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第一作者：杨泽博、蒋岳恒

通讯作者：李小平 教授

通讯单位：陕西师范大学

https://doi.org/10.1021/envhealth.6c00448

亮点

l 从单一铅物相拓展到多物相混合铅体系，系统解析混合暴露下的生物有效性。

l 揭示铅物相组成是决定混合铅生物有效性差异的重要因素。

l 建立基于“单一物相生物有效性 × 质量分数”的混合铅定量预测方法。

图形摘要：

研究背景

铅是一类典型的环境污染物，可通过土壤、灰尘、食物及饮用水等多种途径进入人体。尤其对于儿童而言，由于手口行为频繁、胃肠道吸收能力较强，对环境铅暴露更加敏感。

传统环境健康风险评价往往主要依据土壤或灰尘中的总铅浓度进行判断，但总浓度并不等于真正能够被人体吸收的铅含量。环境中的铅通常以多种化学形态共同存在，不同铅物相具有不同的溶解性和胃肠道可利用程度，因此，即使两个环境样品具有相同的总铅浓度，其潜在健康风险也可能存在明显差异。

PbSO₄、PbCO₃、PbS 和 PbO₂ 广泛存在于矿山开采与冶炼、铅酸电池生产与回收以及燃烧排放等污染场景中。然而，目前关于铅生物有效性的研究大多针对单一铅化合物，对于多种铅物相共同存在时，其生物有效性如何随物相组成发生变化，以及能否由单一物相结果进一步预测混合体系的生物有效性，仍缺乏系统研究。

因此，本研究重点关注一个关键科学问题：当多种铅化合物同时存在时，混合铅的生物有效性究竟由什么决定？能否根据各铅物相的组成比例，对其生物有效性进行定量预测？

研究设计

研究选取环境中具有代表性的四种无机铅化合物，即 PbO₂、PbS、PbCO₃和 PbSO₄，构建不同质量比例的四组分混合铅体系。混合体系中不同物相的质量分数设置为 5%、15%、35% 和 45%，并设置单一铅化合物作为对照。在暴露浓度方面，根据儿童土壤摄入特征以及我国矿区、城市和研究团队前期调查得到的环境铅浓度水平，研究设置了 50 mg·kg^-1 和 150 mg·kg^-1 两个实验浓度。

在体内实验中，研究采用 Balb/c 小鼠进行连续 15 d 稳态暴露，测定肝脏、肾脏和股骨中的铅累积，并以可溶性乙酸铅作为参照，计算不同铅化合物及混合体系的相对生物有效性，即Pb-RBA。与此同时，研究采用 SBRC 和 UBM 两种常用体外胃肠模拟方法，分别评价胃相和肠相中的铅体外生物可给性，即 Pb-IVBA，并进一步分析体外 Pb-IVBA 与体内 Pb-RBA 之间的相关性。

研究还将肝脏、肾脏和股骨中的空白校正铅浓度进行加和，建立联合浓度终点。该联合终点与暴露剂量之间的相关系数达到 0.95，可用于辅助 Pb-RBA 评价。

研究的主要发现

主要发现一：不同铅物相具有显著不同的生物有效性

研究首先比较了四种单一铅化合物的 Pb-RBA。在 50 mg·kg^-1 条件下，四种铅化合物的综合 Pb-RBA 整体表现为：PbCO₃ > PbO₂ > PbSO₄ > PbS。其中，PbCO₃ 的 Pb-RBA 为 73.15% ± 7.77%，PbO₂ 为 48.46% ± 6.40%，PbSO₄ 为 43.18% ± 6.50%，而 PbS 仅为 8.94% ± 3.88% (图1)。这一结果表明，不同铅化合物即使具有相同的总铅含量，其真正能够被机体吸收利用的比例也可能存在明显差异。

造成这种差异的重要原因之一，是不同铅物相在胃肠环境中的溶解行为不同。例如，PbCO₃ 在酸性胃环境下较容易发生溶解并释放 Pb²⁺，而 PbS 的热力学溶解度极低，因此表现出最低的生物有效性。这进一步说明，仅依靠“总铅浓度”评价环境健康风险，可能无法充分反映真实的生物暴露水平。

图1. 小鼠连续15 d稳态暴露于含有两种铅浓度（50和150 mg·kg^-1）的饲料后，不同生物学终点的 Pb-RBA

主要发现二：混合铅的生物有效性与物相组成密切相关

对于混合铅体系，研究发现，物相组成是影响 Pb-RBA 的重要因素。当混合体系中 PbCO₃ 与 PbO₂ 的合计质量分数达到 60% 时，通常表现出较高的 Pb-RBA；相反，当 PbSO₄ 和 PbS 所占比例升高时，混合铅的 Pb-RBA 整体下降。例如，在 150 mg·kg^-1 条件下，PbCO₃ 比例达到 45% 的 H7 组在多个生物终点中均表现出较高的 Pb-RBA；而当 PbS 和 PbSO₄ 的合计比例达到 60% 时，混合体系的 Pb-RBA 整体维持在较低水平。

如表1所示，进一步分析发现，PbCO₃ + PbO₂ 的比例与股骨 Pb-RBA 之间表现出较强相关性，其决定系数达到 R² = 0.70，斜率为 0.70。这一结果意味着，在环境健康风险评价中，除了回答“环境中有多少铅”，还需要进一步回答：“这些铅究竟以什么化学形态存在？”

主要发现三：胃相 Pb-IVBA 明显高于肠相

两种体外胃肠模拟方法均显示，铅在胃相和肠相中的溶出行为存在明显差异(图2)。总体上，胃相 Pb-IVBA 分别为：SBRC-GP：54.97% ± 14%；UBM-GP：49.23% ± 8%，而进入肠相后，Pb-IVBA 显著降低至：SBRC-IP：4.27% ± 2%；UBM-IP：7.89% ± 4%。这种明显下降主要与胃肠道 pH 条件变化有关。酸性胃环境有利于铅化合物溶解，而进入近中性的肠道环境后，Pb²⁺更容易发生沉淀或与固相基质发生共沉淀，从而显著降低溶解态铅比例。

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图2. 在不同暴露浓度和混合组成条件下，采用 SBRC 和 UBM 方法测定的 Pb-IVBA

因此，单纯依据胃相或肠相结果评价铅生物可给性时，需要充分考虑不同消化阶段的化学环境差异。

主要发现四：UBM 胃相对体内 Pb-RBA 具有较好的预测能力

研究进一步建立了体外 Pb-IVBA 与体内 Pb-RBA 的体外-体内相关关系，即 IVIVC (图3和图4)。结果显示，UBM 胃相总体表现出比 SBRC 胃相更好的 Pb-RBA 预测能力。在 50 mg·kg^-1 条件下，UBM-GP 与不同体内终点 Pb-RBA 的决定系数分别为：肾脏：R²= 0.81；联合终点：R² = 0.79；肝脏：R²= 0.70；股骨：R² = 0.67。

图3. 不同暴露浓度下，SBRC 体外方法测定的 Pb-IVBA 与肝脏、肾脏、股骨及联合终点 Pb-RBA 之间的相关性

图4. 不同暴露浓度下，UBM 体外方法测定的 Pb-IVBA 与肝脏、肾脏、股骨及联合终点 Pb-RBA 之间的相关性

总体来看，UBM-GP 在本研究所涉及的混合铅体系中表现出较好的体内预测潜力，也说明体外胃肠模拟方法有望为减少动物实验、提高铅生物有效性评价效率提供参考。

研究核心：利用物相质量分数预测混合铅生物有效性

本研究进一步提出一个定量预测思路。在一定实验条件下，如果不同铅物相在消化和吸收过程中能够近似视为相互独立，则混合铅的 Pb-RBA 或 Pb-IVBA 可以通过各单一铅物相的 Pb-RBA 或 Pb-IVBA 按照质量分数进行加权计算。即：

这一方法将环境样品的“物相组成信息”进一步转化为可用于生物有效性评价的定量参数。

预测模型表现如何？

研究采用 MBE、RMSE、R²、斜率、截距及残差分析等指标，对质量分数加权模型的预测性能进行了评价(图5和图6)。对于 Pb-IVBA，模型整体表现出较好的预测能力。其中：UBM-GP：R² = 0.82；UBM-IP：R² = 0.72。不同体外方法的 R² 总体为 0.67～0.82。其中，UBM-IP 的 RMSE 最低，为 2.17%，而 UBM-GP 具有最高的R²。对于体内 Pb-RBA，由于肝脏、肾脏和骨组织中的铅累积还受到主动转运、组织分配和体内动力学过程影响，模型预测相关性相对低于体外 Pb-IVBA。

图5. 基于单一铅物相 Pb-RBA 值对混合铅 Pb-RBA 进行预测：（a）肝脏，（b）肾脏，（c）股骨，（d）联合终点。红色直线表示 1:1 参考线

图6. 基于单一铅物相 Pb-IVBA 值对混合铅 Pb-IVBA 进行预测：（a）SBRC-GP，（b）SBRC-IP，（c）UBM-GP，（d）UBM-IP。红色直线表示 1:1 参考线

因此，本研究提出的并不是用一个简单公式完全替代动物实验，而是提供了一种新的评价思路：在已有单一铅物相生物有效性数据的基础上，可以结合环境样品中不同铅物相的组成比例，对混合铅的 Pb-RBA 和 Pb-IVBA 进行初步定量估算。

研究创新与意义

本研究系统评价了 PbO₂、PbS、PbCO₃ 和 PbSO₄ 在不同混合比例条件下的体内 Pb-RBA 与体外 Pb-IVBA，并将铅物相组成、体内生物有效性和体外生物可给性联系起来。更重要的是，研究提出了基于“单一铅物相生物有效性 × 质量分数”的加权预测框架，使环境铅健康风险评价进一步从单纯关注“总铅浓度”，向同时关注：总量、物相组成和生物有效性转变。

这一研究思路有望为复杂环境介质中铅的精细化风险评价提供新的定量工具，也为未来将 XRD、XAS/EXAFS 等物相表征结果与生物有效性评价相结合提供理论依据。研究结果表明，利用单一铅物相的 Pb-RBA 或 Pb-IVBA 与其在混合体系中的质量分数，有可能建立混合铅生物有效性和生物可给性的定量预测框架。

结语

本研究表明，环境铅健康风险不仅取决于“有多少铅”，还与“这些铅以什么化学形态存在”密切相关。通过将不同铅物相的生物有效性与其质量分数相结合，研究进一步提出了一种混合铅 Pb-RBA/Pb-IVBA 的定量预测思路，为复杂环境条件下铅暴露风险的精细化评价提供了新的研究基础。

作者介绍

杨泽博，陕西师范大学地理科学与旅游学院环境科学与工程专业硕士研究生，主要研究方向为儿童污染物环境暴露与风险防控。

李小平，博士，陕西师范大学地理科学与旅游学院教授，博士生导师，陕西省污染暴露与生态环境健康国际联合研究中心主任，纳米环境科学与健康国际联合研究中心主任。获宝钢优秀教师奖、陕西最美科技工作者、西迁精神传承人、陕西省最美生态环保志愿者等荣誉。长期从事污染物区域环境过程、暴露风险与调控等方面的研究。先后主持国家和省部级各类项目近20项，以第一作者/通讯作者在Journal of Hazardous Materials、Environment International等国内外重要期刊发表科技论文100余篇。研究成果获陕西省科学技术奖、陕西省高校科学技术奖、陕西省生态科技奖、陕西省环境保护青年科技奖等。