生态环境学报 2014, 23(7): 1239-1244 http://www.jeesci.com Ecology and Environmental Sciences E-mail: [email protected]
健康风险评估方法在中国重金属污染中的应用
及暴露评估模型的研究进展
刘蕊*，张辉，勾昕，罗绪强，杨鸿雁
贵州师范学院地理与旅游学院，贵州 贵阳 550018
摘要：经济的快速发展导致中国环境质量日趋恶化。随着健康意识的增强，人们越来越重视污染物暴露人群的健康风险评估。与其他污染物相比，重金属污染区域广，重金属暴露人群多且集中。为了研究重金属暴露条件下人群的健康风险，USEPA模型、统计模型、地理信息系统、可给性研究的方法已被中国不同学者应用。暴露评估模型作为污染物暴露人群健康风险评估的主要环节，国外的研究已经比较成熟，但相关研究在中国还处于空白阶段。对中国近年来在城市表层土壤（灰尘）、矿区土壤、膳食、地下水和饮用水、大气颗粒物进行重金属风险评估中应用的健康风险评估方法，进行了归纳和评述，并对欧美常用暴露评估模型：环境暴露评估模型、膳食暴露评估模型进行了介绍。中国健康风险评估工作起步晚，在评估的各环节均存在很大缺陷。随着新技术的发展以及人群对环境健康风险认识的深化，健康风险评估将成为中国热门研究领域之一。污染的环境行为、剂量-效应关系、模型、风险信息等方面，将是未来中国健康风险评估研究的重点。 关键词：健康风险评估；重金属；暴露人群；暴露评估模型
中图分类号：X820.4 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2014）07-1239-06
引用格式：刘蕊，张辉，勾昕，罗绪强，杨鸿雁. 健康风险评估方法在中国重金属污染中的应用及暴露评估模型的研究进展[J]. 生态环境学报, 2014, 23(7): 1239-1244.
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自20世纪50年代日本水俣湾发生第一次汞中毒公害事件后，重金属污染开始受到全球关注。工业污染、交通污染、生活污染是重金属污染的主要来源。工业污染多通过废渣、废水、废气排入环境，在人体和动植物中富集；交通污染主要通过汽车尾气的排放进入大气降尘；生活污染主要通过生活垃圾进入环境。过去30年以环境促经济的发展模式，导致中国大多数人群正以多途径、长时间暴露于重金属污染环境为代价。关于不同来源重金属污染状况及暴露特征的研究，中国已进行了较广泛和系统的研究。史兴民和王建辉（2009）、方凤满等（2011）对城市不同功能区土壤重金属的来源、暴露特征进行了研究；郭伟等（2011）、高军侠等（2013）分别对中国典型矿区土壤和农田土壤重金属污染状况和特征进行了分析；杨卫芬等（2010）、王玉秋等（2005）则以大气颗粒物和PM2.5为研究对象，对中国大气重金属污染的特征进行了研究。此外，中国学者对膳食重金属污染和地下水、饮用水重金属污染的研究也较全面（郭明晖等，2007；蒋燕松等，2013；王若师等，2012；温海威等，2012）。
健康风险评估是指有毒有害物质对人体健康安全的影响程度通过收集毒理学资料、人群流行病学资料、环境和暴露的因素等，直接以健康风险度为表征表示人体健康造成损害的可能性及其程度大小进行概率估计（Sipter，2008；Wang等，2007）。20世纪60年代，风险评估处于萌芽时期，主要采用毒物鉴定方法进行健康影响分析，以定性研究为主，尝试性开展定量方法进行低浓度暴露条件下的健康风险评估（NRC，1994）。1976年美国国家环保局首先公布了可疑致癌物的风险评估准则，提出有毒化学品的致癌风险评估方法。1983年美国国家科学院提出了健康风险评估的定义与框架，以及危害判断、剂量-效应关系评估、暴露评估和风险表征的风险评估
基金项目：贵州省科学技术基金（黔科合J字[2014]2141号）；贵州师范学院自然科学研究基金（13BS022）
作者简介：刘蕊（1984年生），女，副教授，博士研究生，主要从事污染控制原理与生态修复及环境健康风险研究。E-mail: [email protected]
*通讯联系人，E-mail：[email protected] 收稿日期：2014-04-24
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四步法（NRC，1983）。1999年欧洲环境署（EEA）也颁布了环境风险评估的技术性文件，系统介绍了健康风险评估的方法和内容（EEA，1999）。2006年和2007年韩国（Kim等，2006）和日本（http://unit.aist.go.jp/riss/crm/ ex-posurefactors/english_summary.html）参考USEPA的暴露参数手册，同时根据本国居民的特点分布编制《韩国暴露参数手册》和《日本暴露参数手册》，并在此基础上建立起适用于本国的健康风险评估体系。
与国外相比，中国的健康风险评估起步晚，对于风险评估模型的研究比较缺乏。近年来，中国对健康风险评估的研究逐渐重视。中国国家基金委从2003年开始对健康风险评估相关研究进行资助，从每年资助1~2项，资助金额每项25万元左右，到2013年每年资助近20项，资助金额最高达400万元（http://nsfc.biomart.cn/）。尽管中国利用风险概念分析方法对环境健康风险进行评估的应用研究已经取得较大进展，但根据中国居民特征的健康风险评估方法仍然没有建立。目前中国的健康风险评估仍然多借用国外模型，而由于人种和地区的差异，国外的暴露参数并不能准确反映中国人群的暴露特征，因此简单套用国外模型可能导致健康风险评估结果的失真。
中国重金属污染形势严峻，人们对重金属污染带来的健康效应越来越关注。因此，评述健康风险评估方法在中国重金属污染中的应用进展，总结国外常用暴露评估模型并探究其优缺点，展望其发展趋势，对于推动建立适用于中国的健康风险评估方法具有重要意义。
1 健康风险评估方法在中国重金属污染中的应用
中国健康风险评估研究起步晚，因此进行评估的污染物种类和评估区域有限。目前主要进行风险评估的重金属污染物有Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、As、Ni、Hg，评估区域涉及到受重金属污染的城市表层土壤（灰尘）和矿区土壤、膳食、地下水和饮用水、大气颗粒物。
1.1 USEPA模型在中国重金属健康风险评估的应用
污染健康风险评估的方法主要分2类：一类是以定量模型为主的健康风险评估方法，一类是以不确定性模型为主的健康风险评估方法。定量模型由于计算简单，使用方便，输出结果基本能代表研究区的基本水平。因此，在世界健康风险评估中被广泛应用，其中美国国家环保署（USEPA）提出的人体健康风险评估模型应用最
多。中国利用该模型对重金属污染暴露人群的健康风险评估研究较多，从城市表层土壤（灰尘）、矿区土壤、膳食、居民饮用水及大气PM10均有相关研究（王若师等，2012；温海威等，2012；李法云等，2012；方凤满等，2010；Du等，2013；Dong等，2011；牛小丽，2012；于云江等，2013）。这种定量风险评估模型虽然优点显著，但由于直接引入国外的模型在原理、适用条件、算法、考虑介质和过程等方面可能与中国实际情况存在较大差异，而且美国欧盟等国家在健康风险评估方面制定和颁布了许多技术性文件，中国在此方面仍属空白。这些技术文件的程序和参数是否适用于中国国民体质仍有待商榷。目前，中国已有一些学者和机构开展了针对本国人群的暴露参数调查（王喆等，2008；段小丽等，2009；王宗爽等，2009；中华人民卫生部，2007），同时李静等（2008）、李奔等（2012）和胡子梅等（2013）学者将暴露参数根据研究区实际情况进行了调整，然后应用USEPA模型分别对重金属污染的铅锌矿区土壤和上海市大气PM2.5进行了健康风险评估。
1.2 统计模型在中国重金属健康风险评估的应用
由于环境系统中的不确定因素，确定性评价模型，如USEPA模型在一定程度上难以反映重金属污染的客观情况，而不确定性模型可以通过模拟一系列随即选择的条件而评价每一个风险参数，比确定性评价模型表现出更多的优势。蒙特卡洛模型（Monte Carlo）是近几年国外常采用的不确定性健康风险评估模型并取得了大量成果。如Thomas（1994）采用蒙特卡洛模型分析了食用自产的污染土壤的农产品对农民身体健康的影响，并分析了模型中各参数的不确定问题对预测结果的影响。Teresa等（1994）采用该模型结合其他模型对土壤Pb元素风险阀值的确定方法进行了研究。中国利用该模型开展的重金属污染健康风险评估研究较少，只有刘发欣（2007）、叶文慧和张东杰（2008）、Li等（2014）利用蒙特卡洛模型对中国水稻、蔬菜、水果等农产品和矿区土壤中重金属的健康风险进行了评估。此外，RBCA模型、Csoil模型、EPACMTP模型、盲数模型也陆续被中国学者应用到地下水、城市土壤（灰尘）重金属污染健康风险评估中（武晓峰等，2012；季文佳等，2010；陈婧，2013）。
1.3 地理信息系统（GIS）在中国重金属健康风险评估的应用
随着健康风险评估越来越复杂，准确性要求越来越高，发展和完善各种数学模型是风险评估
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研究的重要方面。中国的GIS和地理统计技术发展使模拟技术有了很大提高。这些技术是在已有检查数据的基础上通过运用距离加权法、克里格空间内插发、回归分析等方法模拟区域的污染状况，估算缺乏实际检查数据地区的污染物浓度。中国利用GIS技术对污染物健康风险评估研究较少。在重金属风险评估方面，目前只有于云江和杨彦（2013）、李如忠等（2012）采用USEPA模型与克里格内插法结合对松花江地下水和城市表层土壤（灰尘）健康风险进行了研究。
1.4 可给性研究在中国重金属健康风险评估的应用
不论采用确定性风险模型、不确定性风险模型还是GIS技术，研究者通常利用摄入重金属总量进行计算，而人体消化系统不可能100%吸收存在于结合物中的污染物（Freeman等，1994，1996）。利用生物可给性研究重金属对人体的健康风险，已经成为重金属对人体健康风险评估的重要方法之一（Abrahams等，2006；Brandon等，2006）。欧美一些国家已经对此方法的应用进行了较系统的研究。美国已经把重金属对人体的生物可给性的体外实验结果应用于健康风险评价工作，并且美国环保局(USEPA)还颁布了体外消化法研究土壤中Pb的生物可给性国家标准UKEA，2005）。中国生物可给性研究起步较晚，利用重金属的生物可给性结果进行人体健康风险评估的研究屈指可数，目前只有陈晓晨等2010）、Luo等（2012）和Hu等（2012，2011）在研究城市表层土壤重金属、公园土壤重金属和大气总悬浮颗粒物及PM2.5中重金属时，将生物可给性研究用于健康风险评估中。
2 健康风险评估中的暴露评估模型
健康风险评估四步法中危害识别和危害特征，描述是由FAO/WHO下的几个国际权威性的从事危险评估的专家组织完成。他们的研究结果被各成员国直接采用（钱永忠和李耘，2007）。而暴露评估则因各国、各地区食品生产、消费习惯、污染物性质及水平的客观差异而常各自进行Kroes等，2002）。由此可见，在对一国污染物暴露人群健康风险进行评估时，暴露评估环节至关重要。
评估人体对环境中风险因子暴露情况可以采用不同的方法，最理想的方法是直接计算人体一生中对某中风险因子吸收的精确剂量，这需要掌握该污染物通过不同环境媒介和暴露途径进入人体的数据，但在大多数情况下直接监测人体数据比较困难，因此不得不采用一些间接方法。目前数学模拟、概率模型、剂量重建分析、GIS等技术
已广泛应用于暴露评估中，其中利用暴露评估模型为基础进行健康风险评估已成为研究热门。中国该方面研究还处于空白，但国外对暴露风险模型的研究已经比较成熟，目前常用于风险评估的暴露模型包括环境暴露评估模型、膳食暴露评估模型（Fryer等，2006）。 2.1 环境暴露评估模型
环境暴露评估模型是为了对自然环境中的化学物质在暴露人群中的量化而建立起来的模型。根据提供参数的不同，环境暴露评估模型被分为2类：环境浓度模型和人群吸入模型。环境浓度模型包括污染物淋溶模型ConSim和LandSim、空气扩散模型UKADMS和AERMOD、污染物排放模型SIMCAT（Fryer等，2006）。其中，ConSim和LandSim主要应用于确定地下水污染物的暴露水平；UKADMS和AERMOD主要用于量化大气污染物暴露水平；SIMCAT主要应用于地表水污染物的暴露量化。利用环境浓度模型可以对个人或人群平均时间的活动模式及污染物，在时间和空间的变异进行有效模拟，然后再根据环境标准和环境指导值对污染物在暴露人群的健康风险进行评估。该模型的缺陷是不能完全模拟污染源-污染暴露途径-污染物最终受体这一整体过程，因此，应用该模型进行暴露评估时还需要加入一个额外暴露组成。
人体吸入模型是为了量化人群在接触相关环境媒介时吸入的化学污染物而建立起来的。CLEA模型是人体吸入模型常用模型（Fryer等，2006）。该模型主要应用于处理污染土壤的直接或间接暴露。它的缺点是目前构建的CLEA模型，只能用在实验室获得土壤参考值，不能用于具体场地的暴露模拟。在应用人体吸入模型进行暴露评估时，除了要求获得与污染物和环境相关的参数，也要获得暴露人群活动参数及暴露人群生理参数。
2.2 膳食暴露评估模型
膳食暴露评估模型分为确定性模型和概率模型2类（FAO/WHO，2009，2006）。确定性模型可用于评估某时期或某时刻人群暴露于污染物下的风险，模型中数据的输入为单一的数字。该模型应用简单，节省时间，但是对于风险情况缺乏全面、深入的理解，通常忽略评估信息的“变异性”和“不确定性”
概率模型中，数据输入为一个可能的取值范围，该范围内所用值的概率组成一个概率分布。概率模型的结果中尤其强调了数据的“变异性”和“不确定性”，考虑了几乎所用的可能性及其可能的
（（（
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发生方式。由于概率模型的分析和计算相对复杂，经常需要应用相关的工具和计算软件。美国和欧盟在这方面的研究一直处于前沿，目前相继建立了评估美国人群和欧洲人群的膳食暴露评估模型。
2.2.1 美国膳食暴露评估模型
USEPA目前使用的膳食暴露评估模型包括DEEM、Calendex和LifeLine（Kroes等，2002；USEPA，2000；USEPA，1999）。DEEM（Dietary Exposure Evaluation Model）的目的是利用蒙特卡洛方法评估毒物、营养素、农药、食品添加剂和某些天然成分的摄入水平，该模型有估计急性和慢性模块并且能急性确定性评估和概率评估。该模型中还含有美国农业部的食物消费调查数据和农药数据，可以根据食物中污染物浓度分布数据，结合膳食消费数据库信息，展开模拟，得到膳食所用个体、所有天数暴露量的频率分布，进而绘出膳食暴露情况的各百分位数分布图。此外，该模型还可以分析各种食物、污染物对总暴露的贡献率。DEEM模型被USEPA农业计划办公室广泛用于农业最大残留限量的建立，因此得到美国农药公司的广泛使用。
Calendex是美国第一个为蓄积性和累积性农药暴露评估特别设计的模型。该模型将1年内个体的膳食消费信息、农药使用情况及人群在剧中环境中与农药的接触情况等信息，编制成时间表，利用蒙特卡洛方法计算得到某人在1 d、1周或1年内可能的蓄积性和累积性暴露风险。Calendex模型还可以与DEEM模型一起进行膳食暴露评估，称为DEEM/Calendex模型。
LifeLine模型基于个体的特定特征，计算个体每日经由特定途径的污染物摄入量，再完成多个个体的模拟后，生成整个人群摄入量的分布。LifeLine模型最初设计是用于评估来自居住环境、膳食和自来水的农业暴露。该模型通过模拟人群每个个体一生中各暴露情况，对环境污染物的蓄积性暴露风险进行评估。 2.2.2 欧盟膳食暴露评估模型
目前，欧洲用于膳食暴露评估的模型主要有Consumer（Consumer Exposure Model）模型和POCER（the Pesticide Occupational and Environmental Risk Indicator）模型（Ferriera等，2000；Vercruysse和Steurbant，2002）。
Consumer模型包括慢性和急性评估模型。前者涉及水果、蔬菜、谷类和肉类等共计14大类125小类的初级及其加工日用品；后者则共涉及16大类125小类。其消费数据由英国食品安全局
1986、1992—1993、1994—1995、1997和2001年的国家膳食和营养调查提供。模型涉及了婴儿、学步的孩子、4~6岁的儿童、7~10的儿童11~14岁的儿童、15~18岁的青少年、成人、素食者和年长者，共10个暴露人群。
POCER模型是以欧洲法令91/414/EC为基础，以经济合作和发展组织对农药风险指标的设定为原则制定的。该模型既可以发音农药喷施对人体职业、非膳食和膳食暴露造成的风险，也可以反映农药的使用对环境造成的风险。POCER模型共分POCERⅠ和POCERⅡ 2类。其中POCERⅠ包括10个子模型，3个模型是针对农药的职业和非膳食暴露建立的，主要涉及的人群有农药施用者、农场工人及路人；7个模型针对农药环境造成的风险，评估对对象为鸟类、蜜蜂、有益动物、水生生物、蚯蚓、土壤和地下水。POCERⅡ在POCERⅠ基础上又新增了4个模型，其中3个是针对农药对环境造成的风险，评估对象为空气、抗病性诱导效应和农场开销；最后一个是针对农药对消费者风险开展的人体膳食暴露评估。
3 总结与展望
3.1 总结
健康风险评估作为交叉研究项目，欧美等发达国家在标准制定、模型建立、毒理资料研究、风险管理等方面已发展较为成熟。近年来虽然USEPA模型、蒙特卡洛模型、地理信息系统等健康风险评估方法已用来对中国重金属污染人群进行健康风险评估，但由于中国健康风险评估工作起步晚，在评估的各环节均存在很大缺陷。随着新技术的发展以及人群对环境健康风险认识的深化，健康风险评估将成为中国热门研究领域之一。污染的环境行为、剂量-效应关系、模型、风险信息等方面，将是未来中国健康风险评估研究的重点。 3.2 展望
3.2.1 污染物环境行为
随着监测手段和技术的不断发展，污染物在人体内的转化行为应该是未来健康风险评估的研究重点。这包括污染物在人体胃肠到的消化行为和在小肠的吸收行为。除了利用模拟人体胃肠消化液的生物可给性研究，应该继续应用到健康风险评估中，考虑到小肠对污染物的吸收作用，因此，将Caco-2细胞模型应用到生物可给性研究，并在此基础上进行健康风险评估将是未来研究的趋势。
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3.2.2 剂量-效应关系
剂量-效应是健康风险评估的基础与关键。因此，应用机理模型和数据来减少危害识别和剂量-效应评估中的不确定性，将是今后健康风险评估研究中迫切要解决的问题。这要求准确计算目标器官暴露剂量，建立目标器官暴露剂量的定量预测模型。通过发展和评估新的毒理学测试方法来识别表征污染物的危害与毒理机制，形成机理模型来取代致癌与非致癌评估中的默认值方法。对于中国而言，尽快利用毒理学方法完成各污染物在不同介质中的基准研究，编写中国的环境基准手册，是建立适用于中国健康风险评估方法的基础。
3.2.3 健康风险评估模型
数学模型在健康风险评估中的作用越来越重要，欧美国家的健康风险评估模型在不断改进中趋于完善。随着GIS技术在模型中的广泛应用，未来健康风险评估模型的发展趋势将是：简单化、推广能力强、能适应不同时空尺度、可信度高。建立的模型具有多模块模拟功能，能够将监测数据、人群的行为方式数据、人口统计数据、污染物释放-传输-转化过程于一体，并兼备预测与预警功能。从中国污染物暴露情况、人群特征、生活习惯等方面为入手点，尽快建立适用于中国暴露人群的健康风险评估模型及针对不同污染物和介质的暴露评估模型是今后的研究重点。 3.2.4 数据的收集与监测
定量评估污染物的健康风险需要收集和应用大量的数据。这不仅包括环境污染数据，也包括污染物剂量效应、人群的生活行为等数据。因此今后一方面要加强对环境污染的监测，建立区域尺度的监测网络，例如欧洲土壤监测网络；另一方面要加强对风险信息资料的收集与积累，建立为风险评估提供支持的数据库系统。尽管USEPA已经建立了综合风险信息系统，但人类的生活方式及人群特征很大程度对污染物的暴露于效应有影响，因此，建立一个全国尺度的人类活动模型数据库，也是未来发展趋势。
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Approaches of Health Risk Assessment for Heavy Metals Applied in China
and Advance in Exposure Assessment Models: A Review
LIU Rui, ZHANG Hui, GOU Xin, LUO Xueqiang, YANG Hongyan
School of Geography and Tourism, Guizhou Normal College, Guiyang 550018, China
Abstract: With the increasingly development of economy, the environmental quality in China is becoming severely worse and worse. Much more attention to health risk assessment for human exposed by contaminations is paid due to the increasing healthy awareness. Compared to other contaminations, larger area and more people are contaminated by heavy metals. In order to research the health risk for human exposed by heavy metals, USEPA model, statistical models, GIS and bioavailability have been applied in China. Alt-hough exposure assessment model, as a key part of health risk assessment, has been widely studied in other countries, the relevant report is limited in China. This paper summarize both the approaches of health risk assessment for heavy metals applied in urban soil (dust), mining areas, diet, ground water, table water, atmospheric particulates, and some classical exposure assessment models ap-plied in USA and Europe: environmental exposure assessment models and diet exposure assessment models. Due to the late start in the study on the health risk assessment, there are lots of shortcomings in every aspects of the health risk assessment in China. Along with the development of new technologies, the health risk assessment will be one of the most popular research fields. The study on the contaminated environmental behavior, the relationship between dose and response, models and risk information will be exten-sively conducted in the future in China.
Key words: health risk assessment; heavy metals; exposure human; exposure assessment models
健康风险评估方法在中国重金属污染中的应用及暴露评估模型的研究进展
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
刘蕊， 张辉， 勾昕， 罗绪强， 杨鸿雁， LIU Rui， ZHANG Hui， GOU Xin， LUO Xueqiang， YANGHongyan
贵州师范学院地理与旅游学院,贵州贵阳,550018生态环境学报
Ecology and Environment Sciences2014(7)
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_tryhj201407023.aspx
生态环境学报 2014, 23(7): 1239-1244 http://www.jeesci.com Ecology and Environmental Sciences E-mail: [email protected]
健康风险评估方法在中国重金属污染中的应用
及暴露评估模型的研究进展
刘蕊*，张辉，勾昕，罗绪强，杨鸿雁
贵州师范学院地理与旅游学院，贵州 贵阳 550018
摘要：经济的快速发展导致中国环境质量日趋恶化。随着健康意识的增强，人们越来越重视污染物暴露人群的健康风险评估。与其他污染物相比，重金属污染区域广，重金属暴露人群多且集中。为了研究重金属暴露条件下人群的健康风险，USEPA模型、统计模型、地理信息系统、可给性研究的方法已被中国不同学者应用。暴露评估模型作为污染物暴露人群健康风险评估的主要环节，国外的研究已经比较成熟，但相关研究在中国还处于空白阶段。对中国近年来在城市表层土壤（灰尘）、矿区土壤、膳食、地下水和饮用水、大气颗粒物进行重金属风险评估中应用的健康风险评估方法，进行了归纳和评述，并对欧美常用暴露评估模型：环境暴露评估模型、膳食暴露评估模型进行了介绍。中国健康风险评估工作起步晚，在评估的各环节均存在很大缺陷。随着新技术的发展以及人群对环境健康风险认识的深化，健康风险评估将成为中国热门研究领域之一。污染的环境行为、剂量-效应关系、模型、风险信息等方面，将是未来中国健康风险评估研究的重点。 关键词：健康风险评估；重金属；暴露人群；暴露评估模型
中图分类号：X820.4 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2014）07-1239-06
引用格式：刘蕊，张辉，勾昕，罗绪强，杨鸿雁. 健康风险评估方法在中国重金属污染中的应用及暴露评估模型的研究进展[J]. 生态环境学报, 2014, 23(7): 1239-1244.
LIU Rui，ZHANG Hui, GOU Xin, LUO Xueqiang, YANG Hongyan. Approaches of Health Risk Assessment for Heavy Metals Applied in China and Advance in Exposure Assessment Models: A Review [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(7): 1239-1244.
自20世纪50年代日本水俣湾发生第一次汞中毒公害事件后，重金属污染开始受到全球关注。工业污染、交通污染、生活污染是重金属污染的主要来源。工业污染多通过废渣、废水、废气排入环境，在人体和动植物中富集；交通污染主要通过汽车尾气的排放进入大气降尘；生活污染主要通过生活垃圾进入环境。过去30年以环境促经济的发展模式，导致中国大多数人群正以多途径、长时间暴露于重金属污染环境为代价。关于不同来源重金属污染状况及暴露特征的研究，中国已进行了较广泛和系统的研究。史兴民和王建辉（2009）、方凤满等（2011）对城市不同功能区土壤重金属的来源、暴露特征进行了研究；郭伟等（2011）、高军侠等（2013）分别对中国典型矿区土壤和农田土壤重金属污染状况和特征进行了分析；杨卫芬等（2010）、王玉秋等（2005）则以大气颗粒物和PM2.5为研究对象，对中国大气重金属污染的特征进行了研究。此外，中国学者对膳食重金属污染和地下水、饮用水重金属污染的研究也较全面（郭明晖等，2007；蒋燕松等，2013；王若师等，2012；温海威等，2012）。
健康风险评估是指有毒有害物质对人体健康安全的影响程度通过收集毒理学资料、人群流行病学资料、环境和暴露的因素等，直接以健康风险度为表征表示人体健康造成损害的可能性及其程度大小进行概率估计（Sipter，2008；Wang等，2007）。20世纪60年代，风险评估处于萌芽时期，主要采用毒物鉴定方法进行健康影响分析，以定性研究为主，尝试性开展定量方法进行低浓度暴露条件下的健康风险评估（NRC，1994）。1976年美国国家环保局首先公布了可疑致癌物的风险评估准则，提出有毒化学品的致癌风险评估方法。1983年美国国家科学院提出了健康风险评估的定义与框架，以及危害判断、剂量-效应关系评估、暴露评估和风险表征的风险评估
基金项目：贵州省科学技术基金（黔科合J字[2014]2141号）；贵州师范学院自然科学研究基金（13BS022）
作者简介：刘蕊（1984年生），女，副教授，博士研究生，主要从事污染控制原理与生态修复及环境健康风险研究。E-mail: [email protected]
*通讯联系人，E-mail：[email protected] 收稿日期：2014-04-24
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四步法（NRC，1983）。1999年欧洲环境署（EEA）也颁布了环境风险评估的技术性文件，系统介绍了健康风险评估的方法和内容（EEA，1999）。2006年和2007年韩国（Kim等，2006）和日本（http://unit.aist.go.jp/riss/crm/ ex-posurefactors/english_summary.html）参考USEPA的暴露参数手册，同时根据本国居民的特点分布编制《韩国暴露参数手册》和《日本暴露参数手册》，并在此基础上建立起适用于本国的健康风险评估体系。
与国外相比，中国的健康风险评估起步晚，对于风险评估模型的研究比较缺乏。近年来，中国对健康风险评估的研究逐渐重视。中国国家基金委从2003年开始对健康风险评估相关研究进行资助，从每年资助1~2项，资助金额每项25万元左右，到2013年每年资助近20项，资助金额最高达400万元（http://nsfc.biomart.cn/）。尽管中国利用风险概念分析方法对环境健康风险进行评估的应用研究已经取得较大进展，但根据中国居民特征的健康风险评估方法仍然没有建立。目前中国的健康风险评估仍然多借用国外模型，而由于人种和地区的差异，国外的暴露参数并不能准确反映中国人群的暴露特征，因此简单套用国外模型可能导致健康风险评估结果的失真。
中国重金属污染形势严峻，人们对重金属污染带来的健康效应越来越关注。因此，评述健康风险评估方法在中国重金属污染中的应用进展，总结国外常用暴露评估模型并探究其优缺点，展望其发展趋势，对于推动建立适用于中国的健康风险评估方法具有重要意义。
1 健康风险评估方法在中国重金属污染中的应用
中国健康风险评估研究起步晚，因此进行评估的污染物种类和评估区域有限。目前主要进行风险评估的重金属污染物有Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、As、Ni、Hg，评估区域涉及到受重金属污染的城市表层土壤（灰尘）和矿区土壤、膳食、地下水和饮用水、大气颗粒物。
1.1 USEPA模型在中国重金属健康风险评估的应用
污染健康风险评估的方法主要分2类：一类是以定量模型为主的健康风险评估方法，一类是以不确定性模型为主的健康风险评估方法。定量模型由于计算简单，使用方便，输出结果基本能代表研究区的基本水平。因此，在世界健康风险评估中被广泛应用，其中美国国家环保署（USEPA）提出的人体健康风险评估模型应用最
多。中国利用该模型对重金属污染暴露人群的健康风险评估研究较多，从城市表层土壤（灰尘）、矿区土壤、膳食、居民饮用水及大气PM10均有相关研究（王若师等，2012；温海威等，2012；李法云等，2012；方凤满等，2010；Du等，2013；Dong等，2011；牛小丽，2012；于云江等，2013）。这种定量风险评估模型虽然优点显著，但由于直接引入国外的模型在原理、适用条件、算法、考虑介质和过程等方面可能与中国实际情况存在较大差异，而且美国欧盟等国家在健康风险评估方面制定和颁布了许多技术性文件，中国在此方面仍属空白。这些技术文件的程序和参数是否适用于中国国民体质仍有待商榷。目前，中国已有一些学者和机构开展了针对本国人群的暴露参数调查（王喆等，2008；段小丽等，2009；王宗爽等，2009；中华人民卫生部，2007），同时李静等（2008）、李奔等（2012）和胡子梅等（2013）学者将暴露参数根据研究区实际情况进行了调整，然后应用USEPA模型分别对重金属污染的铅锌矿区土壤和上海市大气PM2.5进行了健康风险评估。
1.2 统计模型在中国重金属健康风险评估的应用
由于环境系统中的不确定因素，确定性评价模型，如USEPA模型在一定程度上难以反映重金属污染的客观情况，而不确定性模型可以通过模拟一系列随即选择的条件而评价每一个风险参数，比确定性评价模型表现出更多的优势。蒙特卡洛模型（Monte Carlo）是近几年国外常采用的不确定性健康风险评估模型并取得了大量成果。如Thomas（1994）采用蒙特卡洛模型分析了食用自产的污染土壤的农产品对农民身体健康的影响，并分析了模型中各参数的不确定问题对预测结果的影响。Teresa等（1994）采用该模型结合其他模型对土壤Pb元素风险阀值的确定方法进行了研究。中国利用该模型开展的重金属污染健康风险评估研究较少，只有刘发欣（2007）、叶文慧和张东杰（2008）、Li等（2014）利用蒙特卡洛模型对中国水稻、蔬菜、水果等农产品和矿区土壤中重金属的健康风险进行了评估。此外，RBCA模型、Csoil模型、EPACMTP模型、盲数模型也陆续被中国学者应用到地下水、城市土壤（灰尘）重金属污染健康风险评估中（武晓峰等，2012；季文佳等，2010；陈婧，2013）。
1.3 地理信息系统（GIS）在中国重金属健康风险评估的应用
随着健康风险评估越来越复杂，准确性要求越来越高，发展和完善各种数学模型是风险评估
刘蕊等健康风险评估方法在中国重金属污染中的应用及暴露评估模型的研究进展 1241
研究的重要方面。中国的GIS和地理统计技术发展使模拟技术有了很大提高。这些技术是在已有检查数据的基础上通过运用距离加权法、克里格空间内插发、回归分析等方法模拟区域的污染状况，估算缺乏实际检查数据地区的污染物浓度。中国利用GIS技术对污染物健康风险评估研究较少。在重金属风险评估方面，目前只有于云江和杨彦（2013）、李如忠等（2012）采用USEPA模型与克里格内插法结合对松花江地下水和城市表层土壤（灰尘）健康风险进行了研究。
1.4 可给性研究在中国重金属健康风险评估的应用
不论采用确定性风险模型、不确定性风险模型还是GIS技术，研究者通常利用摄入重金属总量进行计算，而人体消化系统不可能100%吸收存在于结合物中的污染物（Freeman等，1994，1996）。利用生物可给性研究重金属对人体的健康风险，已经成为重金属对人体健康风险评估的重要方法之一（Abrahams等，2006；Brandon等，2006）。欧美一些国家已经对此方法的应用进行了较系统的研究。美国已经把重金属对人体的生物可给性的体外实验结果应用于健康风险评价工作，并且美国环保局(USEPA)还颁布了体外消化法研究土壤中Pb的生物可给性国家标准UKEA，2005）。中国生物可给性研究起步较晚，利用重金属的生物可给性结果进行人体健康风险评估的研究屈指可数，目前只有陈晓晨等2010）、Luo等（2012）和Hu等（2012，2011）在研究城市表层土壤重金属、公园土壤重金属和大气总悬浮颗粒物及PM2.5中重金属时，将生物可给性研究用于健康风险评估中。
2 健康风险评估中的暴露评估模型
健康风险评估四步法中危害识别和危害特征，描述是由FAO/WHO下的几个国际权威性的从事危险评估的专家组织完成。他们的研究结果被各成员国直接采用（钱永忠和李耘，2007）。而暴露评估则因各国、各地区食品生产、消费习惯、污染物性质及水平的客观差异而常各自进行Kroes等，2002）。由此可见，在对一国污染物暴露人群健康风险进行评估时，暴露评估环节至关重要。
评估人体对环境中风险因子暴露情况可以采用不同的方法，最理想的方法是直接计算人体一生中对某中风险因子吸收的精确剂量，这需要掌握该污染物通过不同环境媒介和暴露途径进入人体的数据，但在大多数情况下直接监测人体数据比较困难，因此不得不采用一些间接方法。目前数学模拟、概率模型、剂量重建分析、GIS等技术
已广泛应用于暴露评估中，其中利用暴露评估模型为基础进行健康风险评估已成为研究热门。中国该方面研究还处于空白，但国外对暴露风险模型的研究已经比较成熟，目前常用于风险评估的暴露模型包括环境暴露评估模型、膳食暴露评估模型（Fryer等，2006）。 2.1 环境暴露评估模型
环境暴露评估模型是为了对自然环境中的化学物质在暴露人群中的量化而建立起来的模型。根据提供参数的不同，环境暴露评估模型被分为2类：环境浓度模型和人群吸入模型。环境浓度模型包括污染物淋溶模型ConSim和LandSim、空气扩散模型UKADMS和AERMOD、污染物排放模型SIMCAT（Fryer等，2006）。其中，ConSim和LandSim主要应用于确定地下水污染物的暴露水平；UKADMS和AERMOD主要用于量化大气污染物暴露水平；SIMCAT主要应用于地表水污染物的暴露量化。利用环境浓度模型可以对个人或人群平均时间的活动模式及污染物，在时间和空间的变异进行有效模拟，然后再根据环境标准和环境指导值对污染物在暴露人群的健康风险进行评估。该模型的缺陷是不能完全模拟污染源-污染暴露途径-污染物最终受体这一整体过程，因此，应用该模型进行暴露评估时还需要加入一个额外暴露组成。
人体吸入模型是为了量化人群在接触相关环境媒介时吸入的化学污染物而建立起来的。CLEA模型是人体吸入模型常用模型（Fryer等，2006）。该模型主要应用于处理污染土壤的直接或间接暴露。它的缺点是目前构建的CLEA模型，只能用在实验室获得土壤参考值，不能用于具体场地的暴露模拟。在应用人体吸入模型进行暴露评估时，除了要求获得与污染物和环境相关的参数，也要获得暴露人群活动参数及暴露人群生理参数。
2.2 膳食暴露评估模型
膳食暴露评估模型分为确定性模型和概率模型2类（FAO/WHO，2009，2006）。确定性模型可用于评估某时期或某时刻人群暴露于污染物下的风险，模型中数据的输入为单一的数字。该模型应用简单，节省时间，但是对于风险情况缺乏全面、深入的理解，通常忽略评估信息的“变异性”和“不确定性”
概率模型中，数据输入为一个可能的取值范围，该范围内所用值的概率组成一个概率分布。概率模型的结果中尤其强调了数据的“变异性”和“不确定性”，考虑了几乎所用的可能性及其可能的
（（（
1242 生态环境学报 第23卷第7期（2014年7月）
发生方式。由于概率模型的分析和计算相对复杂，经常需要应用相关的工具和计算软件。美国和欧盟在这方面的研究一直处于前沿，目前相继建立了评估美国人群和欧洲人群的膳食暴露评估模型。
2.2.1 美国膳食暴露评估模型
USEPA目前使用的膳食暴露评估模型包括DEEM、Calendex和LifeLine（Kroes等，2002；USEPA，2000；USEPA，1999）。DEEM（Dietary Exposure Evaluation Model）的目的是利用蒙特卡洛方法评估毒物、营养素、农药、食品添加剂和某些天然成分的摄入水平，该模型有估计急性和慢性模块并且能急性确定性评估和概率评估。该模型中还含有美国农业部的食物消费调查数据和农药数据，可以根据食物中污染物浓度分布数据，结合膳食消费数据库信息，展开模拟，得到膳食所用个体、所有天数暴露量的频率分布，进而绘出膳食暴露情况的各百分位数分布图。此外，该模型还可以分析各种食物、污染物对总暴露的贡献率。DEEM模型被USEPA农业计划办公室广泛用于农业最大残留限量的建立，因此得到美国农药公司的广泛使用。
Calendex是美国第一个为蓄积性和累积性农药暴露评估特别设计的模型。该模型将1年内个体的膳食消费信息、农药使用情况及人群在剧中环境中与农药的接触情况等信息，编制成时间表，利用蒙特卡洛方法计算得到某人在1 d、1周或1年内可能的蓄积性和累积性暴露风险。Calendex模型还可以与DEEM模型一起进行膳食暴露评估，称为DEEM/Calendex模型。
LifeLine模型基于个体的特定特征，计算个体每日经由特定途径的污染物摄入量，再完成多个个体的模拟后，生成整个人群摄入量的分布。LifeLine模型最初设计是用于评估来自居住环境、膳食和自来水的农业暴露。该模型通过模拟人群每个个体一生中各暴露情况，对环境污染物的蓄积性暴露风险进行评估。 2.2.2 欧盟膳食暴露评估模型
目前，欧洲用于膳食暴露评估的模型主要有Consumer（Consumer Exposure Model）模型和POCER（the Pesticide Occupational and Environmental Risk Indicator）模型（Ferriera等，2000；Vercruysse和Steurbant，2002）。
Consumer模型包括慢性和急性评估模型。前者涉及水果、蔬菜、谷类和肉类等共计14大类125小类的初级及其加工日用品；后者则共涉及16大类125小类。其消费数据由英国食品安全局
1986、1992—1993、1994—1995、1997和2001年的国家膳食和营养调查提供。模型涉及了婴儿、学步的孩子、4~6岁的儿童、7~10的儿童11~14岁的儿童、15~18岁的青少年、成人、素食者和年长者，共10个暴露人群。
POCER模型是以欧洲法令91/414/EC为基础，以经济合作和发展组织对农药风险指标的设定为原则制定的。该模型既可以发音农药喷施对人体职业、非膳食和膳食暴露造成的风险，也可以反映农药的使用对环境造成的风险。POCER模型共分POCERⅠ和POCERⅡ 2类。其中POCERⅠ包括10个子模型，3个模型是针对农药的职业和非膳食暴露建立的，主要涉及的人群有农药施用者、农场工人及路人；7个模型针对农药环境造成的风险，评估对对象为鸟类、蜜蜂、有益动物、水生生物、蚯蚓、土壤和地下水。POCERⅡ在POCERⅠ基础上又新增了4个模型，其中3个是针对农药对环境造成的风险，评估对象为空气、抗病性诱导效应和农场开销；最后一个是针对农药对消费者风险开展的人体膳食暴露评估。
3 总结与展望
3.1 总结
健康风险评估作为交叉研究项目，欧美等发达国家在标准制定、模型建立、毒理资料研究、风险管理等方面已发展较为成熟。近年来虽然USEPA模型、蒙特卡洛模型、地理信息系统等健康风险评估方法已用来对中国重金属污染人群进行健康风险评估，但由于中国健康风险评估工作起步晚，在评估的各环节均存在很大缺陷。随着新技术的发展以及人群对环境健康风险认识的深化，健康风险评估将成为中国热门研究领域之一。污染的环境行为、剂量-效应关系、模型、风险信息等方面，将是未来中国健康风险评估研究的重点。 3.2 展望
3.2.1 污染物环境行为
随着监测手段和技术的不断发展，污染物在人体内的转化行为应该是未来健康风险评估的研究重点。这包括污染物在人体胃肠到的消化行为和在小肠的吸收行为。除了利用模拟人体胃肠消化液的生物可给性研究，应该继续应用到健康风险评估中，考虑到小肠对污染物的吸收作用，因此，将Caco-2细胞模型应用到生物可给性研究，并在此基础上进行健康风险评估将是未来研究的趋势。
刘蕊等健康风险评估方法在中国重金属污染中的应用及暴露评估模型的研究进展 1243
3.2.2 剂量-效应关系
剂量-效应是健康风险评估的基础与关键。因此，应用机理模型和数据来减少危害识别和剂量-效应评估中的不确定性，将是今后健康风险评估研究中迫切要解决的问题。这要求准确计算目标器官暴露剂量，建立目标器官暴露剂量的定量预测模型。通过发展和评估新的毒理学测试方法来识别表征污染物的危害与毒理机制，形成机理模型来取代致癌与非致癌评估中的默认值方法。对于中国而言，尽快利用毒理学方法完成各污染物在不同介质中的基准研究，编写中国的环境基准手册，是建立适用于中国健康风险评估方法的基础。
3.2.3 健康风险评估模型
数学模型在健康风险评估中的作用越来越重要，欧美国家的健康风险评估模型在不断改进中趋于完善。随着GIS技术在模型中的广泛应用，未来健康风险评估模型的发展趋势将是：简单化、推广能力强、能适应不同时空尺度、可信度高。建立的模型具有多模块模拟功能，能够将监测数据、人群的行为方式数据、人口统计数据、污染物释放-传输-转化过程于一体，并兼备预测与预警功能。从中国污染物暴露情况、人群特征、生活习惯等方面为入手点，尽快建立适用于中国暴露人群的健康风险评估模型及针对不同污染物和介质的暴露评估模型是今后的研究重点。 3.2.4 数据的收集与监测
定量评估污染物的健康风险需要收集和应用大量的数据。这不仅包括环境污染数据，也包括污染物剂量效应、人群的生活行为等数据。因此今后一方面要加强对环境污染的监测，建立区域尺度的监测网络，例如欧洲土壤监测网络；另一方面要加强对风险信息资料的收集与积累，建立为风险评估提供支持的数据库系统。尽管USEPA已经建立了综合风险信息系统，但人类的生活方式及人群特征很大程度对污染物的暴露于效应有影响，因此，建立一个全国尺度的人类活动模型数据库，也是未来发展趋势。
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Approaches of Health Risk Assessment for Heavy Metals Applied in China
and Advance in Exposure Assessment Models: A Review
LIU Rui, ZHANG Hui, GOU Xin, LUO Xueqiang, YANG Hongyan
School of Geography and Tourism, Guizhou Normal College, Guiyang 550018, China
Abstract: With the increasingly development of economy, the environmental quality in China is becoming severely worse and worse. Much more attention to health risk assessment for human exposed by contaminations is paid due to the increasing healthy awareness. Compared to other contaminations, larger area and more people are contaminated by heavy metals. In order to research the health risk for human exposed by heavy metals, USEPA model, statistical models, GIS and bioavailability have been applied in China. Alt-hough exposure assessment model, as a key part of health risk assessment, has been widely studied in other countries, the relevant report is limited in China. This paper summarize both the approaches of health risk assessment for heavy metals applied in urban soil (dust), mining areas, diet, ground water, table water, atmospheric particulates, and some classical exposure assessment models ap-plied in USA and Europe: environmental exposure assessment models and diet exposure assessment models. Due to the late start in the study on the health risk assessment, there are lots of shortcomings in every aspects of the health risk assessment in China. Along with the development of new technologies, the health risk assessment will be one of the most popular research fields. The study on the contaminated environmental behavior, the relationship between dose and response, models and risk information will be exten-sively conducted in the future in China.
Key words: health risk assessment; heavy metals; exposure human; exposure assessment models
健康风险评估方法在中国重金属污染中的应用及暴露评估模型的研究进展
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
刘蕊， 张辉， 勾昕， 罗绪强， 杨鸿雁， LIU Rui， ZHANG Hui， GOU Xin， LUO Xueqiang， YANGHongyan
贵州师范学院地理与旅游学院,贵州贵阳,550018生态环境学报
Ecology and Environment Sciences2014(7)
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_tryhj201407023.aspx