人体健康水质基准特征参数研究及应用

王晓南, 崔 亮, 李 霁, 李雯雯, 陈 金, 高祥云, 范 博, 刘征涛

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, 北京 100012

水质基准(water quality criteria，WQC)是水环境中的污染物或有害因素对人体健康、水生态系统与使用功能不产生有害效应的最大剂量或浓度[1-4]. 美国、加拿大、欧盟等发达国家和地区已形成了较为完善的水质基准技术体系[5-7]. 我国水质基准研究起步较晚，其中，关于保护水生生物水质基准的研究较早，如分析了我国水生生物水质基准的制定方法[1-4]、推导了一系列污染物质的水生生物水质基准[8-10]、筛选了水质基准的本土受试生物[11-14]；但关于保护人体健康水质基准的研究相对较晚，相关报道较少[15-17]. 原环境保护部于2017年发布了HJ 837—2017《人体健康水质基准制定技术指南》(简称“《指南》”)[18]，《指南》的发布为我国人体健康水质基准的制定提供了技术指导，结合《指南》方法和US EPA于2000年发布的《推导保护人体健康水质基准方法学(2000年)》(简称“US EPA 2000年方法”)[19]，我国学者推导了基于我国人群暴露参数的部分化学物质的人体健康水质基准值[15-17,20-21].

由我国《指南》[18]和US EPA 2000年方法[19]中关于人体健康水质基准的推导方法可知，制定人体健康水质基准时涉及污染物的毒性参数、生物累积系数(bioaccumulation factor, BAF)、人体暴露参数〔体重(body weight，BW)、饮水量(drinking water intake, DI)、水产品摄入量(fish intake, FI)〕和水环境参数〔颗粒态有机碳(particulate organic carbon, POC)、溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)浓度以及水生生物脂质分数(lipid fraction,f1)〕. US EPA指出，应采用受保护典型人群的暴露参数(BW、DI和FI分别为80 kg、2.4 L/d和 0.022 0 kg/d)和相应水环境参数(如默认POC、DOC浓度分别为0.5、2.9 mg/L，第2、3、4营养级水生生物的脂质分数f1分别为1.9%、2.6%和3.0%)来制定国家人体健康水质基准[19]. 人体健康水质基准特征参数值的差异将导致据此计算得到的人体健康水质基准值存在差异，在制定我国人体健康水质基准值时，应采用我国人群和水环境的特征参数，因此，亟需开展我国人体健康水质基准特征参数的研究.

鉴于本土特征参数在人体健康水质基准制定中的重要作用，该文开展我国典型人群暴露参数(BW、DI和FI)和相应水环境参数(POC、DOC浓度和f1)的搜集、筛选和制定研究，以期为我国人体健康水质基准的制定和GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[22]的修订工作提供重要技术支持.

1 材料与方法

1.1 人体健康水质基准制定方法

人体健康水质基准(water quality criteria，WQC)计算过程见式(1)～(4)[19]，依据污染物毒理学效应的差异，分为致癌和非致癌效应人体健康水质基准，毒性数据(toxicity value，TV)选用相对应的非致癌效应的参考剂量(reference dose，RfD)、非线性致癌效应的起算点(point of departure，POD)和线性致癌效应的特定风险剂量(RSD，risk-specific dose)，同时结合不确定因子和相关源贡献率进行推导. 除毒性数据之外，其余参数如BW、DI、FI和DOC、POC的浓度及水生生物脂质分数等均需基于我国人群和水环境的相关数据.

(1)

BAF(TL,i)=[(BAF1fd)TL,i×(f1)TL,i+1]×ffd(2)

(3)

式中：BW为人体体重，kg；DI为饮水量，L/d，当DI设为0 L/d时，推导的为仅摄入水产品的基准值；FIi为第i(取值为2、3、4)营养级水产品的摄入量，kg/d，其中第2营养级一般为草食性的水生生物(如草鱼)，第3营养级为杂食性的水生生物(如鲫鱼)，第4营养级为肉食性的水生生物(如黑鱼)；BAFi为第i营养级的生物累积系数(bioaccumulation factor)，L/kg；BAF1fd为基线BAF，是基于自由溶解和脂质标准化的生物累积系数，L/kg；BAF为基于生物组织和水体中污染物浓度的生物累积系数，L/kg；fl为生物组织中的脂质分数，%；ffd为化学物质在水环境中的自由溶解态分数；[POC]为水体中颗粒性有机碳浓度，kg/L；[DOC]为水体中溶解性有机碳浓度，kg/L；KOW为化学物质的辛醇-水分配系数；(f1)TL,i为第i(取值为2、3、4)营养级中被消耗水生生物的脂肪分数，%.

1.2 特征参数搜集、筛选

1.2.1人群暴露参数的搜集与选择

原环境保护部分别于2013年和2016年发布了《中国人群暴露参数手册》(成人卷)[23]和《中国人群暴露参数手册》(儿童卷)[24]，两本手册列出了我国国家和区域层面BW、DI、FI等人群暴露参数，可为我国人体健康水质基准的制定提供数据. 我国《指南》的编制充分借鉴了US EPA的人体健康水质基准技术方法[18]，依据US EPA 2000年方法[19]中关于暴露参数的规定，BW推荐采用人群调查数据的平均值，为了保护人群中的大多数，DI和FI推荐采用人群调查数据的第90百分位数. 《中国人群暴露参数手册》(成人卷)[23]中未发布我国成人DI的第90百分位数，因此，推荐DI采用第75百分位数来保护成人人群；对于未发布的我国成人FI的第90、75百分位数，推荐FI采用平均值；对于BW，推荐采用平均值.

1.2.2水环境参数的搜集与选择

水环境参数POC、DOC的浓度及水生生物脂质分数分别通过实测和文献调研获得，其中相关中文文献主要从CNKI数据库(https://www.cnki.net)中以主题进行检索，英文文献主要从Web of Science数据库(http://webofscience.com)中以主题进行检索. POC和DOC相关中文文献的检索条件分别为“POC”“DOC”“TOC”“有机碳”，英文文献的检索条件为“POC”“DOC”“TOC”“organic carbon”. 水生生物脂质分数相关中文文献的检索条件为“鱼/虾/蟹/贝+脂肪含量”“水生生物+脂肪含量”；英文文献的检索条件为“aquatic organism+lipid content”. 水生生物营养级相关中文文献的检索条件为“具体水生生物名称+营养级/生物放大”；英文文献的检索条件为“具体水生生物名称+trophic level”. 我国《指南》中未规定水环境参数POC和DOC及水生生物脂质分数[18]，鉴于《指南》的编制充分借鉴了US EPA的人体健康水质基准技术方法，依据US EPA 2000年方法[19]中关于水环境参数的规定，POC和DOC浓度推荐采用水环境参数调查数据的第50百分位数，水生生物脂质分数推荐采用平均值.

1.3 特征参数的应用

2 结果与讨论

2.1 人群暴露参数及建议

BW(体重)：当保护大多数人群健康免受慢性暴露危害时，US EPA[19]推荐采用成人人群体重的平均值(80 kg)来推导人体健康水质基准；育龄期妇女人群体重的平均值可用于制定影响发育类污染物的人体健康水质基准，当化学物质被证明对儿童健康产生危害时，建议采用儿童人群平均体重来制定人体健康水质基准. 因此，体重参数可依据保护对象的不同进行调整，在制定国家人体健康水质基准时，一般采用成人人群体重的平均值，我国成人人群体重的建议值为61.9 kg，当保护目标为儿童时，其体重建议值为26.5～54.8 kg(见表1).

DI(饮水量)：当保护大多数人群健康免受慢性暴露危害时，US EPA[19]推荐采用成人人群饮水量的第90百分位数(2.4 L/d)来推导人体健康水质基准；同样，当保护人群健康免受发育毒性危害时，建议采用育龄期妇女人群饮水量的第90百分位数；在保护儿童的人体健康时，应采用儿童人群饮水量的第90百分位数. 同上，饮水量参数的推荐应依据保护目标的差异来进行调整，在制定国家人体健康水质基准时，一般采用成人人群饮水量的第90百分位数，由于我国《中国人群暴露参数手册》(成人卷)[23]与《中国人群暴露参数手册》(儿童卷)[24]未公布人群饮水量的第90百分位数，而US EPA提出当缺乏高端值(如第90百分位数)时，也可灵活使用平均值或其他高的百分位数值进行基准的推导[19]；鉴于我国人群饮水量的第95百分位数(5.2 L/d)远高于WHO(2.0 L/d)和US EPA(2.4 L/d)[19]等标准值，过高的饮水量数值将导致基准值偏低，因此，该文中我国成人人群饮水量的建议值采用第75百分位数，为2.785 L/d，当保护目标为儿童时，对应建议值为1.414～1.700 L/d(见表1).

FI(水产品摄入量)：为对大多数普通鱼类消费者提供充分保护，US EPA[19]推荐采用人群水产品摄入量的第90百分位数(22.0 g/d)来推导人体健康水质基准. 当为特定人群提供充分保护时，可调查或采用特定人群(如育龄期妇女、儿童、渔民等)水产品摄入量的第90百分位数. 因此，水产品摄入量参数的选择也可依据保护目标的差异来进行调整，在推导国家人体健康水质基准时，一般采用水产品摄入量的第90百分位数，当缺乏高端值(如第90百分位数)时，US EPA提出也可采用平均值或其他高的百分位数值进行计算[19]，由于《中国人群暴露参数手册》(成人卷)[23]未公布人群水产品摄入量的各百分位数，因此，该文中我国成人人群水产品摄入量的建议值采用平均值，为30.1 g/d；《中国人群暴露参数手册》(儿童卷)[24]未公布人群水产品摄入量的第90百分位数，因此，我国儿童人群水产品摄入量的建议值采用第75百分位数，为40.0～85.7 g/d(见表1).

表1 我国人群暴露参数及建议值

上述推荐的人体暴露参数可用于国家人体健康水质基准的制定；此外，也可依据保护目标，通过区域调研，获得当地保护人群的人均体重、人群饮水量和水产品摄入量调研数据的第90百分位数来制定保护多数目标人群的人体健康水质基准.

2.2 水环境参数及建议

从人体健康水质基准制定计算方法〔见式(1)〕可知，制定人体健康水质基准涉及的主要参数包括水生生物对污染物的生物累积/富集系数(BAF)和人群暴露参数. 污染物在水生生物体内的富集主要受水体中POC、DOC浓度和生物脂质分数的影响〔见式(2)(3)〕. 水体中POC和DOC浓度与自由溶解态污染物处于动态平衡过程，即自由溶解态污染物、与DOC关联的污染物、与POC关联的污染物三相中，任何一相中污染物含量的变化均会使这三相中的污染物重新达到平衡[36]. 此外，研究[36-37]发现，水生生物脂质分数对有机污染物在生物体内的生物累积产生显著影响，脂质分数是有机污染物在生物体内累积和平衡分配的重要基础. 因此，我国《指南》[18]和US EPA 2000年方法[19]在制定人体健康水质基准时，均需对BAF值进行POC浓度、DOC浓度以及水生生物脂质分数的校正和标准化. 现阶段尚未发现我国人体健康水质基准特征参数POC浓度、DOC浓度和水生生物脂质分数的相关研究和报道，因此，该研究对此开展相关探讨.

首先，搜集我国地表水体POC浓度、DOC浓度以及水生生物脂质分数的文献数据，依据国内外标准测试方法[38-41]对文献数据进行筛选，此外，该研究开展了海河、太湖、鄱阳湖流域水样和生物样品的采集，对水样中POC、DOC的浓度和水生生物脂质分数进行测试，整合文献数据和实测数据，获得我国地表水体中POC、DOC浓度和水生生物脂质分数的数据量分别为616、1 115 和372条. 由表2可知，我国地表水DOC和POC浓度的中位数分别为2.68和0.73 mg/L，建议作为制定我国人体健康水质基准的国家DOC和POC浓度默认值，美国相对应的国家DOC和POC浓度默认值(中位数)分别为2.9和0.5 mg/L[19]. 我国第2、3、4营养级可食用淡水水生生物的脂质分数平均值分别为2.47%、3.08%、3.16%(见表3)，美国相对应的各营养级平均脂质分数分别为1.9%、2.6%、3.0%[19].

表2 水环境特征参数DOC和POC浓度及建议值

表3 水生生物脂质分数特征参数及建议值

2.3 特征参数的应用

该文以PAHs为例，开展了16种优先控制PAHs的人体健康水质基准的推导，包括萘(Nap)、苊烯(Acy)、苊(Ace)、芴(Flu)、菲(Phe)、蒽(Ant)、荧蒽(Flua)、芘(Pye)、BaA、Chry、BbF、BkF、BaP、DBA、苯并[ghi]苝(BgP)和InP. PAHs的生物累积系数(BAF)参照文献[17,42]，PAHs的毒性数据来自美国基准文件[43-46]. 由于Nap、Acy、Phe和BgP缺乏毒性数据或我国BAF值，因此，该文推导了12种PAHs的人体健康水质基准(见表4)，分别对同时摄入饮用水和食用鱼类等水产品以及仅食用鱼类等水产品的2种暴露途径下人体健康产生保护作用. 12种PAHs中，BaP的基准值(4.53×10-4μg/L)最小，其次为DBA(7.81×10-4μg/L)，Ant的基准值(173 μg/L)最高，因此，针对不同PAHs污染的地表水体，应选择相对应的基准值来开展健康风险评估和环境管理工作.

从图1可知，PAHs的人体健康水质基准值随着PAHs环数的变化存在显著差异，其中2～3环PAHs的基准值高于4环PAHs，5环PAHs最低，这与其自身特性相关，随着环数增加，其水溶性逐渐降低，但毒性效应增强，导致基准值降低. 同时，摄入饮用水和食用鱼类等水产品的基准值均低于仅食用鱼类等水产品的基准值，当地表水体功能同时涉及提供饮用水和水产品时，建议采用同时摄入饮用水和水产品的水质基准对水体的相关功能进行保护；当地表水体功能仅为提供水产品时，则建议采用仅摄入水产品的水质基准对水体的相关功能进行保护，并应关注高环PAHs对人群健康的风险.

注： WQCW+F为同时摄入饮用水和水产品的人体健康水质基准.

结合US EPA发布的PAHs人体健康水质基准[46]来看，中美两国人体健康水质基准值均存在一定差异. 与美国相比，我国Flu、Ant和Pye的基准值较低，但Ace、Flua、BaA、Chry、BbF、BkF、BaP、DBA和InP的基准值较高. 其中，我国的BaA、BbF、BaP和InP基准值是美国相应基准值的2～5倍，Chry和DBA基准值是美国基准值的5～10倍，Ace、Flua和BkF的两国基准值非常接近. 这种差异主要是由不同的人群暴露参数、水环境参数和BAF所致，其中我国人群暴露参数BW、DI、FI分别为61.9 kg、2.785 L/d、0.030 1 kg/d，US EPA采用的人群暴露参数BW、DI、FI分别为80 kg、2.4 L/d、0.022 kg/d[45]，水环境参数的差异见表2和表3；此外，该研究采用PAHs的BAF为其实测值，而US EPA主要采用的是模型预测的BCF值[46]. 鉴于国内外人群暴露参数、水环境参数等的差异，为保护我国人群健康不受PAHs等水体中污染物的危害，需要开展基于我国特征参数的人体健康水质基准的制定.

我国GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[22]中给出BaP的标准限值为2.8×10-3μg/L，GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》[47]中给出BaP的标准限值为0.01 μg/L，而总PAHs的标准限值为2 μg/L，美国饮用水标准和健康建议值[48]提出Flu、Ant和BaP的标准限值分别为1 000、1 000和0.5 μg/L，欧盟[49]和WHO[50]的BaP饮用水标准分别为0.01和0.7 μg/L. 上述国内外饮用水标准与我国人体健康水质基准相比，标准值均远高于对应的基准值，主要原因是，饮用水标准仅考虑了水中污染物通过饮水途径对人体健康产生的潜在危害，然而，水中污染物还可通过食用水产品对人体健康产生危害. 为了验证上述结论，笔者依据人体健康水质基准计算方法〔见式(1)，设FI为0 kg/d〕计算了仅饮水的人体健康水质基准(见表4)，该值与饮用水标准限值差距较小. 结果表明，在地表水环境质量标准的制定过程中，除饮水途径外，还应充分考虑食用相应水体中水产品对人体健康产生的危害效应.

表4 12种PAHs的人体健康水质基准

2.4 地表水环境质量标准制定的几点建议

2.4.1充分考虑基准制定的区域性、年龄组和饮食习惯差异

不同区域人群对水产品的摄入量存在较大差异，如《中国人群暴露参数手册》中，我国东、中和西部人群鱼虾等水产品的平均摄入量分别为64.78、27.85和21.01 g/d，31个省(自治区、直辖市)的人群对鱼虾等水产品的摄入量范围为1.03～145.80 g/d，因此，基于差异化暴露参数推导的人体健康水质基准值将会产生较大差异，如陈金等[16]研究发现，基于不同年龄组人群参数的双酚AF人体健康水质基准值相差2～4.5倍. 基于区域人群暴露的差异，美国建议各州制定当地的水质基准[51]；我国在制定人体健康水质基准时，建议充分考虑人群暴露参数的区域性和年龄组的差异. 此外，在水质基准的制定过程中还应考虑人群的饮食习惯，如我国人群习惯饮用热水，而在饮用水的煮沸过程中，部分挥发或半挥发污染物质会逸散到空气中，使得饮用水中污染物的浓度降低，最终影响进入人体中污染物的量.

2.4.2致癌风险水平的选择

对于致癌物质的人体健康水质基准，风险目标增量一般选用10-6，如US EPA采用10-6制定了一系列致癌污染物的人体健康水质基准[46]，在实际应用中，如果基准值过于严格，也可选用10-5作为风险目标增量，使基准值较好地应用于环境管理和经济发展；但一般不建议采用10-4作为风险目标增量，因为10-4一般用于高暴露人群(如渔民)相关健康基准的推导[19]，不适用于保护一般人群的人体健康.

3 结论与建议

a) 在制定我国人体健康水质基准时，普通人群暴露参数BW、DI和FI分别采用61.9 kg、2.785 L/d和0.030 1 kg/d，水环境参数DOC和POC浓度分别采用2.68和0.73 mg/L，第2、3、4营养级淡水水生生物的脂质分数分别采用2.47%、3.08%、3.16%.

b) 推导我国12种PAHs的人体健康水质基准，其中BaP的人体健康水质基准值(4.53×10-4μg/L)最小，其次为DBA(7.81×10-4μg/L)，Ant的人体健康水质基准值(173 μg/L)最高，表明对于不同PAHs污染的地表水体，应选择相对应的人体健康水质基准来开展健康风险评估和环境管理工作.

c) 鉴于人群暴露参数(不同区域和年龄组)与致癌风险水平的差异对人体健康水质基准的较大影响，建议在水质基准的制定过程中对其予以充分考虑.