<  Back to the Polytechnique Montréal portal

Assessment of dermal exposure to metal(loid)s from contaminated soils using in vitro methods

Carlos A. Marin Villegas

Ph.D. thesis (2023)

[img] Restricted to: Repository staff only until 27 September 2024
Terms of Use: All rights reserved
Show abstract
Hide abstract

Abstract

Contamination of soils by metal(loid)s generated by anthropogenic activities is a persistent problem as it can pose a risk to human health. These contaminants can be transferred to humans by soil ingestion, inhalation, or dermal exposure. The latter has received less attention than the other two pathways, warranting studies to improve the characterization of dermal exposure to contaminated soils. The fraction of the contaminant that is dissolved in surface skin film liquids (sweat and sebum) and available for penetration through the skin is the dermal bioaccessible fraction. This fraction can be used alongside permeation data to calculate bioavailability. Moreover, in vitro bioaccessibility should be preferred over in vivo testing due to ethical considerations and lower associated costs. Furthermore, risk assessments that consider the bioaccessible concentrations would yield a more representative result of the exposure since overestimation would be prevented and interaction with biological fluids simulated. The composition of surface skin film liquids (SSFL) is critical since it can affect metal(loid)s’ bioaccessibility, toxicity, mobility, and permeability. Therefore, there is a need to assess the performance of different SSFL compositions involved in dermal exposure studies. The objectives of this study are to i) evaluate the dermal bioaccessibility of arsenic (As), chromium (Cr), copper (Cu), nickel (Ni), lead (Pb), and zinc (Zn) from chromium copper arsenate (CCA) contaminated soils and certified reference soil materials via in vitro assays using various synthetic sweat and sebum formulations; ii) compare synthetic sweat compositions as donor solutions and evaluate the influence of sebum in the diffusion of metal(loid)s through a synthetic membrane (acting as skin surrogate) using the Franz cell methodology; iii) perform chemical equilibrium modelling to assess speciation of the soluble fraction of metal(loid)s in synthetic sweat compositions and assess its influence in bioaccessibility and permeation; and iv) characterize human health risks associated with potentially toxic metal(loid)s present in the soil using a multi-pathway exposure approach, taking into account the bioaccessible fraction of the contaminants and two different scenarios: children playing (residential exposure) and a typical worker exposure (industrial exposure). Results show that the dermal bioaccessibility of metal(loid)s depends on the soil and extractant properties. Soils with higher pH, total organic carbon, and cation exchange capacity generally produced lower dermal bioaccessibility. Overall low bioaccessibility was yielded in the case of sebum when compared with sweat (except for Zn), possibly due to the low affinity of metals for non-polar lipids. Metal(loid) bioaccessibility in synthetic sweat was generally inversely proportional to the pH. Only chromium (Cr) and copper (Cu) permeated the synthetic membrane. Permeation coefficients were higher for Cr in sweat with higher pH than in sweat with lower pH due to a higher content of Cr(VI), which is more toxic, mobile, and pervious than Cr(III). Interestingly, the sweat composition that yielded a higher bioaccessibility for Cr showed lower permeation and vice versa. Presence of sebum deposited on the synthetic skin might interact with Cr promoting the formation of more permeable compounds. The presence of sebum increased lag times for Cu permeation. However, As, Ni, Pb, and Zn did not permeate the synthetic skin. Additional testing to assess the influence of sebum on the permeation of metal(loid)s is recommended. Chemical equilibrium analysis performed with VMINTEQ shows that synthetic sweat composition plays a crucial role in the speciation of metal(loid)s in sweat and influences the bioaccessibility and permeation of metal(loid)s. Analytical speciation testing is suggested to validate the results. Finally, the non-carcinogenic hazard was evaluated for the residential and industrial scenarios. The oral and dermal pathways yielded a hazard index over the USEPA guideline recommendation with and without bioaccessibility considerations. The inhalation hazard was under the guideline’s recommendation. For the dermal pathway, the hazard was higher when bioaccessibility was considered for the industrial scenario. Regarding carcinogenic risk, the oral pathway is the major contributor, followed by the dermal pathway. The overall carcinogenic risk is higher than the acceptable risk recommended by the guideline with and without bioaccessibility considerations for the oral and dermal pathways. However, since generic Kp values were utilized, high uncertainty was associated with the calculation of dermal risk. Therefore, it is recommended to measure bioavailability for risk assessments. Although the in vitro tools and protocols evaluated in this study have proven helpful in the prediction of dermal exposure to contaminants in early-stage studies, additional testing, including in vivo tests with human skin to correlate and validate bioaccessibility, as well as permeation tests, are imperative so that results can be effectively used in risk characterization.

Résumé

La contamination des sols par les métaux (loïdes) générés par les activités anthropiques est un problème persistant, car elle peut constituer un risque pour la santé humaine. Ces contaminants peuvent être transmis à l'homme par ingestion, inhalation ou exposition cutanée. Cette dernière a reçu moins d'attention que les deux autres voies, ce qui justifie des études visant à améliorer la caractérisation de l'exposition cutanée aux sols contaminés. La fraction du contaminant qui est dissoute dans les liquides du film cutané de surface (sueur et sébum) et disponible pour la pénétration à travers la peau est la fraction bioaccessible par voie cutanée. Cette fraction peut être utilisée avec les données de perméation pour calculer la biodisponibilité. En outre, la bioaccessibilité in vitro devrait être préférée aux tests in vivo en raison de considérations éthiques et de coûts associés moins élevés. En outre, les évaluations des risques qui prennent en compte les concentrations bioaccessibles donneraient un résultat plus représentatif de l'exposition puisque la surestimation serait évitée et que l'interaction avec les fluides biologiques serait simulée. La composition des liquides du film cutané de surface (SSFL) est essentielle car elle peut affecter la bioaccessibilité, la toxicité, la mobilité et la perméabilité des métaux(loïdes). Il est donc nécessaire d'évaluer les performances des différentes compositions de SSFL utilisées dans les études d'exposition cutanée. Les objectifs de cette étude sont les suivants : i) évaluer la bioaccessibilité cutanée de l'arsenic (As), du chrome (Cr), du cuivre (Cu), du nickel (Ni), du plomb (Pb) et du zinc (Zn) présents dans les sols contaminés par l'arséniate de cuivre et de chrome (CCA) et dans les sols de référence certifiés par le biais d'essais in vitro utilisant diverses formulations de sueur et de sébum synthétiques ; ii) comparer les compositions de sueur synthétiques en tant que sources de bioaccessibilité cutanée pour les sols contaminés par l'arséniate de cuivre ; ii) comparer les compositions de sueur synthétique en tant que solutions donneuses et évaluer l'influence du sébum dans la diffusion des métaux(loïdes) à travers une membrane synthétique (agissant comme substitut de la peau) en utilisant la méthodologie de la cellule de Franz ; iii) effectuer une modélisation de l'équilibre chimique pour évaluer la spéciation de la fraction soluble des métaux(loïdes) dans les compositions synthétiques de sueur et évaluer son influence sur la bioaccessibilité et la perméation ; et iv) caractériser les risques pour la santé humaine associés aux métaux(loïdes) potentiellement toxiques présents dans le sol en utilisant une approche d'exposition à voies multiples, en tenant compte de la fraction bioaccessible des contaminants et de deux scénarios différents : des enfants jouant (exposition résidentielle) et une exposition typique d'un travailleur (exposition industrielle). Les résultats montrent que la bioaccessibilité cutanée des métaux(loïdes) dépend des propriétés du sol et de l'agent d'extraction. Les sols dont le pH, le carbone organique total et la capacité d'échange cationique sont plus élevés présentent généralement une bioaccessibilité cutanée plus faible. La bioaccessibilité est globalement faible dans le cas du sébum par rapport à la sueur (sauf pour le Zn), probablement en raison de la faible affinité des métaux pour les lipides non polaires. La bioaccessibilité des métaux(loïdes) dans la sueur synthétique était généralement inversement proportionnelle au pH. Seuls le chrome (Cr) et le cuivre (Cu) ont traversé la membrane synthétique. Les coefficients de perméation étaient plus élevés pour le Cr dans la sueur à pH élevé que dans la sueur à pH plus bas, en raison d'une teneur plus élevée en Cr(VI), qui est plus toxique, plus mobile et plus perméable que le Cr(III). Il est intéressant de noter que la composition de la sueur qui a produit une bioaccessibilité plus élevée pour le Cr a montré une perméation plus faible et vice versa. La présence de sébum déposé sur la peau synthétique pourrait interagir avec le Cr et favoriser la formation de composés plus perméables. La présence de sébum a augmenté les temps de latence pour la perméation du Cu. En revanche, l'As, le Ni, le Pb et le Zn n'ont pas pénétré la peau synthétique. Il est recommandé d'effectuer des tests supplémentaires pour évaluer l'influence du sébum sur la perméation des métaux(loïdes). L'analyse de l'équilibre chimique réalisée avec VMINTEQ montre que la composition de la sueur synthétique joue un rôle crucial dans la spéciation des métaux dans la sueur et influence la bioaccessibilité et la perméation des métaux. Des tests analytiques de spéciation sont suggérés pour valider les résultats. Enfin, le danger non cancérigène a été évalué pour les scénarios résidentiel et industriel. Les voies orale et cutanée ont donné un indice de danger supérieur à la recommandation de la ligne directrice de l'USEPA, avec et sans considérations de bioaccessibilité. Le danger par inhalation était inférieur à la recommandation de la ligne directrice. Pour la voie cutanée, le danger était plus élevé lorsque la bioaccessibilité était prise en compte dans le scénario industriel. En ce qui concerne le risque cancérogène, la voie orale est la plus importante, suivie de la voie cutanée. Le risque cancérogène global est supérieur au risque acceptable recommandé par la ligne directrice, avec ou sans prise en compte de la bioaccessibilité pour les voies orale et cutanée. Toutefois, étant donné que des valeurs Kp génériques ont été utilisées, une grande incertitude a été associée au calcul du risque par voie cutanée. Il est donc recommandé de mesurer la biodisponibilité pour les évaluations des risques. Bien que les outils et protocoles in vitro évalués dans cette étude se soient révélés utiles pour prédire l'exposition cutanée aux contaminants dans des études préliminaires, il est impératif de procéder à des essais supplémentaires, y compris des essais in vivo sur la peau humaine pour corréler et valider la bioaccessibilité, ainsi que des essais de perméation, afin que les résultats puissent être utilisés efficacement dans la caractérisation des risques.

Department: Department of Civil, Geological and Mining Engineering
Program: Génie minéral
Academic/Research Directors: Gérald J. Zagury
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/53348/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 27 Sep 2023 14:29
Last Modified: 09 Apr 2024 08:48
Cite in APA 7: Marin Villegas, C. A. (2023). Assessment of dermal exposure to metal(loid)s from contaminated soils using in vitro methods [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/53348/

Statistics

Total downloads

Downloads per month in the last year

Origin of downloads

Repository Staff Only

View Item View Item