内去除，故而对人体健康产生巨大危害，因此在处理工业大气污染时，应着重寻找能有效去除重金属残留态的治理措施。

图5 标准参考样品BCR-038重金属赋存形态Fig. 5 Speciation of heavy metals in SRM BCR-038

2.3 大气颗粒物中重金属的生物可利用性分析

生物有效性是指重金属对生物产生毒性效应或能被生物吸收的部分，包括生物毒性和生物可利用性，可由间接的毒性数据或生物体浓度数据评价。许多毒理学实验结果证明，重金属在环境和生物体内的溶解、吸收很大程度上取决于它的生物有效性，而生物有效性主要决定于它的可溶性，尤其是水溶性（Adamson等，2000；Heal等，2005）。

因此，重金属的活动性和生物可利用性与它的可溶性及赋存形态有很大关系。已有研究证明，随着提取的进行，各形态的活动性呈现逐渐下降的趋势（冯茜丹等，2008），因此，在化学连续提取法中，F1态活动性最大，F4态活动性最小。本研究中定义大气颗粒物中重金属的生物可利用性系数计算公式为：

其中，针对连续提取法，定义生物可利用性系数（BISE）为F1态质量分数与回收总质量分数之商，即重金属的可溶率。针对模拟生物提取法，定义生物可利用性系数（BIBio）为可溶态与回收总质量分数之商。

由表1可以看出，针对标准参考样品NIST-1648A，使用两种提取方法所得的生物可利用性结果趋势基本相近，但在重金属Cu的生物可利用性系数存在较大差异，这可能由于在化学连续提取法的第一步中产生Cu(OH)2沉淀，影响到溶液中Cu的质量浓度。NIST-1648A中生物可利用性较高的是重金属Cd，最低的是重金属Co和Pb。由表2得知，BCR-038中重金属的生物可利用性最高的是Cd，较高的是Cu和Mn，而Ni、Co和Pb的生物可利用性较低。其中重金属Pb在模拟生物提取法中未检测出可溶态金属，但在化学连续提取法中其生物可利用性系数为5.14%，这与Pb较易溶于偏酸或偏碱溶液的结论存在差异（杨金燕等，2005），其具体原因有待进一步分析。Boisa等对科索沃可能成为PM10来源的部分表层土进行研究，得出Pb的生物可利用性系数为0.02%～11.0%（Boisa等，2014），这一结果与本研究基本一致。比较2种大气可吸入颗粒物的实验结果，Cd的生物可利用性系数都位于首位，这一结果与Zhang等的研究结果相一致（Zhang等，2014），故可将Cd分类为生物可利用性元素，即其在环境中有较强的活动性，在通过呼吸作用进入人体后也较易被释放，从而对人体健康造成危害。其余5种重金属Cu，Mn，Ni，Co和Pb，可被分类为潜在生物可利用元素（Alleman等，2010），它们在一定的环境条件下会被释放，对人体健康造成危害。

比较2种来源不同的标准参考样品可得，工业源PM10中重金属的生物可利用性明显低于城市源PM10中重金属的生物可利用性，说明工业源PM10中重金属对人体的毒性较小，这与上述对重金属不同赋存形态的分析结果相一致。

3 结论

（1）使用Gamble溶液的模拟生物提取法和使用化学溶剂的化学连续提取法都能较好的提取出大气可吸入颗粒物（PM10）中的重金属。模拟生物提取法能够较为完整的提取所有重金属，且实验方法简便快捷。化学连续提取法可分步提取出PM10中不同赋存形态的重金属，为进一步的分析研究提供依据；

表1 标准参考样品NIST-1648A中由2种测定方法所测的重金属质量分数及生物可利用性Table 1 Concentrations of heavy metals and their bioaccessibility in SRM NIST-1648A by using different protocols

表2 标准参考样品BCR-038中由2种测定方法所测的重金属质量分数及生物可利用性Table 2 Concentrations of heavy metals and their bioaccessibility in SRM BCR-038 by using different protocols

（2）模拟生物提取法与化学连续提取法对城市源PM10中重金属的提取效果均很稳定，但是对于工业源PM10中的重金属，更适用模拟生物提取法提取；

（3）城市大气颗粒物中重金属赋存形态分布没有统一规律，工业大气颗粒物中重金属多以残渣态存在；

（4）标准参考样品城市源NIST-1648A中生物可利用性较高的是重金属Cd和Cu，最低的是重金属Co和Pb；标准参考样品工业源BCR-038中重金属的生物可利用性最高的是Cd，较高的是Cu和Mn，而Ni、Co和Pb的生物可利用性较低。且城市源的大气颗粒物对人体的毒性更大。

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Extraction Method and Bioaccessibility of Heavy Metal in PM10

WANG Xun

College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098, China

In this study, simulated biological extraction and chemical sequential extraction were used to analyze the concentration and chemical speciation of 6 heavy metals(Cd, Co, Cu, Mn, Ni, Pb) in two PM10standard reference samples, urban source (NIST-1648A) and industrial source (BCR-038). The objective of this study was to verify the validity of the two extraction methods which can provide a basis for the selection of method in the future. In the simulated biological extraction method which can be easily operated, Gamble solution was used to simulate human lung fluid to dissolve the PM10sample. Although the chemical sequential extraction method has more steps, different chemical speciation of heavy metals can be determined. When the concentration of a kind of heavy metal needs to be determined urgently, the simulated biological extraction method could be a good choice. The distribution of chemical speciation of heavy metals in PM10of urban source has no obvious rules while the heavy metals in PM10of industrial source exist in residual condition. With the analysis of the bioaccessibility of the heavy metals in PM10of two sources, it is concluded that PM10of urban source is more toxic to human body. The highest bioaccessibility of the heavy metal in NIST-1648A is Cd (BIBio61.65%±3.45%; BISE69.02%±3.82%) and Cu, while the lowest is Co and Pb. In BCR-038, Cd (BIBio27.66%±1.52%; BISE15.05% ±2.13%) has the highest bioaccessibility while the bioaccessibility of Ni, Co and Pb is relatively low.

heavy metal in PM10; simulated biological extraction; chemical sequential extraction; bioaccessibility

X13

A

1674-5906（2014）10-1636-07

王洵. PM10中重金属的提取方法及生物可利用性研究[J]. 生态环境学报, 2014, 23(10): 1636-1642.

WANG Xun. Extraction method and bioaccessibility of heavy metal in PM10[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(10): 1636-1642.

环境保护部生物多样性项目（2111101）

王洵（1989年生），女，博士研究生，主要研究方向为环境污染及其危害。E-mail：wangxunfrance@hotmail.com

2014-09-09