土壤中铜的生物可给性及其对人体的健康风险评价

尹乃毅，罗 飞，张震南，王姣姣，王振洲，蔡晓琳，宋 静，崔岩山,*

1. 中国科学院大学资源与环境学院，北京 1000492. 中国科学院南京土壤研究所，南京210008

土壤中铜的生物可给性及其对人体的健康风险评价

尹乃毅1，罗 飞2，张震南1，王姣姣1，王振洲1，蔡晓琳1，宋 静2，崔岩山1,*

1. 中国科学院大学资源与环境学院，北京 1000492. 中国科学院南京土壤研究所，南京210008

为了研究土壤中铜的生物可给性与土壤理化性质之间的相互关系以及人体无意摄入土壤铜的风险，采集我国一些地区的15个土壤样品，利用invitro方法研究了这些土壤中铜的生物可给性及其对人体的健康风险。结果表明，有2个土壤样品中铜的含量高过我国土壤环境质量标准的三级标准，有8个土壤样品中铜的含量高过二级标准；土壤中铜的溶解态浓度及其生物可给性变化很大，胃肠阶段铜的溶解态含量分别为5.2～308.8 mg·kg-1和5.9～348.5 mg·kg-1，平均值分别为74.8 mg·kg-1和82.0 mg·kg-1；而铜的生物可给性分别为18.3%～66.6%和21.3%～77.4%，平均值分别为44.2%和51.1%。胃阶段铜的生物可给性与土壤有机质和pH呈显著正相关，而与粘粒呈显著负相关，与铁铝氧化物有显著相关性；小肠阶段铜的生物可给性与土壤有机质和pH呈显著正相关，与土壤中总铜和锰氧化物含量呈显著负相关。如以胃阶段为判断，无意摄入土壤中铜对儿童的TDI(tolerable daily intake)贡献率除浙江富阳为2.51%外，有12个土壤样品低于1.00%，最低为0.11%。如以小肠阶段为判断，无意摄入土壤中铜对儿童的TDI贡献率除浙江富阳和浙江台州的土壤分别为2.83%和2.01%，另有12个土壤样品低于1.00%。可见，对于本研究中大多数土壤，通过口部无意摄入土壤中铜的对人体并没有很高的风险。

土壤；铜；生物可给性；口部摄入；健康风险

铜是人类身体的必需元素，一旦缺乏会造成人类生理功能的障碍。而过量铜可能危害人类健康，引发癌症等其它疾病[1]。过去50年中，排放到全球环境中的Cu的量大概是9.139×108t[2]，其中大部分进入土壤，世界各国土壤出现了不同程度的铜污染，中国土壤铜污染问题日益严重[3]。土壤中金属元素进入人体的途径包括食物链、无意口部摄入、呼吸和皮肤接触等，其中食物链途径是土壤金属元素进入人体的主要途径[4]，而无意口部摄入的铜污染土壤对人体，特别是对儿童体内总铜摄入量的贡献率越来越高，甚至成为主要途径。因此，研究人体，特别是儿童通过无意口部摄入土壤铜的量对其总铜摄入量的贡献率具有重要的科学意义。目前，在人体健康风险评价中，研究者主要通过动物实验(invivo，测定生物有效性)和体外实验(invitro，测定生物可给性)进行评估。但动物实验存在着费用高、试验周期长、动物的个体差异等一些不足。相对而言，invitro方法因操作简单、费用低、结果较为准确等优点而受到国内外研究者的广泛关注[5]。Invitro实验结果反映的是土壤中铜的生物可给性(bioaccessibility)，即土壤中的铜直接进入人体的消化系统并可以被人体胃肠道溶解的部分[6]，这是人体对土壤铜可能吸收的最大量。目前，国内外对土壤铜生物可给性的研究主要集中于生物可给性的方法、影响因素及其在人体健康风险评价等方面[7-9]。但我国对土壤中铜生物可给性方面的研究较少，特别是缺乏土壤铜生物可给性与土壤理化性质之间的相互关系以及无意摄入土壤铜对人体健康风险的系统研究。

本研究将采集我国一些地区铜污染的土壤，利用invitro方法分析这些土壤中铜的生物可给性，进一步系统探讨土壤理化性质对铜生物可给性的影响，并分析其相关性。同时利用生物可给性结果评估土壤铜的无意口部摄入量对人体中铜的摄入总量的贡献率。研究结果将对污染土壤中铜的生物可给性及其对人体的健康风险评价起到一定的推动作用，也将为制定防治土壤铜中毒的相关标准和法规提供科学依据。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 土 壤

研究所用的15个土壤，分别采自我国不同地区的农田和矿区。土壤样品采集后风干，过20目、60目及100目筛，分别保存以备用，其中过20目、100目筛土壤用于土壤基本理化性质分析，过60目筛土壤用于土壤中金属含量的分析和invitro实验。

1.2 土壤理化性质

土壤pH值：采用水提法，土液比为1:2.5，pH计(METTLER TOLEDO SG，CH)测定[10]；土壤有机质采用重铬酸钾外加热法[11]；粒度采用激光粒度仪测定(Mastersizer 2000，Malvern，UK)；土壤无定形铁锰铝氧化物采用草酸-草酸铵提取法[12]；土壤金属总量采用王水、HClO4消解[13]，消煮样品中包括试剂空白和标准土壤样品(GSS-5中国地质样品分析研究中心)，用以证实消解及分析过程中的准确性和精度。土壤铜总量和模拟胃肠液样品中铜含量的测定仪器为ICP-OES(OPTIMA5300DV，Perkin-Elmer Co，USA)。

1.3invitro实验

本研究使用的invitro实验方法主要采用Ruby等[14]提出的PBET方法，并参考Rodriguez等[15]提出的IVG方法进行了改进。它由2个连续的阶段组成，即胃阶段和小肠阶段，具体操作步骤如下：

(1)胃阶段配制模拟胃液(内含NaCl、柠檬酸、苹果酸、乳酸、冰乙酸、胃蛋白酶等，并用浓盐酸将pH值调为1.5)，将模拟胃液(mL)及过60目筛的土壤样品(g)以100:1的比例混合于反应器内，每种土壤2个平行，置于37℃恒温溶出仪中以模拟人体温度，以100 r·min-1振荡，同时通入氩气1 L·min-1模拟胃肠的厌氧环境。1 h后吸取5 mL反应液，过0.45 μm滤膜，4℃保存待测。

(2)小肠阶段用NaHCO3粉末将反应液pH调至7.0，加入胰酶、胆盐，继续置于37℃恒温溶出仪中，以100 r·min-1振荡，通入1 L·min-1氩气。其间，每隔15 min左右测定反应液pH值，若偏离7.0，则用浓HCl和NaHCO3饱和溶液调节使其维持在7.0±0.1。4 h时吸取5 mL反应液，过0.45 μm滤膜，4℃保存待测。

1.4 结果计算

(1)生物可给性

在胃阶段或小肠阶段的生物可给性可由下式计算：

BA (%) = (c×V)/(M×T)×100%

式中，BA为土壤金属元素的生物可给性(%)；c为invitro实验胃阶段或小肠阶段反应液中金属的可溶态含量(mg·L-1)；V为各反应器中反应液的体积(L)；T为土壤金属元素的总量(mg·kg-1)；M为反应器中的土壤的质量(kg)。

(2)口部摄入土壤铜对人体总铜的贡献率

WHO建议铜的每日允许摄入量(tolerabledaily intake，TDI)为0.16mg·(kg·d)-1[16]。儿童和成人的无意口部摄入土壤量按200mg计算[17]；儿童体重按卫生部全国第四次儿童体格发育调查报告中2～6岁儿童平均体重(15.4kg),成人(男子)56kg计算[18].即无意口部铜摄入对人体铜的TDI贡献率(%)=(模拟胃或小肠中铜溶解态含量×摄入土壤量)/(体重×TDI值)×100%。

1.5 数据分析方法

采用SPSS18(IBM)和Excel 2010对数据进行分析。

2 结果与分析(Results and analysis)

2.1 土壤样品的基本属性

所采集的土壤的基本理化性质和土壤中铜的含量有很大的变化范围(表1)。pH值范围为3.34～7.66，包括了4种强酸性土壤(pH<5.0)，4种酸性土壤(pH 5.0～6.5)，5种中性土壤(pH 6.5～7.5)，2种碱性土壤(pH7.5～8.5)[19]。有机质含量范围为0.90%～5.00%，大部分土壤都低于4.00%；粘粒含量范围为0.4%～34.8%。铁、锰、铝氧化物的含量分别为0.8～67.2 g·kg-1，0.03～9.83 g·kg-1，0.55～21.40 g·kg-1。铜含量范围为26.4～650.1 mg·kg-1，根据我国土壤环境质量标准(GB 156182-1995)[20]，有2个土壤样品中铜含量高过三级标准，有8个土壤样品中铜的含量高过二级标准。

表1 土壤的基本理化性质Table 1 Basic characteristics of the soils

续表1

9辽宁大连LiaoningDalian矿区Mining1.513.460.428.20.033.61226.410浙江上虞ZhejiangShangyu农田Farmland2.297.371.75.20.320.5534.611浙江台州ZhejiangTaizhou农田Farmland4.294.9218.95.30.071.02650.112浙江富阳ZhejiangFuyang农田Farmland4.837.6619.42.60.121.02495.813广西平果GuangxiPingguo农田Farmland2.813.3451.19.839.6770.314云南昆明YunnanKunming农田Farmland2.935.2432.167.27.3221.4047.115云南楚雄YunnanChuxiong农田Farmland4.876.331.326.34.005.3028.3

2.2土壤中铜的溶解态及其生物可给性

土壤中铜的溶解态含量及其生物可给性变化很大，胃阶段铜的溶解态含量为5.2～308.8mg·kg-1，平均值为75.3mg·kg-1，铜的生物可给性为18.3%～66.6%，平均值为45.3%；小肠阶段铜的溶解态含量为5.9～348.5mg·kg-1，平均值82.5mg·kg-1，铜的生物可给性为21.3%～77.4%，平均值为52.1% (表2)。

表2 土壤中铜的溶解态及生物可给性(n=2)Table 2 Dissolved copper and bioaccessibility of soil copper (n=2)

2.3 各因素间关系分析

对土壤样品的基本理化性质、土壤中铜的溶解态含量和铜的生物可给性进行了pearson相关性分析，各因素相关系数见表3。可见，模拟胃肠液中铜的溶解态浓度与土壤总铜的含量有极显著相关性，胃阶段铜的生物可给性与土壤pH、有机质、铁铝氧化物均有显著相关性，而小肠阶段铜的生物可给性与土壤有机质呈极显著相关性。同时，对土壤样品的基本理化性质和铜的生物可给性进行了多元逐步回归分析，结果为：

G-BA=-14.759+10.645OM-0.754Clay+5.258pH (r2=0.81)

I-BA=3.180+10.691OM-0.040T-Cu+3.885pH-2.099Mno (r2=0.80)

由回归方程式可以看出，在胃阶段，生物可给性与土壤有机质和pH呈显著正相关，而与粘粒呈显著负相关；在小肠阶段，生物可给性与土壤有机质和pH呈显著正相关，与土壤中总铜和锰氧化物含量呈显著负相关。

2.4 风险预测

利用土壤中铜的溶解态浓度、人体可能摄入的土壤量、人体的体重及WHO建议铜的每日允许摄入量进行计算分析，得出人体无意从土壤中摄取的铜对人体铜TDI的贡献率(表4)。从表4中可见，如以胃阶段为判断，无意摄入土壤中铜对儿童的TDI贡献率除浙江富阳为2.51%外，其它都低于2.00%，有12个土壤样品低于1.00%，最低为0.11%。无意摄入土壤中铜对成人的TDI贡献率除浙江富阳和浙江台州的土壤分别为0.69%和0.51%外，其它的土壤样品均低于0.30%。如以小肠阶段为判断，无意摄入土壤中铜对儿童的TDI贡献率除浙江富阳和浙江台州的土壤分别为2.83%和2.01%，另有11个土壤样品高于1.00%。对于成人，除浙江富阳土壤为0.78%，有6个土壤样品低于0.10%。

表3 各因素之间的相关性Table 3 Correlations matrix for the factors

注:**: 极强相关性(p<0.01); *: 强相关性(p<0.05)。
Note:**: pole strong correlation(p<0.01); *: strong correlation(p<0.05).

表4 儿童和成人在胃肠阶段可能摄入的铜对铜每日允许摄入量的贡献率/%Table 4 Contribution of children and adults up take from soils to TDI/%

3 讨论(Discussion)

3.1 土壤中铜的溶解态含量及其生物可给性

3.2 无意摄入土壤中的铜对人体的健康风险

口部无意摄入的土壤重金属对人体的健康风险受到越来越多的关注。生物可给性已成为研究土壤中重金属对人体健康风险的重要方法之一。但目前还没有针对无意口部摄入土壤中重金属的允许剂量(或建议摄入剂量)，因此，大多数的研究是用无意摄入土壤中的重金属与人体允许摄入剂量(或建议摄入剂量)进行比较。EPA[29]研究发现，2～6岁儿童每日无意口部摄入土壤量为100 mg，而Ljung等[30]研究了儿童摄入不同土壤量(200 mg、400 mg和10 g)后，镉对儿童每日允许摄入量的贡献率，崔岩山等[31]研究污染土壤对我国儿童的健康风险评价时选定每日土壤摄入量为200 mg。Boisa等[21]发现，土壤中铜对TDI的贡献率很低，对儿童的健康危害风险较低。Okorie等[22]研究了灰尘中铜的生物可给性，并以每日可能摄入100 mg土壤评价无意摄入土壤铜对儿童的健康风险，结果显示其对TDI的贡献率最高达到了5.00%。由于儿童每日对土壤的摄入量受多种条件的影响，各研究所采用的土壤摄入量不同，导致结果差异很大。本研究所采用的儿童每日摄入的土壤量为200 mg，通过利用模拟胃和小肠液中铜的溶解量分析可以看出，除了浙江台州和富阳的土壤中铜的含量很高，从而使得其对成人和儿童铜的每日允许摄入量的贡献率较高外，其它土壤样品中对TDI的贡献率都低于1.00%，甚至有些土壤低于0.10%。采自内蒙古赤峰矿区的土壤虽然铜的总量达到了390.9 mg·kg-1，但由于其生物可给性较低，故其对人体铜的每日容许摄入量的贡献率较低。这表明，对于本研究中大多数土壤，通过口部无意摄入的土壤中铜对人体并没有很高的风险。只有铜含量较高，且具有较高的生物可给性的土壤，才会对人体健康产生很大的风险.

综上所述，(1)采集的15个土壤样品，有2个土壤样品中铜的含量高过我国土壤环境质量标准的三级标准，有8个土壤样品中铜的含量高过我国土壤环境质量标准的二级标准。土壤中铜的溶解态及其生物可给性的值变化范围很大，模拟胃肠液中铜的溶解态含量与总铜含量有显著相关性，胃阶段铜的生物可给性与土壤有机质和pH呈显著正相关，而与粘粒呈显著负相关，与铁铝氧化物有显著相关性；小肠阶段铜的生物可给性与土壤有机质和pH呈显著正相关，与土壤中总铜和锰氧化物含量呈显著负相关。(2)浙江富阳的土壤对儿童铜的TDI贡献率最高，在胃和小肠阶段分别为2.51%和2.83%，有12个土壤对儿童铜的TDI贡献率在胃肠阶段都低于1.00%。对于本研究中大多数土壤，通过口部无意摄入土壤中铜的对人体并没有很高的风险。

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◆

BioaccessibilityofSoilCopperandItsHealthRiskAssessment

Yin Naiyi1, Luo Fei2, Zhang Zhennan1, Wang Jiaojiao1, Wang Zhenzhou1, Cai Xiaolin1, Song Jing2, Cui Yanshan1,*

1. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 1000492. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008

14 April 2014accepted9 June 2014

Fifteen soil samples were collected from typical sites in China to study the bioaccessibility of soil copper (Cu) based on the PBET (physiologically based extraction test) method. The relationship between the soil properties and the bioaccessibility as well as the health risk assessment of the oral ingestion soil was also investigated. The results showed that comparing with Chinese environmental quality standard for soils, the concentrations of Cu in two soil samples were higher than the third standard (<400 mg·kg-1) and the concentrations in eight soil samples exceeded the secondary standard (<50 mg·kg-1, pH<6.5; <100 mg·kg-1, 6.57.5). The high variability of dissolved and bioaccessible Cu of soils were observed. The concentrations of bioaccessible Cu ranged from 5.2-308.8 mg·kg-1with a mean of 74.8 mg·kg-1in the gastric phase and 5.9-348.5 mg·kg-1with a mean of 82.0 mg·kg-1in the small intestinal phase. The Cu bioaccessibility ranged from 18.3%-66.6% with a mean of 44.2% in the gastric phase and 21.3%-77.4% with a mean of 51.1% in the small intestinal phase. The significant positive correlations between the Cu bioaccessibility with soil pH, organic matter were observed in the gastrointestinal phase. The negative correlations with clay in the gastric phase and with the concentrations of Cu and Mn-oxide in the small intestinal phase were observed. For children, the highest contribution of the oral ingestion soil Cu to the tolerable daily intake (TDI) that estimated by WHO was 2.51% in the gastric phase and 2.83% in the small intestinal phase, but the contribution rate of 12 soil samples was lower than 1.00% in the gastrointestinal phase. The health risk from the oral ingestion of soil Cu was low in most of collected soil samples.

soil; copper; bioaccessibility; oral ingestion; health risk

2014-04-14录用日期：2014-06-09

1673-5897(2014)4-670-08

： X171.5

： A

崔岩山(1972—)，男，博士，教授，主要研究方向为重金属污染控制及其对人体健康风险，发表学术论文60余篇。

国家自然科学基金(No. 41271493)

尹乃毅(1988-)，男，硕士研究生，研究方向为重金属对人体健康评价，E-mail: yinnaiyi12@mails.ucas.ac.cn

*通讯作者(Corresponding author)，E-mail: cuiyanshan@ucas.ac.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20140414002

尹乃毅，罗 飞，张震南, 等. 土壤中铜的生物可给性及其对人体的健康风险评价[J]. 生态毒理学报, 2014, 9(4): 670-677

Yin N Y, Luo F, Zhang Z N, et al. Bioaccessibility of soil copper and its health risk assessment [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2014, 9(4): 670-677 (in Chinese)