李治國,羅 毅,洪 綱,周靜博,靳 偉
(石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心,河北石家莊 050022)
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城市飲用水源特征污染物篩查及風(fēng)險評價方法
李治國,羅 毅,洪 綱,周靜博,靳 偉
(石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心,河北石家莊 050022)
為了保護飲用水源、保障飲用安全,通過綜述城市飲用水源特征污染物的篩查方法,介紹了基于環(huán)境風(fēng)險框架下污染物的篩查體系(建立污染物數(shù)據(jù)庫→根據(jù)評價目的確定測試終點和篩查標(biāo)準(zhǔn)→賦值計算→進(jìn)行優(yōu)先排序)及健康風(fēng)險評價管理技術(shù)在飲用水源風(fēng)險評價中的應(yīng)用,以期對本地區(qū)環(huán)境決策提供有價值的科學(xué)依據(jù)。
水體環(huán)境學(xué);飲用水源;優(yōu)先控制污染物;特征污染物篩查;健康風(fēng)險評價
城市飲用水的水質(zhì)安全與人體健康密切相關(guān)[1-2]。目前,區(qū)域面源和點源大范圍受到污染,使得城市飲用水源地的水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境遭到較大程度的破壞,嚴(yán)重影響居民的生活和生命安全。
文獻(xiàn)資料顯示,在中國多地飲用水源地的水體中檢出了微量有毒有害化合物[3-4]。傳統(tǒng)凈水處理方法對微量有毒、有害污染物和重金屬幾乎沒有很好的去除效果,導(dǎo)致城市以及農(nóng)村居民飲用水源的水質(zhì)較難獲得良好的保證,水體中少量存在的污染物可能會對飲用者的身體健康造成不可估量的影響。目前,世界各國環(huán)保部門都將關(guān)注的焦點放在采取何種有效的措施來加強飲用水源地及其上游區(qū)域的環(huán)境保護上[5-6]。
城市用水中有成千上萬種有機污染物,其中絕大多數(shù)的有機物具有致畸、致突變、致癌、易生物蓄積、難降解且可以通過食物鏈進(jìn)行富集的特點[7]。例如:國際上的癌癥研究機構(gòu)(International Agency for Research on Cancer,IARC)確認(rèn)的苯系物是一級致癌物質(zhì)。有些化合物對人體不一定構(gòu)成健康方面的危害,但是這些物質(zhì)產(chǎn)生的惡臭氣味會嚴(yán)重影響到水質(zhì)的感官指標(biāo),如土臭素和2-甲基異莰醇[8]。醛類有機污染物對人體皮膚、眼睛以及呼吸道會產(chǎn)生強烈刺激,個別醛類有機化合物(如甲醛和乙醛)被確定為致癌物質(zhì)或疑似致癌物質(zhì)[9]。還有更多潛在危害健康的有機或無機化學(xué)物質(zhì)正在源源不斷地進(jìn)入水體環(huán)境中。因此,做好城市飲用水源地特征污染物的篩查工作,同時評價污染物對人體健康造成的風(fēng)險尤為重要[10]。
目前,中國對于城市飲用水源地及其上游河流/水廠等水質(zhì)的業(yè)務(wù)化檢驗要求,是依照國家出臺的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中要求檢測的化合物種類開展定性和定量分析的。國家要求的一般水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中主要針對5種化合物,有毒有害以及有機化學(xué)污染物的種類非常有限。然而當(dāng)前環(huán)境水體中存在著一定的潛在有毒有害污染物,其對生態(tài)環(huán)境和人體健康均構(gòu)成一定程度上的威脅,需要明確當(dāng)?shù)仫嬘盟喘h(huán)境中特征污染物的種類和濃度,將潛在的毒性污染物列入水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中加以監(jiān)測監(jiān)管。本文通過綜述城市飲用水源特征污染物的篩查方法以及健康風(fēng)險評價方法,以期為城市水源地管理和保護提供理論依據(jù)。
最早使用優(yōu)先控制污染物這個專業(yè)詞匯的國家是美國。美國在20世紀(jì)70年代中期開始對環(huán)境中優(yōu)先控制污染物展開監(jiān)測,同時相繼公布了不同種類污染物優(yōu)先控制的排序名單。1977年,美國頒布的《清潔水法》中非常清楚地規(guī)定了129種環(huán)境優(yōu)先控制污染物。歐洲經(jīng)濟共同體于1975年提出了該區(qū)域內(nèi)環(huán)境中優(yōu)先控制污染物的“灰名單”和“黑名單”[10]。前蘇聯(lián)是世界上制定有毒有害污染物質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)最多、規(guī)定濃度標(biāo)準(zhǔn)限值最低的國家,早在1976年就規(guī)定了500余種有機優(yōu)先控制污染物在水中的最大允許濃度,修訂后又連續(xù)公布了561種環(huán)境最大允許濃度的優(yōu)先控制污染物的名單。
中國雖然在環(huán)境優(yōu)先控制污染物篩查方面開展工作的時間比較晚,但是進(jìn)展卻相當(dāng)快。目前,中國在環(huán)境污染物篩查方面主要的關(guān)注點是在檢驗方法和甄別方法的比較研究上,對于區(qū)域的環(huán)境特點以及目標(biāo)化合物的毒性作用很少加以綜合考慮。陳錫超等[11]采用GC-MS方法對北京官廳水庫的特征污染物進(jìn)行了篩查,針對70余種有機化合物進(jìn)行了監(jiān)測篩選以及定量分析,同時采用非目標(biāo)化合物篩查研究方法對1 600余種有機化合物進(jìn)行了定性方面的篩查。BU等[12]也總結(jié)了近幾十年來世界各國政府及科研團隊研究開發(fā)的30余種優(yōu)先控制污染物的篩查體系和方法,按照應(yīng)用方向?qū)⑽廴疚锏暮Y查方法分為3類:第1類是根據(jù)不同條件和目標(biāo)篩查體系對化學(xué)品進(jìn)行篩選,以開展下一步工作,如KOOL等研究團隊開發(fā)的篩查系統(tǒng)(基于環(huán)境風(fēng)險的歐洲獸藥排名)、SNYDER等開發(fā)的篩選和排名模型,都是為風(fēng)險評價篩選優(yōu)先控制化學(xué)品而開發(fā)的系統(tǒng);第2類是通過篩查體系,得到優(yōu)先控制污染物的排序名單,如歐盟風(fēng)險分級方法,其作為政府管理條例,篩查對環(huán)境或人類有潛在風(fēng)險的化學(xué)污染物,得出亟需控制的化學(xué)品優(yōu)先排序名單;第3類篩查體系用于評價化學(xué)品釋放對環(huán)境的影響,也用于指導(dǎo)生命周期評價分析,如美國環(huán)保局(USEPA)開發(fā)的環(huán)境指示物風(fēng)險篩查軟件(risk-screening environmental indicator,RSEI)。
近幾十年來,有關(guān)環(huán)境中有毒有害化合物的分析以及監(jiān)測結(jié)果的表征方法、基于健康風(fēng)險評價的環(huán)境行為監(jiān)測和分析方法等,均得到了較好的應(yīng)用和發(fā)展。但是從目前來看,國內(nèi)外還未建立起一套基于健康風(fēng)險評估分析開展優(yōu)先控制污染物篩查,且大眾認(rèn)可并廣泛應(yīng)用的篩查方法。這一篩查方法首先要對飲用水源地環(huán)境周邊的污染源進(jìn)行調(diào)查,排查可能的污染物,然后對環(huán)境受體進(jìn)行采樣分析,并將檢測出的目標(biāo)污染物根據(jù)濃度進(jìn)行排序,篩選出需要優(yōu)先控制的污染物,再根據(jù)監(jiān)測的污染物濃度排序名單,篩選出危害和毒性比較大的污染物作為優(yōu)先控制污染物。其次,通過評價目標(biāo)污染物對人體健康的危害風(fēng)險指數(shù)大小,對目標(biāo)化合物進(jìn)行優(yōu)先排序。這種技術(shù)思路的污染物篩查方法不僅優(yōu)先考慮到了化合物的危害和毒性,同時充分考慮到了化合物的最大暴露劑量及其暴露途徑,此外還將周圍環(huán)境要素、經(jīng)濟因素以及社會因素考慮進(jìn)來。所以近幾年來基于環(huán)境健康風(fēng)險評估的污染物優(yōu)先排序方法普遍受到廣大研究者的喜愛和應(yīng)用。WATERS等[13]描述了17種排序評分系統(tǒng),其中包括9種風(fēng)險源排序系統(tǒng)和8種化學(xué)品排序方法;FORAN等[14]綜合分析了8種“現(xiàn)存化學(xué)品評分系統(tǒng)”,對效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、終點和評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了概述。由于評價目的和篩查標(biāo)準(zhǔn)不同,各篩查體系之間區(qū)別較大,但篩查體系框架大致相同。污染物篩查體系主要包括:建立污染物數(shù)據(jù)庫→根據(jù)評價目的確定測試終點和篩查標(biāo)準(zhǔn)→賦值計算→進(jìn)行優(yōu)先排序。
優(yōu)先控制污染物篩查主要考慮其持久存在性、環(huán)境濃度和生態(tài)毒性。
1)持久存在性
污染物持久存在性主要包括3個方面的定量指標(biāo):污染物的轉(zhuǎn)化特性(如半衰期、自然降解能力),污染物分配情況(如生物富集系數(shù)/生物累積系數(shù)、辛醇-水分配系數(shù)),水體受污染情況(如排放量、使用量/使用頻率、預(yù)測濃度/計算濃度)。
2)環(huán)境濃度
提倡優(yōu)先使用實測數(shù)據(jù),當(dāng)缺乏實測數(shù)據(jù)時,可使用模型推測方法計算污染物的暴露濃度。模型推測方法有利于對水體中尚未檢測到的化學(xué)品進(jìn)行控制,在大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測項目中,模型推導(dǎo)方法有利于節(jié)省人力和物力。王朋華等[15]根據(jù)藥物產(chǎn)量、排泄率和去除率預(yù)測了藥物在水環(huán)境中的含量。然而,模型推導(dǎo)方法存在不確定性,并缺少可靠的輸入數(shù)據(jù)。隨著檢測技術(shù)的提高,實測數(shù)據(jù)的獲取越來越容易。以多組分檢測方法為基礎(chǔ),ZHONG等[16]建立了酚類化合物篩選方法,并成功應(yīng)用于太湖水環(huán)境檢測。加拿大環(huán)保局研發(fā)的GENECC模型考慮了受污染水體的徑流量和污染物漂移濃度,對220種殺蟲劑主要成分對地表水中水生物種的潛在危害性進(jìn)行了綜合排名。結(jié)果表明,該模型可以更現(xiàn)實地表示殺蟲劑潛在的毒理效應(yīng),是一種更為高級的水環(huán)境風(fēng)險排序方法。
3)生態(tài)毒性
污染物毒性表現(xiàn)在致死、致癌、致突變、生殖毒性、發(fā)育毒性、內(nèi)分泌干擾性等方面。常用的毒性指標(biāo)有半效應(yīng)濃度(EC50)、半致死濃度(LC50)、最低觀察效應(yīng)水平(lowest observed effect level,LOEL)、無觀察效應(yīng)濃度(no observed effect concentration,NOEC)、預(yù)測無觀察效應(yīng)濃度(predicted no-effect concentration,PNEC)。
篩選體系給出某一參數(shù)的等級范圍后,即可將其與實際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,然后對實際數(shù)據(jù)進(jìn)行分級或者賦分,根據(jù)該參數(shù)的重要性確定其權(quán)重,最重要的因子要指定最大的權(quán),使之在確定最后分?jǐn)?shù)時能產(chǎn)生最大的影響,根據(jù)總分值排序,建立優(yōu)先控制名單,從而確定“優(yōu)先控制污染物”。
健康風(fēng)險評價方法起源于20世紀(jì)工業(yè)比較發(fā)達(dá)的西方國家,其中以美國在環(huán)境風(fēng)險評價方面的研究成果最為顯著。一般認(rèn)為,健康風(fēng)險評價經(jīng)歷了3個發(fā)展階段。第1個階段是20世紀(jì)70年代,環(huán)境風(fēng)險評估和生態(tài)風(fēng)險評價的研究理論及概念逐漸被提出并開始研究,然而剛開始的時候健康風(fēng)險評價的概念并不是非常明確的,主要研究毒性鑒定的方法理論。第2個階段是到了20世紀(jì)80年代,關(guān)于健康風(fēng)險評價技術(shù)的研究獲得了較大進(jìn)步,這個發(fā)展時期是健康風(fēng)險評價技術(shù)方法建立的基礎(chǔ)準(zhǔn)備階段。在這一階段,生態(tài)和生物理論學(xué)的發(fā)展,尤其是腫瘤模型的提出和離體培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展對健康風(fēng)險評價起到了巨大的推動作用。第3個階段是健康風(fēng)險評價技術(shù)完善階段,其標(biāo)志就是美國環(huán)保局(EPA)一系列健康風(fēng)險評價技術(shù)文件的頒布。1986年,美國環(huán)保局頒布了“健康風(fēng)險評價指導(dǎo)方針”,涉及致癌物、致突變物、化學(xué)混合物、可疑發(fā)育毒物以及暴露評價5個方面。1989年,美國環(huán)保局對1986年的指導(dǎo)方針進(jìn)行了修改,以后又對健康風(fēng)險評價作了多次修改和補充。自20世紀(jì)90年代開始,健康風(fēng)險評價的方法體系基本上建立起來,隨之又得到了不斷完善和發(fā)展。健康風(fēng)險評價技術(shù)應(yīng)用的最主要問題在于需要相關(guān)專業(yè)的判斷和科學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ),環(huán)境健康風(fēng)險評價研究其實就是一個不斷發(fā)展的過程。目前,環(huán)境健康風(fēng)險評價方法已經(jīng)被中國、荷蘭、法國、日本等眾多國家以及國際上一些組織團體(如經(jīng)濟發(fā)展與合作組織、歐洲經(jīng)濟共同體)等采用。
國際上一般按照化合物是否具有致癌毒性,將環(huán)境健康風(fēng)險評價技術(shù)劃分為致癌風(fēng)險評價和非致癌風(fēng)險評價2類[17]。需要特別說明的問題是,確認(rèn)對于人體致癌的污染物同樣對人體具有非致癌的可能性存在。所以一般來說,針對可致癌的化合物要同時進(jìn)行致癌和非致癌風(fēng)險評估。通常來說,一套較為科學(xué)理想的環(huán)境健康風(fēng)險評價涵蓋4個方面的研究內(nèi)容:危害鑒定、劑量-效應(yīng)關(guān)系、暴露評價和風(fēng)險評價與管理[18]。
化合物的致癌風(fēng)險值是指人體暴露在致癌化合物中,導(dǎo)致人體內(nèi)蓄積的化合物劑量超過人體正常水平的癌癥發(fā)病率。
低劑量暴露時風(fēng)險值的計算公式為
風(fēng)險值=Y(CDI)×Y(SF);
(1)
高劑量暴露時風(fēng)險值的計算公式為
風(fēng)險值= 1-exp(-Y(CDI)×Y(SF))。
(2)
式中:Y(CDI)為人體日均暴露量;Y(SF)為污染物的致癌斜率因子。
通常情況下,非致癌風(fēng)險值以參考劑量作為計量標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)健康風(fēng)險值高于參考劑量時,環(huán)境中可能存在著風(fēng)險;當(dāng)健康風(fēng)險值小于或等于參考劑量時,此時的環(huán)境健康風(fēng)險是可以被接受的??杀唤邮艿沫h(huán)境健康風(fēng)險常用危害指數(shù)來表示,公式如下:
危害指數(shù)=Y(CDI)/Y(RFD)。
(3)
式中:Y(CDI)為人體日均暴露量;Y(RFD)為污染物的非致癌參考劑量。
通常情況下人體對于水體中有機化合物的暴露主要包括直接飲用和皮膚接觸2類。一般認(rèn)為通過直接接觸人體皮膚帶來的健康風(fēng)險值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于飲水過程中所帶來的健康風(fēng)險值[7],所以研究中一般只考慮飲水過程中對于人體帶來的健康風(fēng)險評價。
通過飲水途徑計算人體日均暴露量的公式為
Y(CDI)= (ρ ×U ×Y(EF)×Y(ED))/
( Y(BW)×Y(AT))。
(4)
式中:ρ為水中化學(xué)物質(zhì)的質(zhì)量濃度;U為日飲水量;Y(EF)為暴露頻率;Y(ED)為暴露延時;Y(BW)為平均體重;Y(AT)為平均暴露時間。
目前,健康風(fēng)險評價技術(shù)及方法建立的時間并不長,很多方面也并不成熟,科學(xué)家正著力進(jìn)行研究。在中國,健康風(fēng)險評價剛剛起步,技術(shù)還未普及,管理部門也沒有建立相應(yīng)的準(zhǔn)則。綜合分析來看,目前的主要任務(wù)應(yīng)該是結(jié)合中國的國情,同時吸取西方發(fā)達(dá)國家先進(jìn)和豐富的環(huán)境健康風(fēng)險評價領(lǐng)域的經(jīng)驗,建立科學(xué)完整的環(huán)境健康風(fēng)險評價方法和管理體系。環(huán)境健康風(fēng)險評價技術(shù)的研究需要篩選出目標(biāo)化合物毒理學(xué)方面的充足數(shù)據(jù),以及由暴露人群所計算出的暴露劑量。許多國家現(xiàn)在已經(jīng)針對很多的有毒化合物構(gòu)建了毒理學(xué)數(shù)據(jù)庫,并將其應(yīng)用于區(qū)域環(huán)境健康風(fēng)險評價研究,積累了大量可用的有效風(fēng)險評價數(shù)據(jù)。對于目標(biāo)化合物所暴露人群的暴露劑量問題,目前仍是環(huán)境健康風(fēng)險評價研究工作中的重點[19]。
王秋蓮等[20]對天津市于橋水庫進(jìn)行了風(fēng)險評價研究。該團隊采用健康風(fēng)險評價模型,針對飲水途徑由化學(xué)致癌物和非化學(xué)致癌物導(dǎo)致的健康危害個人風(fēng)險進(jìn)行了評價。數(shù)據(jù)顯示,天津市于橋水庫中各類化合物導(dǎo)致的個人總體健康年風(fēng)險水平為 9.2×10-6。這一數(shù)據(jù)表明,該區(qū)域個人年風(fēng)險較低,飲用水比較安全。
馬海濤等[21]對南寧市2008年—2013年邕江水源地進(jìn)行了風(fēng)險評價,采用健康風(fēng)險評估模型得到了該地區(qū)水環(huán)境健康的年平均風(fēng)險水平。研究表明,該地區(qū)飲用水源地致癌化合物環(huán)境健康風(fēng)險值較高,提出了水源地飲用水源需優(yōu)先治理的污染物是化學(xué)致癌物As,應(yīng)加強對水源地的監(jiān)測和管理,以降低環(huán)境健康風(fēng)險。
李祥平等[22]評價了廣州市主要飲用水源地水體中重金屬引起的健康風(fēng)險,通過研究得到了各主要飲用水源水體中的致癌和非致癌污染因子,同時提出將優(yōu)先控制污染因子作為風(fēng)險管理的重點對象。
隨著工業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展,化學(xué)產(chǎn)品的制造和銷售應(yīng)用必然給社會帶來難以估量的價值,也為地方經(jīng)濟做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。然而與此同時,部分有毒有害化學(xué)制品的排放不僅對環(huán)境造成了嚴(yán)重?fù)p害,更重要的是給同樣在環(huán)境中生存的人類健康帶來了威脅[23]。針對這類問題,國家出臺了相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)。然而由于環(huán)境中排放的化學(xué)物質(zhì)種類過于繁多,如果要對每類物質(zhì)都制定一套相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實時監(jiān)控的話,幾乎是一個不可能完成的任務(wù)。因此,比較有效的方法就是篩查出危害相對較大的物質(zhì)進(jìn)行優(yōu)先控制。
對監(jiān)測出的目標(biāo)化合物進(jìn)行優(yōu)先排序是目前應(yīng)用較為廣泛的篩查方法,優(yōu)先排序后將排名靠前的物質(zhì)作為優(yōu)先控制的污染物。目前化合物的篩查排序方法較多,但普遍存在兩方面的局限性:一是環(huán)境中存在的化學(xué)污染物范圍過大,監(jiān)測篩查難度較大;二是化學(xué)污染物在環(huán)境中的實際暴露水平難以準(zhǔn)確獲得。如果想要在環(huán)境健康風(fēng)險評價的基礎(chǔ)上開展篩查從而確定優(yōu)先控制污染物,首先要做的便是篩查出環(huán)境中主要的致癌和非致癌風(fēng)險因子。目前常用的排序方法大多是依據(jù)模型模擬實際污染物的擴散情況,從而預(yù)測污染物的環(huán)境濃度。此外,還有一些方法是對已有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,依賴收集已有的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬和預(yù)測分析。在實際工作中開展飲用水源地優(yōu)先控制污染物篩選時,要在借鑒國外經(jīng)驗的同時,結(jié)合中國當(dāng)前生產(chǎn)狀況、技術(shù)水平等諸多因素進(jìn)行綜合分析,篩選出適合中國的優(yōu)先控制污染物種類。對于地方而言,首先應(yīng)針對飲用水源流域內(nèi)典型區(qū)域和重點行業(yè)進(jìn)行分析和調(diào)研,匯總出該范圍內(nèi)潛在污染物的名單,再通過文獻(xiàn)檢索、資料收集等基礎(chǔ)性工作,對匯總出的名單進(jìn)行初步篩選,剔除不易對水環(huán)境產(chǎn)生影響的各形態(tài)污染物,然后根據(jù)篩選原則, 篩選出優(yōu)先控制污染物,最終建立起優(yōu)先控制污染物的名錄。
隨著地方工業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)布局的調(diào)整變化,還需要對優(yōu)先控制污染物名錄進(jìn)行動態(tài)更新,進(jìn)而對環(huán)境管理的目標(biāo)和措施作出相應(yīng)調(diào)整,這樣才能真正做到為本地區(qū)環(huán)境管理提供有價值的科學(xué)依據(jù)。
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Methodologies for screening and risk assessment of specific pollutants in urban source of drinking water
LI Zhiguo, LUO Yi, HONG Gang, ZHOU Jingbo, JIN Wei
(Shijiazhuang Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang, Hebei 050022,China)
In order to protect the drinking water sources and ensuring safe drinking water, based on the summarization of the existing methodologies for screening of pollutant of the drinking water features in urban, the pollutant screening system under environmental risk framework is introduced, including establishing pollutant database→ determining the endpoint and the screening criteria according to testing purpose→assignment calculation→priority ordering. The use of health risk assessment management and technology in risk assement of the drinking water source is also introduced, providing valuable scientific basis for the local environmental management.
water environment science; source of drinking water; precedence-controlled pollutant; screening of specific pollutant; health risk assessment
1008-1534(2016)04-0348-05
2015-05-16;
2016-03-29;責(zé)任編輯:張士瑩
河北省科技計劃項目(15273604D)
李治國(1984—),男,河北井陘人,工程師,主要從事環(huán)境監(jiān)測方面的工作。
靳 偉。 E-mail: jiwei65815@126.com
X824
A
10.7535/hbgykj.2016yx04016
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