1 引言
工業(yè)革命之后，工業(yè)化伴隨著(zhù)城市化，人類(lèi)活動(dòng)引發(fā)了一系列的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問(wèn)題，影響人類(lèi)生活質(zhì)量，制約社會(huì )和經(jīng)濟的可持續發(fā)展.核電站的建設尤其是1979年美國三里島核事故以及各種環(huán)境事故的發(fā)生引起世人對事故風(fēng)險的注意.隨著(zhù)環(huán)境事故或污染導致的地方性流行病的不斷出現，環(huán)境污染對人體健康的潛在風(fēng)險逐漸被關(guān)注.飲用水和其他水體的微生物污染，使得人們意識到微生物帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險，定量微生物風(fēng)險評價(jià)(QMRA)發(fā)展起來(lái).環(huán)境風(fēng)險評價(jià)和環(huán)境風(fēng)險管理，是環(huán)境保護從被動(dòng)治理到有效預防與管理的必然選擇.從1970年代以來(lái)，風(fēng)險評價(jià)經(jīng)歷評價(jià)對象、風(fēng)險源、風(fēng)險受體、評價(jià)范圍、評價(jià)方法等領(lǐng)域的不斷發(fā)展.由最初的定性描述風(fēng)險，到定量分析;從事故風(fēng)險評價(jià)的無(wú)具體風(fēng)險受體，到研究人體健康風(fēng)險和生態(tài)風(fēng)險;從小范圍風(fēng)險分析到大區域流域的風(fēng)險分析.事故風(fēng)險評價(jià)，化學(xué)污染的健康風(fēng)險評價(jià)，以及生態(tài)風(fēng)險評價(jià)的發(fā)展和應用都有較好的總結.本文旨在總結風(fēng)險評價(jià)的發(fā)展歷程，重點(diǎn)分析定量微生物風(fēng)險評價(jià)的方法框架以及應用.
2 風(fēng)險評價(jià)的發(fā)展歷史
風(fēng)險指“遭受損失、損傷的可能性”，或者說(shuō)發(fā)生不良后果的可能性.數學(xué)的描述風(fēng)險是指在有害事件的概率與危害影響程度的乘積.環(huán)境風(fēng)險是指人類(lèi)活動(dòng)可能引起的，通過(guò)環(huán)境介質(zhì)傳播的，對人類(lèi)或環(huán)境的不良影響的可能性及其后果.環(huán)境風(fēng)險按照風(fēng)險源可分為事故風(fēng)險，化學(xué)污染風(fēng)險微生物污染風(fēng)險，和綜合風(fēng)險;按照風(fēng)險受體，可分為健康風(fēng)險和生態(tài)風(fēng)險;按照風(fēng)險源性質(zhì)，可分為突發(fā)性風(fēng)險和非突發(fā)性風(fēng)險.環(huán)境風(fēng)險評價(jià)是對人類(lèi)活動(dòng)或者自然災害可能產(chǎn)生的不良影響進(jìn)行定性描述和定量分析，并提出減小環(huán)境風(fēng)險的方案與對策.依據風(fēng)險評價(jià)風(fēng)險源和風(fēng)險受體的不同，風(fēng)險評價(jià)通�？煞譃槭鹿曙L(fēng)險評價(jià)、健康風(fēng)險評價(jià)以及生態(tài)風(fēng)險評價(jià).
事故風(fēng)險評價(jià)方面，美國核管會(huì )于1975年發(fā)布了著(zhù)名的WASH1400報告《核電廠(chǎng)概率風(fēng)險評價(jià)實(shí)施指南》，系統的建立了事故風(fēng)險評價(jià)的方法.事故風(fēng)險評價(jià)以意外事故為風(fēng)險源，沒(méi)有明確的風(fēng)險受體，更加沒(méi)有風(fēng)險表征.劉桂友等系統地總結了事故風(fēng)險評價(jià)的研究及應用.建設項目的事故風(fēng)險評價(jià)一直是環(huán)境風(fēng)險評價(jià)和環(huán)境評價(jià)的重點(diǎn).
健康風(fēng)險評價(jià)研究在1980年代進(jìn)入高峰期.其中，美國國家科學(xué)院(NAS)于1983年發(fā)布的紅皮書(shū)《聯(lián)邦政府的風(fēng)險評價(jià)：管理程序》首次提出了完整的健康風(fēng)險評價(jià)程序，成為風(fēng)險評價(jià)的指導性文件.書(shū)中建立的健康風(fēng)險評價(jià)四步法標志著(zhù)健康評價(jià)體系的基本形成，將健康風(fēng)險評價(jià)的系統研究推向了高潮.最初，健康風(fēng)險評價(jià)主要風(fēng)險源是化學(xué)污染，風(fēng)險受體是人體健康，通常狹義的健康風(fēng)險評價(jià)僅指以化學(xué)品為風(fēng)險源的健康風(fēng)險評價(jià).化學(xué)污染的健康風(fēng)險評價(jià)發(fā)展以及應用已有文獻進(jìn)行總結.
生態(tài)風(fēng)險評價(jià)則是以美國環(huán)保署(United States Environmental Protection Agency，USEPA)于1990年代發(fā)布的一系列報告為標志.1992年USEPA發(fā)布《生態(tài)風(fēng)險評估框架》;1998年，美國環(huán)保署發(fā)布《生態(tài)風(fēng)險評價(jià)指南》;風(fēng)險評價(jià)的受體從人體擴展到生態(tài)系統的綜合風(fēng)險.此后，人們逐漸認識到人為的將健康風(fēng)險和生態(tài)風(fēng)險分隔開(kāi)進(jìn)行評價(jià)的局限性，開(kāi)始探討并提出健康和生態(tài)綜合風(fēng)險評價(jià)方案.WHO已于2001年制定了健康和生態(tài)風(fēng)險綜合評價(jià)技術(shù)指南，生態(tài)風(fēng)險評價(jià)面臨又一次的革新.文獻中生態(tài)風(fēng)險評價(jià)的研究以及應用情況也有所總結.
以水為媒介有微生物病原體導致的傳染性疾病在人類(lèi)歷史上不斷發(fā)生，食品、空氣和其他環(huán)境媒介中病原微生物引起的污染疾病也時(shí)有爆發(fā).從事故的風(fēng)險評價(jià)到化學(xué)污染的健康風(fēng)險評價(jià)，再到以生態(tài)為尺度進(jìn)行風(fēng)險評價(jià)的過(guò)程中，微生物污染對人體健康的影響也引起世人關(guān)注.在考慮微生物產(chǎn)生的健康影響獨特性基礎上，風(fēng)險評價(jià)的風(fēng)險源從化學(xué)品擴展到微生物病原體，形成了健康風(fēng)險評價(jià)領(lǐng)域一個(gè)新的分支——微生物風(fēng)險評價(jià)(Microbial Risk Assessment，MRA).MRA是利用科學(xué)方法，對因食品、水媒介、氣溶膠中某些微生物因素的暴露對人體健康產(chǎn)生的不良后果進(jìn)行識別、確認、定性和(或)定量，并最終做出風(fēng)險特征描述的過(guò)程.起初，人們用指示微生物和流行病學(xué)調查的方法來(lái)研究微生物污染的危害.以流行病學(xué)為基礎的風(fēng)險評價(jià)是通過(guò)核實(shí)診斷病原體感染病例，通過(guò)調查傳染途徑，分析可能的風(fēng)險源，進(jìn)而評價(jià)已發(fā)生微生物病原體污染對人體健康可能發(fā)生的風(fēng)險.流行病學(xué)研究法為已發(fā)生的疫情控制和預防再次發(fā)生疫情提供了科學(xué)依據，但是它是基于已發(fā)生疫情的研究，通常只能評價(jià)較高的暴露劑量所產(chǎn)生的健康風(fēng)險，對于潛在污染或者較低暴露劑量微生物污染的健康風(fēng)險卻無(wú)法分析評價(jià).隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步，大量病毒、細菌和浮游生物等病原體不斷被識別，數學(xué)統計模型和計算機科學(xué)技術(shù)長(cháng)足進(jìn)步，定量分析病原微生物污染的風(fēng)險成為可能，催生了定量微生物風(fēng)險評估(Quantitative Microbial Risk Assessment，QMRA).
QMRA是以微生物污染為風(fēng)險源，人體健康為風(fēng)險受體，根據危害毒理學(xué)特性或感染性和中毒性作用特征以及其他資料，確定微生物的攝入量及其對人體產(chǎn)生不良作用概率之間關(guān)系的數學(xué)描述.Haas于1983年首次嘗試將化學(xué)劑量反應模型用于描述攝入病原體引發(fā)的感染風(fēng)險，建立了劑量反應數學(xué)模型最早對飲用水微生物的危險度進(jìn)行了定量研究.美國環(huán)保署也于1989年開(kāi)始運用數學(xué)模型定量分析飲用水中的微生物風(fēng)險.Rose等研究了指數模型描述Giardia感染的風(fēng)險.1999年，Haas出版專(zhuān)著(zhù)《定量微生物風(fēng)險評價(jià)》，系統描述QMRA的全過(guò)程.這些數學(xué)模型的建立，奠定了QMRA的基礎.
世界范圍內，QMRA已廣泛應用于水資源，水環(huán)境和食品安全領(lǐng)域的風(fēng)險評價(jià).在國內，因食源性致病菌引起的食品安全風(fēng)險問(wèn)題情況嚴峻，有效促進(jìn)了我國食品微生物定量風(fēng)險評估的發(fā)展.2011年，國家食品安全風(fēng)險評估中心成立，極大加快了國內食品領(lǐng)域QMRA研究與應用步伐.董慶利，李壽崧等;已對國內食品領(lǐng)域致病菌的QMRA研究與應用現狀做了梳理綜述.與之相較，國內水媒傳播病原微生物風(fēng)險評估工作相對滯后.然而水體病原微生物對人類(lèi)健康的威脅雖然巨大，國內水體病原微生物相關(guān)研究表明，無(wú)論是地表水環(huán)境還是飲用水資源，均受到了一定程度的微生物污染.其定量風(fēng)險評價(jià)的工作卻一直沒(méi)有得到應有的重視.鑒于水中病原微生物的風(fēng)險評價(jià)不同于其他物理、化學(xué)應激因子(如表 1所示).而且因傳播介質(zhì)不同，水源與食品源的風(fēng)險評價(jià)存在諸多差異.本文主要關(guān)注水環(huán)境中的病原微生物，對其QMRA的研究與應用進(jìn)展進(jìn)行綜述.
表1 QMRA與其它健康風(fēng)險評價(jià)的差異
3 QMRA主要內容及研究進(jìn)展
風(fēng)險評價(jià)考察的危害物數量龐大，人們根據危害物的不同特征，開(kāi)發(fā)了很多有針對性的評價(jià)技術(shù).其中NAS建立的四步法模型(包括危害識別，暴露計量分析，劑量反應關(guān)系，和風(fēng)險表征四個(gè)步驟)排除了任何會(huì )使風(fēng)險變得復雜的社會(huì )方面因素，應用非常簡(jiǎn)單，而被世界各國或者國際組織廣泛采納——歐盟對于新和現有化合物的立法即基于此，QMRA框架也是以此為基礎開(kāi)發(fā)完善.以下將以NAS的四步法為主線(xiàn)，闡述水環(huán)境中定量微生物風(fēng)險評估技術(shù)的主要內容與研究進(jìn)展.
3.1 危害鑒定
QMRA中，危害鑒定主要是對微生物病原體進(jìn)行識別以及對各種病原體引起不良健康效應的潛力進(jìn)行定性評價(jià)的過(guò)程，內容包括判斷病原微生物的危害類(lèi)型、對人體健康損害機制的研究.危害鑒別工作主要集中在3個(gè)領(lǐng)域的研究:①在醫學(xué)領(lǐng)域，將感染導致的各種疾病分門(mén)別類(lèi);②在流行病學(xué)領(lǐng)域，關(guān)注疾病在人群中傳播方式與傳播路徑;③在臨床微生物學(xué)領(lǐng)域，探明病原微生物的基本特征、遺傳特性及進(jìn)化過(guò)程、宿主與微生物間的交互作用、免疫反應等.
當前，已被識別出的水中病原體劑超過(guò)140種.但因微生物種類(lèi)多，繁殖變異快，仍有很多病原體尚未被識別.Haas等統計了美國1971—2008年間爆發(fā)的747 起水媒介傳播性疾病(致病總人次高達576853)，有45%的案例尚不明確致病源.在已被識別出的致病微生物中，大部分病原微生物為腸源性，它們由糞便進(jìn)入水體環(huán)境，經(jīng)口由消化道感染人體，最終引起腸道疾病的發(fā)生.也有部分非腸源性的病原體，如軍團桿菌、分枝桿菌等，可通過(guò)呼吸道、消化道或皮膚損傷侵入易感機體.由于檢測技術(shù)以及成本等諸多因素的影響，識別出水環(huán)境中所有病原微生物是不可能的.因此，與化學(xué)風(fēng)險評估中擬定優(yōu)先控制污染物的原則相似，QMRA也需要針對評價(jià)水體的特點(diǎn)，篩選優(yōu)先目標微生物.從這種意義來(lái)說(shuō)，危害鑒定環(huán)節另一步需要做的工作就是利用污染源病原微生物監測數據(致病菌的濃度水平)、流行病調查數據(致病菌的毒性強弱)、風(fēng)險受體調查數據(如老人、小孩、孕婦、免疫缺陷病患者等免疫力較差)，初步判斷不同病原微生物的風(fēng)險大小，從眾多病原微生物中甄別篩選目標微生物.美國環(huán)保署通過(guò)豐富的文獻資料對病原微生物導致疾病的病理學(xué)和病原學(xué)進(jìn)行調查，并總結整理出水媒介中常見(jiàn)的病原微生物及其特征，內容豐富詳實(shí).病原微生物在水中存活時(shí)間直接影響它引發(fā)疾病的風(fēng)險，存活時(shí)間越長(cháng)，其引發(fā)疾病的風(fēng)險越大.不同的病原微生物具有不同的致病劑量，其相對感染劑量的高低也影響著(zhù)對水體病原微生物致病風(fēng)險的判斷.陳亞楠、曹蓉、趙仲麟等通過(guò)總結文獻資料，整理出水媒介中常見(jiàn)病原微生物的相對感染計量及其在水中存活的時(shí)間.這些研究工作為危害鑒定工作提供了有力參考.
從臨床微生物學(xué)的角度看來(lái)，病原微生物體對人體健康可能產(chǎn)生的影響包括：無(wú)反應癥狀、感染、疾病、直至死亡.不同微生物具有不同的致病效力，而不同人群對于同種致病微生物的敏感性亦不相同，在定量微生物風(fēng)險評價(jià)中，老人、小孩、孕婦、免疫缺陷病患者等免疫水平相對較低的群體應給予更多的關(guān)注.因此，危害鑒定應根據病原微生物與暴露人群的特征，對可能導致健康風(fēng)險做定性判斷.
危害鑒定這一步驟不是當前QMRA的研究熱點(diǎn).對于病原體的風(fēng)險定性判斷，多基于現有流行病學(xué)、臨床醫學(xué)研究成果.對目標病原體的甄別，主要聚焦于容易爆發(fā)流行、影響范圍廣、已有很多研究基礎的代表物種.通過(guò)對已發(fā)表文獻的調研分析，賈第鞭毛蟲(chóng)、隱孢子蟲(chóng)、E.coli O157:H7、沙門(mén)氏菌和彎曲桿菌引起的疾病具有爆發(fā)次數多、爆發(fā)比例高、治療效果差等特點(diǎn)，在研究中被評價(jià)研究的頻次最高.
3.2 暴露評價(jià)
暴露評價(jià)是研究人體與風(fēng)險媒介接觸的行為方式和特征，從而確定暴露人群對介質(zhì)(水、食品等)的攝入量，再根據病原體在環(huán)境介質(zhì)中濃度和分布確定暴露人群的暴露劑量.暴露評價(jià)包括暴露途徑、暴露情景和暴露量估算.暴露途徑是指病原微生物進(jìn)入人體的途徑，皮膚暴露可能是某些化學(xué)風(fēng)險的重要考慮因素，但對于微生物風(fēng)險評估來(lái)說(shuō)，最主要的暴露途徑是口腔攝入和鼻腔吸入.暴露量估算是指進(jìn)入人體并且參與新陳代謝反應或生命活動(dòng)的物質(zhì)的量.暴露評估需要結合具體事件和人群暴露的具體情況，調查研究暴露人群的特征、暴露環(huán)境介質(zhì)中的有害因子的強度、暴露時(shí)間和頻率，估算或預測有害物質(zhì)的暴露過(guò)程和暴露量，是QMRA這種最復雜及不確定因素最多的環(huán)節，也是目前數據缺失最多的環(huán)節.它具體包括：檢測環(huán)境介質(zhì)中存在的微生物數目、測算其在特點(diǎn)暴露情景下傳播到人體的數量.人群暴露評價(jià)是QMRA中不確定因素比較集中的一個(gè)領(lǐng)域，因此是健康風(fēng)險評價(jià)的關(guān)鍵步驟.期望暴露劑量
可由公式 
表示.
以水環(huán)境中病原體的暴露劑量為例，μ表示所研究水環(huán)境中病原微生物濃度，m表示暴露人群一次暴露所消耗的水量.根據此公式所顯示的關(guān)系，要研究病原體的暴露劑量，在構建完整的暴露途徑之外，有兩個(gè)關(guān)鍵因素：①病原體在水環(huán)境中的濃度，確定μ;②特定人群或個(gè)體與風(fēng)險水環(huán)境接觸的行為方式和特征，確定m.以下就這2方面的研究進(jìn)程展開(kāi)討論.
3.2.1 水中病原體濃度
從檢測對象來(lái)看，水體中傳染性病原微生物濃度的判斷方法主要有3種.
(1)水中病原微生物種類(lèi)多、數量少、分離量化困難，而指示微生物通常在水環(huán)境中含量高于病原微生物，且檢測方法成熟.因此可通過(guò)檢測糞便指示微生物(Fecal Indicator Bacteria，FIB)的濃度，結合指示微生物與病原微生物的濃度比例關(guān)系，得出水環(huán)境中病原微生物的濃度.國內學(xué)者仇付國即根據污水中糞大腸菌的檢測結果及其濃度分布函數，借鑒病毒與糞大腸菌1 ∶ 105的研究成果，做了污水回用的微生物風(fēng)險評估.這種方法雖然安全性高、且檢測方法成熟便捷，但是越來(lái)越多的證據表明，指示微生物與病原微生物相關(guān)性不強，不同微生物在環(huán)境中耐受力不同，當前幾乎沒(méi)有任何一種指示微生物能真實(shí)反映出特定病病原微生物濃度或其變化水平.因此，出于對評價(jià)結果準確性的考量，這種方法正逐漸被后兩種方法所替代.
(2)在待測水體中病原微生物濃度太低(如1個(gè)/1000 L，并不意味沒(méi)有健康風(fēng)險)，檢測手段靈敏度難以達到或準確度大大下降的情況下，可采集待測水體上游的高濃度水體的病原微生物數據，然后通過(guò)預測可能引起病原體濃度改變的傳輸過(guò)程(transformation process)和傳輸比率(transformation ratio)，建立傳輸過(guò)程模型(transformation process model)，根據病原體濃度的時(shí)空變化情況推算出評價(jià)水體中的病原微生物濃度.考慮到病原微生物在水環(huán)境中的濃度普遍較低，且在低濃度下現有檢測手段的敏感度與準確度有限，所以這種方法在現有QMRA研究中應用廣泛，尤其是針對飲用水、地下水等較清潔水體的定量微生物風(fēng)險的評價(jià).如An Wei、Xiao Shumin、Cummins等即是通過(guò)檢測飲用水水源地中病原微生物濃度，再根據不同給水廠(chǎng)處理工藝環(huán)節對病原微生物的滅活率與設備運行穩定性等參數，構建模型推算出飲用水(tap water)中病原微生物的濃度.
(3)直接檢測水環(huán)境中病原微生物濃度.相較于前兩種方法，直接檢測水環(huán)境中病原微生物濃度的方法要求更高的實(shí)驗防護措施和有效的對水樣中病原微生物濃縮富集手段，實(shí)驗強度大.但其優(yōu)勢在于有效減小了間接測算方法中的不確定性，在地表水體微生物風(fēng)險評價(jià)中多有應用.
從檢測手段來(lái)看，水中病原微生物濃度的檢測主要應用傳統方法、免疫學(xué)方法和分子生物學(xué)方法.傳統方法可直接鑒別出具有生物活性的微生物，計數精確，但比較費時(shí)費力，特別是檢測多種微生物時(shí)更是如此.近年來(lái)免疫分析法和分子生物學(xué)微生物檢測技術(shù)發(fā)展微生物檢測深入到分子水平、基因水平，在水環(huán)境微生物檢測中得到廣泛應用.其中，免疫分析法具有快速可批量檢測的優(yōu)點(diǎn)，多適用于病毒濃度較高時(shí)檢測，而環(huán)境水體中病原體濃度低，此法的應用受到一定限制.PCR技術(shù)因具有特異性好、靈敏度高，不受環(huán)境水體其他病原體干擾的優(yōu)勢，已廣泛應用于國內外地表水體、娛樂(lè )與生活用水、飲用水、城市污水中病原微生物的檢測.目前PCR方法也存在不能將水環(huán)境中易感性與非易感性的病原體區分、容易得到假陽(yáng)性結果的缺陷.為克服上述缺陷，已出現將分子生物學(xué)方法與免疫學(xué)檢測方法結合開(kāi)發(fā)出新的水環(huán)境病原微生物檢測方法(張小萍等，2011;高姍姍等，2013)，如IMSQPCR 、FTAPCR、PCRELISA等方法.
此外，為使QMRA結果更可靠，在獲得了水體中病原微生物濃度后，還要對原始檢測數據進(jìn)行處理.原始數據的處理包括兩部分，一部分是用回收率修正樣品檢測結果的準確性;另一部分是用概率分布解決采樣隨機性及水質(zhì)變化的問(wèn)題.
3.2.2 暴露參數
暴露參數是用來(lái)描述人體經(jīng)呼吸道、消化道和皮膚暴露于環(huán)境污染的行為和特征的參數.作為科學(xué)評價(jià)環(huán)境健康風(fēng)險的基礎數據，暴露參數選用的準確性是決定最終評價(jià)結果準確性和科學(xué)性的關(guān)鍵因素之一.居住條件、活動(dòng)模式、人體特征參數、社會(huì )人口學(xué)參數等，是環(huán)境暴露和風(fēng)險評價(jià)的主要工具之一.因此，美國、歐盟等地在進(jìn)行化學(xué)風(fēng)險評價(jià)研究的同時(shí)，就將暴露參數的研究也作為主要工作來(lái)展開(kāi).
美國是世界上最早開(kāi)展暴露參數研究的國家.USEPA在大量研究工作及一些全國性大規模調查所獲數據的基礎上，于1989年出版了第1版暴露參數手冊，并于1997年、2011年進(jìn)行兩次修訂完善，形成最新的《暴露參數手冊》.考慮到兒童群體的特殊性，USEPA給予更高的重視，專(zhuān)門(mén)編寫(xiě)文件指導科研工作者合理評估兒童暴露劑量，并在2008年發(fā)布了《兒童暴露參數手冊》.此外，USEPA還頒布了一系列《暴露參數手冊》的配套手冊.暴露參數的研究成果為美國環(huán)境健康科研和管理工作者提供了很好的參考，在推行基于這些風(fēng)險管理和風(fēng)險決策的制度中發(fā)揮了重要作用.歐盟、日本在參考USEPA暴露參數手冊框架的基礎上，于2007年分別發(fā)布了本國人群暴露參數調查結果.除此之外，韓國、澳大利亞等地均已發(fā)布了本國人群暴露參數調查結果.
我國暴露參數手冊編制工作起步較晚.歷史上，僅開(kāi)展過(guò)一些小規模零散調查，所獲得的暴露參數數據非常有限.在這種情況下，我國科研機構在環(huán)境健康風(fēng)險評價(jià)的過(guò)程中多參考國外的暴露參數.然而，由于人種、生活習慣、地理條件等因素的不同，國外暴露參數并不能較好的代表我國居民的暴露特征.研究表明，不合理的參數可能給健康風(fēng)險評價(jià)結果造成較大的誤差，影響環(huán)境風(fēng)險評價(jià)管理和風(fēng)險決策的科學(xué)性和有效性.2011年至2012年，環(huán)保部委托中國環(huán)科院針對我國18歲及以上人群開(kāi)展了中國人群環(huán)境暴露行為模式研究，并在2013年底發(fā)布了《中國人群暴露參數手冊》和《中國人群環(huán)境暴露行為模式研究報告》，填補了國內暴露參數的空白.該手冊系統反映了我國人群環(huán)境暴露行為的特點(diǎn)，其時(shí)間活動(dòng)模式參數對規范我國QMRA工作中暴露參數選用有重要意義.國際國內的這些暴露參數都存在著(zhù)各種不確定性和不完備性，有待在風(fēng)險評價(jià)領(lǐng)域不斷深入研究.
3.3 劑量反應關(guān)系評價(jià)
劑量反應關(guān)系評價(jià)是QMRA的重要部分，沒(méi)有準確可用的劑量反應關(guān)系是風(fēng)險表征的主要限制性因素之一.人體對病原體的反應可能有感染、致病、死亡等情況.通常，劑量反映模型著(zhù)重考慮的是微生物劑量與感染風(fēng)險(Pinf)之間的關(guān)系.根據流行病學(xué)和人體試驗資料，可用數學(xué)模型來(lái)描述病原體劑量與人體感染風(fēng)險之間的劑量反應關(guān)系.但劑量反應關(guān)系有以下缺點(diǎn)：①大多數病原體的劑量反應資料很難通過(guò)臨床研究和流行病學(xué)調查得到，所以該方法很受限制.②病情越嚴重的案例越容易被收錄到醫療衛生統計數據中，對于感染人數的統計可能明顯低估.③基于人類(lèi)實(shí)驗外推得到劑量反應關(guān)系的過(guò)程，未曾考慮志愿者先前是否暴露于此病原體.④由低濃度向高濃度，由動(dòng)物數據向人類(lèi)模型的外推過(guò)程，種屬差異顯著(zhù)，存在很大的不確定性.因此這種方法也有一定的局限性，得到的模型還有很大修正提升的空間.
常規實(shí)驗室無(wú)法富集測定病原體和病毒，只能測指示菌，因此早期的流行病學(xué)研究中經(jīng)常采用指示菌為依據來(lái)評價(jià)劑量反應.以指示菌為基礎的劑量反應關(guān)系也不斷的受到挑戰.當病原體的直接檢測成為可能的時(shí)候，劑量反應關(guān)系主要有兩種方法：以生物反應機理為基礎的劑量反應模型和經(jīng)驗模.以病原體生物反應機理為基礎的研究是建立在假設病原體可能感染人類(lèi)的作用機理之上的.最常用的以生物反應機理為基礎兩種劑量反映關(guān)系模型是指數模型和β泊松分布模型.這兩種模型中，都假設了兩個(gè)前提條件:①暴露劑量被人體攝入的概率符合poisson分布; ②認可 singlehit的概念，即認為一個(gè)病原體就能引起宿主的感染.兩個(gè)模型的差別主要在于：指數模型認為病原體的感染劑量是確定的，人群中每個(gè)個(gè)體具有相同的感染概率;而β泊松分布模型考慮了病原體對不同宿主感染能力的差異性，并假設病原體的感染幾率r的取值符合beta分布.一般來(lái)說(shuō)，β泊松分布模型要比指數模型平緩一些.指數模型簡(jiǎn)單方便，但得到的結果較為粗放，原生動(dòng)物和病毒多選用指數模型.表 2梳理了文獻中報道的常見(jiàn)病原微生物最適劑量反應參數值.
表2 不同微生物的最佳擬合劑量反應模型與參數
由表 2不難發(fā)現，同一病原體可能對應不同的劑量反應模型和多個(gè)參數值.這是因為同一劑量的響應結果，除取決于微生物的毒力、感染性等因素外，還和宿主免疫性能、環(huán)境等因素息息相關(guān).而且，不同的推導劑量反應關(guān)系模型參數的臨床試驗之間也存在差異(主要是病原株、實(shí)驗志愿者的差異)，這些實(shí)驗結果本身就存在很大的不確定性.所以，對于劑量反應模型和參數的選擇，應清楚模型和參數值的來(lái)龍去脈，結合當地病原株的致病力和感染范圍擇選合適的參數值進(jìn)行定量計算.經(jīng)驗模型是不用假設病原體的生物反應機理，而是以化學(xué)品風(fēng)險評價(jià)中常用的經(jīng)驗模型描述病原體的劑量反應關(guān)系.在風(fēng)險評價(jià)中比較受關(guān)注的有loglogistic、 logprobit和Weibull模型.
3.4 風(fēng)險表征
風(fēng)險表征是危害鑒定、暴露評價(jià)和劑量反應關(guān)系3個(gè)步驟的綜合，同時(shí)也是連接微生物健康風(fēng)險評價(jià)和微生物風(fēng)險管理的橋梁.風(fēng)險表征利用上一步驟的劑量反應模型，結合暴露研究，確定有害結果發(fā)生的概率，可接受的風(fēng)險水平及評價(jià)結果的不確定性等，并進(jìn)行表述，為風(fēng)險管理者提供詳細而準確的評價(jià)結果.因為病原微生物進(jìn)入新的宿主后，宿主可能成為新的傳染源，所以病原微生物除了“環(huán)境人”的傳播途徑外，還可以通過(guò)“人人”或“人環(huán)境人”等二級傳播方式感染.基于此，又可將定量微生物風(fēng)險評估分為動(dòng)態(tài)QMRA和靜態(tài)QMRA.動(dòng)態(tài)QMRA考慮了人群的動(dòng)態(tài)水平，模型參數涉及所有的傳播路徑.靜態(tài)QMRA聚焦于“環(huán)境人”的單一暴露途徑，并認為多重暴露或循環(huán)暴露的情況是相互獨立的事件，這種評估方式隱含的前提是二級傳播途徑可忽略不計.動(dòng)態(tài)QMRA雖然結果更精確，卻過(guò)于復雜，評價(jià)成本高、難度大，目前多以靜態(tài)QMRA為主.考慮到評價(jià)終點(diǎn)與不確定性分析的方法的不同，風(fēng)險表征有多種形式.
3.4.1 評價(jià)終點(diǎn)
風(fēng)險評價(jià)最常用的形式是Pann，表示個(gè)體在1年的時(shí)間內的感染風(fēng)險.假設每次暴露條件下，宿主抵抗感染的能力都不變化，那么以Pann表征年感染風(fēng)險的計算可表示為:
其中，n為1年內的暴露次數，Pinf表示1次暴露感染病原微生物的概率.這種以感染風(fēng)險為評價(jià)終點(diǎn)的方式受到了學(xué)者們的廣泛質(zhì)疑，因為不是所有的感染都會(huì )致病，Pann描述的感染風(fēng)險Pinf，并不能很好的反映出真實(shí)的致病風(fēng)險Pill.根據感染人群中的致病比例，可得出Pill，然而，致病風(fēng)險卻不能區分疾病嚴重程度的差異對身體健康的影響.所以說(shuō)，不同病原體對不同免疫狀況人群的感染可能導致不同的疾病，疾病不同對人體的健康影響也就不同，這些信息在Pann中都難以獲取.
為了在評價(jià)結果中反映出感染所導致健康問(wèn)題的嚴重程度，越來(lái)越多的QMRA研究開(kāi)始采用世界衛生組織(WHO)推薦的疾病負擔計算方法——傷殘調整生命年DALY(Disability Adjusted of Life Years，DALY)作為評價(jià)的終點(diǎn).DALY 是以時(shí)間為尺度，由疾病死亡和疾病傷殘而損失的健康生命年的綜合測量，以pppy(per person per year，pppy)為單位.它巧妙地把感染概率及感染后可能引發(fā)的不同癥狀考慮在內，而且將感染風(fēng)險以疾病負擔的途徑表示出來(lái).計算某給定人群的DALY，即是將該人群的損失生命年和傷殘生命年進(jìn)行綜合計算，再以生命年的年齡相對值(年齡權數)和時(shí)間相對值(discounting rate 貼現率)作加權調整.DALY是生命數量和質(zhì)量以時(shí)間為單位的綜合度量.其表達式為：
式中，Pann為annual infection probability年感染風(fēng)險;P(ill|in)為已感染的個(gè)體得病的風(fēng)險;D′i為第i次生病持續的時(shí)間(以年為時(shí)間單位);Si為疾病嚴重程度的權重系數(數字越大表示疾病危害越大，0代表身體健康，1代表疾病嚴重導致死亡)
與Pann相比，DALY不僅能識別急性病的風(fēng)險(如腹瀉)，也能識別出更嚴重的疾病風(fēng)險(如彎曲桿菌引起的吉蘭巴雷綜合征)，且便于與其他風(fēng)險評估類(lèi)型的結果橫向對比，其評價(jià)結果表征的優(yōu)勢相當突出.然而，DALY的概念較新，近幾十年來(lái)，雖然各國學(xué)者對傷殘狀態(tài)下生存的非健康生命年的測量進(jìn)行了不少研究，但缺少更多流行病學(xué)的數據支撐依然是限制它應用的主要因素之一.
風(fēng)險表征的最終目的是判斷風(fēng)險的大小，進(jìn)而根據風(fēng)險評價(jià)結果決定行動(dòng).究竟該以什么樣的風(fēng)險閾值作為可接受的健康風(fēng)險水平，結論不宜.國際國內的多數研究將美國環(huán)保署在化學(xué)風(fēng)險評估中推薦的癌癥閾值10-4用做QMRA中Pann的閾值.而USEPA設立的化學(xué)致癌風(fēng)險10-4可近似等于10-5DALYs pppy，因此，可將10-5DALYs pppy用作風(fēng)險閾值.世界衛生組織推薦了更嚴苛的水媒傳播病原微生物風(fēng)險閾值10-6 DALYspppy，該閾值已被澳大利亞水質(zhì)管理相關(guān)部門(mén)采納.總之，無(wú)論是用Pann的形式還是用DALY的形式表征風(fēng)險，目前尚且沒(méi)有一個(gè)統一執行的風(fēng)險閾值標準.
3.4.2 不確定性分析
QMRA所用的基本風(fēng)險表征方法有兩種：①決定性評價(jià)，風(fēng)險是一個(gè)固定的數值.②隨機分析，它是對暴露劑量和風(fēng)險分布進(jìn)行計算，利用不確定系統分析的方法計算出健康風(fēng)險，從而得到風(fēng)險的分布范圍、均值、極值等.
QMRA發(fā)展前期，第一種決定性評價(jià)被廣泛采用.主要原因是這種點(diǎn)評價(jià)結果一目了然，簡(jiǎn)單直接，方便風(fēng)險管理者溝通利用.可是，也正因為點(diǎn)評價(jià)提供的信息量太少，反而容易傳達錯誤的信息，讓人誤以為風(fēng)險是確定的;或者，造成不科學(xué)的風(fēng)險結果推算：誤以為當輸入端采用最大的隨機數時(shí)，計算出來(lái)的結果會(huì )靠近風(fēng)險最大值.
決定性評價(jià)多從風(fēng)險控制的角度出發(fā)，用保守的處理方法不確定性問(wèn)題，這雖然具有一定的合理性，然而從修復和管理成本的角度來(lái)看顯然是不合理的.第二種隨機分析的方法涉及到對QMRA的不確定性進(jìn)行研究，盡可能的描述評價(jià)結果的總的不確定性.總的不確定性既包括對評價(jià)參數、模型和特定細節認知的缺乏而造成的不確定性，也包括微生物的時(shí)空變化、個(gè)體差異所帶來(lái)的多變性.不確定性和多變性都可以用概率密度分布函數表達.值得注意的是，不確定性來(lái)自對客觀(guān)世界認知的知識不全面，不完備，評價(jià)過(guò)程中的誤差，可以通過(guò)研究的深入與方法的優(yōu)化減少，而多變性引起的誤差來(lái)自客觀(guān)世界內在的隨機性，只有通過(guò)改變研究的系統才有可能減小.
整個(gè)評價(jià)過(guò)程的每一步都存在著(zhù)一定的不確定性，主要集中在暴露評價(jià)和劑量反應模型兩個(gè)環(huán)節.風(fēng)險評價(jià)中的不確定性主要分為三類(lèi)：參數不確定性、模型不確定性、評價(jià)方案不確定性.參數的不確定性主要來(lái)源于對各種指標的測量和表征.參數不確定性包括測量誤差、取樣誤差和系統性誤差.常用的定量分析參數不確定性的方法有：likelihood ratio，bootstrap，Bayesia，以及區間法.不確定性系統分析的方法直接關(guān)系到QMRA的最終結果，是QMRA研究工作的熱點(diǎn)和難點(diǎn).美國國家研究委員會(huì )曾指出，不確定性分析是一切風(fēng)險評估最關(guān)鍵的步驟，目前多采用隨機分析的方法解決不確定性問(wèn)題，對QMRA的風(fēng)險進(jìn)行動(dòng)態(tài)表征.其中蒙特卡洛模擬運用概率密度方法傳播參數的不確定性，比較方便地處理了復雜模型中的不確定性問(wèn)題，在風(fēng)險表征中應用越來(lái)越普遍.因為蒙特卡洛模型在隨機數的產(chǎn)生和聯(lián)合分布的確定方面過(guò)多的依賴(lài)于假定好的分布，所以風(fēng)險的分布建立在病原體分布已知的前提下，這就需要更多的數據對其分布的形式進(jìn)行檢驗.只有先形成系列可靠的隨機數，才能成功實(shí)行蒙特卡羅模擬計算.很多關(guān)于蒙特卡羅模型的研究即是著(zhù)眼于產(chǎn)生隨機系數方法的優(yōu)化.如張建龍等(2010)利用Logistic 混沌系統迭代產(chǎn)生隨機數，耦合于蒙特卡羅模型，評價(jià)了西安市某污水處理廠(chǎng)的再生水出水的健康風(fēng)險;而應用廣泛的馬爾科夫鏈蒙特卡洛方法(MCMC)，即是將Markov 過(guò)程引入到蒙特卡洛模擬中，實(shí)現了抽樣分布隨模擬的進(jìn)行而改變的動(dòng)態(tài)模擬.基于參數不確定性和模型不確定性，得出的評價(jià)方案也具有不確定性.情景分析是一種常用的描述評價(jià)方案不確定性的方法.
4 QMRA研究與應用分析
1998—2014年間SCI數據庫收錄的以水媒介定量微生物風(fēng)險評估為主題的相關(guān)研究129篇，年度發(fā)文量整體呈現上升趨勢.澳大利亞、美國與荷蘭發(fā)文量名列前三，均占總發(fā)文量的15%以上.中國僅中科院生態(tài)環(huán)境研究中心、北京林業(yè)大學(xué)、中國人民解放軍第三軍醫大學(xué)、河南理工大學(xué)等少數幾家科研機構有研究成果刊出(.當前該類(lèi)研究領(lǐng)域主要關(guān)注于水環(huán)境或水處理技術(shù)與人體健康的關(guān)系.例如地表水病原體風(fēng)險預測，飲用水水質(zhì)風(fēng)險，海灘病原體風(fēng)險管理，地下水風(fēng)險管理，中水回用風(fēng)險(Hamilton et al. 2005)，污水灌溉，如表 3所示.密歇根州立大學(xué)建立一個(gè)開(kāi)放的QMRA的維基百科(QMRA Wiki).QMRA Wiki提供了大量實(shí)用的QMRA的數據資料，數學(xué)模型、案例研究以及風(fēng)險評價(jià)工具，為QMRA的研究與應用提供了有力的指導.
表3 國際QMRA典型案例分析
注：1.BMPbest management practise，臨河區域設置柵欄禁牧措施對河流病原微生物風(fēng)險的有效性評估;2.MARmanaged aquifer recharge，含水層補給管理;3.考察在私人綠地澆灌的情景下的三種暴露途徑，常規暴露指因接觸植物、草坪等直接攝入的，水霧攝入指澆水時(shí)吸入的氣溶膠;4.其他劑量反應模型與相關(guān)參數參見(jiàn);5. 日常飲水2.72 L中生水占比5.65%，偶然攝入包括：刷牙、果蔬餐具等殘留水的攝入;6.對免疫缺陷人群采用指數模型，免疫功能健全人群采用β泊松分布模型;7.雨天居民區排水、工業(yè)排水、農業(yè)徑流、合流制溢流污水、林地徑流;8：兩蟲(chóng)指微小隱孢子蟲(chóng)和藍氏賈第鞭毛蟲(chóng);9.指數模型：腺病毒(r=0.4172)、隱孢子蟲(chóng)(r=0.05)、賈第鞭毛蟲(chóng)病(r=0.02);泊松分布模型：腸道病毒(α，β=0.401，227.2)、諾瓦克病毒(α，β=0.04，0.055)、輪狀病毒(α，β=0.2531，0.4265)、沙門(mén)氏菌(α，β=0.33，139.9).
中文核心期刊發(fā)表論文的統計結果表明，健康風(fēng)險評價(jià)在環(huán)境風(fēng)險評價(jià)領(lǐng)域的占比呈現逐年上升趨勢.當前，國內QMRA的研究對象多側重于再生水利用，對飲用水微生物風(fēng)險也有涉及，但對江河湖泊等地表水體及地下水的微生物健康風(fēng)險研究開(kāi)展較少，而嚴格基于QMRA框架的研究更少.表 4列出了國內水媒傳播病原微生物定量風(fēng)險評價(jià)的典型案例.
表4 國內QMRA典型案例研究
國內QMRA相關(guān)研究相對滯后，體現在評價(jià)領(lǐng)域單一、評價(jià)微生物種類(lèi)不足、水體病原微生物檢測手段落后、不確定性分析缺失等方面.國內水媒介QMRA研究集中于中水回用與再生水微生物限制標準制定領(lǐng)域，卻鮮有學(xué)者對河流、湖泊等地表水體的微生物風(fēng)險現狀進(jìn)行評價(jià).微生物指標方面，國內研究多關(guān)注兩蟲(chóng)、指示微生物與少數的致病菌與病毒，指標范圍有待擴大.在檢測層面，國際上大多研究已經(jīng)基于病原微生物的濃度或劑量數據開(kāi)展;多數國內學(xué)者的研究仍是基于總大腸菌(Total coliform，TC)、糞大腸菌(Fecal coliform，FC)等指示微生物開(kāi)展.此外，國內相關(guān)研究雖然也承認評估過(guò)程中存在各種不確定性，但依然用最敏感原則選取參數，以確定性評價(jià)呈現結果，這樣的評價(jià)結果往往偏高.
QMRA方法不僅可以評價(jià)干預措施在降低人群發(fā)病風(fēng)險中的意義，也能根據可接受的風(fēng)險為水平結果導向指導標準限值的擬定.如果再考慮經(jīng)濟因素，還可以進(jìn)行成本效益分析.因此，資源、環(huán)境和食品管理部門(mén)也開(kāi)始應用QMRA來(lái)為水資源水環(huán)境和食品安全管理提供科學(xué)依據.美國環(huán)保署首次應用QMRA為制定地表水處理規程提供鞭毛蟲(chóng)和病毒導致的健康風(fēng)險的科學(xué)依據.荷蘭以隱孢子蟲(chóng)、賈第鞭毛蟲(chóng)、彎曲桿菌、腸道病毒為風(fēng)險源測算其對飲用水的健康風(fēng)險，澳大利亞以輪狀病毒、腺病毒替換腸道病毒作為其再生水風(fēng)險管理的目標病原微生物.美國農業(yè)部、世界衛生組織等也都開(kāi)始應用QMRA為資源環(huán)境保護和食品安全提供決策的科學(xué)依據.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
5 結論
QMRA發(fā)展過(guò)程尤其是在我國的應用中主要面臨以下挑戰：1)風(fēng)險評價(jià)的不確定性.QMRA的每一步都包含大量的不確定性.各種數據和模型也包含不確定性.2)基礎數據不足，尤其是暴露參數數據.3)應用研究偏少.資源環(huán)境衛生部門(mén)如何應用QMRA來(lái)進(jìn)行風(fēng)險管理是非常關(guān)鍵的一步.而由于QMRA存在大量不確定性和基礎數據缺乏，QMRA在我國環(huán)境風(fēng)險評價(jià)和管理中的應用研究偏少.針對我國QMRA研究以及應用，應該加強以下三個(gè)領(lǐng)域的研究：①不確定性分析.定量分析QMRA的過(guò)程中暴露劑量和劑量反應模型中的不確定性以及可接受風(fēng)險的不確定性是能為決策者提供進(jìn)行風(fēng)險管理所需要的更全面的信息.②基礎數據的積累.病原微生物的種類(lèi)非常龐大，這些微生物的生理毒性以及人群的暴露參數等基礎數據是QMRA的基礎工作.尤其是人群的暴露參數受社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展以及文化習俗等各種因素的影響，無(wú)法簡(jiǎn)單的參考其他國家的暴露參數.③開(kāi)展QMRA的應用研究.QMRA歸根到底是應用科學(xué)，只有應用QMRA來(lái)為我國的環(huán)境風(fēng)險管理提供科學(xué)依據，QMRA才能有其不斷發(fā)展的生命力.
