镉是我国土壤污染的首位污染物,易通过土壤向农作物转移,在大米、小麦、蔬菜等农产品中积累,造成食品镉污染事件,引发公众对食品安全的极大关注。然而,以往研究多关注土壤-农作物体系中镉在土壤中的迁移转化及镉在农产品的积累量,对农作物-人体体系中镉的人体生物有效性的研究仍十分匮乏,影响了对食品中镉人体健康危害的精准评价及调控措施的研发。同时,因为缺乏匹配的食品暴露和人体尿液样品,很少有研究揭示二者之间的相关关系。此外,研究表明人体对镉的吸收受到营养元素如锌、铁、钙摄入水平的影响。然而,目前不同营养元素摄入水平对于食品特别是大米中镉的生物有效性的影响机制仍不清楚。因此,本研究首先从某镉单一污染区采集当地生产的食品(大米、小麦和蔬菜)和居民尿液样品,开展小鼠动物活体实验,测定了食品中镉的相对生物有效性;构建了基于食品中镉的生物有效性的膳食镉暴露评估模型,探究了膳食镉摄入量和人体尿镉之间的关联。其次,开展小鼠实验,揭示了营养元素如锌、铁、钙摄入对镉污染大米中镉的人体生物有效性的调控机制,为有效降低镉的健康危害及潜在风险提供了重要理论依据和技术支持。此外,本研究还以湖南砷、镉和铅复合污染区大米和室内灰尘为研究对象,耦合小鼠动物实验和铅稳定同位素示踪技术,进一步探究了复合污染区大米中的砷、镉、铅的相对生物有效性,基于生物有效性对比了饮食暴露(大米摄入)和非饮食暴露(室内灰尘摄入)两种途径对人体重金属暴露的贡献比例,解析了重金属污染区人体砷、镉和铅暴露的主要来源。主要研究结果如下:1.单一镉污染区当地种植大米、小麦和蔬菜存在不同程度的镉污染,主要是因为灌溉了镉污染的河水导致的。基于小鼠活体实验,测定了大米中镉的相对生物有效性为17-57%,与大米镉浓度之间存在显著正相关关系。小麦中镉的相对生物有效性为37-68%,不同蔬菜(土豆、西葫芦、豆角、萝卜、丝瓜、秋葵、茄子、南瓜藤、芋头、苋菜、菠菜、小白菜、韭菜)中镉的相对生物有效性为18-78%。通过计算饮食和非饮食途径对人体镉暴露的贡献率,发现大米摄入对镉暴露的贡献率最高,达71%,其次为小麦和蔬菜(19.9%和8.41%),而非饮食暴露途径对镉暴露的贡献率只有0.55%,表明大米摄入是当地居民镉暴露的最主要途径,突出了大米中镉的生物有效性在人体健康风险评价中的重要性。2.单一镉污染区人群(n=119)尿液中镉的浓度为0.2-5.41μg g-1肌酐,平均值为1.20 μgg-1肌酐。其中,女性尿镉浓度(平均值1.7μgg-1肌酐)高于男性(平均值0.90 μg g-1肌酐),且尿镉浓度随年龄呈现增加的趋势。基于镉吸收毒性动力学模型,对比了基于大米总镉和考虑大米中镉的生物有效性后两种饮食镉摄入量计算方法对人群尿镉的预测效果。结果发现引入大米中镉的生物有效性后尿镉的预测值平均为1.07 μg g-1肌酐,相比基于大米总镉含量得到的预测值4.14 μg g-1肌酐,更加接近实测值1.20 μgg-1肌酐,揭示了大米镉的生物有效性测试在精确评价人体膳食镉暴露中的重要性。于是,利用引入大米中镉的生物有效性的毒性动力学模型,基于以往研究报道的大米中镉含量,预测了我国不同省份人群尿镉水平的空间分布特征。结果表明,我国南方省份人体尿镉浓度显著高于北方,尤其是在大米镉污染严重的湖南等省份。3.开展小鼠活体实验,探究了向镉污染大米(0.8 mg kg-1 Cd)中补充不同浓度锌、铁、钙对大米中镉的生物有效性的影响。研究发现,对于对照实验,大米中镉的相对生物有效性为43%。对比硝酸铁、硝酸钙、硝酸锌处理,大米中补充硝酸钙(150-5000 mg kg-1)可以有效地降低大米中镉的相对生物有效性至8.5-29%;补充铁(6-200 mg kg-1)对大米中镉的相对生物有效性的影响次之(27-47%);而补充锌(30-1000mgkg-1)对大米中镉的相对生物有效性并无显著影响(32-57%)。对比硝酸钙和氯化钙处理,添加氯化钙会显著提高大米中镉的相对生物有效性(25-67%)。研究表明膳食补充营养元素如钙和铁以及避免高盐饮食可以有效地降低人体对大米中镉的吸收及镉的潜在健康危害。4.以湖南铅锌矿区砷、镉和铅复合污染区为研究区域,研究了矿区居民食用的大米和室内灰尘中砷、镉和铅的污染特征,通过小鼠活体实验测定了砷、镉和铅的相对生物有效性。结果表明,湖南矿区大米中砷、镉和铅浓度分别为0.29、0.48和0.20 mg kg-1;室内灰尘中砷、镉和铅浓度分别为453、65.4和3725 mg kg-1。大米中砷、镉和铅的相对生物有效性分别为34、59和31%;室内灰尘中砷、镉和铅的相对生物有效性分别为17、46和25%。基于生物有效性计算了大米和室内灰尘摄入导致的砷、镉和铅的摄入量,发现大米摄入是成人和儿童镉暴露的主要来源,通过手-口行为摄入灰尘是成人和儿童铅暴露的主要来源。对于砷而言,大米摄入是成人砷暴露的主要贡献者,而灰尘摄入是儿童砷暴露的主要来源。测定大米、室内灰尘和当地居民头发样品中铅的稳定同位素比值(207Pb/206Pb和208Pb/206Pb),发现头发铅的稳定同位素组成(n=27,0.8481 ±0.0049和2.0904±0.0102)和室内灰尘中铅的同位素组成(n=27,0.8485±0.0047和2.0885±0.0107)相吻合,而与大米中铅的同位素组成(n=27,0.8369±0.0057和2.0521±0.0119)相差较远,证明了非饮食途径(室内灰尘摄入)是湖南铅锌矿区居民铅暴露的最主要来源。该研究还表明,耦合生物有效性研究和铅的稳定同位素比例示踪技术可以有效地进行人群中重金属的暴露源解析,从而为有针对性地采取风险调控措施提供理论依据和技术支持。