專利名稱：多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)評估土壤污染物人體有效性方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，涉及土壤污染的人體健康風(fēng)險評價，特別是涉及土壤污染風(fēng)險評價的實驗系統(tǒng)及方法的建立。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的土壤重金屬污染研究，大多是以土壤—植物系統(tǒng)為切入點，研究重金屬通過食物鏈途徑進(jìn)入人體的總量。毫無疑問，食物鏈?zhǔn)侵亟饘龠M(jìn)入人體內(nèi)的一個非常重要的來源。在我國，人們已經(jīng)充分認(rèn)識到污染土壤上生長的作物或農(nóng)產(chǎn)品中所含的重金屬過高，可能會對人體健康造成的危害。通過污染土地的各種修復(fù)措施，包括物理(如客土等)、化學(xué)(加入土壤添加劑和鈍化劑等)和生物方法(如植物提取等)，或土地利用方式的改變和調(diào)整，經(jīng)由食物鏈進(jìn)入人體的重金屬大量減少。因此，在食物鏈途徑的重金屬攝入量逐步得以有效控制的情況下，無意的經(jīng)口部攝入(手—口直接接觸活動)在很多情況下會成為人體攝入重金屬的重要來源。特別是對于兒童而言，由于其缺乏衛(wèi)生意識和野外活動時間較長，因缺乏衛(wèi)生意識，重金屬污染的土壤會粘在手上，在玩耍和進(jìn)食時直接進(jìn)入消化道，因而導(dǎo)致經(jīng)口攝入可成為重金屬污染土壤的人體暴露的主要途徑。一般而言，兒童的經(jīng)口無意的土壤攝入量可達(dá)50-200毫克/天。有報導(dǎo)表明，兒童通過有意經(jīng)口攝入的土壤量甚至可能高達(dá)60克/天。兒童正于生長發(fā)育階段，對重金屬污染比成年人更為敏感。因此，非常有必要采取有效方法，來評估重金屬污染土壤的人體經(jīng)口攝入的有效性，為確定土壤重金屬的臨界值或環(huán)境清潔目標(biāo)值提供可靠的依據(jù)。
評估土壤中的重金屬對人體的生物有效性，通常有兩種方法，即動物實驗和體外實驗。傳統(tǒng)的動物口服毒性實驗的結(jié)果通常認(rèn)為是相當(dāng)可靠的，但這種方法的應(yīng)用，受到其相對較長的實驗周期和較高的實驗費用的限制。正因為如此，更為快速和經(jīng)濟(jì)的土壤重金屬有效性的浸提法評估則被提出。許多研究均表明，基于生理學(xué)的體外實驗，與動物實驗的結(jié)果表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。近十年來，該法不斷得以改進(jìn)和完善，其應(yīng)用范圍正在日益拓寬。
在我國土壤重金屬污染點多面廣的背景下，可靠地評估人體經(jīng)口攝入的土壤中的有毒重金屬的有效性，已成為提高我國人民健康質(zhì)量所不可忽視的焦點問題之一。體外實驗的出現(xiàn)和發(fā)展，為這種評估提供了一種經(jīng)濟(jì)、快速和有效的手段。一方面，通過體外法篩選甄別出污染程度較為嚴(yán)重，可能危害人體健康的土壤后，可以結(jié)合動物實驗進(jìn)行毒理學(xué)的深入研究。另一方面，可應(yīng)用體外實驗快速檢驗土壤修復(fù)措施的有效性。此外，已有一些研究者著手應(yīng)用體外法研究土壤重金屬進(jìn)入消化道可能發(fā)生的形態(tài)特征及不同形態(tài)重金屬跨膜吸收遷移的定性和定量規(guī)律，并可借此從形態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)理上，評價修復(fù)措施的可行性和有效性。因此，可以預(yù)期，體外實驗在我國重金屬污染土壤的人體健康風(fēng)險評價和修復(fù)措施的效果評估研究具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景，進(jìn)而為制定更為全面地保障人體健康的土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或清潔標(biāo)準(zhǔn)，以及修復(fù)措施決策，提供可靠的科學(xué)依據(jù)。
體外實驗的結(jié)果的可靠性主要取決于實驗系統(tǒng)在多大程度上模擬人體的胃腸消化系統(tǒng)。在這種背景下，本發(fā)明提出應(yīng)用人工模擬胃腸模擬系統(tǒng)，作為一種更為可靠的體外實驗系統(tǒng)，在反應(yīng)條件上最大程度地模擬人體胃腸消化系統(tǒng)的實際環(huán)境，快速測定土壤重金屬污染物經(jīng)口攝入的有效性，進(jìn)而評估土壤重金屬污染對人體的健康風(fēng)險，并可用于土壤污染修復(fù)措施的有效性的評價。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是快速篩查重金屬污染土壤，明確土壤重金屬對人體的經(jīng)口攝入有效性，用于土壤重金屬污染的人體健康風(fēng)險和土壤污染修復(fù)措施有效性的評價，為制定合理且經(jīng)濟(jì)的土壤重金屬清潔目標(biāo)體系提供可靠依據(jù)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一套多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)評估土壤污染物人體有效性方法，包括下列步驟
a、建立多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)；b、土壤樣品的采集和處理；c、配制人工消化液；d、將土樣和人工消化液加入多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)；e、在控制一定的反應(yīng)條件，經(jīng)過一定時間后，從系統(tǒng)的人工胃腸反應(yīng)器的反應(yīng)容器內(nèi)采集一定量的水樣；f、過濾后，測定水樣中的污染物含量。
所述的方法，其a步中所述建立多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)，包括氬氣供應(yīng)子系統(tǒng)(氬氣鋼瓶，分流排和氣體流量計)、多通道人工胃腸模擬反應(yīng)器(8個反應(yīng)器)和自動酸堿滴定儀；其中，氬氣供應(yīng)子系統(tǒng)與多通道人工胃腸模擬反應(yīng)器相連，人工胃腸模擬反應(yīng)器的反應(yīng)容器的4/5置于水浴槽中，自動酸堿滴定儀的探頭置于人工胃腸模擬反應(yīng)器的反應(yīng)容器內(nèi)的反應(yīng)液中，其加液頭置于反應(yīng)液上方2～3cm。。
所述的方法，其所述氬氣供應(yīng)子系統(tǒng)，包括氬氣鋼瓶，分流排和氣體流量計，氬氣鋼瓶通過減壓閥與分流排連通，分流排的多個通道中設(shè)有氣體流量計。
所述的方法，其所述人工胃腸模擬反應(yīng)器，包括控制面板，玻璃反應(yīng)容器和由聚四氟包被的攪拌器，控制面板與分流排的多個通道連通，反應(yīng)容器和攪拌器與控制面板固連，通道的下端和攪拌器置于反應(yīng)容器內(nèi)的下部。
所述的方法，其所述自動酸堿滴定儀的探頭置于人工胃腸模擬反應(yīng)器的反應(yīng)容器內(nèi)的反應(yīng)液中，其加液頭置于反應(yīng)液上方2～3cm。
所述的方法，其所述反應(yīng)容器為6～8個。
所述的方法，其b步中所述土壤樣品的采集和處理，由于本方法所關(guān)注的是人群(特別是兒童)在戶外活動中手—口接觸活動經(jīng)口攝入的污染土壤對人體的健康風(fēng)險，加之，通常＜0.25mm的土壤顆粒會粘附在手上，本方法要求采集表層0～5cm土壤，風(fēng)干，過0.25mm篩，取＜0.25mm土樣進(jìn)行下一步的分析。
所述的方法，其c步中所述配制人工消化液，其方法是每批樣品配制模擬胃液5升，內(nèi)含0.13～0.17M NaCl，加入檸檬酸2.0～3.0克、蘋果酸2.0～3.0克、乳酸2.0～2.2毫升、冰乙酸2.0～3.0毫升和胃蛋白酶6.0～6.5克，用12M HCl將pH值調(diào)到1.3～1.7；備用。
所述的方法，其在d步中，是向各反應(yīng)容器中分別加入550～650毫升的人工消化液和過0.25毫米篩的待測土壤6克。
所述的方法，其在e步中，將反應(yīng)容器置于37℃水浴中，在人工消化液中以0.8～1.2升/分的速度通入氬氣，以創(chuàng)造厭氧環(huán)境，以80～120轉(zhuǎn)/分?jǐn)噭?，開始胃階段，采用自動酸堿滴定儀以HCl或NaHCO3控制pH值在1.3～1.7，反應(yīng)1小時后，用針筒吸取20毫升模擬胃反應(yīng)液；然后，在各反應(yīng)容器中分別加入NaHCO3粉末，調(diào)節(jié)pH值至6.8～7.2，再加入0.34～0.38克胰蛋白酶和1.1～1.3克膽鹽，開始小腸階段，采用自動酸堿滴定儀以HCl或NaHCO3控制pH值在6.8～7.2，4小時后，用針筒吸取20毫升反應(yīng)液。
所述的方法，其在f步中，將所采集的模擬胃或小腸反應(yīng)液置于離心管中，以10000轉(zhuǎn)/分離心10分鐘，0.45微米過濾，采用原子吸收法分析濾液中的污染物含量。
本發(fā)明方法經(jīng)試驗表明，該方法的重復(fù)性好，能快速地測得土壤重金屬的經(jīng)口攝入有效性，可用于快速篩查污染土壤并評價土壤修復(fù)措施的有效性。


圖1是經(jīng)本發(fā)明提出用于測定土壤重金屬經(jīng)口攝入有效性的多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)。
具體實施例方式
在評估重金屬污染土壤對人體健康的風(fēng)險中，采用本發(fā)明所提出的多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)和體外實驗方法，測定污染土壤經(jīng)口攝入后，在胃和小腸階段中人工模擬消化液中的可溶態(tài)重金屬的含量，可用于快速篩查污染土壤，為制定相應(yīng)的土壤清潔目標(biāo)值提供依據(jù)，并可用于土壤修復(fù)措施有效性的評價。
一、多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)的建立本發(fā)明在原有簡單的智能藥物溶出試驗儀的基礎(chǔ)上，自制多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)(如圖1)，更為真實地模擬了人體胃腸的消化過程。該系統(tǒng)由氬氣供應(yīng)系統(tǒng)(包括氬氣鋼瓶、減壓閥、分流排和流量計)，水浴槽(控溫精度±0.3℃，包括8個玻璃反應(yīng)容器和由聚四氟包被的攪拌器)和自動酸堿滴定儀組成。
二、待測土壤樣品的采集和準(zhǔn)備采集污染區(qū)表層0～5cm土壤，風(fēng)干，過0.25mm篩，?。?.25mm土樣進(jìn)行下一步的分析。
三、測定土壤樣品經(jīng)口攝入的有效性在本發(fā)明設(shè)計的多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)的反應(yīng)容器中，加入6克過0.25毫米篩的土壤樣品和550～650毫升人工模擬消化液(含0.13～0.17M NaCl，0.04～0.06％檸檬酸，0.04～0.06％蘋果酸，0.04～0.044％乳酸，0.04～0.06％冰乙酸和0.12～0.172％蛋白酶，pH 1.3～1.7)，通入氬氣(0.8～1.2升/分)，80～120轉(zhuǎn)/分?jǐn)噭樱_始胃模擬階段，采用自動酸堿滴定儀以HCl或NaHCO3控制pH值在1.3～1.7，1小時后吸取20毫升胃模擬反應(yīng)液；在各反應(yīng)容器中加入NaHCO3粉末調(diào)節(jié)pH至6.8～7.2，再加入0.34～0.38克胰蛋白酶和1.1～1.3克膽鹽，開始小腸模擬階段，自動滴定控制以HCl或NaHCO3在pH 6.8～7.2，4小時后吸取20毫升小腸模擬反應(yīng)液。
將所采集的胃和小腸模擬反應(yīng)液在10000轉(zhuǎn)/分離心，取上清液，0.45微米過濾，測定濾液中的重金屬含量，從而獲得污染土壤中的重金屬經(jīng)口攝入的有效性。
實施例采集安徽阜陽市肖口鎮(zhèn)居民區(qū)附近的表層0～5cm鉛污染土壤，將其風(fēng)干，過0.25mm篩，其基本理化性質(zhì)pH值為8.0，有機(jī)質(zhì)含量為1.7％，全磷含量(以P2O5)為0.13％，有效磷含量為26.7mg kg-1，總鉛含量為10000mg kg-1。在土壤中加入10000mg kg-1羥基磷灰石，以期達(dá)到降低土壤中鉛的經(jīng)口攝入的有效性，土壤繼續(xù)穩(wěn)定達(dá)5個月(每星期加入去離子水，以保持20％的含水量)。
將不加羥基磷灰石和加羥基磷灰石的鉛污染土壤各稱取6克，加入600毫升本發(fā)明所提出的人工模擬消化液(按前述給出的各濃度范圍的平均值配制)，采用本發(fā)明所設(shè)計的多通道人工胃腸模擬系統(tǒng)，經(jīng)1小時的胃階段反應(yīng)(pH 1.5)和4小時的小腸階段反應(yīng)(pH 7)，分別吸取20毫升的胃和小腸模擬反應(yīng)液，分析可溶態(tài)鉛的含量。
結(jié)果表明，對于不加羥基磷灰石的鉛污染土壤而言，胃和小腸階段土壤鉛的有效性分別為90％和21％；在對于加羥基磷灰石的鉛污染土壤而言，胃和小腸階段土壤鉛的有效性分別為88％和1.1％，說明羥基磷灰石的加入，并未明顯降低土壤鉛在人體胃中的有效性，但可喜的是，能非常有效地降低土壤鉛在小腸內(nèi)的有效性，約達(dá)20倍，而人體的主要吸收器官是小腸，證明其修復(fù)效果是相當(dāng)好的。該試驗結(jié)果的重復(fù)性好，相對誤差均在5％以內(nèi)。因此，本發(fā)明所提出的多通道人工模擬胃腸實驗系統(tǒng)和體外實驗方法能有效地測定土壤重金屬經(jīng)口攝入的有效性，用于大量重金屬污染土壤的快速篩查，以評價重金屬污染土壤的人體健康風(fēng)險及土壤修復(fù)措施有效性。
一種高效和更為可靠的人工胃腸模擬系統(tǒng)，測定土壤重金屬經(jīng)口攝入的有效性的方法，其包括下列步驟a、多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)的建立；b、土壤樣品的采集和處理；c、配制人工消化液；d、將土樣和人工消化液加入多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)；e、在控制一定的反應(yīng)條件，經(jīng)過一定時間后，從系統(tǒng)的人工胃腸反應(yīng)器的反應(yīng)容器內(nèi)采集一定量的水樣；f、過濾后，測定水樣中的可溶態(tài)污染物含量。
所述的方法，其所述多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)，包括氬氣供應(yīng)子系統(tǒng)(氬氣鋼瓶，分流排和氣體流量計)、多通道人工胃腸模擬反應(yīng)器(8個反應(yīng)器)和自動酸堿滴定儀。
所述的方法，其所述待測土壤采集和處理，要求采集表層0-5cm土壤，風(fēng)干，過0.25mm篩，?。?.25mm土樣進(jìn)行下一步的分析。
所述的方法，其所述c步準(zhǔn)備人工模擬消化液，方法是每批樣品配制模擬胃液5升，內(nèi)含0.13～0.17M NaCl，加入檸檬酸2.0～3.0克、蘋果酸2.0～3.0克、乳酸2.0～2.2毫升、冰乙酸2.0～3.0毫升和胃蛋白酶6.0～6.5克，用12M HCl將pH值調(diào)到1.3～1.7；備用。
所述的方法，其d步中所述的方法為在各反應(yīng)容器中加入550～650毫升的人工消化液和過0.25毫米篩的待測土壤6克。
所述的方法，其e步中所述的方法為將反應(yīng)容器置于37℃水浴中，在人工消化液中通0.8～1.2升/分氬氣，以創(chuàng)造厭氧環(huán)境，80～120轉(zhuǎn)/分?jǐn)噭?，采用自動酸堿滴定儀采用自動酸堿滴定儀以HCl或NaHCO3控制pH值在1.3～1.7，反應(yīng)1小時后，用針筒吸取20毫升反應(yīng)液；然后，在各反應(yīng)容器中加入NaHCO3粉末，調(diào)節(jié)pH值在6.8～7.2，再加入0.34～0.36克胰蛋白酶(pancreatin，可購自Sigma公司)和1.1～1.2克膽鹽(bile extract，可購自Sigma公司)，開始小腸階段，采用自動酸堿滴定儀以HCl或NaHCO3控制pH值在6.8～7.2，4小時后，用針筒吸取20毫升反應(yīng)液。
所述的方法，其f步中所述的方法為將所采集的模擬胃或小腸反應(yīng)液置于離心管中，10000轉(zhuǎn)/分離心10分鐘，0.45微米過濾，采用原子吸收法分析濾液中的污染物含量。
權(quán)利要求
1.一種多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)評估土壤污染物人體有效性方法，其特征在于包括下列步驟a、建立多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)；b、土壤樣品的采集和處理；c、配制人工消化液；d、將土樣和人工消化液加入多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)；e、在控制一定的反應(yīng)條件，經(jīng)過一定時間后，從系統(tǒng)的人工胃腸反應(yīng)器的反應(yīng)容器內(nèi)采集一定量的水樣；f、過濾后，測定水樣中的污染物含量。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于a步中所述建立多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)，包括氬氣供應(yīng)子系統(tǒng)、多通道人工胃腸模擬反應(yīng)器和自動酸堿滴定儀；其中，氬氣供應(yīng)子系統(tǒng)與多通道人工胃腸模擬反應(yīng)器相連，人工胃腸模擬反應(yīng)器的反應(yīng)容器的4/5置于水浴槽中，自動酸堿滴定儀的探頭置于人工胃腸模擬反應(yīng)器的反應(yīng)容器內(nèi)的反應(yīng)液中。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述氬氣供應(yīng)子系統(tǒng)，包括氬氣鋼瓶，分流排和氣體流量計，氬氣鋼瓶通過減壓閥與分流排連通，分流排的多個通道中設(shè)有氣體流量計。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述人工胃腸模擬反應(yīng)器，包括控制面板，玻璃反應(yīng)容器和由聚四氟包被的攪拌器，控制面板與分流排的多個通道連通，反應(yīng)容器和攪拌器與控制面板固連，通道的下端和攪拌器置于反應(yīng)容器內(nèi)的下部。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述自動酸堿滴定儀的探頭置于人工胃腸模擬反應(yīng)器的反應(yīng)容器內(nèi)的反應(yīng)液中，其加液頭置于反應(yīng)液上方2～3cm。
6.如權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于所述反應(yīng)容器為6～8個。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于b步中所述土壤樣品的采集和處理，是采集表層0～5cm土壤，風(fēng)干，過0.25mm篩，?。?.25mm土樣進(jìn)行下一步的分析。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于c步中所述配制人工消化液，其方法是每批樣品配制模擬胃液5升，內(nèi)含0.13～0.17MNaCl，加入檸檬酸2.0～3.0克、蘋果酸2.0～3.0克、乳酸2.0～2.2毫升、冰乙酸2.0～3.0毫升和胃蛋白酶6.0～6.5克，用12M HCl將pH值調(diào)到1.3～1.7；備用。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在d步中，是向各反應(yīng)容器中分別加入550～650毫升的人工消化液和過0.25毫米篩的待測土壤6克。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在e步中，將反應(yīng)容器置于37℃水浴中，在人工消化液中以0.8～1.2升/分的速度通入氬氣，以創(chuàng)造厭氧環(huán)境，以80～120轉(zhuǎn)/分?jǐn)噭?，開始胃階段，采用自動酸堿滴定儀控制pH值在1.3～1.7，反應(yīng)1小時后，用針筒吸取20毫升模擬胃反應(yīng)液；然后，在各反應(yīng)容器中分別加入NaHCO3粉末，調(diào)節(jié)pH值在6.8～7.2，再加入0.34～0.38克胰蛋白酶和1.1～1.3克膽鹽，開始小腸階段，采用自動酸堿滴定儀以HCl或NaHCO3控制pH值在6.8～7.2，4小時后，用針筒吸取20毫升反應(yīng)液。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在f步中，將所采集的模擬胃或小腸反應(yīng)液置于離心管中，以10000轉(zhuǎn)/分離心10分鐘，0.45微米過濾，采用原子吸收法分析濾液中的污染物含量。
全文摘要
本發(fā)明一種多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)評估土壤污染物人體有效性方法，屬于環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，涉及土壤重金屬污染的人體健康風(fēng)險評價，及土壤重金屬生物有效性測定的實驗系統(tǒng)及方法。本發(fā)明包括下列步驟a.多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)的建立；b.土壤樣品的采集和處理；c.配制人工消化液；d.將土樣和人工消化液加入多通道人工模擬胃腸系統(tǒng)；e.在控制一定的反應(yīng)條件，經(jīng)過一定時間后，從系統(tǒng)人工胃腸反應(yīng)器的反應(yīng)容器內(nèi)采集一定量的水樣；f.過濾后，測定水樣中的可溶態(tài)重金屬污染物含量。本發(fā)明的系統(tǒng)及方法，可以用于大量且快速地篩查污染土壤，測定污染物經(jīng)口攝入人體的生物有效性，評價土壤污染對人體健康風(fēng)險及土壤修復(fù)措施的有效性。
文檔編號G01N21/31GK1719250SQ200410062338
公開日2006年1月11日 申請日期2004年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月6日
發(fā)明者朱永官, 唐翔宇 申請人:中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心