不同體外模擬法提取農(nóng)田土壤重金屬的研究

王曉飛,許桂蘋(píng),魏萌萌,陳麗君,張海強(qiáng)

(1.廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院,廣西 南寧 530004;2.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,廣西 南寧 530028)

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不同體外模擬法提取農(nóng)田土壤重金屬的研究

王曉飛1,2,許桂蘋(píng)1,2,魏萌萌1,陳麗君1,張海強(qiáng)2

(1.廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院,廣西 南寧 530004;2.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,廣西 南寧 530028)

摘要：采用3種體外消化方法(SBET、PBET和SGET),對(duì)農(nóng)田土壤中重金屬元素Cu、Zn、Pb和Cd進(jìn)行了提取效果分析。結(jié)果表明:3種方法的模擬消化液對(duì)土壤中Cu、Zn和Cd的提取量表現(xiàn)為SBET>PBET>SGET;3種方法的模擬消化液中胃液對(duì)土壤中同一重金屬的提取量表現(xiàn)為SGET>PBET>SBET;土壤中Cu、Zn、Pb和Cd在PBET和SGET法中經(jīng)胃液消化的產(chǎn)物進(jìn)入腸液后溶解量降低。因此,在重金屬Cu、Zn、Pb和Cd經(jīng)土壤-口腔途徑對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)中,基于保護(hù)人體健康,可通過(guò)由模擬胃液組成的體外消化法來(lái)研究它們的生物可接受性。

關(guān)鍵詞：體外消化方法;模擬消化液;重金屬;土壤;提取

近幾年,我國(guó)耕地土壤的重金屬污染現(xiàn)象較為普遍[1-2],且隨著工業(yè)化[3]和城市化[4-5]的快速發(fā)展,土壤重金屬污染問(wèn)題備受關(guān)注[6-7]。土壤-口腔途徑是重金屬元素對(duì)不同人群的身體健康產(chǎn)生危害的主要途徑之一,如果直接采用土壤重金屬全量來(lái)進(jìn)行人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),則會(huì)高估其負(fù)面影響,因?yàn)橥ㄟ^(guò)口腔攝入的土壤重金屬量并不是人體實(shí)際吸收的量[8-10]。因此,已有學(xué)者將模擬人體消化程序的體外消化實(shí)驗(yàn)引入環(huán)境科學(xué),認(rèn)為通過(guò)分析測(cè)定得出的能被人體消化液溶解、有可能被吸收的那部分土壤重金屬量?jī)?yōu)于土壤全量評(píng)價(jià)得出的結(jié)果,更能真實(shí)地反映土壤重金屬的生物可接受性[11-13]。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤重金屬的生物可接受性研究較少,主要通過(guò)分析測(cè)定土壤重金屬在體外模擬消化液中溶解量的方法來(lái)評(píng)價(jià)土壤重金屬的污染。有關(guān)文獻(xiàn)[14-16]報(bào)道的不同體外消化實(shí)驗(yàn)所用的模擬消化液均是參照人體的消化液組成進(jìn)行設(shè)計(jì)的,但是具體模擬消化液組成和操作程序稍有區(qū)別,從而導(dǎo)致不同體外消化試驗(yàn)的結(jié)果存在差異,缺乏可比性。

我們以廣西某尾礦庫(kù)潰壩影響區(qū)域的農(nóng)田土壤為研究對(duì)象,選擇SBET、SGET和PBET 3種具有代表性的體外消化方法依次進(jìn)行溶解分離,測(cè)定模擬消化液中重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的含量,分析測(cè)定結(jié)果的差異性,以期為正確選擇合適的體外消化方法提供依據(jù),為開(kāi)展土壤重金屬人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1土壤樣品采集與前處理

土壤樣品采集于廣西某尾礦庫(kù)潰壩影響區(qū)域的農(nóng)田甘蔗地土壤,按照五點(diǎn)法共采集3個(gè)表層(0～10 cm )土壤混合樣品。將所采集樣品放置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干,挑揀出樣品中的甘蔗根和小石塊等雜質(zhì),將風(fēng)干的土樣按照四分法取適量樣品分別過(guò)20目和100目尼龍篩,裝袋,供分析用[18]。

1.2樣品分析

土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量和陽(yáng)離子交換量的測(cè)定參照文獻(xiàn)[19];重金屬Cu、Zn、Pb和Cd的全量測(cè)定參照文獻(xiàn)[20];包括體外消化實(shí)驗(yàn)樣品在內(nèi)的消化液或提取液中重金屬含量的測(cè)定同樣參照文獻(xiàn)[20]，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法。在分析過(guò)程中加入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品GSS-21和GSS-25，以進(jìn)行質(zhì)量控制,確保各重金屬的回收率均在允許范圍內(nèi)。

1.3不同模擬消化液的組成及消化條件

消化實(shí)驗(yàn)所用土壤均過(guò)100目,與消化液以1∶100的比例進(jìn)行混合,放置于預(yù)先設(shè)定好的恒溫水浴箱(37 ℃)中振蕩(100 r/min)一定時(shí)間；在振蕩結(jié)束后，將消化液離心(4000 r/min)10～15 min，然后取上清液，過(guò)0.45 μm濾膜后待測(cè)。SBET(Simple Bioaccessibility Extraction Test)、PBET(Physiologically-Based Extraction Test)和SGET(Simple Gastrointestinal Extraction Test)這3種體外消化方法的具體組成及操作步驟參照文獻(xiàn)[13]。

1.4統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Office Excel 2010及SPSS 21.0 for Windows進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1土壤的理化性質(zhì)與重金屬含量

從表1可知：本實(shí)驗(yàn)土壤pH值的平均值為4.60,呈酸性至強(qiáng)酸性；土壤重金屬Cu、Zn、Pb和Cd含量的平均值分別為37.59、797.31、879.36、1.68 mg/kg,均高于研究區(qū)域的土壤背景值；另外,重金屬Pb、Cd 和Zn的最低值均高于土壤背景值及土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值,說(shuō)明土壤重金屬Pb、Cd 和Zn的含量已經(jīng)超標(biāo),局部區(qū)域土壤受到重金屬污染,達(dá)到威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人體健康的程度,應(yīng)該引起高度重視。

表1　供試土壤的理化性質(zhì)與重金屬含量

2.23種體外模擬消化液對(duì)土壤重金屬的提取量

不同模擬體外消化液對(duì)土壤重金屬的提取效果不僅與重金屬的種類有一定關(guān)系,而且還與消化液的組成成分有直接的關(guān)系。SBET法僅模擬胃液,其pH值在1.5左右,具有較強(qiáng)的酸性,溶解效果相對(duì)較好;在PBET法所用的體外模擬消化液中，胃液和腸液同時(shí)存在,特別是腸液中添加有膽汁鹽和胰液素,兩者具有一定的絡(luò)合作用,可以促進(jìn)重金屬的溶解；在SGET法所用的體外模擬消化液中，胃液和腸液同時(shí)存在,但是腸液中不含有膽汁鹽和胰液素。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：土壤中Cu、Zn和Cd的表現(xiàn)規(guī)律一致；而Pb的表現(xiàn)行為與其他重金屬元素有差異。由表2可知：SBET法、PBET法和SGET法對(duì)土壤A中Cu的提取量分別為4.41、0.89、2.08 mg/kg,對(duì)土壤B中Cu的提取量分別為6.60、1.47、2.50 mg/kg，這3種模擬方法對(duì)A和B中Cu的提取量差異顯著；PBET法和SGET法對(duì)土壤C中Cu的提取量分別是3.48、3.33 mg/kg,與SBET法對(duì)Cu的提取量6.13 mg/kg存在顯著性差異；此外，這3種模擬體外消化液對(duì)土壤A、B和C中Zn、Pb和Cd的提取量也存在顯著差異,且對(duì)土壤中Cu、Zn和Cd的最高提取量均表現(xiàn)為SBET>PBET>SGET，這是因?yàn)閆n和Cd在SBET法胃腸液中的提取量遠(yuǎn)高于SGET法的提取量；對(duì)土壤A中Pb的提取量以SBET法最高,提取量為15.21 mg/kg,而對(duì)土壤B和C中Pb的提取量則均以PBET法最高,提取量分別為19.87和27.57 mg/kg，這是因?yàn)镻BET法所用消化液中含有胃蛋白酶和檸檬酸等成分,可以跟重金屬Pb發(fā)生一定的絡(luò)合作用,強(qiáng)化對(duì)Pb的提取過(guò)程,另外,模擬腸液中含有胰液素和膽汁鹽,兩者可以降低對(duì)重金屬的沉淀作用。因此,在土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中,對(duì)土壤中Cu、Zn和Cd的生物可接受性可通過(guò)SBET法進(jìn)行評(píng)估,而對(duì)土壤中Pb的生物可接受性可以采用PBET法進(jìn)行評(píng)估。

2.33種體外模擬消化液胃液提取量對(duì)比

從圖1中可以看出,不同體外模擬法對(duì)土壤中同一重金屬的胃液提取量不盡相同,對(duì)于本研究中的土壤樣品A、B、C，以SGET法胃液提取量最高,PBET法和SBET法次之;此外,不同重金屬在不同消解方法中胃液的提取量存在顯著差異性。對(duì)于Cu的胃液提取量,SBET法與PBET法相差較小,但SGET法高出近1倍;Zn和Cd在不同胃液消化液中提取量的變化規(guī)律較為一致,且胃液提取量表現(xiàn)為SGET法>PBET法>SBET法;Pb在不同的胃液消化液中提取量差異顯著。以上這些結(jié)果表明,不同模擬胃液消化液對(duì)土壤重金屬的提取效果可能與消化液的組成成分以及重金屬種類有關(guān)。PBET法和SGET法的胃液中均含有胃蛋白酶,可與消化液中的金屬離子結(jié)合形成絡(luò)合物,以促進(jìn)重金屬的溶解。以上4種重金屬的離子配合物以Cu2+最穩(wěn)定,會(huì)首先與胃蛋白酶結(jié)合；另外,SGET法胃液中胃蛋白酶的含量高于PBET法,所以SGET法模擬胃液對(duì)Cu的提取量會(huì)遠(yuǎn)大于PBET法模擬胃液的提取量。

表2土壤重金屬在3種體外消化液

中的提取量均值

mg/kg

圖1　重金屬在體外消化方法中胃液提取量

2.43種體外模擬消化液腸液提取量對(duì)比

從圖2可以看出,不管是PBET法還是SGET法,模擬胃液提取的重金屬進(jìn)入模擬腸液后會(huì)發(fā)生改變。對(duì)于土壤樣品A、B和C中的Cu、Zn、Pb和Cd而言,它們?cè)谖敢褐械奶崛×烤@著高于其在胃腸液中的提取量。這與Roussel的研究結(jié)果一致，這是因?yàn)镃u、Zn、Pb和Cd經(jīng)胃液提取后進(jìn)入腸液進(jìn)一步被消化時(shí),由于模擬腸液的pH值高于胃液的,因此這些重金屬元素會(huì)發(fā)生沉淀作用,被溶解量降低,從而生物可接受性降低。

3結(jié)論與討論

3種體外模擬消化液對(duì)廣西某尾礦庫(kù)潰壩影響區(qū)域甘蔗田土壤中Cu、Zn、Pb和Cd的提取量均存在顯著差異；3種模擬體外消化液對(duì)土壤中Cu、Zn和Cd的提取量表現(xiàn)為SBET法>PBET法>SGET法。

3種體外模擬消化液對(duì)土壤中同一重金屬的胃液提取量也有差異,以SGET法胃液為最高,其次是PBET法胃液和SBET法胃液。

不管是PBET法還是SGET法,經(jīng)胃液提取后進(jìn)入腸液進(jìn)一步被消化時(shí),土壤中的Cu、Zn、Pb和Cd會(huì)發(fā)生沉淀作用,其被溶解量和生物可接受性會(huì)降低。因此,在重金屬Cu、Zn、Pb和Cd經(jīng)土壤-口腔途徑對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)中,基于保護(hù)人體健康,可通過(guò)由模擬胃液組成的體外消化法來(lái)研究它們的生物可接受性。

圖2　重金屬在體外消化方法中胃液和胃腸液中的提取量

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(責(zé)任編輯:黃榮華)

收稿日期：2015-12-25

基金項(xiàng)目：廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目“西江流域水環(huán)境重金屬污染機(jī)制與調(diào)控”(2013GXNSFEA053001);廣西突發(fā)污染事故應(yīng)急技術(shù)研究特聘專家崗位項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介：王曉飛(1984─),男,山西陽(yáng)泉人,研究方向?yàn)樘穷惛碑a(chǎn)物的資源化技術(shù)及環(huán)境控制。

中圖分類號(hào)：X53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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