空气污染健康风险评价中暴露参数的研究进展

环境与健康杂志2012年2月第29卷第2期JEnvironHealth,February2012,Vol．29,No．2

【暴露参数研究专栏】空气污染健康风险评价中暴露参数的研究进展

王叶晴1，段小丽2，李天昕1，黄楠2，王琳3，王贝贝2，王菲菲2

1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083；2.中国环境科学研究院环境基准与风险评估

国家重点实验室；3.辽宁师范大学

摘要：呼吸速率和行为活动模式是空气污染暴露和健康风险评价中的关键性参数。该文分析了呼吸速率的三种研究方法（直接测量法、心率-呼吸速率回归法、人体能量代谢法）以及与空气污染相关的行为活动模式调查方法的研究提出了我国今后在呼吸暴露参数研究和发展方面的建议。进展。在比较国内外呼吸暴露参数的基础上，

关键词：呼吸暴露参数；呼吸速率；活动模式；健康风险评价中图分类号：R181.3

文献标志码：A

文章编号：1001-5914（2012）02-0104-05

InhalationExposureFactorsinHealthRiskAssessmentWANGYe-qing,DUANXiao-li,LITian-xin,etal.Schoolof

CivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,ChinaCorrespondingauthor:DUANXiao-li.E-mail:dxl@craes.org.cn

Abstract:Inhalationrateandbehavioralactivitypatternsarecriticalparametersofexposuretoairpollutioninhealthriskassessment.Thispaperanalyzedthreemethodsoftheinhalationrate(directmeasurementmethod,heartrate-inhalationrateregressionmethodandthebodyenergymetabolismmethod)andtheresearchprogressofthesurveymethodologyofactivitypatternsinbehaviorrelatedwithairpollution.Basedoncomparisonofinhalationexposurefactorsdomesticandabroad,somesuggestionsofresearchanddevelopmentoninhalationexposurefactorsofChinesepeopleinthefuturewereproposed.

Keywords:Inhalationexposurefactors;Inhalationrate;Activitypatterns;Healthriskassessment近几年我国在环境空气污染暴露和健康风险评价的研究中所采用的呼吸暴露参数主要以美国发布的暴露参数数据为采用国外呼主。由于我国居民所处的环境与国外有较大差异，

吸暴露参数很可能影响评价结果的科学合理性。因此，研究适于我国居民的呼吸暴露参数是当前环境健康风险评价领域亟作用、国需开展的一项工作。笔者将在介绍呼吸暴露参数概念、内外研究现状的基础上，提出关于我国呼吸暴露参数研究和发

基金项目：国家环保公益性行业科研专项（2011090,2010467046,

200809101）；环境保护部项目[EH（2011）-07-01]作者简介：王叶晴（1987-），女，硕士研究生，从事环境健康风险评价研究。通讯作者：段小丽，E-mail:dxl@craes.org.cn［9］USEPA.Foodintakedistributions〔S〕.EPA/600/R-03/029.Washington

展方面的建议，旨在为环境与健康相关领域的科研工作者和管理人员提供借鉴信息。1

呼吸暴露参数概述

各类人群的日均暴露剂量是评价人体健康风险的基础，人）：体经呼吸道对污染物的日均暴露剂量计算方法见公式（1

ADD=C×IR×ET×EF×ED（/BW×AT）

（1）

式中：ADD—呼吸暴露某种化合物的日均暴露剂量，mg/(kg·d)；C—环境空气中化合物的质量浓度，mg/m3；IR—呼吸速率，m3/d；ET—暴露时间，h/d；EF—暴露频率，d/a；ED—持续暴露时间，a；BW—体质量，kg；AT—平均暴露时间，d。致癌评价为70a，终生暴露时间为70a×365d/a。潜在剂量的关系〔J〕.环境与健康杂志，2002，19(6):425-428.

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暴露参数研究〔J〕.环境科学研究,2009,22(10):1171-1175.

（收稿日期：2011-07-22修回日期：2011-12-12）

（本文编辑：杜宇欣）

DC：USEPA,2003.

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由公式(1)可见，影响日均暴露剂量的因素除该环境介质中暴露频率和污染物的浓度水平，还有呼吸速率以及暴露时间、持续暴露时间等活动模式参数。在化合物浓度准确定量的情况下，呼吸暴露参数值的选取越接近评价目标人群的实际呼吸暴露状况，暴露剂量的评价越准确，相应的健康风险评价的结果也越准确。呼吸暴露参数包括呼吸速率和人体与空气暴露相关的时间-活动模式参数。

呼吸速率（inhalationrate）指在一定温度下，人在单位时间内吸收氧或释放二氧化碳的量，表示每天消耗氧或释放二氧化碳的体积。可以分为短期呼吸速率和长期呼吸速率。短期呼吸速率按每分钟呼吸空气的体积（m3/min）计算，长期呼吸速率按照每天呼吸空气的体积（m3/d）计算。呼吸速率受年龄、身体条生理状况和活动强度的影响。例如，婴儿和儿童成长迅速并件、

且单位体质量有相对较大的肺表面积用于降低体温，故其单位体质量的静息代谢速率和耗氧速率比成人高。出生1周~1岁婴儿的静息耗氧速率为7ml/(kg·min)，而相同条件下成人的静息耗氧速率为3~5ml/(kg·min)[1]。因此，虽然在单位时间内成人比儿童呼吸空气的绝对量大，但是单位体重下静息婴儿肺部的空气体积约为成人的两倍。

与空气暴露相关的时间-活动模式参数包括人体暴露于空外的停留时间等。与文化、种族、爱气的频率和时间。比如室内、

住址、性别、年龄、社会经济条件及个人喜好等因素有关。也即好、

人体与空气中污染物的暴露情况取决于人体的行为活动情况。22.12.1.1

呼吸暴露参数的研究方法呼吸速率

已有研究中呼吸速率的确定方法归纳起来主要

直接测量法是在各种活动强度水平下，采

的心率推测其呼吸速率。该方法只要样本选择得当，可适用于大规模的调查。

Adams[4]于1993年对日常活动中呼吸速率和呼吸量开展了测量研究，确定了不同年龄、性别及特定活动的呼吸速率平均值和范围并通过测量呼吸频率和耗氧量等变量推导简单线性和多元回归方程以预测呼吸速率。共有160名研究对象参加了主要研究，按年龄分为四组：6~12.9岁的儿童，13~18.9岁的青19~59.9岁的成年人以及60岁以上的老年人。少年，

对于室内活动，分别开展了各年龄组的休息状态和运动坐、站三个阶段（每阶段状态的研究。休息状态的研究分为卧、

25min）。运动状态的研究分为中度（步行）和重度（慢跑或跑步）两个阶段，在跑步机上按由慢到快三种速度连续渐强进行，每种间隔6min。在各研究中测量通气速率(VR)、心率(HR)、呼吸频率(fB)和耗氧量(VO2)等参数。在休息状态研究中各阶段的最后5min以及在活动状态研究中每一种速度的6min间隔的最后3min进行测量。

对于室外活动，对儿童进行自发活动研究；对年龄稍大的青少年（16~18岁）进行驾驶和骑车状态下呼吸参数研究，并对其中的男性进行从事汽车维修时呼吸参数的研究，对女性进行家务劳动时呼吸参数的研究；对成年女性（19~60岁）和大部分）进行家务、庭院劳动、汽车驾驶和骑车状态老年女性（60~77岁下呼吸参数的研究；对成年和老年男性进行汽车驾驶和骑车、庭院劳动和割草工作状态下呼吸参数的研究。各研究分别测定心率、通气速率和呼吸频率等参数。大多数研究进行30min。所有户外活动研究进行两次测定。

在室内和户外的各活动研究中，儿童通气速率无显著性别差异，但对于成人则表现出性别差异（男性的呼吸速率略高于女性）。通过测定体表面积（SA）、心率和呼吸频率等参数，在多元回归分析中准确预测所有人群和活动类型的呼吸速率。Adams[4]通过测量身高和体质量以公式（3）计算体表面积：

SA=H0.725×W0.425×71.84

式中：SA—总体表面积,m2；H—身高,m；W—体质量,kg。

心率-呼吸速率回归法和人体能量代谢估算法[2]。有直接测量法、

直接测量法

用肺活量计和一个收集系统或其他装置直接测量得到，直接测量法较为繁琐，不适合较大规模的调查研究。Brochu等[3]选择了2210名3周~96岁的受试者，使用气质联用法测定了受试者尿并根据已报道的口服2H2O液中同位素水(2H2O和H218O)的含量，

和H218O在尿液中的代谢率数据，计算了受试者的日均呼吸速率(PDIRs)，并采用间接热量测定法和营养平衡测量法对结果进行补充完善。在DLW方法中，当受试者口服2H2O和H218O超过7~21d后，在尿液、唾液或血液样本中监测稳定同位素氘(2H)和

18

O的分解重氧(18O)的分解速率。2H的分解速率反映水的产量，

（3）

这项研究的局限性是受试人群并不能代表美国一般人群。同时，由于受试者在室内外的呼吸速率可能不同，将活动类型分为室内和室外对不同年龄、性别组受试人群进行测量时所获预测的呼吸速率是基于得的呼吸速率存在一定的偏差。此外，

短期活动的数据，因而可能无法反映长期活动的模式。2.1.3

人体能量代谢估算法

人体能量代谢估算法是根据各

类人群每天或单位时间内各类活动消耗的能量和耗氧量确定呼吸速率。

1993年，Layton[5]使用空气中放射性元素估算受试者的代谢速率，并在此基础上对受试者呼吸速率进行了定量估算。通常估算呼吸速率主要是计算一段时间或某一特定活动状态下受试者通气速率的平均水平。由于呼吸速率与能量消耗率及氧气摄取率成正比，因而在获取短期（以小时计）和长期（以周和月计）活动中与能量消耗相关的耗氧量的基础上，可以计算得到受试者的呼吸速率，见公式(4)：

VE=E×H×VQ

（4）

式中：VE—通气速率，m3/min或m3/d；E—能量消耗率，kJ/min或MJ/h；H—氧摄取量，即标准温度和压力下，产生1kJ能量消耗的干燥空气量，L/kJ或m3/MJ；VQ—通气当量，即分钟通气量(m3/min)与耗氧量(m3/min)的比率，无量纲。

速率表明水的产量和二氧化碳(CO2)的产率。CO2的产率通过两者分解速率的差值计算。每日总能量消耗(TDEEs)中，呼吸商值RQ(RQ=CO2产生量/O2消耗量)取决于各研究期间膳食组成。DLW方法同样用于测量生长发育消耗的能量(ECG)。TDEE和ECG可转化为PDIR值，利用下列Layton方程式计算PDIR见公式（2）：

PDIR=(TDEE+ECG)×H×VQ×10-3

（2）

式中：PDIR—生理每日呼吸速率，m3/d；TDEE—每日总能量消耗，kcal/d，使用经典呼吸运动计量公式通过CO2产率计算；ECG—每日生长发育能量消耗，kcal/d；H—氧摄取量，生产1kcal能量消耗0.21L氧(标准温度和压力下，干空气中)；VQ—分钟通气当量(VE，体温及压力饱和)与耗氧率（VO2，标准温度和压力下，干空气中）比值，VE/VO2=27；10—转化因子，L/m。

-3

3

2.1.2心率-呼吸速率回归法心率-呼吸速率回归法是指选

择具有代表性的人群，同时测量其呼吸速率和心率，通过回归分析建立二者的一元或多元线性关系模型，然后根据各类人群

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Layton在获取人口基础代谢率、每天总能量消耗与每天基氧摄取量和通气当量等参数的基础上，估算不同年础代谢率、

龄、性别的美国人群长期暴露情况下每天的呼吸速率。对从前人文献中获得的基础代谢率数据进行统计分析，利用回归方程来预测不同年龄、性别人群单位体质量的基础代谢率。

美国环保局[6]于2009年开展了基于人体新陈代谢的通气速率的研究，在耗氧速率基础上对已有方法加以修正。该研究针对儿童和成人的呼吸速率，寻求建立一种以通气当量(VQ)和耗氧与平衡速率之间线性关系为基础的Layton方法。修正后的其中个人方法由美国环保局国家暴露研究实验室(NERL)开发，呼吸速率由其耗氧速率得出。美国环保局将1999—2002年全国健康和营养调查(NHANES)的体质量数据以及美国环保局的人类活动综合数据库(CHAD)的代谢当量数据(METS)应用于此修正方法的建立。在该数据库中，代谢成本表示为“METS”或“起，运动生理学家和临床营养学家使用能量消作用的代谢当量”

耗程度描述活动程度。某项活动的METS值代表人静息代谢速率（能量消耗）的无量纲比或基础代谢率(BMR)。

NHANES提供来自美国各地的19022名个人的年龄、性别使用暴露参数手册中特定的年和体质量数据。根据这些数据，龄线性方程式评估基础代谢率(BMR)。

CHAD数据库是人类活动模式的若干数据库汇编，由于其故中的国家人类活动模式调查(NHAPS)更具全美国的代表性，美国环保局将其作为METS值的来源。NHAPS数据库包括9196个个体的活动数据，其中每人通过一份日记问卷调查提供24h的活动模式数据。NHAPS被认为是确定活动模式最有效的数据来源。

NHANES和NHAPS数据根据手册按年龄分组，将1岁以下儿童单独归类，保存有足够数量的样本。相同性别和年龄类共获别的NHAPS参与者从20种模式中抽样模拟24h活动，得480h的数据结果，产生19022名个体平均24h活动模式。

每种活动基于CHAD分布统计抽样赋予一个METS值作对于大多数代码，分配值不取决于年龄，但年龄是为活动代码。

表1

方法

直接测量法[3]

心率-呼吸速率回归法[4]人体能量代谢估算法

[5]

某种活动强度级别明显改变的影响因素。使用统计学软件，基对数、指数、三角和均匀分布的METS方程式，产生各于正态、

种活动所需的代码。根据体质量线性方程，METS值乘以基础代谢率(BMR)后可转化为能量消耗(EE)。耗氧率(VO2)的计算是即单位能量所消耗的氧的体积。经过计算，VO2将EE乘以H，

表示为单位时间氧消耗的体积或单位体质量单位时间内氧消耗的体积。

该项研究的优点是具有大量的样本数据，使用的NHAPS和NHANES中的数据可代表美国的一般人群。

Arcus-Arth等[7]于2007年开展了有限年龄范围内婴儿和儿童每日呼吸速率统计分布的研究。Arcus-Arth运用Layton代谢转化法并通过调整能量摄入量的数据反映1994—1996年、1998年个人食物摄入量连续调查(CSFII)中的美国人口，推导有限年龄范围内的儿童每日呼吸速率。根据Layton常规方程，基见公于耗氧量及每日能量消耗量，计算0~18岁儿童呼吸速率，）。式（5

VE=H×VQ×EE

（5）

式中：VE—每日吸入的空气量，m3/d；H—产生1kcal能量的耗氧量，m3/kcal；VQ—单位时间吸入的氧量与空气量的比值，无量纲；EE—每日kcal。消耗能量，

Stifelman[8]于2007年使用双标记水(DLW)数据测量人体能量消耗，并估算了受试者的呼吸速率。DLW采用以两种稳定同位素标记的水，即2H2O和H218O。两种同位素之间分解速率的差值表示其所标记的水超过1~3个半衰期的能量消耗。根据活动的规模和程度，观测一般持续1~3周。

DLW数据库涵盖世界范围并代表了种族、年龄、活动、体型和健康水平的多样性。DLW数据由医学研究所(IOM)的营养素小组和联合国粮农组织(FAO)汇编。Stifelman运用Layton方程式将活跃-非常活跃的人的能量水平IOM建议值转换为其等效呼吸速率。IOM的报告中认为能量消耗水平取决于性别、年龄、体型[8]。

呼吸速率研究方法的总结见表1。

三种呼吸速率研究方法实例

年龄及分组3周~96岁

6~12.9岁，13~18.9岁，19~59.9岁，60岁以上

0~18岁

持续时间7~21d30min

检测指标

2

18

H、O

时间（年）200619932007

样本量（人）2210160

VR、HR、fB、VO2H、VQ、EE

2.2与空气污染相关的时间-活动模式暴露参数时间-活动童本人来回答。将人群分组以对国家主要区域进行典型评估。调查问卷包括时间的日记，记录24h内回忆期内的儿童活动和位置模式的信息。此外，调查问卷包括日记当天的室内空气污染来源（如吸烟者的存在）潜在暴露的问题以及儿童和成人受访者的社会人口特征问题。问卷调查和时间日记通过计算机管理辅助电话采访调查(CATI)技术进行。电话采访时间为19年4月—1990年2月：春季（19年4月—6月）、夏季（19年7月—9月）、秋季（19年10月—12月）和冬季（1990年1月—2月）。

美国环保局

[14]

数据一般是通过回忆问卷和日记记录人的活动和微环境来获取。还可使用全球定位系统(GPS)提供个人的位置信息[9-11]。获取儿童的暴露时间和活动类别的准确信息具有一定难度[12]。儿童常比成人有更多的机会参与一些暴露于环境污染物的活动。2.2.1

活动模式研究

描述儿童和成人的时间-活动模式数据

的定量信息时通常需要估算在室内外各种活动中经历的时间。Wiley等[13]在1991年在加州开展了儿童活动模式的研究，该研究调查评价了典型的一天中儿童在各类活动和地点（微环境）中经历的时间。样本人口由1200名12岁以下的儿童组成，使用随机数字拨号(RDD)方法从母语为英语的家庭中随机进行电话抽样调查。调查回应率为77.9%。从每个家庭挑选出一名儿童。如果所选的儿童年龄在8岁或以下，则由家中陪伴儿童时间最多的成人来回答；如果所选的儿童年龄在9~11岁，则由儿

在1996年开展了国家人类活动模式调查

(NHAPS)的研究。这项调查由美国环保局负责，是目前规模最大和最有成效的人类活动模式调查。48个州9386名受访者24h日记的数据按每分钟收集一次。NHAPS的调查时间为1992年10月—1994年9月，由马里兰大学调查研究中心采用计算机

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辅助电话调查技术CATI收集24h回顾日记以及个人与暴露有关问题的回答。在82个可能地点以及91种不同类型的活动中收集了详细的时间-活动模式数据。使用RDD法随机选择参与者。调查的总回应率为63%。如果被选的受访者年龄太小，则由家中的成人代为接受采访。每个参与者需要复述他们一整天中全部的日常活动。调查收集到选定活动的周期和频率及在微环境中经历的时间等信息数据。此外，将美国人口分组（如按性年龄、种族、就业状况、普查区域、季节等）收集每名受访者别、

的人口信息以进行统计汇总。周六和周日亦进行了采样以确保有足够数量的周末样本。2.2.2

职业的流动性研究

Carey[15]于1987年开展了职业人群

的职业任期调查。在1987年1月的流动人口数据基础上，提出了不同年龄、性别、收入、种族和教育程度的职业任期中位数，并将职业任期定义为“不考虑雇主数量、就业中断或在其他职业所花费的时间的前提下，工作者从事目前职业的累计。工作年份”

1990年，Carey[16]对职业任期、雇主任期和职业流动进行了研究，这项研究与1987年研究[15]的范围相似，研究继续使用了1987年1月的流动人口研究数据。该研究提供了职业流动和雇主任期及职业任期的数据。Carey在1988年将雇主任期定义为“工作者供职于同一雇主的时间”，职业流动定义为“从一份职

[16]

。通过询问在1986年1月业更换到另一份职业的工作者数量”

样的工作以进行职业流动调查。Carey进一步分析职业流动数“自愿就职于据并获得入职率和辞职率的信息。入职率定义为

新职业的人数百分比”，辞职率定义为“自愿离开所从事职业的人数百分比”。

研究结果表明，1987年1月，16岁及以上的职业人群(1.091亿人)的职业任期中值为：男性7.9年，女性5.4年[15]。2.2.3

人口流动研究

人口流动的评估有助于确定一个家庭

在特定位置的暴露持续时间。

Johnson等[17]在1992年使用蒙特卡罗方法对美国一般人口在当地的居住时间进行了模拟。该研究建立了以国家人口统计数据为基础的居住时间(ROP)分布的估算方法。ROP表示人口迁入和迁出住所的时间或死亡的时间（年）。该研究根据人口数量、活动性和死亡率数据采用蒙特卡罗方法对50万人口进行ROP的分布模拟。

美国人口普查局开展了2007年美国住房调查。对抽样获（包括业主、租户）调查得出了受访者在住得的55000名受访者

房中居住的年数及居民出租或拥有的住房数[18]。3

国内外的呼吸暴露参数对比

基于上述方法获得的美国、日本、韩国、中国等国家人群的呼吸速率和活动模式等常见的呼吸暴露参数简要总结于表2~长期暴露时间是重复暴露30d以上，人类寿命的10%6。其中，

以下；短期暴露时间是重复暴露24h以上，30d以下。

（m3/d）

15～18岁17.012.011.78b11.36b

≥19岁15.211.319.02c14.17c15.7c12.8c17.3c

和1987年1月从业的工作者在这期间的每个月里是否从事同

表2

国家美国中国韩国日本

性别男女男女男女总人群

abc

注：0~5岁；6~18岁；大于18岁的成人。

美国、日本、韩国、中国人群长期暴露呼吸速率[19-22]

3～5岁8.308.305.71a5.58a

6～8岁10.010.0

9～11岁14.013.0

12～14岁15.012.0

<1岁5.45.4

1～2岁8.08.0

表3

美国中国

男女

美、中两国人群短期暴露呼吸速率对比[19-22]（m3/h）

轻微活动中等体力活动重体力活动1.001.000.950.590.710.57

1.601.201.901.181.421.14

3.201.902.851.772.131.70

成人0.40儿童0.30成人0.48儿童0.29成人0.35儿童0.28

0.500.400.570.350.430.34

时间工作日周末

表6

家中13.717.9

中国成人的时间活动模式[22]

工作单位5.6

室外活动3.34.4

车内活动0.4

(h/d)

其他1.01.7

国家性别人群休息坐室内活动

图1是根据表2绘制的我国与美国、日本、韩国成年人群呼吸速率对比的直方图。

2018呼吸速率(m3/d)16141210

表4

组别成人儿童

美国成人和3~11岁儿童的时间活动模式[19]

室内活动

191917

室外活动1.55.07.0

1.3

(h/d)

时间工作日周末

车内活动

表5

组别成人儿童

日本成人和3~11岁儿童的时间活动模式[20]

室内活动15.815.1

1.2室外活动

(h/d)

8

123

45

不同人群

67

1—中国男性；2—美国男性；3—韩国男性；4—中国女性；

5—美国女性；6—韩国女性；7—日本成人

图1中、美、韩、日成年人的呼吸速率

·108·

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［6］U.S.EPA.Metabolically-derivedhumanventilationrates:arevised

approachbaseduponoxygenconsumptionrates〔R〕.OfficeofResearch

由图1和表2可知，我国各年龄段居民呼吸速率为5.71～19.02m3/d，19岁以上成年男性呼吸速率约19m3/d，成年女性约14m3/d。对比国外呼吸速率参数可见，19岁以下我国居民呼吸速率都低于美国居民，而19岁以上者则高于美国，其原因可能是成年人作为劳动力主体，活动强度高于美国成年人，呼吸速率也略高于美国[22]。

由于活动强度水平的不同，呼吸速率也有很大差别，从而男、女性重体力影响人体对污染物的吸入量。从表3可看出，

活动时的呼吸速率分别比中等体力活动和轻体力活动的呼吸速率高。因此在开展人体对大气污染物暴露和健康风险评价时，如果忽略活动强度的差异也会带来一定的误差，增加评估结果的不确定性。总之，由于我国与国外发达国家在人种、地理环境、社会经济等方面都有明显的差异，故相应的各类人群的呼吸速率也不同。因此在评估我国居民呼吸暴露剂量和健康风险时，如果直接采用美国的呼吸速率参数将可能造成一定的误差。4小结

呼吸速率和活动模式是空气污染健康风险评价中的主要暴露参数。其中呼吸速率的研究方法有直接测量法、心率-呼吸速率回归法和人体能量代谢估算法三种；活动模式主要是通过时间-活动行为模式调查，如估算个人在室内和户外活动时间等获得。当前，我国在呼吸速率和活动模式方面的研究资料非常有限，在空气污染的健康风险评价中引用国外的参数，容易造成较大的偏差。建议我国有关部门能够在全国范围内组织开展呼吸暴露参数的大规模调查和研究。参考文献：

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（收稿日期：2011-07-22修回日期：2011-10-21）

杜宇欣）（本文编辑：