基準劑量法在水質(zhì)基準中的應(yīng)用

周振，姚吉倫，謝彬，代俊杰

（解放軍后勤工程學(xué)院，重慶 401311）

基準劑量法在水質(zhì)基準中的應(yīng)用

周振，姚吉倫，謝彬，代俊杰

（解放軍后勤工程學(xué)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(zhì)基準風(fēng)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(yīng)水平（NOAEL）作為指標的不足。該方法能從數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的角度解釋和發(fā)展劑量反應(yīng)關(guān)系，體現(xiàn)了顯著的科學(xué)性，已成為毒理學(xué)界確定參考劑量（RFD）的一種有效方法。首先，從水質(zhì)基準的定義、分類、水質(zhì)基準和水質(zhì)標準的區(qū)別及水質(zhì)基準方法學(xué)4個方面闡述了水質(zhì)基準的相關(guān)概念。其次，詳細總結(jié)了水質(zhì)基準的國內(nèi)外相關(guān)研究。然后，介紹了我國飲用水水質(zhì)基準值的計算公式。再次，運用統(tǒng)計學(xué)知識詳細闡明了基準劑量法的原理。最后，結(jié)合我國水環(huán)境質(zhì)量標準管理體系的現(xiàn)狀，提出了我國水質(zhì)標準需要進一步完善的方面，以及開展我國水質(zhì)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(zhì)基準；水質(zhì)標準；基準劑量法；角形法

1 水質(zhì)基準的相關(guān)概念

1.1 定義

水質(zhì)基準（Water Quality Criteria）作為水環(huán)境質(zhì)量基準的簡稱，是指環(huán)境中的污染物對特定對象不產(chǎn)生有害影響的最大濃度或劑量［1］。實際上，水質(zhì)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(qū)間值［2］。

1.2 分類

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

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

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

1.3 水質(zhì)基準和水質(zhì)標準的區(qū)別

水質(zhì)基準和水質(zhì)標準是一個完整的水環(huán)境管理體系不可或缺的兩個方面［4］。

作為制定水質(zhì)標準的根據(jù)，水質(zhì)基準（Water Quality Criteria）是一個自然科學(xué)范疇的概念，是依據(jù)污染物和生物體之間的濃度—反應(yīng)關(guān)系結(jié)合相關(guān)理論推導(dǎo)，進行科學(xué)研判而得到的客觀結(jié)果，技術(shù)上的可行性、經(jīng)濟效益是否顯著等因素在獲取水質(zhì)基準的過程中并未考慮。

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

1.4 水質(zhì)基準方法學(xué)

確定水介質(zhì)中各類污染物的劑量（濃度）與人群健康相互響應(yīng)（反應(yīng)）間的對應(yīng)定量關(guān)系是確定水質(zhì)基準的關(guān)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(shù)據(jù)是水質(zhì)基準的主要數(shù)據(jù)來源。為確保大部分人群在受到水質(zhì)基準之內(nèi)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(shù)據(jù)有限的缺陷，基于此才能構(gòu)建各種污染物的水質(zhì)基準值。由此可知水質(zhì)基準的定值方法學(xué)是建立水質(zhì)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(yīng)較為靈敏的物種對此污染物的忍耐閾值，是目前各類水質(zhì)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(zhì)基準，以此來保護大多數(shù)人群的安全。

2 水質(zhì)基準的國內(nèi)外相關(guān)研究

2.1 國外

作為最早進行水質(zhì)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(guān)水環(huán)境基準的文獻，形成了一套較為完備的水質(zhì)基準體系。美國環(huán)保署（US EPA）于2000年頒布了《推導(dǎo)保護人體健康水質(zhì)基準方法學(xué)指南》，該指南系統(tǒng)闡述了人體健康水質(zhì)基準的推導(dǎo)方法。2002年，2004年和2006年美環(huán)保署又分別對美國水質(zhì)基準指南進行了修訂完善［8］。美國最新的水質(zhì)基準文件是由環(huán)保署于2009年頒布實施，47類非優(yōu)先控制污染物和120類優(yōu)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(zhì)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(qū)在2000年以后也相繼頒布或修訂了各自的水質(zhì)基準文件［3］。

2.2 國內(nèi)

涉及水質(zhì)基準的相關(guān)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?。?］對水質(zhì)基準和標準的概念以及相互之間的關(guān)系進行了介紹，同時總結(jié)了由基準向標準變換的方法，并對1972年美國水質(zhì)基準中75個有關(guān)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(tài)基準的概念，概括了美國水生態(tài)基準的研究狀況，介紹了美國環(huán)保署推薦的《推導(dǎo)保護水生生物及其用途的國家水質(zhì)基準技術(shù)指南》的內(nèi)容，同時根據(jù)我國水生生物區(qū)系的特性，闡釋了在我國開展水環(huán)境基準研究的必要性。2005年，周忻等［10］在美環(huán)保署出版的環(huán)境水質(zhì)基準推導(dǎo)方法的基礎(chǔ)上，探討了非致癌有機物環(huán)境水質(zhì)基準的理論推導(dǎo)過程。同年，面對我國水系污染的嚴峻態(tài)勢，吳豐昌等［3］闡明了我國開展水質(zhì)基準區(qū)域性研究的迫切性和重要意義，提出了盡快根據(jù)我國區(qū)域特征建立水環(huán)境水質(zhì)基準理論、方法和技術(shù)是目前我國環(huán)境管理的重要任務(wù)，展望了水環(huán)境基準的研究趨勢和發(fā)展方向。2010年，我國第一部系統(tǒng)論述水質(zhì)基準理論方法學(xué)的著作，由中國環(huán)境科學(xué)研究院［11］編輯出版，該書依據(jù)我國生物區(qū)系特征與水質(zhì)基準案例，總結(jié)了國外先進的水質(zhì)基準研究方法，闡述了水質(zhì)基準研究中的疑問。

3 我國飲用水水質(zhì)基準值的計算

我國飲用水水質(zhì)基準值計算公式為［11］

式中HBV為飲用水水質(zhì)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(shù)；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(jié)中詳細介紹。

4 基準劑量法

4.1 定義

近年來，隨著生物醫(yī)學(xué)統(tǒng)計研究的快速發(fā)展、計算機技術(shù)的普及應(yīng)用及流行病學(xué)數(shù)據(jù)和人體毒性效應(yīng)數(shù)據(jù)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(fā)展。美國環(huán)境保護署對基準劑量法（BMD）的定義是：依據(jù)劑量—反應(yīng)曲線得到的，和背景值相比較，達到預(yù)先確定的損害效應(yīng)發(fā)生率的統(tǒng)計學(xué)置信區(qū)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(qū)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(tǒng)的NOAEL在風(fēng)險評價中確定非致癌物的危險度時存在的不足。

4.2 優(yōu)缺點

4.2.1 優(yōu)點

（1）利用統(tǒng)計學(xué)理論降低了試驗設(shè)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(shù)據(jù)存在誤差，將推導(dǎo)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(shè)計更加科學(xué)。

（3）結(jié)論的可靠性增加。所有劑量—反應(yīng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)資料經(jīng)過BMD法得到了充分利用，而且數(shù)據(jù)的不確定性和變異性通過置信區(qū)間下限值（BMDL）得到了量化，使得結(jié)論更加可靠。

4.2.2 缺點

（1）此種方法需要運用復(fù)雜的數(shù)理統(tǒng)計方法，構(gòu)建劑量—反應(yīng)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(shù)據(jù)，并對響應(yīng)數(shù)據(jù)也有相關(guān)要求，即試驗所含的劑量組數(shù)要大于響應(yīng)模型中的參數(shù)個數(shù)［14］，這一局限性限制了基準劑量法的推廣使用。

4.3 推導(dǎo)過程

基準劑量的計算是通過建立合適的數(shù)學(xué)模型對觀察資料進行擬合，并通過運用模擬的數(shù)學(xué)模型預(yù)估造成預(yù)定概率（基準反應(yīng)率）響應(yīng)的相應(yīng)劑量［15］，劑量—反應(yīng)關(guān)系示意圖如圖1［12］。

以multistage模型為例，推導(dǎo)水質(zhì)基準值，其余模型類似。

multistage模型［16］樣本出現(xiàn)毒害效應(yīng)概率

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

圖1劑量—響應(yīng)關(guān)系示意

定義額外危險度［17］

其中，R（0）為本底值。

又函數(shù)BMD非零且一階導(dǎo)數(shù)存在，滿足delta法［18］的使用條件，有：

由式（12）可得：

求得置信區(qū)間為：

置信下限為：

至此已求出參數(shù)BMDL，將式（15）代入式（1）中即可求出水質(zhì)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(jīng)在水環(huán)境質(zhì)量標準體系方面進行了系列研究，但與歐美等發(fā)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(xù)沿用原有標準制定的方法外，還應(yīng)積極引入國外先進成熟的標準體系，再根據(jù)我國的水環(huán)境區(qū)域特征加以檢驗、擴充和修正［19］。同時需進一步開展水環(huán)境質(zhì)量標準和基準基本原理與定值方法學(xué)研究，研究我國水環(huán)境質(zhì)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(huán)境生態(tài)毒理學(xué)數(shù)據(jù)庫，實施符合我國水環(huán)境生態(tài)區(qū)系的環(huán)境基準驗證和等效研究，完善水質(zhì)基準研究方法、擴充流行病學(xué)數(shù)據(jù)和人體毒性效應(yīng)數(shù)據(jù)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(huán)境科學(xué)學(xué)報，2009，29：2393-2406.

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

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

［5］周啟星.環(huán)境基準研究與環(huán)境標準制定進展及展望［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)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(zhì)基準的定值方法與我國海水水質(zhì)基準研究的構(gòu)想［A］.中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會環(huán)境標準與基準專業(yè)委員會2010年學(xué)術(shù)研討會論文集［C］.北京：中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會環(huán)境標準與基準專業(yè)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(yīng)及其水質(zhì)基準的研究［D］.天津：南開大學(xué)，2012.

［9］王明俊.水質(zhì)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(zhì)基準的推導(dǎo)方法研究［J］.環(huán)境保護科學(xué)，2005，31（1）：22-26.

［11］中國環(huán)境科學(xué)研究院.水質(zhì)基準的理論與方法學(xué)導(dǎo)論［M］.北京：科學(xué)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。