铅暴露的环境健康风险评估模型的本土化研究

杨珂玲　张宏志　张志刚　严培胜

摘要：我国现阶段重金属污染引发的群体事件频繁发生，其中铅污染事件尤为突出和严重。铅污染暴露对儿童健康损害的严重性、不可逆性以及铅污染后果的积累性和潜伏性特点，使得铅暴露的环境健康风险评估对中国的铅污染防治具有重要意义。目前，国际上最常用的铅污染暴露的儿童健康风险评估模型是美国EPA开发的IEUBK 模型。为使IEUBK模型在中国得到更好的应用，本文首先对美国IEUBK模型系统做出如下本土化：①鉴于中国儿童的饮食结构、生活习惯及暴露参数等方面与欧美儿童存在的差异，对IEUBK模型暴露模块中的膳食模块和土壤-灰尘模块的数学模型进行改进；②探讨IEUBK模型中生理毒物代谢多隔室模型的高速精确的迭代算法。即针对生理毒物代谢多隔室模型的线性特征，通过离散化方法转化为线性方程组，引进中间变量，设计出了不需要进行高阶矩阵计算、存贮量较小、计算速度快且大样本模拟计算时优点明显的模型求解的一次迭代算法；③根据改进后的模型算法，编制模型的底层代码程序，并优化设计出友好的IEUBK模型系统中文输入界面。接着，对本土化IEUBK模型系统进行测试，测试结果表明：模型迭代算法的计算快速、结果准确，输入界面友好。然后，对本土化IEUBK模型进行实证分析，实证结果显示：本土化IEUBK模型的血铅预测值与血铅实测值的统计学差异并不显著。因此，本土化的IEUBK模型可在中国推广应用。最后，本文探讨了本土化的IEUBK模型系统的进一步改进方向及其在中国环评、环境标准制定及环境诉讼等方面的应用。

关键词：IEUBK 模型；本土化；儿童血铅生物动力学模型；环境健康风险评估

中图分类号 X503.1 文献标识码 A 文章编号 1002-2104（2016）02-0163-07 doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2016.02.020

我国现阶段重金属污染引发的群体事件频繁发生，其中铅污染事件尤为突出和严重。铅是一种广泛存在于生活环境的重金属污染物，可通过土壤、灰尘、大气、水体等环境介质暴露于人群，并通过手口途径或者皮肤接触而进入人体，危害人体健康，其致害过程为“污染源—环境污染—人体暴露—健康危害”。研究表明，铅尤其对儿童、孕妇损害严重，对儿童神经系统和大脑的损伤具有不可逆性[1-2]。并且，铅污染的后果往往是经过一段时间才呈现出来，具有积累性和潜伏性的特点。铅污染暴露对儿童健康损害的严重性、不可逆性以及铅污染后果的积累性和潜伏性特点，使得铅暴露的环境健康问题已成为影响我国公共安全和社会稳定的重大议题[3]。

血铅水平是反映铅暴露环境下儿童健康危害的关键指标，在现实中，直接采样检测儿童的血铅水平会带来一定的社会风险，甚至引发群体性事件。建立铅污染暴露下儿童血铅水平的预测模型可有效避免这一社会风险。目前，国际上最常用的铅污染暴露下儿童健康风险评估模型是美国EPA开发的IEUBK 模型。但是，由于美国儿童的饮食结构和行为习惯与中国儿童存在较大差异，在实际应用中预测效果不理想。因此为使IEUBK模型在中国得到更好的应用，本文通过实地调查及查阅文献修改了饮食结构、土壤-灰尘等暴露模型，改进了IEUBK模型中生理毒物代谢多隔室模型的迭代算法，设计出了友好的IEUBK模型系统中文输入界面。本土化IEUBK模型最后通过了美国EPA专家的测试，并得到可靠的实证分析结果。IEUBK模型本土化的成功可有效的预测铅污染暴露下儿童的血铅水平，科学的评估铅污染暴露下儿童的健康风险，且可为我国环境影响评价、环境标准制定、卫生防护距离的划定及环境诉讼的因果关系判定等方面提供科学支撑。因此，铅暴露的儿童健康风险评估模型的本土化研究对我国环境健康风险的预防具有重要的实践意义。

1 文献综述

目前，欧美国家在铅暴露的环境健康风险评估方面，常用的较为成熟的适用于成人及儿童的铅暴露吸收的生物动力学模型主要有以下几种：①用于预测暴露于铅污染环境中的6-84 个月儿童血铅值的生物动力学模型（IEUBK）；②用于评价职业铅暴露者与非职业铅暴露者的血铅值与骨铅值的Leggett模型[4]；③用于预测暴露于铅污染环境中的全年龄段人群的血铅值与骨铅值的OFlaherty模型[4]；④由美国环境保护局（EPA）为铅技术审查工作组（TRW）制定的成人铅暴露评估模型ALM，被广泛接受和使用于非居住区土壤中铅暴露物对成人风险的评估，其重点针对污染土壤的铅暴露物所导致的孕妇体内胎儿的血铅浓度进行评估[5]。以上四种模型在铅暴露量评估、环境安全限值的制定及污染控制措施效果评价中发挥了重要作用[6]。然而，我国对暴露在铅环境下人体健康的风险评估研究起步较晚，尚未将以上模型纳入环境健康风险的评估框架之中。

鉴于儿童对铅中毒的敏感性及铅对儿童智力损伤的不可逆性，环境铅暴露的健康风险评价应充分重视儿童的铅暴露情况。近年来，IEUBK模型在中国正受到越来越广泛的关注。张红振等[7]采用部分国内数据运行IEUBK模型，计算结果表明，当0-6岁儿童的血铅含量的几何均值为5.89 μg/dL，血铅含量超过10 μg/dL的概率为5%时，土壤铅含量临界值为282μg/g。王波等[8]用IEUBK模型研究环境铅对婴儿血铅的影响。孙广义等[9]在研究幼儿园降尘铅污染特征及其生物有效性时，采用IEUBK模型预测儿童（0-6岁）群体环境铅暴露后血铅几何均值2.73 μg/dL；超过10 μg/dL的概率<0.001%，超过5 μg/dL的概率为3.32%。胡佳等[10]对IEUBK模型在中国儿童血铅预测效能进行了初探，应用从某铅污染地区获取的44名儿童实测血铅值和详细的环境铅暴露资料对模型进行了数据拟合，实测血铅值的几何均数为7.49 μg/dL，模型预测值的几何均数为12.85 μg/dL，观察值和预测值>10 μg/dL的儿童比例分别占27.27%和61.75%。结果表明，实测值与预计值存在较大差异，并指出这可能与模型外部参数的选取以及模型内部参数的限制有关。

综上，国内学者多从外部暴露参数的改进入手进行环境铅暴露的健康风险评估，而鲜少从内部参数和模型结构方面对IEUBK模型进行改进。鉴于中国儿童的饮食结构、生活习惯及暴露参数（如换气率、摄入量）等方面与欧美儿童存在的差异，可能会引起预测值与实测值出现较大差异。因此，为使IEUBK模型在中国得到更科学、有效的应用，本文首先对IEUBK模型暴露模块中的膳食模块和土壤-灰尘模块的数学模型进行改进；接着，探讨IEUBK模型中生理毒物代谢多隔室模型的高速精确的迭代算法，并优化设计IEUBK模型系统的中文界面；然后，对本土化的IEUBK模型系统进行测试，并进行实证分析；最后，探讨IEUBK模型系统的进一步改进方向及其在中国的应用。

2 模型系统的本土化

由美国EPA开发的IEUBK（The Integrated Exposure Uptake Biokinetic Model）模型[11]，可用来预测暴露于铅污染环境中的6-84个月儿童的血铅值及分布概率。本部分拟从暴露模型方程、生物动力学模型求解算法、模型系统界面三部分进行本土化。

IEUBK模型中铅来源途径包括土壤、室内外灰尘、饮用水、空气和饮食等，由于进入人体呼吸和胃肠系统的铅只有一部分最终进入血液循环系统而产生毒性[12]，模型假设从不同环境介质进入人体的铅，其生物有效性不同，且不同铅的摄入剂量，吸收效率也存在差异。为使模型的四个模块的系统运行流程更加清晰化，本文把该模型的四个模块细分为：暴露模型模块、生理发育模块、吸收模块、隔室铅转换时间、初始值模块、生物动力学模块等六个组件，系统运行流程可以用图1表示。

2.1 IEUBK模型暴露模块的本土化

模型的计算方程、参数是直接影响模拟输出结果的关键因素，鉴于中国儿童的饮食结构、生活习惯等方面与欧美儿童存在着差异，为使IEUBK模型在中国得到更好的应用，本部分仅对IEUBK模型的暴露模块（包括空气铅、膳食铅、饮水铅和土壤-灰尘铅的摄入）中的膳食和土壤灰尘部分的数学模型作了改进，其它数学模型与美国IEUBK一致。暴露模块的输入和输出如下：

输入：儿童吸入的空气量（m3/day）、饮水量（l/day）、摄入的膳食量（g/day）、摄入的土壤-灰尘量（g/day）以及各介质中的铅浓度（μg/m3，l，g）。

输出：暴露模块的计算结果是铅总的摄入量（μg/day）。

2.1.1 膳食中铅摄入模型的本土化

根据中国儿童的饮食习惯，本文把膳食品种分为主食、蔬菜、水果、肉类、鱼类、牛奶及其它七种。膳食中铅的摄入量等于各类膳食的摄入量与膳食中铅浓度的乘积之和。改进后的膳食铅摄入模型方程如下：

y1（t）=∑7i=1xi（t）×ci（1）

其中，yi（t）是t岁儿童膳食中铅的总摄入量，xi（t）是t岁儿童第i种膳食的摄入量，ci是第i种膳食的铅浓度。i=1是主食，i=2是蔬菜，i=3是水果，i=4是肉类，i=5是鱼类，i=6是牛奶，i=7是其它食物。

2.1.2 土壤—灰尘中铅摄入模型的本土化

假定儿童活动的场所分为家庭和幼儿园，儿童在室内活动接触的是灰尘，摄入灰尘中的铅；在室外活动接触的是土壤（室外表皮的土壤），摄入土壤中的铅。其中，儿童在室内、室外的活动时间占比作为其比例份额；儿童在家庭、幼儿园的活动时间占比作为其比例份额。改进方程如下：

其中，x（t）是t岁儿童每日土壤灰尘的摄入总量；α1（t）是t岁儿童在家的时间比例，α2（t）是t岁儿童在幼儿园的时间比例，α1（t）+α2（t）=1；β1（t）是t岁儿童在家庭室外的时间比例，β2（t）是t岁儿童在家庭室内的时间比例，β1（t）+β2（t）=1；γ1（t）是t岁儿童在幼儿园室外的时间比例，γ2（t）是t岁儿童在幼儿园室内的时间比例，γ1（t）+γ2（t）=1；c1是家庭室外土壤中的铅浓度，c2是家庭室内灰尘中的铅浓度，c3是幼儿园室外土壤中的铅浓度，c4是幼儿园室内灰尘中的铅浓度。

2.2 儿童血铅生物动力学模型求解算法的优化

为开发IEUBK模型模拟软件，需要求解生物动力学模型，即要设计出生理毒物代谢动力学模型[13-14]高精度快速求解算法。本部分以儿童血铅生物动力学模型为例，针对生理毒物代谢多隔室模型的线性特征，通过离散化方法转化为线性方程组，引进中间变量，设计出了模型求解的一次迭代算法。

2.2.1 儿童血铅生物动力学建模

儿童血铅生物动力学模型描述血和其它组织之间的吸收转换以及人体通过尿、大便、皮肤、头发和指甲的铅排泄。该模型由人体隔室模型组成，隔室间转换时间为基本模型的构成元素。儿童血铅生物动力学模型把来自肺和胃的总铅的吸收作为血浆细胞外液的输入。转换系数用于隔室间和排泄路径中铅的迁移建模。这些量和总铅的吸收率相结合来确定每个隔室的铅的质量。最后，将中央隔室中血浆部分的铅和红血细胞中的铅相加来确定血铅浓度[12]。

设t表示儿童的年龄，Mi（t）表示第i个隔室的铅含量，Tij（t）表示铅从第i个隔室到第j个隔室的输运时间，Tij（t）是儿童年龄的函数，其中i=1、2、3、4、5、6、7分别表示血浆和人体外液、红血细胞、肝、肾、其它软组织、骨小梁、骨皮质7个隔室，8表示尿铅排泄，9表示皮肤、头发、指甲铅排泄，vm（t）表示单位时间内来自肺、胃的铅污染物。建立儿童血铅7隔室生物动力学模型，见式（4）。

2.2.2 儿童血铅生物动力学模型迭代算法

为给出方程组（4）的数值解，我们选取步长为△t，即用△t取代方程组（4）中的dt，则可得（4）的变形方程组，并由此变形方程组可解得关于Mi（tk）的线性方程组，其中i=1、2、3、4、5、6、7。下面给出M1（tk）的求解过程，记：

与经典的求解算法（龙格-库塔算法）相比，上述迭代算法不需要进行高阶矩阵计算，存贮量较小，计算速度也较快，当大量样本进行模拟计算时，优点尤其明显。

2.3 IEUBK模型软件系统界面的本土化

本文对IEUBK模型的本土化，不仅对暴露模型本身和生物动力学模型的求解算法上进行了优化。同时为了使IEUBK模型在中国得到更便捷的应用，还设计出了友好的模型软件系统中文输入界面。IEUBK模型系统的输入界面有空气输入界面、膳食输入界面、水输入界面、土壤灰尘输入界面、母体摄入输入界面和儿童生理吸收输入界面共六个输入界面。其中膳食和土壤-灰尘输入界面的优化如下：

（1）膳食输入界面的优化：根据中国0.5-7岁儿童的饮食习惯，本文把美国IEUBK 模型中膳食品种精简为主食、蔬菜、水果、肉类、鱼类、牛奶及其它食物。该界面的输入包括这七类食物分别的含铅浓度（μg/g），及0.5-1岁、1-2岁、2-3岁、3-4岁、4-5岁、5-6岁、6-7岁儿童每天七类食物的消费量（g/day）。

（2）土壤-灰尘输入界面的优化：根据相应模型的改进，土壤-灰尘输入包括家庭室内灰尘的铅浓度（μg/g）、家庭室外土壤的铅浓度（μg/g）、幼儿园室内灰尘的铅浓度（μg/g）、幼儿园室外土壤的铅浓度（μg/g），及不同年龄段儿童土壤-灰尘的总摄入量（g/day）、不同年龄段儿童家庭土壤-灰尘的摄入比例（%）、不同年龄段儿童家庭室内灰尘摄入比例（%）、不同年龄段儿童幼儿园室内灰尘的摄入比例（%）。

2.4 本土化IEUBK模型系统测试

首先，以美国IEUBK模型中的默认数据作为输入，运行美国IEUBK，结果见表1。

综上，由表1和表2的结果可得，由于暴露模块膳食模型和土壤灰尘模型的改进，使得中国IEUBK模型的土壤灰尘中铅的吸收和暴露模型铅的总吸收比美国IEUBK模型的结果稍高。但中国IEUBK模型的输出结果与美国IEUBK模型的输出结果基本一致。结果表明，儿童血铅生物动力学模型迭代算法计算结果准确可靠，输入界面友好，中国IEUBK模型模型系统开发成功。

3 基于IEUBK模型的环境健康风险评估的实证分析

本部分将根据采样数据及本土化的暴露参数对本土化的IEUBK模型进行实证分析与统计检验。

3.1 数据来源

在样本的选取方面，相关工作人员遵循EPA数据采样规范，分别对我国中部地区存在铅污染的两个不同现场的5-7岁儿童的血铅水平及当地的膳食、饮用水、空气、土壤灰尘中的铅含量进行数据采集，获得了608份样本608份样本是由环保部重大公益项目《环境铅、镉污染人群健康危害的法律监管研究》采样获取。。但由于现实采样情况的复杂性，采集到的儿童居住地室外的土壤多为居民楼周围的土壤；同时调查入户时，由于当地居民的不完全配合，并没有对每个家庭都进行室内尘土的采集，而是抽样选取部分家庭进行检测；空气采样时，仅为单次连续采样，而未为分季度进行连续采样，数据不能代表长期真实水平。以上采样误差均会给模拟结果带来一定的误差。在其他有关暴露参数的选取方面，户外活动时间和饮水量是通过调查问卷，询问儿童监护人，从而推断出样本地区5-7岁儿童户外活动时间为2 h/d，饮水量约为1 L/d[10，15]；肺呼吸量是参考肺通气量生理数据，估算我国5-7岁儿童肺呼吸量为8.87 m3/d[10]；儿童出生时母体血铅浓度是通过文献资料得到我国儿童出生时母体血铅浓度范围是2.2-11.4 μg/dL[16]，本文取5.0 μg/dL。

3.2 模型结果分析

由于样本地区儿童血铅的实测值和预测值的正态分布假设不成立，故对本土化IEUBK模型的血铅值预测和血铅值实测值做配对Wilcoxon符号秩检验[17]，检验结果见表3和表4。

由表3的描述性统计结果可知，实测值的样本均值为10.973 5（μg/dl），预测值的样本均值为10.302（μg/dl），预测值比实测值稍偏低。但由表4中的检验统计量结果显示，渐近显著性为0.48>0.05，因此可得，在α=0.05的显著性水平下，本土化的IEUBK模型的血铅预测值与血铅实测值的统计学差异不显著。因此，本土化的IEUBK模型可在中国推广应用。但为了提高模型预测结果的可靠度和拟合度，可从调查方式与采样方法上进行改进，同时也可通过增加不同区域的调查现场和增加调查样本（从儿童数量及儿童年龄跨度上增加样本量）来提高模型结果的准确度，从而为模型结果的验证和模型方程、相关参数的进一步修订提供科学依据。

4 结论及讨论

IEUBK模型的产生、发展和应用经历了数十年。在此过程中，鉴于各国儿童的饮食结构及生活习惯的特殊性，模型中的参数（主要指暴露参数）不断被修订。目前，使用该模型的一些国家（美国、欧盟、日本、韩国等）已有自己的暴露参数手册，模型本身得到很好的发展和应用。近年来，我国已有研究儿童暴露参数的报道，但数据量有限，代表性不足。若要使IEUBK模型能更准确的评估儿童铅暴露的健康风险，我们不仅在模型方程与暴露参数上改进，同时还要在医学方面进行深入研究来优化生物动力学模块的内部参数，真正做到IEUBK模型的本土化。

目前，IEUBK模型已被欧美国家广泛应用于铅健康风险评价，其在铅暴露量评估、环境安全限值的制定及污染控制措施效果评价中发挥了重要作用[18-20]。近几年，我国铅污染事故发生的频繁性、严重性及环境达标儿童血铅超标现象所透视出的环境标准问题、卫生防护距离设定问题、环境健康监管问题等，以及由铅污染致害的积累性、潜伏性特点所引起的环境案件的因果关系推定问题，都可用IEUBK模型来解决。此处提出几条关于IEUBK模型应用方面的新思路：

（1）在环评中，可结合大气扩散模型，用涉铅企业规划的生产工艺及生产规模数据对周边即将暴露的儿童血铅进行风险评估。或对尚未出现污染事故的企业是否存在环境健康隐患做出科学判断，并有效开展环境污染健康风险评估及预警工作；

（2）可从预防性监管入手，用大气扩散模型和儿童血铅模型反推来论证如何以健康为首要目标来制定环境标准、如何科学的划分卫生防护距离；

（3）在环境诉讼中，结合大气扩散模型可推断引起该地区儿童血铅超标的污染源及因果关系。

（编辑：田 红）

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Abstract At the present stage， mass incidents caused by heavy metal pollution are frequent， especially the lead pollution. The harm of lead pollution exposure to children is severe and irreversible and the lead pollution effect is cumulative and latent， which made the environmental health risk assessment on lead exposure is significant to the prevention of lead pollution in China. Now， the most common model of childrens health risk assessment on lead pollution exposure in the world is IEUBK model developed by the EPA of USA. To make better use of IEUBK model in China， this paper first made the following improvements to the model： firstly， in view of the differences in diet， lifestyle and exposure parameters between Chinese and European and American children， this paper improved the dietary module and soildust module in IEUBK model； secondly， this paper discussed the highspeed precision iterative algorithm of physiological toxicant metabolism multicompartment model in IEUBK model. Namely aiming at linear features of physiological toxicant metabolism multicompartment model， it introduced the intermediate variable by converting discretization method into linear equations and designed the once iteration algorithm with small store capacity， fast computing speed and obviously advantageous large sample simulation computation which need not conduct highorder matrix computation； Thirdly， according to the improved model algorithm， this paper established the underlying code program and optimally designed the Chinese input interface of IEUBK model. And then， it tested the system of Chinese IEUBK. Test results indicated that the model iterative algorithm was characterized by fast calculation， accurate precision and friendly input interface. After that， empirical analysis of Chinese IEUBK model has been made in this paper. The statistical results of the model showed that there is no significant statistical difference in the value of blood lead level predicted by Chinese IEUBK model and the measured value. Therefore， the Chinese IEUBK model can be applied in China. Finally， it discussed the further improvement of IEUBK model system and its application in China environmental assessment， the establishment of environmental standard and environmental litigation.

Key words IEUBK model； localization； childrens blood lead biological dynamics model； environmental health risk assessment