预测砷、镉和铅的生物可利用性，以便对受遗留污染土壤进行区域性管理

《Science of The Total Environment》：Prediction of arsenic, cadmium, and lead bioaccessibility for regional-scale management of legacy-contaminated soils

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  39%的瓦隆地区城郊工业区的表土样本中，砷（As）、镉（Cd）或铅（Pb）的含量超过了规定标准。
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  在223个表土样本中，砷的胃部生物可利用性平均为24%，镉为82%，铅为57%。
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  铁/锰氧化物相控制着砷、镉和铅的生物可利用性。
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  预测模型可以根据总含量估算生物可利用性（误差在4%–8%之间）。
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  分层策略为区域土壤风险管理提供了坚实的基础。

引言

城市和城郊工业区的土壤经常受到潜在有毒元素（PTEs）的污染，这些元素主要来源于过去的工业活动。全球众多研究表明，这些环境中的表土往往含有较高浓度的PTEs（例如，Pereira等人，2012年；Han等人，2020年；Binner等人，2023年；Good等人，2024年；Dodd等人，2024年；Gaber?ek和Gosar，2024年）。这些元素的含量和空间分布差异很大，给大规模的风险评估和管理带来了复杂性（Golia等人，2024年），同时在许多地区仍缺乏足够的数据记录（例如，欧洲城市：Binner等人，2023年）。在PTEs中，砷、镉和铅特别值得关注，因为它们具有致癌性、神经毒性以及对肾脏和心血管系统的慢性影响（Shetty等人，2023年）。根据美国卫生与公共服务部（U.S. Department of Health and Human Services）的ATSDR（有毒物质和疾病登记署）公布的危险物质优先列表（共275种），这些元素分别因毒性、出现频率和人类暴露的可能性而排在第1位、第7位和第2位。在不同暴露途径中，土壤摄入被认为是人类暴露的主要途径（Nieder和Benbi，2022年）。儿童在这种情况下尤为脆弱，因为他们经常接触土壤，并有用手触碰口部的行为，从而导致无意中摄入受污染的颗粒（Rózański等人，2021年；Lekuona-Orkaizagirre等人，2025年）。

因此，评估城市和城郊工业区受PTE污染土壤的健康风险是一个重要的科学和社会问题（Cocerva等人，2024年）。然而，有效管理这些受遗留土壤污染影响的区域仍然具有挑战性。受污染的区域可能非常广泛，大规模的修复很不切实际。因此，必须通过基于风险的方法在现场管理污染（Paltseva等人，2022年；Billmann等人，2025年）。此外，强烈的空间异质性和关于实际能在人体胃肠道中被吸收的PTEs比例的不确定性进一步增加了管理的难度（Billmann等人，2023年；Dodd等人，2024年）。在这种情况下，口腔生物可利用性的概念作为一个关键参数出现，有助于完善人群暴露评估（Li等人，2020年；Cocerva等人，2024年；Billmann等人，2025年）。

要在区域范围内改善砷、镉和铅的污染管理，需要应对几个关键挑战。首先，需要根据元素总含量识别出超过监管阈值的土壤——这一工作尚未完成，Binner等人（2023年）针对欧洲城市土壤指出了这一点。然而，仅仅依赖总含量可能会导致对实际健康风险的严重高估或低估（Vandeuren等人，2023年）。其次，必须量化消化过程中可移动的土壤PTEs的比例，以便更好地估计人类暴露情况，例如儿童在户外玩耍时无意中摄入土壤或通过食用未充分清洗的自家种植的蔬菜（Billmann等人，2023年）。一些作者使用标准化体外方法（如ISO 17924标准下的Unified BARGE Method，UBM）对此进行了研究（例如，Louzon等人，2020年；Rózański等人，2021年；Cocerva等人，2024年；Gaber?ek和Gosar，2024年），但由于分析成本和复杂性，这些测量在区域范围内的应用仍然有限，限制了它们在操作风险评估框架中的整合。第三，必须了解控制PTEs口腔生物可利用性的因素，以便进行推断、预测和放大人类暴露情况。特别是，可以通过如BCR（Community Bureau of Reference）协议等连续提取程序研究PTEs的形态（Rauret等人，1999年），一些作者认为这可以代表环境变化下的潜在可移动部分（Pueyo等人，2008年）。这些方法已被证明能提供有关控制生物可利用性机制的宝贵见解（Waterlot等人，2017年；Huang等人，2023年；Billmann等人，2023年）。

因此，通过口腔生物可利用性理解和表征受PTE污染土壤带来的风险是制定实用污染管理政策和工具的前提，这些政策和工具适用于大范围的空间尺度。这在具有历史工业化的地区尤为重要，因为历史活动留下的扩散污染覆盖了庞大的城市和城郊工业区，仅靠传统的特定地点方法无法解决。这些数据对于改进区域规模的人类健康风险评估模型（Li等人，2024年；Billmann等人，2025年）以及提供特定地点的表征工具都是必要的。这些工具可能包括从常规测量的土壤属性预测生物可利用性，或为土地管理者和当地利益相关者开发空间建模和绘图方法。尽管一些研究已经调查了PTEs的UBM生物可利用性，无论是否使用BCR分馏，但这些研究都是在特定地点进行的，或者基于相对有限的数据集（表5），而在更大空间尺度上开发的少数预测方法（Wragg和Cave，2021年；Xie等人，2024年）仍受限于缺乏可靠的、具有区域代表性的校准数据集。因此，从特定地点的评估转向区域规模的风险管理需要一种结合代表性生物可利用性数据和PTEs分馏的综合方法，以理解和改进区域预测关系。目前仍缺乏这样的方法来支持为具有历史工业化的地区开发区域规模的分层风险评估框架。

为了填补这一空白，我们表征了从瓦隆地区（比利时）的城市和工业区收集的223个表土样本中的砷（As）、镉（Cd）和铅（Pb）的王水（aqua regia）含量及其口腔生物可利用性（UBM方法）。此外，还选择了部分样本（n = 92个）进行化学分馏（BCR协议），以更好地确定控制PTE生物可利用性和潜在可移动部分的过程。我们使用多元统计方法研究控制生物可利用性的因素。此外，我们还基于相应的王水含量、共存元素和BCR分馏结果，开发了土壤PTE生物可利用性的预测模型，旨在为区域规模的风险评估提供实用工具。最后，我们利用这些结果讨论了通过分层风险评估框架改善受遗留污染土壤区域管理的策略。

章节片段

研究区域和土壤采样

研究区域位于瓦隆地区（比利时南部），是在POLLUSOL 2调查（Pereira等人，2012年）框架内选定的，旨在捕捉历史上的城市和城郊工业区土壤污染的区域多样性。调查了七个工业区（图1），根据19世纪和20世纪的主要活动将其划分为两个主要的工业盆地。Colfontaine、La Louvière和Charleroi地区（埃诺省盆地，西部）

土壤特性和王水含量

主要土壤特性见表1。土壤pH值（KCl）变化很大（3.4-7.4），尽管大多数土壤样本的pH值接近中性（第25至75百分位的范围分别为5.8-7.0）。土壤有机碳含量（OrgC）在18至98克/千克之间（第25至95百分位），大多数土壤的有机碳含量相对较高（35-68克/千克，第25至75百分位）。土壤质地主要为壤土，包括沙壤土、壤土和粉壤土。

总（王水）砷、镉和铅含量及土壤背景污染

所研究表土的平均砷含量为14毫克/千克（表1），略高于瓦隆地区农村/未受污染表土的平均含量（12毫克/千克；Ducarme等人，2003年），并且是欧洲农业土壤中位数值（5.7毫克/千克；Reimann等人，2014年）的两倍。王水中的镉含量平均为1.9毫克/千克（表1），大约是瓦隆地区农村/未受污染表土平均镉含量的30倍（0.07毫克/千克；Ducarme等人，2003年）

结论

瓦隆地区受煤炭和冶炼工业影响的城乡郊表土经常表现出超过监管阈值的砷、镉和铅含量，其中223个表土中有39%超过了区域指导值。这些高含量的PTEs来源于人为污染，非铁金属冶炼是主要污染源。在其他受到类似历史工业排放影响的地区，也可能存在类似的污染模式。

CRediT作者贡献声明

Aubry Vandeuren：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，可视化，验证，正式分析，数据管理。Beno?t Pereira：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，可视化，验证，监督，方法论，调查，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。Hugues Titeux：写作 –

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：Philippe Sonnet报告称获得了SPAQuE的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究是在SPAQUE（Société Publique d’Aide à la Qualité de l’Environnement）资助的POLLUSOL 2项目框架内进行的。作者感谢SPAQUE的财政支持。同时感谢Cynthia Rozewicz作为英语母语者对手稿进行了校对。感谢Arnaud Schneider和Anne Iserentant进行的现场工作和实验室分析。

Aubry Vandeuren|Beno?t Pereira|Hugues Titeux|Philippe Sonnet|Pierre Delmelle

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