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口腔摄入污染土壤是人体铅砷暴露一个主要的非饮食途径。为了更为准确地评估通过口腔摄入途径的土壤中铅砷的人体健康风险,需要测定铅砷的人体生物有效性(bioavailability)。许多动物活体实验(in vivo assays)己经用于测定土壤中砷铅的相对生物有效性(relatiive bioavailability, RBA)。但动物实验耗时、费钱以及存在伦理问题,因此需要建立简单、快速、经济的体外方法(in vitro assay)来预测砷铅的相对生物有效性。目前已有很多来自不同国家的体外方法用于测定土壤中砷铅在模拟人体胃肠模拟液的溶解度,即生物可利用性(bioaccessibility)。然而,在确定这些体外方法能否用于替代动物实验前,需要建立活体实验与体外胃肠模拟法的相关性(in vivo-in vitro correlation, IVIVC)。除不同的体外方法,不同的动物模型和生物靶器官也用于测定砷的相对生物有效性,然而关于不同动物模型、不同暴露方式以及不同生物靶器官对砷相对生物有效性影响的研究很少。本文采用不同体外方法测定国内污染土壤中砷铅的生物可利用性,利用小鼠血液模型测定我国污染土壤中砷铅相对生物有效性,建立体内体外相关性模型,并且比较了不同动物模型、暴露方式和生物靶器官对砷相对生物有效性的影响,主要研究结果如下：1.采用四种体外方法[SBRC(Solubility/Bioavailability Research Consortium)、 IVG(in vitro gastrointestinal)、PBET(physiologically based extraction test)、 UBM(unified BARGE)]测定12个代表不同污染源的污染土壤中铅的生物可利用性,采用小鼠血液模型测定铅的相对生物有效性,并利用连续提取法测定铅形态。结果表明,体外方法胃相(gastric phase, GP)测定的矿区土壤中铅的生物可利用性(0.46-29%)和相对生物有效性(7.0-26%)低于冶炼区(19-92%和31-84%)和农田土壤(13-99%和51-61%),同时矿区土壤中铅以残渣态为主。铅的生物可利用性因提取方法而异,SBRC-GP测定的生物可利用态(3.0-99%)显著高于其他方法(0.46-84%)。但是,在中性肠相(intestinal pahse, IP)提取阶段,铅再吸附到固相上,造成所有方法测定的铅生物可利用性急剧降低。2. UBM-GP测定的铅生物可利用性与小鼠模型测定铅相对生物有效性具有最强的线性相关性(R2=0.67),其次是IVG-GP (R2=0.55)。不同的铅形态中,铅的生物可利用性和相对生物有效性与铅的可交换态和碳酸盐结合态的总和具有较好的相关性。3.本研究针对12个国内砷污染土壤(22.2-4172 mg kg-1)采用五种人体胃肠模拟方法[SBRC (Solubility/Bioavailability Research Consortium)、IVG (in vitro gastrointestinal)、PBET (physiologically based extraction test)、DIN (Deutsches Institutfur Normunge.V.)、UBM (unified BARGE)]测定砷的生物可利用性,结果表明砷的生物可利用性因土壤特性和体外方法的不同而不同。五种体外方法胃相测定的生物可利用性分别为5.70-59.4%(UBM)、0.63-66.1%(SBRC),2.30-57.5% (IVG)、0.30-83.1%(DIN)、0.86-50.1%(PBET).将砷的生物可利用性作为输入值代入到过去研究基于国外土壤建立的体内体外相关性[IVIVC, Juhasz et al., (2009; 2012)]模型中来预测砷的相对生物有效性。同时采用单次灌胃空腹小鼠模型和血液中砷含量的时间变化曲线下积分面积(area under blood the As time curve, AUC)测定砷的相对生物有效性,为6.38-73.1%。模型得到的预测值与实验测定的12个土壤中砷的相对生物有效性之间具有显著性差异,表明基于国外土壤建立的砷IVIVC模型并不适用于我国砷污染土壤。4.基于结果3,我们建立了12个我国砷土壤中砷相对生物有效性和生物可利用性间的相关关系,即新的IVIVC模型。预测模型的相关性强度范围是R2=0.50(PBET)至R2=0.83 (IVG),其中IVG方法具有最强的预测砷相对生物有效性的能力。将本研究建立的IVIVC模型与Juhasz et al. (2014)建立的模型相比,发现相关回归斜率显著偏高,这可能因不同的砷相对生物有效性的测定方法造成的差异。虽然UBM和SBRC方法也适用于预测来自我国的污染土壤中砷的生物有效性,但IVG方法具有最强的预测能力。为精确评估污染土壤中砷的人体健康风险,未来研究需进一步验证体外方法预测土壤中砷相对生物有效性的适用性。5.选取已经利用幼猪AUC模型测定砷生物有效性的12个澳大利亚砷污染土壤,开展小鼠模型,利用不同暴露方式(单次灌胃与多次喂食),选取小鼠不同组织(血液、尿液、肝脏和肾脏)作为砷暴露生物靶器官,来比较不同动物模型(猪与小鼠)、不同暴露方式和不同生物靶器官选取对砷相对生物有效性的影响。基于小鼠血液、尿液、肝脏和肾脏,土壤中砷的相对生物有效性范围分别是2.8-61%、3.6-64%、3.9-74%和3.4-61%。与已知幼猪血液AUC模型的测定值(7.0-81%)相比,虽然两者的相关性很好(R2=0.83),但小鼠血液AUC的测定值较低(2.8-61%)。相似地,小鼠血液AUC与小鼠SSUE测定的As-RBA具有很强的相关性(R2=0.86),而且采用尿液、肝脏和肾脏测定的值之间也有很强的相关性(R2=0.75-0.89),以上结果表明不同动物模型和生物靶器官测定的As-RBA是一致的。6.不同动物模型、不同暴露方式以及不同的生物靶器官并不影响对体外方法预测As-RBA的能力。由于小鼠模型相对易操作,我们推荐通过饮食途径多次土壤喂食暴露方式和选取小鼠肝脏或者肾脏作为生物靶器官可以被广泛用来研究污染土壤中砷的相对生物有效性。