化工地塊污染土壤中砷的生物有效性研究

裴 宇, 晏聞博*, 余 望, 劉玉含, 李 瓚, 馬 文, 張學(xué)濤, 胡星路

(1.中國電建集團(tuán) 北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100024; 2.中國石油大學(xué)(北京) 化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院,北京 102249)

自改革開放以來,中國經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展,但伴隨而來的環(huán)境污染問題也越來越嚴(yán)重[1-4]。在重金屬污染區(qū)域,開展人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)一般主要考慮重金屬的總量毒性[5-6],但有研究表明,重金屬生物毒性不僅與其總量有關(guān),也與其各形態(tài)含量有著緊密關(guān)系[7]。通過物理化學(xué)方法對(duì)重金屬形態(tài)進(jìn)行檢測,可以確定重金屬污染程度與形態(tài)分布情況,進(jìn)而預(yù)測重金屬對(duì)人體健康可能造成的傷害[8]。在中國冶煉、化工等行業(yè)污染地塊中,砷是較為典型且突出的重金屬污染物[9-10]。為滿足城市建設(shè)用地需求,部分砷污染地塊會(huì)被轉(zhuǎn)變?yōu)榫幼∮玫?因而對(duì)這些地塊開展人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估十分必要[11]。人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中暴露量以土壤重金屬總量為計(jì)算基準(zhǔn),評(píng)估土壤重金屬通過經(jīng)口攝入等途徑進(jìn)入人體后,對(duì)人體產(chǎn)生的危害大小[12]。經(jīng)口攝入的土壤重金屬在胃酸(pH值為0.9～1.5,屬于強(qiáng)酸性)分解下,也無法百分之百從土壤中解吸至胃液中,因此在人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中采用土壤重金屬總量數(shù)據(jù)獲取的評(píng)估結(jié)果是偏保守的[13]。為獲取準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果,越來越多的研究通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M人體胃腸系統(tǒng)對(duì)土壤重金屬的消化吸收過程,進(jìn)而測算土壤重金屬在胃腸系統(tǒng)中的溶解量,以此較為真實(shí)地反映人體重金屬攝入量[14]。

以某典型化工地塊為例,采集不同污染程度的土壤樣品,開展Tessier順序提取和In Vitro胃腸模擬實(shí)驗(yàn),查明土壤中砷的含量、形態(tài)和浸出毒性等特性,研究砷的生物有效性,為砷污染評(píng)價(jià)中暴露評(píng)估參數(shù)的選擇提供參考,進(jìn)而為制定砷污染修復(fù)目標(biāo)、確定污染土壤處理方量等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選擇某典型化工地塊內(nèi)的砷污染土壤作為研究樣品(表1),這些樣品分別采自于重度(砷含量超過管控值10倍以上)、中度(砷含量超過管控值1～10倍)、輕度(砷含量小于管控值)污染區(qū)域。

表1 實(shí)驗(yàn)土壤樣品砷含量檢測結(jié)果Table 1 The detection results of arsenic in soil samples

將采集的土壤樣品平鋪在塑料薄膜上,自然風(fēng)干1 d;風(fēng)干后過4目(4.75 mm)不銹鋼篩網(wǎng),剔除大塊異物,若有黏土塊,用木槌敲碎后再過篩;篩后土壤放入自封袋中,零頂空密封,置入4℃的冰箱中保存。檢測前,從袋中取土壤樣品,用瑪瑙缽將其碾碎,全部過60目(0.25 mm)篩,將過篩后的土壤立即進(jìn)行檢測,分析項(xiàng)目為總砷及不同形態(tài)砷含量。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

土壤重金屬有效態(tài)含量的檢測方法有直接檢測法和間接檢測法[15-16],本實(shí)驗(yàn)選擇直接檢測法連續(xù)浸提。

1.2.1 生物活性測定

采用Tessier順序提取方法,分步獲得土壤樣品中5種形態(tài)砷的含量[17],提取方法與流程如下:

(1) 可交換態(tài)砷。在室溫下,用100 mL錐形瓶稱取自然風(fēng)干后的土壤樣品1 g,加入濃度為1 mol/L的氯化鎂溶液(pH=7)8 mL,放置于恒溫振蕩器持續(xù)振蕩1 h,然后使用高速離心機(jī)(設(shè)置轉(zhuǎn)速為3 000 r/min)離心分離30 min,吸取全部上清液進(jìn)行砷含量檢測。

(2) 碳酸鹽結(jié)合態(tài)砷。將濃度為1 mol/L的乙酸鈉溶液8 mL加入步驟(1)的錐形瓶(內(nèi)含土壤殘余物),放置于恒溫振蕩器持續(xù)振蕩5 h,然后使用高速離心機(jī)(設(shè)置轉(zhuǎn)速為3 000 r/min)離心分離30 min,吸取全部上清液進(jìn)行砷含量檢測。

(3) 鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)砷。將濃度為0.04 mol/L的鹽酸羥胺溶液20 mL與體積比為25%的醋酸溶液20 mL加入步驟(2)的錐形瓶(內(nèi)含土壤殘余物),放置于恒溫加熱器上(設(shè)置溫度為96±6℃),間歇攪拌,持續(xù)6 h,然后使用高速離心機(jī)(設(shè)置轉(zhuǎn)速為3 000 r/min)離心分離30 min,吸取全部上清液進(jìn)行砷含量檢測。

(4) 有機(jī)結(jié)合態(tài)砷。將濃度為0.02 mol/L的硝酸溶液3 mL與體積比為30%的過氧化氫溶液5 mL加入步驟(3)的錐形瓶(內(nèi)含土壤殘余物),用硝酸調(diào)節(jié)pH=2,放置于恒溫加熱器上(設(shè)置溫度為85±2℃),間歇攪拌,持續(xù)2 h;再將體積比為30%的過氧化氫溶液3 mL加入,用硝酸調(diào)節(jié)pH=2,間歇攪拌,持續(xù)3 h后停止加熱;待混合液體自然冷卻至室溫,加入濃度為3.2 mol/L的乙酸銨和體積比20%的硝酸溶液5 mL,再加入蒸餾水將液體稀釋至20 mL,然后使用高速離心機(jī)(設(shè)置轉(zhuǎn)速為3 000 r/min)離心分離30 min,吸取全部上清液進(jìn)行砷含量檢測。

(5) 殘?jiān)鼞B(tài)砷。將氫氟酸2 mL與高氯酸10 mL加入步驟(4)的錐形瓶(內(nèi)含土壤殘余物),消解至接近干化;再次將氫氟酸10 mL與高氯酸1 mL加入,消解接近干化;再次將高氯酸1 mL單獨(dú)加入,消解至出現(xiàn)白色煙霧;最后將殘余物質(zhì)溶解在鹽酸(12 mol/L)中,加入蒸餾水將液體稀釋至25 mL,然后使用高速離心機(jī)(設(shè)置轉(zhuǎn)速為3 000 r/min)離心分離30 min,吸取全部上清液進(jìn)行砷含量檢測。

1.2.2 生物有效性分析

采用In Vitro方法模擬胃腸階段對(duì)土壤中砷的吸收,獲得砷的溶解量。

(1) 胃階段。需要預(yù)先配置模擬胃液,每批樣品需要4 L模擬胃液。模擬胃液配置方式:取1 L容量瓶,依次加入氯化鈉8.775 g、檸檬酸0.5 g、蘋果酸0.5 g、乳酸1.68 mL、醋酸2 mL、胃蛋白酶1.25 g、蒸餾水,用鹽酸(12 mol/L)將pH值調(diào)到1.5,充分混合后備用。

取500 mL模擬胃液置于500 mL廣口螺紋瓶中,將氮?dú)夤懿迦肫康?通氮?dú)?流速1 L/min)至少15 min,將模擬胃液中氧氣充分排出,創(chuàng)造厭氧環(huán)境;迅速加入過60目(0.25 mm)篩的土壤樣品5 g,旋緊蓋子后,放置于恒溫(設(shè)置溫度為37℃)搖床上振蕩1 h(設(shè)置轉(zhuǎn)速為100 r/min);振蕩結(jié)束后,依次吸取200 mL反應(yīng)液于離心管中,使用高速離心機(jī)(設(shè)置轉(zhuǎn)速為3 500 r/min)離心分離30 min,取上清液過0.45 μm微孔濾膜,將濾液收集放置于密封采樣瓶中,分析檢測濾液中三價(jià)砷和總砷的含量。

(2) 小腸階段。使用預(yù)先配置的碳酸氫鈉飽和溶液,將步驟(1)反應(yīng)液pH調(diào)至8,在每個(gè)500 mL廣口螺紋瓶中加入胰酶0.36 g、膽鹽1.2 g,再將氮?dú)夤懿迦肫康?通氮?dú)?流速1 L/min)至少15 min,將反應(yīng)液中氧氣充分排出,創(chuàng)造厭氧環(huán)境;迅速加入過60目(0.25 mm)篩的土壤樣品5 g,旋緊蓋子后,放置于恒溫(設(shè)置溫度37℃)搖床上振蕩1 h(設(shè)置轉(zhuǎn)速為100 r/min);振蕩結(jié)束后,在第0、15、30、45、60、200 min,測定反應(yīng)液pH值,通過滴加鹽酸(12 mol/L)或碳酸氫鈉飽和溶液,維持反應(yīng)液pH值為8.0;在第240 min,依次吸取200 mL反應(yīng)液于離心管中,使用高速離心機(jī)(設(shè)置轉(zhuǎn)速為3 500 r/min)離心分離30 min,取上清液過0.45 μm微孔濾膜,將濾液收集放置于密封采樣瓶中,分析檢測濾液中三價(jià)砷和總砷的含量。

土壤樣品砷含量的檢測方法參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)和《土壤和沉積物 12種重金屬元素的測定 王水提取—電感耦合等離子體質(zhì)譜法》(HJ 803—2016)等規(guī)范。

1.3 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算方法

1.3.1 生物活性系數(shù)計(jì)算

重金屬的生物有效性可以用生物可利用性和遷移能力進(jìn)行衡量[18]。生物活性系數(shù)(MF)是指重金屬中可交換態(tài)與碳酸鹽結(jié)合態(tài)等較容易利用形態(tài)與各形態(tài)之和的比值,該比值反映了土壤中重金屬不同形態(tài)能被生物利用情況[19]。較小的生物活性系數(shù)代表著土壤重金屬較難被生物體利用,相反,較大的生物活性系數(shù)代表著土壤重金屬極易被生物體利用[20]。

(1)

式中:F1為可交換態(tài)含量,mg/kg;F2為碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量,mg/kg;F3為鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)含量,mg/kg;F4為有機(jī)結(jié)合態(tài)含量,mg/kg;F5為殘?jiān)鼞B(tài)含量,mg/kg。

1.3.2 生物有效性計(jì)算

重金屬在胃和小腸消化階段的生物有效性(BA)可用公式(2)計(jì)算:

(2)

式中:CIV為In Vitro實(shí)驗(yàn)中胃和小腸消化階段可溶態(tài)重金屬量,mg/L;VIV為In Vitro實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)液體積,L;CS為土壤樣品重金屬含量,mg/kg;MS為土壤樣品質(zhì)量,kg。

1.3.3 人體重金屬暴露估算

人體每日通過經(jīng)口和呼吸途徑攝入的重金屬量(EWm)根據(jù)公式(3)計(jì)算:

EWm=Cm×EWsoil

(3)

式中:Cm為土壤重金屬含量,μg/g;EWsoil為每日攝入的土壤量,g/d。

1.3.4 人體吸收重金屬量計(jì)算

人體每日通過經(jīng)口和呼吸途徑攝入的重金屬中,通過胃和小腸消化階段吸收的重金屬量(EWA)根據(jù)公式(4)計(jì)算:

EWA=EWm×BA

(4)

2 結(jié)果與討論

2.1 不同形態(tài)砷含量特征

土壤樣品的砷主要有可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)Y(jié)合態(tài)等5種形態(tài),各形態(tài)含量如表2所示,含量分布圖如圖1所示。由表2和圖1可知,各樣品中不同形態(tài)砷的含量分布特征相似。殘?jiān)鼞B(tài)砷在所有樣品中均有檢出,含量為45.6～1 600 mg/kg,占樣品總砷的比例最高,尤其是S03和S01樣品,其殘?jiān)鼞B(tài)砷含量分別達(dá)到了對(duì)照樣S00的35.1和24.8倍。其次是鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)砷,除了對(duì)照樣S00外,在其他4件樣品中檢出,含量為5.2～510 mg/kg,占樣品總砷的比例較高。而可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)砷含量較低,僅在2件樣品中檢出,占樣品總砷的比例很低,其中可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)砷只在S03和S01樣品有檢出,含量分別為1.1～6.9、22.5～26.7 mg/kg。

圖1 不同形態(tài)砷含量分布Fig.1 Distribution of content of different forms of arsenic

表2 不同形態(tài)砷含量(mg/kg)Table 2 The content of different forms of arsenic

本文用于生物活性系數(shù)計(jì)算的生物有效態(tài)砷包括可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)砷,含量由高到低分別為29.4、27.8、1、1、1 mg/kg,對(duì)應(yīng)于S03、S01、S02、S04、S00樣品,分別占樣品總砷的1.35%、2.00%、0.24%、0.28%、2.10%,即各土壤樣品中砷的生物活性系數(shù)為0.002 4～0.021 0。

2.2 消化階段砷的生物有效性

由表3可知,5件土壤樣品的總砷含量為34.7～2 260 mg/kg,相互之間差異較大,它們?cè)贗n Vitro實(shí)驗(yàn)不同消化階段的生物有效性也差異明顯,在胃階段和小腸階段分別為0.67%～26.88%、0.11%～13.71%,合計(jì)0.78%～36.81%。其中S01和S03樣品的總砷含量較高,分別為1 410、2 260 mg/kg,它們的生物有效性也較高,如S01樣品的生物有效性在胃階段和小腸階段分別為26.88%、9.93%,合計(jì)36.81%;相應(yīng)地,成人在胃階段和小腸階段攝入的砷量分別為37.9、14.0 μg/d,合計(jì)51.9 μg/d,而兒童在胃階段和小腸階段攝入的砷量分別為75.8、28.0 μg/d,合計(jì)103.8 μg/d。S02和S04樣品的總砷含量明顯低于S01和S03樣品,分別為423、360 mg/kg,它們的生物有效性也較低,如S02樣品的生物有效性在胃階段和小腸階段分別為3.31%、13.71%,合計(jì)17.02%;相應(yīng)地,成人在胃階段和小腸階段攝入的砷量分別為1.4、5.8 μg/d,合計(jì)7.2 μg/d,而兒童在胃階段和小腸階段攝入的砷量分別為2.8、11.6 μg/d,合計(jì)14.4 μg/d。作為對(duì)照樣的S00具有最低的總砷含量,為34.7 mg/kg,顯著低于其他樣品,其生物有效性也是最低,在胃階段和小腸階段分別為0.67%和0.11%,合計(jì)0.78%;相應(yīng)地,成人在胃階段和小腸階段攝入的砷量分別為0.87、0.55 μg/d,合計(jì)1.42 μg/d,而兒童在胃階段和小腸階段攝入的砷量分別為1.74、1.10 μg/d,合計(jì)2.84 μg/d。

表3 不同消化階段砷的生物有效性Table 3 Bioavailability of arsenic in different digestive stages

由于三價(jià)砷的毒性遠(yuǎn)高于五價(jià)砷,因此對(duì)三價(jià)砷的生物有效性和攝入量進(jìn)行了分析,結(jié)果如表4所示。不同樣品在In Vitro實(shí)驗(yàn)的胃階段和小腸階段,三價(jià)砷的生物可給量普遍低于五價(jià)砷,相應(yīng)地,三價(jià)砷的生物有效性和人體攝入量也低于五價(jià)砷。以S01樣品為例,三價(jià)砷的生物有效性在胃階段和小腸階段分別為9.93%和0.85%,合計(jì)10.78%;成人在胃階段和小腸階段攝入的砷量分別為14.0、1.2 μg/d,合計(jì)15.2 μg/d,而兒童在胃階段和小腸階段攝入的砷量分別為28.0和2.4 μg/d,合計(jì)30.4 μg/d,均明顯低于表3中的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3 消化階段有效態(tài)砷與土壤砷的相關(guān)性

本文對(duì)各樣品In Vitro實(shí)驗(yàn)消化階段吸收的有效態(tài)砷含量與土壤砷含量進(jìn)行了相關(guān)性分析,結(jié)果如圖2 和圖3所示,可知胃階段和小腸階段吸收的有效態(tài)砷含量與土壤砷含量(包括總砷和不同形態(tài)砷含量)呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系。各樣品中砷的生物有效性同樣與土壤砷含量呈線性正相關(guān)關(guān)系(圖4)。此外,胃階段和小腸階段吸收的有效態(tài)砷含量相互間也呈明顯的線性正相關(guān)關(guān)系(圖5)。以上說明土壤砷含量越高,通過經(jīng)口和呼吸途徑進(jìn)入人體的砷污染物越多,經(jīng)胃腸消化吸收的有效態(tài)砷含量就越高。

圖2 不同消化階段有效態(tài)砷含量與土壤砷含量的相關(guān)性Fig.2 Correlation analysis between bioavailable arsenic content in different digestive stages and soil arsenic content

圖3 不同形態(tài)砷含量與消化階段有效態(tài)砷含量的相關(guān)性Fig.3 Correlation analysis between arsenic content of different forms and bioavailable arsenic content in digestive stages

圖4 砷生物有效性與土壤砷含量的相關(guān)性Fig.4 Correlation analysis between bioavailability coefficient of arsenic and soil arsenic content

圖5 不同消化階段有效態(tài)砷含量的相關(guān)性Fig.5 Correlation analysis of bioavailable arsenic content in different degestive stages

2.4 Tessier方法與In Vitro方法對(duì)比

采用Tessier順序提取法和In Vitro實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法得到的有效態(tài)砷對(duì)比結(jié)果見表5,可以看出前一種方法得到的生物活性系數(shù)的百分?jǐn)?shù)為0.24%～2.10%,明顯低于后一種方法得到的生物有效性(0.78%～36.81%),當(dāng)然得到的有效態(tài)砷含量也是如此對(duì)比結(jié)果。因此,在進(jìn)行重金屬污染土壤的人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí),采用Tessier順序提取的有效態(tài)重金屬含量數(shù)據(jù)計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果可能較實(shí)際偏低,有必要針對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)土壤開展人體消化系統(tǒng)的模擬吸收實(shí)驗(yàn),得到相應(yīng)的有效態(tài)重金屬含量數(shù)據(jù),用此數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

表5 Tessier法和In Vitro法得到的有效態(tài)砷含量Table 5 The bioavailable arsenic content obtained by Tessier and In Vitro method

3 結(jié)論與展望

(1) Tessier順序提取方法測試結(jié)果表明,研究區(qū)土壤樣品中殘?jiān)鼞B(tài)砷含量占比最高,而生物有效態(tài)(可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài))砷含量占比較低,生物活性系數(shù)為0.002 4～0.021 0(即百分?jǐn)?shù)為0.24%～2.10%)。

(2) In Vitro胃腸模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,胃和小腸階段吸收的有效態(tài)砷含量與土壤砷含量呈線性正相關(guān)關(guān)系,砷的生物有效性為0.78%～36.81%。

(3) Tessier順序提取法得到的有效態(tài)砷含量與In Vitro方法相比是偏低的。

(4) 本研究僅對(duì)污染土壤中的砷開展了基于Tessier順序提取和In Vitro胃腸模擬實(shí)驗(yàn)的生物有效性研究,而化工地塊通常為多污染物復(fù)合污染,為提高人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性,后續(xù)應(yīng)對(duì)其他污染物開展生物有效性研究。同時(shí)在胃腸模擬實(shí)驗(yàn)中,假設(shè)了胃腸吸收效率為100%,但實(shí)際情況是胃腸吸收效率無法達(dá)到100%,因此后續(xù)還需針對(duì)重金屬開展胃腸吸收效率研究。