中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院 北京 10083
摘要：土壤摄入率是指单位时间内个人摄入的土壤重量。目前土壤摄入率的研究方法主要有问卷调查法，元素示踪法和生物动力学模型法。本文在国内外研究的基础上对土壤摄入率的方法进行了总结，为我国儿童土壤摄入率的研究提供资料参考。
关键词：土壤；尘；摄入率
Abstract：Soil intake rate refers to the weight of soil ingested per unit time.Currently，there are questionnaire，element tracing method and biological dynamics model method to study soil intake.In this work，the state of the art in soil intake rate was given based on some relevant research，providing references for the study of soil intake rate of children in China.
Keywords：soil，dust，intake rate
1引言
土壤摄入率是指单位时间内个人摄入的土壤重量，包括室外土、室外降尘和室内降尘，单位为mg土/天[1][2]。土壤和尘的摄入是人体暴露环境污染物的途径之一，尤其是固态及半挥发态的污染物如重金属，多环芳香烃以及持久性污染物。土壤摄入率是评价土壤污染对人体健康风险（儿童是敏感人群）、制定污染土壤修复目标值及相关土壤环境质量基准的必要参数，而且此参数值会随着经济水平、人群行为、饮食特征和生理特点差异而存在变异性。
由于儿童和成年人之间行为习惯的不同，他们的暴露途径也有很大的差别。儿童经常在室外土地或室内地板上活动，所以会从地面摄入大量的室外土和室内尘[3]。而且儿童有吮手和物品（如玩具）及吃掉落在土地或地板上的食品等的习性，因此，土壤摄入是儿童暴露污染物的主要途径之一。有研究表明，儿童每千克体重摄入的土壤量是成人的10倍[1]。所以，土壤摄入率参数对开展儿童健康风险评价极为重要。
2研究方法
目前文献中报道的研究土壤和尘的摄入率的方法主要有三种，分别为问卷调查法，元素示踪法和生物动力学模型法[4]。
2.1问卷调查法
基本原理：问卷调查法也称问卷法，是调查者运用统一设计的问卷向被选取的调查对象了解情况或征询意见的调查方法。研究者将所要研究的问题编制成问题表格，以邮寄方式、当面作答或者追踪访问方式填答，从而了解被试人对某一现象或问题的看法和意见。
通过调查问卷我们能够获得反映土壤摄入率的一些参数，如手口接触频次，手粘附尘土量等。
Vermeer and Frate（1979）[5]采用问卷调查法对土壤摄入率进行了研究。他们选取的地点是美国密西西比州的偏远山区，样本是从一个儿童营养调查样本中随即抽取的子样。样本数为229，其中包括140名儿童，89名成人。调查结果表明：在115名13岁以下的儿童中有18名儿童有食土癖，其中1-4岁儿童16名。
Stanek et al.（1998）[6]采用当面作答形式对美国曼彻斯特西部地区进行了土壤摄入率的研究。样本来自当地的诊所，包括528名1-7岁的儿童。
2.2示踪元素法
基本原理：利用不被人体吸收的示踪元素如铝（Al），硅（Si），钛（Ti），根据一定时间内通过非土壤摄入途径（主要为饮食及饮水等）摄入的示踪元素的质量和通过粪便尿液排泄的示踪元素的量，计算出通过土壤摄入途径摄入的示踪元素的质量，然后除以土壤中示踪元素的浓度，最终推算出土壤摄入率[7]。实际上，元素示踪法就是物质平衡法。
示踪元素法的优点是能够直观的得到土壤摄入率，该方法也存在一等的局限性。Shepherd et al.（1987）[9]和Powell et al.（1996）[8]的研究表明消化道内的淋巴组织可能是食物添加剂或者是土壤颗粒中二氧化钛的储存库。这样基于示踪元素钛所得到的土壤摄入率与其真实值间就会存在一定的偏差。也有研究表明硅在骨骼的形成过程中发挥一定的作用。这表明硅在消化道内可能会被吸收，这就会使基于示踪元素硅所得到的土壤摄入率比真实值偏低。Van Dyck et al.（2000）的研究也表明由于生长中的孩子对硅的吸收作用，基于硅的示踪元素法对土壤摄入率的估计值可能偏低。而且目前的示踪元素法的研究并没有讨论土壤性质的不同对毒物在消化道中的吸收和排泄所造成的影响。
Calabrese et al.（1991）采用示踪元素法对土壤摄入率进行了研究。他选取的样本是美国马萨诸塞州的64名1-3周岁的儿童。所用的示踪元素为铝，钡，锰，硅，钛，钒，钇，锆。研究结果表明用示踪元素法测定的土壤摄入率比实际的土壤摄入率偏高。
Van W?jnen et al.（1990）采用示踪元素法对土壤摄入率进行了两个阶段的研究。他选取的样本是荷兰的292名1-5岁的儿童，其中有187名儿童只参与了第二阶段的研究。他所选用的示踪元素为钛，铝和不溶解酸。Van W?jnen的研究并没有直接计算每个儿童每天通过饮食所摄入的示踪元素的含量，而是测定15名住院儿童粪便中所排出的示踪元素的含量，用其平均值作为对照。研究认为这15名儿童每天只通过饮食摄入示踪元素，不接触土壤介质。因此这15名住院儿童的粪便中排出的示踪元素的含量能够代表这些被研究儿童每天通过饮食摄入的示踪元素的含量。
Calabrese et al在1992年再一次用示踪元素法对儿童的土壤摄入率进行了研究。与之前的研究不同的是他把原来的八个示踪元素中的钡，锰和钒换成了铈，镧和钕。研究选取了64名13岁的儿童，其中包括男生36名，女生28名。收集了儿童每天摄入的全部食物，药物，维生素，饮料以及每天的排泄物以及儿童家中和玩耍区域的土壤和尘样品。并且为其提供了已知示踪元素含量的牙膏和含有少量示踪元素的婴儿玉米淀粉。
Davis and Mirick（2006）用示踪元素法对同一家庭中的儿童和家长的土壤摄入率进行了研究。研究对象包括20个家庭。研究收集了19个家庭连续11天的食物，药物，排泄物，土壤和尘样品。在采样的11天期间有9天每天只取两次尿液样品，其余的两天尝试收集到24小时的全部尿液样品。研究结果表明儿童的众多行为中只有吃土癖好和饭前是否洗手两个行为会对儿童的土壤摄入率产生影响。研究结果还表明在同一个家庭中儿童和家长的土壤摄入率没有必然的联系。
2.3生物动力学模型法
基本原理：生物代谢动力学模型是基于特定污染物进入人体后的代谢过程，模拟人体组织或排泄物中的代谢物浓度。在土壤和灰尘是该污染物的主要摄入介质的情况下，通过比较组织或排泄物中代谢物的实测浓度和预测浓度，验证模型的实用性。模型验证通过后，即可根据实测的代谢物浓度推算土壤和灰尘的摄入率。
生物动力学模型的优点是在儿童还没有暴露于污染物之前能够预测某个项目实施之后造成的污染对儿童健康的影响程度，从而采取一定的措施来预防这种伤害。
但是，由于测定消化道的吸收率比较困难，一般采用估测的方法，会产生误差；此外，通过土壤/灰尘摄入污染物的比例，以及所取的土壤/灰尘样品的代表性都可能是误差来源，因此，模型法目前能得到的还是土壤/灰尘摄入率的粗略估算值，但是可以和其他方法相互佐证，并且在其他方法难以实施的情况下获得初步的估算值。
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用生物动力学模型法研究土壤摄入率，需要的参数包括土壤/灰尘中砷的浓度、儿童对土壤，灰尘，食物，饮用水中砷的吸收率、暴露时间、饮水中砷的浓度、大气中砷的浓度、食物中总砷的含量、尿液和粪便排出总砷的量。
目前比较成熟的模型是关于儿童铅代谢动力学的IEUBK模型]。IEUBK模型的目的是对暴露于铅环境中的儿童的血铅浓度进行合理的无偏差的估计。美国EPA的经验表明，IEUBK模型能够满足他们解决多途径铅暴露问题，为描述个体之间的差异以及为风险评价提供有用信息。与其他的环境评价的模型相比，IEUBK模型经过了已有数据的验证，并且随着环境铅暴露以及铅在人体中的迁移转化数据的完善，IEUBK模型能够更好的评价环境铅风险。
Paul D.White et al（1998）详细的阐述了关于儿童血铅暴露的IEUBK模型的概念结构。他认为IEUBK模型通过四步将环境中的铅浓度转化为了血铅浓度。这四个过程分别为暴露，吸收，铅在人体中的生物动力学过程以及个体差异性。由于IEUBK模型需要很多人体代谢参数，如铅由血液转移到骨骼，肾脏，肝脏，其他软组织的转移时间；血液中的铅经过代谢由尿液，粪便排出所需要的时间；红细胞，肾脏，肝脏，骨骼以及其他软组织中铅的含量。由于在我国没有相关的研究能够提供这些指标。而且该模型需要测定血铅的浓度，因此也有利用砷的代谢动力学模型，测定排泄物中的砷含量即可。
Hisham A.El-Masri（2007）提出了一个关于无机砷及其一甲基二甲基代谢产物的生理药代动力学模型，即PBPK模型。该模型包括的模块有，肺，肝脏，消化道，肾脏，肌肉，大脑，皮肤以及心脏。它详细的阐述了摄入人体中的无机砷经过新陈代谢转化为其甲基代谢产物的过程。该模型所需要的参数包括代谢物中的无机砷，一甲基砷和二甲基砷的浓度；无机砷转化为一甲基砷以及一甲基砷转化为二甲基砷时的氧化速率常数Km，和最大反应速率Vmax；一阶口服吸收速率常数Ka。
Joshua T.Cohen（2013）提出了关于砷的蒙特卡洛模型（Monter Carlo）。该模型认为摄入人体的砷被人体代谢之后全部是通过尿液排出，而摄入的未被吸收的部分则通过粪便排出。该模型中摄入人体且被人体吸收的砷的计算公式为：
DA=（ASCSIS+ADCDID）F+AAirIAirDpAir+AWCWIW+AFDF
其中：S，D，Air，W，F分别是指土壤，尘，空气，水，食物。DA是指被人体吸收的砷含量。Ai是指儿童对第i种介质中的无机砷的生物利用度；Ci是指第i种介质中无机砷的浓度（土壤ug/g，水ug/l，空气ug/m3）；Ii是指第i种介质的摄入率（土壤mg/day，水l/day，空气m3/day）；DpAir是指吸入的尘中沉积在肺中的比例；DF是指通过食物每天摄入的无机砷（ug/day）；F为10-3（mg/g的转换率）。这部分的砷全部通过尿液排出。
摄入人体并未被人体吸收的砷含量的计算也采用相似的公式，只是将上式中的Ai变为第i中介质中未被儿童利用的砷占总摄入砷的比例。而这部分的砷全部通过粪便排出。
该模型假设食物中的砷的生物利用度为85%，饮用水中砷的生物利用度为95%，空气中的砷的生物利用度为100%，土壤和尘中的砷生物利用度分别为20%和28%。该模型还假设土壤和尘的摄入率中，土壤所占的比例为45%，尘所占的比例为55%。
3结论
有关土壤摄入率这一参数的调查方法在科学上还处于研究阶段，国际上也只有美国、荷兰等极少数国家进行过少量研究，我国相关研究极为有限。
土壤摄入率是评价土壤污染对人体健康风险（儿童是敏感人群）、制定污染土壤修复目标值及相关土壤环境质量基准的必要参数，但是参数值随经济水平、人群行为、饮食特征和生理特点差异而存在变异性，直接引用发达国家参数值用于我国环境健康风险评价存在很大的不确定性。因此我国有必要借鉴既有关于“土壤摄入率”的科学研究成果，结合实际情况研究探索适宜调查技术和方法，开展我国儿童土壤摄入率的研究。
参考文献：
[1]U.S.EPA.Soil Screening Guidance：User’s Guide.Washington，DC：U.S.Environmental Protection Agency，Office of Solid Waste and Emergency Response.Publication 9355.423.
[2]U.S.EPA.Exposure Factors Handbook Revised.Washington，DC：U.S.Environmental Protection Agency，Office of Research and Development.EPA/600/P95/002F.
[3]Johan Bierkens，Mirja Van Holder，Christa Cornelis，et al.Dealing with Contaminated Sites[M].Exposure Through Soil and Dust Ingestion，2011，261-286.
[4]U.S.EPA.Guidance on selecting age groups for monitoring and assessing childhood exposures to environmental contaminants.Washington，DC：U.S.Environmental Protection Agency，Office of Research and Development.EPA/630/P03/003F.
[5]D.E.Vermeer，D.A.Frate.Geophagia in rural Mississippi：environmental and cultural contexts and nutritional implications[J].The American Society for Clinical Nutrition，1979.
[6]Ravin Jugdaohsingh Simon HC Anderson，Katherine L Tucker，et al.Dietary silicon intake and absorption[J].American Society for Clinical Nutrition，2002.
[7]Scott Davis，Dana K.Mirick.Soil ingestion in children and adults in the same family[J].Journal of Exposure Science and Environmental Epidemiology，2006，63-75.
[8]N.Ferrara，K.Carver Moore，Powell，et al.Heterozygous embryonic lethality induced by targeted inactivation of the VEGF gene[J].Nature，380（6573）：439-442.
[9]S.J.Leibovich，P.L.Polverini，H.M.Shepard，et al.Macrophage-induced angiofenesis is mediated by tumour necrosis factor-a[J].Nature，380，439-632.
资助项目：中央高校基本科研费（No.2010YH05）基金资助
作者简介：张璇（1989—），中国矿业大学（北京），化学与环境工程学院，北京，100083.
论文作者:张璇,张玉秀
论文发表刊物:《健康世界》2015年4期供稿
论文发表时间:2015/10/27
标签：土壤论文; 儿童论文; 模型论文; 元素论文; 浓度论文; 动力学论文; 是指论文; 《健康世界》2015年4期供稿论文;