我国污染物健康风险毒性数据库构建研究

温宥越，于云江，孙 强，向明灯，董辰寅，党 垚，杨 剑*

1. 生态环境部华南环境科学研究所，广东 广州 510535

2. 国家环境保护城市生态环境模拟与保护重点实验室，广东 广州 510535

随着我国社会经济的不断发展，日益增长的生态环境风险给人民群众生命健康安全及经济社会和谐稳定带来了不容忽视的诸多隐患[1-5]. 开展环境健康风险评估和风险管控研究[2,6-8]，是贯彻落实习近平生态文明思想的重要举措，有助于维护人民生命健康权，有利于满足人民对美好生活的需求向往，也能为加强环境健康风险管理，保护环境安全，保障公众健康，并促进我国社会经济可持续健康发展提供重要决策支撑.

我国自2005年开始大力推进环境健康工作，不断加强环境健康风险管控，形成了“预防为主、风险管理”的指导思想，陆续制定并发布了《国家环境保护“十三五”环境健康工作规划》、HJ 875−2017《环境污染物人群暴露评估技术指南》、《国家环境保护环境健康工作办法(试行)》、HJ 1111−2020《环境健康风险评估技术指南 总纲》、《中国公民生态环境与健康素养》(公告2020年第36号)等政策及标准文件，生态环境风险防范制度体系得到不断完善. 然而，我国当前生态环境形势依然严峻[4-5,9-10]，进一步加强环境健康管理的基础研究工作有助于推动我国环境健康管理质效实现新飞跃[11-14].

建立完备的污染物毒性数据库是开展环境健康风险评估和管控的基础. 欧美等发达国家相继建立了IRIS、RAIS、HHBPs、ChemSpider和PubChem等化学品管理及健康风险相关数据库[15-17]，给当地政府及学者进行环境健康风险评估、管控和研究提供了重要的基础数据支撑. 而当前我国可用污染物毒性数据库主要包括中国科学院上海有机化学研究所构建的环境化学毒性防治数据库、药物在线网站提供的化学物质毒性数据库、中国科学院南京土壤研究所和生态环境部南京环境科学研究所开发的国内污染场地风险评估电子表格等. 虽然这些数据库已成为当前国内最大的公益性污染物毒性数据库及工具，但其中的基础数据主要来源于国外相关数据库. 与国外常用的污染物毒性数据库相比，国内数据库缺失部分关键信息，如本土生物健康风险毒性数据少，且缺乏对其中毒性参数的本土化改造. 总之，迄今为止，我国尚未建立可供有效使用的本土化生态环境污染物健康风险毒性数据库[17-18]，在进行环境污染健康风险评估时仍依赖于欧美等国家的数据. 然而，国外的数据库是基于其自身物种与人群特征所建立的，不完全符合我国的实际情况，因此如果简单地借用国外数据，将会给我国环境健康风险评估结果带来较大误差[17-18]，不利于我国环境健康风险管理工作的开展. 此外，在日益复杂的国际形势下，西方发达国家推出保护主义新措施，随时有可能摒弃“科学无国界”的理念[19-20].当前我国进入新发展阶段，《中共中央 国务院关于深入打好污染防治攻坚战的意见》提出进一步加强生态环境保护，深入打好污染防治攻坚战，严密防控环境风险，强化生态环境与健康管理的重要工作部署.因此，亟待建立一个适合我国国情的污染物健康风险毒性数据库平台，以为我国环境健康风险评估、管控及相关研究工作提供重要的基础数据和技术抓手，应对被“卡脖子”问题.

针对上述问题及现实需求，该文基于收集、整编和经本土化改造的污染物健康风险毒性数据，借鉴当前国内外相关数据库的优点，利用互联网、云服务等新一代网信技术[21]，构建基于Web环境的我国污染物健康风险毒性数据库平台(简称“健康风险毒性数据库”).

1 污染物毒性数据库特性调研和需求分析

1.1 污染物毒性数据库特性

该研究调研了被广泛认可的国内外化学品管理及人体健康风险和生态毒性等相关领域的数据库平台[17-18]，对这些数据库的功能和特性进行了总结分析(见表1). 总体而言，以上数据库平台为我国健康风险毒性数据库的构建提供了重要借鉴，包括指标体系构建、功能框架特性设计等. 其中，国外数据库收集了较为全面的污染物基本信息、理化性质、毒理学、元数据信息，系统功能设计人性、实用、美观，数据更新维护较及时，但也存在健康风险毒性数据缺失、数据制作过程复杂、本土化改造困难等不足. 而当前国内可用的毒性数据库大多为综合性公益型数据库，虽然提供了便捷的查询与检索功能，但在毒性参数本土化改造、关键元数据信息收集、界面美观程度及人性化功能设计等方面存在不足.

1.2 平台建设目标

以保护人体健康为核心使命，综合利用互联网、云服务等新一代网信技术，基于收集、整编和经本土化改造的污染物健康风险毒性数据，构建符合我国国情的健康风险毒性数据库，为我国环境健康风险评估、管控及相关研究提供可靠的基础数据和高效智能的信息技术支撑，应对被“卡脖子”的风险.

1.3 平台建设需求

在对现有污染物毒性数据库调研分析的基础上，总结出我国健康风险毒性数据库建设的基本需求：①基础数据资料方面，全面收集整合国内外现有环境健康风险毒性数据，对必要参数进行本土化改造；②功能结构方面，平台需要符合业内人士的操作习惯，提供实用便捷友好的服务功能，同时平台涉及对数据及用户的管理，因此还需要给系统管理人员提供高效的组织管理工具；③安全与运维方面，在互联网时代，网络安全至关重要，因此本平台建成后需置于安全的网络环境中进行运维，确保平台可以持续正常安全运行；④其他方面，平台的建设要确保在科学性、先进性和艺术性等方面与国家建设网络强国[32]和社会主义现代化强国[33]的形势相适应.

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2 平台设计与实现

2.1 平台总体架构设计

围绕平台建设目标和需求，将健康风险毒性数据库的架构设计为四个层次，即支撑层、数据层、应用层和服务层，如图1所示.

图 1 数据库平台总计框架设计Fig.1 Overall design of the database

a) 支撑层. 由软硬件与网络支撑技术组成，是平台的底层基础保障，包括互联网、云服务、存储设备、智能检索引擎、安全保障机制等.

b) 数据层. 由基于MySQL数据库搭建的数据库组成，可存储污染物健康风险毒性数据(结构化数据)及平台建设所需的其他资料(如图片和文档等非结构化数据).

c) 应用层. 提供了公众端和管理端两个层面的应用，其中公众端立足于为国内外用户提供高效实用的毒性数据查询与服务系统，开发了首页、数据服务、高级查询、关于等四大功能模块；而管理端旨在为系统管理人员提供高效的数据及用户组织管理工具，提供了毒性数据管理、用户管理、统计分析、系统管理等四大功能模块.

d) 服务层. 主要由国内外相关的用户组成，包括管理部门、高校及科研机构、企业工厂人员、社会公众等，同时还包括平台的系统管理人员.

2.2 平台数据库指标体系设计

基于国内外现有健康风险毒性数据具体内容及应用情况，结合我国污染物管理及应用特性，将平台数据库指标体系分为污染物基础参数、毒性参数和风险管控参数(风控参数)等3大类、7小类共80项指标，具体如图2所示.

图 2 数据库指标体系设计Fig.2 Index system design of the database

2.3 指标体系数据收集及本土化改造

该数据库的基础参数主要来源于国内外现有的毒性数据库和化学品管理数据库(见表1)，风控参数收集自我国现行国家级及地方各级不同用地类型的污染物筛选值或标准规范.

毒性参数的遴选、整编和推导包括三方面. 首先，基于现有国外数据库对目标污染物的毒性参数进行遴选和整编，依据数据库系统性、权威性、应用广泛性、是否经同行评议及美国环境保护局“区域筛选值(Regional Screening Levels)总表”的排序确定所参考数据库的优先级. 其次，针对尚未在国内外现有毒性数据库收录的我国特有污染物，采用基于文献分析的方法对污染物健康风险毒性数据进行推导，其中，外文文献以PubMed为主，以Elsevier ScienceDirect、SpringerLink、Wiley-Blackwell等全文数据库为辅，中文文献以中国知网为主，以万方、维普等全文数据库为辅. 根据期刊等级对收集的文献进行初筛，根据是否隶属毒理学及流行病学类文献、是否为多种化合物联合作用(或混合物)的文献、有无对照组、对照组和试验组是否同时进行试验等条件进行二次筛选，最后对全文审查并进行三次筛选，以确保筛选出能提供所需信息的文献. 若缺乏污染物的毒性研究资料，则通过补充毒理试验(斑马鱼和大鼠等)以获得污染物健康风险毒性基础数据. 最终利用贝叶斯基准剂量法(Bayesian Benchmark Dose, BBMD)或最大无害剂量法(No Observed Adverse Effect Level, NOAEL)确定毒性参数.

健康风险毒性数据库的本土化改造体现在三方面：一是针对国外现已报道的基于人群研究的毒性数据开展符合我国人群暴露特征的污染物毒性数据推导，该工作基于我国生态环境部、国家卫生和计划生育委员会相继发布的人群暴露参数(如长期呼吸量、直接饮水摄入量、体重等)进行；二是利用生长于我国环境的生物(斑马鱼和大鼠等)补充本土化的健康风险毒性数据；三是基于文献汇总前人关于我国污染物健康风险毒性数据的研究结果，同时基于我国现行国家标准及导则确定风控参数.

2.4 平台主要功能模块设计

根据不同用户角色重点关注的内容，健康风险毒性数据库分为公众端和管理端两部分进行设计.

2.4.1公众端

a) 首页. 首页(见图3)是本平台的门面，为用户提供一键搜索和按英文首字母索引等最实用的功能.其中，一键搜索功能由平台的智能检索引擎驱动，集成了模糊和精确检索机制和检索示例，通过该功能，用户可以输入任意与污染物名称及CAS号相关的信息即可实现污染物信息的快速检索. 此外，按英文首字母索引功能是将污染物按其英文名称的字母排序，用户点击相应的污染物后可跳转到具体信息展示界面. 首页还提供了公众用户最可能用到的三个高级功能，即信息预览、数据服务、高级查询. 最后，首页还为用户提供了7个国外权威污染物毒性数据库系统的一键跳转接口.

b) 数据服务. 数据服务是本平台提供的高级功能模块之一，用户可以通过该模块对其感兴趣的污染物毒性数据进行一键导出(见图4). 同时，该模块将污染物毒性数据分为基本信息、理化特性、GHS指标、毒性参数和风控参数(5类参数)，用户可以勾选感兴趣的参数，实现对其感兴趣污染物毒性数据的定制化导出(见图4).

c) 高级查询. 高级查询是本平台提供的另一个高级功能模块，旨在通过平台智能搜索引擎实现对参数众多、信息量较大的污染物毒性数据的多样化快速智能检索，包括分类查询和定制查询(见图5). 其中，分类查询功能已预先对污染物按致癌性、毒性靶系统、毒性靶器官、暴露途径、GHS危害进行一级分类，并在此基础上进行二级分类(见表2)，用户可根据需求选择相应分类，实现感兴趣污染物信息的快速查询. 定制查询功能方便用户选择感兴趣的污染物，并从污染物5类参数中选择感兴趣的参数，实现污染物相关信息的快速查询.

图 3 公众端首页Fig.3 Homepage of the public system

d) 其他功能. 公众端还提供了用户信息反馈、项目资助信息查看和用户注册及登录等重要功能.

2.4.2管理端

a) 毒性数据管理. 提供了流程化的毒性数据管理功能，主要包括对数据的维护和审核发布. 其中，数据维护是指对污染物5类参数信息的维护，包括新增、修改、删除等，系统管理员还可以通过污染物毒性数据模板文件一键导入相关数据. 而数据审核发布功能可便于系统管理员对维护后的污染物毒性数据进行审核(见图6)，旨在确保公开发表数据信息的准确性，保证污染物毒性数据库的质量. 该功能已实现智能化、自动化数据审核，审核人员在数据审核过程中，一旦勾选错误信息，平台即会触发实时交互式响应并自动生成审核报告(见图7)，推送给数据维护人员进行修改.

b) 用户管理. 用户管理功能主要用于实现对公众端注册用户和管理端系统管理人员的管理，包括用户信息管理、用户新增删除及权限管理等.

c) 统计分析. 利用精美的图表对用户特性(如国籍和职称等)、用户对污染物访问情况等方面的统计分析结果进行可视化地展示，帮助系统管理人员直观地掌握相关信息，辅助了解本平台的应用情况和同行重点关注的污染物信息.

表 2 污染物毒性数据分类Table 2 Classification of toxicity data of pollutants

图 4 公众端一键导出和定制导出功能Fig.4 One-click export and customized export in the public system

d) 其他功能. 管理端还提供了对公众端用户反馈信息的查询与管理、系统日志查询、菜单管理和公共信息配置等功能.

2.5 讨论

欧美等发达国家重点关注其国内人体、生物及生态环境特性，其研究所得的毒性数据及平台不符合我国国情. 而国内现有污染物毒性数据库，仅简单综合了国际上通用数据库中的数据，缺乏对数据进行本土化改造[17-18]. 为此，该研究构建了我国本土化的健康风险毒性数据库，收集、整编了635种污染物健康风险毒性数据，包括经本土化改造的17种、基于文献分析进行毒性值推导的20种、由补充毒理试验获得的1种，平台将进入业务化运行阶段，后续进一步推进基础数据的持续更新和推广平台在管理部门、高校、科研院所、企业及公众等的广泛应用. 相较于当前国内外通用的数据库，该平台以保护人体健康为目的，通过建立数据收集、评价、筛选和推导的原则和技术方法，收集了污染物健康风险毒性共3大类、80项指标数据，指标体系较为丰富. 该平台的先进性在于，充分利用互联网、云服务等新一代网信技术，在功能上集成了国际上业内通用系统的多项优点，提供了多种高效智能的数据搜索和导出等人性化、实用、便捷的功能；该平台基于MySQL数据库对结构化和非结构化数据进行存储，实现了图片文档等非结构化数据的可视化展示，有效提升了平台的科学性与艺术性；该平台还创新性地构建了实时交互式响应模式，为系统管理员提供自动化数据审核工具，极大地方便了数据的审核管理；该平台将部署在生态环境云上，实现基于云服务的统一管理、统一监控、统一运维、统一服务和统一备份，极大地保证系统的稳定性和安全性. 当然，该平台还需要持续更新并扩充其本土化的基础数据资料，以更好地支撑我国环境健康风险评估和管控工作；同时，平台可以进一步加强与用户之间的交流与共享，发挥学术界力量，通过共享合格的本土化健康风险毒性数据，有效拓宽数据来源并保持平台的生命力；在国家加快推进网络强国和社会主义现代化建设背景下，该平台需要与时俱进，不断结合当下迅猛发展的信息技术以迭代优化平台设计，提升平台的便捷性和实用性.

图 5 公众端分类查询和定制查询功能Fig.5 Classified query and customized query in the public system

图 6 数据审核发布流程Fig.6 Data review and release process

图 7 管理端数据审核功能Fig.7 Data review in the back-end management system

3 结论

a) 该研究基于收集、整编和经本土化改造的污染物健康风险毒性数据，利用互联网、云服务等新一代网信技术，构建了符合我国国情的健康风险毒性数据库，为我国环境健康风险评估、管控及相关研究提供了公益性基础数据及Web环境技术支撑平台.

b) 该平台集成了被国内外业内人士广泛使用信息系统的优点和当前Web信息系统的先进技术，搭建了公众端和管理端，为国内外公众用户提供了便捷美观的数据查询与服务系统，为系统管理人员提供了高效的数据及用户组织管理工具. 该平台构建的实时交互式响应及自动生成审核信息的数据审核功能是其一大创新，极大地方便了数据审核管理.

c) 该平台拟通过生态环境云实现统一管理、统一监控、统一运维、统一服务和统一备份，将极大地保证系统的稳定性和安全性.