环境污染物内暴露检测技术

**章绪论 　　在生活中，人们时时刻刻都与周围的环境发生着交互作用，生存环境的优劣直接影响人类的健康。据世界银行和世界卫生组织（World Health Organization，WHO）的相关统计，全世界70%的疾病和40%的死亡与环境污染相关。造成环境污染的源头多为有害化学品的滥用。据初步统计，2013年以前，全球登记的化学品有7000万种，到2019年，全球登记的化学品已达1.5亿种。这些化学品被迅速应用到工业生产和人们的日常生活中，在生产、储运和使用过程中，如果不严格把控，随时都可能被排放到环境中，再经呼吸、饮食、饮水和皮肤吸收等方式进入人体，在人体内进行代谢。*初，人们是通过测定环境中污染物的含量来评估人体受到环境污染物影响的程度，但随着研究的不断深入，人们发现即便在相同的环境下，不同的个体由于不同的暴露时间、防护措施、个体吸收效率等，污染物的人体实际暴露量也会不同，单纯检测环境中污染物的含量不能准确反映人体的暴露量。因此，有学者提出通过测定人体生物材料[血液、尿液、头发、指（趾）甲、母乳等]中污染物原形或其代谢物含量来评估人体受到环境污染物影响的程度，从而更精准地评价污染物对人体健康的影响。本章围绕环境污染物内暴露检测，重点阐述其相关的基本概念、检测目的和意义、主要内容、国内外现状、局限性、新技术应用等内容，并对未来发展进行展望。 　　1.1　基本概念 　　环境污染物内暴露检测是评估污染物对人群健康影响的重要手段，集合了环境科学、化学、生物学、毒理学、医学等多学科的基础知识。其中，检测是重点，需要从业人员具有化学，尤其是分析化学、仪器分析相关工作经验；同时了解污染物的环境分布和行为，便于解释内暴露检测结果与环境暴露的关系；需要具备坚实的生物学理论知识，便于评价内暴露检测结果与内暴露所致的生物学效应；更需要具备一定的毒理学和医学知识，以揭示外源性环境污染物与机体相互作用的过程、机制，进而评估环境污染物带来的健康影响甚至是健康危害。作为多学科交叉技术，环境污染物内暴露检测涉及的基本概念非常多，下面仅对部分关键概念进行简要介绍。 　　1.1.1　环境暴露与暴露测量 　　环境暴露是指环境污染物经呼吸、饮食、饮水和皮肤接触等方式吸收进入人体的过程。评估环境暴露的方法即暴露测量。暴露测量通常分为外暴露检测和内暴露检测。以除草剂2，4-二氯苯氧乙酸（以下简称2，4-滴）为例（U.S. Department of Health and Human Services，2020），环境暴露主要是通过接触经2，4-滴除草后的草地、农田，以及饮用被污染的水和食用沾染2，4-滴而未清洗干净的食物。2，4-滴大部分通过消化道吸收进入人体，少量通过皮肤缓慢吸收，但吸收量有限。此后，2，4-滴在几小时内进入血液，随血液流动到全身，并分布到大多数器官中。2，4-滴在体内一般不会分解，如果不持续接触，也不会在体内积累，约6h后会以游离酸的形式随尿液排出，少部分以共轭形式排出体外。评估2，4-滴环境暴露的方法有2种，一种是测定土壤或食物中的2，4-滴含量，并根据接触时间和接触途径推算个体可能的暴露量，另一种是通过测定尿液中2，4-滴的含量，直接获取个体近几天接触此类农药的情况。 　　1.1.2　外暴露检测与内暴露检测 　　外暴露检测即测量环境的外暴露剂量，通常是测定人群接触的空气、水、土壤等环境介质中污染物的浓度或含量，结合人体接触污染物的特征（如接触时间、接触途径等），可以评估个体的暴露水平。测量时，需在不同的环境暴露区域，以及不同时间或空间进行抽样测量，并将测量结果的平均值作为代表人群接触环境污染物的平均水平。因为每个人的生活和工作环境都不相同，这种抽样测量方法很难精确地评估环境污染物进入不同个体的暴露剂量。外暴露剂量还受个体对污染物的吸收效率、防护措施等因素的影响，因此通常也不能准确反映个体对污染物的暴露程度。 　　内暴露检测是通过各种检测手段，测定人体生物材料中污染物原形或其代谢物的含量，或污染物与某些靶细胞或靶分子相互作用的产物含量。其中，原形或代谢物的含量反映的是人体内剂量，即环境污染物在体内已经发生和正在延续的接触水平，与某些靶细胞或靶分子相互作用的产物含量反映的是生物效应剂量，即达到有毒理学意义的机体效应部位并与其作用的指标，通常通过测定组织或体液中的特殊加合物（如DNA加合物、血红蛋白加合物、白蛋白加合物）来实现。 　　内暴露检测评估个体对污染物总体暴露水平的准确度远高于外暴露检测，是定量评估环境污染物对人群健康影响的“金标准”。由于不同污染物在生物体内的代谢速率和途径不同，靶部位标志物的生物效应剂量较内剂量更能准确反映体内暴露剂量。但是，由于直接测定效应部位或靶部位剂量的难度非常大，常使用替代生物标志物（surrogate biomarker）水平推测靶部位剂量，但应有充足的资料证明两者的相关关系。 　　1.1.3　内暴露检测与生物监测 　　1980年，欧洲共同体职业安全与卫生委员会、美国职业安全与健康管理局（Occupational Safety and Health Administration，OSHA）及美国职业安全与健康研究所（the National Institute for Occupational Safety and Health，NIOSH）共同组织研讨会，提出了监测、环境监测、生物监测和健康监护的定义，并指出生物监测是指测定接触毒物后接触者生物材料中该化学物的原形或代谢物。该定义仅提出了对生物材料中毒物及其代谢物的测定，并未涉及一些早期、可逆生物学效应的监测，实际反映的是内暴露检测的概念。 　　1992年我国生物监测标准专题讨论会将生物监测的目的和定义明确为：定期（有计划）地检测人体生物材料中化学物质或其代谢产物的含量或由它们所导致的无害生物效应水平，以评价人体接触化学物质的程度及可能的健康影响（沈惠麒等，2006）。《生物监测质量保证规范》（GB/T16126—1995）给出的定义：系统地收集人体生物样品（组织、体液、代谢物），测定其中化学物或其代谢物的含量，或它们所引起的非损伤性的生化效应，以评价人体接触剂量及其对健康的影响。两个定义均强调生物监测的目的是评价人体接触化学物质的程度及可能的健康影响，因此生物监测既关注内暴露剂量水平，也关注可能对健康产生影响的早期生物学效应指标。内暴露检测只关注污染物及代谢物含量水平或其与效应部位相互作用的产物含量，是生物监测的重要一环，也是生物监测的基础，两者不能分割，但也不能混淆。 　　1.1.4　原形与代谢物 　　污染物经呼吸、饮食、饮水和皮肤接触等方式吸收进入人体，随即进入人体的血液和组织，除很少一部分可以原形排出体外，绝大部分都在人体的肝、肾、胃、肠等器官经过某些酶的氧化、还原、水解及后续的结合作用进行代谢或转化，经生物转化后的污染物大部分经肾、消化道和呼吸道排出体外，少部分经汗液、母乳、唾液等各种分泌液排出，也有的通过皮肤的新陈代谢到达毛发而离开机体。 　　内暴露检测过程需要根据不同污染物进入人体后的变化，选择检测的污染物形式。例如，重金属在体内不代谢，直接以原形分布在体内的不同部位或排出体外，因此可以依据其分布特征及排出途径，选择在不同生物材料中测定其原形来评估不同时期的污染物暴露情况；烟草中的尼古丁在体内的半衰期较短，进入体内后会迅速被吸收并在肝脏代谢成可替宁和3-羟基可替宁，之后通过尿液排出体外，因此通常通过测定血液或尿液中的代谢物含量来评估其暴露情况；苯在体内的半衰期较长，进入体内经肝脏代谢后，以t，t-黏糠酸和苯巯基尿酸等形式通过尿液排出，或以原形经呼吸道排出，因此既可以通过测定血液中的原形，也可以通过测定尿液中的代谢物含量来评估其暴露情况（丁昌明等，2013）。 　　1.1.5　生物标志物 　　1987年，美国国家研究理事会（National Research Council，NRC）将生物标志物（biomarker）定义为反映生物系统或样本中所发生事件（event）的指标，并将其作为评估化学品暴露与健康损害之间关系的工具。1993年化学安全国际项目（the International Programme on Chemical Safety，IPCS）发布的“环境卫生基准”将生物标志物进一步定义为反映生物系统与外源化学、物理和生物因素之间相互作用的任何测定指标。根据不同含义，一般将生物标志物分为接触生物标志物、效应生物标志物和易感性生物标志物。 　　（1）接触生物标志物（biomarker of exposure）：用于反映生物材料中环境污染物原形或其代谢物或环境污染物与某些靶细胞或靶分子相互作用的产物含量。接触生物标志物分为反映内剂量和生物效应剂量的两类标志物。内剂量表示吸收到体内的外源性污染物含量，如生物材料中污染物原形或代谢物的含量。例如，血铅可以反映接触铅的内剂量水平；尿液中1-羟基芘等多环芳烃代谢物反映的是接触多环芳烃的内剂量水平。生物效应剂量是指到达机体效应部位（组织、细胞和分子）并与其相互作用的环境污染物或代谢物的含量，如污染物或代谢物与白蛋白、血红蛋白的共价结合物含量，或蛋白与DNA的交联物水平。例如，骨铅、DNA加合物、TNT血红蛋白加合物水平。接触生物标志物如果与暴露剂量或与毒性作用/效应相关，则可用于评估环境污染物暴露水平，并建立相应的生物阈值。 　　（2）效应生物标志物（biomarker of effect）：指由于外源性化合物的暴露，导致机体中可测出的生化、生理、行为或其他改变的指标，可进一步分为反映早期生物效应、结构和（或）功能改变、疾病的三类标志物，其中前两类对疾病预防具有重要意义，而疾病标志物则有助于疾病的早期发现、诊断和治疗措施的选择，并可用于预测疾病的结局和预后。 　　（3）易感性生物标志物（biomarker of susceptibility）：指由于外源性化合物的暴露，机体先天具有或后天获得的对外源性化合物具有反应能力的标志物。例如，环境污染物进入体内，诱发接触者体内代谢酶、免疫及靶分子的DNA发生变化，这种基因的多态性属于先天的遗传易感生物标志物。环境因素作为应激原时，机体的神经、内分泌和免疫系统的反应及适应性也可以反映机体的易感性，属于后天获得的易感生物标志物。 　　1.2　检测目的和意义 　　环境污染物内暴露检测的目的是通过检测人体生物材料中接触生物标志物的种类及含量，掌握环境污染物的暴露剂量，为评估人体接触化学物质的程度及可能的健康影响提供数据支持。内暴露检测不考虑外界因素对人体的影响，直接测定进入人体生物材料中的污染物原形及代谢物或环境污染物与某些靶细胞或靶分子相互作用的产物，能够准确反映环境污染物在人体生物材料中的总暴露情况，在环境污染物暴露评价、生物监测中得到广泛应用。 　　内暴露检测应用于职业健康监护，可以在生物体尚未发生有害健康效应时评估生物体早期接触量，以便采取相应的控制措施，预防有害健康效应与疾病的发生；应用于国家普查领域（如国家人体生物监测），旨在掌握污染物人体暴露的基线数据或变化趋势，分析暴露水平与健康效应之间的关系，评估人群环境污染物暴露的健康风险。此外，内暴露检测也可用于污染控制及临床干预的效果评价，通过检测控制或干预前后污染物暴露水平的变化，评估控制或干预效果。通过内暴露检测，还可以分析污染物的吸收、分布、代谢和排泄途径，确定污染物的接触剂量，了解毒性作用机制，探索剂量-效应关系。 　　目前，内暴露检测更多地应用于对单一污染物的急性健康效应研究，尚未广泛应用于多污染物的健康效应研究，尤其是慢性健康效应研究。一些发达国家正在逐步建立环境暴露与人类健康的数据库，而且非常注重环境污染物对人类的长期慢性危害。