体外提取方法对土壤重金属生物可给性的影响

吴小飞，王振兴，李莎莎，徐轶群，熊慧欣，许 健*

（扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州225127）

体外提取方法对土壤重金属生物可给性的影响

吴小飞，王振兴，李莎莎，徐轶群，熊慧欣，许 健*

（扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州225127）

选用UBM（unified barge method），PBET（the physiologically based extraction test），SBET（simplified bioaccessibility extraction test）和IVG（in-vitro gastrointeslinal）等4种体外提取方法，通过模拟人体胃肠液对比分析了不同酸度土壤中Pb，Cd，Zn，Ni等重金属的生物可给性，为正确选择和制定土壤重金属对人体潜在风险的评价方法提供参考.结果表明：1）在偏酸性土壤中，IVG方法对Zn，Ni，Cd的提取量最大；在偏碱性土壤中，SBET方法对Zn，Ni，Pb的提取量最大；2）当采用IVG和PBET方法分析Zn，Ni，Cd的生物可给性时，酸性土壤中的生物可给性偏高；而采用SBET和UBM分析时，碱性土壤中Zn，Ni，Cd的生物可给性偏高.

体外提取方法；土壤；重金属；生物可给性

在日常生活中，人类会通过各种途径无意摄入土壤.据统计，小孩误食土壤量约为200 mg·d-1，有时甚至高达25～60 g·d-1［1］.含有重金属的土壤进入机体后经消化吸收并积累，将导致慢性中毒，严重危害人体健康.土壤重金属对人体潜在风险的评价一般基于重金属的总摄入量［2］，但Ruby等［3］认为进入人体的重金属并非被完全吸收，故采取总摄入量评价重金属的风险仍不够准确，从而提出了生物有效性的概念.近年来，利用体外提取方法对土壤重金属的潜在风险进行评价受到广泛关注.国际上普遍使用的土壤重金属的体外提取方法主要有UBM［4］、PBET［5］、SBET［6］和IVG［7］等.由于不同的体外提取方法都是参考人体消化液的组成设定的，而模拟消化液的组成存在着较大差异，导致各体外提取方法的结果缺乏可比性；此外，重金属性质、土壤理化性质的差异也会影响体外提取的重金属含量，因此体外提取方法的选择直接关系到土壤重金属潜在风险的正确评价.目前，国内外尚未形成统一的利用生物可给性进行重金属潜在风险的评价标准，基于此，本文拟系统地研究UBM，PBET，SBET和IVG等4种体外提取方法，探讨不同酸度土壤中重金属Pb，Cd，Zn，Ni的生物可给性，并对各体外提取方法的差异性及影响因素进行比较，以期为我国正确选择重金属潜在风险的评价方法提供依据.

1　材料与方法

1.1试验材料

供试土壤A，B分别采自扬州市（黄棕壤）和深圳市（赤红壤）某公路旁0～5 cm深处.采样时随机布设3个点，土壤经除杂处理后自然风干，混合均匀，研磨.采用电位法测定过2.00 mm筛土样的p H 值.对过0.15 mm筛的土样，分别采用重铬酸钾法测定有机质的质量含量，钼锑抗比色法测定总磷含量，凯氏定氮法测定总氮含量.将过0.15 mm筛的土样分别经HCl—HNO3—HF—HCl O4溶液消解和体外提取后，通过火焰原子吸收分光光度计（AAS，Solaar MK2-M6）测定土壤重金属的总含量及可给性重金属含量.

1.2试验方法

1）UBM提取.参照文献［4］480配制唾液、胃液、十二指肠液和胆汁.向50 m L离心管中加入0.6 g供试土壤样品、9 m L唾液和13.5 m L胃液，采用质量分数为37%的HCl溶液和1 mol·L-1NaOH溶液调节体系p H=1.20±0.02，将离心管置于37℃的恒温振荡器中，在275 r·min-1转速下振荡1 h，模拟人体胃液的消化过程.胃液提取结束后，加入27 m L十二指肠液和9 m L胆汁，调节体系p H=6.30±0.50，继续振荡4 h，完成肠液的提取，提取液备用.

2）PBET提取.参照文献［5］426配制胃液.向50 m L离心管中加入2.0 g供试土壤样品和20 m L胃液，用质量分数为37%的HCl溶液调节体系p H=1.20±0.02，将离心管置于37℃恒温振荡器中，以275 r·min-1的转速振荡1 h，模拟人体胃液的消化过程.胃液提取结束后，采用饱和碳酸钠溶液调节体系p H=7.0±0.02，加入70 mg胆汁提取物和20 mg胰液素，继续振荡2 h，完成肠液的提取，提取液备用.

3）SBET提取.参照文献［6］3329配制胃液.向50m L离心管中加入1.0 g供试土壤样品和100 m L胃液，采用质量分数为37%的HCl溶液调节体系p H=1.50±0.02，将离心管置于37℃恒温振荡器中，以275 r·min-1的转速振荡1 h，提取液备用.

4）IVG提取.参照文献［7］644配制胃液.向50 m L离心管中加入0.4 g供试土壤样品、60 m L胃液和20 g生面团，用质量分数为37%的HCl溶液调节体系p H=1.80±0.02，将离心管置于37℃恒温振荡器中，以275 r·min-1转速振荡1 h，模拟人体胃液的消化过程.胃液提取结束后，采用饱和碳酸氢钠溶液调节消化液p H=5.50±0.02，并添加0.21 g胆汁和0.021 g胰液素，振荡1 h进行肠相消化，提取液备用.

供试土壤样品经上述方法提取后，离心分离，经孔径为0.45μm的滤膜过滤，测定并计算滤液中重金属的溶解量及其生物可给性：重金属生物可给性=重金属在消化液中的溶解质量/重金属总质量×100%.

1.3统计分析与质量控制

表1　供试土壤的部分理化性质Tab.1 Physicochemical properties of the tested soils

2　结果与讨论

2.1各体外提取方法对土壤重金属的提取效果

表2为土壤中重金属在4种体外提取方法下的提取量.由表2可知：1）Zn的提取量.在土壤A中，4种方法按提取量由大到小的顺序排列依次为SBET，IVG，UBM，PBET，其中PBET和UBM法的提取量无显著性差异（P＞0.05）；在土壤B中，按提取量由大到小的顺序排列依次为IVG，SBET，PBET，UBM，其中IVG法与其他3种方法的提取量之间的差异显著（P＜0.05）；2）Ni的提取量.按照提取量由大到小的顺序依次排列：土壤A中为SBET，UBM，IVG，PBET，土壤B中为IVG，PBET，UBM，SBET，其中UBM，PBET，SBET等3种方法的提取量之间无显著性差异（P＞0.05），且远小于IVG法的提取量；3）Cd的提取量.按照提取量由大到小的顺序依次排列：土壤A中为UBM，SBET，IVG，PBET，土壤B中为IVG，SBET，PBET，UBM；4）Pb的提取量.按照提取量由大到小的顺序依次排列：土壤A中为SBET，IVG，UBM，PBET，土壤B中为UBM，SBET，IVG，PBET.

由上述分析可知，不同体外提取方法的提取量总体存在显著差异.IVG法对偏酸性土壤B中重金属Zn，Ni，Cd有较大的提取量，但对Pb的提取量相对较低.SBET法对偏碱性土壤A中重金属Zn，Ni，Pb有较大的提取量，但对Cd的提取量较低.PBET法的提取量相对于IVG和SBET法较低，而UBM法对土壤中重金属的提取量并未呈现明显的规律性.

2.2土壤重金属的生物可给性

图1为土壤重金属在4种体外提取方法下的生物可给性.由图1可知：1）土壤重金属的生物可给性整体水平较低，Zn，Ni，Cd，Pb的生物可给性最大值分别为34.14%，23.01%，49.37%，24.59%，而Poggio等［8］以意大利某公园表层土壤为研究对象时得知Zn，Ni，Pb的生物可给性分别为16%，7%，25%；因此，如果以重金属总量作为评价指标，将会高估重金属的潜在危害；2）采用PBET和IVG方法分析Zn，Ni，Cd的生物可给性时，酸性土壤远高于碱性土壤中的；3）用UBM和SBET方法分析Zn，Ni，Cd的生物可给性时，碱性土壤高于酸性土壤中的.

图1　4种体外提取方法下土壤重金属的生物可给性Fig.1 Bioavailability of zn，Ni，Cd and Pb in soils by the PBET，IVG，UBM and SBET

2.3讨论

本试验中，IVG和SBET方法较其他提取方法有较好的提取效果.其可能原因是：1）这2种方法有较大的土液比（质量体积比，下文同），土液比越大，重金属的生物可给性越大［6］3332.本文中IVG，SBET，UBM和PBET方法所采用的土液比分别为1∶150，1∶100，1∶37.5，1∶10；2）IVG法中模拟消化液胃蛋白酶的用量明显高于其他方法，胃蛋白酶能与重金属络合，从而提高了重金属在消化液中的溶解量［9］.

当采用PBET和IVG方法分析时，除Pb外，Ni，Cd，Zn在酸性土壤中的生物可给性均高于碱性土壤中的.其原因是当p H值较低时，一部分重金属离子从胶体或土壤中矿物颗粒表面解析出后进入土壤溶液；同时，H+浓度的增加打破了重金属离子的溶解-沉淀平衡，促进其进一步释放［10］.当采用SBET和UBM分析Zn，Ni，Cd的生物可给性时，碱性土壤中重金属的生物可给性高于酸性土壤中的，这与文献［11］的研究结果较为一致.综上所述，土壤重金属的生物可给性受体外提取方法、重金属种类和土壤理化性质等的共同影响.

［1］CALABRESE E J，STANEK E J，JAMES R C，et al.Soil ingestion：a concern for acute toxicity in children［J］.Environ Health Perspect，1997，105（12）：1354-1356.

［2］LI Yanyan，WANG Hongbin，WANG Haijuan，et al.Heavy metal pollution in vegetables grown in the vicinity of a multi-metal mining area in Gejiu，China：total concentrations，speciation analysis，and health risk［J］.Environ Sci Pollut Res，2014，21：12569-12582.

［3］RUBY M V，SCHOOF R，BRATTIN W，et al.Advances in evaluating the oral bioavailability of inorganics in soil for use in human health risk assessment［J］.Environ Sci Technol，1999，33（21）：3697-3705.

［4］PELFRENE A，WATERLOT C，MAZZUCA M，et al.Assessing Cd，Pb，Zn human bioaccessibility in smelter-contaminated agricultural topsoils（northern France）［J］.Environ Geochem Health，2011，33（5）：477-493.

［5］RUBY M V，DAVIS A，SCHOOF R，et al.Estimation of lead and arsenic bioavailability using a physiologically based extraction test［J］.Environ Sci Technol，1996，30（2）：422-430.

［6］OOMEN A G，HACK A，MINEKUS M，et al.Comparison of five in vitro digestion models to study the bioaccessibility of soil contaminants［J］.Environ Sci Technol，2002，36（15）：3326-3334.

［7］RODRIGUEZ R R，BASTA N T，CASTEEL S W，et al.An in vitro gastrointestinal method to estimate bioavailable arsenic in contaminated soils and solid media［J］.Environ Sci Technol，1999，33（4）：642-649.

［8］POGGIO L，VRŠ AJ B，SCHULIN R，et al.Metals pollution and human bioaccessibility of topsoils in Grugliasco（Italy）［J］.Environ Pollut，2009，157（2）：680-689.

［9］李仪，章明奎.三种模拟消化液对土壤重金属的提取性比较［J］.中国环境科学，2012，32（10）：1807-1813.

［10］CUI Yanshan，FU Jin，CHEN Xiaochen.Speciation and bioaccessibility of lead and cadmium in soil treated with metal-enriched Indian mustard leaves［J］.J Environ Sci，2011，23（4）：624-632.

［11］HU Xin，ZHANG Yun，LUO Jun，et al.Bioaccessibility and health risk of arsenic，mercury and other metals in urban street dusts from a mega-city，Nanjing，China［J］.Environ Pollut，2011，159（5）：1215-1221.

Influence of four in-vitro extraction methods on bioaccessibility of heavy metals in soils

WU Xiaofei，WANG Zhenxing，LI Shasha，XU Yiqun，XIONG Huixin，XU Jian*
（Sch of Environ Sci&Engin，Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China）

In this study，four representative in-vitro tests methods，UBM，PBET，SBET and IVG are selected to evaluate the bioaccessibility of Pb，Cd，Zn and Ni extracted from different soils with simulating human gastrointestinal juice.This study supplies

for exactly evaluating the potential risk of heavy metals in soils to human health.Results show that there are remarkable differences in the bioaccessibility of heavy metals in various soils tested by four in-vitro extraction methods.In most cases，the bioavailability of heavy metals Zn，Ni and Cd in acidic soils by IVG is clearly higher than those by other in-vitro extraction methods，and it is found there is higher bioaccessibility of alkaline soil Zn，Ni and Pb by SBET than those by other in-vitro extraction methods. And the bioaccessibility of heavy metals Zn，Ni and Cd in acidic soils by IVG and PBET is higher than that in alkali soil.However，Zn，Ni and Cd bioaccessibility extracted by SBET and UBM in alkali soil is higher than that in acidic one.

in-vitro digestion method；soil；heavy metal；bioaccessibility

X 705

A

1007-824X（2015）02-0075-04

（责任编辑 林 子）

2014-10-28.*联系人，E-mail：xujian@yzu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目（31372133）；“十二五”国家科技支撑计划项目（2013BAD21B03）；江苏省环境材料与环境工程重点实验室开放课题（K13071）；扬州市环保科研课题（YHK1412）.

吴小飞，王振兴，李莎莎，等.体外提取方法对土壤重金属生物可给性的影响［J］.扬州大学学报：自然科学版，2015，18（2）：75-78.