階層式機率評估
膳食暴露評估的準確性取決於毒性數據、農藥殘留數據、食物消費數據的可獲得性。美國環保署目前使用的是階層式的方法，從根據保守假設的評估過渡到利用更靠近消費點的資料進行更為實際的評估。隨著評估階層的不斷深入，就需要更多的數據和更複雜的評估方法，但高階層的評估更實際地代表了食品中真實的殘留情況，評估結果也能為風險管理提供更有價值的參考依據。美國環保署利用急性暴露評估的結果作為風險管理的依據，確保經農藥處理過的作物不會對人體健康產生不可接受的風險。高階層的急性膳食風險評估對風險管理非常有用，其結果更真實的代表了農藥的使用和食物的分配情況。但這些高階層的評估很少進行，因為需要全面、詳細的殘留監測和市場調查數據，包括從超市和銷售中心進行取樣和分析，用於代表整個人群的消費情況，成本較高。
階層式機率評估的案例分析
階層式的機率評估方法
美國環保署使用階層式的方法進行農藥殘留急性膳食暴露評估，評估基於如下前提和假設：暴露時間低於1天，農產品在全國範圍內均勻分布，食用經過農藥處理過的農產品的機率和經農藥處理的作物比例PCT成正比，動物實驗的毒性效應可以外推到人。
風險評估者美國環保署使用階層式的方法對農藥殘留進行急性膳食暴露評估，根據風險管理者需求的提高不斷深入階層進行評估。OPP將階層1和階層2定義為確定性評估，將階層3和階層4評估定義為機率性評估。階層1評估使用殘留值分布的高分位數和膳食消費值，同時假定允許使用該農藥的所有作物都經過農藥處理，並含有最大允許殘留值，即最壞情形下的估計。階層2評估對經常混合的食物使用單一的平均殘留值，考慮食品加工過程對農藥殘留的影響，並使用加工因子來校正加工食品中的農藥殘留水平，其它步驟與階層1相同。階層3使用殘留資料的分布和膳食消費數據的分布，並考慮經農藥處理的作物比例，因此比階層2更符合實際情況。階層4評估則需要更加詳細的數據（如市場菜籃子調查、監測監控數據、食品加工研究、農藥的使用方式以及農藥的市場份額），但能夠提供最有代表性的評估結果。
評估數據的收集
通過某種假定的農藥OrganoPHOS，回顧美國環保署階層式急性膳食暴露評估過程。整個評估過程主要針對階層1至階層3的評估，數據的獲取主要包括以下步驟：
（1）從OrganoPHOS登記時的標籤表明，該假定的農藥施用於蘋果和馬鈴薯兩種作物。施用於蘋果，每公頃施用2.25kg該活性物質，於葉面噴施1次，安全間隔期為4天。施用於馬鈴薯，每公頃施用2.25kg該活性物質，於葉面噴施3次，安全間隔期為7天。
（2）全國範圍內有40%種植面積的蘋果和20%種植面積的馬鈴薯經過了OrganoPHOS處理。
（3）OrganoPHOS在蘋果和馬鈴薯上的代謝研究表明，按照農藥登記時規定的使用方法，OrganoPHOS及其代謝物會在馬鈴薯的維管束和蘋果中發現，並且有毒性。因此，OrganoPHOS的最大允許殘留值包括其代謝物的量。
（4）OrganoPHOS在動物體內的代謝研究表明，OrganoPHOS及其代謝產物在動物組織中發現。
（5）蘋果的田間殘留試驗設有16個試驗點，在合適的區域中進行。用登記的標籤上允許的最大值施用，施用後4天收穫。一共收集了32份樣品（一個地點兩個樣品），OrganoPHOS（或其代謝物）的殘留值從0.05mg/kg到18.3mg/kg（平均值7.9mg/kg）。根據這些資料，確定OrganoPHOS在蘋果中的最大允許殘留值為20mg/kg。
（6）馬鈴薯的田間殘留試驗設有16個試驗點，在合適的區域中進行。根據農藥登記時提供的標籤說明，施藥停止後7天收穫。一共收集了32份樣品（一個地點兩個試驗樣品），OrganoPHOS（或其代謝物）殘留值從0.05mg/kg到8.5mg/kg（平均值3.8mg/kg）。根據這些資料，確定OrganoPHOS在馬鈴薯中的最大允許殘留值為20mg/kg。
（7）食品加工資料表明，蘋果被加工成蘋果汁，OrganoPHOS殘留濃度會稀釋到原來的一半。馬鈴薯被加工為薯條和薯片，殘留值分別是原先的10%和2%。
（8）動物飼餵試驗表明，OrganoPHOS在動物體內不會轉化到肉、奶或其他組織，蘋果和馬鈴薯也不作為動物飼料使用。因此，不對動物產品設定最大允許殘留值。
（9）OrganoPHOS的急性和亞慢性毒性研究表明，家兔的無可見不良作用劑量水平(NOAEL)為50mg/kg/day，不確定係數為100，足以保護包括嬰兒和兒童在內的所有人群。OrganoPHOS的急性參考劑量為aRfD為0.5mg/kgbw/day。
膳食暴露計算
對OrganoPHOS的毒性和殘留數據完成收集後，即可輸入膳食暴露評估模型DEEM(DietaryExposureEvaluationModel)中，該模型使用農藥殘留的原始數據和CSFII的食品消費資料來評估農藥的攝入風險。各個階層急性暴露值的計算方法一致，為食物中的農藥殘留量和每天每人的食物消費量的乘積，通過公式(1)和(2)計算。
Ei=(Ri×Ci×Pi)/1000……………………………(1)
Et=ΣEi…………………………………………(2)
Ei為隨食物i攝入的農藥殘留量（mg/kgbw/day），Ri為食物i中的殘留值（食物），Ci為食物i每天的攝入量（g/kgbw/day），Pi為每天從食物i中攝入農藥殘留的機率，1000為克和千克之間的轉換係數。Et為某天消費的所有食物中的農藥攝入量。總的日暴露量可以用一個經驗機率分布表示。
對於階層1評估，Ri為最大允許殘留限量值，Pi為1，Ci為食物i每天的攝入量。對於不使用Monte-Carlo機率方法的評估來說，攝入農藥殘留的機率Pi為根據農藥市場份額數據得出的經農藥處理的作物種植面積比例。從階層3評估開始，DEEM急性分析模組中利用整體膳食消費數據的分布和整體殘留數據的分布進行Monte-Carlo機率評估，包括以下幾個步驟：①某人在第一天的某種食物的消費量乘以從該食物的殘留分布中隨機抽取的殘留值；②針對該人在第一天食用的所有食物，重複第1步；③該人在第一天食用所有食物的暴露值相加，得出該人總膳食暴露風險；④對以上三步重複N次，仍然使用該人在第一天使用的食物資料；⑤將該人在第一天的N個暴露值作為頻率值；⑥對該人在其餘的時間裡重複以上5個步驟；⑦對評估人群中所有個體重複以上6個步驟。根據所有的個體、所有的時間裡的暴露估計值的頻率分布，得出各分位數的機率累積分布圖。膳食攝入評估的結果和毒理學終點指標比較，來判定暴露值是否可以接受。利用以上資料，可進行階層1-3的急性膳食評估，用暴露值和急性參考劑量(aRfD)的比例表示某人群的膳食暴露風險。
評估結果
階層1：階層1評估使用殘留值的高分位數（通常使用最大允許殘留值）和消費數據的分布，最大允許殘留值的設定考慮到在農藥登記允許的使用範圍內可能發生的最大殘留量（最大施用量、最高施用頻率、最短安全間隔期），因此僅計算了最壞情形下的估計值。對OrganoPHOS進行階層1評估，輸入的數據是：毒性終點aRfD=0.5mg/kgbw/day殘留值：新鮮蘋果20mg/kg，蘋果汁20mg/kg，蘋果醬20mg/kg。馬鈴薯塊莖10mg/kg，薯條10mg/kg，薯片10mg/kg。結合消費數據的分布情況，得出全國人群急性暴露分布的95%和99.9%分位數分別是aRfD的27.9%和218.5%。對於1~6歲的兒童，急性暴露分布的95%和99.9%分位數分別是aRfD的121.1%和596.1%。由於急性暴露分布的99.9%分位數超過了aRfD，因此有必要進行階層2評估。
階層2：階層2和階層1一樣，但對經常混合的食品使用了平均的殘留數據，並使用加工因子校正加工食品的農藥殘留值。在DEEM中進行OrganoPHOS的階層2評估，輸入的數據是：毒性終點aRfD=0.5mg/kgbw/day，殘留值：新鮮蘋果20mg/kg，蘋果汁0.395mg/kg（7.9ppm×0.05），蘋果醬3.9mg/kg（7.9mg/kg×0.5）。馬鈴薯塊10mg/kg，薯條10mg/kg（3.8ppm×0.1），薯片0.076mg/kg（3.8mg/kg×0.02）。使用這些資料得出全國人群急性暴露值的分布，95%和99.9%分位數的分別是aRfD的15.8%和77.9%。1~6歲兒童急性暴露分布的95%和99.9%分位數分別是aRfD的39.6%和133.7%。儘管階層2的評估結果有所降低，但兒童亞人群急性暴露分布的99.9%分位數的超過了aRfD，因此需要進行階層3評估。
階層3：階層3評估使用殘留值的分布和消費資料的分布，利用DEEM軟體進行Monte-Carlo機率評估，得出的機率分布圖反映了可能發生的所有情形。需要輸入的數據是：毒性終點aRfD=0.5mg/kgbw/day，殘留值：新鮮蘋果（田間試驗的32個蘋果樣品的殘留分布，40%經農藥處理），蘋果汁（平均殘留值7.9mg/kg×加工因子0.05×施藥比例40%=0.158mg/kg），蘋果醬（平均殘留值7.9mg/kg×加工因子0.5×施藥比例40%=1.58mg/kg），馬鈴薯塊（田間試驗的32個馬鈴薯樣品的殘留分布，20%經農藥處理），薯條（平均殘留值3.8mg/kg×加工因子0.1×施藥比例20%=0.076mg/kg），薯片（平均殘留值3.8mg/kg×加工因子0.02×施藥比例20%=0.015mg/kg）。階層3膳食暴露評估結果是：全國人群急性暴露分布的95%和99.9%分位數分別占aRfD的2.7%和27.4%，1~6歲的兒童急性暴露分布的95%和99.9%分位數的分別占aRfD的7.8%和44.5%。
根據階層3和4的機率方法評估人群的暴露風險時，按照OPP的規定，利用暴露分布的99.9%分位數作為急性風險評估的衡量指標。階層3評估中，各類人群的急性膳食暴露結果沒有超過急性參考劑量值，評估者就沒有必要進一步深入到階層4的評估。階層4的評估和階層3類似，區別是用從市場菜籃子調查或監測監控數據獲得的單個食品的殘留資料代替了田間試驗的複合樣品的殘留值。在階層4的評估中，將各項數據輸入到DEEM，並導入PDP數據進行評估。
