钝化剂修复后城市污染场地土壤中铅镉的人体生物有效性预测模型构建与验证

Stabilization/solidification technology is an important measure to immobilize lead and cadmium in urban contaminated sites, risk assessment based on human bioavailability in immobilized soils will provide significant scientific evidence for its safe utilization. However, the in vitro gastrointestinal method for rapid determination of the bioavailability of lead and cadmium in immobilized soils has not been established. In this proposal, we will focus on urban contaminated sites, and take “lead and cadmium species transformation—bioavailability variation—bioavailability prediction model construction—model validation” as the main line. On one hand, laboratory immobilizing test is performed. Mouse in vivo assays, in vitro gastrointestinal method, sequential extraction, and synchrotron radiation X-ray absorption spectroscopy will be combined to investigate effect of stabilizing agents on species change of lead and cadmium in soil after being immobilized and metabolism of mice. By comparing mouse in vivo bioavailability and in vitro gastrointestinal bioaccessibility, bioavailability predictive models will be constructed. Then we will establish the best in vitro model for predicting the bioavailability of lead and cadmium in immobilized soils by optimizing the parameters of in vitro gastrointestinal methods. On the other hand, the immobilized soil of field contaminated sites will be collected to validate robustness of the model. The current study will provide important scientific basis for evaluating health risk of lead and cadmium in the immobilized soils and ensuring safe reuse of contaminated sites.

固化稳定化技术是城市遗留污染场地铅和镉修复的重要措施，基于人体生物有效性评价修复后污染场地中铅和镉的人体健康风险将为场地安全利用提供重要科学依据。然而，目前适用于快速测定修复后土壤中铅镉生物有效性的体外胃肠模拟方法还未建立。本项目以城市污染场地土壤为研究对象，以“铅镉形态转化—生物有效性变化—生物有效性预测模型构建—模型验证”为主线，一方面开展实验室钝化模拟试验，结合小鼠活体实验、体外胃肠模拟液提取、化学连续提取、X射线吸收光谱等技术，阐明钝化剂加入前后及小鼠代谢后土壤中铅镉的形态转变特征，揭示钝化剂对铅镉生物有效性的影响机制，对比小鼠活体实验和体外胃肠模拟试验，构建生物有效性预测模型，通过优化体外胃肠模拟方法，确立适合修复后土壤中铅镉生物有效性的最佳模型；另一方面，采集实际修复后土壤，验证模型的准确性。研究结果将对评价修复后土壤中铅镉的健康风险和保障污染场地的安全再利用提供重要科学依据。

钝化是铅镉污染场地修复的重要方式。基于人体口腔生物有效性，对修复后土壤开展人体健康风险评价可修正人体暴露风险。但可以快速测定污染土壤修复后铅镉生物有效性的预测模型尚未确立。本研究利用两种不同浓度及四种不同类型的钝化剂对铅镉土壤进行钝化，通过毒性浸出试验、小鼠活体实验、体外胃肠模拟方法和连续提取试验分析了加入钝化剂前后铅镉生物有效性和形态的变化；对比小鼠活体实验和体外胃肠模拟试验，构建了预测模型；并基于模型外土壤，对模型进行了验证。研究结果显示：对于未钝化土壤，在冶炼污染土壤中，生物有效铅超过70%来自可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态。对于采矿污染土壤，铁锰氧化物结合态对铅相对生物有效性的贡献为76%；而对于镉，可交换态和碳酸盐结合态的镉可能是污染土壤中生物可利用态镉的主要来源。加入两种磷酸类钝化剂（磷酸氢钙、羟基磷灰石）后pH的变化较小，但两类碱性钝化剂（石灰，水泥）的加入使得pH先升高后随着时间逐步降低。毒性浸出试验显示，加入的四种钝化剂都可以有效降低铅镉的浸出毒性。小鼠活体实验表明，对于土壤YNGJ和HNZZ，加四种钝化剂一般都可降低铅镉生物有效性，且高添加量效果更好；但是，对于HNJY，加入四种钝化剂后对铅镉的钝化效果比较差，这可能与其pH较高有关。体外胃肠模拟试验结果显示：磷酸盐类钝化剂在胃相环境下对铅有钝化效果，对镉的效果较差；在肠相中对铅镉都有钝化效果；加入水泥和石灰的污染土壤在胃相中都没有显示出明显的钝化效果，但在PBET的肠相有效果。形态分析结果表明，加入磷酸类钝化剂后，铅镉的可交换态和碳酸盐结合态减少，残渣态增高，其中镉的Fe/Mn 氧化物结合态增加。加入水泥和石灰后铅镉Fe/Mn 氧化物结合态增加明显。将生物有效性和生物可利用性进行线性模型构建显示，SBRC胃相铅的生物可利用性与生物有效性相关性最强（R2=0.96），PBET的胃相所得的镉的生物可利用性与生物有效性相关性最强（R2=0.66），并通过模型外土壤对模型进行了验证。