Comparison and analysis of databases for chemical risk management

BAO Tong; LI Wei; YU Xiangyi; MAO Yan; GUO Jing; ZHANG Xiaowei; YU Hongxia; SHI Wei

doi:10.7524/j.issn.0254-6108.2022070403

2023 Volume 42 Issue 10

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BAO Tong, LI Wei, YU Xiangyi, MAO Yan, GUO Jing, ZHANG Xiaowei, YU Hongxia, SHI Wei. Comparison and analysis of databases for chemical risk management[J]. Environmental Chemistry, 2023, 42(10): 3381-3395. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022070403

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BAO Tong, LI Wei, YU Xiangyi, MAO Yan, GUO Jing, ZHANG Xiaowei, YU Hongxia, SHI Wei. Comparison and analysis of databases for chemical risk management[J]. Environmental Chemistry, 2023, 42(10): 3381-3395. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022070403

Comparison and analysis of databases for chemical risk management

1.
State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing, 210023, China
2.
Solid Waste and Chemical Management Center of Ministry of Environmental Protection, Beijing, 100029, China

Corresponding author: GUO Jing, jingguo@nju.edu.cn ;
Received Date: 04/07/2022
Accepted Date: 20/08/2022
Available Online: 27/10/2023

Fund Project: the Natural Science Foundation of Jiangsu Province for Young Scholars(BK20210190)，National Natural Science Foundation of China Excellent Youth Fund Project(21922603)，National Key Research and Development Project (2018YFC1801604)，Environmental Protection Research Project of Jiangsu Province(2021003，2018001)，Jiangsu Province Key Research and Development Program(BE2022837)，Fund from State Key Laboratory of Environmental Chemistry and Ecotoxicology (KF2021-08) and Industry-University Cooperation Collaborative Education Program of the Ministry of Education(202102490095，202102305001)

Abstract

Risk management of chemicals is an important initiative to prevent and control the health and ecological risks of chemicals. Obtaining a large amount of physical and chemical properties, health/ecotoxicological data and environmental behavior parameters of chemicals is the prerequisite for their risk management. Thus, chemical databases that integrate a large amount of measured and predicted data play an important supporting role in chemical risk management. In this study, we collected 19 databases for chemical risk management in China and abroad, and conducted a comparative analysis of these databases in terms of development history, information scope, and user experience. The results showed that the development of chemical risk management-related databases was closely related to the different needs for chemical information of various countries and regions at different times. Current chemical databases mainly covered 37 types of data information in four categories, namely, physical and chemical properties, health toxicology data, ecotoxicology data, and environmental behaviors. The number of chemicals contained in each database spanned from hundreds to billions, with large differences observed. Foreign databases showed limited adaption to the local application due to the differences in substance categories and test species. At present, chemical risk management databases in China mainly focus on chemical safety information, and there is still much space for improvements in the number of substances, the scope of information covered, update frequency, and data quality. In the future, there is a need to strengthen top-level design, enhance data sharing, adopt predictive models and improve personnel professionalism, so as to support risk management of chemicals.
- chemicals,
- risk management,
- databases,
- comparative analysis.

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

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随着工业的快速发展和生活需求的增加，化学品的数量不断增加，截止至2022年初，美国化学文摘社（Chemical Abstracts Service, CAS）中一共收录了1.93亿种有机和无机物质. 化学品可以通过环境介质、食物等各种暴露途径威胁人类健康和生态安全^[1-3]. 为此，各国针对化学品管理发布了一系列法律法规和制度标准，如美国1976年颁布的《有毒物质控制法》（Toxic Substances Control Act, TSCA）^[4]，欧盟2007年实施的《关于化学品注册、评估、许可和限制的法规》（Registration Evaluation and Authorization of Chemicals, REACH）^[5]，加拿大1999年颁布的《加拿大环境保护法》（Canadian Environmental Protection Act, CEPA）^[6]以及日本1973年颁布的《化学物质审查及制造管理法》（Chemical Substance Control Law, CSCL）^[7]等，都建立了相对健全的化学品风险管理体系. 对化学品进行风险管理需要收集其大量的理化属性、生态毒理学、健康毒理学、环境行为等数据（图1），这是一项进展缓慢、具有长期性和反复性的工作^[8]. 面对越来越庞大的化学品数据需求，健全的数据库成为支撑化学品风险管理必不可少的工具^[9]. 为此，欧美日等发达国家和地区相继开发了结构数据库、毒性数据库、风险评估数据库等，以满足化学品风险管理的数据需求.

相比之下，我国化学品风险管理体系以及数据库建设起步较晚. 1994年，原国家环境保护局首次出台的《化学品首次进口及有毒化学品进出口环境管理规定》是我国化学品管理的起点^[10]. 经过30多年的发展，我国化学品风险管理体系也在逐渐完善，如2020年末发布的《化学物质环境与健康危害评估技术导则（试行）》、《化学物质环境与健康暴露评估技术导则（试行）》及《化学物质环境与健康风险表征技术导则（试行）》三项技术导则为化学品风险管理奠定了良好基础. 但我国面向化学品风险管理数据库的建设工作仍进展缓慢，数据库中化学品基础信息有限，尤其缺乏化学品的健康/生态毒理学数据以及暴露数据^[10]，与发达国家和组织存在较大的差距，难以支撑我国化学品的风险管理.

由于不同化学品风险管理数据库的侧重点以及涵盖信息范围不同，想要尽可能完整地收集化学品风险管理所需要的数据，需要对不同的数据库进行搜索. 故本文收集了19个国内外常用的化学品风险管理数据库，从数据库的发展历程、信息范围和用户体验3方面进行比较分析，从而为管理部门及公众在查询化学品信息时提供可靠的数据支持及数据库选择建议. 同时，本文还分析了国外化学品风险管理数据库在本土化应用过程中的问题以及当前我国数据库发展的不足，从而为我国化学品风险管理数据库的未来建设提供合理建议.

1. 化学品风险管理数据库的发展历程（Development history of chemical risk management databases）

化学品风险管理数据库的开发与各个国家和地区不同时期的背景以及各方对化学品信息的不同需求密切相关. 20世纪70年代，随着各个国家和地区创建了各自的化学品管理法规，化学品风险管理数据库的开发进入萌芽阶段；进入21世纪以来，随着化学品风险管理法规的不断健全，化学品风险管理数据库建设进入快速发展阶段，数据库的数量和规模大幅增加、数据的全面性和可靠性也在不断提升. 本研究收集的19个国内外常用的化学品风险管理数据库，其中有11个数据库由美国开发，3个数据库由欧洲开发，2个数据库由日本开发，1个数据库由加拿大开发，2个数据库由中国开发（表1）.

1.1. 美国化学品风险管理数据库

本文包含11个美国主要的化学品风险管理数据库，其类型包括：侧重化学结构的结构数据库，如ChemIDplus数据库；重点关注毒理学信息的毒性数据库，如化学物质毒性数据库（Registry of Toxic Effects of Chemical Substances, RTECS）、生态毒理学数据库（Ecotoxicology Knowledgebase, ECOTOX）等；可以提供风险信息的风险评估数据库，如综合风险信息系统（Integrated Risk Information System, IRIS）和国际风险毒性评估数据库（International Toxicity Estimates for Risk, ITER）；以及涵盖全面信息的综合数据库，如PubChem数据库和化学仪表板（CompTox Chemicals Dashboard, CCD）. 这些数据库的开发与美国不同时期对化学品信息的需求密切相关. 1970年，美国国会通过了《职业安全与健康法》，其目的是尽最大可能保障工人在安全和健康的条件下开展工作^[11]，于是化学品的健康毒性受到广泛关注. 在此背景下，美国国家职业安全与健康研究所（National Institute for Occupational Safety and Health, NIOSH）于1971年通过汇编公开科学文献中的数据开发了RTECS数据库^[12]. 当前，该数据库主要包含化学品的毒性信息^[13-14]. 随之，在1983年，美国国家科学院发表的一份重要报告《联邦政府的风险评估：管理流程》，这一开创性的报告提出了风险评估与管理的实用框架^[15]. 随着这一报告的发表，化学品风险评估数据库的开发受到重视. 在1985年，为确保美国各地区及机构办事处健康风险评估的内部一致性^[16]，美国环境保护局（U.S. Environmental Protection Agency, EPA）通过集合美国国会技术评估办公室（Office of Technology Assessment, OTA）提供的数据开发了IRIS数据库^[17]，成为美国风险评估内部沟通的重要工具. 当前，IRIS数据库主要提供化学品的风险数据^[18]. 在此基础上，1996年，美国通过汇编各个政府组织提供的风险数据开发了ITER数据库^[19]. 当前，ITER数据库为化学品提供了来自全球各个组织的慢性人类健康风险评估数据，并解释了不同组织得出差异风险值的原因^[20]. 随着化学品的广泛使用，其生态毒性也逐步受到监管部门重视^[21]. 为满足化学品生态毒性的数据需求，美国国家环境保护局研究与发展办公室（Office of Research and Development, ORD）于1995年通过提取经同行评审文献中的数据开发了ECOTOX数据库^[22]. 该数据库目前可提供化学品的生态毒理学数据，是当前世界上最大的生态毒性数据库^[23]. 21世纪初，应用计算模型来评估化学品对人类健康和生态风险的计算毒理学受到美国的高度重视^[24]. 高通量计算毒理学研究对于化学品大量基础数据的需求极大地推动了相关数据库的发展，PubChem和CCD这类涵盖全面信息的综合数据库相继被开发. 2004年，美国国立卫生研究院（National Library of Medicine, NIH）通过汇编政府机构、化学品供应商、期刊出版商、大学实验室、公共数据库等各方提供的可靠数据开发了PubChem数据库^[25]，当前，PubChem数据库包含化学品的结构和标识、理化属性、毒理学、安全和危害、使用和制造、专利及药物等全面信息，已迅速发展成为一个关键的化学信息资源，广泛应用于化学信息学、化学生物学、药物化学和药物发现等许多领域^[26-27]；2016年，为了支持计算毒理学研究工作，EPA将公共数据库、文献、政府机构等提供的数据进行整合开发了CCD数据库^[28]，该数据库可提供化学品的理化属性、环境行为、暴露、使用、危害、毒理学等综合信息^[29].

1.2. 欧洲化学品风险管理数据库

本文包含3个由欧洲各国/组织开发的常用化学品风险管理数据库，其数据库类型包括：以化学品结构为中心的结构数据库—ChemSpider数据库，涵盖全面信息的综合数据库—全球化学物质信息门户（The Global Portal to Information on Chemical Substances, eChemPortal）以及以生物活性数据为核心的药物数据库—ChEMBL数据库. 这些数据库的开发与欧盟颁布的化学品管理法规密切相关. 2007年欧盟开始实施的REACH法规是当今世界上最严格的化学品管理法规，该法规首次引入了基于“化学品风险”的管理理念和“无数据、无市场”的法规核心^[10]. 为支持欧盟的化学品管理法规，欧洲各国/组织相继开发了支撑化学品风险管理的数据库. 在REACH法规开始实施的同一年，ChemSpider作为一个业余项目被开发，旨在为化学界提供一个免费资源库^[30]. 随后，在2009年，ChemSpider被英国皇家化学学会（Royal Society of Chemistry, RSC）收购. 通过汇集来自政府、出版商以及公共数据库等数百个高质量数据源，该数据库可快速访问化学品的结构、理化属性、供应商等相关信息^[31]. 随着化学品的广泛使用，化学品的危害性受到重点关注. 为响应可持续发展世界首脑会议以及政府间化学品安全论坛（Intergovernmental Forum on Chemical Safety, IFCS）中关于提高化学品危害数据可用性的相关提议，经济合作与发展组织（Organisation for Economic Co-operation and Development, OECD）在其已有化学品风险管理数据库的基础上与欧洲化学品管理局合作开发了eChemPortal数据库^[32]. 当前，eChemPortal数据库为公众免费提供化学品的结构、危害、暴露和使用等全面信息. 2005年，欧盟针对日常生活中广泛使用的药品发布了《人用药品风险管理体系指南》，极大地推动了药品相关数据库的开发. 2011年，欧洲生物信息学研究所（European Bioinformatics Institute, EBI）通过从药物化学文献中手动提取生物活性数据的方式针对性地开发了ChEMBL数据库^[33]. 当前，ChEMBL数据库可免费提供药品的靶点和生物活性数据^[34].

1.3. 日本化学品风险管理数据库

日本在1973年颁布的CSCL法规是世界上第一部化学品专项法规. 作为最早颁布化学品专项法规的国家，日本建立了新化学物质审查、风险评估、分级管理等一系列化学品管理制度^[7]. 为有力支撑化学品风险管理，日本相继开发了化学品风险评估数据库—化学风险信息平台（NITE Chemical Risk Information Platform, NITE-CHRIP）和化学品综合信息数据库—日本化学品协作知识数据库（Japan Chemicals Collaborative Knowledge Database, J-CHECK）. NITE-CHRIP是一个由国家技术和评估研究所（National Institute of Technology and Evaluation, NITE）通过汇编各个国家和国际权威机构发布的可靠数据（如评价报告、官方期刊、官方网站等）开发的门户网站，该数据库可免费搜索日本和其他国家的化学品相关法律法规以及化学品的风险信息. 为满足化学品风险管理中大量基础数据的需求，日本法律部门、厚生劳动省、经济产业省和环境省共同开发了信息更加全面的J-CHECK数据库，该数据库可提供化学品的理化属性、毒理学、制造和进出口等综合信息.

1.4. 加拿大化学品风险管理数据库

2006年，加拿大政府建立了“化学品管理计划”（Chemicals Management Plan，CMP），以《加拿大环境保护法》、《食品和药品法和病虫害防治产品法》等一系列法律为工具，管理化学品对生态环境和人类健康造成的风险^[6]. 为管理日常生活中广泛使用药物的健康风险，保障人体健康与生态安全，加拿大阿尔伯塔大学Wishart研究小组于2006年建立了一个全面、免费的药物信息数据库，即DrugBank数据库，可以提供化学品的药物靶点和药物作用机制等信息^[35-36].

1.5. 中国化学品风险管理数据库

自1994年我国开启了化学品风险管理的第一篇章，我国化学品风险管理数据库的建设也随着化学品风险管理体系的完善而逐步推进. 2003年，中国科学院生态环境研究中心为支持化学品风险管理开发了化学物质毒性数据库. 该数据库中的数据由专家从科学期刊论文中提取得到，包括化学品的理化属性以及毒性等. 随着化学品数量的快速增加，对化学品进行正确分类，并将化学品的危害及防护措施以标签和安全技术说明书的形式展现给公众是预防、控制和减少化学品危害的有效措施^[37-38]. 为履行联合国《全球化学品统一分类和标签制度》（Globally Harmonized System of Classification and Labeling of Chemicals, GHS），中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局进出口化学品安全研究中心和中国检验检疫科学研究院共同开发了化学品安全数据表数据库（Material Safety Data Sheet Database, SDS）^[39]，该数据库可提供化学品的理化属性、燃爆性能、健康危害、泄漏处置、急救措施以及有关的法律法规等化学品安全信息.

2. 化学品风险管理数据库的信息范围（Scope of information of chemical risk management databases）

3. 化学品风险管理数据库的用户体验（User experience of chemical risk management databases）

化学品风险管理数据库的搜索方式、数据质量、更新频率以及是否免费都对数据库的用户体验有较大影响. 本节从数据库的搜索方式、数据质量、数据更新频次以及授权方式4个方面对各个化学品风险管理数据库进行比较（表2），以便为具有不同需求和知识储备的用户提供数据库选择建议.

3.1. 搜索方式

为满足用户的不同需求，数据库往往支持多种搜索方式. 本研究中化学品风险管理数据库的搜索方式主要可以分为四类：（1）输入化学品名称和标识符；（2）输入或绘制化学结构；（3）输入化学品终点和试验信息；（4）批量搜索. 通过对化学品风险管理数据库的搜索方式进行比较分析（表2），发现数据库的多样化输入方式不仅增强了数据库的用户友好性，还很好地弥补了数据不完整的情况（如用户只有化学品CAS号的信息）.

通过输入化学品名称和标识符进行搜索是化学品风险管理数据库最基本的搜索方式. 化学品名称包括其同义词、分类名称等；标识符主要包括CAS号、简化分子线性输入规范（Simplified molecular input line entry specification, SMILES）、RTECS号以及数据库ID等. 本研究统计的所有数据库都支持通过输入化学品名称和标识符进行搜索.

通过化学结构搜索主要有两种形式，即通过上传目标化学品的结构文件或通过数据库网站集成的化学结构编辑器绘制目标化学品的结构进行搜索. 本研究中的ChemIDplus、PubChem、ChemSpider、ChEMBL、J-CHECK以及DrugBank 6个数据库支持通过化学结构搜索化学品信息. 与其他数据库使用化学结构进行子结构搜索、相似搜索或精确搜索的搜索形式不同，PubChem数据库是将输入或绘制的化学结构转换成物质标识符（如SMILES码、分子式等）来进行搜索.

此外，还可以根据化学品的终点和试验信息进行高级搜索，如通过限定固有属性范围、毒性值范围、试验类型、试验物种等进行搜索. 本研究中的ECOTOX、IRIS、CCD、ChemSpider、eChemPortal以及DrugBank数据库支持这种搜索方式. 不同于从目标化学品出发的搜索方式，以“终点为导向”的逆向搜索方式能够得到性质相似的一类物质，从而可以实现缺少基础标识信息物质的数据搜索.

除了基本的单一物质搜索方式外，本研究中的ChemIDplus、DSSTox、ECOTOX、IRIS、CCD、ChEMBL、PubChem以及J-CHECK数据库还提供了批量搜索的功能，这一功能极大地提高了数据库的搜索效率，更好地满足了用户的批量使用需求.

3.2. 数据质量

化学品风险管理数据库中的数据类型主要可以分为两类，即文献或政府文件中提取的实验数据和通过预测软件或模型计算得到的预测数据. 相较于实验数据，预测数据的准确度和可靠性有限. 展示数据库中数据的组成情况对于评价数据库的数据质量至关重要. 本研究中的RTECS、ECOTOX、IRIS、ITER、HSDB、ChEMBL、NITE-CHRIP、J-CHECK、SOMSDS以及化学物质毒性数据库10个数据库仅包含实验数据. 其中，为了确保实验数据的可靠性，其数据大多来源于经过同行评审的文献或者权威机构发布的文件或报告. 对于这类只包含实验数据的数据库，其数据的可靠性较高. 为减少动物试验的压力、降低成本和时间以及填补数据空白，一些数据库通过添加基于软件或模型计算得到的预测数据来扩大其信息范围. 本研究中的ChemIDplus、ACToR、DSSTox、ToxValDB、CCD、PubChem、ChemSpider、eChemPortal以及DrugBank 9个数据库同时包含试验数据和预测数据. 通过模型计算得到的预测数据准确度有限，数据的可靠性和质量不及试验数据. 因此，为了保证数据质量，以上数据库均采用“实验数据为主，预测数据为辅”的组成结构，严格使用在应用域范围内的模型进行预测，并将所有预测数据都被标记为“预测数据”以供用户参考和选择.

3.3. 数据更新

化学品风险管理数据库的持续更新为数据的有效性提供了重要保障，也是扩充数据库范围的必要条件. 在数据库中明确提供数据更新周期信息可以极大地提高用户的信任度. 在选取的19个数据库中，仅ChemIDplus、RTECS、ECOTOX、IRIS、ITER、ChEMBL和NITE-CHRIP这7个数据库提供了数据更新周期信息. 其中，ITER数据库的数据更新时间最短，每月都会对数据进行更新，这可能与ITER数据库与其数据来源之间的沟通机制有关. 各卫生组织会主动为ITER提取和准备数据，从而减少了数据库管理人员提取数据的工作时间，有效缩短了数据库更新周期. 其余数据库，如ChemIDplus、RTECS、ECOTOX、IRIS等，也保持了较高的数据更新频率，约每季度对数据进行一次更新.

3.4. 授权方式

数据库是否可以免费访问是影响用户体验的重要考量因素. 本研究收集的化学品风险管理数据库基本是由非盈利性的组织或团队（如政府机构或组织、研究所以及高校等）所开发，除RTECS数据库以外的18个数据库均可为公众免费提供信息检索. 然而，RTECS数据库目前被硅谷高科技公司（Symyx Technologies）所收购，故该数据库只能通过收费订阅方式获得数据.

Comparison and analysis of databases for chemical risk management