GSR公开课第三十三讲：污染场地内分泌干扰物精细化健康风险评估
主讲人：杨彦 博士
（2023年8月25日）
杨彦，博士，广东省杰出青年基金获得者，江苏省“双创计划”创新类——“双创博士类”人才，江苏省“双创计划”创业类——“科技副总”人才；建立土壤优先控制污染物精准筛选方法；构建本土化污染场地暴露参数体系和基于生物可给性的精细化场地风险评估模型，用于国家环境保护标准制定与修订。
课程概要：
报告将分享土壤内分泌干扰物（EDCs）污染的背景、精细化健康风险评估模型、本土化暴露参数、场地内分泌干扰物健康风险评估和对中国精细化风险评估管理的思考。
课程内容：
一、研究背景与意义
土壤内分泌干扰物（EDCs）污染是如今重大环境安全问题，“十四五”规划和2035年远景目标纲要中提到要有效管控土壤污染风险，重视新污染物治理。“十四五”土壤、地下水和农村生态环境保护规划中也提到加强土壤污染风险评估涉及的模型和关键暴露参数以及污染物生物可给性测试和验证方法研究。加强内分泌干扰物等新污染物治理是新污染物治理的行动方案，也是国家迫切的需求。
受土壤理化性质、人体代谢等影响，污染物不能全部从土壤颗粒中解吸出来进入人体消化、呼吸和皮肤系统，采用土壤中污染物总量来评估污染物的风险，往往易过高估计土壤污染风险。此外，不同国家、地区的人群饮食习惯、生活行为模式、人体生理特征等存在差异，其暴露参数也存在较大差异。暴露参数的准确性决定环境健康风险评估结果的准确性，从而影响土壤污染风险准确性。因此需要构建精细化场地健康风险暴露模型、开展本土化暴露参数研究。
二、精细化健康风险暴露模型
（一）场地EDCs健康风险评估模型优化-经口暴露
1、基于体外胃肠道方法的经口暴露模型
人体经口摄入的污染物无法完全从环境基质中释放到消化液中并被肠道吸收，将生物可给性纳入人体经口暴露和健康风险评估，可提高风险评估准确性。污染物经口生物可给性可通过动物实验和模拟人类胃肠道的体外方法研究。
图1 基于体外胃肠道方法的经口暴露模型
2、模拟人体胃肠道的体外方法-现存问题
常用的静态胃肠道体外方法包括PBET、Fa-VDM、IVD、DIN、UBM和SHIME等，通常仅考虑污染物从基质中的释放，忽略释放的污染物被胃肠道细胞吸收。
将Caco-2细胞等引入静态胃肠道体外模型，可实现静态方法演变为动态方法。
图2 静态方法与动态方法
3、不同体外胃肠道方法对污染物的生物可给性差异
Fa-VDM（由SHIME改进而来）测定电子垃圾土壤和标准尘埃PBDEs生物可给性，通过动物实验验证，该方法优于其他方法。
图3 生物可给性差异
4、创新构建中国人群特征的场地EDCs胃肠道动态消化模型
构建体外胃肠道消化装置，包括营养液瓶以及胃、小肠、升结肠、横结肠、降结肠模拟瓶。基于中国人群胃肠生理特征配制模拟液：胃酸（HCl溶液+胃蛋白酶）、胃液（营养液+胃酸）、肠液（NaHCO3+胆汁和胰酶溶液）。
图4 体外胃肠道消化装置
通过引入Caco-2细胞将SHIME模型改进为动态消化模型，并揭示PBDEs等EDCs胃肠道的被动扩散机制，并经肠道吸收进入生物体。
5、影响生物可给性的因素
通过胃肠道动态消化模型发现PBDEs等EDCs的生物可给性主要受pH值、营养物质、胆汁和液/固比值影响。
6、场地EDCs胃肠道动态消化模型-验证
基于胃肠道动态消化模型测定PBDEs的生物可给性，与小鼠体内PBDEs生物可给性接近，且二者呈显著相关性。
模型改善了污染物释放和吸收的动态平衡问题，可准确测定中国人群经口摄入PBDEs等EDCs的生物可给性。
（二）场地EDCs健康风险评估模型优化-经皮暴露
1、皮肤暴露模型-研究背景
皮肤接触是人体暴露于环境污染物的主要途径之一，但皮肤表层污染物只有一部分能进入人体。皮肤暴露生物可给性描述污染物从环境基质进入皮肤组织甚至体液循环系统中的部分。
生物可给性研究对暴露风险精细化评估具有重大意义，通常采用实验模型或数值模型进行研究。
图5 皮肤暴露模型
2、环境污染物皮肤暴露模型-现存问题
在体模型由于难以确定模型动物和人体经皮吸收关系，其结果外推至人体存在较大不确定性。
离体模型包括人体皮肤、动物皮肤、重建人体皮肤和材料合成膜等，离体模型评估结果受个体差异影响大。
数学预测模型是进行皮肤暴露生物可给性研究的理想模型，但数学模型的构建需要筛选具有代表性的描述参数，并使用庞大数据量进行验证。
3、创新构建中国人群特征的场地EDCs皮肤渗透模型
基于Franz扩散单元的皮肤渗透模型，使用中国人群离体皮肤，配制中国人群皮肤表面膜液，构建中国人群特征污染物皮肤暴露生物可给性模型。
图6 扩散单元结构
4、环境污染物经皮渗透机制研究
揭示EDCs通过破坏角化细胞间脂质结构促进表皮细胞间隙扩大而进行化学扩散的渗透机理，结合皮肤酶代谢影响，指出OPFRs及其代谢产物等EDCs可进入真皮被机体利用。
5、创新构建环境污染物经皮暴露数学预测模型
收集皮肤渗透文献数据，筛选代表性分子描述符构建QSRA模型预测OPEs、PAEs及PAHs等EDCs皮肤渗透能力，结合实验验证表明具有较好预测效果。
图7 预测模型形成过程
6、创新构建中国人群特征的场地EDCs皮肤体表面积暴露模型
对我国20~24岁男性大学生的身高、体重和体表面积进行测量，并基于此成果创新建立我国男性成人皮肤体表面积Dubois暴露模型。
（三）场地EDCs健康风险评估模型优化-呼吸暴露
1、呼吸暴露模型-研究背景
人体呼吸吸入颗粒物后，一部分沉积在气管支气管，一部分深入肺泡吸收后再释放进入体循环。颗粒物中能被人体吸收的污染物浓度（并非总浓度），更能科学地反映污染物危害，应将其在肺部的吸入生物可给性纳入呼吸暴露风险评估中。气管支气管沉积可用数值模拟模型，进入肺泡释放部分可通过模拟人体肺液的体外模型阐明。
2、呼吸暴露模型-现存问题
肺部结构复杂，颗粒污染物沉积的数值模拟模型研究主要集中在气管支气管区域，并不能真实模拟全肺的呼吸运动，模拟肺泡区域的颗粒模型较为欠缺。
颗粒污染物释放的体外模拟肺液模型研究主要集中在优化肺液生理参数和探究影响因素，缺乏模拟动态呼吸的体外装置与体内验证研究。
图8 肺泡区域颗粒模型
3、三维非对称下呼吸道模型
采集中国人群肺部结构信息（肺横膈膜、肺叶、肺根和支气管等）和呼吸参数。基于Yeh模型在没有使用剪枝等模型简化方法前提下，使用多级非对称下呼吸道生理结构数据（包括不同肺叶和不同级别的支气管直径、长度以及支气管分叉角）对每一个支气管进行建模，考虑径向旋转，建立第1-10级的三维非对称支气管模型。
4、结合虚拟肺腺泡的下呼吸道模型
综合考虑中国人群肺泡特征（组织形态、数量、直径等），基于前期构建的1-10级的三维非对称支气管模型，在第10级支气管末端建立新型具有可移动虚拟肺腺泡的多级非对称下呼吸道模型，包含10级下呼吸道结构和25条呼吸道延伸（每条呼吸道均含虚拟肺腺泡）。
图9 下呼吸道模型
5、模拟肺呼吸装置
创建模拟肺呼吸装置，包括密封箱、肺模型、采气袋和气泵，可自动完成模拟肺部的呼吸，研究动态呼吸过程颗粒污染物的沉积与释放生物可给性，验证颗粒污染物在呼吸道的沉积效应，肺模型各分叉尾部设有肺泡结构，肺泡结构中加入Gamble溶液用作肺模拟液。
6、吸入生物可给性-影响因素
颗粒污染物传输过程受曳力、重力和涡流扩散作用的影响，且虚拟肺腺泡影响了颗粒的沉积和分布，富集能力随肺叶结构和位置变化。
颗粒污染物生物可给性受pH值、提取时间、吸收槽、固液比和搅拌等外部因素影响。
7、吸入生物可给性-颗粒物与典型EDCs
基于呼吸暴露模型，研究超细颗粒物（10-100nm）和细颗粒物（100-600nm）的沉积率，表明大部分颗粒物深入到了第10级后的支气管。
结合动物实验，研究香烟和香水吸入生物可给性，指出PAHs、PAE等EDCs经呼吸暴露后在部分组织器官中的生物可给性系数。模型充分考虑超细颗粒物在非对称下呼吸道中的沉积效应，可准确预测中国人群呼吸暴露EDCs的生物可给性。
三、本土化暴露参数
暴露参数各个研究方法各有特点、适应于不同情景的研究。我国人群土壤摄入量、呼吸速率、皮肤粘附系数和渗透系数等需进一步研究。
“珠三角”和“长三角”人群土壤/尘摄入量本土化：使用示踪元素质量平衡法报道场地周边人群土壤/尘摄入量，阐明最佳示踪元素为铝、硒、钪、钛和钇，指出本土化人群土壤/尘摄入量高于美国、欧洲等地区（p<0.05）。
“珠三角”和“长三角”人群呼吸速率本土化：获取区域人群长期和短期呼吸速率；指出呼吸速率受年龄、性别、季节、职业、地域、体质、健康状况等多种因素的影响。
四、场地内分泌干扰物健康风险评估
耦合本土化暴露参数，发展基于EDCs生物可给性的场地本土化、精细化场地内分泌干扰物健康风险评估方法，阐明PBDEs等EDCs不同暴露途径生物可给性，融合生物可给性后的健康风险评估精确度大幅提升（相对于采用国外传统风险评估方法，风险大幅下降）。
本土化、精细化场地内分泌干扰物健康风险评估在化工污染场地风险评估应用中，化工污染场地土壤中重金属铅、镉、钒、六价铬、镍、铜、砷、锑和钴，有机物苯并（a）蒽、苯并（b）荧蒽、苯并（a）芘、二苯并（a，h）蒽等超过GB36600-2018标准，PAHs、PBDEs、Cr与As等经过评估后风险不可接受，需要开展土壤修复工程治理。采用本土化暴露参数和生物可给性进行风险评估，与直接采用国家推荐值相比，污染修复目标值比原来提高了1.8-3.3倍。
五、对中国精细化风险评估管理的思考
1、《“十四五”环境健康工作规划》提出“进一步完善环境健康标准体系，研制一批环境健康风险评估技术规范”。现有生态环境健康风险评估手段难以满足精准化生态环境管理需求，环境污染物生物可给性、生物有效性的国家环境保护标准缺乏。
2、《“十四五”环境健康工作规划》提出“丰富风险评估参数，修订中国人群暴露参数”。现有中国人群暴露参数手册发布至今已逾10年，亟须更新和补充。
3、江苏省环境科学学会发布《建设用地土壤污染物的生物有效性分析与应用技术指南》（征求意见稿）等5项环境污染物生物有效性团体标准，均只考虑经口暴露（胃肠模拟法），未考虑呼吸和皮肤暴露途径，且体外胃肠模拟法都推荐国外模型，未考虑中国人群特征。
课程总结：
报告详细介绍了土壤内分泌干扰物（EDCs）污染的背景，场地EDCs健康风险评估模型优化中有关经口暴露、经皮暴露和呼吸暴露的相关情况，同时包括中国本土的参数实验研究，为我国的污染场地的精细化管理提供了支撑。
课程总结：蒯伟 邓璟菲