2. 吉林省环境监测中心站
烟草消费给吸烟者造成伤害的同时产生巨大的社会成本，因此应当采取有效的手段控制烟草消费量的增长。我国作为世界烟草消费的第一大国，面临更艰巨的控烟挑战。烟草的消费量调查是控烟政策制定的基础。目前，关于烟草的消费调查主要是人口普查法，选择代表性人群，通过问卷调查等方式进行调查。该调查方法获取的数据比较全面，相对比较可靠，缺点是费时费力、主观性强，同时要求调查人群具有代表性、自愿性和真实性。而参与人群也可能会因为个人原因不愿真实反映吸烟历史和习惯，这可能导致调查结果不能反映实际情况。
污水流行病学方法能够提供比较有针对性的消费结果；能够克服主观因素，数据客观；提供实时数据，提供日变化、周变化、月变化和年变化数据，为控烟提供最真实直接数据。本研究应用污水流行病学方法预测大连市普通人群中烟草的流行率和消费量，通过应用该方法为我国成瘾性物质的调查提供了一种新的思路。
1 材料和方法 1.1 仪器与试剂20孔固相萃取装置 (waters, 美国); Agilent 7890-5977气相色谱—质谱仪 (Agilent, 美国); 氮吹仪 (英斯特，杭州)。
标准品可替宁氘代内标COT-d3采购于Sigma-Aldrich Inc. (Saint Louis, MO, 美国); 可替宁COT采购于ChromaDex, Inc. (ChromaDex, CA, 美国); 实验室用超纯水是娃哈哈纯净水 (杭州，中国); 色谱纯试剂甲醇、乙睛 (科密欧，天津)。
1.2 分析步骤 1.2.1 采样和前处理本研究选择大连市11个主要生活污水厂，分别于2015年11月2—4日，2016年8月1—2日和9月5—6日进行三次采样。样品采集使用自动水质采样器等时等流量模式采集污水厂进水样品，每个样品的采样时间为24 h，采样量为500 mL，每个污水厂采集两个样品，样品采集完加酸调pH至2，冷藏保存后到实验室进行样品处理。
利用固相萃取柱净化污水样品。将20 mL样品通过玻璃纤维滤膜 (0.45 μm) 过滤去除杂质，然后在样品中准确加入氘代可替宁内标 (20 ng) 用于定量。样品经过用甲醇 (2 mL) 和超纯水 (2 mL) 预先淋洗完成 (活化平衡) 的固相萃取柱 (PEP-2，60 mg)，再用1 mL超纯水清洗小柱，并用真空抽气泵抽干; 待固相萃取柱干燥后，用1 mL甲醇洗脱并收集洗脱液; 洗脱液经氮吹至尽干，再用1 mL乙腈溶解，最后上机测定。
1.2.2 仪器分析条件使用气相色谱—质谱仪分析样品。目标分析物通过HP-5MS色谱柱 (30 m，0.25 μm，0.25 mm)，进样量为2 μL，工作载气为高纯氦气 (≥99.999%)。气相色谱柱箱升温程序：初始温度为35 ℃，保持1 min，以10 ℃/min的速度升温至110 ℃，保持2 min，再以100 ℃/min的速度升至260 ℃，再保持2 min，其总运行时间为14 min。
质谱在EI电离源的模式下操作，离子源温度为250 ℃。使用选择性离子监测模式进行定量。化合物的质谱定量和定性参数:可替宁 (98和176) 和可替宁内标 (101和179)。
1.3 尼古丁的人均消费量根据污水流行病学的基本原理和假设，通过测定污水中的可替宁浓度，结合尼古丁代谢为可替宁比例的校正因子，每个污水处理厂的污水流量以及服务人口数量，根据公式 (1) 计算人均每天消耗的尼古丁数量 (mNIC)。
| ${m_{NIC}}{\rm{ = }}\frac{{{C_{COT}} \times F \times {f_{COT}}}}{P}$ | (1) |
式中:mNIC—人均消耗尼古丁数量，mg/d/人;
CCOT—污水中可替宁的浓度，μg/L;
F—污水处理厂的污水流量，万t/d;
fCOT—可替宁作为烟草消费生物标志物的校正因子;
P—污水处理厂的服务人口数量，万人。
校正因子与目标物在人体代谢比例有关，按公式 (2) 计算:
| ${f_{COT}} = \frac{{M{W_{NIC}} \times 100}}{{M{W_{COT}} \times {x_{COT}}}}$ | (2) |
式中:MWNIC—尼古丁的分子量;
MWCOT—可替宁的分子量;
xCOT—人体吸收的尼古丁代谢为可替宁的代谢百分比例 (32.3%)[1]。
1.4 大连市尼古丁平均消费量大连市平均消费尼古丁数量 (mNIC_M) 是11个污水厂的综合结果，按公式 (3) 计算:
| ${m_{NIC\_M}} = {\rm{ }}\frac{{{f_{COT}}}}{{{P_T}}}\sum\limits_{i = 1}^n {{C_{COT, i}} \times {F_i}}$ | (3) |
式中:mNIC_M—大连市人均消费尼古丁数量，mg/d/人;
PT—11个污水厂的服务总人口数量，万人;
CCOT,i—第i个污水厂污水中可替宁的浓度，μg/L;
Fi—第i个污水厂的污水流量，万t/d。
1.5 烟草消费量从控烟政策制定和公众健康角度考虑，大家更关心人均吸烟数量或者吸烟者消费的烟草数量。要预测相关人均吸烟量则需要其他参数进行计算，比如每支烟草中的平均尼古丁含量，吸烟者对烟草的尼古丁吸食效率，人群中烟民的比例等等。根据公式 (4) 计算烟民每天消费香烟数量为:
| $n = \frac{{{m_{NIC\_M}}}}{{D \times Y \times {R_{15}} \times {x_{smoker }}}}$ | (4) |
式中:n—每个吸烟者的每天吸烟的数量，支/d/人;
D—每根香烟里的尼古丁含量，mg/支;
Y—吸烟过程中吸收尼古丁效率66%;
R15—15岁及15岁以上人群在大连的比例;
xsmoker— 2013年15岁及15岁以上每天吸烟人群在中国所占的比例。
1.6 不确定性分析随着污水流行病学的研究不断发展，相关的技术方法不断改进，仪器和材料更加先进，但是整个过程中还是存在不确定性。一般来讲，污水流行病学的调查结果不确定性主要来源为人口数量估算、物质的人体代谢比例、物质的浓度测定、污水厂进水流量等。因此考虑到这些不确定性的来源和过程，使用蒙特卡洛模拟概率方法分析预测结果的不确定性。蒙特卡洛模拟还可以使用参数敏感性分析鉴定不确定性的来源，并针对性分析输入参数的贡献大小，为减小最终结果的不确定性提供理论依据。污水厂相关的参数与实验和具体目标有关，包括浓度、流量和服务人口数量。其中浓度数据设置为对数正态分布，而流量和服务人口数量设置为正态分布。浓度数据取自实际测定的平均值和标准偏差，而污水厂流量和服务人口数量的不确定度假定为均值的10%。
2 结果 2.1 尼古丁消费量11个市政污水处理厂中都检测到尼古丁的代谢产物可替宁 (表 1)。三次采集样品中可替宁浓度不存在显著性差异 (P > 0.05)，浓度为 (0.77~2.82) μg/L。根据公式 (1) 计算得到大连市11个污水厂服务人群中的尼古丁人均消费量为 (0.23~4.17) mg/d/人。根据公式 (3) 计算的大连市人均的消费的尼古丁数量为1.51 mg/d/人。
| 污水厂 | CCOT/(μg/L) | 服务人口/万人 | 处理量/(万t/d) | 尼古丁消费量/(mg/d/人) | 香烟消费量/(支/d/烟民) |
| LHT | 1.29 ± 0.26 | 22 | 5.5 | 0.92 | 7.7 |
| HTX | 0.97 ± 0.43 | 27 | 8 | 0.82 | 6.8 |
| MYI | 1.13 ± 0.01 | 10 | 0.7 | 0.23 | 1.9 |
| MER | 2.00 ± 0.24 | 25 | 8.2 | 1.87 | 15.6 |
| LSH | 1.29 ± 0.25 | 35 | 10 | 1.05 | 8.8 |
| FJZ | 0.77 ± 0.18 | 10 | 8 | 1.76 | 14.7 |
| QSH | 2.38 ± 0.26 | 19.5 | 12 | 4.17 | 34.9 |
| SEG | 1.93 ± 0.15 | 20 | 3.4 | 0.93 | 7.8 |
| CYI | 1.35 ± 0.07 | 18.8 | 3 | 0.61 | 5.1 |
| CER | 2.82 ± 0.51 | 8.1 | 2.5 | 2.48 | 20.7 |
| XJH | 2.06 ± 0.61 | 20 | 8 | 2.35 | 19.6 |
2.2 烟草消费量
根据国际上的控烟要求，中国市场香烟品牌的尼古丁含量限值为1.2 mg/支。一般主要品牌的尼古丁含量为1.0 mg/支，考虑大连市场常见香烟品牌的尼古丁含量和消费量，估算大连市场香烟品牌的尼古丁均值为0.90 mg/支。另外，香烟的尼古丁吸收效率为66%，估算大连市人均香烟消费数量为2.5支/d/人。从控烟角度而言，相关部门更关心烟民消费香烟的数量，根据大连市15岁以上人口数量比例 (90%) 和中国15岁以上人口每天吸烟比例 (22.4%)，通过公式 (4) 计算烟民每天消费的数量12.5支/d/人。
2.3 不确定性分析蒙特卡洛模拟分析了大连市烟民的烟草消费数量，如图 1所示，大连市烟民消费香烟数量变化95%置信区间为 (8.8~28.3) 支/d/烟民，中位数为14.9支/d/烟民。这意味着大连烟民人均每天消费0.75包香烟，数量范围为 (0.44~1.4) 包/d。
|
| 图 1 蒙特卡洛模拟分析大连市烟民烟草消费数量和概率分布 |
3 讨论
基于废水分析的污水流行病学方法是近年来出现的成瘾性物质消费调查的新方法[2]。该方法假设人群消费某种药物，经过人体的代谢，未分解的药物和药物代谢产物随人体尿液和粪便排出体外，经由污水收集系统进入城市污水处理厂。通过测定污水处理厂进水样品中药物母体和/或代谢产物的水平，根据进水流量和污水处理厂服务人口数量，估算该类物质的人均消费量。将该方法应用于违禁药物如可卡因[3]、鸦片类、冰毒类以及大麻类的消费调查并取得了较好的结果[4-6]。
该方法不受主观调查影响，也不受非法烟草消费限制，是直接检测烟草吸食后人体代谢产物的方法[7]，是一种崭新的调查烟草消费的方法[8]，具有横断面入户调查以及烟草税、销售数据所不具备的优点。目前意大利[7]、西班牙[9]和葡萄牙[10]等国家使用污水流行病学方法调查了烟草的消费情况。Rodríguez-Alvarez等[9]调查了西班牙地区2012年—2014年烟草消费量，应用污水流行病学方法计算得到烟民人均吸烟数量为 (11~13) 支/d，平均为12支/d。根据烟草销售数据计算得到烟民人均吸烟数量为 (12~15) 支/d，平均为13支/d。两者结果非常相近，说明污水流行病学方法能够满足烟草消费量调查的要求。Lopes等[10]调查葡萄牙里斯本一个污水处理厂发现烟民人均吸烟数量为 (12~33) 支/d，平均为18支/d。根据人口横断面调查结果显示，葡萄牙里斯本烟民消费香烟 (11~20) 支/d，与污水流行病学调查结果基本一致，进一步说明污水流行病学在烟草消费调查中的准确程度和可靠性。
本研究中发现的可替宁浓度结果与Buerge等[12]测定瑞士污水厂进水中可替宁浓度范围 (0.8~2.9) μg/L基本一致，表明烟草作为使用最广泛的成瘾性物质全世界普遍流行。该平均数值虽低于意大利调查结果 (3.42 mg/d/人)[7]，但和西班牙调查结果 (1.8 mg/d/人) 相近[9]。虽然应用污水流行病学调查我国人均尼古丁的消费量低于意大利，但不代表烟草消费少于其他国家，而是烟草类型、消费习惯等因素不同，同时采用的代谢校正参数也存在差异。但是变化范围在不同国家和地区则比较近似，说明了烟草消费具有一定的相似性。同时烟草的消费量计算也表明，大连市烟民人均烟草消费量和意大利烟民烟草人均消费量接近。在对米兰污水厂连续18 d的进水口污水的监测研究中，反推计算得到烟民平均烟草消费量为 (9~16) 支/d，对意大利北部、中部和南部地区调查计算全国平均消费量为14支/d[7]。蒙特卡洛模拟结果的概率分布表明，烟民的香烟消费数量不呈正态分布，而是一种对数正态分布，也就是超过一半的烟民数量消费的烟草数量要远远多于另一半烟民的烟草消费量，这就意味着重度烟草依赖者对烟草的消费量贡献率较高。根据全球成年人烟草消费报告调查显示，中国烟民2015年消费15支/d/人。辽宁省的烟草流行调查研究发现2009年大连的消费结果为 (14.2±0.3) 支/d/人[13]。在江苏省的烟草消费调查发现25%~75%概率范围为 (10~20) 支/d/烟民，50%概率为15支/d/烟民[14]，均表现出与本研究中蒙特卡洛模拟结果的一致性，说明蒙特卡洛模拟分析能够反映消费数量的真实情况。
4 结论本研究利用分析市政污水中烟草活性物质尼古丁的代谢产物可替宁浓度的方法，结合污水厂的流量和服务人口数量反推出该地区的尼古丁的消费量，通过基于蒙特卡洛的不确定性分析，估算烟民的消费量为14.9支/d/烟民。该数据与2015年中国成人烟草调查报告中烟民平均15.2支的烟草消费量基本一致，表明污水流行病学方法是一种可用于大范围烟草消费调查的新方法。污水流行病学与传统的流行病学调查方法比较有着客观、快速和实时等优势，可以为传统调查方法提供有益的补充。
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