某污染场地土壤重金属生物可给性及其对修复目标的影响研究

张 玉，熊 杰，唐翠梅，庄相宁，裴 宇

（1.北京建工环境工程咨询有限责任公司；北京，100015；2.中国石油和化学工业联合会，北京，100101）

由于早期生产方式过于粗放、环保措施不到位，重金属污染是中国钢铁产业的污染场地中较为典型的污染物。随着国家退二进三的策略，越来越多的重金属污染场地转换用途变为商住用地，需要对其开展场地调查和风险评估工作，确定其修复目标值并根据需要开展一系列的修复治理工作[1]，以满足场地后续安全使用的要求。

目前，人体健康风险评估过程在计算暴露剂量时一般以土壤中重金属总量为依据，即假设土壤中的重金属在经口摄入暴露途径进入人体后能够完全被人体吸收[2]，进而进入血液循环系统对人体造成危害。但越来越多的研究[3-7]表明，即使在酸性胃液条件下，重金属也并不能完全从土壤中解吸进入人体胃液，导致以土壤中重金属总量进行评估所获取的结果非常保守，造成场地过度修复与资金浪费。因此，越来越多的研究人员推荐采用模拟人体消化吸收过程的方法测试土壤中能够溶解于胃肠系统的重金属含量，即重金属的生物可给性，并以此为基准计算人体摄入量，这能在很大程度上克服现有评估方法过于保守的问题。

生物可给性可以通过活体实验（in vivo）进行，结果较为准确、可靠，但具有试验周期长，动物个体间差异等不足之处[8]。而体外实验（in vitro）能够一定程度评价生物体对物质的吸收状况，研究表明，采用体外实验（in vitro）方法测试的结果与动物毒理试验测试结果的相关性很好[9]。In vitro 方法以人工模拟肠胃法为主，在模拟的人工肠胃系统中，将可能被血液系统吸收的污染物的含量定义为污染物的生物可给性（bioaccessibility）[10]，是污染物被生物可能吸收的最大值，并以此为基准计算人体摄入量，这在很大程度上克服了现有评估方法过于保守的问题[3-5]。

截至目前，已经报道的基于模拟人体胃肠消化生理特征的重金属可给性测试方法有10 种[11]，包括PBET、SBET、IVG、USP、MB&SR、DIN、SHIME、

RIVM、TIM 及UBM，其中PBET 方法最先由Ruby等[9]于1993 年提出，该方法依次模拟重金属在胃及肠液中的释放，发展较成熟，可操作性较强，已测试的污染物较多，且已通过相关的活体实验结果进行了验证，是应用最为广泛的方法之一[12-15]。

本文以西南某钢厂重金属污染土壤为例，采用PBET 方法研究污染土壤中重金属的生物可给性，分析土壤样品主要理化性质对生物可给性的影响。同时利用得到的生物有效性系数，对风险评估确定的修复目标值进行进一步的修正，为该场地后续相关工作的开展起到指导作用。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

该实验所用的土壤来自于西南某关闭待搬迁钢厂受重金属（As、Pb、Cu、Ni）污染的土壤。采集完毕后，将土样置于阴凉通风处自然风干后，用玛瑙辗钵将土壤碾碎并过0.25 mm 筛，过筛后的土壤样品一部分测定其基本理化性质，另外的土壤用于测定其重金属总量，并开展In Vitro 胃肠模拟实验。土壤样品的基本理化性质与重金属含量见表1。

其中土壤pH 值采用0.01mol/L CaCl2溶液提取（土液比1∶2.5），pH 值 计测定[16]；土壤有机质采用水合热重铬酸钾氧化-比色法测定[17]；土壤粒径分级采用比重计法；土壤中重金属总量测定采用王水-HClO4消解，并用ICP-MS 测定。

1.2 实验步骤

In Vitro 实验采用Rubby[9]等提出的PBET 方法，分为模拟胃吸收与模拟肠吸收两个连续阶段，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、醋酸和胃蛋白酶，用浓HCl 将pH 值调到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3 个平行置于37 ℃恒温摇床中以模拟人体温度，以振速100 r/min 振荡，同时通入氩气1 L/min 模拟厌氧环境。振荡1 h 后吸取反应液并过0.45 μm 滤膜，4 ℃保存待测重金属浓度。

表1 土壤样品的基本理化性质与重金属含量表

（2）小肠阶段：用NaHCO3饱和溶液将反应液的pH值调至8，加入胰酶、胆盐，继续置于37 ℃恒温摇床中，以100 r/min振荡，通入1 L/min氩气。期间，每隔15 min测定反应液pH值，若偏离8.0，则通过滴加浓HCl或NaHCO3饱和溶液维持反应液的pH值在8.0。振荡4 h后，吸取反应液，过0.45 μm滤膜，4 ℃保存待测重金属浓度。

1.3 计算方法

（1）生物可给性计算

重金属在胃阶段或小肠阶段的生物可给性BA计算见公式（1）

式中：BA—生物可给性，%；CIV—反应液中可溶态重金属浓度，mg/L；VIV—反应液体积，L；CS—土样重金属总含量，mg/kg；MS—加入反应液的土样质量，kg。

（2）风险控制值的计算

所在场地未来作为居住用地，在此情景下，重金属的暴露途径有经口摄入、皮肤接触和吸入土壤颗粒物3 种，各暴露途径下的风险控制值计算采用中国《污染场地风险评估技术导则》（HJ 25.3-2014）中的方法进行，暴露参数和毒性参数参考《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 36600-2018）中更新的参数，其余参考导则中的推荐参数。

1.4 数据分析

Pearson 相关性分析使用SPSS 24.0 分析软件进行，图形制作使用Excel 2010。

2 结果与讨论

2.1 重金属生物可给性

土壤样品中重金属As、Pb、Cu、Ni 在胃阶段和小肠阶段的生物可给性结果分别见表2 和图1。可以看出，即使在强酸性的模拟胃肠消化液中，可溶出的重金属也远小于其土壤中总含量，即表明污染土壤中的重金属仅小部分可溶于胃肠中被人体吸收，这与已有研究结论[6，18]相一致。

表2 土壤中As、Pb、Cu、Ni溶解态及生物可给性

图1 胃和肠阶段As、Pb、Cu、Ni的生物可给性因子对比

另外，不同重金属在胃阶段和小肠阶段的生物有效性因子存在较大差异，其中As 和Pb 在胃阶段的生物可给性明显高于小肠阶段，这与已有研究结论[19-22]相一致。这主要是由于胃阶段的pH 值较低，酸性条件有利于重金属以离子形态溶出[23]，而重金属从酸性胃阶段进入微碱性的小肠液中，会发生沉淀或重吸收作用，导致生物可给性降低[24，25]。Cu 在胃阶段的生物可给性低于小肠阶段，这主要是由于Cu2+在与胃液中的胃蛋白酶形成较为稳定的络合物[26]，从而使得Cu2+在胃液中的溶液度低于肠液，生物可给性降低[27-29]。Ni 的生物有效性因子较其他3 种重金属较低，且胃阶段的生物有效性略低于小肠阶段，这与李仪等[23]的研究结果相一致。

从分析结果可见，As、Pb 和Cu 的生物可给性明显高于Ni。As 在胃阶段的生物可给性因子为3.64%～12.44%，小肠阶段的生物可给性因子为2.86%～14.00%。Pb 在胃阶段的生物可给性因子为7.15%～19.59%，小肠阶段的生物可给性因子为0.07%～0.77%。Cu 在胃阶段的生物可给性因子为3.53%～9.70%，小肠阶段的生物可给性因子为7.86%～16.61%。Ni 在胃阶段的生物可给性因子为0.98%～4.18%，小肠阶段的生物可给性因子为1.12%～4.58%。不同研究者采用PBET 方法得出的生物有可给因子有较大差异，如付瑾等[15]采用PBET方法计算红壤中As 在胃阶段生物可给因子为（4.5±2.6）%～（23.4±1.4）%，肠阶段的生物可给性因子（0.9±0.1）%～（17.8±2.1）%。陈晓晨[21]研究城市表层与城市道路较为接近区域的土壤中铅在胃阶段的生物可给性为28.83%～60%，小肠阶段的可给性因子6.86%～26.63%。Piggio 等[29]研究发现意大利某区域土壤中Cu 的生物可给性从胃阶段的20%上升到小肠阶段的35%。尹乃毅等[30]采用PBET 法的研究结果表明，矿区土壤中的Cu 在胃阶段的生物可给性18.8%～66.6%，小肠阶段的22.5%～77.4%，而采集的农田土壤中Cu 在胃和小肠阶段的生物可给性分别为18.3%～62.3%和41.3%～70.3%。徐琪等[31]研究城市灰尘中重金属的生物可给性，结果表明不同区域灰尘中Ni 在胃肠阶段总的生物可给性为1.3%～10.6%，尹乃毅等[32]的研究则表明，Ni 在胃阶段的生物可给性为5.2%～18.5%，小肠阶段为74.3%～94.5%。与各研究生物有效性结果对比，本试验所得的生物可给性因子相对偏低，初步判断与场地土壤中夹杂有大量炼铁产生的钢渣有一定关系。钢渣中含有大量的碱性氧化物且比表面积较大，同时其含有相当数量的铁和硅元素，在一定条件下进行处理可以聚合成为很好的絮凝材料，是理想的吸附材料[33，34]。因钢渣的这些特性，可能会吸附一部分土壤中的重金属，使得重金属较难溶出，引起生物可给性因子的降低。

2.2 土壤理化性质对生物可给性的影响

引起生物有效性结果存在较大差异的因素主要有供试土壤的基本理化性质、pH 值、重金属总量、有机质含量、铁、锰的含量等[18，22，35]多种。为了进一步分析各因素与生物可给性因子的相关关系，对土壤的基本理化性质（pH 值、w（黏粒）、w（有机质））、w（Fe）、w（Mn））、重金属总量（w（THM））、胃阶段重金属溶解态含量（Dg）、胃阶段生物可给因子（BAg）、肠阶段重金属溶解态含量（Di）、肠阶段生物可给因子（BAi）共10 个因素分别进行了pearson 相关性分析，所得的相关系数矩阵见表3 至表6。

表3 各因素之间的相关性—As

表5 各因素之间的相关性—Cu

表6 各因素之间的相关性—Ni

从分析结果可见，对重金属在生物可给性存在显著影响的因素主要为pH 值、w（Fe）、w（Mn）、重金属总量，这与已有的研究成果相一致[6，15，20，36]。

土壤pH 值一般认为是影响重金属生物活性的重要因素之一。该研究中As 和Pb 在胃或小肠阶段的溶解态浓度均呈显著正相关，pH 值与Cu 和Ni在胃和小肠阶段的生物可给性呈显著以上正相关。Navarro 等[37]研究发现，pH 值影响重金属生物有效性的最重要因素。郑顺安等[38]研究表明，pH 值和黏粒含量是影响重金属Pb 生物可给性的最重要因子，二者可以解释69.49%的Pb 的生物可给性的变化。

Pb、Cu、Ni 在胃提取阶段溶解态含量与ω（Mn）呈显著正相关，原因可能在于这些重金属离子易与Mn 在酸性条件下生成易溶解的化合物[22]，本研究中w（TPb）、w（TCu）均与w（Mn）呈显著正相关，也在一定程度上解释了这一情况。而As 在胃提取阶段溶解态含量则与w（Mn）无显著相关性，但与w（Fe）存在显著相关性，主要是因为土壤中铁氧化物是砷的主要结合位，易与As 结合形成较为稳定的化合物[39，40]，在胃阶段因强酸性的环境，使与铁氧化物结合的As释放出来，引起溶解态含量正向变化；

重金属总量也是影响生物可给性的重要因素，该实验中重金属总量与其在胃阶段溶解态含量均呈极显著正相关。钟茂生等[6]的研究表明，影响供试土壤Cd 生物可给性的最重要因素是w（TPAs）。李继宁等[41]的研究表明，Cu、Zn、As、Cd、Pb 等重金属的生物可给性均有重金属总量呈显著正相关，且相关系数均达到0.8 以上。

众多研究表明，w（黏粒）、w（有机质）对生物可给性也会产生一定程度的影响，Girouard 等[42]研究发现土壤中黏粒和有机质的量与As 的生物可给性有很好的相关性。尹乃毅等[30]研究发现铜在胃和小肠阶段的生物可给性均与有机质呈显著相关性，可通过有机质含量等组成的多元回归方程预测生物可给性因子。但该项目中w（黏粒）、w（有机质）对生物可给性因子的影响未达到显著水平，这可能与供试土壤来自一个场地，土质相差不大，有机质和黏粒含量差距较小，因此未能在生物有效性因子的结果上体现出来。

2.3 修复目标值的确定

研究生物有效性因子时，一般将胃和小肠阶段的生物可给性加和，得到一个总的生物可给性值[14]。导则中默认重金属经口摄入吸收因子（ABS0）为1，即默认经口摄入土壤中的重金属污染物可被人体全部吸收，而该实验结果表明，摄入的重金属即使在强酸性的胃液中，也不会完全被人体吸收。本文以实测胃和肠阶段生物可给性因子总和的95%置信区间上限值（ABS0＜1）代替导则默认值（1）进行风险评估，修正重金属的修复目标值。

因重金属Pb 一般采用血铅模型开展风险评估工作，因此仅对As、Cu、Ni 等3 种重金属的修复目标值进行修正。计算得到As、Cu、Ni 3 种重金属生物有效性系数95%上限值分别为0.184，0.2389 和0.0806，分别以此代替导则默认值（1）开展风险评估，结果表明采用生物有效性因子修正后，As 的修复目标值从0.45 mg/kg 修正为1.55 mg/kg，Cu 的修复目标值从2 000 mg/kg 修正为8 381 mg/kg，Ni 的修复目标值从129 mg/kg 修正为150.8 mg/kg。

从修正结果可见，场地As、Cu、Ni 的初步建议修复目标值均有了一定程度提高。以矫正后的修复目标值计算土方量（As 除外），场地待修复Cu 污染土壤方量从1.17 万m3降低到0，减少了100%，待修复Ni 污染土方量从3.36 万m3降低到2.32 万m3，减少了约31%，在避免对人体造成危害的同时，节约了修复成本，避免了过度修复。

3 结语

（1）场地土壤中在胃和肠阶段溶出的重金属的浓度远低于重金属总量，即土壤中的重金属不会完全溶出被人体吸收。其中重金属As 和Pb 在胃阶段的生物可给性高于小肠阶段，而重金属Cu 和Ni 则不同，其在胃阶段的生物可给性低于小肠阶段。

（2）影响重金属生物可给性的因素主要有pH值、w（Fe）、w（Mn）和重金属总量。pH 值与4 种重金属在胃肠阶段的溶解态浓度或生物可给因子呈显著正相关。As 在胃提取阶段溶解态含量与w（Fe）存在显著正相关，Pb、Cu、Ni 在胃提取阶段溶解态含量与w（Mn）呈显著正相关。重金属总量与其在胃阶段的溶解态含量呈极显著正相关关系。

（3）采用生物可给性结论，可对根据中国《污染场地风险评估技术导则》计算的修复目标值进行修正，以修正后的修复目标值计算土方量，在避免对人体造成危害的同时，场地待修复Cu 污染土壤方量减少了100%，Ni 污染土壤方量减少了31%。采用生物可给性方法减少了待修复的土方量，节约了修复成本，避免了过度修复。