浙江大学马奇英团队ES&T：不同来源污染土壤中铬人体生物有效性——小鼠模型建立和铬形态转化

马奇英等环境人Environmentor 2025年03月13日 04:15

导读 | Introduction

浙江大学马奇英团队在Environmental Science & Technology（EST，《环境科学与技术》）期刊发表题为“不同来源污染土壤中铬人体生物有效性：小鼠模型建立和铬形态转化（Chromium Oral Bioavailability in 16 Contaminated Soils from Different Sources: Mouse Model Development and Cr Speciation in Soil and Mouse Tissues）”的研究论文。

随着铬 (Chromium)污染情况的日益严重，准确评价铬暴露导致的健康风险已经成为保障人体健康和开展污染防治的重大社会需求。在土壤中，铬主要以六价铬(CrVI)和三价铬(CrIII)的形式存在，其中CrVI的毒性和迁移能力比CrIII高得多。人体对于环境土壤中铬的暴露存在多种途径，包括口服摄入、呼吸吸入及皮肤直接接触等。其中偶然摄入污染土壤成为了人体暴露于土壤铬的重要途径之一，尤其是对于具有特殊手口行为的儿童，具有更高的暴露风险。铬形态在胃肠道中的转化复杂，使得很少有研究使用小鼠模型关注其生物累积能力和口服生物有效性，限制了人体铬污染土壤暴露的合理评价。因此，本研究基于稳态小鼠模型，通过系统研究铬在小鼠体内的吸收、积累和排泄过程，明确了铬在污染土壤中的生物有效性测定最佳靶器官，构建了科学高效的小鼠实验方法，阐明了铬在小鼠吸收过程中的形态转化机制，揭示了铬的化学形态及土壤理化性质对人体生物有效性的关键影响，为污染土壤中铬暴露的科学评估奠定了理论依据。

图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

小鼠尿液是测定污染土壤中铬相对生物有效性（Cr-RBA）的最佳靶器官。将Na₂CrO₄和CrCl₃作为CrVI及CrIII的参比物质暴露于小鼠后，小鼠的尿液、肾脏及股骨表现出较好的剂量响应关系。除了剂量响应之外，各靶器官积累铬的能力也是选择测定污染土壤中铬人体生物有效性最佳靶器官的重要参考标准。绝对生物有效性结果（ABA）表明，铬具有较低的生物积累潜力，生物有效性铬主要以尿液形式排泄。因此，最终选择尿液作为最佳靶器官构建小鼠尿液排泄生物测定法来测定铬的相对生物有效性。

图1 不同形态铬的剂量响应研究

污染土壤中铬的相对生物有效性具有较强的污染源依赖性。基于上述结果确定的小鼠尿液评估模型对污染土壤中铬的相对生物有效性进行测定，结果发现铬相对生物有效性受到土壤理化性质的影响，较低的土壤pH和较粗的土壤质地往往具有较高的铬生物有效性。此外，铬的相对生物有效性变化还取决于其污染来源，受电镀产业影响的土壤铬相对生物有效性相对较低，而电子垃圾拆解厂附件的土壤铬相对生物有效性最高。制革厂附近的土壤铬不仅具有高有效性，而且小鼠组织中的铬积累量也最高，表明其具有较高的健康风险。

图2 污染土壤铬的生物有效性研究

铬相对生物有效性与肠道中未还原的CrVI密切相关。为探究消化过程中铬的形态转化，本研究对小鼠消化过程中不同器官中的铬进行形态测定。发现CrVI的还原主要发生在胃阶段，其中90%以上的CrVI被还原。相较于可溶性CrVI参比化合物，污染土壤中的CrVI更容易从胃的还原过程中逸出并到达肠道。为探究铬形态转化对铬相对生物有效性的影响，本研究对饲料及肠道内容物的CrVI含量与铬相对生物有效性进行了相关性分析。结果发现，与污染土壤中CrVI的含量相比，铬的相对生物有效性更与从胃强还原环境中逸出并到达肠道的CrVI含量密切相关。这表明，通过膳食调控促进CrVI的胃肠道还原可能在降低铬的相对生物有效性方面比传统的土壤污染治理手段更为有效。

图3 铬在胃肠消化过程中形态转化研究

总结 | Conclusions

本工作系统研究了铬在小鼠体内的吸收、积累和排泄过程，明确了尿液为铬在污染土壤中的生物有效性测定最佳靶器官，构建了科学高效的小鼠实验方法，并通过新开发的小鼠模型测定了铬的相对生物有效性及其受消化过程中铬形态转化的影响。暴露于受制革产业影响的铬污染土壤，不仅表现出较高的铬相对生物有效性，而且在体内积累更高的铬总量和CrVI含量，表明制革厂附近土壤中的铬可能有更大的铬暴露风险，这可能需要更严格的管理。从胃强还原过程中逸出到达肠道待吸收的CrVI与铬相对生物有效性的密切相关性揭示了促进CrVI的胃肠道还原的膳食调控手段的潜力。本研究为更准确评估口腔途径偶然暴露于铬污染土壤的健康风险提供了重要依据。此外，该研究揭示了铬在吸收过程中的特征，为建立能够有效预测铬相对生物有效性的体外模拟方法奠定了关键的数据基础，未来可能需要样本量更大，污染来源更为多样的污染土壤样品进行进一步验证。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.est.4c12079

第一作者简介：

董文杰，浙江大学环境与资源学院在读博士生，从事铬的人体生物有效性性和铬暴露健康风险方面的研究。

通讯作者简介：

刘陈静：浙江大学环境与资源学院博士后，主要从事土壤重金属污染修复、土壤磷资源高效利用的研究，主持中国博士后科学基金、国家自然科学青年基金2项，已在Environ Sci Technol、Crit Rev Environ Sci Technol和J Hazard Mater等学术期刊发表论文40余篇，其中一作/通讯论文20余篇。

马奇英: 国际著名环境土壤化学专家，浙江大学环境与资源学院讲席教授，国家特聘专家，美国科学促进会会士，美国土壤学会会士，美国农学学会会士；毕业于美国科罗拉多州立大学，曾任美国佛罗里达大学终身教授；现任Soil & Environmental Health主编，Chemosphere副主编。长期从事土壤重金属的生物地球化学与环境修复领域研究，2001年首次在Nature报道了世界上第一个砷超富集植物蜈蚣草，推动了国内外土壤砷污染植物修复的研究与应用。在Nature、Nature communications、Environmental Science & Technology等杂志发表SCI论文470余篇，总引3.24万次，H指数为87。

来源：土壤与环境健康SEH。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域最大的学术公号，拥有20W+活跃读者。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的“在看”，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。