美国二恶英环境健康风险评估方法借鉴.doc

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1、美国二噁英环境健康风险评估方法借鉴郭逸飞第一作者：郭逸飞，男，1983年生，硕士，助理研究员，主要从事环境政策、节能减排领域的研究工作。Email: jasper_guo. ，宋云，魏文侠，孙晓峰，李培中，孙慧（轻工业环境保护研究所，北京 100012）摘要：二噁英的环境危害引起了全球的关注，促使各国开展针对二噁英的环境风险评估工作。美国等发达国家通过将2,3,7,8-TCDD的毒性当量作为基准，其它二噁英类物质的毒性当量进行转化的方法，建立二噁英类化合物的环境健康风险评估框架，具有充分的理论基础。本研究在分析借鉴美国针对二噁英的环境健康风险评估方法基础上，最终结合中国二噁英研究的现状，提出相

2、关建议。关键词：二噁英；风险评估；毒性当量；暴露Lessons Learned from Environmental Health Risk Assessment Method for Dioxin in the United StatesGUO Yifei, SONG Yun, WEI Wenxia, SUN Xiaofeng, LI Peizhong, SUN Hui(Environmental Protection Research Institute of Light Industry, Beijing 100012)Abstract: The environmental hazard

3、s of dioxin have caught the global attention, from which every country is attempting to conduct environmental risk assessment tasks on dioxin-like compounds. Developed countries like the United States have constructed an environmental health risk assessment framework for dioxin by considering the to

4、xic equivalency quantity (TEQ) of 2,3,7,8-TCDD as the baseline and converting TEQs of other congener compounds, with abundant theoretical principles. By analyzing the environmental health risk assessment method for dioxin in the U.S., this study finally evaluated the research on dioxin-like compound

5、s in China and some related suggestions were raised. Key words: Dioxin; risk assessment; toxic equivalency quantity; exposure自上世纪60年代起，由二噁英（Dioxin）造成的污染事件时常发生。面对二噁英的威胁，包括中国在内的90 多个国家于2001年5月23日在瑞典斯德哥尔摩签署了关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约。二噁英被列入到“公约”中首批要求进行消除的12种有毒有害持久性有机污染物当中。1997年世界卫生组织（WHO）将二噁英确定为一级致癌物。上世纪70年代后，

6、发达国家将污染物进入环境前实行有效的风险管理作为环境保护工作的重点，尽量减少或消除对环境的危害。由此，针对化学物质对人体健康及生态环境危害的环境风险评估应运而生，成为当今各国从事污染场地环境管理的重要工具。美国的环境风险评估工作一直在世界上处于主导地位；其它国家都来效仿。1983年，美国国家科学院（NAS）确立了风险评估由4个部分组成，即风险识别、暴露评估、毒性评估和风险表征参考文献 NAS (National Academy of Sciences). Risk Assessment in the Federal Government: Managing the Process R, Was

7、hington, DC: National Academy Press. 1983.。本研究结合健康风险评估的4个步骤，系统回顾并分析了美国二噁英环境健康风险评估的方法，为我国针对二噁英类污染的环境风险评估工作给予借鉴。1 二噁英污染识别 1.1 二噁英化学结构二噁英是无色无味的脂溶性物质。它是结构和性质很相似的，包含众多同类物或异构体的有机化合物，包括多氯二苯并二噁英 (polychlorinated dibenzo-p-dioxin，简称PCDDs）、多氯二苯并呋喃（polychlorinated dibenzofuran，简称PCDFs），以及共平面多氯联苯（co-planar-poly

8、chlorinated biphenyls, 简称Co-PCBs）。二噁英类物质中，每个苯环上都可以取代1-4个氯原子，形成众多异构体。目前有419种类似二噁英的化合物被确定，但只有近30种被认为具有相当的毒性，当中包括7种PCDD同系物、10种PCDF和13种PCB同系物，其中以TCDD的毒性最大。被认为有毒的PCDD和PCDF同系物当中至少在2、3、7和8位都有氯元素替代；被认为有毒的PCB同系物中苯环的非邻位（3-、3-、4-、4-、5-、5-）都拥有4个以上氯元素并且邻位（2-、2-、6-、6-）的氯元素不多于1个 IPCS (International Programme on Ch

9、emical Safety). Polybrominated Dibenzo-p-dioxins and Dibenzofurans. Environmental Health Criteria 205 R. Geneva: World Health Organization. 1998.。其中，二噁英主体含有210种化合物，包括75种PCDDs异构体和135种PCDFs异构体 IARC (International Agency for Research on Cancer). 1997. Monographs on the evaluation of carcinogenic risks

10、to humans: Polychlorinated dibenzo-para-dioxins and poly- chlorinated dibenzofurans. France: Lyon Press, 。某些类二噁英多氯联苯（PCBs）具有相似毒性（209种），也归在“二噁英”名下 Health Risks from Dioxin and Related Compounds: Evaluation of the EPA Reassessment. National Academy of Sciences. 2006.。PCDD、PCDF和PCB的化学结构如图1所示。图1. PCDDs、

11、PCDFs和Co-PCBs的化学结构1.2 二噁英类污染源识别目前二噁英的污染源有很多，已经受到了广泛关注。美国环保局（EPA）通过大量研究，总结出5类主要排放源：1）焚烧：包括废物煅烧、燃料燃烧、其他高温操作以及无组织燃烧等 Addink, R.; Van Bavel, B.; Visser, R.; Wever, H.; Slot, P.; Olie, K. Surface catalyzed formation of polychlorinated dibenzo-p-dioxins/dibenzofurans during municipal waste incineration J.

12、 Chemosphere, 1990, 20(10-12):1929-1934., Ahling, B.; Lindskog, A. (1982) Emission of chlorinated organic substances from combustion. In: Hutzinger, O.; Safe, S., eds, Chlorinated dioxins and related compounds, impact on the environment. New York, NY: Pergamon Press., Sakai, S.; Hiraoka, M.; Takeda,

13、 N.; Shiozaki, K. Coplanar PCBs and PCDD/PCDFs in municipal waste incineration J. Chemosphere, 1993, 27(1-3):233-240. ；2）金属冶炼及加工过程 Buekens, A.; Stieglitz, L.; Huang, H.; Dinova, C.; Cornelis, E. Preliminary investigation of formation mechanism of chlorinated dioxins and furans in industrial and meta

14、llurgical processes J. Organohalogen Compounds, 1997, 31:516-520., Oehme, M.; Mano, S.; Bjerke, B. Formation of polychlorinated dibenzofurans and dibenzo-p-dioxins by production processes for magnesium and refined nickel J. Chemosphere, 1989, 18(7-8):1379-1389.；3）氯漂木浆、氯代酚类、多氯联苯、酚氧类除草剂、氯代脂肪族等化学物质生产的副

15、产品 Curlin, L.C.; Bommaraju, T.V. (1991) Alkali & chlorine products. In: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4th ed. pp. 938-1025., Gillespie, W.J. (1995) Progress in reducing the TCDD/TCDF content of effluents, pulps and wastewater treatment sludges from the manufacturing of bleached ch

16、emical pulp. Research Triangle Part, NC: National Council of the Paper Industry for Air and Stream Improvement, Inc., Greenpeace (1993) Dioxin factories: a study of the creation and discharge of dioxins and other organochlorines from the production of PVC. Amsterdam. The Netherlands: Greenpeace Inte

17、rnational.；4）一定条件下微生物在氯代酚类物质的活动以及氯代酚类物质的光解作用 Buser, H.R. Formation of polychlorinated dibenzofurans (PCDFs), and dibenzo-p-dioxins (PCDDs) from the pyrolysis of chlorobenzenes J. Chemosphere, 1979, 8:415-424., Vollmuth, S.; Zajc, A.; Niessner, R. Formation of polychlorinated dibenzo-p-dioxins and po

18、lychlorinated dibenzofurans during the photolysis of pentachlorophenol-containing water J. Environ. Sci. Technol, 1994, 28(6):1145-1149., Miller, G.C.; Hebert, V.R.; Miille, M.J.; Mitzel, R.; Zepp, R.G. Photolysis of octachlorodibenzo-p-dioxin on soils: production of 2,3,7,8-TCDD J. Chemosphere, 198

19、9, 18:1265-1274.；5）土壤、沉积物、生物群、水体及一些人造材料等位置的循环释放 Ferrario, J.; Byrne, C.; Cleverly, D. 2,3,7,8-Dibenzo-p-dioxins in mined clay products from the United States: evidence for possible natural formation J. Environ. Sci. and Technol, 2000, 34:4524-4532., Oberg, L.G., Wagman, N.; Koch, M.; Rappe, C. Polyc

20、hlorinated dibenzo-p-dioxins, dibenzofurans and non-ortho PCBs in household organic-waste compost and mature garden waste compost J. Organohalogen Compounds, 1994, 20:245-250.。总体而言，PCBs属于化学产品，曾经大量生产；PCDDs和PCDFs则是在焚烧、化学加工等过程中无意产生的副产品。2 二噁英暴露评估方法2.1 二噁英理化性质暴露评价的目的在于决定二噁英暴露的类型和程度。暴露环境的描述作为第一步，将针对场地、周边群

21、体，就影响暴露效应的因素进行的定性评估。二噁英的熔点在100-300C的温度区间 Rordorf, B.F. Prediction of vapor pressures, boiling points and enthalpies of fusion for twenty-nine halogenated dibenzo-p-dioxins and fifty-five dibenzofurans by a vapor pressure correlation method J. Chemosphere, 1989, 18(1-6): 783-788. , Bolgar, M.; Cunnin

22、gham, J.; Cooper, R.; Kozloski, R.; Hubball, J.; Miller, D.P.; Crone, T.; Kimball, H.; Janooby, A.; Miller, B.; Fairless, B. Physical, spectral and chromatographic properties of all 209 individual PCB congeners J. Chemosphere, 1995, 31(2):2687-2705.，一般条件下很难分解。自然界中二噁英类物质主要以固体形式存在。土壤、沉积物、固体废物、食物、水体悬浮物

23、、空气扬尘及颗粒物，均可能是其移动的载体。不同二噁英类物质的水溶性在10-6-10-3区间不等 Mackay, D.; Shiu, W.Y.; Ma, K.C. (1992) Illustrated handbook of physical-chemical properties and environmental fate for organic chemicals: polynuclear aromatic hydrocarbons, polychlorinated dioxins, and dibenzofurans M. Chelsea, MI: Lewis Publishers. ,

24、 Murphy, T.J.; Mullin, M.D.; Meyer, J.A. Equilibration of polychlorinated biphenyls and toxaphene with air and water J. Environ. Sci. Technol., 1987, 21(2):155-162. ；其Kow值在106-108的区间范围 Hawker, D.W.; Connell, D.W. Octanol-water partition coefficients of polychlorinated biphenyl congeners J. Environ.

25、Sci. Technol., 1988, 22(4): 382-387. , Mackay, D.; Shiu, W.Y.; Ma, K.C. (1992) Illustrated handbook of physical-chemical properties and environmental fate for organic chemicals: polynuclear aromatic hydrocarbons, polychlorinated dioxins, and dibenzofurans. Chelsea, MI: Lewis Publishers ，反映出二噁英具有亲水性弱

26、和亲脂性强的特点。二噁英的强脂溶性意味其进入人体或生物体内会发生生物富集积累效应。此外，二噁英具有很长的半衰期，从几小时到几十年不等，其中在土壤等固体物质中最稳定，半衰期达到12年 EPA. Chemical Fate Half-Lives for Toxics Release Inventory (TRI) Chemicals. 1998. ，气态光化学分解的半衰期平均为8.3天 王烨, 焦志峰, 毛孝明, 王晓东. 试析二噁英污染的产生与治理 J. 电子质量, 2001, 10: 127-131. 。2.2 二噁英暴露途径分析根据上述分析推理，能够确定人体暴露在二噁英的途径。图2总结了二噁

27、英通过空气、土壤和水体，暴露在人体的途径。二噁英通过食物链进入人体是一条不可忽视的途径。由于PCDD和PCDF脂溶性及其在环境中的高度稳定性，水体中通过水生植物、浮游动植物食草鱼食鱼鱼类及鹅、鸭等家禽这一食物链过程，富积到鱼体和家禽中。同时由于大气的流动，飘尘中的PCDD和PCDF沉降至地面，污染蔬菜、粮食与饲料。因此，鱼、畜、禽肉类及其蛋类和乳类等成为主要污染的食品。二噁英通过母乳传递给婴儿，是摄取二噁英的重要途径。相关研究发现 Lorber. M. & Phillips. L. Infant Exposure to Dioxin-like Compounds in Breast Milk

28、J. Environmental Health Prospective, 2002, 110 (6): 325-332. ：母乳被二噁英污染的情况下，通过母乳哺育1年的婴儿比相同情况没有经过母乳哺育的婴儿，体内积累的二噁英剂量高出6倍；同时，通过母乳哺育的婴儿终身积累的二噁英剂量比未经过母乳哺育婴儿高出3-18%。婴儿摄取母乳污染土壤蔬菜、畜禽等吸收摄取食物链摄入直接摄入皮肤接触风蚀大气扩散呼吸土壤颗粒物和挥发气挥发进入室内呼吸土壤挥发气渗入水体（地表或地下）饮用水摄入图2 二噁英的人体暴露途径（注：阴影部分为重要的暴露途径）3 二噁英毒性评估方法3.1 二噁英毒性机理二噁英类物质进入人体的途

29、径是呼吸进入或经口摄取，在人体中富集，对人体造成重大伤害 董艳, 王连军, 汪彤. 二噁英类污染物职业暴露风险评估研究 J. 2012环境污染与大众健康会议论文集. 2012. 604-608. 。二噁英类物质不能直接损伤生物体。其毒性效应主要通过与芳香烃受体结合从而诱导相关基因表达而实现的。二噁英类对生物体内Ah受体具有高度的亲和能力，能专一性地诱导细胞色素P450 酶（CYP1A1） Hahn M.E. The aryl hydrocarbon receptor: A comparative perspective J. Comparative Biochemistry and Physi

30、ology Part C: Pharmacology, Toxicology and Endocrinology, 1998, 121 (1/3): 23-53.，从而促进机体癌症的发生。针对二噁英及其衍生物，需要考虑各种同系物的联合作用对人体和生物体。为此，EPA建议应用毒性当量因子（Toxic Equivalency Factor，TEF）的方法。同时，世界卫生组织（World Health Organization, WHO）也通过这些TEF来评估人体和生物体暴露在多种污染物中的风险。由于环境中二噁英类主要以混合物的形式存在，在对二噁英类的毒性进行评价时，国际上常这些物质折算成相当于2,

31、3,7,8-TCDD的量来表示，称为毒性当量（Toxic Equivalent Quantity，简称TEQ）。为此引入毒性当量因子（Toxic Equivalency Factor，简称TEF）的概念，即将某PCDDs/PCDFs的毒性与2,3,7,8-TCDD的毒性相比得到的系数（表1列出了EPA和WTO分别针对各种二噁英类物质的TEF值）。样品中某PCDDs或PCDFs的质量浓度或质量分数与其毒性当量因子TEF的乘积，即为其毒性当量（TEQ）质量浓度或质量分数。而样品的毒性大小就等于样品中各种同类物质TEQ的总和，公式表达为：表1 二噁英类毒性当量因子(TEF)化学物质TEF（EPA）

32、EPA. Health Risks from Dioxin and Related Compounds: Evaluation of the EPA Reassessment R. Washington, DC: The National Academics. 2006.TEF（WHO） Berg. M. V., Bimbaum. L.S., Dension. M., Vito. M.D., Farland. W., Feeley. M., Fiedler. H., Hakansson. H., Hanberg. A., Haws. L., Rose. M., Safe.S., Schrenk

33、. D., Tohyama. C., Tritscher. A., Tuomisto. J., Tysklind. M., Walker. N., Peterson. R.E. The 2005 World Health Organization Reevaluation of Human and Mammalian Toxic Equivalency Factors for Dioxins and Dioxin-Like Compounds J. TOXICOLOGICAL SCIENCES, 2006, 93 (2): 223-241. PCDDs 2,3,7,8-TCDD 111,2,3

34、,7,8-PeCDD 111,2,3,4,7,8-HxCDD 0.10.11,2,3,6,7,8-HxCDD 0.10.11,2,3,7,8,9-HxCDD 0.10.11,2,3,4,6,7,8-HpCDD 0.010.01OCDD 0.00030.0001PCDFs 2,3,7,8-TCDF 0.10.11,2,3,7,8-PeCDF 0.030.052,3,4,7,8-PeCDF 0.30.51,2,3,4,7,8-HxCDF 0.10.11,2,3,6,7,8-HxCDF 0.10.11,2,3,7,8,9-HxCDF 0.10.12,3,4,6,7,8-HxCDF 0.10.11,2

35、,3,4,6,7,8-HpCDF 0.010.011,2,3,4,7,8,9-HpCDF 0.010.01OCDF 0.00030.0001PCBs 3,3,4,4-TCB 0.00010.00013,4,4,5-TCB 0.00030.00013,3,4,4,5-PeCB 0.10.13,3,4,4,5,5-HxCB 0.030.012,3,3,4,4-PeCB 0.000030.00012,3,4,4,5-PeCB 0.000030.00052,3,4,4,5-PeCB 0.000030.00012,3,4,4,5-PeCB 0.000030.00012,3,3,4,4,5-HXCB 0.

36、000030.00052,3,3,4,4,5-HxCB 0.000030.00052,3,4,4,5,5-HxCB 0.000030.000012,3,3,4,4,5,5-HpCB 0.000030.00013.2 二噁英毒性效应EPA、WHO和联合国粮食及农业组织食品添加剂专家委员会（the Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives，JECFA）一致认为目前人类二噁英类暴露实际状况而言，非致癌毒性比致癌毒性对人体健康危害的风险更大 Keenan R E, Paustenbach D J, Wenning R J, Parsons A H

37、. Pathology reevaluation of the Kociba et al. (1978) bioassay of 2,3,7,8-TCDD: implications for risk assessment J. J Toxicol Environ Health, 1991, 34(3): 279-296., Greene J F, Hays S., Paustenbach D. Basis for a proposed reference dose (RfD) for dioxin of 110 pg, kgday: a weight of evidence evaluati

38、on of the human and animal studies J. J Toxicol Environmental Health B Crit Rev, 2003, 6(2): 115159.。表2为二噁英对人体的各种健康危害。表2 二噁英的健康危害 杨永斌, 郑明辉, 刘征涛. 二噁英类毒理学研究新进展 J. 生态毒理学报. 2006. 1 (2): 105-115.毒性效应表现形式急性毒性动物一般存活数周后才死亡，在此期间机体表现为“代谢废物综合症”(wasting syndrome)，特征为食欲下降，染毒几天之内便出现严重的体重下降，并伴随有肌肉和脂肪组织的急剧减少，体重下降程度

39、与染毒剂量具有剂量-效应关系。人类全身中毒死亡的报告尚未遇见。亚急性和慢性毒性人体和哺乳动物暴露后皮肤都会出现氯痤疮，其形成具有潜伏期，可伴有胸腺萎缩和废物综合症。食物链的富集作用，受污染的肉食品经消化道进入人体，使肝脏较早大量接触二噁英类并成为最主要的毒性靶器官。肝脏病变的共同特征是肝脏体积增大、实质细胞增生与肥大。增高慢性心血管系统疾病、慢性阻塞性肺疾病的发病率。免疫毒性表现为胸腺萎缩、体液免疫和细胞免疫功能下降、抗病毒能力降低以及抗体产生能力下降。免疫系统细胞信号转导因子基因被TCDD激活，其中的一些细胞免疫抑制因子如IL-10、TGF-B的高表达也会影响机体免疫能力。生殖毒性在雌性动物

40、体内表现为抗雌激素效应，使大鼠、小鼠、灵长类雌性动物的受孕或坐窝数减少，子宫重量减轻，卵巢卵泡发育和排卵障碍。雄性哺乳类动物染毒后均可发生睾丸和附睾重量下降、精子数目明显减少、精子运动能力下降等。二噁英还可以改变体内胰岛素、甲状腺激素的代谢水平。二噁英使动物体内胰岛素水平下降，引发糖代谢紊乱。发育与致畸毒性流行病学研究结果显示孕妇接触二噁英类引起早产、宫内发育迟缓、死胎的发生，且围产期胎儿血清中TCDD浓度可以比母体高约2倍。致癌性肝脏、甲状腺、胰腺、前列腺、肺、皮肤、牙龈、硬腭和软组织等均可成为2，3，7，8一TCDD诱发肿瘤的靶器官。二噁英的暴露者，肝脏、淋巴造血系统、消化道等癌症发病率显

41、著增高。和许多物质相似，二噁英的毒性评估也是通过致癌毒性与非致癌毒性效应进行的。二噁英类物质中，EPA将2,3,7,8-TCDD的致癌斜率CSF定为156,000 (mg/kg/day)-1；而其它异构体的参考剂量（RfD）、参考浓度（RfC），以及单位风险因子（URF）未进行统计，而是通过评价方法将其它二噁英类物质的TEF值与2,3,7,8-TCDD的CSF值相乘，计算出单个二噁英异构体的致癌因子。但是，美国的环境健康风险评价办公室(OCHHA)于2009年制定的各种化学品致癌效应数据库中，对各种二噁英类物质的致癌因子进行了汇总，如下表所示。表3 二噁英致癌效应数据库 Budroe J. D

42、. , Brown J. P., Collins James F., Marty M. A., Salmon A.G., Sandy M.S., Sherman C.D., Tomar R.S., Zeise L. Air Toxics Hot Spots Risk Assessment Guidelines Part II: Technical Support Document for Cancer Potency Factors-Methodologies for derivation, listing of available values, and adjustments to all

43、ow for early life stage exposures DB/OL. Available at: http:/www.oehha.ca.gov/air/hot_spots/2009/TSDCancerPotency.pdf . 2009.化学名称CAS No.呼吸斜率(mg/kg-day)呼吸单位风险 (g/m3)经口斜率 (mg/kg-day)Dioxins1,2,3,4,6,7,8-Heptachlorodibenzo-p-dioxin378710041.30E+033.80E-011.30E+011,2,3,4,6,7,8,9-Octachlorodibenzo-p-diox

44、in32688791.30E+013.80E-031.30E+011,2,3,4,7,8-Hexachlorodibenzo-p-dioxin392272861.30E+043.80E+001.30E+011,2,3,6,7,8-Hexachlorodibenzo-p-dioxin576538571.30E+043.80E+001.30E+011,2,3,7,8-Pentachlorodibenzo-p-dioxin403217641.30E+053.80E+011.30E+052,3,7,8-Hexachlorodibenzo-p-dioxin (mixture)1.30E+043.80E+

45、003.30E+032,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin and related compounds (TCDD)17460161.30E+053.80E+011.30E+05Furans1,2,3,4,6,7,8-Heptachlorodibenzofuran675623941.30E+033.80E-011.30E+01 1,2,3,4,6,7,8,9-Octachlorodibenzofuran390010201.30E+013.80E-031.30E+011,2,3,4,7,8-Hexachlorodibenzofuran706482691.30E+0

46、43.80E+001.30E+011,2,3,4,7,8,9-Heptachlorodibenzofuran556738971.30E+033.80E-011.30E+011,2,3,7,8-Pentachlorodibenzofuran571174166.50E+031.90E+006.50E+021,2,3,7,8,9-Hexachlorodibenzofuran729182191.30E+043.80E+001.30E+01PCBs2,3,3,4,4,5,5-HpCB396353191.30E+013.80E-031.30E+012,3,3,4,4,5-HxCB697829076.50E

47、+011.90E-026.50E+012,3,3,4,4,5-HxCB383800846.50E+011.90E-026.50E+012,3,3,4,4-PeCB325981441.30E+013.80E-031.30E+012,3,4,4,5,5-HxCB526637261.30E+003.80E-041.30E+002,3,4,4,5-PeCB655104431.30E+013.80E-031.30E+012,3,4,4,5-PeCB315080061.30E+013.80E-031.30E+012,3,4,4,5-PeCB744723706.50E+021.90E-026.50E+022,3