利用生物基纳米复合材料降低水稻中砷（As）和镉（Cd）的生物可及性及后续膳食毒性：来自人细胞系（Caco-2/HL-7702）模型的见解

《Environmental Science: Advances》：Reduction of As and Cd bioaccessibility and subsequent dietary toxicity in rice using a bio-based nanocomposite: insights from human cell line (Caco-2/HL-7702) modelsOpen Access

　　

砷（As）和镉（Cd）属于有毒金属（类）金属，由于通过消费受污染食品导致的膳食暴露和细胞毒性而引起健康关注。因此，本研究聚焦于水稻中As和Cd的复合污染、其生物可及性以及使用体外辅助人细胞系（Caco-2/HL-7702）模型评估的后续细胞毒性。研究人员使用生物炭负载纳米零价铁（BC-nZVI）固定As和Cd，以解耦其沿土壤–植物–人类途径的转运机制。在最高复合污染水平下，稻谷中As和Cd累积量分别达到7.11和2.99 mg kg^?1，而3% BC-nZVI改良剂量显著（p < 0.05）将其分别降低至1.13和0.99 mg kg^?1。As和Cd的最大生物可及性降低分别达到27.54%和20.09%。金属生物有效性（Caco-2）也显著降低，从T3处理下的4.75 ± 0.11 μg As和2.03 ± 0.05 μg Cd降至3% BC-nZVI纳米复合材料处理后的0.10 ± 0.02 μg As和0.01 ± 0.005 μg Cd。毒性测定（LDH/MTT）显示了剂量依赖性细胞毒性，透射电子显微镜（TEM）显微照片进一步证实了核膜损伤、线粒体肿胀和细胞膜损伤。BC-nZVI施用后观察到细胞毒性显著降低。因此，系统的污染监测和优化的土壤改良对于减少膳食暴露至关重要，可确保可持续农业以促进食品安全。

农业土壤重金属污染已成为全球性重大环境问题，对食品安全和人类健康构成严重威胁。砷（As）和镉（Cd）因其在食物链中的高效传递和高度毒性而备受关注。水稻作为全球超过半数人口的主粮，是膳食As和Cd暴露的关键途径。然而，传统修复策略仅关注土壤重金属削减，未将其与人体健康效应关联，导致土壤–植物–人类传递链的认识存在显著空白。生物炭虽广泛用于重金属修复，但其在As和Cd复合污染稻田中效果不确定——生物炭提高pH可能增加As移动性。因此，研究人员开发了生物炭负载纳米零价铁（BC-nZVI）纳米复合材料，并结合体外消化与人细胞系（Caco-2/HL-7702）模型，系统评估其对As和Cd共污染的修复效果及人体健康风险。该论文发表在《Environmental Science: Advances》。

研究人员以甘蔗滤泥为原料热解制备生物炭，通过液相还原法合成BC-nZVI，利用SEM-EDS、FT-IR和XRD表征。采用两阶段盆栽试验：第一阶段筛选As（25–100 ppm）和Cd（3–10 ppm）共污染毒性水平；第二阶段在T2和T3水平上施用1%和3%（w/w）BC-nZVI。使用ICP-MS测定总As、Cd和必需金属含量。采用模拟人体胃肠道体外消化法测定生物可及性，以Caco-2细胞模型评估生物有效性，以HL-7702细胞模型通过LDH释放、MTT比色法和TEM评估细胞毒性。

研究结果如下。3.1 BC-nZVI纳米复合材料的表征：SEM显示致密多孔表面和球形纳米铁结构，EDS证实Fe元素存在；FT-IR检测到C–H、C≡O、Fe–O及多酚官能团；XRD图谱出现Fe⁰特征衍射峰（2θ≈44°和65°），并检测到生物炭石墨碳和铁氧化物（α-Fe₂O₃、Fe₃O₄）峰，证实复合材料成功合成。3.2 土壤理化性质：不同处理间土壤pH、阳离子交换量、有机质、全铁、电导率和氮磷钾含量存在显著差异，影响水稻对As和Cd的累积。3.3 土壤–水稻系统中的金属分布：BC-nZVI施用后Fe、Mg、P、Zn、Ca等必需金属浓度显著增加，As和Cd浓度显著降低，归因于生物炭表面官能团络合、nZVI氧化生成铁（氢）氧化物对As的内层络合固定以及对Cd的表面吸附–沉淀等多重协同机制。3.4 生物量/水稻产量：As和Cd共污染使水稻干重从251 g/盆降至220 g/盆，BC-nZVI改良后恢复至244–254 g/盆。3.4.1 土壤性质与水稻生物量的相关性：土壤理化性质与水稻产量呈显著正相关，最高相关系数达0.98。3.5 水稻中As和Cd的累积：累积顺序为根>茎>籽粒；T3水平下籽粒As和Cd分别达7.11和2.99 mg kg^?1，3% BC-nZVI施用后分别降至1.13和0.99 mg kg^?1，固定效率最高。3.6 水稻中As和Cd的生物可及性：未改良处理中As和Cd生物可及性分别为38.46%–90.98%和26.38%–77.13%；3% BC-nZVI施用后分别降至27.54%和20.09%，减幅最大。3.7 生物有效性与细胞毒性：3.7.1 水稻中As和Cd的生物有效性——Caco-2模型显示T3处理下As和Cd细胞摄取率分别达89.65%和99.55%；3% BC-nZVI处理后As转运量降至0.01 μg，Cd转运量降至0.002 μg，细胞摄取率分别降至43.83%和28.66%。3.7.2 As和Cd对细胞毒性测定的影响——LDH测定显示T3处理下LDH释放达100%，3% BC-nZVI施用后降至50.8%，膜完整性恢复约50%；MTT测定显示最高共污染水平下细胞活力降至50%以下，3% BC-nZVI处理后恢复至接近100%；TEM分析显示共污染导致核膜损伤、线粒体肿胀和细胞膜破坏，BC-nZVI处理后细胞超微结构显著恢复，3%剂量效果最佳。

讨论部分指出，BC-nZVI通过多重协同机制实现As和Cd同步固定：As在碱性pH下移动性增强，但nZVI氧化产生局部酸性微环境并生成铁（氢）氧化物，通过内层络合和配体交换固定As；Cd则主要通过生物炭表面含氧官能团的静电吸引和表面络合以及pH升高诱导的沉淀作用被固定，两种金属经互补途径而非竞争方式被同步固定。研究结论表明，3%（w/w）BC-nZVI施用显著降低了水稻中As和Cd的生物可及性、生物有效性和人细胞系（Caco-2/HL-7702）中的细胞毒性；LDH/MTT毒性测定证实了剂量依赖性细胞毒性及改良处理的保护效应；TEM超微结构分析证实了线粒体和核完整性的恢复。该研究通过废弃物资源化、纳米技术和吸附科学的结合，不仅减少了作物对金属的吸收，还切断了土壤–植物–人类传递链，为食品安全保障和可持续农业发展提供了重要科学依据，与联合国可持续发展目标SDG 3和SDG 15相契合。