新型耦合体外方法对污染土壤中铅的人体生物有效性研究

Lead (Pb) is a widely distributed contaminant in soils due to industrial and mining activities, and coal combustion. More attention has been given to the health risk of Pb-contaminated soil due to its neurological toxicity. Bioavailability is essential for accurate health risk assessment. Simple in vitro methods have been considered as the surrogates for in vivo tests to predict contaminant bioavailability. In this proposal, the current in vitro method will be optimized. Lead speciation and transformation in mice from various contaminated soils will be elucidated with approaches of XAS and stable isotope techniques, and reliable in vivo bioavailability data will be obtained and served as the benchmark for in vitro method development. In vitro method will be optimized by coupling Caco-2 cells or DGT techniques to simulate the biological and chemical uptake process by intestinal cells. The optimized in vitro method will be used to predict Pb bioavailability in soils from a typical contaminated area, and the associated health risk will be assessed based on Pb bioavailability. Such information will lay a foundation for accurate risk assessment and remediation of contaminated sites.

我国土壤铅污染形势严峻。铅对人体尤其是儿童具有神经毒性，土壤铅污染造成的健康风险引起人们高度关注。测定铅人体生物有效性对准确评价土壤铅健康风险至关重要。快速经济的体外胃肠模拟法是代替动物实验的有效手段来预测污染物的生物有效性。本项目针对胃肠模拟法在土壤铅领域应用的几个缺陷展开研究，优化现有体外方法。本项目拟采用高级光谱技术和同位素溯源技术阐明土壤中不同来源的铅在小鼠体内的形态转化等内暴露过程，获得体内铅的生物有效性数据，为优化体外方法提供参照基准。采用胃肠模拟液-Caco2细胞共培养体系，模拟真实肠道吸收环境，从生物跨膜角度改进体外方法。在胃肠模拟液中添加自制DGT装置（胃肠模拟-DGT耦合技术），从化学层面上考虑铅跨越肠道细胞的过程，以此改进现有体外方法。改进的体外方法用于预测典型污染区域土壤铅的生物有效性，为准确评价其健康风险提供强有力的理论支撑，为我国重金属污染土壤治理提供决策依据。

项目针对铅污染土壤，开展了不同模式动物（小鼠和幼猪）、不同暴露方式（灌胃和饲喂）、不同靶器官（肝、肾、大腿骨、血液）等实验方法间的对比研究，确立了小鼠长期饲喂暴露后分析重金属在尿液排泄或肝肾中积累的实验方法，具有操作简便、花费较低、数据重复性更好的优点，并且在实验室内部和实验室间具有较好的稳定性和可重复性，是测试污染土壤重金属摄入后相对生物有效性的最优动物实验方法。利用建立的小鼠实验方法，成功实现了对我国不同类型污染场地土壤中铅相对生物有效性的测试，获得了一批典型污染土壤中铅生物有效性的准确数据，并结合多种技术手段，揭示了土壤性质、重金属赋存形态以及污染物复合暴露对铅生物有效性的影响机制。此外，构建了不同体外胃肠模拟法测定的铅生物可给性与小鼠实验测试的相对生物有效性间的线性相关关系，确立适合测试预测我国不同类型污染场地土壤铅生物有效性的最佳体外方法为UBM（Unified BARGE Method）方法，并验证了UBM体外方法在实验室内部和实验室间重复测试的稳定性和可对比性，表明了该体外方法的可靠性。再者，对建立的体外方法，通过耦合梯度扩散薄膜（Diffusive Gradients in Thin-films, DGT）技术，建立UBM体外模拟-DGT联合生物有效性测试方法，并针对一批典型污染土壤样品建立了新型方法测试结果与小鼠实验生物有效性测试结果间的线性相关关系，发现相比于原始体外方法，新型体外模拟-DGT耦合技术与小鼠间的线性相关关系更强，从而能更好替代小鼠实验应用于污染土壤铅生物有效性的预测。研究结果对推广生物有效性技术，应用于实际污染场地健康风险的准确评估和污染修复治理的科学实施具有重要理论意义。