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基于生物有效性的蔬菜重金屬健康風險精細化評估研究進展

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年11月25日 19:04

劉龍一, 馬嬌陽, 儂代倩, 宗大鵬, 王成塵, 王海波, 楊金木, 向萍. 基于生物有效性的蔬菜重金屬健康風險精細化評估研究進展[J]. 環(huán)境化學. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2023112704

LIU Longyi, MA Jiaoyang, NONG Daiqian, ZONG Dapeng, WANG Chengchen, WANG Haibo, YANG Jinmu, XIANG Ping. Accurate health risk assessment of heavy metals in vegetables based on their bioavailability: A critical review[J]. Environmental Chemistry. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2023112704

Citation:LIU Longyi, MA Jiaoyang, NONG Daiqian, ZONG Dapeng, WANG Chengchen, WANG Haibo, YANG Jinmu, XIANG Ping. Accurate health risk assessment of heavy metals in vegetables based on their bioavailability: A critical review[J]. Environmental Chemistry. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2023112704

基于生物有效性的蔬菜重金屬健康風險精細化評估研究進展

劉龍一1,2, , 馬嬌陽1,2, 儂代倩1,2, 宗大鵬1,2, 王成塵1,2, 王海波3, 楊金木4, 向萍1,2, , 通訊作者:E-mail：ping_xiang@126.com1. 西南林業(yè)大學環(huán)境修復與健康研究院，生態(tài)與環(huán)境學院，昆明，6502242. 云南省環(huán)境污染與食品安全及人體健康創(chuàng)新團隊，昆明，6502243. 通?？h土壤肥料工作站，通海，6531994. 通?？h鄉(xiāng)村振興發(fā)展服務中心，通海，653199 收稿日期: 2023-11-27 錄用日期: 2024-03-18 網(wǎng)絡出版日期: 2024-08-13

摘要: 近年來我國蔬菜重金屬污染問題受到了廣泛關注，目前蔬菜重金屬污染健康風險評估模型主要基于總量和生物可給性進行，可能高估重金屬的健康風險，而以重金屬的生物有效性作為評價基礎能夠進一步精細化健康風險評估. 本文綜述了蔬菜重金屬生物有效性健康風險評估的方法（健康風險評價公式、體內模型、體外模型），同時分析了蔬菜中重金屬生物有效性的影響因素，主要包括礦物質、營養(yǎng)成分、微塑料和食品的加工處理方法，并提出構建以生物有效性為基礎的健康風險評估模型可以實現(xiàn)健康風險精細化評價. 未來，可以將共培養(yǎng)細胞模型應用于重金屬生物有效性研究，添加胰腺等其他器官作為生物有效性的測定終點，并關注重蔬菜中生物有效態(tài)重金屬對不同人群的影響.

English Abstract

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蔬菜是人類飲食中重要的組成部分, 可以提供各種微量元素、維生素、碳水化合物等多種營養(yǎng)物質，能夠預防多種疾病，保證人類的身體健康[1]. 根據(jù)2022年發(fā)布的《中國居民膳食指南（2022）》，人體每天應攝入300 g的蔬菜[2]. 但是蔬菜易吸收重金屬，食用蔬菜是重金屬進入人體的主要途徑之一. 重金屬（類物質）普遍存在于農業(yè)土壤和作物等介質中，對環(huán)境質量、糧食安全和人類健康構成潛在威脅[3]. 目前，全球61個地區(qū)共36種蔬菜受到重金屬污染，其含量超過了不同組織規(guī)定的允許限度[4]. 根據(jù)Chopra等[5]研究，在印度德拉敦市地區(qū)，蔬菜可食用部分的金屬濃度都超過了印度允許的限值. 此外，有研究評估了孟加拉國坦蓋爾區(qū)大米和蔬菜中鉻（Cr）、鎳（Ni）、銅（Cu）、砷（As）、鎘（Cd）和鉛（Pb）的濃度及其可能的人類健康風險，結果表明水稻和蔬菜中Cr、Ni、Cu、As、Cd和Pb的日攝入量（EDI）值均高于最大容許日攝入量（MTDI）；所有金屬的日攝入量（EDI）值均高于最大容許日攝入量（MTDI），其中Ni、Cu、As、Cd和Pb的目標危險系數(shù)（THQ）值超過閾值[6]. 同樣地，我國也面臨嚴重的重金屬污染的問題. Cui等[7]采集了云南省14種不同葉菜的樣本，測定了樣品中的鉛（Pb）、鎘（Cd）、砷（As）和銅（Cu）含量，并使用危害商和危害指數(shù)（HI）計算了對人類健康的風險，所有葉菜的HI值均大于1，表明存在對人類健康的風險.

長期以來，許多研究集中在重金屬積累方面，重金屬的總濃度一直被認為是健康風險評估的重要指標[8]. 目前越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，基于總量進行評估往往被認為會高估其健康風險，而生物可給性被認為能夠進行更準確的健康風險評估. 生物可給性是，污染物或營養(yǎng)物質在腸胃系統(tǒng)中可以溶出至胃或腸道消化液中的部分，即能被人體吸收的相對含量，是物質被生物可能吸收的最大值[9]. 因此，研究者們開發(fā)出許多基于生物可給性健康風險評估方法，例如，生理提取實驗法（Physiologically based extraction test，PBET）、體外胃腸模擬法（In vitro gastrointestinal，IVG）、可溶性生物可給性研究聯(lián)合會方法（Solubility bioaccessibility Research Consortium，SBRC）、德國標準研究院法（Deutsches institut für normung e.V，DIN）等[10]. Tian等[11]收集了云南的224種經(jīng)常食用的蔬菜，測定了蔬菜中重金屬（類）的總含量和生物可給性，蔬菜中Cr、Cd、As、Pb、Cu、Zn、Ni在胃期的生物可及性為0.41%—93.8%. 與總重金屬（類）相比，基于生物可及性的健康風險顯著降低. 有研究發(fā)現(xiàn)，基于蔬菜中重金屬的生物可給性進行健康風險評估，結果顯示目標危險商（THQ）<1無健康風險，但隨后通過進行的毒理學實驗卻發(fā)現(xiàn)，兩種蔬菜腸道食糜處理Caco-2細胞在暴露8 h之后，細胞活力明顯下降[1]. 基于生物可給性的體外胃腸模擬方法雖然在健康風險評估方面可行，但由于缺乏人體胃腸細胞成分，很難模擬胃腸道的實際功能（見圖1）；此外，蔬菜中的重金屬進入消化系統(tǒng)后，并不會完全被小腸吸收，只有一部分能夠通過小腸的黏膜進入人體內部，因此，體外胃腸模擬很難獲得準確的毒理學數(shù)據(jù)，需要進行毒理學驗證[12 ? 13].

有學者提出，將通過胃腸道吸收進入人體內循環(huán)的重金屬含量占重金屬總量的比值定義為生物有效性（bioavailability），能夠更好地對于蔬菜重金屬人體暴露展開健康風險評估[14]. 在這個定義中，生物有效性不僅僅是從腸道吸收，還包括在身體組織中的使用和儲存. 借鑒藥理學的研究策略，基于生物有效性的人體腸道上皮細胞模型（如Caco-2、Caco-2/HT29-MTX和Caco-2/HT29-MTX/Raji B等二維或三維模型）被廣泛用于重金屬污染的研究. 有研究分析了一些典型的高地球化學背景區(qū)干燥野生牛肝菌中As基于總量、生物可給性、生物有效性的日攝入量，發(fā)現(xiàn)基于生物有效性的日攝入量最低[15]. 如表1所示，通過黑牛肝菌消費的總砷（T-EDI）的EDI為50.4 μg·kg?1體重，該值顯著高于糧農組織/世界衛(wèi)生組織基于健康的指導值，然而，As（Bac-EDI、Bac-EDI-c和Bav-EDI-c）的生物可給性（生的和熟的）和生物有效性（熟的）的EDI值低于2.1 μg·kg?1·d-1[15]. EDI評估受As的生物可給性和生物有效性的顯著影響，不存在與食用牛肝菌攝入As相關的健康問題的嚴重風險[15]，基于總量來進行健康風險評估并不準確. 此外，諸多研究報道了蔬菜重金屬污染問題，但是基于生物有效性的研究相對較少，而各種蔬菜之間的重金屬生物有效性是不同的[16]. 本文綜述并總結了現(xiàn)有報道中與蔬菜重金屬生物有效性相關的兩個方面:（1）蔬菜重金屬健康風險評估模型（2）蔬菜中重金屬生物有效性的影響因素；以期為蔬菜的健康風險精細化評估模型建立提供研究思路和參考.

1. 蔬菜重金屬污染健康風險評估方法（Health risk assessment method for heavy metal pollution in vegetables） 1.1. 基于數(shù)學模型的健康風險評價公式

重金屬污染的蔬菜被人體攝入后，會對人體造成嚴重損傷. 通過健康風險評估能夠預測重金屬對人體產(chǎn)生的危害. 健康風險評估是指定量估計特定時期內，化學物質對人體健康會造成的損傷以及導致這種損傷的可能性[17]. 目前在國際上人體健康風險測量方法主要包括致癌風險評價，非致癌風險評價等. 許多研究利用數(shù)學公式推算蔬菜重金屬污染的健康風險，例如Islam等[18]研究孟加拉國廣泛食用的蔬菜中重金屬的健康風險，通過收集蔬菜中重金屬的含量等相關數(shù)據(jù)計算重金屬估計每日日攝入量，對該地區(qū)的蔬菜重金屬污染進行健康風險評價；Cao等[19]通過健康風險指數(shù)（HRI）評估廢水灌溉土壤蔬菜的健康風險. 主要評價公式如表2所示. 表2中公式是進行人體健康風險評估的重要方法，但是通過公式的計算無法對某一污染物進行精確評估；公式中的參數(shù)具有很大的不確定性. 例如研究人員計算某種有毒金屬的每日金屬攝入量（DIM）時，由于有毒金屬沒有相應的推薦日攝食量（RDA），只能通過其他途徑假設它的RDA跟該種有毒金屬的DIM比較；此外研究人員在平均體重（BW），接觸頻率（EF），癌癥斜率因子（CSF）和口服參考劑量（RfD）的選擇上同樣會影響最終風險評估的精確性，因此參數(shù)在很大程度上決定了污染物的風險程度. 蔬菜中的重金屬濃度是人體健康風險評價公式中很重要的參數(shù)，目前人體健康風險評價公式是基于污染物的總量來計算的，即假設污染物100%被人體吸收，但是很多研究表明重金屬進入人體腸道之后無法完全被人體吸收，因此基于總量計算會高重金屬的攝入量，并且要重視參數(shù)的選擇[25].

1.2. 體外胃腸模擬耦合腸道細胞模型的健康風險評價估

總濃度經(jīng)常被用來評估蔬菜中重金屬的健康風險，但可能會高估它們的健康風險，因為并非蔬菜中的所有金屬都可被人類完全吸收，而關于其生物可給性的信息很少[1]. 因此，生物可給金屬已被用于更精確的風險評估. 蔬菜重金屬生物可給性主要采用PBET法和歐洲標準法（UBM，Unified BARGE Method）等方法進行測定. 針對不同體外消化方法，葉菜中不同重金屬的生物可給性如圖2所示. 采用PBET法測定蔬菜重金屬生物可給性在胃期呈現(xiàn)出Cd>As>Cu>Pb>Cr的趨勢，不同種類金屬元素通過同一種體外消化方法測定的生物可給性具有明顯差異. 這種差異可能是由于不同蔬菜品種或者蔬菜中重金屬的濃度造成的. Cr的生物可給性最低，可能是由于金屬價態(tài)的影響導致. 通過不同方法測定同一種重金屬生物可給性也具有明顯差異，例如Cd和As胃期的生物可給性呈現(xiàn)出UBM>SBRC>PBET的趨勢. 這與Zheng等[26]的結果一致. 這是由于利用體外模型進行測定時，UBM和SBRC法的胃pH值較高，因此促進了重金屬的溶解. 用于食物消化的酶不同，也能夠影響重金屬的溶解；這解釋了通過SBRC法測定Pb生物可給性較高的原因. 此外，在胃期重金屬生物可給性普遍高于腸期；但是通過PBET法測定As的腸期的生物可給性比胃期平均高8.2%，這是由于在PBET法中添加檸檬酸和蘋果酸能夠促進As的溶解[26].

圖3是根據(jù)UBM法測定不同類型蔬菜的Cd和As的生物可給性，結果顯示在胃期，葉菜中的As和Cd的生物可給性最高；表明不同類型蔬菜重金屬生物可給性也存在差異. 差異性主要與蔬菜重金屬含量的差異有關，重金屬生物可給性隨著蔬菜中重金屬含量的升高而升高[40]. 此外，有研究表明，不同種類蔬菜內部細胞壁結構存在顯著差異，這可能影響重金屬的生物可給性，例如胡蘿卜的細胞壁比番茄厚并且細胞壁孔隙度更低[41]. 但有研究表明體外胃腸模擬法也存在著缺陷，例如許多體外方法沒有模擬腸上皮的攝取過程[42]. Li等[15]采集云南各地的牛肝菌，測定As的含量并測算出As的攝入量. 如表1所示，根據(jù)牛肝菌中As總濃度測算的攝入量，以及根據(jù)As的生物可給性和生物有效性測算的As攝入量完全不同，呈現(xiàn)總量>生物可給性>生物有效性的趨勢. 基于生物有效性腸道細胞模型是一種新的健康風險評估方法，Caco-2細胞系來源于人類結腸癌，與人體的腸道上皮細胞結構相似，具有腸道細胞的多種功能和特性，是建立腸道細胞模型的良好材料[43]. 重金屬的跨腸細胞轉運是重金屬對人體內臟器官產(chǎn)生毒害的前提，因而腸細胞模型在重金屬生物有效性、吸收轉運和毒性機制研究中受到特別關注[1].

目前，有研究者們采用體外消化和Caco-2細胞相結合的方法進行蔬菜重金屬污染的研究. 例如Ramiro等[44]利用胃腸模擬消化/和Caco-2細胞測定Fe蛋白的積累，確定了5種蔬菜中Fe的生物有效性. 但是Caco-2單細胞模型也存在一定的缺陷，在Caco-2細胞不斷分化的同時，跨細胞的滲透性增加，并且由于Caco-2細胞之間結構緊密細胞旁路通透性比人體腸道低，導致低估腸道對于重金屬的吸收[45]. 最有效地改進方法是利用共培養(yǎng)技術將多種細胞進行聯(lián)合培養(yǎng)；其中值得注意的是Caco-2細胞和HT29/HT29-MTX細胞的共培養(yǎng)模型. HT29屬于人類結腸腺癌細胞系，通過甲氨蝶呤處理，HT29細胞可以分化成自身的亞克隆細胞系HT29-MTX，而HT29-MTX細胞能夠分化可以分泌黏液的杯狀細胞[46]. Vázquez等[47]通過使用Caco-2單培養(yǎng)和Caco-2/HT29-MTX共培養(yǎng)細胞模型，評估了Hg（Ⅱ）和甲基汞的運輸和細胞保留，并且研究了黏液層對于Hg的運輸和在細胞中積累的影響. 結果表明，共培養(yǎng)模型降低了細胞的滲透系數(shù)，因此Hg在細胞中的積累量增加了. 此外，共培養(yǎng)模型與單細胞模型相比提高了細胞旁路的滲透性，Calatayud等[48]使用不同比例的腸上皮模型（Caco-2單培養(yǎng)和Caco-2/HT29-MTX共培養(yǎng)）研究不同形態(tài)的As的腸道吸收特征，結果顯示，與Caco-2單細胞模型相比， As（V）的滲透系數(shù)顯著增加，這是由于共培養(yǎng)模型細胞旁路的滲透性顯著增加的緣故，黏液層能夠阻滯一部分3價As的滲透. 因此共培養(yǎng)細胞模型能夠增加細胞旁路滲透性，分泌粘液層可以阻滯對重金屬的吸收，進一步還原腸道上皮結構. 共培養(yǎng)細胞模型能夠進一步還原腸道上皮的結構，但這只是體內腸道消化吸收系統(tǒng)的簡化培養(yǎng)模型. 研究人員基于剛剛提到的兩種模型，開發(fā)了具有3種細胞類型（Caco-2、HT29- MTX和Raji B細胞）的三重共培養(yǎng)模型. 通過添加淋巴細胞（Raji B細胞），能夠誘導Caco-2細胞分化成M-細胞表型，增強腸道細胞模型的吸收能力；與單一Caco-2細胞模型相比，分化后的M細胞形態(tài)特征發(fā)生變化，例如柱狀形狀發(fā)生改變，界缺失，微絨毛變短等[49, 50]. Araújo等[51]建立Caco-2、HT29-MTX和Raji B細胞的三重共培養(yǎng)模型，并通過實驗證明了在共培養(yǎng)的過程中，三種細胞都能各自保留它們的功能，并誘導M細胞表型分化；因此三重共培養(yǎng)模型是一種比較好的研究生物有效性的體外模型.

盡管單細胞模型存在諸多缺點，但在重金屬生物有效性的研究方面仍然應用十分廣泛. 目前，共培養(yǎng)細胞模型在以蔬菜為介質重金屬生物有效性的研究方面應用較少，人體每天要攝入定量的蔬菜，腸道上皮高度暴露于蔬菜成分，包括一些受污染的蔬菜中的有害物質，因此可以將2D、3D共培養(yǎng)腸道細胞應用于蔬菜重金屬生物有效性的研究方向. 近幾年來，越來越多的研究開始應用腸道類器官作為體外模型，類器官是指:器官特異性細胞的集合，這些細胞從干細胞或器官祖細胞發(fā)育而來，并能以與體內相似的方式經(jīng)細胞分序（cell sorting out）和空間限制性的系別分化而實現(xiàn)自我組建[52]. 人小腸類器官主要分為兩種類型，一種是以多能干細胞（PSCs）分化產(chǎn)生的人類腸道類器官（human intestinal organoids），簡稱hIOs；另外一種是由腸道隱窩干細胞分化產(chǎn)生的人腸道類腸（human intestinal enteroids），簡稱HIE.與2D模型相比，類器官模型擁有多種類型細胞，例如腸細胞、杯狀細胞、多能干細胞、潘氏細胞. 此外，類器官包含了腸道的多種功能，例如吸收和分泌活性；同時還能模擬腸道的損傷修復和穩(wěn)態(tài)恢復的能力[52 ? 53]. 盡管如此，腸道類器官還存在一些缺陷，例如類器官只包含了腸道上皮細胞的類型. 但是，作為一種新型的體外模型，腸道類器官在重金屬暴露，生物有效性方面的研究還處于起始階段，因此具有很大的發(fā)展前景.

1.3. 基于生物有效性的動物模型健康風險評估

重金屬生物有效性是評估人類攝入蔬菜后，接觸重金屬情況的最有效方法之一. 但是由于直接以人體為實驗對象具有諸多問題，因此促進了動物模型的發(fā)展. 目前主要的動物模型包括:豬、小鼠、兔、靈長類動物等[20]. 例如Roberts等[54]利用食蟹猴測定土壤中As的生物有效性，并證明了猴子可以作為動物模型進行生物有效性的研究；但是由于花費高以及倫理問題等因素，猴子目前并不是使用最為廣泛的動物模型[55 ? 56]. 目前，重金屬的生物有效性的研究已經(jīng)擴展到食品基質，如蔬菜等；Juhasz等[57]利用豬作為動物模型選取4種蔬菜評估 As在蔬菜中的生物有效性； Wang等[8]利用小鼠評估了14種蔬菜中Cd的相對生物有效性；因此，動物模型在蔬菜重金屬生物有效性相關研究中十分重要. 在研究蔬菜基質的過程中，豬和小鼠成為使用最為廣泛的動物模型. 豬和人類幼兒在胃腸道的生理結構，以及形態(tài)上的相似性，因此豬是目前研究重金屬生物有效性最具吸引力的動物模型之一. 豬的體型龐大在測定過程中可以反復抽血，但是抽血過程中需要具有專業(yè)的知識和技能；此外豬的生長周期較長，飼養(yǎng)的成本較高，并不能完全替代其他動物模型[58].

小鼠作為動物模型在科學研究中的用途廣泛. 在醫(yī)學中可以作為藥物識別，與豬相比，小鼠兼具成本效益和易于操作等優(yōu)點，同時適合大量培育，適合大樣本實驗[59]. 此外，有研究報道，雖然小鼠與人類之間的血統(tǒng)相隔較遠，但是有85%以上的基因組序列在小鼠和人類之間是保守的，并且小鼠和人類的腸道在生理特征方面有許多的相似之處[60, 61]. 有研究表明，可以通過改變小鼠的飲食成分和基因表現(xiàn)性來確定生物變異對于胃腸道對于重金屬吸收的影響[62]. 因此小鼠是目前進行蔬菜重金屬生物有效性研究最合適的動物模型之一. 但是，與豬相比，小鼠的體型較小也不適合進行重復抽血，需要多只小鼠在不同時間間隔進行. 目前動物模型進行實驗主要采用以下四種暴露方法:單次灌胃法（SGD）、重復灌胃法（RGD）、日常重復喂養(yǎng)（DRF）以及自由獲取食物（FAD），此外動物模型生物有效性的終點以血液和肝臟、腎臟等器官為主. 然而由于生理上的差異，動物與人吸收重金屬的能力不同. 與人類的胃腸道相比，其代謝和大小具有很大差異. 例如小鼠在重金屬吸收后產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物會與人體有很大不同[61]. 將暴露于試驗材料后動物組織或尿液中的金屬積累與可溶性參考物（如砷酸鈉（NaH2AsO4）、乙酸鉛（Pb（AC）2）和氯化鎘（CdCl2））的金屬積累進行比較，在這種情況下，可以在很大程度上減少動物和人類之間在金屬吸收方面的差異，這種方法被稱為相對生物有效性（RBA）. 因此使用動物生物測定法測量的金屬RBA可用于人類健康風險評估[63 ? 65].

盡管豬和小鼠已經(jīng)成為使用最為廣泛的動物模型，但是兩種動物之間生物有效性存在著較大的差異. 有研究表明豬的重金屬RBA要高于小鼠，這主要是由于豬和小鼠在腸道結構以及大小方面的差異[58, 66]. 并且動物模型存在成本高，提取暴露困難等缺點，因此動物模型在蔬菜重金屬生物有效性的研究和測定方面還存在一定的缺陷. 基于此，在今后的研究中應當對不同動物模型的生物有效性進行對比，同時進一步完善重金屬生物有效性健康風險評估的方法.

2. 蔬菜重金屬人體生物有效性的影響因素（Influencing factors of human bioavailability of heavy metals in vegetables）

眾所周知，蔬菜具有富集重金屬的能力，因此蔬菜是重金屬通過口服進入人體的重要基質. 此外蔬菜中含有多種物質能夠影響重金屬的生物有效性，包括礦物質、植酸，抗壞血酸等物質，除了蔬菜本身以外，對蔬菜食品的加工也能夠影響重金屬的生物有效性（圖4）.

2.1. 礦物質

蔬菜中含有多種礦物質，不同的礦物質會影響重金屬的生物有效性. Li等[16]采用9種不同食物基質飼養(yǎng)小鼠通過禁食和飼喂狀態(tài)下，測定3種污染的土壤中Pb的RBA，結果表明禁食狀態(tài)下Pb-RBA總體高于飼喂狀態(tài)下的Pb-RBA，此外，9種不同食物中的Pb-RBA也不相同，礦物質含量高的小鼠飼料的Pb-RBA最低，這說明食物中的成分能夠影響重金屬的生物有效性，并且礦物質能夠減少腸道對Pb的吸收，值得注意的是，白菜中的礦物質含量高于小鼠飼糧，但是白菜的Pb-RBA高于小鼠飼糧. 這可能是由于白菜中的有機酸抑制了Pb與礦物質的共沉淀從而促進了腸道對Pb的吸收. Wang等[8]使用小鼠測定了14種蔬菜中Cd的RBA，結果顯示白菜的Cd-RBA顯著低于菠菜和莧菜，在增加了Ca的葉面施用后發(fā)現(xiàn)水菠菜的Cd-RBA降低. Fu等[67]也證明了Ca和Fe能夠抑制腸道對蔬菜中Pb和Cd的吸收. Clemente等[68]將As（Ⅲ）和As（Ⅴ）的標準溶液和食品樣品添加到NCM460和HT-29MTX細胞培養(yǎng)物中，發(fā)現(xiàn)在暴露于各種膳食復合物后，F(xiàn)e2+將As（Ⅲ）和As（Ⅴ）的滲透系數(shù)分別減少了54%和30%左右，降低了As的生物有效性，這可能是由于Fe與As形成不溶性鹽，減少了As的吸收. 被重金屬污染的蔬菜被人體攝入經(jīng)過胃腸的消化分解，蔬菜內部的礦物質和有毒金屬一同被腸道吸收，在這個過程中可能產(chǎn)生拮抗作用. 早期研究表明，腸道中DMT1介導Pb和Fe2+的轉運（圖5）；因此Fe2+與Pb在轉運過程中產(chǎn)生拮抗作用；DMT1蛋白基因的3`端非翻譯區(qū)存在鐵反應元件（IRE）能夠與鐵調節(jié)蛋白結合，當細胞中Fe的水平增加時，IRE會失去活性；因此Fe可以調節(jié)DMT1的表達抑制Pb吸收[69, 70]. 此外，Zn也可以抑制Pb的吸收；金屬硫蛋白（MT）富含半胱氨酸，參與重金屬的運輸調節(jié)，Zn和Pb通過胃腸道中MT的半胱氨酸的結合位點產(chǎn)生競爭；進而影響Pb的生物有效性[71, 72]. 有研究報道DMT1功能失調的小鼠仍然能吸收Cd，這表明Cd能夠通過多種途徑被腸道吸收；Cd能夠通過鈣（Ca）的轉運蛋白CaT1以及CaV3.1 （α1G） t型Ca通道被腸道吸收，因此Ca和Cd能夠產(chǎn)生拮抗作用；缺Ca能夠增加CaT1在腸道中的表達，并且CaT1參與了在缺Ca的情況下腸道對Cd的吸收，增加了Cd在肝臟和腎臟的積累[73 ? 76]. 因此人體礦物質均衡度是影響腸道對有毒金屬的吸收的重要因素. 蔬菜中的礦物質不僅能夠影響腸道對有毒金屬的吸收，各種礦物質成分之間也能夠相互作用影響微量金屬的生物有效性. 例如，Ca和Zn都可以對Fe的吸收產(chǎn)生影響；有研究表明，Zn能夠促進腸道對Fe的吸收，金屬轉錄因子1 （MTF-1）被證明是鐵轉運蛋白（FPN1）的轉錄因子，細胞中Zn的濃度上升能夠誘導MTF-1進入細胞核，與FPN1啟動子的結合來促進FPN1的轉錄[77]. 而Ca是Fe吸收的抑制劑，但有證據(jù)表明Ca的抑制時間較短；雖然Ca對于Fe轉運體DMT1沒有親和力，但Ca能夠對腸細胞中DMT1介導的鐵轉運產(chǎn)生非競爭性抑制作用，并且是依靠胞外作用實現(xiàn)的；但目前Ca對Fe吸收的抑制作用的機制尚不清楚，還需要進一步的研究來具體闡明[78 ? 80]. 此外，Ca對Zn的吸收也有影響；Bertinato等[81]通過喂養(yǎng)大鼠含有不同含量的Ca、Zn、植酸（PA）的日糧評估了Zn的生物有效性，結果表明高濃度的Ca和PA能夠大幅降低Zn的生物有效性，測定[PA]/[Zn]和[PA×Ca]/[Zn]摩爾比分別為22-75和0.9-14.9 moL·kg?1，并進一步確定當PA/Zn的摩爾比確定的前提下，Ca依靠濃度依賴性影響Zn的生物有效性. 因為Ca能與Zn、PA形成共沉淀復合物，這種復合物比單一離子與PA形成的復合物更難溶解[82]. 總的來說，微量元素的相互作用說明微量元素缺乏往往不會單獨發(fā)生，而是數(shù)種元素缺乏并存[83].

2.2. 膳食成分

蔬菜中有纖維素、多酚、有機酸、植酸、膳食纖維等多種膳食成分，不同的膳食成分對重金屬和礦物質的影響是不同的. 有機酸在蔬菜水果中廣泛分布，常見的蔬菜中的有機酸有草酸、抗壞血酸等. 在人體內部，被腸道吸收的Fe主要分為兩種類型，血紅素鐵和非血紅素鐵，后者是蔬菜水果以及谷類中主要存在的形式；抗壞血酸是非血紅素鐵吸收的有效促進劑，不僅有利于Fe的溶解，它還可以作為能夠將非血紅素鐵還原為亞鐵的十二指腸細胞色素的電子供體；此外抗壞血酸能夠防止多酚和植酸鹽對非血紅素鐵吸收的抑制作用[84, 85]. 而草酸主要存在于菠菜、莧菜、甜菜、馬齒莧等植物中. 早期的研究報道，測定菠菜中鎂（Mg）的生物有效性要低于羽衣甘藍，這是由于菠菜中草酸的含量高于羽衣甘藍，而這兩種蔬菜中的其他成分不太可能影響Mg的吸收，因此，極有可能是由于可溶性草酸與鎂形成復合物，減少了鎂的吸收[86]. 眾所周知，植酸鹽作為一種抗營養(yǎng)素，高度帶負電離子在很廣的pH值范圍內，可以和Fe2+、Zn2+、Ca2+和Mg2+等二價陽離子產(chǎn)生靜電作用形成難溶性的復合物，從而顯著抑制這些礦物質的吸收；而這些復合物的溶解度取決于礦物質與植酸鹽的摩爾比，人體礦物質和植酸鹽攝入的多少[87 ? 89].

蔬菜中的膳食成分還能夠通過作用于礦物質間接影響有毒金屬的生物有效性. 例如，蔬菜中有機酸可能抑制Fe與Pb的共沉淀，增加Pb的生物有效性；同樣地，植酸鹽在腸道中可以抑制Ca的活性，形成不能溶解的植酸鈣，減少Ca與Cd的拮抗作用，增強Cd的生物有效性[8, 16]. 除了有機酸和植酸鹽以外，多酚也是重要的膳食成分. Xia等[90]通過體外消化/Caco-2細胞模型測定了大米、牛奶、番茄、大蒜、蘋果、海帶和豬肉等7種食物基質中Pb的生物有效性，發(fā)現(xiàn)Pb在7種食品基質中的平均生物有效性介于0.60%和6.33%之間，蘋果組的生物有效性是最低的，這是由于蘋果中的多酚能夠降低Pb的生物有效性. Clemente等[68]發(fā)現(xiàn)西藍花及其所含膳食成分半胱氨酸能夠減少As（Ⅲ）和As（Ⅴ）的生物有效性. 此外，有研究報道，As可能與蔬菜中的多糖形成不可消化的復合物，或者溶解的As被分配到多糖上從而減少As的生物有效性；雖然目前沒有相關證據(jù)表明，多糖是否能夠對As的吸收產(chǎn)生影響，但是已經(jīng)有研究證明果糖經(jīng)磷酸化之后能夠增加Caco-2細胞對Fe的吸收[44, 57].

2.3. 蔬菜加工處理

蔬菜攝入是重金屬暴露的有效途徑. 人們在攝入蔬菜之前，一般會將蔬菜的可食用部分經(jīng)過加工處理，例如用水清洗，蒸、煮、炒等；另外在烹飪過程中適當加入一些調味品，因此不同的加工處理方法可能會影響蔬菜中重金屬的生物有效性. 傳統(tǒng)意義上煮、蒸、炒等烹飪方式能夠顯著減少蔬菜中單寧和植酸的含量；而有證據(jù)表明單寧和植酸等的含量減少能夠提升重金屬的生物有效性，在非洲地區(qū)傳統(tǒng)的蔬菜保存方法（煮沸-曬干，鹽漬化-曬干）也能夠降低植酸、單寧、草酸等抗營養(yǎng)因子的含量，這是由于煮沸能夠破壞細胞壁導致抗營養(yǎng)因子被釋放，植酸和單寧等物質具有水溶性，從而導致含量減少[91 ? 93]. Pelfrenede等[40]采用UBM法測定并評估烹飪對蔬菜中Cd的生物可給性的影響，結果表明蒸煮能夠提高豆莢、胡蘿卜和韭菜中Cd的生物可給性，而油炸降低了馬鈴薯中Cd的生物可給性. Fu等[67]采用體外消化/Caco-2細胞模型的方法測定煮熟的和未經(jīng)過處理的菠菜和小白菜中Pb和Cd的生物有效性，結果顯示生的小白菜和菠菜的重金屬的生物有效性為11.2%和9.4%，煮熟之后重金屬的生物有效性為6.1%和3.2%；此外，蔬菜中添加醋酸增強了Pb和Cd的生物可給性，但是降低了生物有效性，這可能是因為乙酸和重金屬形成了不易被腸道細胞吸收的復合物. 因此，以未經(jīng)處理的生蔬菜中重金屬的生物可給性和生物有效性的值作為健康風險評估的參考或許不準確，蔬菜食品一般需要進行加工處理才會被人體攝入.

2.4. 微塑料

目前，每年世界上能夠產(chǎn)生大量的不可回收不可降解的廢棄塑料；因此廢棄塑料在環(huán)境中大量積累；微塑料（塑料<5 mm）存在于自然界的各個角落，已經(jīng)成為環(huán)境和人類健康重大威脅[94]. 此外，有證據(jù)表明，已經(jīng)在蔬菜和水果中檢測到MPs；但是蔬菜對MPs的吸收轉運機制目前仍不清楚[95]. Canha等[96]比較了里斯本城市花園種植的生菜與農村地區(qū)種植的生菜以及超市購買的樣品中MPs的含量. 在所有洗滌過的葉片中都檢測到微塑料，平均含量在（6.3±6.2）MPs·g-1至（29.4±18.2 ）MPs·g-1之間. 除了在食物中積累，在日常飲食過程中，一些食物容器是用塑料制成的，例如外賣餐盒，Cui等[97]調查146個外賣餐盒發(fā)現(xiàn)每周點1—2次外賣的人可能會消耗大約170—638種微塑料. 此外利用微波爐加熱塑料的食物容器產(chǎn)生蒸汽等等都可能是人體口服攝入MPs的途徑. 有研究發(fā)現(xiàn)，MPs被人體攝入以后，對腸道產(chǎn)生許多顯著影響；例如Chen等[98]研究小鼠攝入2 μm聚氯乙烯（PVC） MPs后，腸道功能受到顯著影響，微生物結構紊亂，引發(fā)腸道炎癥和腸道功能的紊亂；研究發(fā)現(xiàn)PVC-MPs能夠減少腸道粘液相關基因Muc1、Muc2、Muc3、Klf4、Retnlb表達；此外，PVC-MPs可能通過改變腸道中某些微生物的豐度從而影響腸道代謝，這些結果表明微塑料能夠破壞腸道黏膜的完整性，增加腸道的通透性，這與Jin等[99]的結果一致；因此微塑料有可能通過破壞腸道黏膜提高重金屬生物有效性. 但Chen等[94]發(fā)現(xiàn)，暴露于聚乙烯球（PE-30和PE-200）兩種微塑料的小鼠模型，減少了腸道對Ca、Cu、Zn、Mn和Mg的吸收；研究發(fā)現(xiàn)，暴露于200 μg·g?1濃度PE-200的小鼠的十二指腸中的緊密連接蛋白的相關基因（claudin 4, occludin, ZonaOccludins 1 （ZO-1）, and cingulin）的mRNA顯著上調；這可能是由于PE-200的粒徑較大（200μm）進入腸道后造成機械性損傷引起腸道負反饋機制修復，從而使腸道細胞鏈接更緊密；因此微塑料粒徑大小可能對腸道吸收產(chǎn)生不同的影響. 此外，他們還發(fā)現(xiàn)微塑料對As的生物有效性也有重要的影響，但目前對于影響機制尚不清楚；微塑料能夠上調部分腸道代謝物，這些代謝物可能增加Fe的生物有效性，減少Fe和As的共沉淀[94, 100]. 目前關于微塑料對重金屬生物有效性影響的研究還相對較少，關于微塑料與重金屬的相關機制還需要進一步探索.

2.5. 不同研究方法、模型的影響

體外模型是目前測定重金屬生物有效性最主要的方式之一，相較于動物模型，體外模型操作簡便，成本低. 目前體外模型測定生物有效性的方法眾多，包括胃腸模擬法和腸道細胞模型. 體外胃腸模擬主要測定重金屬的生物可給性，包括PBET、SBET、DIN、UMB、IVG等方法，在測定的過程中，重金屬的生物可給性受到多種因素的影響:pH值、消化酶類型、胃腸相添加的不同成分等；因此選擇不同方法測定重金屬的生物可給性和生物有效性存在一定差異. 在人體腸道細胞模型中，Caco-2細胞被廣泛用于測定重金屬生物有效性；但是早期研究表明Caco-2細胞與人體十二指腸的基因表達差異明顯，并且基因表達差異與藥物滲透性差異一致. 此外，Vázque等[47]利用多種腸道細胞模型（Caco-2單一培養(yǎng)和Caco-2/HT29-MTX不同比例共培養(yǎng)）測定Hg的生物有效性，結果發(fā)現(xiàn)HT29-MTX分泌的黏液層能夠顯著減少Hg的系數(shù). 因此，各種體外模型方法測定生物有效性和生物可給性存在顯著差異.

目前，關于蔬菜中重金屬的生物有效性的研究相對較少，因此，蔬菜中營養(yǎng)成分影響重金屬生物有效性的具體機制還有待進一步研究. 例如，在礦物質中Ca影響Fe的生物有效性，但是具體機制尚不清楚；同樣地，蔬菜中的多酚類物質能夠降低Pb的生物有效性，但同樣缺乏相關證據(jù)表明多酚如何降低Pb的生物有效性. 當前關于食品加工尤其是烹飪對蔬菜中重金屬的生物有效性的影響的研究較少，在以后的研究中可以考慮食品加工的因素，這有利于進行精確化的健康風險評估. 此外，微塑料與食品加工和蔬菜中重金屬的生物有效性有著緊密的聯(lián)系；應進一步加強微塑料影響腸道微生物豐度的具體機制和對食物基質中Pb、Cd等重金屬的生物有效性的影響的研究.

3. 結論與展望（Conclusions and prospects）

目前蔬菜重金屬健康風險主要基于總量和生物可給性，這可能高估重金屬的健康風險，生物有效性是蔬菜重金屬健康風險精確化評估的重要手段. 本綜述從蔬菜重金屬污染現(xiàn)狀、健康風險評估方法、影響蔬菜中重金屬生物有效性的影響因素方面討論了目前蔬菜重金屬生物有效性研究的進展，為蔬菜重金屬精確化健康風險評估提供理論依據(jù). a）目前健康風險評價公式的參數(shù)主要基于總量，并且參數(shù)的選擇有很大的不確定性； b）在測定生物有效性的過程中，體內模型主要采用豬和小鼠進行研究；但是兩種模型都存在的一定的缺陷. 使用動物生物測定法測量的金屬RBA可以在很大程度上減少動物和人類之間在金屬吸收方面的差異，可用于人類健康風險評估. c）體外模型與體內模型相比存在簡單、快速、經(jīng)濟、有效等方面的優(yōu)點. 針對重金屬生物有效性的研究主要是采用Caco-2腸道細胞模型和體外消化相結合的方法. 由于Caco-2細胞單培養(yǎng)模型無法模擬腸道消化吸收的真實情況，因此研究者們陸續(xù)開發(fā)了共培養(yǎng)細胞模型和三重共培養(yǎng)細胞模型. d）蔬菜中的礦物質、營養(yǎng)成分、以及對蔬菜食品加工處理和微塑料都可以影響到重金屬的生物有效性，并且不同的體外消化方法測定的重金屬的生物可給性和生物有效性是不同的.

準確評估蔬菜中重金屬的生物有效性仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，對未來蔬菜重金屬生物有效性研究提出幾點建議:

（1）體內動物模型測定應該對不同種動物之間的重金屬生物有效性進行對比，此外重金屬生物有效性測定終點應添加胰腺等其他器官作為生物有效性的測定終點.

（2）目前共培養(yǎng)細胞模型和三重共培養(yǎng)細胞模型在重金屬生物有效性研究方面應用較少. 而類器官作為一種新型的體外模型腸道重金屬暴露，生物有效性方面的研究還處于起始階段，因此在腸道類器官作為體外模型具有很大的發(fā)展前景.

（3）重金屬對人體的健康風險評估的研究主要集中于健康人群，但是缺乏對疾病人群的研究. 非酒精性脂肪肝（NAFLD）是指>5%的肝細胞變性無纖維化和肝細胞損傷. 已有證據(jù)表明脂肪肝患病人群腸道通透性提高，因此未來對重金屬生物有效性的研究應該關注對疾病人群的影響.

參考文獻 (100)

網(wǎng)址: 基于生物有效性的蔬菜重金屬健康風險精細化評估研究進展 http://www.u1s5d6.cn/newsview88934.html