Soil quality — Assessment of human exposure from ingestion of soil and soil material — Guidance on the application and selection of physiologically based extraction methods for the estimation of the human bioaccessibility/bioavailability of metals in soil

ISO/TS 17924:2007 deals with the assessment of human exposure from ingestion of soil and soil material. ISO/TS 17924:2007 gives guidelines to be used when choosing a physiologically based test procedure for the estimation of the human bioaccessibility/bioavailability of metals from contaminated soil in connection with the evaluation of the exposure related to human oral uptake. Suggestions are made for the use of as many generic-method elements as possible, but it is important that the choice of method be based on the needs of the specific investigation. Methods that are validated for specific metals and/or contexts are highlighted.

Qualité du sol — Évaluation de l'exposition humaine par ingestion de sol et de matériaux du sol — Lignes directrices pour l'application et la sélection de méthodes d'extraction fondées sur le point de vue physiologique pour l'estimation de la bioaccessibilité/biodisponibilité pour l'être humain de métaux dans le sol

L'ISO/TS 17924:2007 traite de l'évaluation de l'exposition humaine par ingestion de sol et de matériaux du sol. L'ISO/TS 17924:2007 donne des lignes directrices à utiliser lors du choix d'une procédure d'essai pertinente d'un point de vue physiologique pour l'estimation de la bioaccessibilité/biodisponibilité pour l'homme de métaux dans un sol contaminé, en liaison avec l'évaluation de l'exposition liée à l'absorption orale par l'homme. Des propositions sont faites pour l'utilisation de méthodes aussi génériques que possible, mais il est important que le choix de la méthode soit basé sur les besoins de l'étude spécifique. Les méthodes validées pour des métaux et/ou des contextes spécifiques sont soulignées.

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Status
Withdrawn
Publication Date
02-Dec-2007
Withdrawal Date
02-Dec-2007
Current Stage
9599 - Withdrawal of International Standard
Start Date
09-Oct-2018
Completion Date
09-Oct-2018
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Technical specification
ISO/TS 17924:2007 - Soil quality -- Assessment of human exposure from ingestion of soil and soil material -- Guidance on the application and selection of physiologically based extraction methods for the estimation of the human bioaccessibility/bioavailability of metals in soil
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ISO/TS 17924:2007 - Qualité du sol -- Évaluation de l'exposition humaine par ingestion de sol et de matériaux du sol -- Lignes directrices pour l'application et la sélection de méthodes d'extraction fondées sur le point de vue physiologique pour l'estimation de la bioaccessibilité/biodisponibilité pour l'etre humain de métaux dans le sol
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Standards Content (sample)

TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 17924
First edition
2007-12-15
Soil quality — Assessment of human
exposure from ingestion of soil and soil
material — Guidance on the application
and selection of physiologically based
extraction methods for the estimation of
the human bioaccessibility/bioavailability
of metals in soil
Qualité du sol — Évaluation de l'exposition humaine par ingestion de
sol et de matériaux du sol — Lignes directrices pour l'application et la
sélection de méthodes d'extraction fondées sur le point de vue
physiologique pour l'estimation de la bioaccessibilité/biodisponibilité
pour l'être humain de métaux dans le sol
Reference number
ISO/TS 17924:2007(E)
ISO 2007
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TS 17924:2007(E)
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Published in Switzerland
ii © ISO 2007 – All rights reserved
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ISO/TS 17924:2007(E)
Contents Page

Foreword............................................................................................................................................................ iv

Introduction ........................................................................................................................................................ v

1 Scope ..................................................................................................................................................... 1

2 Normative references ........................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions........................................................................................................................... 1

4 Bioaccessibility/bioavailability as a concept in assessment of soils and sites with respect

to human exposure............................................................................................................................... 3

5 Description of the mechanisms of human contaminant uptake...................................................... 5

6 Description of metal-binding mechanisms (speciation of metals) in soil ...................................... 8

7 Concept for a method to test the bioavailability through human exposure................................... 8

7.1 General................................................................................................................................................... 8

7.2 Choosing an appropriate test.............................................................................................................. 9

7.3 Description of applicable test methods............................................................................................ 11

7.4 Recommendations.............................................................................................................................. 12

7.5 Use and interpretation of in vitro tests for risk assessment.......................................................... 13

8 Data handling, quality control and presentation of results............................................................ 14

Annex A (informative) Human bioaccessibility testing ................................................................................ 15

© ISO 2007 – All rights reserved iii
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ISO/TS 17924:2007(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies

(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO

technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been

established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and

non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the

International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.

International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.

The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards

adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an

International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.

In other circumstances, particularly when there is an urgent market requirement for such documents, a

technical committee may decide to publish other types of document:

— an ISO Publicly Available Specification (ISO/PAS) represents an agreement between technical experts in

an ISO working group and is accepted for publication if it is approved by more than 50 % of the members

of the parent committee casting a vote;

— an ISO Technical Specification (ISO/TS) represents an agreement between the members of a technical

committee and is accepted for publication if it is approved by 2/3 of the members of the committee casting

a vote.

An ISO/PAS or ISO/TS is reviewed after three years in order to decide whether it will be confirmed for a

further three years, revised to become an International Standard, or withdrawn. If the ISO/PAS or ISO/TS is

confirmed, it is reviewed again after a further three years, at which time it must either be transformed into an

International Standard or be withdrawn.

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent

rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.

ISO/TS 17924 was prepared by Technical Committee ISO/TC 190, Soil quality, Subcommittee SC 7, Soil and

site assessment.
iv © ISO 2007 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO/TS 17924:2007(E)
Introduction

When assessing soils contaminated with, for example, metals, soil ingestion, especially by children, is often

considered to be the most important exposure pathway. Currently, this assessment is often carried out on the

basis of the total content of the metals in question in the soil. However, several studies suggest that the

availability of the metals in the gastrointestinal tract is dependent on the form of the metals present and the

site-specific soil chemistry. Test methods based on in vivo tests with, for example, juvenile swine or mini-pigs

are time consuming and expensive, and not very compatible with the decision processes connected with the

assessment and clean-up of contaminated sites. At present, test methods are being developed and validated,

which involve in vitro laboratory tests aimed at simulating in vivo results. This will reduce the cost and

practicalities related to the use of such testing on contaminated land.

Due to the large expenditure necessary for both private landowners and public funds set aside for the

remediation of contaminated land, International Standards on the assessment of contaminated soil, especially

with regard to human health, are in great demand. International Standards in this complex field will support a

common scientific basis for the exchange of data, development of knowledge and sound evaluation.

Furthermore, International Standards will facilitate international recommendations and regulations. The aim of

this Technical Specification is to describe the elements of such an in vitro test system, and give advice on the

appropriate combination and use of these elements in the specific situation.

In human health-risk assessment, “bioavailability” is specifically used in reference to absorption into systemic

circulation, consistent with the toxicological use of the term. This encompasses bioaccessibility, which again is

a combined measure of the processes determining the interaction between the metal associated with the soil

and the liquid in the human digestion system. Bioavailability furthermore includes the absorption of the

contaminant through a physiological membrane and the metabolism in the liver. The bioavailable fraction is

thus the fraction left after release into the human digestive liquid, transport across the intestinal epithelium and

metabolism in the liver. A further description of these processes is given in Clause 4.

When considering bioavailability as the fraction of the chemical that is absorbed into systemic circulation, two

operational definitions are important, absolute and relative bioavailability. Absolute bioavailability is the

fraction of the applied dose that is absorbed and reaches the systemic circulation (and can never be greater

than 100 %). Relative bioavailability represents a comparison of absorption under two different sets of

conditions, for example, from a soil sample vs. food or another matrix used in a toxicity study, and can be

greater than or less than 1. This factor can be used in exposure assessments for exposure by direct ingestion

of soil, for instance, if the absolute bioavailability of the metal in the specific soil is suspected to differ

significantly from the absolute bioavailability implicit in the toxicity value/quality criteria used.

© ISO 2007 – All rights reserved v
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TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 17924:2007(E)
Soil quality — Assessment of human exposure from ingestion
of soil and soil material — Guidance on the application and
selection of physiologically based extraction methods for the
estimation of the human bioaccessibility/bioavailability of
metals in soil
1 Scope

This Technical Specification deals with the assessment of human exposure from ingestion of soil and soil

material.

This Technical Specification gives guidelines to be used when choosing a physiologically based test

procedure for the estimation of the human bioaccessibility/bioavailability of metals from contaminated soil in

connection with the evaluation of the exposure related to human oral uptake. Suggestions are made for the

use of as many generic-method elements as possible, but it is important that the choice of method be based

on the needs of the specific investigation. Methods that are validated for specific metals and/or contexts are

highlighted.
2 Normative references

The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated

references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced

document (including any amendments) applies.
ISO 11074, Soil quality — Vocabulary
3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 11074 and the following apply.

3.1
absorption
process by which a body takes in substance and makes it a part of itself
3.2
bioaccessible fraction

fraction of a substance in soil or soil material that is liberated in (human) gastrointestinal juices and is thus

available for absorption
3.3
bioavailable fraction

fraction of a substance present in ingested soil or soil material that reaches the systemic circulation

(bloodstream)
© ISO 2007 – All rights reserved 1
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ISO/TS 17924:2007(E)
3.4
contaminant
substance or agent present in the soil as a result of human activity

NOTE 1 There is no assumption in this definition that harm results from the presence of the contaminant.

NOTE 2 Adapted from ISO 11074:2005.
3.5
dermal contact
contact with (touching) the skin
3.6
exposure
dose of a chemical that reaches the human body
3.7
exposure pathway
route a substance takes from its source to a receptor
3.8
ingestion
act of taking substances (e.g. soil and soil material) into the body by mouth
3.9
in vitro bioaccessibility test
designation for bioaccessibility test carried out outside a living organism
3.10
no observed adverse-effect level
NOAEL
dose at which no adverse effect on a receptor can be observed
3.11
pica

eating habit where usually strange and unpalatable materials are consumed, e.g. soil material, stones

NOTE The term “pica” stems from the Latin name Pica pica for the raven bird magpie which randomly picks up any

kind of material for nest construction.
3.12
provisionally tolerable weekly intake
PTWI

designation of the provisional weekly tolerable amount of a substance which can be taken in by a human body

in its lifetime through the food chain without affecting human health
3.13
receptor
potentially exposed person or part of ecosystem
[ISO 11074:2005]
3.14
relative absorption fraction
RAF

ratio between the amount of a contaminant reaching systemic circulation when ingested with, for example, soil

and the same amount obtained when ingested in the toxicity experiment underlying the criteria

2 © ISO 2007 – All rights reserved
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ISO/TS 17924:2007(E)
3.15
species

different forms of a substance always arising with each other in a reaction equilibrium

3.16
tolerable daily intake value
TDI

designation of the tolerable daily amount of a substance which can be taken in by a human body in its lifetime

through the food chain without affecting human health

4 Bioaccessibility/bioavailability as a concept in assessment of soils and sites with

respect to human exposure

The characterisation of bioaccessibility/bioavailability is usually performed as a part of a risk and/or exposure

assessment.
A risk assessment comprises the following elements:
⎯ a hazard identification;
⎯ a dose-response assessment;
⎯ an exposure assessment;
⎯ and, based on the above, a risk characterisation.

An exposure assessment is the process wherein the intensity, frequency, and duration of human exposure of

a contaminant are estimated, and it comprises the following:
⎯ source identification and characterisation;
⎯ identification of exposure routes;
⎯ identification of relevant receptors/target groups;
⎯ and, based on this, the actual exposure assessment.

For the assessment of possible effects on human health, an analysis of the exposure routes is a prerequisite.

Where receptors are not directly exposed to a contaminant, exposure assessment needs to consider the

various ways by which indirect exposure might occur and the significance of them.

Human exposure from soil contamination may occur through different media.
Directly from the soil, the following exposure routes exist.

⎯ Soil ingestion, both dietary and through adherence to hands and unwashed vegetables, etc.

⎯ Dermal contact.
⎯ Ingestion of house dust that predominantly consists of soil material.
Airborne exposure comprises the following:
⎯ inhalation and ingestion of fugitive dust;
⎯ inhalation of elevated outdoor concentrations;
⎯ inhalation of vapours that have intruded into buildings.
© ISO 2007 – All rights reserved 3
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ISO/TS 17924:2007(E)
Exposure through the food chain comprises the following:
⎯ consumption of plants including crops, plants, wild plants and fungi;
⎯ consumption of animals and animal products, including wild animals;
⎯ consumption of contaminated water.

Within this Technical Specification, direct uptake of soil via ingestion and/or ingestion of fugitive dust is

considered. Oral ingestion is one of the most important exposure routes for humans to soil contaminants.

Quality criteria for soil (the maximum concentration limits for soil) are usually calculated on the basis of a

tolerable daily intake value (TDI) or a provisionally tolerable weekly intake (PTWI), that can be derived from

the no observed adverse-effect level (NOAEL) found in human data or experimental animal data. For

genotoxic carcinogens for which no lower threshold for increased risk for cancer risk is assumed, the TDI

value is set at a level that corresponds to a tolerable low (negligible) cancer risk level.

For determining the TDI, data on oral toxicity are primarily considered. Often these data pertain to animal

experiments where the substance is administrated to the animals mixed in the feed or in drinking water (the

vehicle or transporter of the contaminant). The amount of contaminant needed to produce adverse health

effects in the animal is then recorded. As an alternative, epidemiological studies relating observed human

health effects to recorded exposures have been used. Most toxicological studies report the total ingested

amount and only seldom indicate exact values for the bioavailability of the substances administered.

When extrapolating from such experimental conditions to other conditions, for example, the intake of

contaminated soil, this approach assumes that the uptake efficiency is equal for all scenarios, i. e. that the

absolute bioavailability of the contaminant is constant. The absolute, oral bioavailability can be defined as the

fraction of an orally ingested contaminant that reaches systemic circulation, i. e. enters the bloodstream. The

absolute oral bioavailability of a contaminant may range from close to 0 to almost 1 (i. e. 100 %) depending

upon the physiochemical form of the contaminant. In this context, the use of the concept of absolute, oral

bioavailability rests upon the assumption that adverse health effects are systemic and thus triggered by the

contaminants reaching the bloodstream, i. e. the internal exposure, as opposed to the external exposure

measured directly as the intake of contaminated medium multiplied by the concentration of the contaminant in

the medium, see Figure 1.

The absolute bioavailability can be measured as the ratio between amounts in the blood of animals or man

after intravenous injection (100 % bioavailability) and after oral ingestion (uptake of bioavailable fraction).

A more feasible approach is to measure the relative bioavailability or relative absorption fraction (RAF), which

is the ratio between the amount of a contaminant reaching systemic circulation when ingested with, for

example, soil and the same amount obtained when ingested in the toxicity experiment underlying the criteria.

It should be noted that, although most relative bioavailabilities are less than 1 and would result in increased

acceptable levels, RAF values above 1 could be found that would result in a demand for a decreased

acceptable level.
4 © ISO 2007 – All rights reserved
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ISO/TS 17924:2007(E)
Figure 1 — Schematic presentation of oral uptake processes
5 Description of the mechanisms of human contaminant uptake

A series of compartments are involved in human bioavailability of ingested soil contaminants, as described in

Clause 4.

The overall pathway leads the food and soil with contaminants from the mechanical grinding in the mouth,

through a series of chemical and microbiological processes, to partial dissolution through the entire

gastrointestinal tract (bioaccessibility processes). The dissolved components are transported through the

membranes of the gastrointestinal epithelium (absorption) and into the bloodstream. During transport through

the membranes, degradation can occur (metabolism). The blood passes through the liver before entering the

systemic circulation, allowing for degradation or removal of unwanted compounds in the liver (metabolism,

first-pass effect). Most of the dissolution processes are completed before the material leaves the small

intestine, and it is generally accepted that most of the uptake takes place in the small intestine. To which

extent uptake takes place in the stomach depends on the compound. The environment in the compartments

differs and accordingly impacts the bioaccessibility process differently, see Table 1.

The pH in the stomach may vary from close to 1 under fasted conditions to as high as 5 after feeding.

Residence time (1/2 time for emptying) in the stomach varies similarly from 8 min to 15 min to 30 min to 3 h

for fasted and average fed conditions, respectively. Furthermore, bile release varies as well, with high

releases under fed conditions. Finally, the pH in the stomach can be lower for small children than for adults.

© ISO 2007 – All rights reserved 5
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ISO/TS 17924:2007(E)

Table 1 — Functions and conditions in the compartments involved in bioaccessibility processes

Compartment Primary digestion Main added pH Residence Contaminant dissolution
functions “reagents” time function
Mouth Grinding Moisture 6,5 Seconds to Grinding enhances subsequent
minutes dissolution.
Cleavage of starch Amylase
Gullet Transport None 6,5 Seconds None

Stomach Cleavage of Hydrochloric acid 1 - 5 8 min to 3 h Acid dissolves labile mineral

proteins and fats oxides, sulfides and carbonates
Proteases
to release metals.
Lipases

Small intestine Cleavage of Bicarbonate 4 - 7,5 2 h to 10 h Organic matter is dissolved and

oligosaccharides, bound contaminants released.
Bile
proteins, fats and
Cationic metals are solubilised by
other constituents
Proteases
complexation with bile acids.
Solubilisation of
Lipases
Some metals are precipitated by
fats
the high pH or by phosphate.
Oligosaccharases
Phosphatases

The gastrointestinal tract constitutes a complex ecosystem with aerobic and anaerobic micro-organisms. The

density of micro-organisms is less in the human stomach and in the upper part of the small intestine but

increases towards and in the large intestine. In human faeces, anaerobic micro-organisms dominate, whereas

aerobic bacteria are found in high densities higher in the large intestine. Sulfate-reducing bacteria have been

detected in the human large intestine, but, on the other hand, high concentrations of oxygen have been

detected throughout the gastrointestinal tract of pigs. Overall, dominating aerobic conditions and micro-

organisms would be expected in the stomach, but with increasingly anaerobic conditions from the small

intestine to the large intestine.

Absorption requires that the contaminants are dissolved (free or bound to a dissolved carrier such as bile),

transported to the gastrointestinal wall and, if bound to a carrier, released at the surface of the gastrointestinal

membrane for absorption. The carrier mechanisms can be complexation of cationic metals by bile acids. Bile

acids, proteins and other complexing agents can enhance exposure for cationic metals. Also, lipids and other

soluble organic matter in the diet can add to the carrier effect of the bile.

The simple dissolution/transport/absorption processes can be complicated by chemical kinetics resulting from

the sequential change in the chemical environment of the gastrointestinal tract, as well as by soil and

contaminant chemistry. As an example, lead found in soil in the common contaminant anglesite (PbSO ) will

dissolve in the stomach and will stay in solution here at the low pH and high chloride concentration, see

Figure 2. Entering the higher pH conditions in the presence of dissolved phosphate in the small intestine, the

dissolved lead ions (Pb ) will precipitate very quickly as lead chlorophosphate [chloropyromorphite,

Pb (PO ) Cl]. The phosphate can originate from digested food or from the soil. Phosphate minerals, such as

5 4 3

hydroxyapatite, Ca (PO ) OH, will dissolve in the low pH of the stomach, but dissolution will be slower and

5 4 3

less complete at a higher pH in the stomach (as occurring after food ingestion). If stomach transit is fast (as

occurring under fasting conditions), the hydroxyapatite may not dissolve in the stomach and reach the small

intestine where the neutral to slightly alkaline pH will prevent further dissolution, and thus also precipitation of

released lead as lead chlorophosphate. Conversely, just after transit from the stomach to the small intestine,

the pH is still low and absorption of lead can take place as a result of the high dissolved lead concentration

possible in acidic pH. Overall, the de facto dissolution of lead from soil will depend upon interacting conditions,

such as soil composition, simultaneously ingested food and the feeding conditions of the human. This also

means that cultural factors that affect the type of food typically consumed can have an influence on the actual

uptake.
6 © ISO 2007 – All rights reserved
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ISO/TS 17924:2007(E)

Figure 2 — Example of dissolution of a lead mineral (lead sulfate) in the stomach

and subsequent precipitation in the small intestine

The absorption of dissolved contaminants predominantly occurs through the epithelium of the stomach and

the small intestine (the intestinal epithelium), either through the cells (transcellular transport) or between the

cells (paracellular transport). The pathway between the cells is primarily taken by polar or ionic contaminants

(e.g. some metals).

Metals are absorbed by passive paracellular transport, by passive transcellular diffusion or by active

transcellular transport, fitting into a transport system already present. One example is that cadmium can be

absorbed by both the passive paracellular route and the passive diffusive route. Another example is lead that

is probably absorbed via the calcium uptake system(s), including both active and passive transcellular

transport, as well as by paracellular transport.

Metabolism of the absorbed contaminant concentrations takes place in the epithelium membranes (binding

and exclusion), as well as in the liver (transformation of metals, and secretion of metals with bile).

Contaminants entering systemic circulation via the lymph will be less efficiently reduced, as the liver is

bypassed for this route. Finally, the contaminants are diluted when entering systemic circulation in the

bloodstream.

If the sensitivity to changes in the processes of dissolution, absorption and reduction is considered to be

caused by varying “vehicles” (i.e. ingestion with soil, food or in solution) and chemical forms (i.e. different

metal salts ingested), it is expected that dissolution will be highly sensitive, absorption will be sensitive and

reduction will be slightly sensitive (chemical form) or insensitive (vehicle). In applying the concept of relative

bioavailability (see Clause 4), the most important factor to assess would thus be the bioaccessibility factor f

(see Figure 1) followed by the absorbability factor f .

Estimation of the relative bioavailability factor is thus reduced to an estimation of how the two potentially rate-

limiting processes of dissolution and absorption respond to variations in the vehicle and chemical form of the

contaminants.

If the dissolution process is rate limiting (i.e. if dissolution is slower than absorption), changes in f will

determine the relative bioavailability. If the absorption process is rate limiting (i.e. absorption of dissolved

contaminants is too slow to be completed before transit), f will be “in charge” of relative bioavailability. In vitro

tests are generally based on the measurement of bioaccessibility, and are thus based on the assumption that

absorption is not rate limiting, or at least that the absorption of a compound dissolved from soil is no different

from the absorption of the compound when administered in a fairly soluble form.
© ISO 2007 – All rights reserved 7
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ISO/TS 17924:2007(E)
6 Description of metal-binding mechanisms (speciation of metals) in soil

In assessing the bioaccessibility of metals in soil, three major obstacles are encountered:

⎯ most metals occur naturally at varying concentrations and in varying physical and chemical forms;

⎯ chemical forms (species) of the original metal (source) may vary from the solid metal to the aqueous

solution of a salt;

⎯ chemical forms are interchangeable, depending upon the soil conditions and history.

Assessment of bioaccessibility data for metals in soil therefore needs to reflect the varying geochemical

conditions. Due to their different physical-chemical properties, the mechanisms for reduced bioaccessibility

differ among the metals. An example of distribution between phases and chemical forms (species) in soils is

shown for copper in Figure 3. The bioaccessibility of the three solid species of copper, free metal (Cu), copper

sulf
...

SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 17924
Première édition
2007-12-15
Qualité du sol — Évaluation de
l'exposition humaine par ingestion de sol
et de matériaux du sol — Lignes
directrices pour l'application et la
sélection de méthodes d'extraction
fondées sur le point de vue
physiologique pour l'estimation de la
bioaccessibilité/biodisponibilité pour
l'être humain de métaux dans le sol
Soil quality — Assessment of human exposure from ingestion of soil
and soil material — Guidance on the application and selection of
physiologically based extraction methods for the estimation of the
human bioaccessibility/bioavailability of metals in soil
Numéro de référence
ISO/TS 17924:2007(F)
ISO 2007
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ISO/TS 17924:2007(F)
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ii © ISO 2007 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO/TS 17924:2007(F)
Sommaire Page

Avant-propos..................................................................................................................................................... iv

Introduction ........................................................................................................................................................ v

1 Domaine d'application.......................................................................................................................... 1

2 Références normatives ........................................................................................................................ 1

3 Termes et définitions............................................................................................................................ 1

4 La bioaccessibilité/biodisponibilité comme concept d'évaluation des sols et des sites en

ce qui concerne l'exposition humaine................................................................................................ 3

5 Description des mécanismes d'absorption de contaminants par l'être humain............................ 5

6 Description des mécanismes de liaison des métaux (spéciation des métaux) dans le sol.......... 8

7 Concept pour une méthode d'essai de biodisponibilité par exposition humaine ......................... 9

7.1 Généralités ............................................................................................................................................ 9

7.2 Choix d'un essai approprié.................................................................................................................. 9

7.3 Description des méthodes d'essai applicables............................................................................... 12

7.4 Recommandations.............................................................................................................................. 13

7.5 Utilisation et interprétation des essais in vitro pour l'évaluation du risque ................................ 14

8 Traitement des données, contrôle de la qualité et présentation des résultats............................ 15

Annexe A (informative) Essais de bioaccessibilité humaine....................................................................... 17

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ISO/TS 17924:2007(F)
Avant-propos

L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de

normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée

aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du

comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non

gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec

la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.

Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,

Partie 2.

La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes

internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur

publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres

votants.

Dans d'autres circonstances, en particulier lorsqu'il existe une demande urgente du marché, un comité

technique peut décider de publier d'autres types de documents:

— une Spécification publiquement disponible ISO (ISO/PAS) représente un accord entre les experts dans

un groupe de travail ISO et est acceptée pour publication si elle est approuvée par plus de 50 % des

membres votants du comité dont relève le groupe de travail;

— une Spécification technique ISO (ISO/TS) représente un accord entre les membres d'un comité technique

et est acceptée pour publication si elle est approuvée par 2/3 des membres votants du comité.

Une ISO/PAS ou ISO/TS fait l'objet d'un examen après trois ans afin de décider si elle est confirmée pour trois

nouvelles années, révisée pour devenir une Norme internationale, ou annulée. Lorsqu'une ISO/PAS ou

ISO/TS a été confirmée, elle fait l'objet d'un nouvel examen après trois ans qui décidera soit de sa

transformation en Norme internationale soit de son annulation.

L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de

droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne

pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.

L'ISO/TS 17924 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 190, Qualité du sol, sous-comité SC 7,

Évaluation des sols et des sites.
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ISO/TS 17924:2007(F)
Introduction

Lors d'une évaluation de sols contaminés, par exemple par des métaux, l'ingestion de sol, notamment par des

enfants, est souvent considérée comme la voie d'exposition la plus importante. Actuellement, cette évaluation

est souvent fondée sur la teneur totale en métaux dans le sol. Toutefois, plusieurs études suggèrent que la

disponibilité des métaux dans le tractus gastro-intestinal dépend de la forme des métaux présents et de la

chimie du sol spécifique au site. Des méthodes d'essai, fondées sur des essais in vivo réalisés, par exemple,

sur des jeunes porcs ou des porcs nains, sont onéreuses, demandent beaucoup de temps et ne sont pas très

compatibles avec les processus décisionnels liés à l'évaluation et au traitement des sites contaminés.

Actuellement, des méthodes d'essai sont en cours d'élaboration et de validation. Elles impliquent des essais

de laboratoire in vitro destinés à simuler des résultats in vivo. Ces méthodes d'essai permettront de réduire

les coûts et les opérations liées à l'utilisation de tels essais sur un terrain contaminé.

Compte tenu des dépenses importantes auxquelles les propriétaires de terrains privés et les autorités

publiques doivent faire face pour la réhabilitation d'un terrain contaminé, il existe une forte demande pour des

Normes internationales relatives à l'évaluation des sols contaminés, notamment pour ce qui concerne la santé

humaine. Dans ce domaine complexe, les Normes internationales permettront de constituer une base

scientifique commune pour l'échange de données, le développement des connaissances et l'évaluation

robuste. Par ailleurs, les Normes internationales faciliteront les recommandations et réglementations

internationales. Le but de la présente Spécification technique est de décrire les éléments d'un tel système

d'essais in vitro et de donner des conseils sur l'association appropriée de ces éléments et leur utilisation

adéquate dans la situation spécifique.

Dans l'évaluation des risques pour la santé humaine, le terme «biodisponibilité» est spécifiquement utilisé en

référence à l'absorption dans la circulation générale, conformément à l'utilisation toxicologique du terme. Ceci

englobe la bioaccessibilité qui constitue une mesure combinée des processus déterminant l'interaction entre

le métal associé au sol et le liquide dans l'appareil digestif humain. En outre, la biodisponibilité inclut

l'absorption du contaminant à travers une membrane physiologique et le métabolisme dans le foie. La fraction

biodisponible est donc la fraction qui reste après la propagation dans le liquide digestif humain, le transport à

travers l'épithélium intestinal et le métabolisme dans le foie. Ces processus sont décrits à l'Article 4.

Lorsque la biodisponibilité est considérée comme la fraction de la substance chimique qui est absorbée dans

la circulation générale, deux définitions opérationnelles sont importantes: la biodisponibilité absolue et la

biodisponibilité relative. La biodisponibilité absolue est la fraction de la dose appliquée qui est absorbée et qui

atteint la circulation générale (et qui ne peut jamais être supérieure à 100 %). La biodisponibilité relative

représente une comparaison de l'absorption dans deux groupes différents de conditions, par exemple dans un

échantillon de sol et dans des aliments ou dans une autre matrice utilisée dans le cadre d'une étude de

toxicité, et peut être supérieure ou inférieure à 1. Ce facteur peut être utilisé lors d'évaluations d'expositions

pour une exposition directe par ingestion directe de sol, par exemple si l'on pense que la biodisponibilité

absolue du métal dans le sol spécifique est considérablement différente de la biodisponibilité absolue implicite

dans la valeur de toxicité et/ou dans les critères de qualité utilisés.
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SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 17924:2007(F)
Qualité du sol — Évaluation de l'exposition humaine par
ingestion de sol et de matériaux du sol — Lignes directrices
pour l'application et la sélection de méthodes d'extraction
fondées sur le point de vue physiologique pour l'estimation de
la bioaccessibilité/biodisponibilité pour l'être humain de métaux
dans le sol
1 Domaine d'application

La présente Spécification technique traite de l'évaluation de l'exposition humaine par ingestion de sol et de

matériaux du sol.

La présente Spécification technique donne des lignes directrices à utiliser lors du choix d'une procédure

d'essai pertinente d'un point de vue physiologique pour l'estimation de la bioaccessibilité/biodisponibilité pour

l'homme de métaux dans un sol contaminé, en liaison avec l'évaluation de l'exposition liée à l'absorption orale

par l'homme. Des propositions sont faites pour l'utilisation de méthodes aussi génériques que possible, mais il

est important que le choix de la méthode soit basé sur les besoins de l'étude spécifique. Les méthodes

validées pour des métaux et/ou des contextes spécifiques sont soulignées.
2 Références normatives

Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les

références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du

document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 11074, Qualité du sol — Vocabulaire
3 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 11074 ainsi que les

suivants s'appliquent.
3.1
absorption

processus par lequel un corps ingère une substance et en fait une partie de lui-même

3.2
fraction bioaccessible

fraction d'une substance dans un sol ou dans une matrice sol, libérée dans les sucs gastro-intestinaux

(humains) et donc disponible pour absorption
3.3
fraction biodisponible

fraction d'une substance présente dans un sol ou un matériau de sol ingéré, qui atteint la circulation générale

(circulation sanguine)
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ISO/TS 17924:2007(F)
3.4
contaminant
substance ou agent présent(e) dans le sol du fait de l'activité humaine

NOTE 1 La présente définition ne pose pas l'hypothèse de l'existence d'un danger dû à la présence du contaminant.

NOTE 2 Adapté de l'ISO 11074:2005.
3.5
contact dermique
contact avec la peau
3.6
exposition
dose d'une substance chimique qui atteint le corps humain
3.7
voie d'exposition
voie suivie par une substance entre sa source et un récepteur
3.8
ingestion

acte consistant à introduire des substances (par exemple sol et matériau de sol) dans le corps par la bouche

3.9
essai de bioaccessibilité in vitro
désignation de l'essai de bioaccessibilité réalisé hors d'un organisme vivant
3.10
dose sans effet indésirable observé
DSEIO
dose à laquelle aucun effet indésirable sur un récepteur ne peut être observé
3.11
pica

comportement alimentaire caractérisé par la consommation de matières étranges et non consommables en

l'état, par exemple matériaux de sol, cailloux

NOTE Le terme «pica» est dérivé du nom latin Pica pica désignant la pie bavarde qui prélève au hasard tout genre

de matériaux pour la construction de son nid.
3.12
dose hebdomadaire tolérable provisoire
DHTP

désignation de la quantité hebdomadaire tolérable provisoire d'une substance qui peut être absorbée par le

corps humain au cours de sa vie, via la chaîne alimentaire, sans affecter la santé humaine

3.13
récepteur
personne ou partie de l'écosystème potentiellement exposée
[ISO 11074:2005]
3.14
fraction d'absorption relative
FAR

rapport entre la quantité d'un contaminant atteignant la circulation générale lorsqu'il est ingéré avec, par

exemple, du sol, et la même quantité obtenue lorsqu'il est ingéré lors de l'essai de toxicité qui a servi à établir

les critères
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ISO/TS 17924:2007(F)
3.15
espèces

différentes formes d'une substance toujours produites ensemble dans un équilibre de réaction

3.16
dose journalière tolérable
DJT

désignation de la quantité journalière tolérable d'une substance qui peut être absorbée par le corps humain au

cours de sa vie, via la chaîne alimentaire, sans affecter la santé humaine

4 La bioaccessibilité/biodisponibilité comme concept d'évaluation des sols et des

sites en ce qui concerne l'exposition humaine

La caractérisation de la bioaccessibilité/biodisponibilité est habituellement réalisée en tant que partie

intégrante d'une évaluation de risque et/ou de l'exposition.
Une évaluation du risque comprend les éléments suivants:
⎯ une identification des dangers;
⎯ une évaluation de la relation dose-effet;
⎯ une évaluation de l'exposition;
⎯ et, sur la base des éléments ci-dessus, une caractérisation du risque.

Une évaluation de l'exposition est le processus au cours duquel l'intensité, la fréquence et la durée de

l'exposition humaine à un contaminant sont estimées. Ce processus comprend:
⎯ l'identification et la caractérisation de la source;
⎯ l'identification des voies d'exposition;
⎯ l'identification des récepteurs/groupes cibles concernés;
⎯ et, sur la base de ces éléments, l'évaluation du degré d'exposition réel.

S'agissant de l'évaluation des effets possibles sur la santé humaine, une analyse des voies d'exposition

constitue une condition préalable. Lorsque des récepteurs ne sont pas directement exposés à un contaminant,

il importe que l'évaluation du degré d'exposition tienne compte des divers moyens par lesquels une exposition

indirecte peut se produire, ainsi que de leur importance.

L'exposition humaine à la contamination du sol peut se faire par le biais de différents milieux.

Directement à partir du sol, par les voies d'exposition suivantes:

⎯ l'ingestion de sol, par voie alimentaire et par adhérence aux mains et aux légumes non lavés, etc.;

⎯ le contact cutané;

⎯ l'ingestion de poussière domestique essentiellement composée de matériau de sol.

L'exposition par l'air comprend:
⎯ l'inhalation et l'ingestion de poussières diffuses;
⎯ l'inhalation de concentrations élevées en extérieur;
⎯ l'inhalation de vapeurs introduites dans les bâtiments.
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L'exposition par le biais de la chaîne alimentaire comprend:

⎯ la consommation de plantes, comprenant des produits agricoles végétaux, des plantes, des plantes

sauvages et des champignons;

⎯ la consommation d'animaux et de produits d'origine animale, y compris des animaux sauvages;

⎯ la consommation d'eau contaminée.

Le champ d'application de la présente Spécification technique couvre l'absorption directe de sol par ingestion

et/ou l'ingestion de poussières diffuses. L'ingestion orale constitue l'une des plus importantes voies

d'exposition des êtres humains aux contaminants du sol.

Les critères de qualité relatifs au sol (les limites de concentration maximale pour le sol) sont habituellement

calculés sur la base d'une dose journalière tolérable (DJT) ou d'une dose hebdomadaire tolérable provisoire

(DHTP), qui peut être déduite à partir de la dose sans effet indésirable observé (DSEIO) déterminée à partir

de données concernant l'être humain ou de données expérimentales concernant des animaux. En ce qui

concerne les carcinogènes génotoxiques pour lesquels aucun seuil d'absence de risque n'est fixé, la DJT est

fixée à un niveau qui correspond à un niveau faible tolérable (négligeable) de risque de cancer.

La détermination de la DJT se fonde essentiellement sur les données relatives à la toxicité orale. Ces

données se rapportent souvent à des expérimentations animales lorsque la substance est administrée aux

animaux mélangée aux aliments ou à l'eau de boisson (le véhicule ou transporteur du contaminant). La

quantité de contaminant nécessaire pour produire des effets nocifs pour la santé chez l'animal est ensuite

enregistrée. En alternative, des études épidémiologiques reliant les effets observés sur la santé humaine à

des expositions consignées ont été utilisées. La plupart des études épidémiologiques font état de la quantité

totale ingérée et seules quelques-unes fournissent des valeurs exactes sur la biodisponibilité des substances

administrées.

Lors de l'extrapolation de telles conditions expérimentales à d'autres conditions, par exemple à l'absorption de

sol contaminé, cette approche suppose que l'efficacité d'absorption est la même pour tous les scénarios,

c'est-à-dire que la biodisponibilité absolue du contaminant est constante. La biodisponibilité orale absolue

peut être définie comme un contaminant ingéré par voie orale qui atteint la circulation générale, c'est-à-dire

qu'il pénètre dans la circulation sanguine. La biodisponibilité orale absolue d'un contaminant peut aller d'une

valeur voisine de 0 jusqu'à une valeur presque égale à 1 (c'est-à-dire 100 %), selon la forme physicochimique

du contaminant. Dans ce contexte, l'utilisation du concept de biodisponibilité orale absolue repose sur

l'hypothèse selon laquelle les effets nocifs sur la santé sont systémiques et donc déclenchés par les

contaminants lorsque ceux-ci atteignent la circulation sanguine, c'est-à-dire l'exposition interne plutôt que

l'exposition externe mesurée directement en tant qu'absorption de milieu contaminé multipliée par la

concentration du contaminant dans le milieu, voir Figure 1.

La biodisponibilité absolue peut être mesurée comme le rapport entre des quantités dans du sang animal ou

dans du sang humain après injection intraveineuse (biodisponibilité de 100 %) et après ingestion orale

(absorption de fraction biodisponible).

Une approche plus pratique consiste à mesurer la biodisponibilité relative ou fraction d'absorption relative

(FAR) qui représente le rapport entre la quantité d'un contaminant atteignant la circulation générale lorsqu'il

est ingéré, par exemple avec du sol, et la même quantité obtenue lorsqu'il est ingéré lors de l'essai de toxicité

qui a servi à établir les critères.

Il convient de noter que, bien que la plupart des biodisponibilités relatives soient inférieures à 1 et qu'elles

devraient aboutir à des niveaux acceptables plus élevés, il est possible que l'on rencontre des valeurs de FAR

supérieures à 1 nécessitant un niveau acceptable plus faible.
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Figure 1 — Représentation schématique des processus d'absorption orale
5 Description des mécanismes d'absorption de contaminants par l'être humain

Une série de compartiments sont impliqués dans la biodisponibilité pour l'homme des contaminants du sol

ingérés, comme décrit à l'Article 4.

Le cheminement général conduit les aliments et le sol avec les contaminants, du broyage mécanique dans la

bouche, en passant par une série de processus chimiques et microbiologiques, jusqu'à la dissolution partielle

à travers le tractus gastro-intestinal (processus de bioaccessibilité). Les composants dissous sont transportés

à travers les membranes de l'épithélium gastro-intestinal (absorption) et dans la circulation sanguine. Durant

le passage à travers les membranes, une dégradation peut se produire (métabolisme). Le sang passe par le

foie avant d'entrer dans la circulation générale, permettant ainsi la dégradation ou l'élimination de composés

indésirables dans le foie (métabolisme, effet de premier passage). La plupart des processus de dissolution

s'achèvent avant que le matériau ne quitte l'intestin grêle, et il est généralement accepté que la majeure partie

de l'assimilation se déroule dans l'intestin grêle. L'étendue de l'assimilation dans l'estomac dépend de la

nature du composé. L'environnement étant différent selon les compartiments, il agit donc différemment sur le

processus de bioaccessibilité (voir Tableau 1).

Le pH dans l'estomac peut varier entre une valeur voisine de 1 à jeun et une valeur de 5 après alimentation.

De la même manière, la durée du séjour (moitié du temps de vidage) dans l'estomac varie de 8 min à 15 min

et de 30 min à 3 h, respectivement, dans des conditions de jeûne et d'alimentation moyenne. Par ailleurs, la

libération de bile varie également, des quantités importantes étant libérées dans des conditions d'alimentation.

Enfin, le pH dans l'estomac peut être plus faible chez les jeunes enfants que chez les adultes.

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ISO/TS 17924:2007(F)
Tableau 1 — Fonctions et conditions dans les compartiments impliqués
dans les processus de bioaccessibilité
Compartiment Fonctions Principaux pH Durée de Fonction de dissolution
essentielles «réactifs» séjour des contaminants
de la digestion intervenant dans
la digestion
Bouche Broyage Humidité 6,5 Secondes à Le broyage favorise la dissolution
minutes ultérieure.
Amylase
Dégradation de
l'amidon
Oesophage Transport Aucun 6,5 Secondes Aucune

Estomac Dégradation des Acide chlorhydrique 1 à 5 8 min à 3 h L'acide dissout les oxydes

protéines et des minéraux labiles, des sulfures et
Protéases
graisses des carbonates pour libérer des
Lipases
métaux.

Intestin grêle Dégradation des Bicarbonate 4 à 7,5 2 h à 10 h La matière organique est dissoute

oligosaccharides, et les contaminants liés sont
Bile
protéines, graisses libérés.
Protéases
et autres
Les métaux cationiques sont
Lipases
constituants
solubilisés par complexation avec
Oligosaccharases
Solubilisation des les acides biliaires.
graisses
Phosphatases
Certains métaux sont précipités par
le pH élevé ou par le phosphate.

Le tractus gastro-intestinal constitue un écosystème complexe avec des micro-organismes aérobies et

anaérobies. Chez l'homme, la densité des micro-organismes est moindre dans l'estomac et dans la partie

supérieure de l'intestin grêle, mais elle va en croissant jusqu'au gros intestin. Dans les fèces humaines, les

micro-organismes anaérobies dominent, tandis que les bactéries aérobies se trouvent en grandes densités

plus haut dans le gros intestin. La présence de bactéries sulfato-réductrices a été détectée dans le gros

intestin de l'être humain alors que des concentrations élevées en oxygène ont été décelées tout le long du

tractus gastro-intestinal des porcs. En général, des conditions et des micro-organismes aérobies devraient

prédominer dans l'estomac, mais avec des conditions anaérobies de plus en plus dominantes de l'intestin

grêle jusqu'au gros intestin.

L'absorption exige que les contaminants soient dissous (libres ou liés à un porteur dissous tel que la bile),

transportés vers la paroi gastro-intestinale et, s'ils sont liés à un porteur, libérés à la surface de la paroi

gastro-intestinale pour être absorbés. Les mécanismes de liaison métaux/porteur peuvent être la

complexation de métaux cationiques par des acides biliaires. Des acides biliaires, des protéines et autres

agents complexants peuvent accentuer l'exposition aux métaux cationiques. De plus, des lipides et autres

matières organiques solubles présentes dans la ration alimentaire peuvent s'ajouter à l'effet porteur de la bile.

Les processus simples de dissolution/transport/absorption peuvent être rendus plus complexes en raison de

la cinétique chimique résultant du changement séquentiel dans l'environnement chimique du tractus

gastro-intestinal, ainsi que de la chimie du sol et du contaminant. Par exemple, le plomb trouvé dans le sol

sous forme d'anglésite (PbSO ), un contaminant courant, se dissoudra dans l'estomac et y restera en solution

à un faible pH et à une forte concentration en acide chlorhydrique (voir Figure 2). En pénétrant dans l'intestin

grêle au pH plus élevé, en présence de phosphate dissous, les ions plomb (Pb ) précipiteront très

rapidement sous forme de chlorophosphate de plomb [chloropyromorphite, Pb (PO ) Cl]. Le phosphate peut

5 4 3

provenir des aliments digérés ou du sol. Les minéraux phosphatés, tels que l'hydroxyapatite, Ca (PO ) OH,

5 4 3

seront dissous par les acides gastriques (pH faible), mais la dissolution sera plus lente et moins complète à

un pH plus élevé dans l'estomac (comme cela se produit après l'ingestion d'aliments). Si le transit gastrique

est rapide (comme c'est le cas à jeun), il se peut que l'hydroxyapatite ne puisse pas se dissoudre dans

l'estomac et qu'elle atteigne l'intestin grêle où le pH neutre ou légèrement alcalin empêche la dissolution et

donc la précipitation du plomb libéré sous forme de chlorophosphate de plomb. À l'inverse, juste après le

passage de l'estomac vers l'intestin grêle, le pH est toujours bas et l'absorption du plomb peut se produire

sous l'effet de la concentration potentiellement élevée en plomb dissous en milieu acide. En général, la

dissolution de facto du plomb contenu dans le sol dépendra des conditions d'interaction telles que la

composition du sol, les aliments simultanément ingérés et la condition d'alimentation de l'être humain. Cela

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signifie également que les facteurs culturels qui affectent le type d'aliments habituellement consommés

peuvent avoir une influence sur l'assimilation réelle.

Figure 2 — Exemple de dissolution d'un minéral du plomb (sulfate de plomb) dans l'estomac,

suivie d'une précipitation dans l'intestin grêle

L'absorption de contaminants dissous se produit majoritairement à travers l'épithélium de l'estomac et de

l'intestin grêle (l'épithélium intestinal), soit à travers les cellules (transport transcellulaire), soit entre les

cellules (transport paracellulaire). Le passage entre les cellules est le chemin principalement emprunté par les

contaminants polaires ou ioniques (par exemple certains métaux).

Les métaux sont absorbés par transport paracellulaire passif, par diffusion transcellulaire passive, ou par

transport transcellulaire actif faisant partie d'un système de transport déjà existant. Un exemple est celui du

cadmium qui peut être absorbé à
...

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