基准剂量法在水质基准中的应用

周振，姚吉伦，谢彬，代俊杰

（解放军后勤工程学院，重庆 401311）

基准剂量法在水质基准中的应用

周振，姚吉伦，谢彬，代俊杰

（解放军后勤工程学院，重庆 401311）

基准剂量法作为一种新的确定参考剂量的方法，在运用于水质基准风险评价中制订非致癌物的可接受水平时，弥补了以往采用未观察到不良效应水平（NOAEL）作为指标的不足。该方法能从数理统计学的角度解释和发展剂量反应关系，体现了显著的科学性，已成为毒理学界确定参考剂量（RFD）的一种有效方法。首先，从水质基准的定义、分类、水质基准和水质标准的区别及水质基准方法学4个方面阐述了水质基准的相关概念。其次，详细总结了水质基准的国内外相关研究。然后，介绍了我国饮用水水质基准值的计算公式。再次，运用统计学知识详细阐明了基准剂量法的原理。最后，结合我国水环境质量标准管理体系的现状，提出了我国水质标准需要进一步完善的方面，以及开展我国水质基准研究的重要性和迫切性，并对下一步研究重点做出了展望。

水质基准；水质标准；基准剂量法；角形法

1 水质基准的相关概念

1.1 定义

水质基准（Water Quality Criteria）作为水环境质量基准的简称，是指环境中的污染物对特定对象不产生有害影响的最大浓度或剂量［1］。实际上，水质基准并不是一个确定的限值或阈值，而是一个取决于不同保护对象的一个区间值［2］。

1.2 分类

按照受保护对象的不同，水质基准主要可分为保护人群健康水质基准和保护水生生物水质基准。

按照水体使用功能的差异，水质基准又可以分为农业用水水质基准、工业用水质基准、生活用水水质基准、渔业用水水质基准及休闲娱乐用水水质基准等［3］。

依据水质基准表述形式的差异，可以分为描述式和数值式水质基准，描述式水质基准主要针对浊度等环境水体中难以确定具体污染物质的基准，而对于能够确定环境水体中污染物种类的，则用浓度值定义。根据环境水体中污染物的种类不同，水质基准囊括了有机物、营养盐、重金属、病原菌等基准。

1.3 水质基准和水质标准的区别

水质基准和水质标准是一个完整的水环境管理体系不可或缺的两个方面［4］。

作为制定水质标准的根据，水质基准（Water Quality Criteria）是一个自然科学范畴的概念，是依据污染物和生物体之间的浓度—反应关系结合相关理论推导，进行科学研判而得到的客观结果，技术上的可行性、经济效益是否显著等因素在获取水质基准的过程中并未考虑。

水质标推（Water Quality Standard）是国家相关部门以水质基准为依据，并考虑技术、经济、社会等因素，经过综合分析所制定的具有法律效力的水环境有害物容许含量［5］。

1.4 水质基准方法学

确定水介质中各类污染物的剂量（浓度）与人群健康相互响应（反应）间的对应定量关系是确定水质基准的关键所在［6］。鉴于试验生物的死亡、生长、繁殖或各种异常行为的急慢性毒性试验数据是水质基准的主要数据来源。为确保大部分人群在受到水质基准之内的污染程度作用时，能免受不可接受危害的影响，还需借助一定的定值方法来克服毒性数据有限的缺陷，基于此才能构建各种污染物的水质基准值。由此可知水质基准的定值方法学是建立水质基准的核心所在［7］。通过寻找一种对所研究的特定污染物反应较为灵敏的物种对此污染物的忍耐阈值，是目前各类水质基准定值方法共同之处，再由该阈值外推此类污染物的水质基准，以此来保护大多数人群的安全。

2 水质基准的国内外相关研究

2.1 国外

作为最早进行水质基准研究的先行者，美国自20世纪60年代以后，相继颁布了《绿皮书》、《蓝皮书》、《红皮书》和《金皮书》等有关水环境基准的文献，形成了一套较为完备的水质基准体系。美国环保署（US EPA）于2000年颁布了《推导保护人体健康水质基准方法学指南》，该指南系统阐述了人体健康水质基准的推导方法。2002年，2004年和2006年美环保署又分别对美国水质基准指南进行了修订完善［8］。美国最新的水质基准文件是由环保署于2009年颁布实施，47类非优先控制污染物和120类优先控制污染物，总计167类污染物囊括其中，这些污染物不仅有淡水、海水水质基准值，还包含了急性、慢性基准值［1］。澳大利亚、新西兰、欧盟、加拿大及荷兰等国家或地区在2000年以后也相继颁布或修订了各自的水质基准文件［3］。

2.2 国内

涉及水质基准的相关研究在我国起步较晚，大多源自对国外文献的收集、介绍与整理［3］。例如，1981年，王明俊［9］对水质基准和标准的概念以及相互之间的关系进行了介绍，同时总结了由基准向标准变换的方法，并对1972年美国水质基准中75个有关淡水水生生物和海洋水生生物的建议基准值进行了分析。1996年，张彤和金洪钧叙述了水生态基准的概念，概括了美国水生态基准的研究状况，介绍了美国环保署推荐的《推导保护水生生物及其用途的国家水质基准技术指南》的内容，同时根据我国水生生物区系的特性，阐释了在我国开展水环境基准研究的必要性。2005年，周忻等［10］在美环保署出版的环境水质基准推导方法的基础上，探讨了非致癌有机物环境水质基准的理论推导过程。同年，面对我国水系污染的严峻态势，吴丰昌等［3］阐明了我国开展水质基准区域性研究的迫切性和重要意义，提出了尽快根据我国区域特征建立水环境水质基准理论、方法和技术是目前我国环境管理的重要任务，展望了水环境基准的研究趋势和发展方向。2010年，我国第一部系统论述水质基准理论方法学的著作，由中国环境科学研究院［11］编辑出版，该书依据我国生物区系特征与水质基准案例，总结了国外先进的水质基准研究方法，阐述了水质基准研究中的疑问。

3 我国饮用水水质基准值的计算

我国饮用水水质基准值计算公式为［11］

式中HBV为饮用水水质基准值（mg/L）；BMDL为基准剂量的95%置信下限［mg/（kg·d）］；BW为人体体重（kg）；RSC为饮用水占总摄入量的贡献率；UF为不确定系数；Water intake为每天饮用水量（L/d）。

式（1）中基准剂量的95%置信下限较难确定，需要利用基准剂量法求解，基准剂量法将在下一节中详细介绍。

4 基准剂量法

4.1 定义

近年来，随着生物医学统计研究的快速发展、计算机技术的普及应用及流行病学数据和人体毒性效应数据的逐步完善，促进了基准剂量法（BMD）成为一种新的确定参考剂量方法的发展。美国环境保护署对基准剂量法（BMD）的定义是：依据剂量—反应曲线得到的，和背景值相比较，达到预先确定的损害效应发生率的统计学置信区间的剂量［12］。

Crump［13］为克服未见有害作用量法（NOAEL）的明显缺陷，早在1984年首次提出了基准剂量法（BMD）。用BMD的可信区间下限值（BMDL）来代替未见有害作用量（NOAEL）进行可接受安全暴露水平的评定，以此纠正传统的NOAEL在风险评价中确定非致癌物的危险度时存在的不足。

4.2 优缺点

4.2.1 优点

（1）利用统计学理论降低了试验设计过程中的随机误差，达到了BMD值对试验剂量依赖性减小的目的［14］。

（2）考虑到试验数据存在误差，将推导安全暴露水平的起始点用基准剂量下限值（BMDL）来代替，使得样本量的处理方式更为合理，试验设计更加科学。

（3）结论的可靠性增加。所有剂量—反应统计数据资料经过BMD法得到了充分利用，而且数据的不确定性和变异性通过置信区间下限值（BMDL）得到了量化，使得结论更加可靠。

4.2.2 缺点

（1）此种方法需要运用复杂的数理统计方法，构建剂量—反应模型，进行分析评价。

（2）基准剂量法只适合于符合拟合要求的试验数据，并对响应数据也有相关要求，即试验所含的剂量组数要大于响应模型中的参数个数［14］，这一局限性限制了基准剂量法的推广使用。

4.3 推导过程

基准剂量的计算是通过建立合适的数学模型对观察资料进行拟合，并通过运用模拟的数学模型预估造成预定概率（基准反应率）响应的相应剂量［15］，剂量—反应关系示意图如图1［12］。

以multistage模型为例，推导水质基准值，其余模型类似。

multistage模型［16］样本出现毒害效应概率

所以，在剂量di作用下目标数Ni中显现出毒害效应的样本数B（Ni，pi），得：

图1剂量—响应关系示意

定义额外危险度［17］

其中，R（0）为本底值。

又函数BMD非零且一阶导数存在，满足delta法［18］的使用条件，有：

由式（12）可得：

求得置信区间为：

置信下限为：

至此已求出参数BMDL，将式（15）代入式（1）中即可求出水质基准值。

4.4 基准剂量法的使用步骤

通常来说，运用基准剂量法确定一项研究的BMDL涉及5个主要步骤，如图2。

图2基准剂量法的使用步骤

5建议与展望

虽然我国已经在水环境质量标准体系方面进行了系列研究，但与欧美等发达国家相比差距仍旧明显。因此，在研制标准的方式上，除继续沿用原有标准制定的方法外，还应积极引入国外先进成熟的标准体系，再根据我国的水环境区域特征加以检验、扩充和修正［19］。同时需进一步开展水环境质量标准和基准基本原理与定值方法学研究，研究我国水环境质量标准的体系、污染物种类、标准阈值与评价方法。加快健全我国水环境生态毒理学数据库，实施符合我国水环境生态区系的环境基准验证和等效研究，完善水质基准研究方法、扩充流行病学数据和人体毒性效应数据的储备等［7］。

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

［2］闫振广，孟伟，刘征涛，等.我国淡水水生生物镉基准研究［J］.环境科学学报，2009，29：2393-2406.

［3］冯承莲，吴丰昌，赵晓丽，等.水质基准研究与进展［J］.中国科学：地球科学，2012，42（5）：646-656.

［4］吴丰昌，孟伟，宋永会，等.中国湖泊水环境基准的研究进展［J］.环境科学学报，2008，28（12）：2385-2393．

［5］周启星.环境基准研究与环境标准制定进展及展望［J］.生态与农村环境学报，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，张志峰，等.海水水质基准的定值方法与我国海水水质基准研究的构想［A］.中国环境科学学会环境标准与基准专业委员会2010年学术研讨会论文集［C］.北京：中国环境科学学会环境标准与基准专业委员会，2010：50-59.

［8］严莎.苯系物对我国典型鱼类和水生植物的毒害效应及其水质基准的研究［D］.天津：南开大学，2012.

［9］王明俊.水质的基准和标准［J］.海洋通报，1981（3）：77-85.

［10］周忻，刘存，张爱茜，等.非致癌有机物水质基准的推导方法研究［J］.环境保护科学，2005，31（1）：22-26.

［11］中国环境科学研究院.水质基准的理论与方法学导论［M］.北京：科学出版社，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（汉族），湖南湘潭人，硕士，主要从事给水处理研究，（Tel）13110209668。