模拟生物体液中污染物生物可利用性研究进展*

董 慧 肖保华 邸欣月 安显金 汤海明

(1.贵州师范大学喀斯特研究院，贵州 贵阳 550002；2.国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州 贵阳 550002；3.中国科学院地球化学研究所，环境地球化学国家重点实验室，贵州 贵阳 550002；4.贵州中医药大学基础医学院，贵州 贵阳 550025)

污染物普遍存在于环境中，能够通过食物链积累对人类健康造成威胁[1]。消化道摄入及呼吸道吸入是污染物进入人体的主要方式[2-3]。在体液内呈可溶态的污染物被认为具有生物可利用性，可被机体吸收，进而对人体细胞和器官造成损害[4]624，因此污染物的生物可利用性受到了越来越多的关注。

有研究表明，污染物在模拟地表水中的释放特性明显不同于其在模拟生物体液中的释放，与真实的生物可利用性存在较大的差异。其次，比表面积巨大的细微碳质颗粒物是有机污染物和重金属的强力吸附剂，它们可能通过呼吸和饮食等途径进入人体，在体液环境中直接释放有机污染物和重金属[5-7]。先前的研究大多利用污染物的各种形态来进行生物可利用性估算，如将重金属提取出可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态以及残渣态等，其中可交换态及碳酸盐结合态为可利用态，铁锰氧化物结合态及有机结合态为潜在可利用态，残渣态则为不可利用态[8-9]。然而，生物体液成分复杂，含有大量无机盐、有机酸及蛋白质等成分，对污染物的萃取或与环境介质之间的相互作用机理复杂，仅以赋存形态来进行评估未免有失准确性。

要准确评估污染物的生物可利用性需要进行生物体实验或利用模拟生物体液进行实验。生物体实验的准确度较高，但由于耗时长、费用高及伦理原因等难以作为常规评估手段。因此，耗时短和费用低的模拟生物体液实验逐渐发展成评估污染物生物可利用性的重要手段。PU等[10]分别通过模拟生物体液实验和小鼠毒理实验对土壤中菲的生物毒性进行研究，获取的两种结果具有很好的相关性。JUHASZ等[11]以猪为实验对象，通过活体法和体外模拟体液法分析了砷的生物可利用性，结果显示两种方法相关性良好。近年来，采用模拟生物体液进行实验估算污染物生物可利用性成为生态毒理学的一个重要研究方向[12-14]，该方法不仅可用于污染物的生物可利用性评估、预测污染物在生物体内的富集情况，还可应用于人体健康风险评价、生态风险评估以及环境管理和立法等领域[15]，具有重要的研究价值。

1 模拟生物体液实验的建立

污染物一般通过消化道摄入、呼吸道吸入以及表皮接触等途径进入到人体中，其中前两种为主要暴露途径。针对消化道摄入、呼吸道吸入途径，需要模拟胃肠液和肺液环境讨论经食物及呼吸摄入的污染物的生物可利用性。

人类的消化系统极其复杂，模拟生物体液实验只需模拟关键过程。在模拟胃环境中，pH较低(pH在1～4)，污染物停留时间约为3 h，主要的消化液为盐酸和胃蛋白酶；在模拟小肠环境中，pH为中性，污染物停留时间约为7 h，主要的消化液为胰液素、胆汁等；由于食物在口腔内的停留时间较短，污染物在口腔中无明显释放，因此该项为可选项，若该项纳入模拟实验，口腔液pH为6.5，停留时间约2 min，主要的消化液为淀粉酶[16]。SCHRICKER等[17]于20世纪80年代对食物中铁的生物可利用性进行评估，随后该种方法主要用于研究无机污染物的生物可利用性研究。在20世纪90年代，有学者创建了利用体外萃取实验研究二噁英/多氯二苯并呋喃(PCDDs/PCDFs)的生物可利用性，模拟了包含淀粉酶、黏蛋白、胃蛋白酶、胰液素、胆汁等其他成分的唾液-胃肠液环境，针对持久性有机污染物(POPs)生物可利用性的研究由此建立。目前常用的模拟消化液方法为体外胃肠法(IVG)、溶解度生物可利用性联合会推荐法(SBRC)，基于生理学提取法(PEBT)、德国标准研究院法(DIN)和人体肠道微生物模拟系统法(SHIME)[18]。模拟肺液实验则是在对金属化合物气溶胶的研究上发展起来[19]：KANAPILLY等[20]对可吸入放射性金属气溶胶(Ce、Sr等)的溶解性能进行研究，通过洗脱气溶胶颗粒中的放射性元素，分析洗脱液中放射性元素的含量，对金属气溶胶生物可利用性进行评估；CHENG等[21]将氚化合物(氚化钛和氚化铒)直接加入模拟肺液中进行萃取，分析溶液中氚化合物的溶出率，评价其对人体健康的危害；STEFANIAK等[22]则开展了金属铍和氧化铍在吞噬细胞溶酶体模拟溶液中的释放研究。

2 污染物生物可利用性的影响因素

2.1 模拟生物体液的类型

污染物在不同模拟生物体液中的生物可利用性有所差异。COLOMBO等[23]使用两种模拟肺液(Gamble溶液及人工溶酶体溶液(ALF))对道路灰尘、汽车催化剂中的铂族元素(PGE)进行萃取实验。研究发现，道路灰尘释放出的PGE相对更高，说明汽车催化剂中的PGE由金属态转化为溶解度更高的形态，可能是由于无机离子络合以及与环境中普遍存在的腐殖质的相互作用导致，此外ALF中金属的释放高于Gamble溶液，说明PGE的生物可利用性在不同类型的模拟肺液中有所差异。KADEMOGLOU等[24]对室内灰尘中的邻苯二甲酸酯类(PEs)进行研究，PEs在ALF中的释放率较在Gamble溶液更高，具有更强的生物可利用性。XIE等[25]用Gamble溶液和ALF进行电子垃圾焚烧颗粒中多环芳烃(PAHs)的生物可利用性研究，也取得了相似的结果。

COLOMBO等[26]的研究表明，道路灰尘中的PGE在模拟消化液中的生物可利用性高于模拟肺液。FORDE等[27]的研究显示，铅质玻璃在蛋白质溶液和模拟胃液中的生物可利用性不同，模拟胃液萃取出的铅比蛋白质溶液多。OZE等[28]对比了温石棉和透闪石石棉在模拟生物体液中的释放度及硅的释放量，结果表明，温石棉和透闪石石棉中的硅在模拟胃液中的生物持久性均低于模拟肺液。GARY等[29]对比了矿山煅烧废弃物中汞在模拟胃液、模拟肺液、模拟血浆和酸化去离子水(pH=5.0)中的溶解度。结果显示，模拟胃液相比其他几种溶液能够浸出更多的汞，可生物利用汞的占比从原来的1.2%(质量分数)升至28.0%，可见摄入或吸入含汞的矿山煅烧废弃物会导致人体中汞浓度升高，尤其是通过消化道摄入途径，因此污染物经消化道摄入所产生的健康风险可能更大。

对于在模拟消化道环境中，污染物在模拟胃液和模拟肠液中表现出的生物可利用性也有明显的区别。HACK等[30]用胃肠模型研究不同来源的污染物(土壤、污泥、沥青、废金属等)的生物可利用性，在模拟胃液中不同污染物的生物可利用性(通常用浸出率或解吸率表征，下同)在3%～22%，加入胆盐后，生物可利用性增至5%～40%，而继续加入冻干牛奶时，生物可利用性增至40%～85%。OOMEN等[31]研究了多氯联苯(PCBs)和林丹的生物可利用性，且用肠上皮Caco-2细胞进一步研究了两种物质在消化道中的吸收情况[32]，结果表明，经过完整的消化后，约有35%的PCBs和57%的林丹具有生物可利用性，添加胆盐将提高污染物的生物可利用性。后续研究使用牛胆汁、猪胆汁和鸡胆汁进行对比实验[33]，在大多数情况下，不同动物的胆汁对PCBs、林丹生物可利用性的影响差异并不明显，但鸡胆汁偶尔能够提高污染物的生物可利用性。总体看来，污染物在肠液中生物可利用性相对更高，这是因为胆汁和胰液素是小肠液的中心成分[4]641，胆汁由胆固醇、磷脂、胆色素、胆盐及重碳酸盐组成，其主要的作用是分解脂质，并能与单甘脂和脂肪酸形成聚合物，由于胆汁-脂肪微粒的形成，将提高有机物的溶解度。VAN DE WIELE等[34]模拟人体胃肠微生物生态系统(包括胃、十二指肠和结肠)以估算从土壤中释放的PAHs及在人体的吸收情况，结果表明，与食物混合后PAHs的释放得到进一步的提高；PAHs在十二指肠和结肠中的浓度均较低，原因可能是PAHs由于络合作用及从土壤中解吸后与胆汁、溶解性有机物或结肠内微生物形成沉淀。TANG等[35]研究发现，胃蛋白酶和胰液素对于降低模拟胃肠液表面张力的能力微弱，因此提高PAHs溶解度的能力有限；而胆盐能够增加PAHs同类物的生物可利用性，可能原因是胆盐能够降低模拟胃肠液的表面张力及形成胶粒从而提高PAHs类物质的溶解度，此外，胆盐对高环数PAHs的生物可利用性提高效果相对更明显。WANG等[36]研究了模拟胃肠液环境下菲在碳纳米管上的吸附解吸行为，胃蛋白酶和高浓度胆盐能够提高菲的释放度，因此，菲在碳纳米管上的吸附明显降低，而解吸有所加强。在较低浓度胆盐的胃肠液中，43%～69%的菲从碳纳米管上解吸释放，而在较高浓度胆盐的胃肠液中，菲的生物可利用性达到53%～86%。实验数据表明，生物分子如胃蛋白酶和胆盐能够提高疏水性有机物从环境介质中的释放。

2.2 污染物的理化性质

污染物自身的物化性质是影响污染物生物可利用性的另一重要因素。灰尘颗粒的空气动力学特性会影响颗粒在呼吸道中的沉积，颗粒物粒径(Ф)可以影响颗粒物在呼吸道的沉降地点，是影响污染物生物可利用性的重要参数。小颗粒(Ф<4 μm)和纳米级颗粒聚体能穿过呼吸系统的腔区，引起炎症反应；可吸入颗粒(10 μm<Ф<100 μm)主要沉降在上呼吸道；而Ф<10 μm的颗粒有50%的可能性到达支气管区[37]。SDRAULIG等[38]对含铀物质在模拟肺液中的生物可利用性进行了研究，结果表明部分含铀物质会溶解在模拟肺液里，其溶解速率影响着含铀物质在模拟肺液中的停留时间及再分配到其他组织的生物可利用性。LIMBACH等[39]研究了二氧化铈纳米颗粒的粒径、凝聚情况及浓度对其在人体肺纤维母细胞中吸收的影响。结果表明，人体肺纤维母细胞能从培养基中快速吸收二氧化铈纳米颗粒，颗粒大小是影响二氧化铈纳米颗粒吸收速率的间接性主导因素，相比而言，颗粒质量浓度和总表面积的影响作用相对较小。

对于重金属污染物而言，其理化性质对生物可利用性的影响机理尚未明确。NAVARRO等[42]对西班牙某废弃矿坑中Pb、Cd、As的生物可利用性进行研究，结果表明Cd的生物可利用性最高。POGGIO等[43]研究表明，意大利某地表土中Pb、Cu、Zn、Ni、Cr在模拟胃液和模拟肠液中的生物可利用性并不相同，Pb、Zn在模拟胃液中的生物可利用性较高，而Cu、Ni则相反。RUDA等[44]对两种不同毒性的硅酸铝矿物——毛沸石和丝光沸石在模拟肺液中的Fenton反应进行研究，两种矿物在模拟肺液中所表现出的毒性完全不同，毛沸石产生的羟基比丝光沸石高出1个数量级。TWINING等[45]对发电厂飞灰在模拟肺液和模拟消化液中的溶解度进行了研究。飞灰中重金属生物可利用性的风险排序在模拟肺液和模拟消化液中不同，原因可能是重金属在两种介质中的溶解度不同，Pb、Cu、Zn在模拟肺液中的危害最高，而Al、Si、Pb在模拟消化液中的危害最高。

2.3 环境介质的理化性质

环境介质的理化性质与有机物，尤其是疏水性有机污染物的生物可利用性密切相关。SICILIANO等[46]对褐色土壤的研究结果表明，PAHs在粒径小于45 μm的土壤中浓度较高，这与PAHs的物理化学性质有关，然而，该部分土壤在模拟胃肠液中所释放的PAHs相对较少，吸附于土壤颗粒上的PAHs与溶解在模拟胃肠液中的PAHs间的相对能量状态对于PAHs的生物可利用性有至关重要的影响。VASILUK等[47]通过检测脱脂奶粉中苯并芘(BaP)的摄取率研究食物摄入BaP的生物可利用性，研究表明经6个月的“老化”后，脱脂奶粉中BaP的转化部分明显降低。对于食物而言，不同肉类中PCBs的生物可利用性均不相同，这取决于PCBs的物理化学性质。ADENUGBA等[48]用鲭鱼、鲑鱼、螃蟹和明虾作为食物原料，测试其中的PCBs在模拟胃肠液中的生物可利用性，结果表明鲭鱼中PCBs的生物可利用性为47%～82%，鲑鱼中为30%～70%，螃蟹中为44%～64%，明虾中为47%～77%，PCBs的生物可利用性与其氯化度呈负相关关系。疏水性有机物在模拟消化液中的生物可利用性与脂肪含量呈较好的负相关性，不少学者认为脂肪含量是影响疏水性有机物溶解度的显著因素。YU等[49]对食物中多溴联苯醚(PBDEs)浓度及生物可利用性的研究表明，鱼类中PBDEs的生物可利用性高于肉类，原因可能在于前者脂肪含量较低。WEBER等[50]证实脂肪会降低BaP在小肠的吸收，因为在肠腔内过量的、不被吸收的脂肪可将BaP保留在脂肪/胆汁胶团中。YU等[51]研究了从尘土中摄入人体的PBDEs的浓度及季节变化。结果表明，尘土中PBDEs的浓度均在秋季最低，尘土在模拟胃肠液中的生物可利用性为14.2%～66.4%，与尘土中有机质的含量呈负相关关系，疏水性有机污染物对环境介质中有机质有着较强的吸附亲和力，因此受有机质含量和性质的影响较为明显。

3 结论与展望

模拟体液实验已成为评估污染物生物可利用性的重要方式，目前针对有机污染物的模拟体液实验研究已取得一定成果，但许多基本科学问题和理化参数依然需要进一步深入研究。

(1) 现有关模拟肺液中有毒物质生物可利用性的研究大多针对重金属及其他无机污染物，有机污染物在模拟肺液中生物可利用性的研究相对较少。大气颗粒物属富碳物质，可吸附多种有机污染物，可经呼吸进入到人体从而对人体健康造成危害，应继续开展该方面研究，为全面评价污染物的人体健康风险提供科学依据和理论基础。

(2) 已有的研究均侧重于污染物在模拟体液中生物可利用性，对其中涉及的过程与机制鲜有报道，如目前研究很少涉及不同环境介质(土壤颗粒、烟灰颗粒等)在模拟生物体液中的解吸速率和解吸等温线方面的研究；重金属从环境介质中的释放机理也并未证实；不同的大气条件对大气颗粒物中污染物释放的影响亦未可知，应继续加强有关污染物在模拟体液中的释放机制研究。

(3) 生物实验由于费用以及伦理等方面的原因很难直接进行，模拟生物体液的体外实验是获取污染物生物可利用性的重要途径，有必要进行全面的研究，因此不仅仅需要设定实验条件下的生物可利用性数据，更需要深入描述过程和机制的实验数据,这对于揭示污染物在人体内的生物可利用性、毒性及其对有机体的潜在危害具有非常重要的意义。