突发性水污染事故应急健康风险评价

赵艳民,秦延文,郑丙辉,张 雷,马迎群 (中国环境科学研究院,环境基准与风险评估国家重点实验室,国家环境保护河口与海岸带环境重点实验室,北京 100012)

突发性水污染事故应急健康风险评价

赵艳民,秦延文,郑丙辉*,张 雷,马迎群 (中国环境科学研究院,环境基准与风险评估国家重点实验室,国家环境保护河口与海岸带环境重点实验室,北京 100012)

基于US NAS健康风险评价理论,构建包括危害鉴别、剂量效应评价、暴露评价和风险表征4部分内容的突发性水污染事故应急健康风险评价技术体系.该技术体系充分考虑突发性水污染事故污染物对于人体健康“短时间、高剂量”的暴露特点,提出了突发性水污染事故污染物应急参考浓度的计算方法,以健康危害商值定性描述突发性水污染事故的健康风险,并通过统计推断健康危害商值的概率分布定量描述突发性水污染事故的健康风险,并实现风险分级.以松花江硝基苯水污染事故为例,对突发性水污染事故应急风险评价技术进行验证,计算获取的以保护成人和儿童的应急参考浓度分别为0.175,0.05mg/L,污染事故的健康风险值分别为29%和62%,分别隶属于中级和高级风险水平.实例表明应急健康风险评价技术体系能够有效表征突发性水污染事故的健康风险,在一定程度上可以为突发性水污染事故的应急管理提供依据.

突发性水污染事故；健康风险；应急风险评价；硝基苯

据环境保护部环境应急与事故调查中心的相关数据,在全国 4.6万多家重点行业及化学品企业中,81.3%的企业具有环境风险,72%的企业分布在长江、黄河、珠江和太湖等重点流域沿岸[1],爆发突发性水污染事故的概率较大.据统计,2004～2006年平均每2～3d就有一起水污染事故发生,其中影响较大如2005年松花江硝基苯污染事件[2].近年来,各级政府纷纷把制定突发性污染事故应急预案作为维护社会安全稳定的必选措施,而定量评价其对人体健康危害则是政府制定应急预案的重要依据.健康风险评价是20世纪由美国科学院国家研究委员会(U.S. National Research Council of National Academy of Science,US NAS)提出的出来的包括危害鉴别、剂量-效应评价、暴露评价和风险表征的4项内容的整套体系,用以评估有害因子对人体健康产生的不良影响.目前,健康风险评价理论已经广泛应用于常规水环境污染对人体健康的影响[3-5].对于突发性水污染事故造成的健康危害的评价,尽管已有研究者开展了探索性工作[6],但如何针对突发性水污染事故“短时间、高剂量”暴露特点开展恰当的健康风险评价,仍需进一步研究.

2005年11月13日,松花江上游吉林市中国石油总公司吉林化学工业公司“双苯”车间发生爆炸事故,造成新苯胺装置、硝基苯和苯储蓄罐报废和内容物泄露,导致松花江水受到严重污染,沿江群众生产生活受到严重威胁,并产生了一系列跨省、跨国界问题[7].众多研究者从不同角度对此次事故的发生、发展以及影响进行了研究,如张波等通过构建一维水质模型对水污染事故进行水质模拟[8],张洪杰等[9]针对硝基苯污染的处理方法进行综述,候瑜[10]对松花江水污染事故的经济社会损失评估进行探讨,对于该事故的健康风险评价则研究较少[6],且其研究结果主要关注污染物造成长期慢性影响,对于该事故短期急性暴露的影响尚未有人开展相关健康风险评价.本研究以 2005年松花江硝基苯水污染事故中某控制断面监测数据为基础,在考虑充分考虑突发性水污染事故短时间、高剂量暴露特点的基础上,试图建立突发性水污染事故应急健康风险评价方法,以期为应急突发性水污染事故的应急风险管理提供技术支撑.

1 突发性水污染事故应急场景

图1 突发性水污染事故急性暴露场景Fig.1 Exposure scenarios of water pollution accidents

本研究定义的突发性水污染事故是指由于自然原因或人为因素导致特征污染物在短时间内大量进入水环境,导致水体中污染物浓度迅速升高,超过水环境控制标准,影响水体使用功能的事件.突发性水污染事故相关的急性暴露场景,一般可以分为3类[11-12],如图1. 3种急性暴露场景中,以图1(B)展示的暴露场景最为普遍,本研究案例分析中选取的松花江硝基苯水污染事故表现为该暴露场景.

2 研究方法

遵循US NAS提出的人体健康风险评价“四步法”,在实际操作中充分考虑突发性水污染事故对于评价受体短时间、高剂量暴露的特点,对基本框架内的相关内容进行界定和解释,开展突发性水污染事故的应急健康风险评价.

2.1 危害鉴别

危害鉴别主要是通过分析证据权重(WOE),广泛收集污染物的物理化学性质,毒理学和药物代谢动力学性质,人体对该物质的暴露途径和方式,以及在人体内新陈代谢作用等相关资料,对该物质危害人体健康的能力做出判断[13].按照危害性质,污染物对于人体健康的健康风险可以分为非致癌风险和致癌风险,致癌风险多在污染物质长期暴露条件下评估[14],与本研究针对突发性水污染事故应急健康风险评价的目的不符,因此本研究主要关注污染化学物质的非致癌风险.

2.2 剂量-效应评价

剂量-效应评价是在分析获取的污染物的毒理学数据的基础上,通过科学判断,获取在一定可接受水平上对于人体的可接受日均暴露量或暴露浓度,对非致癌污染物而言为参考剂量(RfD)或参考浓度(RfC)[16].考虑到突发性水污染事故短时间、高剂量暴露的特点,本研究期望建立适合短时间、高剂量暴露条件下能够有效保护人体健康的水体中污染物的应急参考浓度(ARfC).ARfC的推导参照US EPA[15]的方法按照以下公式进行推算:

式中,ARfC:应急参考浓度,mg/L;BW:体重,kg;DWI:日均饮水量,L;NOAEL:无可观察毒性效应水平, mg/(kg·d);LOAEL:最低可观察毒性效 应 水 平,mg/(kg·d);UF:不 确 定 性 因 子 ,无 量纲;MF:修正因子,无量纲(主要根据已有经验以及毒性数据完整性、实验动物数量等进行数据可靠性判断,一般取值为1[15]).

根据公式(1)ARfC的推导可以分为4个步骤:①污染物急性暴露毒理数据的收集;②NOAEL或LOAEL的确定;③暴露参数BW和DWI的确定;④不确定性因子UF的确定.

污染物急性暴露毒理学数据主要通过全面检索已经发表的相关资料获取.目前,美国国家毒理学项目(National toxicology program, NTP)、世界卫生组织国际化学品安全项目(International programmed on chemical safety, IPCS)以及 US EPA 的综合风险信息系统(Integrated Risk Information System, IRIS)均设置了相应的化学物质毒理学数据库.

无可观察毒性效应水平 NOAEL或最低可观察效应水平LOAEL的确定是推导ARfC的关键.对于针对特定暴露场景的污染物 ARfC,NOAEL或LOAEL的暴露时间应与ARfC的暴露时间相对应.如US EPA水办公室确定的推导急性健康建议值(Health advisory value, HA)方法时规定,采用少于7d的污染物毒理学数据作为计算1d健康建议值(1-day HA),采用暴露时间少于30d暴露的毒理学数据作为推导10d健康建议值(10-day HA)的计算依据[16].

暴露人群的体重(BW)和暴露人群日均饮水量(DWI)是暴露参数中两项关键参数,是评价人体经由饮用水途径暴露外界物质剂量的重要参数[17].由于目前我国尚未颁布涉及人群暴露参数的权威性文件,因此本研究中的体重以及日均饮水量主要参照USEPA颁布的《暴露参数手册》[17],手册中将人群区分为儿童人群和成人人群,各自的体重和饮水量参数值分别为10,70kg和1,2L.

不确定性因子主要根据获取的毒性数据的特点和性质进行判断,推导 ARfC中不确定性因子取值方法主要依据USEPA推导RfD中对于不确定性因子 UF的确定准则[18],主要考虑物种内部和物种之间的差异性,确定推导ARfC的UF取值(表1).

表1 应急参考浓度不确定性因子取值Table 1 Uncertainty factors’ value for deriving acute reference concentration

2.3 暴露评价

对于突发性水污染事故,暴露评价的主要内容是阐述相关暴露场景,确定暴露受体,明确暴露浓度.通常以 2种渠道获取突发性水污染事故的暴露浓度:①事故发生期间的应急监测数据;②根据事故中污染物的泄漏量以及相关的水质水动力参数,利用相关模型拟合获取.理论上,利用模型拟合获取的暴露浓度数据更完整,而且能够开展浓度预测,但实际应用中,由于污染物性质多样,水文水动力参数复杂,模型获取的暴露浓度可能存在准确性不足的问题.因此目前仍然主要利用事故发生期间应急监测获取的暴露浓度制定相关的应急管理政策.

2.4 风险表征

健康风险评价中的风险表征是综合利用剂量效应评价和暴露评价的相关信息,对污染物对人体健康可能造成的影响进行判断,定性和定量描述人群健康遭受的相关风险,并对其可信程度或不确定性加以阐述的过程.

2.4.1 风险描述 本研究采用商值法对突发性水污染事故急性健康风险进行阐述.商值法是一种简单且保守的风险表征方法,主要通过计算化合物的危害商值(HQ)对特定浓度的化合物危害程度进行判断和表征,其具体的计算方法见式(2):

式中,HQ为危害商值,无量纲;EPC:环境暴露浓度mg/L,本研究中指水体中硝基苯的浓度;ARfC为剂量-效应评价中确定的应急参考浓度 mg/L;HQ＜1,认为不会对健康产生急性危害;HQ≥1会对健康产生急性危害[19].

2.4.2 风险分级 本研究尝试根据商值概率分布法进行风险分级.假定事故发生期间污染物的HQ符合一定的概率分布,采用Monte Carlo法可对其概率分布进行拟合.拟合获取的 HQ分布中HQ≥1出现的概率,即对人体健康产生危害的概率定义为风险值(RV),则具体分级标准见表2.

表2 突发性水污染事故风险分级及其代表意义Table 2 Classification and indication of sudden water pollution accident

3 案例-硝基苯污染事故应急健康风险评价

3.1 硝基苯危害鉴别

硝基苯难溶于水,易溶于有机溶剂,硝基苯急性中毒产生包括发绀、意识障碍、高铁血红蛋白、昏迷等症状,对于肾脏损害具有损害,长期暴露可造成溶血及肝损害[20].根据世界卫生组织和USEPA环保局综合风险信息系统(Integrated Risk Information System, IRIS)的数据,硝基苯隶属于可疑人类致癌物,但至今仍缺乏人体摄入硝基苯患癌的证据,尤其缺乏经口服暴露的致癌证据[21-22].

3.2 硝基苯的“剂量-效应”评价

3.2.1 硝基苯毒理学数据收集 本研究主要关注暴露时间不超过 30d的急性以及短期暴露毒性数据,最终筛选的毒性数据如表3.

3.2.2 硝基苯应急参考浓度的计算 依据上述方法推导硝基苯应急参考浓度 ARfC.首先收集了部分硝基苯毒性数据,考虑突发性水污染事故应急评估的特点,选择暴露时间为28d,以F344大鼠作为暴露动物,毒性终点为LOAEL的Shimo[25]的毒理学数据作为计算突发性水污染事故硝基苯应急参考浓度ARfC的基础毒性数据.根据表1中不确定性因子的取值规则,动物实验的LOAEL不确定性因子UF取值1000,根据公式(1)以及表 1中暴露参数的取值,计算获取硝基苯突发性水污染事故应急参考浓度ARfC如下:

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

3.3 硝基苯暴露评价

3.3.1 暴露场景分析 对于本研究选取的控制断面,硝基苯污染团通量过境主要发生迁移转化作用主要包括:①部分硝基苯吸附并蓄积于河床沉积物中;②部分硝基苯通过挥发作用进入空气中;③部分硝基苯因河水结冰冻结在冰面之中;④硝基苯随水流的纵向横向运动进行扩散稀释;⑤硝基苯在理化条件发生变化的情况下转化为其他物质;⑥硝基苯被微生物利用和分解.本研究主要关注以松花江作为饮用水源地取水的风险,因此主要关注水体中硝基苯对人体的暴露.暴露人群的选择上,除了成人之外,选择对于污染物较为敏感的儿童作为保护对象.

3.3.2 暴露浓度 本研究中选择2005年松花江硝基苯污染事件中吉林段某一监测断面自11月13日事故爆发,至12月2日应急监测的硝基苯浓度开始低高于地表水质量标准 GB3838-2002[28]规定的集中式饮用水源地硝基苯浓度限值(0.017mg/L)为本次污染事故的暴露浓度.为保证突发性水污染事故中硝基苯的浓度对数转化后为正值,浓度按公式(3)进行转化,并利用Crystalball自带的软件包对数据分布模式进行检验,寻找其最佳分布模式.

应急监测期间硝基苯浓度参数统计见表 4.事故应急监测期间硝基苯最大浓度高达3.61mg/L,平均值为0.38mg/L.对其数据分布模式进行检验,结果表明硝基苯应急监测浓度符合“log-logistic”分布,其参数值为:mean=3.90、scale=0.47.

表4 水污染事故中硝基苯浓度参数统计Table 4 Statistic summary of nitrobenzene concentration in water environment accident

3.4 风险表征

3.4.1 硝基苯风险描述 如图2所示,事故期间硝基苯对成人的危害最大商值为 20.65,对儿童的危害最大商值则高达 72.26,表明事故期间硝基苯可对人体健康产生较大危害.硝基苯对儿童比成人的毒性更强,事故应急的22次监测中对于成年人自第7次监测开始,危害商值开始小于1,表明自此时硝基苯对于成人的危害风险降低至可接受的水平;而对于儿童而言,随着硝基苯浓度的波动,儿童的危害商值直至第19次才稳定的低于1,即硝基苯的风险开始降低至可接受水平.

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

图3 硝基苯商值概率分布及累计概率分布曲线Fig.3 Distribution of probability density and cumulative probability of hazard quotients of nitrobenzene

3.4.2 硝基苯风险分级 由于获取的突发性硝基苯污染事故危害商值数值之间差异较大,本研究将危害商值利用公式(4)进行对数转化,并采用Monte Carlo(5000次随机抽样)模拟暴露商值的分布,结果见图3.

如图3可知,对数转化危害商值等于5时(即为危害商值=1)对应的累积概率值成人为0.71,儿童为0.38,则,成人和儿童危害商值≥1的概率即本研究提出的风险值 RV分别为 29%(100%-0.71×100%)和 62%(100%-0.38×100%),根据本研究确定的风险分级方法,硝基苯污染事故对成人属于中级风险,对儿童属于高风险.

3.5 不确定性分析以上风险评价结果存在一定的不确定性,主要原因包括:

(1) 水体中硝基苯浓度的不确定性.由于冬季水流量较低,流速也较为缓慢,而硝基苯属于难溶于水的物质,短期内硝基苯并未与水体充分混合,形成污染团,此外,硝基苯在水体、沉积物、悬浮颗粒物以及冰层之间表现出一种动态平衡关系,导致短时间内水体中硝基苯的浓度不稳定.应急健康风险评价存在一定的不确定性.

(2) 暴露参数的不确定性.由于我国颁布相关的包括饮水量、体重等相关暴露参数,论文引用了美国的暴露参数,但美国人口和中国人口体征和生活习惯存在较大差异,如中国习惯饮用烧开的水,而美国则习惯直接饮用,直接套用美国的暴露参数进行健康风险评价存在一定的不确定性.此外,本研究没有将城市和农村人群加以区分,农村人口劳动强度较大,饮用水量可能高于城市人群,使用统一的暴露参数,存在一定的不确定性.

(3) 毒理学数据的不确定性.由于本研究目的是开展应急人体健康风险评价,但涉及人体健康的硝基苯毒性数据较为缺乏,因此只能选择动物毒理数据推导应急参考浓度 ARfC.在毒理数据的选择上,筛除了与人类亲缘关系较远的无脊椎动物毒理学数据,尽量选择以哺乳动物为暴露生物的毒理学数据,最终选择大鼠暴露试验的LOAEL推导ARfC.对于计算ARfC的不确定性因子,论文主要考虑了物种内部差异产生不确定性,物种之间差异产生的不确定性以及以LOAEL替代NOAEL推导ARfC产生的不确定性,因此取值 1000.而毒理学实验中存在诸多的不确定性,导致产生的毒理学数据也存在一定的不确定性,以此推导的 ARfC以及开展的应急健康风险评价工作同样存在不确定性.

(4) 暴露人群的不确定性.不同人群对硝基苯的敏感度差异很大,论文探讨了突发性硝基苯事故中对成人以及儿童的健康风险,然而,其他人群如孕妇、婴幼儿、老年人可能对硝基苯暴露更为敏感,因此论文的应急健康风险评价存在不确定性.

3.6 建议

突发性水污染事故的健康风险评价需要整合包括毒理学数据、环境背景浓度、应急监测数据等相关资料.然而,我国目前毒理学数据积累较少且未经过系统整理,无法满足应急风险评价及时、有效的特点,建议建立我国特征风险化学品的毒理学数据平台,收集筛选特征风险化学品的毒理学数据,为开展相应的健康风险评价提供基础.此外,我国尚未颁布基于全国范围调查,反映中国人群特征的暴露参数手册,目前只能应用美国EPA颁布的人群暴露参数手册,增大了风险评价的不确定性.因此,建议国内相关部门构建相应的毒理学数据库;尽快颁布适合我国人群特征的暴露参数手册.

4 结论

4.1 本研究在US NAS健康风险评价四步法的基础上,充分考虑突发性水污染事故短时间、高剂量的暴露特征,构建基于健康风险的突发性水污染事故应急人体健康风险评价技术体系,实现突发性水污染事故风险的表征和分级.

4.2 在已有硝基苯毒理学数据以及松花江硝基苯事故某断面应急监测数据的基础上,突发性水污染事故中保护儿童与成年人的硝基苯应急参考浓度可初步确定为 0.05和0.175mg/L,本断面硝基苯对儿童和成人的风险值为62%和29%,分别属于高级和中级风险.

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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

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX7503)

* 责任作者, 研究员, zhengbh@craes.org.cn

赵艳民(1979-),男,河北遵化人,副研究员,博士,研究方向为环境毒理与风险评价.发表论文20篇.