徐忠香 吳以中 劉頓開

(南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 211800)

隨著工業(yè)社會(huì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，環(huán)境污染問題日趨復(fù)雜，不僅污染物的數(shù)量和種類不斷增加，而且交互作用形式日益多樣化[1]，對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境造成了極大的危害。因此，控制污染物排放是當(dāng)前重要任務(wù)。

環(huán)境影響評(píng)價(jià)和環(huán)境規(guī)劃領(lǐng)域涉及多種化學(xué)污染物，然而目前國(guó)內(nèi)外制定的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)并不完整。對(duì)于特征污染物的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)幾乎沒有相關(guān)的研究，國(guó)外僅美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室推算出化學(xué)污染物在各種環(huán)境介質(zhì)(空氣、水、土壤)中的含量及排放量的限定值，即多介質(zhì)環(huán)境目標(biāo)值(MEG)[2-4]。MEG包括周圍環(huán)境目標(biāo)值(AMEG)和排放環(huán)境目標(biāo)值(DMEG)[5-6]。環(huán)境中污染物對(duì)人體或生態(tài)系統(tǒng)的影響以及對(duì)一些尚沒有環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值的有毒污染物的評(píng)價(jià)，可參照MEG。目前共推算了600多種化學(xué)污染物的MEG,其中主要是根據(jù)大鼠經(jīng)口給毒的半數(shù)致死劑量(LD50)進(jìn)行估算。

本研究主要通過研究LD50(大鼠)與LD50(小鼠)、LD50(兔)的相關(guān)性，擬建LD50(大鼠)與LD50(小鼠)、LD50(大鼠)與LD50(兔)的回歸方程，基于MEG理論，推算大氣環(huán)境目標(biāo)值(AMEGAH)的估算公式擴(kuò)展方程，解決環(huán)境評(píng)價(jià)和環(huán)境規(guī)劃領(lǐng)域特征有毒污染物缺少大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)實(shí)問題。根據(jù)美國(guó)EPA環(huán)境實(shí)驗(yàn)室推算AMEGAH的估算模式為：

cAH=0.107×crat

(1)

式中：cAH為大氣環(huán)境目標(biāo)值，μg/m3；crat為大鼠經(jīng)口給毒的半數(shù)致死劑量，mg/kg。

1 研究方法

由于實(shí)驗(yàn)條件有限，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定各有機(jī)毒物的LD50并不可行，故采用資料收集法。篩選農(nóng)藥、制藥等精細(xì)化工行業(yè)所使用的化學(xué)品，收集并整理其毒性數(shù)據(jù)，使用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法對(duì)LD50(大鼠)與LD50(小鼠)、LD50(兔)進(jìn)行相關(guān)性分析。

1.1 數(shù)據(jù)收集與整理

本次研究需收集大氣中各種常見有機(jī)毒物對(duì)不同物種(大鼠、小鼠以及兔)毒性影響的LD50[7]，由此選取了《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(TJ 36—79)、《有毒化學(xué)物質(zhì)毒性手冊(cè)》、《蘇聯(lián)居民區(qū)大氣中有害物質(zhì)的最大允許濃度》中常見有毒物以及美國(guó)EPA公布的129種優(yōu)先控制水環(huán)境污染物和中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站等單位提出的68種水環(huán)境優(yōu)先控制污染物，共400多種常見化學(xué)污染物。通過查詢美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書館網(wǎng)站，得到相應(yīng)的毒性數(shù)據(jù)。

經(jīng)過整理，主要驗(yàn)證以下兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)性：(1)LD50(大鼠)和LD50(小鼠)；(2)LD50(大鼠)和LD50(兔)。

1.2 數(shù)學(xué)分析方法

本次數(shù)據(jù)處理使用SPSS 17.0[8]軟件，具有數(shù)據(jù)整理、分析、統(tǒng)計(jì)和結(jié)果輸出等功能。進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，相關(guān)分析與回歸分析是非常重要的手段。相關(guān)分析是回歸分析的基礎(chǔ)和前提，回歸分析是相關(guān)分析的深入和繼續(xù)[9]。先利用Pearson線性相關(guān)分析研究以上兩組數(shù)據(jù)間是否存在線性相關(guān)，若數(shù)據(jù)間存在相關(guān)性，則繼續(xù)利用線性函數(shù)對(duì)其進(jìn)行回歸分析；若線性相關(guān)度不高，則考慮非線性模型，選擇擬合優(yōu)度高的曲線進(jìn)行回歸分析。若兩組數(shù)據(jù)間不存在線性相關(guān)，則證明數(shù)據(jù)為非正態(tài)性分布，進(jìn)而采用Spearman秩相關(guān)分析，若分析結(jié)果存在相關(guān)性，則繼續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立各組數(shù)據(jù)間的數(shù)量關(guān)系即回歸方程。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 LD50(大鼠)與LD50(小鼠)、LD50(兔)的關(guān)系分析

2.1.1 線性相關(guān)分析

(1) LD50(大鼠)與LD50(小鼠)線性相關(guān)分析

圖1(選取197組數(shù)據(jù))為L(zhǎng)D50(大鼠)與LD50(小鼠)相關(guān)性分析散點(diǎn)圖。由圖1可知，兩者有相關(guān)趨勢(shì)。經(jīng)過Pearson線性相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為0.986，P=0<0.05，即LD50(大鼠)與LD50(小鼠)存在極顯著正相關(guān)性(見表1)。

圖1 LD50(大鼠)與LD50(小鼠)相關(guān)性分析散點(diǎn)圖Fig.1 Scatter diagram of correlation analysis between LD50 (rat) and LD50 (mouse)

項(xiàng)目LD50(大鼠)LD50(小鼠)LD50(大鼠)相關(guān)系數(shù)1．0000．986??P0LD50(小鼠)相關(guān)系數(shù)0．986??1．000P0

注：1)**表示在0.01水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān)，表2同。(2) LD50(大鼠)與LD50(兔)線性相關(guān)分析

圖2(選取110組數(shù)據(jù))為L(zhǎng)D50(大鼠)與LD50(兔)相關(guān)性分析散點(diǎn)圖。從圖2可以看出，兩者有相關(guān)趨勢(shì)。同理，經(jīng)過Pearson線性相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為0.980，P=0<0.05，即LD50(大鼠)與LD50(兔)存在極顯著正相關(guān)性(見表2)。

圖2 LD50(大鼠)與LD50(兔)相關(guān)性分析散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter diagram of correlation analysis between LD50 (rat) and LD50 (rabbit)

項(xiàng)目LD50(大鼠)LD50(兔)LD50(大鼠)相關(guān)系數(shù)1．0000．980??P0LD50(兔)相關(guān)系數(shù)0．980??1．000P0

2.1.2 線性回歸分析

經(jīng)過初步線性相關(guān)分析，上述兩組數(shù)據(jù)均呈正相關(guān)性，可進(jìn)一步進(jìn)行回歸分析，擬建回歸模型。

(1) LD50(大鼠)與LD50(小鼠)的線性回歸分析

由表3可知，LD50(大鼠)為因變量，LD50(小鼠)為自變量，回歸模型的判定系數(shù)(R2)為0.972，說明自變量可解釋因變量97.2%的變異量，對(duì)模型自身的檢驗(yàn)P=0<0.05，說明LD50(小鼠)對(duì)于LD50(大鼠)的回歸方程是成立的。由于常數(shù)項(xiàng)檢驗(yàn)P=0.727>0.05，接受常數(shù)項(xiàng)為0的假設(shè)，方程的常數(shù)項(xiàng)為0；LD50(小鼠)的b1檢驗(yàn)P=0<0.05，拒絕為0的假設(shè)，方程b1為0.992(見表4)。

回歸分析的結(jié)果顯示，LD50(小鼠)對(duì)LD50(大鼠)有預(yù)測(cè)作用，擬合的回歸方程如下：

crat=0.922cmouse

(2)

式中：cmouse為小鼠的半數(shù)致死劑量，mg/kg。

(2) LD50(大鼠)與LD50(兔)的線性回歸分析

由表5可知，LD50(大鼠)為因變量，LD50(兔)為自變量，回歸模型的R2為0.960，說明自變量可解釋

因變量96.0%的變異量，對(duì)模型自身的檢驗(yàn)P=0<0.05，說明LD50(兔)對(duì)于LD50(大鼠)的回歸方程是成立的。由于常數(shù)項(xiàng)檢驗(yàn)P=0.729>0.05，接受常數(shù)項(xiàng)為0的假設(shè)，方程的常數(shù)項(xiàng)為0；LD50(兔)的b1檢驗(yàn)P=0<0.05，拒絕為0的假設(shè)，方程b1為0.831(見表6)。

回歸分析的結(jié)果顯示，LD50(兔)對(duì)LD50(大鼠)有預(yù)測(cè)作用，擬合的回歸方程如下：

crat=0.831crabbit

(3)

式中：crabbit為兔的半數(shù)致死劑量，mg/kg。

通過上述分析結(jié)果可知，LD50(大鼠)與LD50(小鼠)、LD50(兔)均存在相關(guān)性，并得到線性回歸方程。但是否存在擬合效果更佳的回歸方程，有待后續(xù)分析。故繼續(xù)對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸分析。

2.1.3 非線性回歸分析

選取常見的10種曲線模型，采用曲線估計(jì)，選擇擬合優(yōu)度較高的曲線進(jìn)行回歸分析。

(1) LD50(大鼠)與LD50(小鼠)的非線性回歸分析

表3 LD50(大鼠)與LD50(小鼠)線性回歸模型分析

注：1)表示方程的回歸系數(shù)，表4至表7、表9同。

表4 LD50(大鼠)與LD50(小鼠)線性回歸系數(shù)分析

表5 LD50(大鼠)與LD50(兔)線性回歸模型分析

表6 LD50(大鼠)與LD50(兔)線性回歸系數(shù)分析

表7 LD50(大鼠)與LD50(小鼠)非線性回歸模型匯總

注：1)表示方程的回歸系數(shù)，表9同。

表8 LD50(大鼠)與LD50(小鼠)三次模型系數(shù)分析

從表7可以看出，10種曲線模型中三次模型擬合優(yōu)度最高(R2=0.976)，方差檢驗(yàn)的F統(tǒng)計(jì)量為2 588.621，P=0<0.05，說明回歸方程整體達(dá)到顯著水平，LD50(小鼠)對(duì)LD50(大鼠)的非線性回歸方程是成立的。其三次模型曲線見圖3。由表8可知，三次模型的常數(shù)項(xiàng)檢驗(yàn)P=0.644>0.05，所以接受常數(shù)項(xiàng)為0。由參數(shù)估計(jì)值可得到回歸方程：

(4)

圖3 LD50(大鼠)與LD50(小鼠)的三次模型曲線Fig.3 Cubic function curve of LD50 (rat) and LD50 (mouse)

(2) LD50(大鼠)與LD50(兔)的非線性回歸分析 從表9可以看出，二次、三次模型擬合優(yōu)度相同且最高(R2=0.968)，選擇系數(shù)較少的二次模型。方差檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量F為1 618.831，P=0<0.05，說明回歸方程整體達(dá)到顯著水平，LD50(兔)對(duì)LD50(大鼠)的非線性回歸方程是成立的。其二次模型曲線見圖4。由表10可知，二次模型常數(shù)項(xiàng)檢驗(yàn)P=0.056>0.05，接受常數(shù)項(xiàng)為0的假設(shè)。根據(jù)參數(shù)估計(jì)值可得到回歸方程：

(5)

2.2 分析結(jié)果

通過以上分析，可得到結(jié)論如下：

(1) LD50(大鼠)與LD50(小鼠)具有極顯著正相關(guān)性。

(2) LD50(大鼠)與LD50(兔)具有極顯著正相關(guān)性。

表9 LD50(大鼠)與LD50(兔)非線性回歸模型匯總

表10 LD50(大鼠)與LD50(兔)二次模型系數(shù)分析

圖4 LD50(大鼠)與LD50(兔)的二次模型曲線Fig.4 Quadratic function curve of LD50 (rat) and LD50 (rabbit)

在線性和非線性回歸分析中，發(fā)現(xiàn)線性回歸方程的R2比非線性回歸方程小，即非線性方程擬合優(yōu)度高，相比之下，所得到的非線性回歸方程更能解釋兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系。因此，選用非線性回歸方程。

2.3 AMEGAH的擴(kuò)展方程

由于計(jì)算AMEGAH以代入大鼠經(jīng)口給毒LD50為佳，所以利用以上得到的兩組回歸方程能在未知大鼠經(jīng)口給毒LD50的情況下，已知其他兩個(gè)數(shù)據(jù)中任意一個(gè)，計(jì)算大鼠經(jīng)口給毒LD50。

將式(4)、式(5)代入AMEGAH的估算式(1)中，得到AMEGAH與LD50(小鼠)、LD50(兔)的關(guān)系式，如下：

(6)

(7)

3 結(jié) 語

研究表明，LD50(大鼠)與LD50(小鼠)、LD50(兔)存在極顯著正相關(guān)性，在MEG理論基礎(chǔ)上，由LD50(大鼠)與LD50(小鼠)、LD50(大鼠)與LD50(兔)的回歸方程建立了利用LD50(小鼠)和LD50(兔)推算的AMEGAH擴(kuò)展方程，可在已知LD50(大鼠)、LD50(小鼠)、LD50(兔)其中任意一個(gè)數(shù)據(jù)的情況下，計(jì)算AMEGAH作為有機(jī)毒物大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的推薦值，從而解決了數(shù)據(jù)庫中毒性數(shù)據(jù)不完整而無法推算有機(jī)毒物大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的難題。短期內(nèi)，國(guó)家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)不可能包括現(xiàn)有特征有機(jī)毒物，因此AMEGAH擴(kuò)展方程的建立，有效地解決了有機(jī)毒物環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)限值缺乏的問題，可用于特征污染物環(huán)境評(píng)價(jià)和環(huán)境規(guī)劃等環(huán)保工作。

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