Human bioaccessibility and absorption by intestinal cells of potentially harmful elements from urban environmental matrices

Potentially harmful elements (PHE) are found naturally in soils, usually in low concentrations. However, due to the intensity of the anthropic activities, the concentrations of these elements may increase and have negative effects on the environment and human health. Methods for risk assessment may predict or indicate the level of exposure to contamination of an area. In addition to the total or pseudo-total concentration of PHE, generally extracted with acidic solutions, it is possible to determine the reactive, bioavailable and bioaccessible levels of these elements in order to evaluate the degree of soil contamination. Urban soil samples located in residential areas were collected in Piracicaba, State of São Paulo (SP) and in Santo Amaro, State of Bahia, including soils collected near a primary lead smelter area (COBRAC/Plumbum), where researchers detected elevated levels of PHE. Soils samples in an old lead metallurgy plant (Usina do Calabouço / IPT), which today belongs to the Centro Integrado de Ensino Multidisciplinar (CIEM/ Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais (CPRM) - Geological Survey of Brazil) in Apiaí, located in the Upper Ribeira Valley (SP) were also collected. In vitro methods have been used in several countries to assess the bioaccessibility of PHE in humans. In this study, procedures based on ingestion and inhalation of soils using the Unified BARGE Method (UBM) and Artificial Lysosomal Fluid (ALF) methods were used to obtain the bioaccessible concentration in the gastrointestinal and pulmonary tract, respectively. As the bioaccessible fraction does not estimate the concentration absorbed and transported into the bloodstream, the in vitro method using Caco-2 cells, which are derived from human colon adenocarcinoma, was used to assess the amount of PHE that intestinal cells can absorb. The mineralogical data was obtained, and the sequential extraction of As, Cd, Cu, Mn, Pb and Zn was carried out to evaluate their interaction with lung fluid and gastric/gastrointestinal fluids. As expected, mine tailing samples had the highest pseudo-total concentrations of PHE in comparison to soil and sediment samples, both in the bulk soil (2 mm) and in the 250 μm and 10 μm sizes. Both respiratory and oral bioaccessibility of PHE varied widely among matrices, indicating that they were influenced by matrices´ chemistry, physical and mineralogical characteristics. The respiratory bioaccessible fraction, calculated as a percentage of the PHE pseudo-total concentrations, ranged from 13 - 109% for As; 14 - 98% for Cd; 21 - 89% for Cu; 46 - 140% for Pb, 35 - 88% for Mn and; 21 - 154% for Zn. Gastric bioaccessibility was greater than gastrointestinal bioaccessibility, ranging from 0-33% and 0-26% for As; 0-69% and 0-40% for Cd; 18-75% and 12-89% for Cu; 24-83% and 7-50% for Pb; 43-105% and 27-97% for Mn; 14-88% and 6-46% for Zn. Pseudo-total concentration provided a good estimate of respiratory and oral bioaccessibility, but the in-vitro methods provided more accurate results. Caco-2 cell line (in vitro test) was a good model for evaluating the effect of PHE exposure, but further studies on the transport and bioavailability of PHE in intestinal cells are needed.

Elementos potencialmente nocivos (EPN), dentre eles os metais pesados, são encontrados naturalmente nos solos, geralmente em baixas concentrações. Porém, devido à intensidade das atividades antrópicas, as concentrações destes elementos podem aumentar e ocasionar efeitos negativos ao meio ambiente e à saúde humana. Métodos para a avaliação de risco podem prever ou indicar o nível da exposição de uma área à contaminação. Além do teor total ou pseudototal de EPN, geralmente extraídos com soluções ácidas, pode-se determinar os teores nas frações reativa, biodisponível, bioacessível destes elementos para avaliação do grau de contaminação do solo. Por sua vez, métodos in vitro têm sido utilizados em vários países para avaliar a bioacessibilidade de PHE em seres humanos. Neste trabalho foram utilizadas amostras de solo urbano coletadas em Piracicaba e solos coletados em áreas de uma antiga usina de metalurgia de chumbo (Usina do Calabouço/IPT) na cidade de Apiaí, ambas localizadas no Estado de São Paulo; e na cidade de Santo Amaro, Bahia, onde foram coletadas amostras de solos urbanos localizados em áreas residenciais, principalmente próximas a uma antiga área de refino de chumbo, onde foram detectados níveis elevados de EPN. Foram avaliados procedimentos baseados na ingestão e na inalação de solos coletados por meio dos métodos Unified BARGE Method (UBM) e do Artificial Lysosomal Fluid (ALF) para obtenção do teor bioacessível nos fluidos gastrointestinais e nos fluidos pulmonares, respectivamente. Como a fração bioacessível não estima a concentração absorvida e transportada para a corrente sanguínea, o método in vitro, utilizando células Caco-2, que são extraídas de adenocarcinoma do cólon humano, foi usado para avaliar a quantidade de EPN que as células intestinais podem absorver. As características mineralógicas das amostras e a extração sequencial de As, Cd, Cu, Mn, Pb e Zn foram obtidas para avaliar a interação com fluido pulmonar e do o suco gástrico e gastrointestinal. Como esperado, as amostras de rejeito de mineração apresentaram as maiores concentrações pseudototais de EPN em comparação com as amostras de solo e sedimento, tanto nas amostras < 2mm, como nas amostras de tamanho < 250 μm e < 10 μm. A bioacessibilidade respiratória e oral dos EPN variou amplamente entre as matrizes, indicando que foram influenciadas por características químicas, físicas e mineralógicas das matrizes. A fração bioacessível respiratória, calculada como porcentagem das concentrações de EPN pseudototal, variou de 13 a 109% para As; 14 - 98% para Cd; 21 - 89% para Cu; 46 - 140% para Pb, 35 - 88% para Mn e; 21 - 154% para Zn. A bioacessibilidade gástrica foi maior que a bioacessibilidade gastrointestinal, variando de 0 a 33% e 0 a 26% para As; 0-69% e 0-40% para Cd; 18-75% e 12-89% para Cu; 24-83% e 7-50% para Pb; 43-105% e 27-97% para o Mn; 14-88% e 6-46% para Zn. A concentração pseudototal forneceu uma boa estimativa para bioacessibilidade respiratória e oral, mas os métodos in vitro fornecem resultados mais precisos. A linhagem celular Caco-2 foi um bom modelo para avaliar o efeito da exposição ao PHE, mas são necessários mais estudos sobre o transporte e biodisponibilidade de PHE em células intestinais.