基于中國人群暴露風險的室內苯健康限值推導

趙文靜,馬雪璞,阿依博塔·吐爾遜別克,官家丞,段小麗,秦 寧 (北京科技大學能源與環境工程學院,北京 100083)

苯被用于合成塑料、樹脂和其他纖維的許多關鍵化學品的生產中[1],被國際癌癥研究機構(IARC)列為第一類致癌物.苯是室內環境中被廣泛檢出的一類揮發性有機化合物,苯暴露能夠刺激呼吸道,破壞造血功能,具有一定的潛在風險危害[2-3].世界衛生組織(WHO)研究表明,呼吸吸入是苯的主要人體暴露途徑[4].室內是苯暴露的重要場所,室內苯的來源主要是裝修所用的各種建材、涂料、膠黏劑及各種有機溶劑[5].近年來各種新型建材、室內裝修材料研發和廣泛使用加劇了室內苯污染.全國范圍的暴露行為調查發現,中國人均每天超過 83%的時間都處于室內[6],室內苯的高殘留濃度和人群較長的室內活動時間都增大了我國人群室內苯暴露的風險.

健康限值對于苯污染控制至關重要,因此苯的環境基準和標準的研究等也一直是人們關注的熱點.美國環保署(US EPA)根據1985年的亞慢性實驗動物吸入研究的血液學數據進行的建模結果推導得出吸入參考濃度(RFC)值為0.05mg/m3[7];基于1996年的職業流行病學研究中基準劑量建模結果所獲得的 RFC值為0.03mg/m3[8],并通過比較將0.03mg/m3確定為苯的呼吸暴露參考限值.我國于2002年頒布的《室內空氣質量標準》(GB/T18883-2002)[9]將室內苯限值確定為0.11mg/m3,2020年我國對這一標準進行了首次修改,修改后的標準為0.03mg/m3.現有限值仍基于國外的毒理實驗和流行病研究.苯是重要致癌污染物,而現有標準沒能考慮苯的致癌效應,缺乏針對人群致癌風險控制的限值推算.此外由于我國不同室內場所類型苯暴露水平數據不足,對人群總體致癌風險缺少評估,同時也導致對于新標準的執行難度缺少相關的論證.

基于此,本研究通過文獻調研的方式系統收集了中國不同室內類型和我國不同省份的濃度水平并分析了污染數據的分布特征.結合中國不同年齡段成年人群室內暴露參數,估計各群體的健康風險;并在此基礎上探討造成風險評估不確定性的來源,及修改后的室內環境標準中苯限值的可行性,為我國室內苯污染控制提供參考,同時為室內苯濃度標準的修訂提供依據.

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究中室內苯濃度的數據主要來源于文獻統計.中文文獻主要以“室內苯系物、VOC、BTEX和中國”等為檢索詞通過中國知網、萬方和維普中文數據庫進行聯合檢索;英文文獻以 benzene、VOCs、BTEX、indoor和China等檢索詞通過Web of science檢索平臺進行檢索.各數據庫檢索時間范圍均為從該數據庫最早收錄的文獻到2021年12月4日.為保證所收集數據的準確性與有效性,采用以下幾點為依據進行文獻的篩選和數據歸納:①所有數據均為一次原始采樣數據,二次利用的數據樣品如綜述、Meta分析等相關文獻所得的樣品數據不納入分析;②根據不同房屋類型將納入研究的室內苯數據分為4類進行合并,分別是居室、公共場所、辦公場所和職業暴露場所.其中,居室包括室內住宅和寢室等常住場所;公共場所根據人流量的大小,將賓館、商場、醫院、餐廳和娛樂場所等地點納入;辦公區域包括會議室、學校和辦公室等地;由于職業暴露場所的特殊性,將車間、建材店、實驗室和裝修現場等地歸納為此類;③測定暴露濃度為室內苯濃度,單位為mg/m3,低于檢出限的,錄入數據記為二分之一檢出限.參考文獻為濃度范圍的,錄入數據記為中位數;④室內苯測定方法為氣相色譜法或分光光度法.經過篩選,共獲得目標文獻108篇,涵蓋了29個省、市、自治區室內苯濃度.

1.2 暴露評估和風險表征

呼吸吸入是人體對苯的暴露最主要的暴露方式.長期日平均暴露劑量(LADD)估算公式如下:

式中:c為污染物濃度,mg/m3;IR為呼吸速率,m3/d;EF為暴露頻率,d/a;ED為暴露持續時間,a;BW 為體重,kg;AT為終身壽命,25550d.

通常認為致癌風險沒有劑量閾值.健康風險評估模型苯的終生致癌風險可通過下式計算:

式中:LCR為終生致癌風險;SF為致癌斜率因子,其中苯的SF為0.027kg·d/mg[10].根據健康風險計算模型進行反推,可得到苯濃度健康限值的計算方式:

式中:LCR為健康風險,本研究選擇風險控制在危險水平,即風險控制在1.0×10-4為人群可接受風險的最高值;BW 為體重,kg;AT為平均接觸時間,取值25550d;IR為各年齡段呼吸量,m3/d;EF為室內活動時間,min/d;ED為各年齡段苯濃度的暴露持續時間.

不同場景人群日平均暴露時間各有差異,其中我國成年人群的居室暴露時間最長,為14.9h/d,其余依次是辦公場所、職業暴露場所和公共場所,暴露時間分別為4, 4, 3.6h/d[11].其中,辦公場所和職業暴露場所人群考慮到退休等因素影響,暴露人群年齡段僅考慮 18～60歲,居室和公共場所暴露人群年齡段為18～70歲.暴露頻率按照暴露時間占比1d 24h計算,居室、辦公場所、職業暴露場所以及公共場所分別為0.62, 0.17, 0.17, 0.15d.

1.3 室內苯暴露參數

居民呼吸量和體重是影響苯致癌風險的重要暴露參數,本研究目標人群為年齡范圍是 18歲以上各年齡段的中國人群.根據人群生理參數的差異分為18～44、45～59 和 60～70 年齡段 3 個亞組,各個人群亞組的暴露參數5分位數、25分位數、中位數、75分位數和95分位數從中國人群暴露參數手冊[12]獲得.手冊數據統計了我國 31個省、自治區、直轄市的159個縣/區的18歲及以上常住居民有效樣本量為91121人,能夠反映中國人群的暴露參數.通過對各人群體重和呼吸量的各分位數進行統計檢驗和分布估計發現,各人群體重符合正態分布,呼吸量符合對數正態分布.通過正態分布和累積正態分布回歸的方式進行擬合[13-14],并用 R2進行評價.得到暴露參數呼吸量和體重的分布如表1所示.由表1可以看出各參數的R2均大于0.9,擬合效果較好.

表1 各亞組人群暴露參數分布Table 1 Distribution mode of exposure parameters in different population subgroups

1.4 統計分析方法

使用 SPSS21軟件對室內苯濃度數據進行Shapiro-Wilk正態檢驗和 Kruskal-Wallis檢驗;使用Origin Pro軟件繪制環境苯濃度與風險數據概率分布曲線;使用蒙特卡洛模擬(MCS)人群的日均暴露劑量和致癌風險并對參數的敏感度進行定量分析.MCS及靈敏度分析均使用Crystal Ball軟件完成.

2 結果與討論

2.1 室內苯濃度污染水平

經過文獻篩選,共獲得 29個省級行政區的 464個室內苯濃度數據.數據統計如表2所示.使用Shapiro-Wilk對全室內住宅樣本對數正態性進行檢驗,結果發現中國室內住宅苯濃度分布模式符合對數正態分布(P＞0.01).全室內住宅的分布函數和基于概率的超標情況如圖1(a)所示.全部樣本的室內苯濃度均值為(0.03±4.85)mg/m3.29個省級行政區中青海省的苯濃度最大為0.64mg/m3,上海、浙江、臺灣和香港的苯濃度最小,均為0.01mg/m3.通過Kruskal-Wallis檢驗發現,4類室內場所苯濃度水平在p＜0.05水平下存在顯著差異.在4種場所中,由于包含車間、浸漆間和施工地等特殊場所,職業暴露場所的室內苯含量最高,均值為0.052mg/m3.苯的來源物質,例如油漆涂料、膠黏劑以及各種有機溶劑等都是職業場所高苯濃度的原因.居室和辦公場所苯濃度次之,分別為0.028mg/m3和 0.018mg/m3.公共場所最低為0.014mg/m3.公共場所和辦公室苯的主要來源包括裝修時用的油漆、染色劑等化工原料和傳真機、打印機以及一些家具擴散出來的苯.但良好的通風和較大的人流量可以有效降低公共場所室內苯的濃度.而居室則相對空氣流動較差,所以會導致居室室內苯濃度高于公共場所和辦公區域.

表2 中國室內環境苯濃度統計數據Table 2 Statistics of indoor benzene concentrations in China

圖1 中國室內環境苯濃度分布Fig.1 Indoor benzene concentration distribution of China

公共場所包含的各場景苯具體濃度也有較大差異,其中餐廳(0.015mg/m3)和醫院(0.010mg/m3)具有較高的苯殘留,商場(0.007mg/m3)和體育館(0.006mg/m3)的苯含量相對較低.與公共場所相比,職業暴露場所中苯殘留濃度明顯更高,其中工廠車間(0.745mg/m3)和建材店(0.455mg/m3)具有較高的苯殘留水平.由于通風條件較好,實驗室的濃度較低(0.032mg/m3).參考國外的室內環境濃度,我國居室苯濃度水平要高于芬蘭和比利時的報道(0.002mg/m3)[15-16];辦公室苯濃度水平與歐洲接近(0.015mg/m3)[15],低于新加坡的報道(0.087mg/m3)[17];我國公共場所的平均水平遠高于美國餐廳(0.0031mg/m3)和商場(0.0018mg/m3)的數據[18].

我國此前執行的《室內空氣質量標準》(GB/T18883-2002,以下簡稱舊標準)[9]中規定的苯濃度標準為0.11mg/m3.重新修改后的《室內空氣質量標準》(GB/T18883-2022,以下簡稱新標準)中對室內苯濃度標準進行修改,新的苯室內標準為0.03mg/m3.從圖1(a)中可以發現,與修改前后的標準相比,全部室內樣本均有一定的苯濃度超標概率.全室內樣本超過室內舊標準苯濃度標準的概率為17.5%,超過新標準中苯濃度標準的概率為48.5%.4種室內類型分開來分析,從圖1(b)中可以發現,4種室內類型都有一定的苯濃度超標概率.通過計算可得,居室、公共場所、辦公場所和職業暴露場所4種類型超過舊標準苯濃度標準概率分別為15.3%、8.1%、13.5%和29.6%.如果以新標準中0.03mg/m3為標準,4種場景的室內苯濃度超標率分別為53.3%、28.0%、27.0%、和55.6%.其中,居室和職業暴露場所的超標率均超過50%.4類場所室內苯濃度均值均未超過舊標準中苯濃度標準0.11mg/m3,但職業暴露場所的室內苯濃度超過了新標準中苯濃度標準.這表明新標準面臨一定的執行難度.

2.2 室內苯暴露健康風險

以不同場景的苯濃度為暴露變量,以各個年齡段的體重、呼吸量和室內活動時間為暴露參數變量進行10000次模擬,MCS得到各個年齡段的致癌風險如表3,各場所的致癌風險的分布如圖2.由表3可以看出,4種不同的室內場景全年齡段人群的致癌風險從大到小依次為:居室＞職業暴露場所＞辦公場所＞公共場所.其中,居室暴露的致癌風險整體最大,全年齡段風險中位數為9.30×10-5,是風險最小的公共場所暴露風險的7.9倍.通過比較各個場所的苯殘留濃度順序和各個場所人群的風險順序可以發現,某一場所的風險是該場所的苯濃度和人群在場所的滯留時間共同作用的結果.盡管職業場所的暴露濃度最高,但由于居室環境的滯留時間長于在工作場所的暴露時間,居室苯暴露的風險要高于職業場所室內暴露.

表3 不同年齡組和不同室內環境類型人群的健康風險MCS結果Table 3 Monte Carlo simulation results of health risk of different age groups and different indoor environment types

圖2 不同室內類型苯暴露的致癌風險分布Fig.2 Carcinogenic risk distribution of benzene exposure from different indoor environment types

不同年齡階段的貢獻相比較,由于 18～44歲的暴露區間長達27a,貢獻也遠遠高于其他兩個年齡組的致癌風險.US EPA認為LCR小于1.0×10-6為可接受水平,LCR超過 1.0×10-4為超過危險水平.由致癌風險的分布曲線可知,居室和職業暴露場所的風險分布,超過危險水平的概率分別為48.2%和 29.0%.辦公場所和公共場所的風險中位數低于 EPA危險水平,但也遠遠高于可接受水平.由于不同場所暴露風險具有可累加性.人群的總暴露風險高于單一場所的風險.這表明室內苯暴露對我國人群具有一定的致癌威脅,尤其室內暴露的風險更應該引起重視.

2.3 室內苯濃度基準值的推導

國內外在推導苯暴露標準時的依據既包括流行病學研究也包括動物的毒理學實驗.1996年,Rothman對上海44名職業場所苯暴露的工人和44名與其年齡和性別相匹配的未暴露對照組進行了橫斷面研究[8].通過觀察苯暴露對淋巴細胞計數、白細胞計數、紅細胞計數、紅細胞壓積、血小板和平均紅細胞體積等血液參數的影響.使用連續線性模型擬合暴露-響應關系擬合.在擬合基礎上獲得苯暴露的最小可見損害作用水平(LOAEL)數值為0.03mg/m3.1985年Ward分別選用小鼠和大鼠進行了苯的亞慢性吸入毒性實驗,建立苯暴露與血液效應終點之間的關系,通過實驗獲得無可見有害作用水平(NOAEL)為0.05mg/m3[7].US EPA根據以上職業流行病學研究結果和動物毒理實驗確定的苯的RFC值為0.03mg/m3.此外,部分研究機構如WHO和歐盟委員會INDEX項目(EC INDEX)并未規定苯的安全水平,認為空氣中只要存在苯對人體就有危害.除《室內空氣質量標準》(GB/T18883-2002)[9]之外,我國于 2001年實施的《民用建筑工程室內環境污染控制規范》(GB50325-2001)[126].該規范中將不同的室內環境分成兩類:Ⅰ類民用建筑工程,包括住宅、辦公樓和醫院等建筑工程;Ⅱ類民用建筑工程,包括旅店、文化娛樂場所、書店和圖書館等公共建筑.Ⅰ類建筑和Ⅱ類建筑苯標準限值分別為0.06和0.09mg/m3.對比發現,國外的苯健康限值要明顯高于我國此前的標準.此外,相比國外標準,我國的兩項標準頒布時均并未給出對應的理論依據和技術支持文件,標準的依據并不明確.此次我國《室內空氣質量標準》[127]修改標志著新標準以EPA的流行病研究為理論依據.然而,以上閾值研究中均沒有把人群整體致癌風險作為閾值控制的要素,尤其沒有考慮我國人群暴露參數等因素對暴露這一過程的影響.

以 US EPA推薦的人群致癌危險風險值 1.0×10-4為標準,通過10000次MCS計算得到我國成年人群的室內苯濃度健康限值分布,如圖3(a)所示,健康限值的平均值為0.020mg/m3.與現行的國內外風險閾值相比,本研究推算的閾值明顯低于《室內空氣質量標準》(GB/T18883-2002)[9]中所規定的苯限值0.11mg/m3,以及《民用建筑工程室內環境污染控制規范》(GB50325-2010)[128]中Ⅰ類建筑(0.06mg/m3)和Ⅱ類建筑(0.09mg/m3)的苯限值.基于人群致癌風險計算的閾值與修改后的《室內空氣質量標準》(GB/T18883-2022)[127]比較接近.在此閾值下人群整體處于較低的致癌風險,基本能夠達到控制人群白血病風險的目的;相較之下,國內舊標準的限值過高,不利于苯暴露的健康危害管理.根據全球疾病負擔研究(GBD)2017對1990～2017年中國和全球白血病疾病負擔指標進行分析中國白血病患病率隨年份變化總體呈上升趨勢,從1990年的41.19/10萬上升至2017年的66.14/10萬,升幅為60.57%.與此同時,GBD 2017篩選了白血病的危險因素,苯接觸僅次于吸煙和高體質指數位列第 3[129-130].排除遺傳等因素的影響,室內苯暴露作為重要的致病誘因,應得到重視和進一步管控.盡管標準的嚴格意味著標準的執行難度增大和可達性的進一步降低,此次修改具有明確的科學依據,對室內苯暴露的控制和未來白血病發病率的降低具有重要意義.

圖3 基于MCS的閾值推導結果Fig.3 Threshold value derivation based on Monte Carlo simulation

2.4 不確定性分析

本研究的不確定性來源于數據收集、模型參數獲取等過程.風險評價部分的不確定性主要來源于文獻篩選和數據收集過程.現有文獻數據庫涵蓋了1997～2021年間100 余篇中文核心期刊和SCI期刊,然而文獻數據仍然不足以反映中國全部地區的室內苯濃度水平.收集的文獻在時間和空間覆蓋范圍上都可能存在著偏倚,導致對中國人群的室內苯暴露風險評估存在偏差.

閾值推導過程同樣存在不確定性.最主要的不確定性來源于模型參數.通過靈敏度分析對模型中參數的靈敏度進行了定量表征.在每次迭代中,每組隨機的輸入參數和相應的閾值通過 Crystal Ball進行保存.通過比較參數與閾值的斯皮爾曼秩相關系數可以對每個輸入變量的敏感性進行量化(圖 3b).參數和閾值之間的系數越大,參數越敏感,反之則參數不敏感.結合斯皮爾曼秩相關分析結果發現,由于18～45歲的暴露時間最長,這一年齡段的體重與呼吸速率具有較大的靈敏度,對閾值計算的結果影響也最大.此外,每個年齡段的體重靈敏度要大于呼吸速率的靈敏度.

此外,在閾值的推導過程中,研究以控制致癌風險在1.0×10-4為目標,僅考慮了室內苯暴露這一途徑.并未考慮室外苯暴露的影響以及其他方面的致癌因素,這些因素的忽略會導致所得的限值相對寬松.

3 結論

3.1 通過文獻篩選,共獲得29個省級行政區的464個室內苯濃度數據.全部樣本的室內苯濃度均值為(0.03±4.85)mg/m3,與《室內空氣質量標準》(GB/T18883-2022)中苯濃度標準0.03mg/m3相比,超標概率為48.5%.

3.2 Kruskal-Wallis 檢驗發現,不同室內類型苯濃度水平有較大的差異.4種不同的室內場景全年齡段人群的致癌風險從大到小依次為:居室＞職業暴露場所＞辦公場所＞公共場所.居室暴露致癌風險整體最大,全年齡段風險中位數為9.30×10-5.

3.3 以推薦的人群致癌危險風險值 1.0×10-4為標準,通過10000 次MCS計算得到室內苯最大允許暴露濃度為0.020mg/m3,與現行的國內外風險閾值相比,本研究推算的限值要低于修改后的《室內空氣質量標準》(GB/T18883-2022)中所規定的苯限值0.03mg/m3.