一种基于多维度数据的饮用水中消毒副产物风险优先级评价方法及系统

本发明涉及环境健康风险评估与计算毒理学，尤其涉及一种基于多维度数据的饮用水中消毒副产物风险优先级评价方法及系统。

背景技术：

1、饮用水消毒是保障公共卫生安全的关键技术，其在二十世纪极大地降低了霍乱、伤寒和痢疾等介水传染病的发生与传播。然而，消毒剂（如氯、氯胺、臭氧等）会与水中的天然有机物、溴/碘离子、含氮物质及其他前体物发生反应，生成一系列具有潜在健康风险的消毒副产物（disinfection by-products，dbps）。自1974年首次在饮用水中检出三卤甲烷（thms）以来，已有超过700种dbps在各类消毒水体中被鉴定发现。流行病学与毒理学研究表明，长期暴露于dbps可能增加罹患膀胱癌、结肠癌的风险，并与骨关节炎、高血压、孕妇流产及新生儿出生缺陷等不良健康结局相关。因此，如何科学评估并有效管控饮用水中dbps的健康风险，成为环境科学与公共卫生领域持续关注的重要课题。

2、在众多dbps中，不同化合物的浓度、毒性、在人体内的归宿（吸收、分布、代谢、排泄，即adme过程）及在环境中的稳定性（如生物降解性、水解性）存在显著差异。面对有限的监管资源与研究精力，建立一套科学的优先级排序方法，以识别出风险最高的dbps进行重点监控与研究，显得尤为必要。

3、目前，已有一些方法被提出用于dbps的优先级排序。其中最典型的是由plewa等人建立的tic-tox（总摄入细胞毒性）方法，该方法综合了dbps在饮用水中的浓度（c）与其体外细胞毒性数据（tox），通过计算每种dbps的浓度与毒性贡献乘积来评估其相对风险。此方法因其概念清晰且经过实验验证，已被应用于评估特定区域饮用水中dbps的主要致毒因子。然而，该方法主要依赖浓度和细胞毒性两类数据，未能系统考虑dbps进入人体后复杂的生物转运与生物转化过程（即adme过程），而这些过程直接影响其最终到达靶器官的剂量与形态，从而影响实际毒性。此外，dbps在配水管网及环境中的化学稳定性与生物降解性，决定了其持久性与暴露可能性，现有主流方法对此亦考量不足。

4、除tic-tox方法外，其他一些污染物优先级评价方法或专利（例如，一些针对新污染物的排序方法）虽然尝试引入了更多参数，如遗传毒性、致癌性分类（iarc）、检出频率等，但仍存在明显局限：一方面，许多新兴dbps的相关毒理学数据（如致癌性、致突变性分类）严重匮乏，限制了这些方法的广泛适用性；另一方面，现有方法普遍缺少对adme过程的系统整合以及对化合物环境稳定性的定量化考量。

5、综上所述，现有确定饮用水中dbps监管优先级的技术方案，主要存在以下不足：

6、1.未充分考虑人体暴露的完整动力学过程：大多未系统纳入dbps在人体内的吸收、转运、代谢和排泄（adme）参数，导致对体内实际有效剂量和毒物动力学估计不足。

7、2.毒理学端点较为单一或有限：往往侧重于一种或少数几种毒性（如细胞毒性），未能整合更全面的潜在毒作用谱（如神经毒性、肝肾毒性、致癌性等）。

8、3.忽略或简化了环境稳定性因素：对dbps在水处理及输配过程中的降解、转化持久性关注不够，可能低估在长水力停留时间条件下某些转化产物（如thms、卤乙酸haas）的累积风险。

9、4.数据依赖性强，适用性受限：许多方法严重依赖于不完整或难以获取的特定实验毒理学数据，导致对新出现的、数据匮乏的dbps难以进行有效评价。

10、因此，本领域迫切需要一种更全面、更科学的优先级评价方法，该方法应能同时融合dbps的暴露浓度（c）、在生物体内的归宿行为（b，涵盖吸收、转运、代谢、排泄）、多重毒性效应（t）以及环境稳定性（s）等多维度信息，并能够利用现有预测工具弥补实验数据的缺口，从而实现对饮用水中dbps，特别是数据缺失的新兴dbps，进行更准确、更普适的风险优先级排序。

技术实现思路

1、为此，本发明实施例提供了一种基于多维度数据的饮用水中消毒副产物风险优先级评价方法及系统，用于解决现有技术中评价维度单一、未充分考虑生物体内过程与环境稳定性导致优先级排序不准确的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于多维度数据的饮用水中消毒副产物风险优先级评价方法，该方法包括以下步骤：

3、s1：获取目标消毒副产物清单中每种消毒副产物在饮用水中的暴露浓度数据；获取所述每种消毒副产物的生物过程特征数据、毒性特征数据和环境稳定性特征数据；其中，所述生物过程特征数据包括与人体吸收、转运、代谢和排泄相关的参数；

4、s2：基于所述暴露浓度数据、所述生物过程特征数据、所述毒性特征数据和所述环境稳定性特征数据，分别计算获得浓度评分、生物过程综合评分、毒性评分和稳定性评分；

5、s3：将所述浓度评分、所述生物过程综合评分和所述毒性评分进行组合计算，得到第一综合风险评分；和/或，将所述浓度评分、所述生物过程综合评分、所述毒性评分和所述稳定性评分进行组合计算，得到第二综合风险评分；

6、s4：依据所述第一综合风险评分和/或所述第二综合风险评分，确定所述目标消毒副产物清单中各种消毒副产物的风险优先级。

7、优选地，步骤s1中，所述暴露浓度数据为基于历史监测文献数据统计得到的平均摩尔浓度；步骤s2中，所述浓度评分的计算方式包括：根据所述平均摩尔浓度在所述目标消毒副产物清单中的百分位数区间进行赋值。

8、优选地，步骤s1中，所述生物过程特征数据和所述毒性特征数据通过计算毒理学预测模型获得；所述环境稳定性特征数据通过环境归趋预测模型获得。

9、优选地，所述计算毒理学预测模型包括admet预测模型，用于预测与人体吸收、转运、代谢、排泄以及多种毒性端点相关的参数；所述环境归趋预测模型用于预测生物降解潜力和水解速率。

10、优选地，步骤s2中，计算所述生物过程综合评分包括：

11、s21：分别基于所述吸收、转运、代谢和排泄相关的参数，计算获得吸收子评分、转运子评分、代谢子评分和排泄子评分；

12、s22：对所述吸收子评分、转运子评分、代谢子评分和排泄子评分的求和值进行百分位数区间赋值，得到吸收评分、转运评分、代谢评分和排泄评分；

13、s23：计算所述吸收评分、转运评分、代谢评分和排泄评分的平均值，以作为所述生物过程综合评分。

14、优选地，步骤s2中，计算所述毒性评分包括：对多种毒性端点的预测结果进行评分并求和，再根据求和值在所述目标消毒副产物清单中的百分位数区间进行赋值。

15、优选地，步骤s2还包括稳定性评分修正步骤：针对所述目标消毒副产物清单中的三卤甲烷和卤乙酸类消毒副产物，基于其稳定性评分的最高值计算修正系数，并将所述修正系数加至所述三卤甲烷和卤乙酸类消毒副产物各自的稳定性评分上，得到修正后的稳定性评分，用于步骤s3中计算所述第二综合风险评分。

16、优选地，步骤s3中，所述第一综合风险评分的计算公式为：，其中，为第一综合风险评分，表示连乘运算，score-c为浓度评分，score-b为生物过程综合评分，score-t为毒性评分；和/或，所述第二综合风险评分的计算公式为：，其中，为第二综合风险评分，为修正后的稳定性评分。

17、优选地，步骤s4中，依据所述第一综合风险评分和/或所述第二综合风险评分，确定所述目标消毒副产物清单中各种消毒副产物的风险优先级，具体包括：

18、对score-cbt和/或score-cbts进行标准化处理，得到标准化评分normalizedscore：

19、；

20、其中，为待标准化的score-cbt或score-cbts，和分别为所有目标消毒副产物中score-cbt或score-cbts的最大值和最小值；

21、设定多个风险等级区间，将normalized score落入不同区间的消毒副产物分别界定为不同等级的风险优先级。

22、本发明实施例还提供了一种基于多维度数据的饮用水中消毒副产物风险优先级评价系统，该系统用于实现上述所述的基于多维度数据的饮用水中消毒副产物风险优先级评价方法，具体包括：

23、数据获取模块，用于获取目标消毒副产物清单中每种消毒副产物在饮用水中的暴露浓度数据；获取所述每种消毒副产物的生物过程特征数据、毒性特征数据和环境稳定性特征数据；其中，所述生物过程特征数据包括与人体吸收、转运、代谢和排泄相关的参数；

24、基础评分计算模块，用于基于所述暴露浓度数据、所述生物过程特征数据、所述毒性特征数据和所述环境稳定性特征数据，分别计算获得浓度评分、生物过程综合评分、毒性评分和稳定性评分；

25、综合评分计算模块，用于将所述浓度评分、所述生物过程综合评分和所述毒性评分进行组合计算，得到第一综合风险评分；和/或，将所述浓度评分、所述生物过程综合评分、所述毒性评分和所述稳定性评分进行组合计算，得到第二综合风险评分；

26、风险等级确定模块，用于依据所述第一综合风险评分和/或所述第二综合风险评分，确定所述目标消毒副产物清单中各种消毒副产物的风险优先级。

27、从以上技术方案可以看出，本发明申请具有以下有益效果：

28、（1）现有主流方法（如tic-tox）通常仅综合考虑浓度和细胞毒性。本发明创造性地构建了cbt(s)评价体系，首次系统性地将消毒副产物在人体内的生物过程（吸收、转运、代谢、排泄）以及在环境中的稳定性（生物降解与水解）作为核心评价维度，与浓度、多重毒性共同进行量化集成。这克服了现有技术忽略毒物动力学过程和环境持久性的缺陷，使得风险优先级排序能够更真实地反映化合物从暴露到产生有害效应的完整路径，从而得出更为科学、准确的评价结果。

29、（2）针对大量新兴消毒副产物实验数据（尤其是毒性和admet数据）严重匮乏的现状，本发明明确提出并应用admetlab、epi suite、qsar toolbox等成熟的预测工具来获取所需的多维度参数。这一技术特征使得方法不完全依赖于有限且获取成本高昂的实验数据，能够对数据缺失的化合物进行有效评估，极大地扩展了方法的适用范围，使其能够对新出现的消毒副产物进行前瞻性的风险筛查，为监管和研究提供了有力的工具。

30、（3）本发明特别关注了三卤甲烷和卤乙酸这两类在配水管网中可能持续生成或累积的消毒副产物，通过稳定性评分修正步骤对其风险进行针对性地上调，避免了在长水力停留时间条件下对其危害的低估。同时，方法设计了score-cbt（常规地区）和score-cbts（高水力停留时间地区）两套综合评分公式，实现了对不同供水系统特征的差异化评价。这为针对不同地区、不同条件的精准化风险管控提供了可操作的技术策略。