铅污染场地的人类健康风险评价本地化模型研究

张园,刘寒,单标,史绮

1.苏州科技学院,江苏苏州215009 2.中国科学院武汉植物园,湖北武汉430074

铅污染场地的人类健康风险评价本地化模型研究

张园1*,刘寒2,单标1,史绮1

1.苏州科技学院,江苏苏州215009 2.中国科学院武汉植物园,湖北武汉430074

铅污染问题已成为我国日趋严重的环境问题，因此，我国急需开展环境铅暴露和成人（孕妇）以及儿童血铅含量相互关系研究，制定基于血铅指标的污染土壤风险评估方法导则。本文简单介绍了铅污染的现状、来源、危害以及暴露途径等研究背景，汇总并比较了国外应用较多的Leggett、Bert等几种成人血铅风险评价模型。并重点采用成人血铅模型ALM（Adult Lead Methodology），针对暴露于商业、工业用地铅污染土壤孕妇体内胎儿的血铅浓度进行风险评价，对模型中的关键参数进行敏感性分析，并针对我国本土居民的饮食习惯和暴露途径对ALM中一些关键参数进行修改，将修改后的关键参数代入方程中，对方程进行修正，使该模型适用于我国成人血铅浓度风险评价。

铅污染;成人血铅;ALM模型;风险评价

1 引言

随着社会经济和工业的高速发展，重金属污染问题成为备受关注的社会问题和环境问题。铅是一种有毒有害的重金属，在日常生活中随处可见，土壤、空气、水体都是铅污染的来源，人体与其接触的频率很高，故铅污染物质对人体危害非常大，我国铅污染现状尤为严峻，就2005～2007年3年间我国各地发生的重大铅中毒事件有十几件之多[2]。在我国，因为对铅污染研究的起步比较晚，因此现阶段对铅污染的研究还处于初步阶段，研究内容主要限于铅污染的来源、分布、危害、暴露途径以及铅污染的预防和应急措施；美国、德国等一些发达国家则在铅污染问题的研究方面走在世界的前沿，这些国家的研究人员不仅对铅污染的基本概况研究透彻，还建立了一些铅污染风险评价模型，利用这些模型能够有效的对突发的铅污染事件所造成的对人身安全与环境的影响和损害，进行评估，提出防范、应急与减缓措施。

本文对我国铅污染来源、铅污染现状、铅污染危害以及暴露途径等背景资料进行简单介绍，对国外成人血铅风险评价模型进行了简单的介绍和对比。重点研究了ALM模型（Adult Lead Methodology Model），通过对ALM模型的应用，对该模型的关键性参数进行了敏感性分析，并针对我国本土居民的实际情况对ALM模型中的参数做了本土化修改，比较输出结果，对模型的控制方程进行修正，建立适合我国居民的成人血铅风险评价的模型。

2 风险评价

2.1 毒性评价

铅对人体而言是多系统、多亲和性的毒物，主要是嗜胎盘和嗜神经毒物。铅的性质稳定，不可降解，阻碍血细胞形成。国内外大量资料证实，铅是一种易在体内积蓄的重金属元素，体内血铅水平达到一定程度，铅将对人体多个系统产生损害，会出现精神障碍、噩梦、失眠、头痛等慢性中毒症状，严重者有乏力、食欲不振、恶心、腹胀、腹痛、腹泻等症状。铅还可以通过血液进入脑组织，造成脑损伤。血铅的理想水平应该为零，然而，由于受环境等多种因素影响，多数人体内或多或少都有铅存在。目前，根据国际惯用标准，结合我国实际，通常认为血铅的相对安全标准不应超过10 μg/dL。

2.2 铅污染暴露途径

人体接触铅的介质有多种，在几年前，汽车尾气是一条主要的铅摄入途径之一，汽油无铅化之后，汽车使用的无铅汽油中铅量在0.013 g/L以下，但并非铅含量为0。因此，汽车尾气中仍然含铅；现在职业是引起血铅水平增高的最主要原因。特别是从事石油化工、电池、冶金、装修、采矿、印刷等行业的人群，这些工厂在生产过程中产生大量铅尘严重污染大气，而大气中的铅通过呼吸道进入人体[2]。

儿童主要经饮食、空气扬尘和玩具涂料暴露铅，儿童使用的玩具和学习用品表面颜料的可溶性铅含量很高，所以儿童在吮吸和啃咬玩具时，玩具上的可溶性铅会通过口腔进入体内；婴幼儿体内的铅源自胚胎发育期母体内源性铅，出生后早期主要通过母乳接触铅。我国现在研究的方向主要偏重于儿童血铅浓度水平，对成人血铅的研究不多，因为成人免疫系统较于儿童要完善的多，其自身能够在很大程度上能够将进入体内的铅排出体外，降低铅污染对人体的影响，儿童因为免疫系统未发育完全，而且在日常生活中不会避免的接触铅，因此受铅污染的影响极大，我国儿童铅污染水平较高,已有的研究结果表明，我国城市儿童铅中毒问题普遍存在[3]。

2.3 血铅风险评价

在土壤重金属污染风险评价方面，目前国内外没有形成公认的风险评估方法，我国自20世纪在土壤重金属污染方面发展应用较多的是：

（1）生态风险评价方法，目前，生态评价方法大部分研究还停留在理论框架和技术路线的探讨阶段，而且多是针对生态系统提出的，主要集中在生态环境污染物浓度的测定和简单的风险指数的计算上，并不能真正解决污染的生态风险评估。

（2）健康风险评价方法，该方法主要侧重于人体的健康风险，通过选择与人类类似的动物进行试验，以达到保护人类自身的目的[4]。

成人血铅的风险评价就是要对血铅浓度给人体带来的危害进行分析，在分析过程中可以用到健康风险评价方法，健康风险评价方法主要包括4个步骤：数据搜集和分析、暴露评价、毒性评价和风险表征。但是健康风险评价方法有一个重要特征：不确定性，不确定性由研究系统目前和将来的状态认识不完全、对危害的程度或表征方式认识不充分而产生。不确定性是风险的重要组成部分，主要有3类：情景不确定性、模型不确定性和参数不确定性。这3类不确定性就导致了风险不能定性或定量的表达[5]。

在国外，因为风险评价研究起步比较早，所以国外很多专家更多的是利用模型方法对土壤铅污染进行风险评价，模型方法可以定性定量的进行风险表征和参数敏感性分析。本文是通过借鉴国外已有的模型，进行简单的研究，对土壤铅污染进行风险评价和本土化修改。

3 模型

3.1 模型简介

在我国，因为在成人血铅风险评价方面起步晚，研究较少，没有比较有用的研究成果，一般都是借鉴国外的模型进行一些简单的研究和修改，国内并没有任何自己的模型可供使用。在本文中，主要介绍国外应用比较广泛的几种成人血铅风险评价模型。

国外现在研究应用较多的模型主要有七个，包括：(1)California Carlisle and Wade(1992)[6]；(2) Stern(1994,1996)[7]；（3）Rabinowitz(1976)[8]；（4）Bert(1989)[9]；（5）Leggett(1993)[10]；（6）O'Flaherty (1993,1995)[11,12]。

表1 血铅模型汇总比较Table 1 The summary for comparison of blood lead models

这些模型被美国TRW所关注，因为他们同时也介绍了美国环保署在各地区所进行风险评估审查的结果。基于用来表示每个模型中的铅生物动力学的概念方法，这些模型可以大致分为：

（1）斜率因子模型（包括California Carlisle and Wade、Stern）；

（2）多分室模型（Rabinowitz、Leggett、Bert、O'Flaherty）。

对上述六个模型的基本原理、评价对象、适用场地和输出结果等进行汇总比较见表2。

表2 成人血铅模型（ALM）参数含义和取值[14]Table 2 Definitions and values for adult blood lead model(ALM)parameters

3.2 模型对比

在国外应用广泛的七个模型中，成人血铅风险评价应用最多的是ALM（Adult Lead Methodology）模型，ALM模型之所以被运用最广泛，该模型与其余模型相比的最大优点在于：

（1）ALM适用于大多数污染场地，能够预测非住宅危险废物场地成人血铅浓度；

（2）在运用这些模型对成人血铅进行风险评价时，其余6个模型的结果输出对象是普通成人的血铅浓度。由于成人自身免疫系统趋于完善，所以会一定程度上自身消化排出进入体内的铅，这会对结果产生影响，但是ALM的输出对象是育龄妇女的血铅浓度，这个血铅浓度可根据体内胎儿与母体的血铅浓度之间的比例常数通过胎儿血铅浓度计算得出，而胎儿自身对血铅浓度基本上无影响，最终得出的结果相对要更加精确[13]；

（3）模型方程更简单，参数的标准值相对更容易确定。

鉴于这些优点，本文主要使用ALM模型对成人血铅进行风险评价。

4 模型应用

ALM模型（Adult Lead Methodology Model）是美国环保署Technical Review Workshop for Lead于1996年提出的方法，这种方法采用生物动力学斜率系数(BKSF)表征环境铅暴露与孕妇血铅含量的线性关系，采用几何标准差(GSD)描述类似铅暴露场景下个体间血铅含量的差异（见表3）。通过胎儿与母亲血铅含量比例系数（Rfetal/maternal）,评价成人孕妇在土壤铅污染胁迫下,引起胎儿血铅含量超过10 μg/dL的事件发生概率。是目前国际上比较通用的一种土壤铅污染风险评价方法。这里的10 μg/dL是指儿童铅中毒的基准值，只要高于这个值，不管有无相应的临床症状和体征以及生物化学指标改变，都可视作铅中毒[14]。该模型评价程序主要包括四个部分：暴露情景分析；成人血铅评价；胎儿血铅评价；计算修复目标值。

汇总对比各成人血铅评价模型的输出结果，由于铅对人体的危害主要集中表现在婴幼儿身上，因而ALM模型更适合作为我国成人的血铅评价工具。当然该模型中的关键参数的系统默认值未必适合我国实际情况，需根据我国国情作适当调整。比如，我国居住用地和工业/商业用地土壤铅的环境基准分别为282 mg/kg和627 mg/kg，就低于各国标准的平均值[15]。

4.1 初步修复目标的计算

ALM模型应用的结果是通过对土壤铅浓度目标值的修复，对成人血铅浓度作出风险评价，根据表4给出的参数，将这些参考值代入式4-1和式4-2中：

其中PbS计算所得结果即为土壤铅污染目标修复基准值，可利用这个值进行成人血铅风险评价。

4.2 参数敏感性分析

敏感性分析是用于评估健康风险评价模型中各输入变量对输出结果贡献的相对大小。其方法为改变模型一个输入变量的值，其他变量固定不变，分析该变量的变化对模型输出结果的影响，然后对各个输入变量重复该步骤，最终得出所有变量的敏感性比较。

对于参数P的敏感系数S可以计算如下：

其中时间t 的变化范围为0至tf;并且S(P,P0,t)表示与参数P相关的模拟变量S在时间t下等于它的估计值P0[16]。我们针对血铅浓度的动态变化对于初始模型关键参数的敏感性进行了研究。

本文对ALM模型中的所有参数中GSDi、PbBadult,0、IRs、AFs、BKSF、Rfetal/maternal、EFs进行参数敏感性分析（AT为常值，不变），在分析过程中保证其他参数恒定（见表3，分别对这些参数值进行上下浮动20%，得出调整后的结果，比较各个参数的敏感性。

本文对各参数取值分别为GSDi=2.0、PbBadult,0=2.0、IRs=0.05、AFs=0.12、BKSF=0.4、EFs=219、Rfetal/maternal=0.9，整后的数据代入方程中计算后得出结果如上表4，各的敏感性大小可用式4-3计算得出，将数值代入式4-3中可得各参数敏感系数为σ1=25.91%（GSDi）、σ2=11.20%（PbBadult,0）、σ3= 8.80%（IRs）、σ4=8.80%（AFs）、σ5=8.80%、σ5=8.80%（BKSF）、σ6=8.80%（EFs）、σ7=16.7%（Rfetal/maternal）。

根据上述敏感性分析结果可得σ1＞σ7＞σ2＞σ3=σ4=σ5=σ6。

（1）在ALM模型方程所有参数中，IRs、AFs、BKSF、EFs四个参数的敏感性一样，因为在方程中，经过运算之后，四个参数同时抵消，这些参数的取值都与主体关联不大，不会随因个体变化而变化，参数敏感性较小。

（2）根据敏感性分析所得GSDi是最为敏感的一个参数，GSDi的定义是育龄妇女个体血铅含量几何标准偏差，是用来衡量人群中成员都暴露相同的非住宅环境中的血铅浓度铅水平在个体间变异的。理想的情况下，模型中GSDi使用的值必须在特定场合被关注人群中评估，但是ALM模型应用于异构人群，因此GSDi值的变化会对结果产生比较大的影响。

（3）PbBadult,0也是一个较为敏感的关键参数，PbBadult,0意味着代表在非暴露于现场铅污染非居住的土壤或尘埃的育龄妇女的血铅浓度合理中心值的最好评估，即暴露场所人体血铅背景浓度。受暴露人体的成人血铅浓度等于背景浓度与土壤中摄取的血铅浓度之和，所以PbBadult,0的变化直接影响到血铅浓度的结果。（4）TRW提出了0.9作为Rfetal/maternal的默认值，但由于怀孕产生的生理变化，这个值在个体间存在差异，因此会对结果产生影响。例如，在一些女性中，以及与营养不良状况相关的铁，钙缺乏症中，在怀孕期间骨铅存储的移动状况可能显著，并且怀孕可能提高铅的胃肠吸收。反过来，在妊娠后期由于伴随着一个提高了30%的血浆容量而产生的稀释效果，以及一个在胎盘或胎的组织中提高的铅转化率，母亲的血铅浓度可能减少。

表3 敏感性分析中参数初始默认值Table 3 Initial default values of parameters used in sensitivity analysis

表4 参数敏感性分析Table 4 Initial default values of parameters

4.3 关键参数本地化修改

由于ALM模型是由美国研究出来的成人血铅风险评价模型，所以模型中的参数都是根据美国人群样本来取值的，由于我国居民与美国居民生活环境和饮食习惯等一些方面的不同，我们对于铅污染的暴露途径和接触频率也会存在差异，所以ALM模型中的一些参数不一定适用于我国本土居民，因此需要对一些关键参数做建议性的本土化修改，才能使ALM模型使用于我国居民的血铅浓度风险评价，本文因为无法对这些参数的修改进行样本分析，修改的值主要是参考的《基于人体血铅指标的区域土壤环境铅基准值》这一文献中给出的值。

（1）在ALM模型中，EFs的值219 d/yr是基于美国EPA导则中提到的全职和兼职工人花在工作中的平均时间。我国居民与美国居民在工作制度和时间上存在很大差异，这一取值也就不适用于我国居民。对于我国本土居民，研究报道EFs=250 d/yr比较符合我国国情[15]，所以在应用ALM模型对我国受铅污染暴露人群进行血铅风险评价时，需要对这一取值进行修改。

（2）PbBadult,0的取值是基于Brody et al.[17]报告中NHANES III阶段1的结果，TRW提出将1.7～2.2 μg·dL-1作为一个模糊的范围。报告中显示，该统计人群为墨西哥美裔妇女、非西语裔黑种妇女和非西语裔白种妇女这三个群体，这一样本的代表性非常有限，这一取值范围的可用性也就不够了。有文献报导[15]，我国妇女血铅背景浓度在2.25～6.69 μg/dL这一范围内，要远大于ALM模型中的参考值，因此也需要对这一参数进行本土化修改，才能用于我国育龄妇女的血铅浓度风险评价中。

（3）GSDi是ALM模型中一个非常敏感的参数，GSDi是一个用于测量一类被暴露于相同非居住区环境铅水平的人群的个体内部的血铅浓度变异，即个体血铅浓度标准偏差，这个参数在各个国家，各个民族，各个地区的人群中都会存在差异，而TRW给出的1.8～2.1这一参考范围不够精确。根据有关资料显示[15]，我国妇女的几何标准偏差为1.24～1.84就不在这一范围内。在引用ALM模型时对这一参数也要做本土化修改。（4）IRs=0.5 g/d，取值主要指的是室内土源性灰尘铅暴露，而非室外土壤的职业暴露。这一参数取值不够全面综合，而且由于我国与国外居民生活习惯、活动场所的不同，铅暴露场景有显著的差异，会影响这个参数的取值，从而影响血铅浓度的评价。我国居民室外活动时间比国外居民要长，故可以相对增大IRs的取值。

4.4 方程修正

对于本地化修改的参数，取EFs为250 d/yr，GSDi为1.48，PbBadult,0为4.79，将这些参数代入ALM控制方程中，运算方程可得出：（1）PbS=633 μg/g；（2）PbBadult=5.8 μg/dL。

上述两个值是运用修改后的参数运算得出的结果，在一定程度上适用于我国本土的成人血铅风险评价。

5 结论

本文介绍了国内外铅污染研究现状，国外成人血铅风险评价模型。对比这些模型，ALM模型适用范围更广，以ALM模型为主要研究对象，对ALM模型的控制方程进行了详细介绍，方程中的关键参数，用国外推荐值代入，运算方程结果，并对该模型的关键参数进行了敏感性分析，对几个关键性参数提出了建议性的本地化修改，把修改后的参数代入ALM中运算，得出修正的方程和适用于我国居民的土壤铅浓度环境基准值PbS=633 μg/g和成人血铅浓度风险评价的基准值PbBadult=5.8 μg/dL。

铅污染已经成为一个非常严峻的社会和环境问题，欧美国家对此抱有高度的重视，这些国家针对这一问题不仅仅停留在现状研究，污染事件处理这一层次，欧美国家已经研究出针对铅污染风险评价的模型，用于对铅污染进行预测评估。而我国仍然处于现状研究阶段，对于预测评价方面还没有研究进展，只能通过借鉴国外的模型进行一些简单的评价工作，而且因为模型参数不适用，风险评价也不够准确。我国现阶段急需开展成人和儿童血铅风险评价的研究工作。

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Research onAdult Blood Lead RiskAssessment Model and Model Localization

ZHANG Yuan1,*,LIU Han2,SHAN Biao1,SHI Qi1
1.Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215009,China 2.Wuhan Botanical Garden,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430074,China

Lead pollution has gradually became a serious environmental problem in China.So research on the correlation between blood lead level of adults(pregnant)&children and exposure to lead in environment are needed to be conducted to develop risk assessment methodology guideline for contaminated soil based on blood lead indicators.In this study,the backgrounds of lead pollution,such as the status,sources,hazards and exposure pathway have been described briefly. Moreover,several types of adult blood lead risk assessment methodology,including Leggett,Bert were summarized and compared.Then,the study focused on ALM(Adult Lead Methodology)model which was adopted to assess the risk against blood lead concentration of fetuses in pregnant women caused by exposure to lead contaminated oil in the commercial and industrial areas.Finally,through analyzing key sensitive parameters in the model,modifying the model parameters based on our local residents'eating habits and exposure pathways,then substituting modified parameters into the equation to localize the model.Therefore,the modified ALM model could be applied to the risk assessment of adult blood lead concentration in China.

Lead contamination;adult blood lead;adult lead methodology model;risk assessment

��:R135.11

A

1000-2324(2014)03-0443-06

2013-03-11

2013-05-25

国家863计划课题污染土壤及场地修复评估及综合集成与管理体系(2013AA06A211);江苏省高校自然科学基金(13KJB610014);苏州科技学院科研基金(XKQ201202)

张园(1982-),女,博士,主要从事土壤污染修复,人体健康风险评价研究.E-mail:yuanzhang_1001@mail.usts.edu.cn

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:yuanzhang_1001@mail.usts.edu.cn