面向PM2.5中重金属铅的心血管健康风险评估方法

摘要

本发明公开了面向PM2.5中重金属铅的心血管健康风险评估方法，基于检测得到的重金属铅的含量，通过样品间的相关性分析判断大气PM2.5颗粒物中的重金属铅进入人体的途径，若确定通过呼吸道吸入进入人体，则建立动物模型进行相对生物有效性分析，对经呼吸道吸入途径进入人体的心血管健康风险进行计算，若确定通过消化道摄入及皮肤接触进入人体，则经过对应的生物有效性分析或按照USEPA提供的健康风险方法进行评估。本发明将PM2.5颗粒物中的重金属铅在生物体内的有效性和心血管损伤评估相结合，从重金属形态和暴露途径的贡献度两个方面降低对健康风险模型的不确定性，为PM2.5中重金属污染相关的标准和法规提供了科学依据。

说明书

技术领域

本发明涉及健康风险评估的技术领域，尤其涉及到一种面向有色金属冶炼场区PM2.5中重金属铅的心血管健康风险评估方法。

背景技术

PM2.5颗粒物，又称为细颗粒物，指空气动力学当量直径小于或等于2.5微米的悬浮颗粒物，是有机碳化合物、重金属和气体的复杂混合物，属于大气中重要污染物之一。大气细颗粒物(PM2.5)成分复杂、粒径小、数量多、表面积大，可承载大量的重金属(包括Pb、Ni、Cu、Zn、As、Cd等)，是重金属扩散的“理想载体”。铅污染主要通过大气、水源、土壤等介质对人体和自然环境造成影响，有害重金属铅借助PM2.5的来源丰富、吸附能力强、种类多样、传播速度快以及防控难度大等特点，严重危害厂区职工和周边居民的健康，对人体健康产生潜在且不可忽视的危害。

重金属的相对生物有效性(Relative Bioavailability，RBA)是指同一暴露途径下重金属的绝对生物有效性与可溶性参考物质(如醋酸铅)中重金属的绝对生物有效性之比，是衡量重金属元素在机体内吸收情况及反应的重要指标。近年来，针对大气PM2.5颗粒物中重金属的风险评估模型主要体现在对重金属总含量的评估，而缺乏重金属相对生物有效性的相关参数，导致健康风险评估过程中存在由于重金属形态影响机体吸收造成的误差，这也造成健康风险评估模型不确定性的重要来源之一。

目前常用的由美国EPA提出的健康风险评估模型中，没有关于铅的共识RfD或SF，因此不能像其他重金属元素那样计算健康风险。使用综合暴露吸收生物动力学(IEUBK)模型评估铅暴露又遭到许多限制条件，且不适用于评估有色金属冶炼场区PM2.5中重金属铅对厂区工人的心血管健康风险。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中对于大气PM2.5中重金属铅形态对机体的相对生物有效性贡献值的低估、健康风险评估中存在对于重金属铅的许多限制条件等问题，提供一种面向有色金属冶炼场区PM2.5中重金属铅的心血管健康风险评估方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

一种面向PM2.5中重金属铅的心血管健康风险评估方法，包括：

称量空白PM2.5滤膜的重量；采用中流量采样器采集大气中的PM2.5颗粒物，并称量采集后的PM2.5滤膜重量；记录收集日期、天气情况，同步采集厂区工人的饮用水、食物、皮肤擦拭纸及尿液样品；

对采集得到的样品进行预处理；

对经过预处理的样品中的重金属铅的含量进行检测；

基于检测得到的重金属铅的含量，通过样品间的相关性分析判断大气PM2.5颗粒物中的重金属铅进入人体的途径，进入人体的途径包括呼吸道吸入、消化道摄入及皮肤接触；

基于大气PM2.5颗粒物中的重金属铅进入人体的途径进行心血管健康风险评估。

进一步地，对采集得到的样品进行预处理，包括：

针对采集后的PM2.5滤膜：取1/4张该滤膜并剪成块状样品，放入装有68％浓硝酸的50mL离心管中，预消解过夜待测；

针对厂区饮用水，抽取8ml，待测；

针对厂区食物，称量50g厂区食物，放入装有68％浓硝酸的50mL离心管中，预消解过夜待测；

针对皮肤擦拭纸，剪取3cm×3cm皮肤擦拭纸，称重后放入装有68％浓硝酸的50mL离心管中，预消解过夜待测；

针对尿液，抽取1ml厂区工人尿液，加入6mL68％浓硝酸和1mL 30％过氧化氢溶液预消解过夜待测。

进一步地，对经过预处理的样品中的重金属铅的含量进行检测，包括：

将经过预处理的样品分别放入聚四氟乙烯消解罐，置于微波消解仪中，微波功率设置为1600W，固体样品升温20min到达180℃后保持15min，降温20min并达到室温后取出；液体样品升温15min到达120℃后保持5min，升温10min到达150℃后保持10min，升温10min到达180℃后保持30min，结束后降温至室温再取出；在160℃赶酸，用水性过滤器过滤后定容到25mL容量瓶；使用ICP-MS对处理好的样品溶液进行重金属铅含量检测。

进一步地，若确定大气PM2.5颗粒物中的重金属铅通过消化道摄入及皮肤接触进入人体，则经过生物有效性分析或按照USEPA提供的健康风险方法进行评估；若确定大气PM2.5颗粒物中的重金属铅通过呼吸道吸入进入人体，则心血管健康风险评估包括：

确定PM2.5滤膜中PM2.5颗粒物的重金属铅形态及含量；

根据PM2.5滤膜中PM2.5颗粒物的重金属铅形态及含量，用行星球磨仪将不同形态的铅标准品研磨至与PM2.5粒径一致后混合，与0.9％生理盐水混合形成重金属铅悬液；

使用重金属铅悬液进行动物暴露实验，获取PM2.5-重金属铅的生物组织积累情况并进行相对生物有效性分析；

依据实验期间动物的心率、脉压差及氧化应激情况计算得到PM2.5中重金属铅不会对人体心血管健康引起不良反应的吸入参考剂量；

依据PM2.5-重金属铅的相对生物有效性分析结果及吸入参考剂量

进一步地，使用X射线衍射仪扫描PM2.5滤膜进行重金属铅的定性分析，并根据样品预处理后PM2.5滤膜中的相关信息进行定量分析，确定PM2.5滤膜中PM2.5颗粒物的重金属铅形态及含量。

进一步地，进行动物暴露试验，获取PM2.5-重金属铅的生物组织积累情况，包括：

建立实验室小鼠动物模型，采用呼吸道吸入暴露的方式，让小鼠吸入PM2.5直径大小的重金属铅悬液获得PM2.5-重金属铅的生物组织积累情况。

进一步地，依据PM2.5-重金属铅的相对生物有效性分析结果及吸入参考剂量进行心血管健康风险评估，包括：

依据PM2.5-重金属铅的生物组织积累情况以及相对生物有效性分析结果计算得到PM2.5中重金属铅在生物体组织内积累的生物有效性比重RBA；

结合PM2.5中重金属铅在生物体组织内积累的生物有效性比重RBA及吸入参考剂量

进一步地，依据PM2.5-重金属铅的生物组织积累情况以及相对生物有效性分析结果计算得到PM2.5中重金属铅在生物体组织内积累的生物有效性比重RBA，公式如下：

其中，Tissue

进一步地，依据实验期间动物的心率、脉压差及氧化应激情况计算得到PM2.5中重金属铅不会对人体心血管健康引起不良反应的吸入参考剂量

其中，NOAEL为无可见有害作用水平，MF为修正因素，UF为不确定因素。

进一步地，结合PM2.5中重金属铅在生物体组织内积累的生物有效性比重RBA及吸入参考剂量

暴露剂量计算，公式如下：

其中，

PM2.5中的重金属铅经呼吸道吸入途径的健康风险计算，包括公式：

其中，HQ

当HQ

与现有技术相比，本方案原理及优点如下：

本方案基于检测得到的重金属铅的含量，通过样品间的相关性分析判断大气PM2.5颗粒物中的重金属铅进入人体的途径，若确定大气PM2.5颗粒物中的重金属铅通过呼吸道吸入进入人体，则建立动物模型进行相对生物有效性分析，对PM2.5-重金属铅经呼吸道吸入途径进入人体的心血管健康风险进行计算，若确定大气PM2.5颗粒物中的重金属铅通过消化道摄入及皮肤接触进入人体，则经过生物有效性分析或按照USEPA提供的健康风险方法进行评估，本方案将PM2.5颗粒物中的重金属铅在生物体内的有效性和心血管损伤评估相结合，从重金属形态和暴露途径的贡献度两个方面降低对健康风险模型的不确定性，为PM2.5中重金属污染相关的标准和法规提供了科学依据。总之，本方案为计算有色金属冶炼场区PM2.5中重金属铅对人体的心血管健康风险评估提供了一种更准确、有效的方法手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的服务作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明面向PM2.5中重金属铅的心血管健康风险评估方法的原理流程图；

图2为对大气PM2.5颗粒物中的重金属铅进入人体的三种途径进行相关性分析的示意图；

图3为PM2.5滤膜的X射线衍射仪(XRD)扫描分析示意图；

图4为PM2.5-重金属铅对人体心血管非致癌健康风险示意图；

图5为大气PM2.5颗粒物中的重金属铅通过呼吸道吸入进入人体时心血管健康风险评估的原理流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本实施例所述的一种面向PM2.5中重金属铅的心血管健康风险评估方法，包括以下步骤：

S1、称量空白PM2.5滤膜的重量；采用中流量采样器采集大气中的PM2.5颗粒物，并称量采集后的PM2.5滤膜重量；记录收集日期、天气情况，同步采集厂区工人的饮用水、食物、皮肤擦拭纸及尿液样品。

S2、对采集得到的样品进行预处理，具体包括：

针对采集后的PM2.5滤膜：取1/4张该滤膜并剪成块状样品，放入装有68％浓硝酸的50mL离心管中，预消解过夜待测；

针对厂区饮用水，抽取8ml，待测；

针对厂区食物，称量50g厂区食物(包括米饭、荤菜、素菜)，放入装有68％浓硝酸的50mL离心管中，预消解过夜待测；

针对皮肤擦拭纸，剪取3cm×3cm皮肤擦拭纸，称重后放入装有68％浓硝酸的50mL离心管中，预消解过夜待测；

针对尿液，抽取1ml厂区工人尿液，加入6mL68％浓硝酸和1mL 30％过氧化氢溶液预消解过夜待测。

S3、对经过预处理的样品中的重金属铅的含量进行检测，具体包括：

将经过预处理的样品分别放入聚四氟乙烯消解罐，置于微波消解仪中，微波功率设置为1600W，固体样品升温20min到达180℃后保持15min，降温20min并达到室温后取出；液体样品升温15min到达120℃后保持5min，升温10min到达150℃后保持10min，升温10min到达180℃后保持30min，结束后降温至室温再取出；在160℃赶酸，用水性过滤器过滤后定容到25mL容量瓶；使用ICP-MS(质谱分析仪)对处理好的样品溶液进行重金属铅含量检测。

S4、基于检测得到的重金属铅的含量，通过样品间的相关性分析判断大气PM2.5颗粒物中的重金属铅进入人体的途径，进入人体的途径包括呼吸道吸入、消化道摄入及皮肤接触；

S5、基于大气PM2.5颗粒物中的重金属铅进入人体的途径进行心血管健康风险评估；

本步骤中，若确定大气PM2.5颗粒物中的重金属铅通过消化道摄入及皮肤接触进入人体，则经过生物有效性分析或按照USEPA提供的健康风险方法进行评估；如图5所示，若确定大气PM2.5颗粒物中的重金属铅通过呼吸道吸入进入人体，则按照如下步骤进行心血管健康风险评估：

1)使用X射线衍射仪扫描PM2.5滤膜进行重金属铅的定性分析，并根据样品预处理后PM2.5滤膜中的相关信息进行定量分析，确定PM2.5滤膜中PM2.5颗粒物的重金属铅形态及含量；

2)根据PM2.5滤膜中PM2.5颗粒物的重金属铅形态及含量，用行星球磨仪将不同形态的铅标准品研磨至与PM2.5粒径一致后混合，与0.9％生理盐水混合形成重金属铅悬液；

3)建立实验室小鼠动物模型，采用呼吸道吸入暴露的方式，让小鼠吸入PM2.5直径大小的重金属铅悬液获得PM2.5-重金属铅的生物组织积累情况进行相对生物有效性(Relative Bioavailability，RBA)分析；

4)依据实验期间动物的心率、脉压差及氧化应激情况计算得到PM2.5中重金属铅不会对人体心血管健康引起不良反应的吸入参考剂量

其中，NOAEL为无可见有害作用水平，MF为修正因素，UF为不确定因素。

5)依据PM2.5-重金属铅的生物组织积累情况以及相对生物有效性分析结果计算得到PM2.5中重金属铅在生物体组织内积累的生物有效性比重RBA，公式如下：

其中，Tissue

6)结合PM2.5中重金属铅在生物体组织内积累的生物有效性比重RBA及吸入参考剂量

暴露剂量计算，公式如下：

其中，

PM2.5中的重金属铅经呼吸道吸入途径的健康风险计算，包括公式：

其中，HQ

当HQ

为证明本发明所述方法的有效性，进行如下仿真实验(以已确定大气PM2.5颗粒物中的重金属铅通过呼吸道吸入进入人体为例)：

收集西北某有色金属冶炼场区的PM2.5颗粒物，获得西北某有色金属冶炼场区PM2.5颗粒物中重金属铅的总含量，如表1所示：

表1某有色金属冶炼场区PM2.5颗粒物中重金属铅的总含量(单位：μg/m

根据本发明提供的一种面向有色金属冶炼场区PM2.5中重金属铅的心血管健康风险评估方法，同步收集西北某有色金属冶炼场区厂区工人的饮用水、食物、皮肤擦拭纸及尿液等样品，对样品进行预处理，获得西北某有色金属冶炼场区饮用水、食物、皮肤擦拭纸及尿中重金属铅的总含量，如表2所示：

表2西北某有色金属冶炼场区皮肤擦拭纸、食物、饮用水及尿液中重金属铅的总含量

根据X射线衍射仪(XRD)扫描PM2.5滤膜进行重金属铅的定性分析，如图3所示。

根据实验室小鼠动物模型，获得PM2.5-重金属铅对心血管系统相关的相对生物有效性(Relative Bioavailability，RBA)，如表3所示：

表3 PM2.5-重金属铅对心血管系统相关的相对生物有效性

根据健康风险评估公式，计算PM2.5-重金属铅对人体心血管非致癌健康风险，如表4和图4所示：

表4 PM2.5-重金属铅对人体心血管非致癌健康风险

由表3可知，PM2.5-Pb在生物体内组织的RBA为心脏＞肾脏＞肝脏＞骨头＞主动脉，组织的平均RBA为50.10％，血液的RBA为70.28％，生物体内RBA参考值可选用二者平均值，为60.19％。由表4可知，PM2.5-重金属铅的非致癌风险HQ

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。