水污染与健康

水污染

与健康

周宜开*

国家环境保护总局武汉环境医学研究所

华中科技大学同济医学院公共卫生学院环境与健康教育部重点实验室

摘 要 以武汉市东湖为研究对象，运用流行病学调查和实验研究相结合的方法，通过对东湖水源水和自来水中主要污染物的筛选研究、东湖水污染对健康危害的生物标识物研究、东湖水污染对健康危害的分子流行病学研究和水污染对人群健康危害的预警模型等四方面的研究，建立了水污染－健康危害相关的标识体系，并利用该体系建立了一种能根据已知污染水平推导健康危害的模型，以此为基础上建立水污染健康危害的预警方法，为我国环境保护工作提供科学依据。

前 言

经济高速发展所导致的水污染是我国所面临的重要环境问题之一，其污染面大，且呈日益严重之势，严重影响了水资源的利用。水污染所造成的健康危害普遍存在，特别是水中有害化学物质长期作用于人体所引起的慢性中毒和某些慢性疾病（如恶性肿瘤等）的发病率上升已成为人们日益关注的焦点[1]。为达到减少水污染所造成的健康危害，保护人民健康这一目的，必须对我国水污染所造成的健康危害作出科学的评价，但由于水污染所造成的健康危害（主要是慢性危害）

具有滞后效应，居民的健康损害多年之后才能显现出来，因此环境保护部门对水污染所造成的健康危害管理必须具有预见性，这样才能在严重的健康损失发生之前采取必要的干预措施，以避免严重的健康危害发生。因此我们必须在科学阐明水污染与健康危害之间的因果关系的基础之上建立水污染所致人体健康危害的预警系统，以提高环境保护部门的管理预见性。

研究方法

1 东湖水源水和自来水中主要污染物的筛选与确定

确定研究水体的主要污染物是建立根据水体污染水平推知健康危害模型，从而建立水污染对健康危害预警方法的基础。由于不同水体的污染源各不相同，其主要污染物也必然各不相同。针对不同水体，如何确定水体的主要污染物是研究该水体污染及污染对人群健康危害的关键。

1) 确定筛选水体主要污染物的原则、程序和方法

（1）筛选水体主要污染物的依据：

①《生活饮用水卫生标准》所列化学物质可作为初选主要污染物依据之一。

②《地表水环境质量标准》所列化学物质可作为初选主要污染物依据之二。

③ 中国环境监测总站等单位提出的“中国水环境优先污染物名单”所列68种化学物质可作为初选主要污染物依据之三[2]。

④ 按以下原则确定的有害化学物质，可作为主要污染物初筛依据之四。

a. 按等标污染负荷法评价给出并排至受纳水体的污染物；

b. 根据动物试验证实具有“三致”作用并存在于水体的物质；

c. 慢性毒性指标复合记分CS(composi te seore) ≥25且存在于水体的物质；

d. CS

e. 按国际癌症研究所标准分组在2B 以上，且在水中常见或捡出率高的化学物质。

（2）确定筛选水体主要污染物的原则

① 在源水或自来水中存在且对生态环境和人群健康影响程度（健康影响指数Heal th Severi ty Index ）较大的污染物，应被确定为主要污染物。

② 根据全年按枯水期，平水期，丰水期的实际监测结果来确定。

（3）筛选主要污染物的程序如图1

图1 水体主要污染物筛选程序

figure 1 The screening process of main water pollutants

（4）筛选主要污染物的方法

① 计算健康影响指数HI(Health Severity Index)

HIi=Ci/MLCi

Hii ：i 污染物的健康影响指数

Ci ： i 污染物在源水或自来水中的实测浓度

MLCi ：i 污染物在源水或自来水中的最高允许浓度

② 若HIi>1，即应视为主要污染物

③ 若某一水体总健康效应指数THI>1，但HIi 均小于1，即应将所有污染物按HIi 大小排序，然后删去HIi 较小的污染物，从而确定主要污染物。

2) 筛选确定武汉东湖源水、自来水中主要污染物

（1）污染源的调查与评价：

① 点源污染与评价：针对东湖周围排污点和11个排污口排污量及主要污染物进行调查。

② 面源污染与评价：分别对东湖泾流面源污染，湖面降水氮、磷输入，水产养殖氮磷输入，旅游业引起的氮、磷输入，东湖氮、磷入湖总量进行调查。

（2）源水和自来水水质状况调查与评价：

通过收集东湖六十年代至九十年代水质监测数据，对水质变化进行了分析。结果表明，八十、九十年代部分污染物水平比六十、七十年代呈不同倍数增加。八十、九十年代变化不大，但藻类呈高速增长，说明水体氮、磷污染在继续加重。九十年代初以前东湖水质明显比汉江水质差，但九十年代中期后，差异无显著性意义。

（3）源水和自来水水质现状的监测分析

对东湖源水和自来水中氮、磷进行采样分析，运用GC/MS对水体中有机物进行了监测

[3]，运用原子吸收分光光度法对水体中金属进行了监测，并对监测结果进行评价。

（4）确定东湖源水和自来水中主要污染物

在以上工作的基础上, 根据确定水体主要污染物的原则、程序和方法，确定东湖水厂源水的主要污染物为氮、磷、甲苯、酞酸酯类、镉、铅、氯仿、四氯化碳等8种（类），出厂水主要污染物为氮、磷、酞酸酯类、氯仿、苯酚类、四氯化碳、镉、铅等8种（类）。为了

便于比较，我们还收集、监测了以汉江为源水的宗关水厂的源水和自来水的有关水质数据。

2 东湖水污染对健康危害的生物标识物研究

以东湖水源水及其自来水为主要研究对象，以汉江水源水和自来水作为对照，采用大孔树脂吸附污染水中有机物技术，运用Ames 致突变试验、小鼠骨髓细胞微核试验以及DNA 加合物测定等方法[4-6]，检测水中混合有机物的致突变性。水中非挥发性混合有机物的致突变性及其比活性强度可作为评价水污染对健康危害的标识指标。通过实验研究，我们获得了以下结果：

1）不同水文期东湖水中有机物的致突变性

东湖源水除枯水期外，各水样均可使测试菌株的MR(致突变率) 值>2，并呈剂量反应关系。不同水文期水源水中有机致突变比活性强度，由强至弱依次为平水期>丰水期>枯水期。

2）不同水文期自来水中非挥发性有机物致突变性

不同水文期水样中有机物均具有致突变性，致突变比活性强度由强至弱依次为平水期 >枯水期>丰水期。

3）确定东湖、汉江水源水和自来水中非挥发有机致突变物的类型

根据水样对TA98,TA100在加入或不加体外代谢活化系统（S9）的条件下的致突变作用结果[6-7]，可知，东湖源水中的有机致突变物主要为移码型直接致突变物，而自来水中有机致突变物主要为移码型和碱基置换型直接致突变物。

4）以东湖为源水的自来水Ames 试验结果

根据不同年份（1982～2000年）以东湖为源水的自来水MR=2时需水量逐年减少的结果，说明东湖自来水中有机致突变性有逐年增加的趋势。

5）水中有机污染物的遗传毒性研究

小鼠骨髓嗜多染红细胞（PCE ）微核试验是一种简便快速的检测遗传毒性的方法，运用该方法对东湖不同水文期源水和自来水有机提取物的遗传毒性进行了试验，结果表明，三个不同水文期东湖源水及自来水的有机提取物的微核率与阴性对照比较，均有不同程度的升高，且呈剂量反应关系。平水期和丰水期高剂量组的源水和自来水的微核率（11.0‰）高于枯水期（7.0‰），提示这两个时期环境温度适于藻类生长，大量藻类代谢物使水体有机物遗传毒性增加。

6）水中有机物-DNA 加合物形成的定量分析

① 体外反应形成的有机物-DNA 加合物

小牛胸腺DNA 和水中有机物经体外反应形成DNA 加合物[8-9]，试验结果表明：东湖自来水中有机物可与DNA 形成加合物。加合物的RAL 值范围为111～201×10，即111～201加合物/1010正常核苷酸。说明东湖自来水可使每1010个正常核苷酸中有111～201个形成加合物，从而引起DNA 的损伤。

② 染毒小鼠体内DNA 加合物

用东湖自来水有机浓缩物染毒小鼠，其肝组织细胞中形成DNA 加合物，加合物RAL 值范围为56～297×10-10，且存在一定剂量反应关系。 -10

3 东湖水污染对健康危害的分子流行病学研究

1）水污染引起的人群DNA 加合物实验研究

DNA 加合物是化学毒物或其代谢产物与DNA 分子特异位点形成的共价结合物，是一种分子水平的暴露标志物[10-13]。DNA 加合物检测是肿瘤分子流行病学调查的重要内容之一，

为了建立一种简便实用的DNA 加合物检测方法，我们首先利用发光分析技术建立了单核苷酸5端的发光标记和发光检测方法，该方法操作简便实用，灵敏度可达1个加合物/10正常核苷酸，运用本法检测了样品中DNA 加合物含量，获得满意结果。

为研究人群DNA 加合物的正常水平及影响因素和水污染对人群DNA 加合物水平的影响，利用我们所建立的发光检测方法测定了234例正常人的外周淋巴细胞DNA 加合物水平，并对年龄、抽烟、饮食习惯等进行了分析。结果表明：在正常人群中男性DNA 加合物水平略高于女性，但二者之间的差异无显著性意义；正常人群的DNA 加合物水平随年龄增加而升高；抽烟人群的DNA 加合物水平显著高于非抽烟人群；少量饮酒的人群DNA 加合物水平低于不饮酒人群；嗜酒人群的DNA 加合物水平高于非饮酒人群，嗜酒人群DNA 加合物和少量饮酒人群DNA 加合物水平之间的差异有显著性意义。饮食习惯对DNA 加合物水平亦有一定的影响，素食为主人群的DNA 加合物水平显著低于荤食为主人群的DNA 加合物水平；此外常饮茶者的DNA 加合物水平显著低于不饮茶者。

为控制上述其他因素对DNA 加合物水平的影响，本研究采用1：1配比的原则抽样调查，分别测量了125对东湖饮水区和汉江饮水区居民的外周白细胞DNA 加合物水平，结果表明：东湖饮水区居民的DNA 加合物水平高于汉江饮水区，但二者之间的差异无显著性意义。由于抽烟、饮酒、饮茶及饮食习惯等均对DNA 加合物水平有一定的影响，本文采用协方差分析排除这些因素的影响后，东湖饮水区居民的DNA 加合物水平显著高于汉江饮水区居民(P

2）东湖饮水区居民恶性肿瘤发病危险性分析

本研究以东湖供水区居民和汉江供水区居民为研究对象，分析了两区居民从80年代至90年代的恶性肿瘤死亡情况。统计学研究结果表明：东湖供水区居民恶性肿瘤总死亡率高于汉江供水区居民；东湖供水区居民的男性、女性总癌症死亡率，以及男性肝癌、胃癌、肠癌，女性肠癌死亡率均高于汉江供水区，同时对东湖源水水质状况、致突变实验，以及自来水中致癌物—氯化消毒副产物等进行了分析，结果表明，东湖水质各项指标均明显差于汉江水，东湖水源自来水的致突变性均高于汉江水，东湖自来水中的致癌物亦高于汉江水。因此初步推论：东湖水源供水区居民恶性肿瘤发生与东湖水污染存在着一定的关系。

为更进一步研究饮用东湖水源自来水所致恶性肿瘤的危险性，定量分析东湖水污染对人群健康危害的程度。本文就东湖自来水供水区人群癌症死亡情况作了2年的定群研究。结果表明：东湖饮水区居民的恶性肿瘤死亡率高于汉江饮水区居民，东湖饮水区居民的男性、女性总癌症、男性胃癌、肝癌死亡率均显著高于汉江饮水区，两区居民的女性消化道恶性肿瘤死亡率两组之间无显著性差异。饮用东湖水源自来水的居民恶性肿瘤死亡危险性是饮用汉江水源自来水居民的1.5 ~ 2.0倍。东湖饮水区居民的恶性肿瘤死亡率增高与东湖的水污染有一定的关系。 ˊ7

4 水污染对人群健康危害的预警模型研究及肿瘤死亡率预

测分析

1）建立灰色系统预测模型

在以上研究工作的基础上，采用灰色系统分析方法[14-16]，选用恶性肿瘤死亡率作为效

果序列，各种水环境污染指标作为因素序列，研究了武汉市东湖和硚口地区水环境污染与肿瘤死亡率之间的关系。研究发现，东湖水厂供水区恶性肿瘤死亡率与水环境污染因素的关联度大于汉江宗关水厂供水区。其中东湖和汉江水环境因素与恶性肿瘤膀胱癌、胃癌、直肠癌、肝癌和肺癌的死亡率及粗死亡率关联度之间的差异具有显著性意义。在灰色关联分析的基础上，建立了东湖和硚口地区恶性肿瘤死亡率的灰色系统预测模型，包括肿瘤死亡率的GM （1，N ）模型和相关水环境因素的GM （1，1）模型。

GM （1，1）模型为一个变量一阶的时间序列微分方程[17]，它反映了时间序列发展过程的单调变化，具有良好的预测性；GM （1，N ）模型为N 个变量一阶微分方程，它反映某一个变量的一阶导数与其他N －1个变量的关系，其可作为状态模型和进行灰色系统预测。

2）东湖水厂供水区2000～2010年肿瘤死亡率灰色预测

通过GM （1，1）模型分析的结果表明，东湖水厂供水区人群肿瘤粗死亡率自1995年后至21世纪初呈下降的趋势，到2010年肿瘤死亡率将下降到145.87/10万，比1999年实际的肿瘤死亡率160.30/10万降低9.0％。

GM （1，4）模型研究表明，与东湖水厂供水区人群肿瘤死亡率之间关联度最大的水环境因素有水体的五日生化需氧量、亚硝酸盐氮含量、六价铬含量和有机物致突变比活性强度（MR=2时，TA98）。

3）汉江宗关水厂供水区2000～2010年肿瘤死亡率灰色预测

GM （1，1）模型分析的结果表明，汉江宗关水厂供水区居民的恶性肿瘤死亡率从1995年后开始出现下降趋势，到2010年肿瘤死亡率将下降到59.26/10万，比1999年实际的肿瘤死亡率101.40/10万将降低41.56％。

GM （1，3）模型研究表明，与汉江宗关水厂供水区人群肿瘤死亡率之间关联度最大的水环境因素有三个，分别为水中铅的含量、五日生化需氧量和总磷的含量。

灰色系统理论是上个世纪中后期发展起来的一门系统分析的方法学理论，已在许多领域得到应用，本研究将其应用于分析水环境污染与恶性肿瘤之间的相互关系建立灰色系统预测模型，是一种新的尝试，需进一步深入研究和完善。 [18]

结 论

水污染的最大特点之一是污染物组分复杂，对于环境管理、污染治理、以及探讨水污染对健康的危害等往往必须确定污染水体中的主要污染物。由于不同的水体其污染源不同，因此主要污染物的筛选和确定显得非常重要。长期以来，国内外还没有一种统一的原则、程序和方法。我们通过对东湖水体的研究，在广泛调查、研究的基础上确定了筛选任意水体主要污染物的原则、程序和方法，运用该程序和方法可比较准确地筛选和确定任何水体的主要污染物。

水污染与人群健康危害的关系是一个非常复杂的问题。本研究利用生物标识物，筛选并确定了东湖水体污染标识指标、体内暴露标识指标和体内效应标识指标。探讨了污染标识指标、体内暴露标识指标和体内效应标识指标与疾病（恶性肿瘤）发生的关系，初步探明了东湖水污染对人群健康的危害。运用本标识指标体系，可评价任一水体污染对人群健康的危害，从而为环境保护提供了科学依据。

运用灰色系统分析方法，选用恶性肿瘤死亡率为效果序列，利用各种水污染标识指标作为因素序列，我们研究了东湖水污染与恶性肿瘤死亡率之间的关系。在灰色关联分析的基础上，建立了东湖地区恶性肿瘤死亡率的灰色系统预测模型，并对2000～2010年间恶性肿瘤死亡率进行了灰色系统预测。尽管该模型的建立还比较粗糙、有待完善，但这是环境医学的发展方向。

体内DNA 加合物水平是一种重要的体内暴露标识物和效应标识物，它能从分子水平反映污染对人体健康危害的机理和程度。因此快速、准确地检测DNA 加合物对于阐明水污染对健康的危害具有重要的意义。迄今为止，DNA 加合物的检测方法主要是32P 后标记法[9]，这种方法不仅操作繁杂、仪器昂贵，而且由于使用了放射性同位素可造成污染环境、对操作人员的健康危害等。因此建立了一种快速检测DNA 加合物的新方法显得非常必要。

环境医学研究就是要提供环境污染对健康危害的前瞻性预测预报，从而为环境管理、政府决策提供科学依据。本研究以武汉东湖为研究对象，从四个方面对水体污染与人群健康之间的关系进行了系列研究，研究结果可为环境保护管理部门提供预测和评价水污染健康危害的方法，为环境健康危害的预防提供有效的技术支持。

参 考 文 献

1. 蔡宏道主编。现代环境卫生学。北京：人民卫生出版社，1995，1078－1083

2. 中国环境优先监测研究课题组编。环境优先污染物。北京：中国环境科学出版社，1989，11－13

3. 黄志丹，田世忠，邓南圣等。东胡水及其自来水中有机污染物的GC/MS鉴定。环境科学与技术，1992年第1期，总第56期，19－23

4. 刘世良，何尚浦，张银华，等。某市自来水有机污染物健康危险度初步评价。环境与健康，1994；11（5）：202－205

5.Bellar TA, et al. The occurrence of organohalicles in chlorinateal drinking waters. J.A WWA,1974;66:703

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7.Tennat RW, Zeiger E. Genetic toxicology: current status of methods of carcinogen identification. Environ. Health Perspect,1993;100:307-315

8. 刘淑芬，蒋湘宁。32P 后标法测DNA 加合物。环境化学，1994；13（3）：273－277

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12.Matijasevic Z, et al. Release of sulfur murstard-modified DNA bases by Escherichia coli3-methyladenine DNA glycosylaseⅡ. Carcinogenesis, 1996; 17:2249-2262

13.La DK, Swenberg JA. DNA adducts: Biological markers of exposure and potential applications to risk assessment. Mutation Research, 1996;365:129-146

14.Schwartz, Joel, Allen Marcus. Mortality air and pollution in London: A time series analysis. American Journal of Epidemiology. 1990; 131(1):185-188 32P-postlabeling assay. Carcinogenesis,

15. 徐福留。 水环境综合整治方案灰色多目标模型。中国环境科学，1994;14（5）：9－12

16.Derriennic F, Richardson SA,Mollie JL. Short-term effects of sulphur dioxide pollution on mortality in two French cities. International Journal of Epidemiology.1999;18(1):186-189

17. 曾光明等。灰色动态模型在环境系统分析和预测中的应用。环境科学学报，

1989;9(2):156-158

18. 邓聚龙主编。灰色系统基本方法。华中理工大学出版社，1987；17－42

*作者简介： 周宜开，国家环境保护总局武汉环境医学研究所所长, 华中科技大学同济医学

院公共卫生学院名誉院长, 教授, 博士生导师。

通讯地址: 武汉汉口航空路13号, 华中科技大学同济医学院公共卫生学院, 430030。 E-mail: [email protected]

Water pollution and human health

Yikai Zhou

Wuhan Institute of Environmental Medicine, SEPA of China

MOE Key Lab of Environment and Health, School of Public Health,

Tongji Medical College, Huazhong University of Science &

Technology

Abstract Combined with epidemiological survey and laboratory study, we built the water pollution health damage identifying system through the study of screening out main water pollutants of East Lake, biomarker research of water pollutants to human health and molecular epidemiological study of water pollution. Based on this system we establish a model that can predict the human health effects caused by water pollution. The model can predict health damage of water pollution effectively, it provide a good method for governments environmental management.

Introduction

Due to the rapid economic development, the freshwater resources in China are threatened not only by over exploitation and pollution but also by ecological degradation. Water pollution became one of the most important problem we have to face at the present time. The widespread water pollution so grievous that it influencing the reasonable usage of water resources increasingly and seriously. The health effects that caused by waterborne contaminants are ubiquitous, especially the chronic poisoning and diseases caused by the harmful chemicals in polluted water, it has attracted comprehensive attention in our country, such as the increasing morbidities of cancer in recent years.

Adequate supply of fresh and clean drinking water is a basic need for all human beings on the earth, for achieving the aim to protect human health and to reduce the health effects result in water pollution, it is urgently necessary to scientifically evaluate the health effects of water pollution. To prevent the serious harmful effects of water pollution, the evaluating method with a strong forecast function may enhance the environmental health management. For this reason, we try to build a human health pre-warning system of water pollution to improve the water pollution and human health management in China.

Study methods

1 Identification analysis priority pollutants in East lake water

Priority water pollutants identification is the base for establishing the human health pre-warning system of water pollution, the variation of pollutants in different water body make the process complicated. The following steps are the main methods for water pollutant identification.

1.1 Principle, procedure and method to screen priority water pollutant

Pollutant toxicological indexes and water quality standards are selected as the basis to screen out the priority water pollutant. All pollutants detected in source and tap water were arranged according to their HI value. The higher HI value of a pollutant, the more possible it is a priority pollutant. Those pollutants with the highest HI value were chosen as priority pollutants.

1.2 Confirmation analysis of priority pollutants in East lake water Combined with data collection and current monitoring analysis, add the lake pollution source survey, we investigate and evaluate the source and tap water quality according the identify method during the last two decades. The result shows the lake source water contains at least 8 priority pollutants.

2 Health effect biomarker study of East lake pollution In different hydrological period of time, by using toxicological and molecular biological methods, such as Ames test, DNA-adduct analysis and micronucleus test, the mutagenicity tests are performed to detect water pollutants in East lake and Han river. Ames test reveal the mutagenicity types are different between source water of East lake and Han river, and mutagenicity is gradually increasing in the lake water. Quantitative DNA adducts study show the pollutants in the lake have the DNA damage effect.

3 Molecular epidemiology study of East lake pollution:

3.1 Human DNA-adducts study of water pollution

Epidemiological survey and statistic study indicate the DNA-adduct levels are different significantely between residents in East lake and Han river, from the result we estimate the lake water pollution is the main reason to DNA damage.

3.2 Cancer risk analysis of East lake resident

Cancer epidemiological study shows resident cancer mortality of East lake is higher than that of Han river, reveal East lake pollution contribute to the high cancer risk.

4 Health pre-warning model study and cancer mortality prediction

4.1 Grey system prediction model research

Based on the above research and grey system analysis, we build 2 models to predict the human health effect and the interrelated water pollutants, among them, GM(1,N)model related with pollutants and GM(1,1)model related with health effect.

4.2 Resident cancer mortality forecasting from 2000 to

2010 of East lake and Han river

By using GM(1,1) model in East lake, it predicts the resident cancer mortality in 2010 will decrease 9.0% than in 1999. In Han river, the model predicts the resident cancer mortality in 2010 will decrease 41.56% than in 1999.

The GM(1,N) model study reveal there are 4 pollutants mostly contribute to the cancer risk in East

lake [GM(1,4)], whereas the Han river only 3 pollutants contribute to the cancer risk [GM(1,3)]. Result

As we know, water pollution is one of the most complex issue, the main source of water pollution can be attributed to discharge of untreated waste, dumping of industrial effluent, and run-off from agricultural fields. To identify the main pollutants in water is the primary task for environmental management, for this goal we establish a method for priority water pollutants screening, built a water pollution health damage identifying system. Combined with epidemiological survey and laboratory study in East lake, we reveal the index system of health damage resulting in water pollution. Grey system is an useful tool for prediction, based on water pollutant identification and health index study, we applied it as a tool to predict the human health effects caused by water pollution, and it shows a prospective results.

Through our research in East lake, we found a human health pre-warning system of water pollution, we do expect the system can improve the future strategic plan to maintain and protect water quality and human health in China.