美国NBP项目与我国生物监测分析及思考
杨艳伟, 孙琦, 张卓娜, 陆一夫, 罗嵩     
中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所
摘要: 目的 了解美国NBP项目人群生物监测工作,为我国生物监测工作提供借鉴。方法 依据美国《国家环境化学物质人体暴露报告》及项目实验室程序手册,对美国NBP项目监测指标、样本及实验技术等内容进行调查分析。结果 调查表明,NBP项目采用不同类型的固相萃取技术、串联质谱及高分辨质谱与不同色谱的联用技术对人群生物样本中的296种化学物质或代谢物进行了暴露监测,其中约85%的监测项目达到超痕量水平。结论 生物监测是环境与健康风险评估的重要基础和组成部分,我国生物监测指标、标准、规范、质控等方面还存在一定的差距,生物监测基础研究工作有待进一步加强。
关键词: 生物监测     环境暴露     分析技术     质量控制    
Analysis and Thoughts on Biomonitoring of US National Biomonitoring Program
YANG Yanwei, SUN Qi, ZHANG Zhuona, LU Yifu, LUO Song     
Abstract: Objectives To understand the status and characteristics of biological monitoring and analysis of US NBP project and provide some suggestions for the biological monitoring work in China. Methods Based on US Fourth National Report on Human Exposure to Environmental Chemicals and the program Laboratory Procedure Manual, the monitoring indicators, samples and experimental techniques of NBP project were investigated and analyzed. Results Investigation showed that the NBP project exposed 296 chemicals or metabolites in the population biological samples by using different types of solid phase extraction technology and high resolution mass spectrometry, tandem mass spectrometry and the combination of different chromatographic technology, of which about 85% of the monitoring project to ultra-trace levels. Conclusions Biological monitoring is the important foundation of environmental and health risk assessment and there are still some gaps in part of biological monitoring standard, specification, quality control in our country, the basic research work of biological monitoring remains to be further strengthened.
Key words: biological monitoring     environmental exposure     analytical method     quality control and quality assurance    

生物监测是环境与健康风险评估体系的重要组成部分,主要包括生态环境领域的生物监测和公共卫生领域的人群生物监测。近二三十年来,公共卫生领域的人群生物监测因其在环境化学污染物的人群暴露风险评估中具有重要作用受到广泛而持续的关注。人群生物监测(下称生物监测),是一种评估人体内化学物质暴露水平的方法,世界卫生组织欧洲区办公室将生物监测定义为“对暴露人群体液(包括血液和尿液)中一种物质或其代谢物系统地标准化地测量”[1]。美国疾病预防控制中心将其定义为“通过检测人体样本内(比如血液和尿液)环境有毒物质或其代谢物,直接测量人体暴露于该物质的水平”[2]。生物监测直接检测了人体内化学物质的类别和浓度,反映了从呼吸、饮水、食物、药物及皮肤等多种摄入途径进入人体内的化学物质的总量。大样本生物监测数据具有一定的代表性,与环境监测、疾病等资料关联,对于揭示人体化学污染物总暴露量与生物效应关系、评估环境污染物的健康风险及暴露途径、认识环境与健康(疾病)的之间的关系意义重大而深远[3-4]

目前一些国家和地区已开展了系统的大样本人群生物监测项目,如美国国家生物监测项目(National Biomonitoring Program,NBP)、加拿大健康测量调查(Canadian Health Measures Survey,CHMS)、德国环境调查状况(German Environmental Survey)、欧盟人群生物监测协作示范研究(Consortium to Perform Human Biomonitoring onaEuropean Scale,COPHES)及韩国国家环境健康调查(National Environmental Health Survey)等。在这些项目中美国NBP项目因监测化学物质种类多、周期长、样本量大等特点更具代表性,迄今为止美国疾病预防控制中心在2001年、2003年、2005年、2015年发布了4份《国家环境化学物质人体暴露报告》,2017年还对已发布的报告进行了数据更新。我国人群生物监测起步较晚,虽然开展了一些研究工作,但是尚未形成系统化、标准化、定量化、持续性的生物监测工作体系。本文收集美国国家生物监测项目相关资料,对其监测指标、样本及分析技术在监测工作中的应用等方面进行分析,期望对我国大样本人群生物监测工作予以借鉴和参考。

1 材料与方法 1.1 研究对象

美国《国家环境化学物质人体暴露报告》(2017年1月)[5]及部分美国疾控中心实验室程序手册。

1.2 研究方法

调查并录入NBP生物监测项目的相关信息,包括化学物质或代谢物的名称、样本基体、检测方法、检测设备、检出限及检测结果等,建立人群生物监测数据库。

1.3 统计学分析

统计分析NBP生物监测项目中选择监测的化学物质或代谢物特点及仪器分析技术的应用情况。

2 结果 2.1 生物监测指标——化学物质或代谢物

环境中化学污染物种类繁多,NBP项目自1999年以来累计监测的化学物质或代谢物种类及监测数目列于表 1,共计28类296种化学物质。该项目选择监测的化学物质或代谢物主要基于以下几点考虑:①科学研究数据显示美国居民暴露于该化学物质;②该化学物质已知具有严重的健康效应或在某一暴露水平具有严重的健康效应;③需要评估国家公共卫生行动的效果,以减少对该类化学物质的接触;④分析方法的适用性,如检测方法是否准确、灵敏、快速等;⑤从国家健康和营养调查项目(National Health and Nutrition Examination Surveys,NHANES)中是否可获得足够的血液或尿液样本;⑥生物监测的分析测试成本。除此外,美国疾病预防控制中心也向公众及其他政府机构征求监测化学污染物的建议。

表 1 NBP生物监测项目监测的化学物质或代谢物种类及监测数目
序号 化学物质或代谢物种类 监测数目/种 备注
1 血红蛋白加和物 2
2 烟草 2
3 消毒副产物 4
4 个人护理和消费品中的化学物质及代谢物 11
5 杀菌剂及其代谢物 4
6 除草剂及其代谢物 8
7 磺酰脲类除草剂 17
8 杀虫剂及其代谢物 3
9 氨基甲酸酯农药代谢物 2
10 有机氯农药代谢物 2
11 有机磷杀虫剂:特定代谢产物 8
12 有机磷杀虫剂:二烷基磷酸酯代谢物 6
13 拟除虫菊酯代谢物 4
14 金属及其代谢物 28 含砷的不同价态
15 高氯酸盐和其他阴离子 3
16 全氟烷基和多氟烷基物质:表面活性剂 16
17 邻苯二甲酸酯和邻苯二甲酸酯替代物代谢物 16
18 植物雌激素和代谢物 6
19 多环芳烃代谢物 10
20 挥发性有机物 35
21 挥发性有机物代谢物 27
22 有机氯农药及其代谢物 13 混合样本*
23 多溴联苯醚和PBB 153 12 混合样本
24 多氯代二苯并二恶英 7 混合样本
25 多氯代二苯并呋喃 10 混合样本
26 二恶英类多氯联苯:共面多氯联苯 3 混合样本
27 二恶英类多氯联苯:单邻位取代多氯联苯 8 混合样本
28 多氯联苯:非二恶英类 29 混合样本
合计 296
注:*为原文pooled samples,Each pool was composed of serum from 8 persons

NBP项目监测的化学物质或代谢物并非一成不变,某些化学物质或某一类化学物质若经三个或以上周期的监测均未检出,则后续将不再监测。如磺酰脲类除草剂、邻苯二甲酸单辛酯、有机磷和有机氯农药等物质在多个周期中均未检出或在大部分样品中未检出,在后续工作中这些物质不再进行监测。美国CDC通过对无法或很少检出的化学物质的不连续监测和某些特别关注的化学物质的连续监测,在优化有限资源的基础上扩展监测化学物质的范围。

2.2 生物监测样本

生物监测样本的选择与化学物质或代谢物的性质、体内毒代动力学特点、不同生物材料中的浓度水平及分析方法的灵敏度等因素有关。人群生物监测一般以人群生物样本为分析对象,常见的生物样本材料包括全血、血清、血浆、尿液、乳液、唾液、指甲、头发及呼出气等。其中尿液因易收集、可采集样本量大、采样具有无损性等特点而成为生物监测工作最常用的基质。一般而言血液因样本量有限、采样具有损伤性、储存条件严苛、需考虑慢性病和传染病等因素不如尿液样本使用的广泛,但对一些化学物质而言, 如全氟化合物,在血样中的测定比尿液中的测定更具特异性。

NBP项目监测的生物样本主要包括尿液、全血、血清和血红细胞等4类基质,项目监测的296种物质大部分在尿液和血清中完成分析,其中5种金属物质同时在尿液和全血中进行了分析。另外,部分化学物质如二恶英、呋喃、多氯联苯、有机氯农药和代谢物、溴化阻燃剂等在血清中含量较低,现有方法灵敏度不能满足分析要求,这些项目(共计82项)采用了血清混合样本(原文pooled samples,Each pool was composed of serum from 8 persons)进行分析。具体而言在尿液中进行分析的化学物质153种,在血清中进行分析的化学物质102种,在全血中分析的化学物质44种,2种物质在血红细胞完成分析。

2.3 生物监测分析技术

生物样本基质复杂,样本中的化学物质及其代谢物常常以痕量(10-6~10-9 g)或超痕量(10-9~10-12 g)水平存在,因此生物样本的实验室分析需要适宜有效的前处理技术和高灵敏、高选择性的分析技术和设备。随着科学技术的发展,实验室分析检测技术不断进步,尤其是质谱的发展更加广泛拓展了各种联用技术在生物监测中的应用。表 2表 3分别列出了NBP项目中涉及的前处理技术、分析技术及实验方法达到的检出限水平。从表中数据可见不同类型的固相萃取技术、串联质谱及高分辨质谱与不同色谱、ICP的联用技术在生物监测工作的分析鉴定中发挥了重要作用。应用这些实验技术与方法对生物样本中的化学物质及代谢物的检测可达痕量或超痕量水平,其中约85%的项目检测达到超痕量水平(10-9~10-12 g)。

表 2 NBP生物监测项目中的实验技术
分类 实验技术
前处理技术 直接稀释法液液萃取、液液萃取一衍生微波消解固相萃取、分子印迹聚合物固相萃取、固相微萃取、在线固相萃取
分析技术 气相色谱一质谱:GC-HRMS,GC-MS/MS,GC-MS(监测132项)液相色谱一质谱:HPLC-APCI-MS/MS,HPLC-ESI-MS/MS,HPLC-HESI-MS/MS,HPLC-TIS-MS/MS,UPLC-ESI-MS/MS(监测124项)离子色谱一质谱:IC-MS/MS(监测3项)电感耦合等离子体一质谱:ICP-DRC-MS,HPLC-ICP-DRC-MS(监测33项)
注:极个别项目未见实验室程序手册

表 3 NBP生物监测项目实验方法检出限分布
检出限单位 检出限水平 项目数/个 比率/%
10-13 15 4.98
pg/g,pg/mL 10-12 17 5.65
10-11 66 21.93
10-10 158 52.49
ng/g,ng/mL 10-9 33 10.96
10-8 10 3.32
10-7 1 0.33
μg/g,μg/mL 10-6 1 0.33
注:比率为项目数与检测指标数(301项)比值

2.4 生物监测结果含量分布

化学物质或代谢物在人群生物样本中检出并不一定意味着它将产生不良的健康影响,化学物质或代谢物的浓度水平、持续暴露的时间、化学物质的毒性等因素是可能产生不良健康影响的重要因素。NBP项目对不同生物样本中的301项指标进行了检测,其中88项指标检测结果小于目前使用方法的检出限,未检出项目占29.23%。此外,生物样本中各种化学物质或代谢物检测结果含量分布范围较广,表 4以几何均值为例列出了301项检测指标的含量分布情况,其中52.49%的检测指标因样本检测值低于检出限的比例较大而未计算几何均值;13.95%的检测指标几何均值在超痕量水平(10-9~10-12 g);32.23%的检测指标几何均值在痕量水平(10-6~10-9g)。监测结果在某种程度上反应了美国一般人群化学污染物暴露水平,这些数据对化学暴露评估及健康防护政策的制定起到重要帮助,也是生物监测研究的重要基线和起点。

表 4 NBP生物监测项目检测结果(几何均值)分布
几何均值含量水平 范围 项目数/个 比率%
10-12 (1~9)×0-12 3 1.00
10-11 (1~9)×10-11 9 2.99
10-10 (1~9)×10-10 30 9.97
10-9 (1~9)×10-9 59 19.60
10-8 (1~9)×10-8 25 8.31
10-7 (1~9)×10-7 13 4.32
10-6 (1~9)×10-6 3 1.00
10-5 (1~9)×10-5 1 0.33
* 158 52.49
注:“*”为因样本检测值低于检出限的比例较大而未计算几何均值;比率为项目数与检测指标数(301项)比值

3 讨论

建立健全国家环境与健康监测体系是我国当前环境卫生工作新的要求和机遇,生物监测是环境与健康风险评估的重要基础和组成部分,其应用已扩展至与人群健康相关的许多领域。我国自上世纪50年代以来开始职业人群生物监测工作,此后广大研究人员就生物监测理论和实践进行了大量的研究工作[6-7]。与国外人群生物监测工作比较,我国生物监测相关的监测指标、标准、规范、质控、数据库及应用方面还存在一定的差距,生物监测尚未形成系统化、标准化、定量化的生物监测体系,生物监测基础研究工作有待进一步加强。

3.1 生物监测标准方法体系的研究和建立

美国NBP项目对生物样本中296种化学物质或代谢物进行了监测,其中环境化学物质稳定的痕量或超痕量水平检测能力是其重要的技术支撑。长久以来美国CDC在生物监测方法研制方面进行了大量的研究和积累,针对不同生物样本中的几百种化学物质建立了多组分同时在线或离线分析方法,并形成较为细致的实验室程序手册以促进和保证方法的准确应用。此外,研究实验室及研究人员还根据方法实际应用情况对方法进行优化和定期修订,从而形成实用有效的监测方法体系。

我国自上世纪50年代以来开始职业人群生物监测工作,在大量的实践工作中建立了我国职业人群生物样本中有毒有害物质及其代谢物的分析方法, 至2005年发布推荐性行业标准方法及生物限值74个(检测指标近60项),方法主要集中在生物样本中的金属、苯、酚类等物质及其代谢物的分析,与国外工作相比,我国生物监测标准方法监测指标数量少,监测范围有限,且大部分物质未能进行多组分同时分析。二十世纪以来随着分析技术快速发展及在生物监测中应用,研究提出了生物样本中有毒有害物质的检测新方法[8-10]。生物监测工作中,灵敏、准确,高选择性的痕量和超痕量分析技术和检测方法是生物监测工作质量保证的基础。因此,生物监测标准方法体系的建立、发展和完善是生物监测工作的基础和技术支撑,具有重要的实践意义。

3.2 生物监测适用的基质标准物质和质控样品的研制

标准物质是化学测量量值溯源的基础,用于测量过程质量控制和对测量结果的评价。标准物质的研究对于改进分析质量、提高检测水平、保证检测结果的有效性等方面具有重要意义。在生物监测中选择、使用合适的标准物质或质控样品是保证监测结果准确、有效和可比的关键。美国NIST研制了包含几十种化学物质或代谢物的基质标准物质,美国疾病预防控制中心实验室依据不同监测指标研制了适宜的内部质控样品,这些标准物质或质控样品的应用是生物监测数据准确可靠的重要基础。

我国生物监测中使用的标准物质或质控样的研制始于上世纪八十年代,在卫生部等部门支持下,先后开展了全血中铅、镉,以乳为基体的有机氯化合物,血清中钾、钠、钙、镁、铜、铁、锌、硒8种物质,尿中砷、铬、硒、锌、铜等标准物质的研制,这些标准物质及质控样品的研制为开展相关监测及健康评价的研究提供了质量传递的介质,为生物监测结果的准确、有效和可比提供了必要的手段。与国外在此方面的研究工作相比,我国在有机污染物及其代谢物的基质标准物质研制方面还有较大差距,且随着时间的流逝,以往研制的一些生物基质标准物质已不能连续供应。鉴于国外研制的标准物质价格昂贵,运输周期长,因此依据我国生物监测工作的特点及需求研制适用的标准物质亦迫在眉睫。

3.3 生物监测的实验室质量控制

为保证生物监测数据的准确性,生物监测工作必须有一套完整的、切实可行的质量控制措施贯穿生物监测的每个环节,其中生物监测实验室的质量控制尤为重要。

为提高实验室数据测量质量和可靠性,美国疾病预防控制中心为实施的项目制定了实验室质量保证和标准化程序(Laboratory Quality Assurance and Standardization Programs)。其中实验室质量保证包括四部分内容:①对实验室测试的每个步骤(从样品处理到仪器性能验证)需建立标准化操作规程(SOP);②定义管理需求,如保存记录、数据评估、内部审计及监控对SOP的执行;③指定纠正措施、文档和负责发现问题时实施纠正措施的人员;④维持高质量员工的能力。在实验室标准化程序方面包括三部分内容:①由参考资料和参考方法组成的参考系统;②建立可追溯程序;③在常规测试条件下,对测试分析的准确度和精密度进行验证。NBP项目检测实验室在方法研制的基础上按照美国疾病预防控制中心的质量保证和标准化程序对每个分析方法均制定了质量控制措施,此部分内容纳入方法程序手册。除实验室内部质量控制措施外,实验室还参加德国G-EQUAS等项目进行国际间实验室比对和使用NIST标准物质等方式对实验分析的准确程度进行有效评估。

我国生物监测工作中引入质量保证概念始于上世纪80年代,我国参与由WHO/UNEP组织的全球环境监测规划(Global environmental monitoring system,GEMS)中的生物监测规划,该规划采用了严格的质量保证措施,此后质量保证概念引入我国生物监测工作,并结合我国实际情况研制了《生物监测质量保证规范》(GB/T 16126-1995)[11]并沿用至今,该规范为我国后续生物监测工作奠定了基础。生物监测是一项系统工程,伴随实验技术的快速发展生物监测内容日益丰富、监测指标逐步扩大,监测方法不断推陈出新,在大样本实验室分析过程中涉及不同指标、方法、样本、仪器、实验技术、人员、材料、记录、流程等众多环节,针对不同环节的特点建立相应的质量措施和标准化程序,是大样本生物监测的工作要求,也是生物监测工作质量的根本保证。

我国环境污染问题严峻,在环境健康风险评估中,从人体生物监测获得的化学暴露的数据具有深远的影响。在大样本生物检测中良好执行的质量保证措施和标准化程序,可使实验室达到和维持高水平的准确性和熟练程度,有效提高实验室测量质量,使生物监测结果更具有学术价值和意义。

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