基于CiteSpace重金屬生物可給性的文獻計量分析

羅 楊，吳永貴，2，3*，段志斌，謝 榮

（1.貴州大學資源與環境工程學院，貴陽 550025；2.貴州大學應用生態研究所，貴陽 550025；3.貴州省喀斯特環境生態工程研究中心，貴陽 550025）

隨著城市化與工業化進程的快速推進，由人類活動引起的環境污染問題愈發嚴重。環境中的重金屬污染由于影響范圍廣、持續時間長、處置難度大等特點而易危及農業生產、生態安全、食品安全和公共健康，當不同環境介質中的重金屬通過多途徑暴露的方式進入人體后，將在胃腸道內經歷消化過程，隨人體血液循環累積到不同組織器官中，從而對人體產生“劑量-效應”關系，使人體健康受到潛在威脅。因此，分析環境介質中重金屬元素與人體健康的關系備受關注。

健康風險評估作為對有毒有害物質因暴露而對人體健康產生潛在不良影響的特征性描述[1]，目前相關的評估方法主要是基于一些暴露風險評估模型，如USEPA模型、Monte Carlo模型、數學模擬、概率模型、劑量重建分析等技術估量環境中風險因子的暴露程度[2]。隨著監測手段和檢測技術的發展，重金屬在人體內的吸收轉化行為成為健康風險評估中的研究重點，為了準確評估人體對環境中重金屬的吸收狀況，一般可用生物有效性（Bioavailability）和生物可給性（Bioaccessibility）兩種指標進行評價。生物有效性通常是指污染物或營養物被人體吸收進入血液，在體內重新分布的含量[3]，一般通過臨床試驗或動物活體試驗（In vivo）進行監測。生物可給性是指在模擬胃腸道環境條件下，介質中污染物或營養物溶解到消化液中的部分[4]，主要以人工模擬胃腸道物理化學環境為主的體外試驗（In vitro）進行健康評價。由于In vivo方法存在試驗周期長、費用高、動物個體間差異以及倫理方面等問題，在作為評估工具運用上受到了限制[5-7]。而In vitro方法具有試驗周期較短、操作方法簡單、樣品快速測定以及能夠高度擬合In vivo方法的試驗結果等優點[8]，近年來深受國內外研究學者的廣泛關注[9-10]。目前已有大量研究運用In vitro方法探究土壤[11-13]、灰塵[14-17]、食物[17-20]、藥物[21-22]等不同介質中重金屬元素在胃腸道階段的生物可給性。面對重金屬生物可給性研究多學科交叉的海量文獻，如何從多元、分時、動態角度出發，了解當前重金屬生物可給性研究現狀，探究國內外研究的前沿熱點及演進脈絡，需要對研究領域的科學文獻進行信息挖掘。

文獻計量學（Bibliometrics）被廣泛用于文獻情報分析，進而評價某領域科學發展現狀及水平[23-24]。因此，本文以重金屬生物可給性相關的文獻體系和文獻計量特征為研究對象，基于2006—2018年CNKI（Chi?na National Knowledge Infrastructure，中國知識基礎設施工程）期刊論文數據庫與Web of ScienceTM核心合集數據庫中的文獻資料，運用可視化分析軟件CiteSpace，結合圖形學、信息科學、統計學等學科理論與計量學引文、共現分析等研究方法，對重金屬生物可給性相關研究文獻進行圖譜分析，旨在清晰、直觀地展示該研究領域主題演進、研究現狀以及發展態勢，以期為重金屬生物可給性的相關研究提供理論參考及啟示。

1 數據來源與統計方法

1.1 數據來源與篩選

本文數據樣本選取2006—2018年共13年CNKI與Web of ScienceTM核心合集數據庫中的文獻資料。利用CNKI高級檢索功能，分別以“重金屬”并“生物可給性”“生物可利用性”“生物可及性”及“In vitro”為主題、關鍵詞和篇名進行檢索，共獲取中文文獻216篇。同時，在Web of ScienceTM核心合集數據庫中選用基本檢索方式，分別以“Heavy metals”and“Bioavailability”“Bioaccessibility”“In vitro”及“In vivo”為主題（TS）和標題（TI）進行檢索，共獲取英文文獻1548篇。利用軟件E-study和Endnote X9對以上1764篇文獻逐條整理挑選，去除重復及與研究主題不符文獻，最終確定中文文獻92篇和英文文獻458篇。

1.2 統計方法

自CiteSpace軟件開發以來，借助知識圖譜分析學科熱點在管理學[25]、生態學[26]、醫學[27]、環境科學[28-29]等諸多學科中得到了廣泛的應用。本文從CNKI和Web of ScienceTM核心合集數據庫導出數據文本，導出CNKI數據文本格式為Refworks，Web of Sci?enceTM數據文本為txt全記錄及UTF-8格式，文本統一命名為download_***。將中英文文獻數據分別導入軟件CiteSpace 5.4 R1，時間跨度為2006—2018年共13年，時間節點（Years Per Slice）設置為1年，節點類型（Node Type）進行相對應勾選，其余參數均為默認，得到國家發文量及合作關系、作者合作及共被引關系、關鍵詞共現、突現性關鍵詞等可視化圖表。其中，數據文本還經過Excel 2010、CNKI數據庫及Web of ScienceTM數據庫自帶的分析工具加工處理，同時利用文獻計量在線分析平臺協助處理。

2 結果分析

2.1 關于重金屬生物可給性的發文量及年間變化趨勢

發文數量及年際變化趨勢可反映研究人員對本領域研究熱點的關注程度和研究專題的動態變化[30]。本文統計有關重金屬生物可給性的中英文研究文獻共550篇，如圖1所示，在2006—2018期間關于重金屬生物可給性的發文量呈波動式增長態勢，且在2016年和2011年英文和中文發文量達到小高峰，增長率分別為240%和63.6%；特別在2013—2018年期間累計中英文發文量分別占統計年限總發文量的55.5%和72.7%，其主要原因可能是在2011年國務院頒布了《國家環境保護“十二五”規劃》，該規劃明確指出需要強化環境評價，減輕危害群眾健康的環境風險，消除危害群眾健康的環境隱患；同時在2017年環境保護部也印發了《國家環境保護“十三五”環境與健康工作規劃》，明確提出要嚴密防控重金屬、危險廢物、有毒有害化學品等重點領域環境風險，提升風險防控基礎能力。這些政策有效地推動了科研人員對重金屬生物可給性的研究工作，加快了本領域研究熱度的提升。然而近兩年中英文發文數量略有下降趨勢，其原因可能是國外進入現有體外消化模擬方法的技術改進與創新階段，而國內仍處于技術追蹤與基礎研究。

圖1 CNKI和Web of ScienceTM數據庫關于重金屬生物可給性研究的發文量Figure 1 The number of published papers on heavy metal bioaccessibility in CNKIand Web of ScienceTM database

2.2 關于重金屬生物可給性的主要研究力量

2.2.1 主要研究國家分析

一個國家的發文量一定程度上代表了在某領域研究的活躍程度[24]。從Web of ScienceTM核心合集數據庫中共檢索出中國、美國、加拿大、英國等國家發表有關重金屬生物可給性研究的文獻。在現有的基礎數據上，按發文數量排序并篩選出排名前10名的國家，如表1所示，中國發文量排名第一（99篇），分別是英國和西班牙的2.2倍和2.7倍，可見我國在重金屬生物可給性研究領域占有重要地位，同時也間接說明了關于重金屬環境健康風險的研究已受到我國學者的廣泛關注。國家的中介中心性（Intermediary centrali?ty）是用來表示該國家在某研究領域的國際地位，由表1可知，中國發文量雖排名第一，但中介中心性較低，僅占英國和西班牙的1/3和6/17，表明中國在該研究領域雖比較活躍，但研究成果的國際影響力不高，應加強該領域的創新性研究。英國和西班牙發文量分別排第四和第五，其中介中心性排第一和第二，表明這兩個國家在該研究領域發表的文章影響力較強。

表1 關于重金屬生物可給性研究發文量前10的國家Table 1 Countries with top 10 on the publications of heavy metal bioaccessibility

2.2.2主要研究機構分析

基于CiteSpace軟件中Institution分析功能，對研究機構進行分析，并統計出國內外發文數量前10名的研究機構，見表2。在Web of ScienceTM核心合集數據庫中，中國機構占了2家，分別是中國科學院（排名第一）和南京大學（排名第六）。結合表1分析可知，中國在本領域的研究力量主要來源于這兩個研究機構。英國地質調查局和南澳大利亞大學分別排名第二和第三，英國地質調查局對英國大部分地區土壤中重金屬的含量進行調查，并在此基礎上結合土壤性質進行回歸模型分析，開發出重金屬生物可給性的數據集，為評估人類健康風險提供數據指南，這可能是英國在本研究領域國際影響力較高的主要原因之一。從CNKI數據庫中可以看出中國科學院生態環境研究中心發文量最多，其研究方法主要采用室內土壤培養法和體外消化試驗，評估在不同農藝調控措施下降低人體對土壤重金屬（As、Cu、Zn、Cd等）的吸收潛力，以期為污染場地修復評價提供理論依據。

2.2.3 作者發文量及作者共被引分析

高頻次共被引作者通常對研究領域的理論和方法有創新，并對研究領域的發展有突出貢獻[31]。本領域國內外學者的合作圖譜、發文數量和共被引頻次結果統計見圖2、表3和表4。分析圖2可知，在國際上作者間的合作較為分散，多數作者傾向于與一組相對穩定的作者進行合作，每個合作團體通常有兩個或兩個以上的核心作者。在這些作者中，Wragg Joanna發文量最多（14篇），構成核心作者的最大集群。在統計的作者中僅發現一位中國學者，說明我國學者在本研究領域的國際活躍度不高。從表4可知，作者Ru?by M V的共被引頻次最高（189次），其次為Oomen A G（156次）。Ruby M V在1992年較早地報道了重金屬生物可給性[32]，在后續的研究中又考慮到人體消化過程中所需的環境條件，例如溫度、pH、酶、微生物等，并在1996年提出了PBET法，發現此方法得出的試驗結果與In vivo的試驗結果有較好的相關性，為體外試驗方法的應用和發展提供借鑒和參考。Oomen A G通過比較5種體外試驗方法，研究了土壤污染物的生物可給性[33]，之后開發用于估算土壤污染物生物可給性的體外消化模型[34]，并結合Caco-2細胞模型探究污染物的生物可給性[35]。Oomen A G研究介質較為廣泛，并在試驗方法上利用了細胞模型，這些可能是該作者高共被引的主要原因。

由國內作者發文量（表3）可知，崔巖山在本研究領域的發文量最多，其次是黃益宗。細讀文章發現，崔巖山團隊主要研究方向為重金屬污染控制及其對人體健康風險，其《土壤中鎘的生物可給性及其對人體的健康風險評估》[36]一文被引次數高達89次，該文在對土壤中鎘生物可給性研究的基礎上，探討土壤中鎘生物可給性與土壤影響因素之間的相互關系以及無意攝入土壤鎘對人體健康風險的系統研究。另外發現崔巖山與黃益宗同時出現在諸多文獻中，說明中國科學院大學與農業農村部環境保護科研監測所之間的合作較為緊密。

2.3 關于重金屬生物可給性的研究熱點和趨勢

關鍵詞是文獻主要內容和研究主題的高度提煉，通過對高頻關鍵詞分析，可鑒別該領域的主要研究路徑和熱點[37]。本文基于CiteSpace軟件中Key word分析功能，對關鍵詞進行分析，得到關鍵詞共現網絡圖譜（圖3和圖4）及關鍵詞分布表（表5）。關鍵詞的中介中心性是測度節點在網絡中重要性的一個指標，此類節點在網絡中起到“溝通橋梁”的作用[38]。本文按照中介中心性對圖4、圖5中的關鍵詞進行篩選排序，從而可對本領域的研究路徑及熱點進行辨識。

表2 關于重金屬生物可給性研究發文量前10的機構Table 2 Organization of top 10 on the publications of heavy metal bioaccessibility

圖2 Web of ScienceTM數據庫中作者合作圖譜Figure 2 Author collaboration map in the Web of ScienceTM database

表3 關于重金屬生物可給性研究發文量前10的作者Table 3 Author of top 10 on the publications of heavy metal bioaccessibility

在2006—2010年出現“淋巴細胞”“Caco-2細胞”等關鍵詞，但關鍵詞呈現出中介中心性較小且數量較少的特征。這表明在該階段的研究主題側重于結合細胞模型研究環境介質中重金屬的生物有效性/生物可給性。例如，源自人體結腸癌細胞的Caco-2細胞，由于細胞形態學、標志酶的表達及滲透特性與人體小腸上皮細胞相似，被廣泛應用于研究不同暴露場景下多種重金屬污染物的吸收、轉運和代謝等機制[39]。利用Caco-2細胞模型在重金屬的轉運與吸收方面的優點，將Caco-2細胞模型與體外消化試驗測定的重金屬生物可給性研究相結合，以此更加客觀評估重金屬對人體健康產生的風險。利用細胞模型結合體外測試方法模擬重金屬的吸收轉運代謝情況已成為該領域研究重點，但由于各類實驗室組織細胞培養條件、培養方式和試驗標準的不同，會導致在預測重金屬的滲透性試驗數據上存在差異。因此，通過細胞培養過程的標準化和試驗條件要求的標準化，可進一步提升細胞模型模擬重金屬攝取、轉運和代謝研究過程中的可貢獻價值。

表4 Web of ScienceTM數據庫中作者共被引頻次表Table 4 The author cited in the Web of ScienceTM database

在2011—2014年間，重金屬生物可給性研究側重于膳食暴露評估。通過膳食途徑進入人體的污染物，通常需要在胃腸道階段經歷消化過程，然后隨血液循環累積到人體不同組織器官中，引起器官的組織形態和新陳代謝的變化，從而對人體產生毒理效應[1]。美國和歐盟在這方面的研究一直處于前沿，已建立屬于本國人群的膳食暴露評估模型，國內研究者應從中國污染物暴露情況、人群特征、生活習慣等方面入手，盡快建立適用于中國人群的膳食暴露評估模型，更加準確的反映中國人群的環境健康風險。

表5 關于重金屬生物可給性研究的關鍵詞共現分布表Table 5 Keywords co-occurrence distribution table for heavy metal bioaccessibility research

在2015—2018年間，“中國”作為新的關鍵詞出現且頻次（17）及中介中心性（0.15）較高，表明近年來中國在該領域表現較為活躍。關鍵詞“食物鏈”體現出學者對本領域研究逐漸轉向宏觀、系統的角度，從污染源-污染暴露途徑-污染物最終受體這一整體出發，探究污染物釋放-轉運-轉化機理，通過對食物鏈途徑的有效控制，減輕人體在不同暴露途徑下的環境健康風險。環境介質也進一步擴展到“PM2.5、道路灰塵、飛灰”等，間接地說明隨著工業的快速發展，大氣污染日益嚴重[40]，大氣懸浮顆粒中重金屬的生物可給性也成為國內外研究熱點。

結合3個階段的關鍵詞共現分析，發現關鍵詞“鉛”貫穿整個研究階段，主要原因可能是人類和工業等活動能產生大量的鉛元素進入到環境中，而鉛具有溶解度小、不易降解等特性，容易滯留在環境介質中對生態環境及人體健康構成巨大的潛在風險，故在分析階段對重金屬鉛的研究偏多。近年來，對于砷污染的研究也逐漸增多，這可能是因為多個國家發生了較大的砷污染事件[41-46]，而我國也是受砷污染最為嚴重的國家之一[47-48]。砷能在人類的肝腎器官當中積累，特別是在人體毛發與指甲中積存，在長時間作用下，人體容易出現砷中毒現象。大多數文獻[49-52]利用In vitro方法研究砷的生物可給性及探究不同物質對砷生物可給性的影響，通過HI（總非致癌風險指數）和TCR（總致癌風險指數）評估重金屬砷的潛在風險，避免爆發大面積的砷中毒事件。

圖4 CNKI數據庫中關于重金屬生物可給性關鍵詞的共現網絡圖譜Figure 4 Co-occurrence network map of heavy metal bioaccessibility keywordsin CNKIdatabase

相較于國外，國內關于重金屬生物可給性研究起步較晚。從關鍵詞共現圖譜（圖4）來看，節點與節點之間的連線顏色較為鮮艷，說明在近幾年衍生出的研究熱點較多。將重金屬生物可給性研究主題集聚成兩個階段和兩條演化路徑。以2015年為兩階段的分界點，2006—2014年為第一階段，研究內容較少，主要研究路徑為“重金屬-化學形態/體外消化法-生物有效性/生物可給性-健康風險評價”；2015—2018年為第二階段，該階段研究內容較為豐富，主要研究路徑為“農田土壤-鈍化劑（羥基磷灰石、過磷酸鈣、腐植酸鉀等）-體外消化模型-健康風險評價”，該路徑探究鈍化劑對重金屬生物可給性的影響[53-54]，腐植酸鉀可以與重金屬發生絡合反應，降低重金屬的生物有效性，抑制重金屬向農產品體內遷移；水不溶性（磷酸鹽巖、磷灰石等）含磷材料可以將重金屬固定在土壤中，降低重金屬的遷移性和生物可給性。從關鍵詞共現圖譜線條的顏色上看，第二階段為該領域的研究前沿及熱點。

突變詞是指短時間內使用頻率驟增的關鍵詞，可以表征研究前沿的發展趨勢。通過對關鍵詞突變性的分析，可以了解研究熱點的動態變化。因CNKI數據庫中收集到的文獻數量較少，關鍵詞頻次達不到CiteSpace突現性要求，故對國內文獻不做關鍵詞突現性分析。從英文文獻的突變性關鍵詞來看（圖5），該領域研究呈現出多元化特征，通過進一步的文獻梳理，可以總結出以下3個階段性前沿分析，一是生物可給性的試驗方法對比，包括吸附、白鼠、體外消化模型、體外生物可給性等關鍵詞；二是健康風險評價的暴露評估，包括食品、灰塵、土壤、沸水等關鍵詞；三是健康風險評價的潛在風險分析，包括潛在風險、毒性、微量元素等關鍵詞。

圖5 Web of ScienceTM數據庫中關于重金屬生物可給性的關鍵詞共現網絡突現詞Figure 5 Emergent keywords co-occurrence network for heavy metal bioaccessibility in Web of ScienceTM database

隨著監測手段和試驗技術的不斷完善，利用人體生物可給性的體外模擬方法，對重金屬在人群胃腸系統中消化吸收研究起到一定的推動作用。但隨著研究的深入，該項工作目前仍存在一些局限性，盡管目前國際上已發展演化出十余種體外模擬方法，然而不同試驗方法對同一類型污染物樣品的模擬結果存在差異，這與試驗過程中處理方式和參數設置的差異性有關。因此需要建立不同環境介質中不同重金屬的人體生物可給性的國際通用的標準測試方法。此外，由于不同人群活動方式和生理機能的差異，導致其消化吸收重金屬量與人體可耐受量存在較大差別，需要進一步加強不同模擬試驗方法的適用性研究，以為重金屬人體健康風險評估提供更科學的依據。

3 結論

（1）在過去13年里，關于重金屬生物可給性研究的發文數量呈波動式增長態勢，這表明研究人員對該領域的關注度越來越高。我國在所有國家中發文數量最多，表明在該研究領域表現最為活躍。

（2）通過關鍵詞共現分析發現，本研究領域在國際上可分為3個階段：2006—2010年研究主題側重于細胞模型，2011—2014年研究側重于膳食暴露評估，2015—2018年研究趨勢變化為系統地分析污染物釋放-轉運-轉化過程，環境介質也進一步擴大到大氣、灰層、PM2.5等。

（3）相較于國外，國內關于該領域的研究起步較晚，研究趨勢大體分為兩個研究階段及兩條研究路徑。2006—2014年為第一階段，主要研究路徑為“重金屬-化學形態/體外消化法-生物可給性/生物有效性-健康風險評價”；2015—2018年為第二階段，該階段的研究路徑為“農田土壤-鈍化劑（羥基磷灰石、過磷酸鈣、腐植酸鉀等）-體外消化模型-健康風險評價”，第二階段為本領域的研究前沿及熱點。