消费品化学风险物质暴露评估研究进展

宗艺晶, 李焘, 郭兴洲, 刘霞, 吕庆. 消费品化学风险物质暴露评估研究进展[J]. 环境化学, 2025, 44(3): 1133-1142. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024111305
引用本文: 宗艺晶, 李焘, 郭兴洲, 刘霞, 吕庆. 消费品化学风险物质暴露评估研究进展[J]. 环境化学, 2025, 44(3): 1133-1142. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024111305
ZONG Yijing, LI Tao, GUO Xingzhou, LIU Xia, LYV Qing. Research progress on exposure assessment of chemical risk substances in consumer products[J]. Environmental Chemistry, 2025, 44(3): 1133-1142. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024111305
Citation: ZONG Yijing, LI Tao, GUO Xingzhou, LIU Xia, LYV Qing. Research progress on exposure assessment of chemical risk substances in consumer products[J]. Environmental Chemistry, 2025, 44(3): 1133-1142. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024111305

消费品化学风险物质暴露评估研究进展

    通讯作者: liuxia@cnis.ac.cn;  Tel:010-53897468,E-mail:Lvqing2009@126.com
  • 基金项目:
    国家重点研发计划项目(2022YFF0606204)和中央基本科研业务费项目(552024Y-11401)资助.
  • 中图分类号: TS01;X820.4;O6

  • CSTR: 32061.14.hjhx.2024111305

Research progress on exposure assessment of chemical risk substances in consumer products

    Corresponding authors: LIU Xia, liuxia@cnis.ac.cn ;  LYV Qing, Lvqing2009@126.com
  • Fund Project: the National Key Research and Development Program of China(2022YFF0606204) and the Science Research Program of the China National Institute of Standardization (552024Y-11401).
  • 摘要: 日常使用的消费品是普通人群接触化学污染物的重要来源之一,在消费者使用产品的过程中,化学污染物可能通过直接或间接接触对人体产生危害. 与空气、水、土壤、膳食等其他来源的环境污染物相比,消费品类型多种多样,消费者接触消费品的行为具有个体差异性和不确定性,来源于消费品中的化学物质转移、摄入过程也较为复杂. 本文综述了消费品暴露评估研究的发展历程及国内外研究发展现状,重点从“人-物-场”的角度对影响消费品暴露评估的消费者特征、消费品特征和暴露场景进行深入分析阐述,归纳了8种主要的消费品暴露行为模式,可为开展消费品中化学风险物质暴露评估及其对人体健康的影响研究提供参考.
  • 大气细颗粒物(PM2.5)是大气中的重要污染物,不仅对大气环境质量[1-2]有显著影响,而且与人体健康[3-4]以及全球气候变化[5]有着紧密的联系。PM2.5可通过呼吸系统进入肺部,引起如哮喘,咳嗽等健康问题[6],甚至引发肺癌等病症导致死亡[7-9]。大气PM2.5可通过吸收和散射太阳辐射直接影响气候,也可通过云凝结核的形式改变云的光学性质和分布而间接影响气候[10],还可影响城市大气能见度[11]。另外,大气PM2.5可在大气环境中长时间停留产生二次污染,使其可水平输送到其它地区而影响区域大气环境[12-13]

    大气PM2.5是来自天然和人为污染的复杂混合物,包括一次排放和二次形成颗粒物,其化学成分复杂,主要包括水溶性离子、有机碳(OC)、元素碳(EC)和无机元素[14]。水溶性离子约占大气PM2.5的33%—61%[15],其中,二次离子NH+4SO24NO3一般是由大气中的SO2、NOx和NH3经过二次化学反应生成,主要来自机动车尾气及燃煤排放[16]。OC和EC约占PM2.5的20%—60%[17],EC主要来源于燃料不完全燃烧,如机动车排放、烹饪、森林大火等[18];OC的形成过程和来源可分为污染源直接排放的一次有机碳和有机气体经光化学反应等途径生成的二次有机碳[19-20]。在严重雾霾污染中二次化学组分可以占到PM2.5的30%—77%[16, 21]。无机元素是大气PM2.5的另一重要成分,可分为地壳元素(如Fe、Al、Ca和Si等)和人为污染元素(如Zn、Pb、Cu、Cr、Ni和Cd等),其中地壳元素对PM2.5的贡献约为20%,人为污染元素通常来自各种工业排放,在PM2.5中占比约1%—2%,对人体健康存在极大危害[22-24]

    PM2.5的来源复杂且污染源的相对贡献因区域和时间的变化而变化,为反映其实际变化与及时调整防治政策需要对PM2.5的来源不断更新。目前,国内外已有众多关于PM2.5源解析的研究,例如,孟加拉国的半住宅和城市地区PM2.5的来源主要是机动车排放和生物质燃烧[25];印度海得拉巴交通走廊的PM2.5主要来自车辆排放和重悬浮粉尘[26]。京津冀地区PM2.5的主要来源是燃煤、交通、扬尘以及二次气溶胶,且近年来从燃煤主导的煤烟型污染转变为燃煤[27-28]和机动车复合型污染[21, 29]。西安市地区的污染主要受燃煤、机动车排放及二次污染影响[30],且冬季燃煤供暖会加剧西安当地的空气污染,如对西安冬季严重雾霾时期的PM2.5来源研究发现粉尘相关来源(如道路尘、建筑扬尘和沙尘暴)对PM2.5的贡献达到46%[21]

    西安是中国西北的重要工业城市,位于关中平原的中心,是中国污染最严重的地区之一[31],及时对西安大气PM2.5的化学组分及其来源进行研究至关重要。因此,本研究采集西安市2017年全年大气PM2.5样品,分析其化学组分,采用正矩阵因子分析(PMF)模型解析其污染源,结合气象条件探究影响西安市大气PM2.5的化学组分及其来源的主要因素。通过研究西安市大气环境污染源变化特征,对了解大气PM2.5的健康效应及制定环境污染控制措施提供理论支撑,并对后续的大气PM2.5的研究具有重要的参考意义。

    采样点位于陕西科技大学逸夫楼大楼顶(N 34°22′35.07″,E 108°58′34.58″,地面高度约30 m),利用XT-1025型智能大流量PM2.5采样器(1 m3·min−1,中国上海新拓分析仪器技术有限公司)采集2017-04-04 — 2017-12-29的日样品共计121个(含空白5个),其中春季(4月4日—5月5日)、夏季(6月24日— 7月9日、8月7—21日)、秋季(10月12日—11月11日) 和冬季(11月30—12月29日) 分别采集有效样品31、31、27、27个,具体时间为每天早上07: 00—次日06:30,采样时长为23 h 30 min。采样介质为提前用450 ℃马弗炉烤焙6 h的石英滤膜(PALLLifeScience,TISSUQUARTZ 2500QAT-UP),收集好的PM2.5样品用锡纸包裹并放入铝箔袋中于−20 ℃的冰箱中保存直至分析。

    有机碳(OC)和元素碳(EC)是利用Model-4型半连续OC/EC分析仪(Sunset Lab.)通过热光学透射率法进行测量并定量[31]。水溶性阴阳离子(ClNO3SO24、Na+NH+4、K+、Mg2+和Ca2+)是超声提取并用离子色谱(940 Professional IC Vario,Metrohm)进行测定[32],步骤简单如下:裁取3张直径为12 mm的滤膜样品放在50 mL的离心管,加入15 mL超纯水并超声30 min,上清液经0.45 μm滤膜过滤后上机测试。元素组分包括Si、Na、Al、K、Ti、V、Ni、Cu、Zn、As等18种,分两步进行测定。首先,从每个样品裁取直径为5 mm的滤膜,利用激光烧蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)进行测量[33]。每一轮测量时随机抽取一个样品作为标准样品,以获得每个滤膜的相对信号强度(RSI)。其次,用5 mL超纯水、2 mL硝酸(Optima grade,Fisher Scientific)和1 mL过氧化氢(Optima grade,Fisher Scientific)将标准石英滤膜样品上的气溶胶颗粒溶解在特氟龙管中用于微波消解,再用ICP-MS(Thermo Scientific)定量分析[34]。最后,对LA-ICP-MS和ICP-MS获得的RSI进行分析计算,从而得到各样品中的元素浓度[35]

    采样期间的PM2.5浓度数据主要从中国环境监测网站(http://www.zghjjcw.com/)收集;温度、相对湿度、风速、风向等气象参数主要从Weather Underground(https://www.wunderground.com/weather/cn/xi’an)获得。

    本研究采用美国环境保护局(EPA)的正矩阵因子分解(PMF 5.0)模型对西安市大气PM2.5的来源进行解析。本研究将PM2.5、OC、EC、ClNO3SO24、Na+NH+4、K+、Mg2+、Ca2+、Ti、Ca、Si、K、Fe、Al、Mg、Na、Pb、Zn、Mn、Ba、Cu、As、Ni、V、Cr、Cd的浓度数据输入EPA PMF 5.0模型中,经过模型多次运转分析,最终获得影响西安大气PM2.5的7个主要来源:煤燃烧(31%)、机动车排放(16%)、二次硝酸盐(13%)、二次硫酸盐(9%)、金属过程(7%)、工业排放(4%)、尘源(2%),可解释(92%±27%)的PM2.5来源,因子识别等具体细节参考Wang等的文章[35]。解析过程中,将组分浓度的缺失值用该组分浓度中位值替代,其不确定度为4倍的中位数,以降低组分浓度缺失值对模型的影响;将低于方法检测限(MDL)的组分浓度替换为MDL的一半,并利用公式(1)[36]确定各组分的不确定度。

    Unc.=K×Conc. (1)

    其中,Unc.为不确定度;Conc.为组分浓度;K为分析不确定度,PM2.5、离子、OC、EC、WSOC、WISOC的K为5%,元素组分的K为10%。

    大气颗粒物质量闭合可以通过不同成分化合物在大气颗粒物中的占比来估计不同来源气溶胶对环境空气质量的影响[30]。按OM(OC×1.8[37])、EC、元素和(所测所有元素的浓度之和)以及水溶性离子中的NH+4、Ca2+NO3SO24对PM2.5进行质量重组,如图1图2c所示。西安市PM2.5年平均浓度为(64±45 )μg·m−3,范围15—307 μg·m−3,冬季最高,其次为秋季、春季和夏季,原因可能是西安市冬季大规模燃烧煤炭取暖而排放出大量污染物。OM、SO24NO3及元素在全年对PM2.5的贡献较高,分别为33%、13%、14%和20%;SO42-NO3在春季对PM2.5的贡献几乎相同,约为14%,夏季SO24贡献是NO3贡献的2.67倍,秋冬两季NO3贡献明显高于SO24,主要与燃料燃烧以及机动车排放有关。无机元素对PM2.5贡献随着季节变化呈缓慢递减趋势;OM春夏季对PM2.5的贡献明显高于秋冬季;NH+4和EC对PM2.5贡献从春季到秋季呈缓慢递增趋势,冬季有略微减少;除NO3外,这些组分对PM2.5的最低贡献均出现在冬季,更多贡献来源于其它组分,表明西安市冬季污染源更为复杂。Ca2+对PM2.5的年均贡献为8%且各季节都较稳定,明显高于2014 — 2015年西安市的Ca+对PM2.5的贡献(2%)[38],表明道路尘、土壤尘和建筑施工扬尘等对西安市的大气PM2.5的影响日益增加。从图2c可看出,各化学组分在不同季节对PM2.5的贡献有所差异,说明西安市大气PM2.5各个季节的污染来源不同,影响其化学组成成分的因素也不同。

    图 1  PM2.5浓度的季节变化
    Figure 1.  Seasonal variations of the concentrations of PM2.5
    图 2  (a)和(b)气象因素(风速、风向、温度、湿度)时间变化序列;(c)PM2.5质量闭合
    Figure 2.  (a) and (b) Time series of the meteorological parameters including wind speed vectors,temperature,humidity; (c) the closure of PM2.5 mass.

    本研究中,NH+4SO24NO3 和Ca2+是西安市PM2.5中水溶性离子的主要组分,占总离子浓度的89%,并占PM2.5年均浓度的46%。如图3所示,春季Ca2+平均浓度高于冬季、秋季和夏季;春季浓度高与春季易发生扬沙及浮尘天气有关,如2017-04-18和2017-04-19的沙尘事件可能会造成Ca2+及其他化学组分的春季平均浓度升高。Cl和K+的浓度变化与本溪市[39]的趋势一致,均为冬季最高,夏季最低。两个城市都属于综合性工业城市,影响Cl和K+的浓度变化的因素可能相同,冬季浓度最高可能与煤燃烧有关[40],而春季可能与风沙较大有关。NH+4NO3均呈现春季高夏季低且夏季至冬季呈递增趋势。SO24从春季到冬季呈递减趋势,春季最高可能源自春季沙尘携带大量硫酸盐[41],夏季由于高温(如图2b)与强光照不利于二次NO3NH+4的生成但有利于二次SO24的生成。王念飞等[42]研究发现NO3平均浓度高于SO24,与本研究的结果相符,原因可能是机动车保有量的日益增加及政府近年来一系列的节能减排措施的执行。[NO3]/[SO24]的年均值为(1.19±0.68),可能是移动源增加和固定源减少双重作用的结果[43]。[NO3]/[SO24]比值呈现冬季(1.79±0.50)>秋季(1.62±0.53)>春季(1.04±0.40)>夏季(0.46±0.27)的变化趋势,表明西安市夏季PM2.5主要受固定源影响,其他季节主要受移动源影响。

    图 3  PM2.5中各离子浓度的季节变化
    Figure 3.  Seasonal variations of the concentrations of water-soluble ions in PM2.5.

    本研究主要分析PM2.5中18种元素浓度的季节变化特征,结果见图4。元素总浓度范围为2.65—60.05 μg·m−3,对PM2.5的贡献为4%—96%,且年均浓度为(13.95±8.17 )μg·m−3,占PM2.5的22%。春冬两季各元素浓度高于夏秋两季,变化规律与PM2.5有所不同,说明西安市在不同季节里PM2.5中无机元素含量不稳定。Ti、Ca、Si、K、Fe、Al、Mg、Na是地壳代表元素[44-45],主要来自土壤和扬尘[46-47]及钢铁等冶金行业[48]的大气排放。Pb、Zn、Cu、As、Ni等与人为污染有关[49],最低浓度多出现在夏季。Zn是人为污染元素中浓度最高的,在不同季节PM2.5中的含量均高于0.1%,可能是由橡胶材质材料磨损和镀锌材料产生[46, 50-51],也可能与垃圾和废物燃烧相关[52]。As、Ni、Cu排放规律差异不大,主要受金属冶炼和工业排放的影响[53-54],Cu的浓度高于As和Ni,可能是机动车排放对Cu贡献较大[55]。Pb是机动车排放的重要标志之一[56-57],然而近年来含Pb汽油的禁用导致大气中Pb的含量降低。目前的研究发现Pb主要源自化石燃料燃烧[58],燃煤中有20%的灰铅,其中1/3的Pb排入大气形成颗粒物[51],本研究中Pb的浓度最高值出现在冬季,主要受冬季煤燃烧影响。

    图 4  各元素的季节变化特征
    Figure 4.  Seasonal variations of the concentrations of metals.

    有机碳和元素碳的年均质量浓度分别为(13.02±6.69 )μg·m−3和(3.35±1.17 )μg·m−3,其变化特征见图5。EC与PM2.5的变化趋势一致,春、夏、秋季浓度变化不大,表明西安市一次排放较为稳定;冬季最高为(4.88±1.97 )μg·m−3,显著高于其他三季,可能是受机动车尾气排放和集中供暖燃煤排放共同影响。OC的季节变化与EC不同,春季最高为(15.62±5.84)μg·m−3,其次为冬季>夏季>秋季的污染特征。对比西安市2015年供暖期OC(25.7±20.7)μg·m−3与EC(10.8±7.0)μg·m−3浓度[59]发现,2017年OC与EC平均浓度分别下降39%和55%,表明西安市的燃煤控制对减少大气PM2.5排放效果显著。结合OC/EC值发现,年均值(4.05±1.49),波动范围1.51—10.02,显示出西安大气的二次污染现象[60-61]较为突出。秋季OC/EC值最小,仅有(2.97±0.85),说明秋季主要受机动车排放影响;冬季为(3.42±1.00),说明冬季碳气溶胶污染主要由燃煤等燃料燃烧及机动车尾气排放导致[20, 62]。OC和OC/EC的最高均值都在春季出现,春季的主导风向为风速较高的东南风(图2a),说明可能由含碳气溶胶的远距离传输导致。

    图 5  OC、EC的浓度及OC/EC的季节变化
    Figure 5.  Seasonal variations of the concentrations of OC,EC and OC to EC ratio

    PM2.5源浓度贡献具有显著的季节性特征,如图6所示。春季尘源贡献最高,达到(2.57±2.26)μg·m−3,可能归因于2017年春季的几次沙尘暴事件,如2017-04-18和2017-04-19;冬季煤燃烧贡献最高,达到(58.07±32.50) μg·m−3,说明是由寒冷季节大量燃煤集中供暖导致。工业排放的季节变化不明显,全年波动较为稳定,但仍能看出冬季的平均贡献有所降低,说明西安市的工业水平较为稳定。金属过程呈现全年递增趋势,冬高春低,平均质量浓度范围为(2.23±3.64)—(7.75±5.65) μg·m−3,可能受金属制造业影响。二次硝酸盐的季节变化呈现季节锯齿状,春高夏降秋增冬落,平均质量浓度分别为(13.24±12.86)、(0.84±3.02)、(14.66±10.83)、(8.33±9.95 )μg·m−3;夏季贡献最低可能是夏季高温(如图2b)天气利于颗粒态硝酸盐分解为气态硝酸和氨;二次硫酸盐的季节变化特征呈现夏季最高,春季次之,秋冬两季大幅降低的趋势,夏季最高源于高温高湿(如图2b)的气象条件利于硫酸盐颗粒的产生;二次硫酸盐和硝酸盐冬季贡献较低,说明燃煤锅炉的超低改造以及低温低湿(如图2b)的气象条件共同导致。机动车排放的季节变化特征呈现全年逐渐递增的趋势,但冬季相比秋季增幅较低,平均质量浓度范围为(7.21±9.2)—(12.67±5.39) μg·m−3,表明虽然机动车保有量不断增加,但政府在冬季机动车的限行措施对机动车排放降低有突出贡献。

    图 6  PM2.5源贡献的季节变化
    Figure 6.  Seasonal variations of the seven factor contributions to PM2.5.

    图7为全年不同季节各个源对PM2.5的贡献百分比。春季煤燃烧和二次硝酸盐对PM2.5的贡献达到47%,几乎是其他污染源的贡献总和;二次硫酸盐、机动车排放的贡献亦不可忽视,达到29%。结合气象条件(详见图2a)发现,春季主导风向为风速相对较高的东南风,处于下风向的西安地区可能受污染传输影响。夏季PM2.5主要来自二次硫酸盐和机动车排放,贡献分别达到34%和27%,煤燃烧贡献最低,仅有2%,夏季北风是主导风向,风速2—6 m·s−1。秋季PM2.5的贡献与春季相似,均为二次硝酸盐、煤燃烧贡献较高,机动车排放次之。秋季没有主导风向,表明秋季存在较为复杂的潜在污染源;且4—6 m·s−1的风速有利于污染物的扩散与传输;复杂风向与较高风速相结合导致秋季PM2.5浓度相对较低.

    图 7  不同源对PM2.5的贡献的季节变化
    Figure 7.  Seasonal percentage of different factors to PM2.5.

    冬季煤燃烧的贡献最高,达到51%;此外,机动车排放贡献11%,其他污染源贡献20%。冬季主导风向为较低风速的东南风,且冬季大气层结稳定,混合层高度相对较低,不利于污染物扩散,说明冬季的污染多是本地污染的排放累积。

    为研究西安市大气PM2.5污染水平及其来源,本文采集2017年四季共121个大气PM2.5样品,分析其水溶性离子、有机碳、元素碳和元素,并利用正矩阵因子分析解析其来源。通过研究获得以下主要结论:

    (1)2017年PM2.5的年均值为(64±45) μg·m−3,范围15—307 μg·m−3;冬季最高,其次为秋季、春季和夏季;OM、SO24NO3及元素对PM2.5的贡献分别为33%、13%、14%和20%;Ca2+对PM2.5的年均贡献为8%,且各季节贡献较为稳定。

    (2)西安市PM2.5的水溶性离子中SO24NO3NH+4和Ca2+占总水溶性离子的89%,占PM2.5的46%;主要受扬尘、机动车排放、煤燃烧及二次污染影响。

    (3)西安市PM2.5中总元素年均浓度为(13.95±8.17 )μg·m−3,占PM2.5年均浓度的22%。Pb、Zn、Mn、Ba、Cu、As、Ni、V和Cr等元素主要来自人为排放,如金属冶炼、工业排放、机动车及煤燃烧。

    (4)EC冬季浓度最高,达到(4.88±1.97) μg·m−3;OC春季浓度最高,达到(15.62±5.84)μg·m−3;OC/EC的年均值为(4.05±1.49),表明碳气溶胶主要来自燃料燃烧、机动车排放及二次污染。

    (5)2017年西安市大气PM2.5主要受煤燃烧、机动车排放、二次硝酸盐和二次硫酸盐影响,同时受气象因素如风速风向影响显著,且冬季污染最为严重。

  • 图 1  近五年我国消费品暴露评估研究状况

    Figure 1.  Research status of consumer product exposure assessment in the past five years

    图 2  消费者行为特征分类

    Figure 2.  Classification of consumer behavior characteristics

    图 3  消费品暴露行为模式框架图

    Figure 3.  Framework of consumer product exposure behavior pattern

    表 1  消费品物理属性分类示例

    Table 1.  Examples of physical attributes of consumer products

    属性类型Attribute type 属性Attribute 说明Definition
    气体或气溶胶型液体半固体固体 气体 直接使用的灌装气体型产品,如野营设备燃料等气体产品.
    气溶胶喷雾 产品在装有一种或多种推进剂的加压容器中出售. 产生的喷雾可能由比泵喷雾器产生的喷雾更小的液滴组成,并且可能更易于吸入.
    泡沫喷雾 产品在使用过程中被喷成泡沫.
    泡沫 产品在使用过程中与空气或其他气体混合.
    液体 产品很容易从容器中倒出,但也可以使用刷子或其他器具取用.
    凝胶 产品是一种粘稠的液体,不容易从容器里倒出来. 该材料由单相组成,所有组分都溶解在一种溶剂中.
    糊状物 产品是粘稠的液体或半固体,不容易从瓶中倒出. 该材料由机械混合的多种相(油、水、固体)组成.
    浸渍片材 产品是浸渍固体的纤维片(例如,干燥片).
    粉末 粉状产品是自由流动的,由小颗粒的固体产品组成.
    固体 产品具有固定形状.
    属性类型Attribute type 属性Attribute 说明Definition
    气体或气溶胶型液体半固体固体 气体 直接使用的灌装气体型产品,如野营设备燃料等气体产品.
    气溶胶喷雾 产品在装有一种或多种推进剂的加压容器中出售. 产生的喷雾可能由比泵喷雾器产生的喷雾更小的液滴组成,并且可能更易于吸入.
    泡沫喷雾 产品在使用过程中被喷成泡沫.
    泡沫 产品在使用过程中与空气或其他气体混合.
    液体 产品很容易从容器中倒出,但也可以使用刷子或其他器具取用.
    凝胶 产品是一种粘稠的液体,不容易从容器里倒出来. 该材料由单相组成,所有组分都溶解在一种溶剂中.
    糊状物 产品是粘稠的液体或半固体,不容易从瓶中倒出. 该材料由机械混合的多种相(油、水、固体)组成.
    浸渍片材 产品是浸渍固体的纤维片(例如,干燥片).
    粉末 粉状产品是自由流动的,由小颗粒的固体产品组成.
    固体 产品具有固定形状.
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-11-13
  • 录用日期:  2025-02-18
  • 刊出日期:  2025-03-27
宗艺晶, 李焘, 郭兴洲, 刘霞, 吕庆. 消费品化学风险物质暴露评估研究进展[J]. 环境化学, 2025, 44(3): 1133-1142. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024111305
引用本文: 宗艺晶, 李焘, 郭兴洲, 刘霞, 吕庆. 消费品化学风险物质暴露评估研究进展[J]. 环境化学, 2025, 44(3): 1133-1142. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024111305
ZONG Yijing, LI Tao, GUO Xingzhou, LIU Xia, LYV Qing. Research progress on exposure assessment of chemical risk substances in consumer products[J]. Environmental Chemistry, 2025, 44(3): 1133-1142. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024111305
Citation: ZONG Yijing, LI Tao, GUO Xingzhou, LIU Xia, LYV Qing. Research progress on exposure assessment of chemical risk substances in consumer products[J]. Environmental Chemistry, 2025, 44(3): 1133-1142. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024111305

消费品化学风险物质暴露评估研究进展

    通讯作者: liuxia@cnis.ac.cn;  Tel:010-53897468,E-mail:Lvqing2009@126.com
  • 1. 中国检验检疫科学研究院,国家市场监督管理总局重点实验室(消费品质量安全检测与风险评估),北京,100176
  • 2. 中国标准化研究院,质量研究分院,北京,100191
基金项目:
国家重点研发计划项目(2022YFF0606204)和中央基本科研业务费项目(552024Y-11401)资助.

摘要: 日常使用的消费品是普通人群接触化学污染物的重要来源之一,在消费者使用产品的过程中,化学污染物可能通过直接或间接接触对人体产生危害. 与空气、水、土壤、膳食等其他来源的环境污染物相比,消费品类型多种多样,消费者接触消费品的行为具有个体差异性和不确定性,来源于消费品中的化学物质转移、摄入过程也较为复杂. 本文综述了消费品暴露评估研究的发展历程及国内外研究发展现状,重点从“人-物-场”的角度对影响消费品暴露评估的消费者特征、消费品特征和暴露场景进行深入分析阐述,归纳了8种主要的消费品暴露行为模式,可为开展消费品中化学风险物质暴露评估及其对人体健康的影响研究提供参考.

English Abstract

  • 化学污染物会以一定的浓度和状态存在于空气、水、土壤、食物以及日常消费品中,经过人体的吸收和代谢对健康产生影响. 与其他环境暴露行为模式相比,消费品的类型和人体接触消费品的行为复杂且多样,来源于消费品中的污染物转移、摄入过程也更为复杂. 消费品中的化学污染物主要来源于原材料或者生产加工过程有意或无意引入的添加剂,如玩具中的增塑剂、服装中的染料和整理剂、仿真饰品中的重金属等. 在消费品使用过程中,这些化学污染物可能通过直接或间接接触危害人体健康. 为保护消费者人身健康和生命安全,暴露评估作为化学风险的主要评估手段,在消费品安全评估领域不断应用和发展.

    本文综述了消费品暴露评估研究的发展历程,以及国内外研究发展状况. 借鉴事故致因系统理论,将消费者、消费品、消费品暴露场景及其之间的交互关系概括为“人-物-场”系统. 基于该系统,深入分析了消费者特征、消费品特征和消费暴露场景,并系统总结了消费品暴露行为模式和途径,旨在为消费品安全和环境健康相关领域研究人员和管理人员提供参考.

    • 暴露评估最早出现在20世纪初,应用于流行病学、劳动卫生学以及保健物理学领域,自20世纪70年代起,被广泛用于化学品污染问题的相关研究[1]. 1980年联合国国际化学品安全规划署成立,其主要任务为开展化学品对人体健康及环境的风险评估[2]. 1983年美国国家科学院提出了健康风险评估四步法:危害鉴定、剂量-反应关系评估、暴露评估和风险表征. 之后,美国环保署(EPA)发布了消费者使用消费品时的化学物质暴露估计标准场景和评估方法,并陆续发布了《暴露评估指南》、《暴露参数手册》、《风险评估指南》等技术性文件[3],并在90年代的技术文件修订中将消费品及居住暴露参数加入其中[4].

      20世纪90年代,荷兰国家公共卫生与环境研究所(RIVM)、欧洲生态毒理学和化学品毒理学中心(ECETOC)、欧盟健康与消费品保护研究所(IHCP)、世界卫生组织(WHO)等机构和组织开始在消费品暴露评估领域开展研究工作,并发布了一系列消费者暴露评估的原则和方法文件[57],在此基础上,欧洲通过Exopfacts计划建立了关于暴露参数相关资料的数据库. 2000年之后,欧美等发达国家开发出适用于部分领域的消费品暴露模型和相关计算软件,并不断完善. 如,RIVM最新版本的ConsExpo Web包括了空气清新剂、清洁和洗涤用品等7种产品的暴露场景和模型,建立了蒸发模型、喷雾模型、固体材料排放模型等不同应用范围和复杂程度的模型[7];ECETOC的TRA工具中针对消费者的评估工具,涵盖了46种产品和物品类型,并对不同暴露途径提供不同算法[8];EPA的ExpoBox则提供了丰富的暴露评估资料资源,包括方法、介质、暴露途径、评估层次和类型、生命阶段和人群,以及化学分类6个工具集,为暴露评估人员提供了实用的工具箱[9]. 此外,Huang等[10]深入总结了消费品在近场化学释放及相关的多种人体暴露模型,其将化学物质的传递分为从产品到近场空间和从近场空间到人体界面两个阶段,分别阐述了不同释放模式、不同暴露途径的建模方法,为消费品暴露评估提供了系统且精细化的视角.

      在理论研究方面,虽然欧美等国外机构目前已开发并提供了ConsExpo、TRA等消费品暴露评估软件和工具,但相关工具相对较为复杂,用户必须熟悉每种可选模型的工作原理及其包含的固有假设或限制,并了解大量输入参数,才能做出适当的模型选择决定. 在暴露评估方法应用方面,欧美早期涉及消费品化学物质暴露的相关研究主要集中于清洁用品、家用溶剂、杀虫剂等日用化学品. 在2011年韩国加湿器杀菌剂致死事件引发关注后,韩国学者对空气清新剂、喷雾剂等消费品的吸入暴露健康风险开展了一系列研究[1113].

    • 我国在消费品暴露评估方面起步较晚,但近年来有所进展. 在“十二五”期间,环境保护部组织了中国儿童、青少年和成人群体的环境暴露行为模式研究,发布了中国人群暴露参数手册,其中收录了与手机、电脑等产品使用相关的时间-活动模式参数,反映目标人群在日常生活中对电磁辐射的暴露时间或暴露强度[14]. 2021年,GB/T 41005-2021《消费品安全 化学危害风险评估通则》和GB/T 41007-2021《消费品安全 化学危害表征和暴露评估指南》发布,提供了针对消费品化学危害暴露评估的过程和方法指导,参照IHCP、RIVM等机构开发的暴露模型涵盖6种类型消费品暴露场景[15].

      通过中国知网期刊数据库(CNKI)对我国近5年(2020年1月至2024年9月)开展的与消费品暴露评估的相关研究进行关键词系统性检索,再对明确涉及消费品的文献进行人工筛选,获得相关文献72篇,结果如图1所示.

      2020年以来,消费品暴露评估相关研究数量逐年增长,显示出该领域正在逐步得到关注和重视. 其中,综述型文献17篇(23.3%),王志娟等[1617]综述了国内外现有的暴露模型和参数设置研究概况,建立适用我国消费者使用行为特点的多种暴露模型;宗艺晶等[1819]对消费品暴露评估中消费者生理和行为暴露参数的研究方法及其数据可用性进行了分析评述;李潍等[20]对比了欧盟及美国的化学品健康风险评估中数据质量评估方法,提出我国的暴露评估数据质量评估技术建议. 从研究对象来看,儿童用品[2123]、食品接触产品[2426]、化妆品和个人护理用品[2729]相关研究较多;从化学污染物来看,主要涉及重金属、挥发性有机化合物、邻苯二甲酸酯等. 这些研究为我国消费品暴露评估领域的发展提供了应用和实践支撑.

      近年来,高通量非靶向筛查技术与暴露评估相结合的研究成为新兴研究方向,通过对某类消费品中含有的未知风险物质进行筛查,识别判断出有毒有害需要管控的物质,再进一步开展暴露评估和风险评估,判断其风险是否处于可接受水平. 该类研究不再局限于重金属、邻苯二甲酸酯、苯系物等研究较为成熟的化合物,对关注度较低的新型有害化学物质暴露评估作出积极探索. 中国检验检疫科学研究院在此方面开展了大量工作,例如刘雅慧等[30]对新型儿童驱蚊产品中经识别筛选的28种优先控制化合物开展了吸入和皮肤暴露途径的暴露风险评估;邵亚男等[31]对婴幼儿牙胶产品中20种有害物质进行筛查,并对3—12个月和12—24个月两个年龄组的儿童开展了暴露风险评估.

      在理论研究方面,我国的消费品暴露评估研究还未对各种产品和使用场景进行精细开发,开展暴露评估时主要引用国外成熟模型,对消费品使用行为相关暴露参数未开展过大规模调查,因此还不具备形成应用工具和参数数据库的条件. 在暴露评估方法应用方面,国内研究者主要聚焦儿童用品、食品接触产品等特定消费品的特定化学物质开展暴露评估应用. 上述应用研究侧重于使用暴露评估作为评价化学物质健康风险的方法和手段,选择合适的暴露评估模型,通过估计暴露参数代入公式计算特定化学物质的暴露剂量,仍然缺乏对消费品暴露行为系统性、全面性的梳理和构建.

    • 消费者是使用消费品的主体,也是化学物质暴露过程的受体. 在分析消费品暴露行为模式时,既要考虑消费者的生理特征,也要考虑消费者行为特征.

    • 与普通成年人群相比,儿童和老人由于认知和避险能力较低,一般被认为是弱势消费者. 儿童生理发育不完全,同样暴露剂量的化学危害可能造成更严重的健康风险,除身高、体重存在明显差异之外,儿童体表面积与体重之比大于成人;有较高的基础代谢率和能量消耗;皮肤渗透率、肺泡表面积、胃酸pH值、胃肠吸收和渗透性也与成人有所差异[32]. 此外不同发育阶段的特性与暴露于风险源的状况相结合,决定了儿童遭受伤害风险的方式不同于成年人,如婴幼儿的活动方式决定了他们会更多接触空气中和周围物品表面的化学物质,而在学会行走跑跳后活动范围扩大,在地板上玩耍并接触可能被污染的表面的时间随之减少. 老年人的能力缺陷主要体现在感官、机体反应和认知三方面[33]. 随着年龄增长,老年人能力缺陷发生频率及严重性也随之增加,尤其是对风险的认知和规避能力下降,使老年人可能面临更大的风险.

    • 在环境健康风险评价中,人的行为以时间-活动模式体现,常见参数包括室内外停留、游泳和洗浴及土壤接触时间等. 但是由于消费品使用行为更为复杂,上述时间-活动模式参数对消费品暴露行为的指导有限. 我们可以将消费者对于消费品的暴露行为分为三类:预期使用行为、可预见的合理滥用行为和防范行为(图2).

      预期使用,即正常使用行为,是按照产品制造商提供的操作说明,或按传统或习惯的、明显的产品使用方式使用[34]. 开展研究时,需要考虑到不同消费者使用和接触方式形成的多种预期使用情况,如室内杀虫气雾剂的施药者和施药后居民暴露[35],驱蚊帐的洗涤者和睡眠者暴露[36].

      可预见的合理滥用是在制造商非推荐的条件下,或不按制造商推荐的用途来使用产品,但又有可能发生的情况,如常见误操作、变更用途使用或儿童的故意拆卸、跌落、舔舐、啃咬等. 以玩具为例,国家标准要求考虑跌落、扭力、拉力、挠曲测试等可预见的合理滥用情况[37],也有学者关注儿童口部与物体接触行为,分析综述了物口接触暴露参数及其采集方法[38].

      防范行为是消费者意识到产品或环境中可能存在危险,主动采取防范措施的行为. 在消费品的使用过程中佩戴防护用具、保持环境通风,在使用后及时清洗等,都是可以降低对化学物质暴露程度的有效防范行为. 如美国一些家庭清洁和室内涂料产品使用调查研究中,包含是否戴橡胶手套、帽子、口罩或是否通风等防范行为的内容[3941].

    • 由于消费品涵盖的范围较广,对消费品进行合理的分类,既有助于在产品所包含的化学风险源和消费品使用行为之间建立桥梁,也能够更好地反映与消费品暴露场景相关的其他因素.

    • 消费品种类繁多,按物理属性可以分为气体或气溶胶型(如喷雾类)、液体型(如清洁剂、油漆等)、半固体型(如粉末、凝胶等)和固体型消费品(表1[42]. 不同物理属性消费品中化学物质的逸散性存在差异,影响其在生物系统中的可用性. 人体与不同物理属性消费品的接触方式也不同,如气体或气溶胶型消费品主要通过吸入暴露;液体型消费品则通过皮肤暴露和蒸发后的吸入暴露;固体型消费品以皮肤暴露和物-口接触、意外摄入等非饮食暴露为主.

    • 从暴露行为角度,消费品的使用寿命也是暴露风险的影响因素之一. 按使用寿命,消费品可分为耐用、非耐用和消耗型消费品. 参考宏观经济领域的定义,耐用消费品是指使用时间在一年以上,持续提供服务或者效用的物品[43],例如家具、家电等;非耐用消费品指使用时间在一年以下[44],但产品数量不会随着使用次数而减少的物品,例如童装、牙刷、毛巾等;消耗性消费品是指只能使用一次或多次的可消耗的物品,例如纸巾、纸尿裤、洗涤剂、胶水等. 对持续提供服务和效用的耐用消费品和非耐用消费品,在暴露评估时主要关注产品使用持续时间和使用频率,而对消耗性消费品,则主要关注单次使用量和使用频率.

    • 化学物质在消费品与消费者之间的转移过程,需要通过环境介质来实现. 在大多暴露评估中,呼吸道吸入、消化道摄入和皮肤接触三种是最常见的暴露路径,此外还有眼部、黏膜等较少涉及的暴露路径.

    • 经呼吸道暴露场景可以考虑消费品使用后吸入和消费品使用时直接吸入两类暴露场景. 一是消费品使用后吸入型,是在相对长的一段时间内,消费品中的化学物质通过挥发、蒸发等方式逸散到空气中,并相对均匀地分散在消费品和消费者共同所在的微环境中. 在该场景中,一般考虑的环境介质范围即为房间体积大小范围内的空气. 二是消费品使用时直接吸入型,一般是在消费品使用过程中或使用后相对较短时间内直接吸入体内. 例如,喷雾类消费品使用时,靠近人的空气中产品浓度会高于房间其他位置的浓度. 一些模型在评估喷雾类消费品的暴露剂量时,假设喷雾云的分布为一个高为1 m,直径为0.5 m的锥体,体积近似默认值为0.0625 m3 [10].

    • 在环境暴露评估中,经消化道暴露主要考虑饮食(食物、饮料)和非饮食(土壤、灰尘及其他)摄入,而在消费品暴露评估中,经消化道暴露的场景除了通过饮食摄入之外,在非饮食摄入中可细分为物-口接触、手-口接触、意外摄入等暴露场景.

      饮食摄入场景. 主要考虑食品接触制品(如餐饮具、厨具等)中的化学物质在长期与盛装的食物、饮料接触过程中容易发生迁移,进入到饮食介质中,再摄入人体. 我国对食品接触制品的分类主要按材质分为纸、竹、木、金属、搪瓷、塑料、橡胶等,而美国根据接触食品的几率将其分为长期接触(最终包装)、接触媒介(临时盛放食物的容器)、短期或伴随接触(食品加工中所用的传送带等)[45],后者的分类方式从暴露评估的角度更具有借鉴意义.

      物-口接触场景. 部分食品接触制品(如勺、叉、筷子、吸管、奶嘴等)在使用时与口腔产生直接接触. 此外,儿童在发育过程中会将物品体触及口唇、舌或放入口中,进行舔、吮吸、咀嚼或啃咬等行为,尤其婴幼儿会用口吸吮物品. 在消费品与口腔直接接触的过程中,消费品中的化学物质可能迁移到唾液中并摄入人体. 李冠苇等[38]基于国内外儿童物-口接触行为的研究,深入分析了儿童口部与玩具等物件接触持续时间、接触频率、口咬力度、口腔尺寸、唾液成分等重要的儿童口部行为参数,总结了儿童物-口接触行为规律,为物-口接触暴露风险评估、制定检测方法及标准提供依据.

      手-口接触场景. 手-口接触与物-口接触相似,也是儿童特定发育时期的行为模式之一,儿童会将手指放入嘴部进行舔、吮吸、咀嚼或啃咬等行为[46]. 消费品中的化学物质以微尘或其他残留物形式,经手到口,再进入消化道. 如田勇等[23]在评估玩具水晶泥中硼对儿童暴露健康风险时,针对水晶泥为半流动泥状物、具有一定黏性等特点,认为儿童在玩耍过程中水晶泥会黏附在手上,或残留于指甲缝隙,在儿童手-口接触时,会经口摄入,因此将手-口接触暴露作为经消化道暴露的主要暴露途径.

      意外摄入场景. 由于儿童的物-口、手-口接触行为,有可能将一些小体积的消费品或零部件含在口中,并导致意外摄入. 在临床上,儿童常见的消化道异物类型包括硬币、纽扣电池、磁性异物、棒棒糖棒、发夹等[4748]. 目前国内外研究更多关注纽扣电池、磁性异物等高伤害异物[4951],对一般消费品意外摄入的化学物质危害研究较少,但意外摄入也是不可忽视可能导致消费品化学物质危害的途径之一.

    • 相对于经呼吸道暴露和经消化道暴露,皮肤吸收过程较为复杂,且影响因素众多,包括水合性、温度、皮肤表面状态(如皮肤角质层是否损伤等情况)、皮肤的局部差异(不同部位皮肤吸收率不同)、其他进入途径、个体差异、化合物的理化特性、载体和媒介物质、协同效应等多种因素混合影响[52]. 消费者在产品使用过程中,对产品中的化学物质有很广泛的皮肤接触或暴露,可能发生在不同环境介质的行为活动中,包括水(洗澡、洗漱、洗衣等)、日化产品等其他液体的使用、固体直接接触、蒸汽或气体沉降、微尘或残渣沉降等[14]. 此外,产品接触皮肤的频率和强度,以及化学物质从产品中释放的情况都会影响皮肤暴露情况.

    • 由于消费品种类差异大,使用行为复杂等原因,国内消费品暴露评估研究主要集中于特定产品类别的暴露评估,缺乏对消费品暴露行为系统性、全面性的梳理和构建. 本文从“人-物-场”角度综述了消费品暴露行为模式和特征. 在“人”的方面,部分研究关注儿童在生理特征和行为特征方面的差异性,但少有讨论消费者预期使用行为、可预见的合理滥用行为以及防范行为等在暴露评估中的影响. 在“物”的方面,研究多聚焦于具体产品,但目前尚未形成对消费品暴露评估具有指导意义或达成共识的产品分类,有待学者在这一领域继续开展系统性研究和探讨. 在“场”的方面,国内外研究已形成基本共识,主要暴露途径为经呼吸道、消化道和皮肤暴露,三种暴露途径的细分场景在不同研究中也均有涉及.

      根据对消费者、消费品以及暴露场景特征的分析,构建了消费品暴露行为模式框架(图3). 消费品类型和消费品中的化学物质共同作用,影响消费品暴露行为模式以及暴露途径,主要包括呼吸道暴露、消化道暴露和皮肤暴露3种途径,一般有空气吸入、喷雾剂吸入、饮食摄入、物-口接触、手-口接触、意外摄入、液态介质皮肤接触和固态介质皮肤接触8种模式. 未来研究可基于此消费品暴露行为模式框架,在宏观层面开展消费品暴露系统性和共性的影响因素、暴露模型构建、暴露参数研究方法等方面的研究,在微观层面深入挖掘不同消费品、不同化学危害物通过特定暴露行为导致的健康影响机理,从而加强消费品暴露风险评估研究水平,为制定更为科学、有效的消费品质量安全政策提供依据.

    参考文献 (52)

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