突發性水污染事故應急健康風險評價

趙艷民,秦延文,鄭丙輝,張 雷,馬迎群 (中國環境科學研究院,環境基準與風險評估國家重點實驗室,國家環境保護河口與海岸帶環境重點實驗室,北京 100012)

突發性水污染事故應急健康風險評價

趙艷民,秦延文,鄭丙輝*,張 雷,馬迎群 (中國環境科學研究院,環境基準與風險評估國家重點實驗室,國家環境保護河口與海岸帶環境重點實驗室,北京 100012)

基于US NAS健康風險評價理論,構建包括危害鑒別、劑量效應評價、暴露評價和風險表征4部分內容的突發性水污染事故應急健康風險評價技術體系.該技術體系充分考慮突發性水污染事故污染物對于人體健康“短時間、高劑量”的暴露特點,提出了突發性水污染事故污染物應急參考濃度的計算方法,以健康危害商值定性描述突發性水污染事故的健康風險,并通過統計推斷健康危害商值的概率分布定量描述突發性水污染事故的健康風險,并實現風險分級.以松花江硝基苯水污染事故為例,對突發性水污染事故應急風險評價技術進行驗證,計算獲取的以保護成人和兒童的應急參考濃度分別為0.175,0.05mg/L,污染事故的健康風險值分別為29%和62%,分別隸屬于中級和高級風險水平.實例表明應急健康風險評價技術體系能夠有效表征突發性水污染事故的健康風險,在一定程度上可以為突發性水污染事故的應急管理提供依據.

突發性水污染事故；健康風險；應急風險評價；硝基苯

據環境保護部環境應急與事故調查中心的相關數據,在全國 4.6萬多家重點行業及化學品企業中,81.3%的企業具有環境風險,72%的企業分布在長江、黃河、珠江和太湖等重點流域沿岸[1],爆發突發性水污染事故的概率較大.據統計,2004～2006年平均每2～3d就有一起水污染事故發生,其中影響較大如2005年松花江硝基苯污染事件[2].近年來,各級政府紛紛把制定突發性污染事故應急預案作為維護社會安全穩定的必選措施,而定量評價其對人體健康危害則是政府制定應急預案的重要依據.健康風險評價是20世紀由美國科學院國家研究委員會(U.S. National Research Council of National Academy of Science,US NAS)提出的出來的包括危害鑒別、劑量-效應評價、暴露評價和風險表征的4項內容的整套體系,用以評估有害因子對人體健康產生的不良影響.目前,健康風險評價理論已經廣泛應用于常規水環境污染對人體健康的影響[3-5].對于突發性水污染事故造成的健康危害的評價,盡管已有研究者開展了探索性工作[6],但如何針對突發性水污染事故“短時間、高劑量”暴露特點開展恰當的健康風險評價,仍需進一步研究.

2005年11月13日,松花江上游吉林市中國石油總公司吉林化學工業公司“雙苯”車間發生爆炸事故,造成新苯胺裝置、硝基苯和苯儲蓄罐報廢和內容物泄露,導致松花江水受到嚴重污染,沿江群眾生產生活受到嚴重威脅,并產生了一系列跨省、跨國界問題[7].眾多研究者從不同角度對此次事故的發生、發展以及影響進行了研究,如張波等通過構建一維水質模型對水污染事故進行水質模擬[8],張洪杰等[9]針對硝基苯污染的處理方法進行綜述,候瑜[10]對松花江水污染事故的經濟社會損失評估進行探討,對于該事故的健康風險評價則研究較少[6],且其研究結果主要關注污染物造成長期慢性影響,對于該事故短期急性暴露的影響尚未有人開展相關健康風險評價.本研究以 2005年松花江硝基苯水污染事故中某控制斷面監測數據為基礎,在考慮充分考慮突發性水污染事故短時間、高劑量暴露特點的基礎上,試圖建立突發性水污染事故應急健康風險評價方法,以期為應急突發性水污染事故的應急風險管理提供技術支撐.

1 突發性水污染事故應急場景

圖1 突發性水污染事故急性暴露場景Fig.1 Exposure scenarios of water pollution accidents

本研究定義的突發性水污染事故是指由于自然原因或人為因素導致特征污染物在短時間內大量進入水環境,導致水體中污染物濃度迅速升高,超過水環境控制標準,影響水體使用功能的事件.突發性水污染事故相關的急性暴露場景,一般可以分為3類[11-12],如圖1. 3種急性暴露場景中,以圖1(B)展示的暴露場景最為普遍,本研究案例分析中選取的松花江硝基苯水污染事故表現為該暴露場景.

2 研究方法

遵循US NAS提出的人體健康風險評價“四步法”,在實際操作中充分考慮突發性水污染事故對于評價受體短時間、高劑量暴露的特點,對基本框架內的相關內容進行界定和解釋,開展突發性水污染事故的應急健康風險評價.

2.1 危害鑒別

危害鑒別主要是通過分析證據權重(WOE),廣泛收集污染物的物理化學性質,毒理學和藥物代謝動力學性質,人體對該物質的暴露途徑和方式,以及在人體內新陳代謝作用等相關資料,對該物質危害人體健康的能力做出判斷[13].按照危害性質,污染物對于人體健康的健康風險可以分為非致癌風險和致癌風險,致癌風險多在污染物質長期暴露條件下評估[14],與本研究針對突發性水污染事故應急健康風險評價的目的不符,因此本研究主要關注污染化學物質的非致癌風險.

2.2 劑量-效應評價

劑量-效應評價是在分析獲取的污染物的毒理學數據的基礎上,通過科學判斷,獲取在一定可接受水平上對于人體的可接受日均暴露量或暴露濃度,對非致癌污染物而言為參考劑量(RfD)或參考濃度(RfC)[16].考慮到突發性水污染事故短時間、高劑量暴露的特點,本研究期望建立適合短時間、高劑量暴露條件下能夠有效保護人體健康的水體中污染物的應急參考濃度(ARfC).ARfC的推導參照US EPA[15]的方法按照以下公式進行推算:

式中,ARfC:應急參考濃度,mg/L;BW:體重,kg;DWI:日均飲水量,L;NOAEL:無可觀察毒性效應水平, mg/(kg·d);LOAEL:最低可觀察毒性效 應 水 平,mg/(kg·d);UF:不 確 定 性 因 子 ,無 量綱;MF:修正因子,無量綱(主要根據已有經驗以及毒性數據完整性、實驗動物數量等進行數據可靠性判斷,一般取值為1[15]).

根據公式(1)ARfC的推導可以分為4個步驟:①污染物急性暴露毒理數據的收集;②NOAEL或LOAEL的確定;③暴露參數BW和DWI的確定;④不確定性因子UF的確定.

污染物急性暴露毒理學數據主要通過全面檢索已經發表的相關資料獲取.目前,美國國家毒理學項目(National toxicology program, NTP)、世界衛生組織國際化學品安全項目(International programmed on chemical safety, IPCS)以及 US EPA 的綜合風險信息系統(Integrated Risk Information System, IRIS)均設置了相應的化學物質毒理學數據庫.

無可觀察毒性效應水平 NOAEL或最低可觀察效應水平LOAEL的確定是推導ARfC的關鍵.對于針對特定暴露場景的污染物 ARfC,NOAEL或LOAEL的暴露時間應與ARfC的暴露時間相對應.如US EPA水辦公室確定的推導急性健康建議值(Health advisory value, HA)方法時規定,采用少于7d的污染物毒理學數據作為計算1d健康建議值(1-day HA),采用暴露時間少于30d暴露的毒理學數據作為推導10d健康建議值(10-day HA)的計算依據[16].

暴露人群的體重(BW)和暴露人群日均飲水量(DWI)是暴露參數中兩項關鍵參數,是評價人體經由飲用水途徑暴露外界物質劑量的重要參數[17].由于目前我國尚未頒布涉及人群暴露參數的權威性文件,因此本研究中的體重以及日均飲水量主要參照USEPA頒布的《暴露參數手冊》[17],手冊中將人群區分為兒童人群和成人人群,各自的體重和飲水量參數值分別為10,70kg和1,2L.

不確定性因子主要根據獲取的毒性數據的特點和性質進行判斷,推導 ARfC中不確定性因子取值方法主要依據USEPA推導RfD中對于不確定性因子 UF的確定準則[18],主要考慮物種內部和物種之間的差異性,確定推導ARfC的UF取值(表1).

表1 應急參考濃度不確定性因子取值Table 1 Uncertainty factors’ value for deriving acute reference concentration

2.3 暴露評價

對于突發性水污染事故,暴露評價的主要內容是闡述相關暴露場景,確定暴露受體,明確暴露濃度.通常以 2種渠道獲取突發性水污染事故的暴露濃度:①事故發生期間的應急監測數據;②根據事故中污染物的泄漏量以及相關的水質水動力參數,利用相關模型擬合獲取.理論上,利用模型擬合獲取的暴露濃度數據更完整,而且能夠開展濃度預測,但實際應用中,由于污染物性質多樣,水文水動力參數復雜,模型獲取的暴露濃度可能存在準確性不足的問題.因此目前仍然主要利用事故發生期間應急監測獲取的暴露濃度制定相關的應急管理政策.

2.4 風險表征

健康風險評價中的風險表征是綜合利用劑量效應評價和暴露評價的相關信息,對污染物對人體健康可能造成的影響進行判斷,定性和定量描述人群健康遭受的相關風險,并對其可信程度或不確定性加以闡述的過程.

2.4.1 風險描述 本研究采用商值法對突發性水污染事故急性健康風險進行闡述.商值法是一種簡單且保守的風險表征方法,主要通過計算化合物的危害商值(HQ)對特定濃度的化合物危害程度進行判斷和表征,其具體的計算方法見式(2):

式中,HQ為危害商值,無量綱;EPC:環境暴露濃度mg/L,本研究中指水體中硝基苯的濃度;ARfC為劑量-效應評價中確定的應急參考濃度 mg/L;HQ＜1,認為不會對健康產生急性危害;HQ≥1會對健康產生急性危害[19].

2.4.2 風險分級 本研究嘗試根據商值概率分布法進行風險分級.假定事故發生期間污染物的HQ符合一定的概率分布,采用Monte Carlo法可對其概率分布進行擬合.擬合獲取的 HQ分布中HQ≥1出現的概率,即對人體健康產生危害的概率定義為風險值(RV),則具體分級標準見表2.

表2 突發性水污染事故風險分級及其代表意義Table 2 Classification and indication of sudden water pollution accident

3 案例-硝基苯污染事故應急健康風險評價

3.1 硝基苯危害鑒別

硝基苯難溶于水,易溶于有機溶劑,硝基苯急性中毒產生包括發紺、意識障礙、高鐵血紅蛋白、昏迷等癥狀,對于腎臟損害具有損害,長期暴露可造成溶血及肝損害[20].根據世界衛生組織和USEPA環保局綜合風險信息系統(Integrated Risk Information System, IRIS)的數據,硝基苯隸屬于可疑人類致癌物,但至今仍缺乏人體攝入硝基苯患癌的證據,尤其缺乏經口服暴露的致癌證據[21-22].

3.2 硝基苯的“劑量-效應”評價

3.2.1 硝基苯毒理學數據收集 本研究主要關注暴露時間不超過 30d的急性以及短期暴露毒性數據,最終篩選的毒性數據如表3.

3.2.2 硝基苯應急參考濃度的計算 依據上述方法推導硝基苯應急參考濃度 ARfC.首先收集了部分硝基苯毒性數據,考慮突發性水污染事故應急評估的特點,選擇暴露時間為28d,以F344大鼠作為暴露動物,毒性終點為LOAEL的Shimo[25]的毒理學數據作為計算突發性水污染事故硝基苯應急參考濃度ARfC的基礎毒性數據.根據表1中不確定性因子的取值規則,動物實驗的LOAEL不確定性因子UF取值1000,根據公式(1)以及表 1中暴露參數的取值,計算獲取硝基苯突發性水污染事故應急參考濃度ARfC如下:

表3 硝基苯的急性毒性Table 3 Acute toxicity of nitrobenzene

3.3 硝基苯暴露評價

3.3.1 暴露場景分析 對于本研究選取的控制斷面,硝基苯污染團通量過境主要發生遷移轉化作用主要包括:①部分硝基苯吸附并蓄積于河床沉積物中;②部分硝基苯通過揮發作用進入空氣中;③部分硝基苯因河水結冰凍結在冰面之中;④硝基苯隨水流的縱向橫向運動進行擴散稀釋;⑤硝基苯在理化條件發生變化的情況下轉化為其他物質;⑥硝基苯被微生物利用和分解.本研究主要關注以松花江作為飲用水源地取水的風險,因此主要關注水體中硝基苯對人體的暴露.暴露人群的選擇上,除了成人之外,選擇對于污染物較為敏感的兒童作為保護對象.

3.3.2 暴露濃度 本研究中選擇2005年松花江硝基苯污染事件中吉林段某一監測斷面自11月13日事故爆發,至12月2日應急監測的硝基苯濃度開始低高于地表水質量標準 GB3838-2002[28]規定的集中式飲用水源地硝基苯濃度限值(0.017mg/L)為本次污染事故的暴露濃度.為保證突發性水污染事故中硝基苯的濃度對數轉化后為正值,濃度按公式(3)進行轉化,并利用Crystalball自帶的軟件包對數據分布模式進行檢驗,尋找其最佳分布模式.

應急監測期間硝基苯濃度參數統計見表 4.事故應急監測期間硝基苯最大濃度高達3.61mg/L,平均值為0.38mg/L.對其數據分布模式進行檢驗,結果表明硝基苯應急監測濃度符合“log-logistic”分布,其參數值為:mean=3.90、scale=0.47.

表4 水污染事故中硝基苯濃度參數統計Table 4 Statistic summary of nitrobenzene concentration in water environment accident

3.4 風險表征

3.4.1 硝基苯風險描述 如圖2所示,事故期間硝基苯對成人的危害最大商值為 20.65,對兒童的危害最大商值則高達 72.26,表明事故期間硝基苯可對人體健康產生較大危害.硝基苯對兒童比成人的毒性更強,事故應急的22次監測中對于成年人自第7次監測開始,危害商值開始小于1,表明自此時硝基苯對于成人的危害風險降低至可接受的水平;而對于兒童而言,隨著硝基苯濃度的波動,兒童的危害商值直至第19次才穩定的低于1,即硝基苯的風險開始降低至可接受水平.

圖2 硝基苯的危害商值Fig.2 Hazard quotient of nitrobenzene

圖3 硝基苯商值概率分布及累計概率分布曲線Fig.3 Distribution of probability density and cumulative probability of hazard quotients of nitrobenzene

3.4.2 硝基苯風險分級 由于獲取的突發性硝基苯污染事故危害商值數值之間差異較大,本研究將危害商值利用公式(4)進行對數轉化,并采用Monte Carlo(5000次隨機抽樣)模擬暴露商值的分布,結果見圖3.

如圖3可知,對數轉化危害商值等于5時(即為危害商值=1)對應的累積概率值成人為0.71,兒童為0.38,則,成人和兒童危害商值≥1的概率即本研究提出的風險值 RV分別為 29%(100%-0.71×100%)和 62%(100%-0.38×100%),根據本研究確定的風險分級方法,硝基苯污染事故對成人屬于中級風險,對兒童屬于高風險.

3.5 不確定性分析以上風險評價結果存在一定的不確定性,主要原因包括:

(1) 水體中硝基苯濃度的不確定性.由于冬季水流量較低,流速也較為緩慢,而硝基苯屬于難溶于水的物質,短期內硝基苯并未與水體充分混合,形成污染團,此外,硝基苯在水體、沉積物、懸浮顆粒物以及冰層之間表現出一種動態平衡關系,導致短時間內水體中硝基苯的濃度不穩定.應急健康風險評價存在一定的不確定性.

(2) 暴露參數的不確定性.由于我國頒布相關的包括飲水量、體重等相關暴露參數,論文引用了美國的暴露參數,但美國人口和中國人口體征和生活習慣存在較大差異,如中國習慣飲用燒開的水,而美國則習慣直接飲用,直接套用美國的暴露參數進行健康風險評價存在一定的不確定性.此外,本研究沒有將城市和農村人群加以區分,農村人口勞動強度較大,飲用水量可能高于城市人群,使用統一的暴露參數,存在一定的不確定性.

(3) 毒理學數據的不確定性.由于本研究目的是開展應急人體健康風險評價,但涉及人體健康的硝基苯毒性數據較為缺乏,因此只能選擇動物毒理數據推導應急參考濃度 ARfC.在毒理數據的選擇上,篩除了與人類親緣關系較遠的無脊椎動物毒理學數據,盡量選擇以哺乳動物為暴露生物的毒理學數據,最終選擇大鼠暴露試驗的LOAEL推導ARfC.對于計算ARfC的不確定性因子,論文主要考慮了物種內部差異產生不確定性,物種之間差異產生的不確定性以及以LOAEL替代NOAEL推導ARfC產生的不確定性,因此取值 1000.而毒理學實驗中存在諸多的不確定性,導致產生的毒理學數據也存在一定的不確定性,以此推導的 ARfC以及開展的應急健康風險評價工作同樣存在不確定性.

(4) 暴露人群的不確定性.不同人群對硝基苯的敏感度差異很大,論文探討了突發性硝基苯事故中對成人以及兒童的健康風險,然而,其他人群如孕婦、嬰幼兒、老年人可能對硝基苯暴露更為敏感,因此論文的應急健康風險評價存在不確定性.

3.6 建議

突發性水污染事故的健康風險評價需要整合包括毒理學數據、環境背景濃度、應急監測數據等相關資料.然而,我國目前毒理學數據積累較少且未經過系統整理,無法滿足應急風險評價及時、有效的特點,建議建立我國特征風險化學品的毒理學數據平臺,收集篩選特征風險化學品的毒理學數據,為開展相應的健康風險評價提供基礎.此外,我國尚未頒布基于全國范圍調查,反映中國人群特征的暴露參數手冊,目前只能應用美國EPA頒布的人群暴露參數手冊,增大了風險評價的不確定性.因此,建議國內相關部門構建相應的毒理學數據庫;盡快頒布適合我國人群特征的暴露參數手冊.

4 結論

4.1 本研究在US NAS健康風險評價四步法的基礎上,充分考慮突發性水污染事故短時間、高劑量的暴露特征,構建基于健康風險的突發性水污染事故應急人體健康風險評價技術體系,實現突發性水污染事故風險的表征和分級.

4.2 在已有硝基苯毒理學數據以及松花江硝基苯事故某斷面應急監測數據的基礎上,突發性水污染事故中保護兒童與成年人的硝基苯應急參考濃度可初步確定為 0.05和0.175mg/L,本斷面硝基苯對兒童和成人的風險值為62%和29%,分別屬于高級和中級風險.

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Emergency health risk assessment of water pollution accident.

ZHAO Yan-min, QIN Yan-wen, ZHENG Bing-hui*,ZHANG lei, MA Ying-qun
(State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, State Environmental Protection Key Laboratory of Estuary and Coastal Environment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China). China Environmental Science, 2014,34(5)：1328～1335

Based on the health risk assessment theory of US NAS (U.S. National Research Council of National Academy of Science)’, a four-step of methodological framework of emergency health risk assessment of water pollution accidents that includes hazard identification, dose-response assessment, exposure assessment and risk characterization was developed. Considering the characteristics of short term, high dose exposure of the sudden water pollution accidents, the method specified for acute reference concentration was proposed, as well as quotient method and probability distribution of quotients were recommended for risk characterization and classification. The Songhua River nitrobenzene water pollution accident was used as an example for verifying the feasibility of the framework of emergency health risk assessment of sudden water pollution accident. Acute reference concentration of nitrobenzene to protect the health of adults and children was calculated by using present method and the value was 0.175and 0.05mg/L, respectively. Risk percentage of the nitrobenzene water accident was 29% and 62%, and the risk grade was middle and high, respectively.The results showed that acute health risk of water pollution accident can be characterized by this emergency health risk assessment. Finally, the difficulties in China carrying out emergency health risk assessment of water accident were discussed, and some suggestions were given.

water pollution accidents；health risk；emergency risk assessment；nitrobenzene

X820

A

1000-6923(2014)05-1328-08

2013-08-16

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX7503)

* 責任作者, 研究員, zhengbh@craes.org.cn

趙艷民(1979-),男,河北遵化人,副研究員,博士,研究方向為環境毒理與風險評價.發表論文20篇.