基準劑量法在水質基準中的應用

周振，姚吉倫，謝彬，代俊杰

（解放軍后勤工程學院，重慶 401311）

基準劑量法在水質基準中的應用

周振，姚吉倫，謝彬，代俊杰

（解放軍后勤工程學院，重慶 401311）

基準劑量法作為一種新的確定參考劑量的方法，在運用于水質基準風險評價中制訂非致癌物的可接受水平時，彌補了以往采用未觀察到不良效應水平（NOAEL）作為指標的不足。該方法能從數理統計學的角度解釋和發展劑量反應關系，體現了顯著的科學性，已成為毒理學界確定參考劑量（RFD）的一種有效方法。首先，從水質基準的定義、分類、水質基準和水質標準的區別及水質基準方法學4個方面闡述了水質基準的相關概念。其次，詳細總結了水質基準的國內外相關研究。然后，介紹了我國飲用水水質基準值的計算公式。再次，運用統計學知識詳細闡明了基準劑量法的原理。最后，結合我國水環境質量標準管理體系的現狀，提出了我國水質標準需要進一步完善的方面，以及開展我國水質基準研究的重要性和迫切性，并對下一步研究重點做出了展望。

水質基準；水質標準；基準劑量法；角形法

1 水質基準的相關概念

1.1 定義

水質基準（Water Quality Criteria）作為水環境質量基準的簡稱，是指環境中的污染物對特定對象不產生有害影響的最大濃度或劑量［1］。實際上，水質基準并不是一個確定的限值或閾值，而是一個取決于不同保護對象的一個區間值［2］。

1.2 分類

按照受保護對象的不同，水質基準主要可分為保護人群健康水質基準和保護水生生物水質基準。

按照水體使用功能的差異，水質基準又可以分為農業用水水質基準、工業用水質基準、生活用水水質基準、漁業用水水質基準及休閑娛樂用水水質基準等［3］。

依據水質基準表述形式的差異，可以分為描述式和數值式水質基準，描述式水質基準主要針對濁度等環境水體中難以確定具體污染物質的基準，而對于能夠確定環境水體中污染物種類的，則用濃度值定義。根據環境水體中污染物的種類不同，水質基準囊括了有機物、營養鹽、重金屬、病原菌等基準。

1.3 水質基準和水質標準的區別

水質基準和水質標準是一個完整的水環境管理體系不可或缺的兩個方面［4］。

作為制定水質標準的根據，水質基準（Water Quality Criteria）是一個自然科學范疇的概念，是依據污染物和生物體之間的濃度—反應關系結合相關理論推導，進行科學研判而得到的客觀結果，技術上的可行性、經濟效益是否顯著等因素在獲取水質基準的過程中并未考慮。

水質標推（Water Quality Standard）是國家相關部門以水質基準為依據，并考慮技術、經濟、社會等因素，經過綜合分析所制定的具有法律效力的水環境有害物容許含量［5］。

1.4 水質基準方法學

確定水介質中各類污染物的劑量（濃度）與人群健康相互響應（反應）間的對應定量關系是確定水質基準的關鍵所在［6］。鑒于試驗生物的死亡、生長、繁殖或各種異常行為的急慢性毒性試驗數據是水質基準的主要數據來源。為確保大部分人群在受到水質基準之內的污染程度作用時，能免受不可接受危害的影響，還需借助一定的定值方法來克服毒性數據有限的缺陷，基于此才能構建各種污染物的水質基準值。由此可知水質基準的定值方法學是建立水質基準的核心所在［7］。通過尋找一種對所研究的特定污染物反應較為靈敏的物種對此污染物的忍耐閾值，是目前各類水質基準定值方法共同之處，再由該閾值外推此類污染物的水質基準，以此來保護大多數人群的安全。

2 水質基準的國內外相關研究

2.1 國外

作為最早進行水質基準研究的先行者，美國自20世紀60年代以后，相繼頒布了《綠皮書》、《藍皮書》、《紅皮書》和《金皮書》等有關水環境基準的文獻，形成了一套較為完備的水質基準體系。美國環保署（US EPA）于2000年頒布了《推導保護人體健康水質基準方法學指南》，該指南系統闡述了人體健康水質基準的推導方法。2002年，2004年和2006年美環保署又分別對美國水質基準指南進行了修訂完善［8］。美國最新的水質基準文件是由環保署于2009年頒布實施，47類非優先控制污染物和120類優先控制污染物，總計167類污染物囊括其中，這些污染物不僅有淡水、海水水質基準值，還包含了急性、慢性基準值［1］。澳大利亞、新西蘭、歐盟、加拿大及荷蘭等國家或地區在2000年以后也相繼頒布或修訂了各自的水質基準文件［3］。

2.2 國內

涉及水質基準的相關研究在我國起步較晚，大多源自對國外文獻的收集、介紹與整理［3］。例如，1981年，王明俊［9］對水質基準和標準的概念以及相互之間的關系進行了介紹，同時總結了由基準向標準變換的方法，并對1972年美國水質基準中75個有關淡水水生生物和海洋水生生物的建議基準值進行了分析。1996年，張彤和金洪鈞敘述了水生態基準的概念，概括了美國水生態基準的研究狀況，介紹了美國環保署推薦的《推導保護水生生物及其用途的國家水質基準技術指南》的內容，同時根據我國水生生物區系的特性，闡釋了在我國開展水環境基準研究的必要性。2005年，周忻等［10］在美環保署出版的環境水質基準推導方法的基礎上，探討了非致癌有機物環境水質基準的理論推導過程。同年，面對我國水系污染的嚴峻態勢，吳豐昌等［3］闡明了我國開展水質基準區域性研究的迫切性和重要意義，提出了盡快根據我國區域特征建立水環境水質基準理論、方法和技術是目前我國環境管理的重要任務，展望了水環境基準的研究趨勢和發展方向。2010年，我國第一部系統論述水質基準理論方法學的著作，由中國環境科學研究院［11］編輯出版，該書依據我國生物區系特征與水質基準案例，總結了國外先進的水質基準研究方法，闡述了水質基準研究中的疑問。

3 我國飲用水水質基準值的計算

我國飲用水水質基準值計算公式為［11］

式中HBV為飲用水水質基準值（mg/L）；BMDL為基準劑量的95%置信下限［mg/（kg·d）］；BW為人體體重（kg）；RSC為飲用水占總攝入量的貢獻率；UF為不確定系數；Water intake為每天飲用水量（L/d）。

式（1）中基準劑量的95%置信下限較難確定，需要利用基準劑量法求解，基準劑量法將在下一節中詳細介紹。

4 基準劑量法

4.1 定義

近年來，隨著生物醫學統計研究的快速發展、計算機技術的普及應用及流行病學數據和人體毒性效應數據的逐步完善，促進了基準劑量法（BMD）成為一種新的確定參考劑量方法的發展。美國環境保護署對基準劑量法（BMD）的定義是：依據劑量—反應曲線得到的，和背景值相比較，達到預先確定的損害效應發生率的統計學置信區間的劑量［12］。

Crump［13］為克服未見有害作用量法（NOAEL）的明顯缺陷，早在1984年首次提出了基準劑量法（BMD）。用BMD的可信區間下限值（BMDL）來代替未見有害作用量（NOAEL）進行可接受安全暴露水平的評定，以此糾正傳統的NOAEL在風險評價中確定非致癌物的危險度時存在的不足。

4.2 優缺點

4.2.1 優點

（1）利用統計學理論降低了試驗設計過程中的隨機誤差，達到了BMD值對試驗劑量依賴性減小的目的［14］。

（2）考慮到試驗數據存在誤差，將推導安全暴露水平的起始點用基準劑量下限值（BMDL）來代替，使得樣本量的處理方式更為合理，試驗設計更加科學。

（3）結論的可靠性增加。所有劑量—反應統計數據資料經過BMD法得到了充分利用，而且數據的不確定性和變異性通過置信區間下限值（BMDL）得到了量化，使得結論更加可靠。

4.2.2 缺點

（1）此種方法需要運用復雜的數理統計方法，構建劑量—反應模型，進行分析評價。

（2）基準劑量法只適合于符合擬合要求的試驗數據，并對響應數據也有相關要求，即試驗所含的劑量組數要大于響應模型中的參數個數［14］，這一局限性限制了基準劑量法的推廣使用。

4.3 推導過程

基準劑量的計算是通過建立合適的數學模型對觀察資料進行擬合，并通過運用模擬的數學模型預估造成預定概率（基準反應率）響應的相應劑量［15］，劑量—反應關系示意圖如圖1［12］。

以multistage模型為例，推導水質基準值，其余模型類似。

multistage模型［16］樣本出現毒害效應概率

所以，在劑量di作用下目標數Ni中顯現出毒害效應的樣本數B（Ni，pi），得：

圖1劑量—響應關系示意

定義額外危險度［17］

其中，R（0）為本底值。

又函數BMD非零且一階導數存在，滿足delta法［18］的使用條件，有：

由式（12）可得：

求得置信區間為：

置信下限為：

至此已求出參數BMDL，將式（15）代入式（1）中即可求出水質基準值。

4.4 基準劑量法的使用步驟

通常來說，運用基準劑量法確定一項研究的BMDL涉及5個主要步驟，如圖2。

圖2基準劑量法的使用步驟

5建議與展望

雖然我國已經在水環境質量標準體系方面進行了系列研究，但與歐美等發達國家相比差距仍舊明顯。因此，在研制標準的方式上，除繼續沿用原有標準制定的方法外，還應積極引入國外先進成熟的標準體系，再根據我國的水環境區域特征加以檢驗、擴充和修正［19］。同時需進一步開展水環境質量標準和基準基本原理與定值方法學研究，研究我國水環境質量標準的體系、污染物種類、標準閾值與評價方法。加快健全我國水環境生態毒理學數據庫，實施符合我國水環境生態區系的環境基準驗證和等效研究，完善水質基準研究方法、擴充流行病學數據和人體毒性效應數據的儲備等［7］。

［1］USEPA.National Recommended Water Quality Criteria［R］.Washington DC：Office of Water，Office of Science and Technology，2009.

［2］閆振廣，孟偉，劉征濤，等.我國淡水水生生物鎘基準研究［J］.環境科學學報，2009，29：2393-2406.

［3］馮承蓮，吳豐昌，趙曉麗，等.水質基準研究與進展［J］.中國科學：地球科學，2012，42（5）：646-656.

［4］吳豐昌，孟偉，宋永會，等.中國湖泊水環境基準的研究進展［J］.環境科學學報，2008，28（12）：2385-2393．

［5］周啟星.環境基準研究與環境標準制定進展及展望［J］.生態與農村環境學報，2010，26（1）：1-8.

［6］Stephan，C.E.，Mount，D.I.，Hansen，D.J.，et al.Guide-lines for Deriving Numerical NationalWater Quality Criteria for the Protection of Aquatic Organisms and Their Uses［R］．Office of Research and Development.United States Environ-mental Protection Agency：Washington，DC.1985.

［7］穆景利，王菊英，張志峰，等.海水水質基準的定值方法與我國海水水質基準研究的構想［A］.中國環境科學學會環境標準與基準專業委員會2010年學術研討會論文集［C］.北京：中國環境科學學會環境標準與基準專業委員會，2010：50-59.

［8］嚴莎.苯系物對我國典型魚類和水生植物的毒害效應及其水質基準的研究［D］.天津：南開大學，2012.

［9］王明俊.水質的基準和標準［J］.海洋通報，1981（3）：77-85.

［10］周忻，劉存，張愛茜，等.非致癌有機物水質基準的推導方法研究［J］.環境保護科學，2005，31（1）：22-26.

［11］中國環境科學研究院.水質基準的理論與方法學導論［M］.北京：科學出版社，2010.

［12］J.Allen Davis，Jeffrey S.Gift，Q.Jay Zhao.Introduction to benchmark dose methods and U.S.EPA's benchmark dose software（BMDS）version 2.1.1［J］.Toxicology and Applied Pharmacology，2011，254：181-191.

［13］Crump KS.A new method for determining allowable daily intakes［J］.Fundam Appl Toxicol，1984，4（5）：854-871.

App lication of bench mark dosemethod to water quality criteria

ZHOU Zhen，YAO Ji-lun，XIE Bin，DAIJun-jie
（Logistical Engineering University of PLA,Chongqing 401311，China）

Benchmark dosemethod as a new method to determine the reference dose，making up the deficiency of the No Observed Adverse Effect Level as an indicator of acceptable levels of the non-carcinogens in water quality criteria risk as-sessment previously.BMD has become amethod to determining the Reference Dose in toxicology，which understanding and developing the dose-response relationship from the perspectiveofmathematics，and reflecting the scientific significance.First，the concept，classification，the distinguish between water quality criteria and water quality standard，the methodology of derivation ofwater quality criteria are introduced.Second，the relevant research of domestic and abroad water quality criteria are summarized in detail.Third，the calculation formula of drinkingwater quality criteria in china are introduced.Then，the principles of BMD are introduced in particulars through science of statistics.Finally，combined with thewater quality stan-dard management system status，some problems and aspects to be further improved and perfected of Chinese water quality standards aswell as the importance and urgency of Chinese water quality criteria studies are proposed.Countermeasures on revision of thewater quality standards are put forward，and future research directions in water quality criteria are outlined.

water quality criteria；water quality standard；benchmark dose；deltamethod

X703

B

1672-9900（2015）01-0056-05

2014-11-04

周振（1990-），男（漢族），湖南湘潭人，碩士，主要從事給水處理研究，（Tel）13110209668。