应用SHIME模型研究肠道微生物对土壤中镉、铬、镍生物可给性的影响

为了研究人体肠道微生物对土壤中Cd、Cr、Ni生物可给性的影响.本文采集我国一些地区的5种土壤,利用in vitro方法(PBET和SHIME联用)研究了这些土壤中Cd、Cr、Ni在胃、小肠、结肠阶段的生物可给性及其对人体的健康风险.结果表明,土壤中Cd、Cr、Ni在胃阶段的生物可给性分别为4.3%~94.0%、6.4%~21.6%、11.3%~47.3%;小肠阶段,土壤中Cr和Ni的生物可给性与胃阶段一致或有一定升高,但Cd的生物可给性降低了1.4~1.6倍(土壤2除外);胃肠阶段,Cd的平均生物可给性较高,而Cr的较低.结肠阶段,土壤中Cr和Ni的生物可给性均升高,是小肠阶段的1.3~2.4倍和1.0~2.1倍,分别达到了17.6%~38.7%和25.4%~56.0%;而Cd的生物可给性也升高(土壤3和4除外);Ni的平均生物可给性最高.由此可见,肠道微生物可以促进土壤中Cd、Cr、Ni的溶出释放,提高了三者的生物可给性,可能增大了人体的健康风险.     

基于生物可给性的某冶炼厂土壤重金属健康风险评价

为科学评价重金属污染场地的人体健康风险,以某冶炼厂土壤为研究对象,采用PBET(Physiologically-Based Extraction Test)和IVG(In-Vitro gastrointestinal)两种方法测定了As、Cd、Cu、Pb、Zn的生物可给性,并对比了只考虑重金属总量与基于生物可给性的人体健康风险.结果表明,场地土壤As、Cd、Pb的平均含量分别高达7063,691,3811mg/kg,严重超过国家环境质量标准.在PBET和IVG测试中,5种重金属的平均生物可给性介于1.81%~44.8%与1.78%~30.1%之间.As是PBET中生物可给性最高的重金属元素,而在IVG中Cd的生物可给性最高;含磷矿物的存在使Pb的生物可给性最低.提取液pH值及组成组分与重金属元素间的化学行为是造成两种方法结果差异的主要原因.在模型假设的条件下,土壤原有重金属的总危险商与总致癌系数为27.2与2.95×10^-3.考虑生物可给性使二者降低了59.9%~84.4%与55.6%~79.4%,且两个系数大小均呈现PBET胃液>PBET胃肠液>IVG胃液>IVG胃肠液的规律.调整后可以认为Pb不再具有健康风险,Cd仅具有致癌风险,只有As同时具有非致癌风险与致癌风险.尽管考虑重金属生物可给性后场地仍具有不可忽视的人体健康风险,但经过调整后能更准确地识别重金属的危害程度,避免场地的过度修复.     

应用in vitro法评估土壤性质对土壤中Pb的生物可给性的影响

选取22种典型土壤样品,应用2种in vitro(体外模拟)试验方法——SBET法(simple bioaccessibility extraction test,生物有效性简化提取法)和PBET法(physiologically-based extraction test,生物原理提取法),定量阐明土壤性质对Pb的生物可给性的影响. 结果表明:①SBET法中Pb的生物可给性为18.78%~77.08%,平均值为44.14%;PBET法中Pb的生物可给性为0.72%~50.51%,平均值为13.77%. 除赤红壤和贵州黄壤外,其余20种土壤样品均表现为SBET法中Pb的生物可给性显著高于PBET法,并且随着土壤pH的增长,2种方法的差距更加显著. ②逐步回归分析结果表明,在SBET法中,对土壤Pb的生物可给性影响最大的因子是土壤中w(黏粒),其次为pH,二者可以解释69.49%的Pb的生物可给性的变化;在PBET法中,对土壤Pb的生物可给性影响最大的因子是pH,其次为w(黏粒),二者可以解释73.65%的Pb的生物可给性的变化. 研究结果说明,污染土壤中Pb的生物可给性可以根据土壤pH和w(黏粒)进行预测.      

腐殖酸对土壤铅镉吸附、赋存形态及生物可给性的影响

腐殖酸（HAs）对重金属土壤环境行为及其生物有效性的影响与其组分分子量大小关系密切.通过3种in vitro试验方法（PBET、SBRC、IVG）探讨了HAs不同分子量组分（F1：<5kDa、F2：5~10kDa、F3：10~30kDa、F4：>30kDa）对土壤镉（Cd）、铅（Pb）生物可给性的影响,同时结合批量等温吸附实验、化学连续提取形态分级方法,分析了土壤Cd、Pb吸附和形态转化与生物可给性的关系.结果表明：土壤对Cd、Pb吸附能力既受HAs添加量的影响,也受到HAs分子量大小的影响.HAs添加量为0.2% C~1% C条件下,<5kDa分子量组分促进了土壤对Cd、Pb的吸附,且随着HAs添加量的增加,促进作用更强.而>10kDa的其他组分则降低了土壤吸附Cd、Pb的能力.在本试验HAs添加量范围内,不同组分均促进了土壤中酸提取态Cd向残渣态转化,且低分子量组分对其促进作用更强.土壤Pb²⁺主要以可还原态的形式存在,占57%~89%,随着HAs组分分子量的增加,酸交换态Pb占比逐渐下降,HAs的添加促进了活性态Pb向难利用态Pb转化,从而降低了Pb²⁺活性.3种in vitro方法生物可给性测定结果表明,<5k和5~10k组分均提高了胃、肠阶段土壤Cd、Pb生物可给性（BA_Cd、BA_Pb）,而其余组分则使土壤Cd、Pb生物可给性降低.Cd、Pb生物可给性取决于Cd、Pb在土壤中转化平衡后的赋存形态,酸交换态占比高生物可给性相应也越高,土壤对重金属的吸附固定难以反映生物可给性.     

厌氧条件水稻土铁对砷释放的影响

水稻土无定型铁矿物是砷的重要吸附载体,水稻种植需要经历的淹水厌氧阶段能促进铁矿物还原溶解并使其吸附的砷释放进入水稻土溶液.本研究重点考察了厌氧环境中水稻土在培养液的富集培养下不同形态砷对砷释放的贡献作用,并探究淹水缺氧环境下水稻土无定型铁矿物对砷迁移转化的影响.结果表明,相比于第一阶段,第二阶段培养液中铁(Ⅱ)和总砷浓度均显著提高(P0.05),其中两个阶段的土壤溶液均主要来源于可交换态砷(F1)和专属吸附态砷(F2),且两个阶段的培养液砷与F1+F2均呈显著正相关关系,分别为r=0.73,P0.05和r=0.657,P0.05,无定型铁结合态砷(F3)与砷浓度呈不显著正相关.两阶段的水稻土不同形态铁与培养液砷浓度均存在一定关系,水稻土盐酸提取铁(Ⅱ)浓度与砷浓度呈显著正相关(r=0.577,P0.05;r=0.613,P0.05),无定型铁矿物与砷存在负相关关系(r=-0.428,P=0.126;r=-0.564,P0.05).因此,厌氧环境下水稻土中处于亚稳状态的无定型铁矿物在总体上能有效地吸持固定砷从而抑制砷的移动和迁移.     

基于生物可利用性的砷污染土壤修复目标值研究

采用IVG（In Vitro Gastrointestinal）和UBM（Unified BARGE Method）两种体外试验方法,研究了湖北省某一砷污染地块的潮土中,砷在 不同浓度梯度和深度梯度下的生物可利用性.结果表明,砷在胃相中的生物可利用性为4.50%~26.41%,在小肠中的生物可利用性为3.95%~22.39%.同时,采用Pearson相关性分析和主成分分析方法探究了人体胃肠可吸收砷的可能来源,发现人体胃肠可吸收利用的砷与土壤中非专性吸附态、专性吸附态、无定形和弱结晶铁铝氧化物结合态砷有显著相关性.通过构建土壤中砷生物可给态浓度的多元线性回归方程,发现 土壤pH、总砷含量及砂粒含量是砷生物可给态浓度的主要预测因子.将概率累积分析法获取的地块土壤砷背景浓度上限值与湖北省土壤 背景值、GB36600中附录A中潮土砷的背景值进行比较,推导出该地块基于生物可利用性的土壤砷背景浓度上限值为113 mg?kg^-1,结合该地块今后规划为生态保护绿地,可将土壤砷背景浓度上限值作为地块修复目标值制定的参考,在一定程度上可以避免修复目标值过严导致修复成本过高的问题.     

土壤标准物质中Pb生物可给量的体外模拟试验

基于生理学的体外模拟实验(PBET),旨在测定经口无意摄入的土壤和尘土中的Pb在人体消化道内的生物可给性。采用国家土壤标准物质GBW07429(长江中下游土壤)对体外模拟实验的回收率和精密度进行测定。20次重复测定的结果显示,整个分析流程的回收率(各提取态之和占总量的百分含量)为96.4%～105%,满足体外模拟试验的分析要求。土壤标准物质GBW07429中胃阶段和小肠阶段Pb的生物可给量分别为2.8mg/kg和0.42mg/kg,相对标准偏差均小于15%,具有较好的精密度。研究采用土壤标准物质GBW07429测定了Pb的生物可给量,为分析Pb的生物可给性的体外模拟试验提供一个参考值。     

鱼肉中汞的生物可给性研究——基于in vitro PBET方法

文章采用ICP-MS对广州市售的鲚鱼、多宝鱼和老虎斑3种鱼中汞浓度进行了检测,并通过in vitro体外模拟胃肠消化(PBET)对鱼肉中汞的生物可给性进行了考察,结果表明,鱼肉中汞的浓度为4.9~44.3μg/kg,未超过国家规定的食品中汞限量指标。同时in vitro结果表明,鱼肉中62.36%~79.21%的汞生物可给。最后在生物可给浓度的基础上进行了风险评价,在广州,成人和小孩通过这3种鱼摄入汞最大量分别为2.11和1.44μg/d,占JECFA规定的暂定每周可耐受摄入量的19.5%和13.3%,因此汞在这3种鱼类中的暴露风险都是安全的。     

场地健康风险评估及生物可给性的应用

通过对江苏省某化工遗留场地初步调查和详细调查,确定了土壤污染物砷和硫酸盐,并得到场地污染状况。运用我国《污染场地风险评估技术导则(报批稿)》评估了该场地对人体健康风险,得到硫酸盐的非致癌风险为6.86×10-3,砷的致癌风险和非致癌风险分别为5.82×10-4和9.71。砷对人体健康风险值超过工业用地可接受致癌风险值(10-5)和非致癌风险值(1),需要对砷进行修复,计算得砷的修复目标值为12.10 mg/kg。经口摄入污染土壤是砷对人体健康风险的主要途径,而摄入污染土壤中的砷不能完全被溶解并被肠胃吸收。生物可给性反映污染物在胃肠系统中能被溶解并被小肠壁吸收的量。文章运用in vitro方法测定土壤中砷的生物可给性为40.16%,并将生物可给性引入风险评估计算,修正砷的修复目标值为21.00 mg/kg。     

土壤中镉的生物可给性及其对人体的健康风险评估

为了研究土壤中镉生物可给性与土壤属性之间的相互关系以及人体无意摄入土壤镉的风险,采集我国一些地区的16个土壤样品,利用in vitro方法研究了这些土壤中镉的生物可给性及其对人体的健康风险.结果表明,有11个土壤样品中镉的含量高过我国土壤环境质量标准的三级标准;土壤中镉的溶解态浓度及其生物可给性变化很大,模拟胃和小肠液中镉的溶解态含量分别为0.05~20.71 mg.kg-1和0.03~11.99 mg.kg-1,平均值分别为1.81 mg.kg-1和1.06 mg.kg-1;模拟胃和小肠液中镉的生物可给性分别为6.37%~69.43%和3.19%~36.91%,平均值分别为25.34%和14.84%.模拟胃液中镉的溶解态含量与土壤pH有显著的相关性.如以胃阶段为判断,无意摄入土壤中镉对儿童的PTW I贡献率除广西南宁的土壤为26.90%外,其它有11个土壤样品低于1.00%.如以小肠阶段为判断,无意摄入土壤中镉对儿童的PTW I贡献率最高为广西南宁的土壤达15.57%,另有4个土壤样品高于1.00%,其它都低于1.00%.可见,对于本研究中大多数土壤,通过口部无意摄入土壤中镉的对人体并没有很高的风险.但当土壤中镉含量较高,同时其具有很高的生物可给性,就会对人体健康产生很大的风险.     

不同铁矿物对水稻土砷的稳定化效果及机制

水淹缺氧条件是驱动水稻土砷释放引起砷污染的主要原因,其中,铁矿物在砷的迁移转化过程中扮演重要的角色.为研究水铁矿、针铁矿和赤铁矿对水稻土砷的稳定化效果,分析了3种铁矿物对土壤溶液砷浓度的影响,采用土壤溶液中亚铁和总铁的浓度变化来评估不同铁矿物对砷的稳定化效果,并对3种铁矿物进行扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等表征分析.结果表明,水铁矿具有最大的比表面积,为192.54m2·g-1,且微孔孔容达到0.069 cm3·g~(-1),针铁矿和赤铁矿依次减少,而3种铁矿物的结晶度以针铁矿最高,赤铁矿和水铁矿依次降低.施用水铁矿、针铁矿和赤铁矿均有效地降低了土壤溶液中砷的浓度,当添加量为2.0%(质量分数)时,土壤溶液中砷浓度分别降低62.55%、61.36%和55.16%.相关性分析表明,随着无定形铁含量的提高,其对砷的稳定化效果趋于显著,其中,土壤无定型铁与无定型结合态砷含量存在正相关关系(r=0.879,p=0.009),而与土壤溶液砷存在负相关关系(r=-0.895,p=0.006).     

锡矿山矿区食物中的锑污染及生物可给性研究

在湖南锡矿山锑矿区采集蔬菜类、主食类、肉类、蛋类等9种食物. 结果表明蔬菜类Sb浓度平均值为9.67 mg·kg^-1,主食类及肉类的Sb含量较低,平均浓度分别为0.025 mg·kg^-1和0.40 mg·kg^-1. 胃肠模拟法测得的Sb生物可给性为9.0%~57.7%,其中蔬菜中Sb生物可给性显著低于主食类及肉类. 生物可给性与食物中Fe含量呈显著负相关(r=-0.75,p=0.02),还与食物的植酸、草酸含量呈显著负相关(r=-0.95,p=0.01;r=-0.77,p=0.016). 根据锡矿山周边居民各类膳食的摄入量进行健康风险评估,以食物中的Sb总浓度计算暴露风险时,居民每日经由食物摄入的Sb总量达10227.01 ng·kg^-1·d^-1,经生物可给性矫正后下降为1807.02 ng·kg^-1·d^-1,但仍高于USEPA建议的400 ng·kg^-1·d^-1的参考剂量. 说明矿区经由Sb污染食物暴露依然存在健康风险,且考虑生物可给性对准确评价暴露风险至关重要.     

三种氧化铁吸附水环境中砷的试验研究

采用两种人工合成的氧化铁(针铁矿、水铁矿)和赤铁矿作为吸附剂,对含砷(三价砷及三价五价砷混合液)水进行了吸附试验。结果表明,在初始浓度为1200μg/L的As(Ⅲ)溶液中,水铁矿的吸附效果最好,针铁矿和赤铁矿吸附效果较差;在初始pH为7,As(Ⅲ)和As(Ⅴ)摩尔比为1:1的混合液中时,三种铁矿对总砷的吸附效果均随着As/Fe摩尔比的增大而减小;在A(sⅢ)和As(Ⅴ)摩尔比为1:1的混合液中,吸附总砷效果最好的是针铁矿,水铁矿次之,赤铁矿的吸附效果最差;A(sⅤ)的存在对除砷效果有一定的影响,三价砷和五价砷共存时,三种铁矿对其吸附具有一定的选择性。     

人工合成铁、铝矿物和镁铝双金属氧化物对土壤砷的钝化效应

应用室内模拟培养的方法,研究了人工合成铁、铝矿物和镁铝双金属氧化物对砷超标土壤中砷的钝化效果.每种钝化剂均设置0.1％、0.5％、1.0％、2.5％和5.0％五个添加量处理.结果表明,添加水铝矿明显降低了土壤pH值,其中,添加5％水铝矿的处理降幅最大,达到1.20;而添加镁铝双金属氧化物则显著提高了土壤pH值,5％镁铝双金属氧化物的处理土壤pH值由5.04最高可提高至8.09.添加铁铝矿物均降低了土壤有效砷的含量,下降幅度为1.89％～64.15％;而添加镁铝双金属氧化物则使土壤有效砷含量增加;添加水铁矿和针铁矿处理对提高土壤中残留态砷含量的作用较为明显.总体看来,两种人工合成铁矿较镁铝双金属氧化物和水铝矿对土壤中砷有更好的钝化效果,可以作为钝化剂应用于土壤中砷的钝化.     

Phase transformation of Cr(VI)-adsorbed ferrihydrite in the presence of Mn(II): Fate of Mn(II) and Cr(VI)

Ferrihydrite is an important sink for the toxic heavy metal ions, such as Cr(VI). As ferrihydrite is thermodynamically unstable and gradually transforms into hematite and goethite, the stability of Cr(VI)-adsorbed ferrihydrite is environmentally significant. This study investigated the phase transformation of Cr(VI)-adsorbed ferrihydrite at different pH in the presence of aqueous Mn(II), as well as the fate of Mn(II) and Cr(VI) in the transformation process of ferrihydrite. Among the ferrihydrite transformation products, hematite was dominant, and goethite was minor. The pre-adsorbed Cr(VI) inhibited the conversion of ferrihydrite to goethite at initial pH 3.0, whereas little amount of adsorbed Mn(II) favored the formation of goethite at initial pH 7.0. After the aging process, Cr species in solid phase existed primarily as Cr(III) in the presence of Mn(II) at initial pH 7.0 and 11.0. The aqueous Mn concentration was predominantly unchanged at initial pH 3.0, whereas the aqueous Mn(II) was adsorbed onto ferrihydrite or form Mn(OH)₂ precipitates at initial pH 7.0 and 11.0, promoting the immobilization of Cr(VI). Moreover, the oxidation of Mn(II) occurred at initial pH 7.0 and 11.0, forming Mn(III/IV) (hydr)oxides.     

鄱阳湖微囊藻毒素时空分布格局及其与理化和生物因子的关系

本文分别于2012年4月(春季)、8月(夏季)、10月(秋季)和2013年1月(冬季)在鄱阳湖进行了4次野外调查和样品采集,采用超高效液相色谱-串联质谱仪(UPLC-MS/MS)对鄱阳湖水柱中常见的3种微囊藻毒素(MC-RR、MC-YR和MCLR)的质量浓度进行定量分析,探寻了微囊藻毒素(microcystins,MCs)质量浓度的时空变化规律及其与湖泊环境理化因子和生物因子之间的关系.结果表明,MC-RR是鄱阳湖MCs的主要毒素种类.胞内微囊藻毒素(intracellular MCs,IMCs)与微囊藻生物量(r=0.47,P0.01)、颤藻生物量(r=0.68,P0.01)、蓝藻生物量(r=0.56,P0.01)、Chl-a(r=0.28,P0.01)之间均具有显著的正相关关系,但与鱼腥藻生物量之间没有明显的相关关系(P0.05),这说明微囊藻和颤藻是鄱阳湖微囊藻毒素的主要产毒藻类.IMCs与水温(r=0.51,P0.01)、透明度(r=0.69,P0.01)、Fe(r=0.43,P0.01)和Zn(r=0.43,P0.01)之间均呈现显著的正相关关系,与TN(r=-0.44,P0.01)、TP(r=-0.29,P0.01)、NO-2-N(r=-0.28,P0.05)、NH+4-N(r=-0.33,P0.05)、Ca(r=-0.34,P0.01)和Mg(r=-0.35,P0.05)均呈现显著的负相关关系,但与pH、PO3-4-P、NO-3-N、电导率、高锰酸盐指数、Cu离子之间的相关关系不显著(P0.05),这说明光照强度(透明度反映)、氮、磷、水温是控制鄱阳湖微囊藻毒素产生的重要因子,金属离子Ca、Mg、Fe、Zn在一定程度上能影响微囊藻毒素的产生.鄱阳湖IMCs和胞外微囊藻毒素(extracellular MCs,EMCs)呈现相似的季节变化趋势,即夏季最高,其次为秋季,冬季和春季较低.鄱阳湖IMCs的空间分布整体上呈现东部湖汊群、松门山周围以及蚌湖和蚌湖进入鄱阳湖的入湖口较高,其它区域较低的趋势,而EMCs的高值区位于松门山周围和蚌湖及其入湖口.     

海州湾潮间带沙蚕对沉积物微塑料的指示作用

2018年7月于海州湾潮滩设置3个断面共9个站位,通过对海州湾潮滩沉积物中以及沙蚕体内微塑料的丰度和形态特征的研究,探讨了沙蚕体内微塑料的来源,以及沙蚕对潮滩沉积物微塑料的指示作用.结果表明,潮滩沉积物中微塑料的平均丰度为（0.49±0.17） n·g^-1,处于国内近岸环境研究的较高水平.所有检测到的微塑料中,最为丰富的形态和颜色类型分别为纤维和黑灰色,材质以聚乙烯（polyethylene,PE）、聚酯纤维（polyester,PET）和聚苯乙烯（polystyrene,PS）为主.沙蚕中微塑料检出率为77.78%~86.67%,平均丰度为（6.68±2.21） n·ind^-1,其丰度与个体质量显著正相关（r=0.42,P=0.002）,个体质量1.5 g以上的沙蚕中微塑料丰度显著高于<0.5 g和0.5~1 g两个组别（F₃=141.029,P=0.000）,微塑料形态以黑色或蓝色小纤维为主,主要材质同样为聚乙烯和聚酯纤维.通过对0~3 mm范围内的微塑料各项特征分析发现,沉积物与沙蚕中的微塑料丰度强相关（r=0.79,P=0.01）,其主要形态组成（r=0.90,P=0.035）和材质组成（r=0.73,P=0.024）同样显著相关,表明沙蚕会摄取沉积环境中的微塑料,存在与沉积物之间的微塑料交换,沙蚕作为沉积物中微塑料污染指示生物物种是可行的.     

洱海沉积物水提取态有机氮特征及与其他来源溶解性有机氮的差异

选取洱海不同季节全湖47个沉积物表层样品,探讨水提取态有机氮(WEON)与不同来源(上覆水、间隙水、入湖河流和湿沉降)溶解性有机氮(DON)组分特征差异,并分析其对沉积物影响.结果表明,(1)洱海沉积物WEON含量季节性变化为夏季春季秋季冬季;空间分布规律呈北部南部中部.(2)洱海沉积物WEON腐殖化程度较高,腐殖质主要以富里酸为主,主要含有紫外区类腐殖质荧光峰A和高激发类色氨酸荧光峰B,受陆源输入和湖内生物共同影响.(3)洱海沉积物及其他来源DON均含有2个荧光组分,其中组分C1为内源性可见紫外区腐殖质峰是生物降解形成的荧光峰;组分C2为类色氨酸峰;湿沉降样品类蛋白峰峰强最大,生物可利用性较高;入湖河流DON生物可利用性最低.(4)洱海上覆水DON荧光C1和C2组分和沉积物WEON含量为显著相关(r=-0.79,P0.01;r=-0.944,P0.01),上覆水DON的荧光组分特征能够很好指示沉积物WEON含量特征.研究洱海不同样品DON结构组分特征,揭示洱海富营养化的潜在风险,为防治规划提供依据.