This is an HTML version of an attachment to the Official Information request 'Disclose Submissions: Assessing Risk Hazardous Substances 2018'.













Review of case studies on the human 
and environmental risk assessment 
of chemical mixtures 
Identification of priorities, 
methodologies, data gaps, 
future needs 

Stephanie  K.  Bopp,  Aude  Kienzler,  Sander 
van  der  Linden,  Lara  Lamon,  Alicia  Paini, 
Nikos  Parissis,  Andrea-Nicole  Richarz,  Jutta 
Triebe, Andrew Worth 
2016
EUR 27968 EN

This publication is a Technical report by the Joint Research Centre (JRC), the European Commission’s science and 
knowledge service. It aims to provide evidence-based scientific support to the European policy-making process. 
The scientific output expressed does not imply a policy position of the European Commission. Neither the 
European Commission nor any person acting on behalf of the Commission is responsible for the use which might 
be made of this publication. 
Contact information  
E-mail: [email address] 
JRC Science Hub 
https://ec.europa.eu/jrc 
JRC102111 
EUR 27968 EN 
PDF 
ISBN 978-92-79-59146-4 
ISSN 1831-9424 
doi:10.2788/272583 
Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2016 
© European Union, 2016 
Reproduction is authorised provided the source is acknowledged. 
How to cite: : S. K. Bopp, A. Kienzler, S. van der Linden, L. Lamon, A. Paini, N. Parissis, A.-N. Richarz, J. Triebe, 
A. Worth (2016); Review of case studies on the human and environmental risk assessment of chemical mixtures; 
EUR 27968 EN; doi:10.2788/272583
All images © European Union 2016 


 
Table of contents 
Abstract ............................................................................................................... 3 
1  Introduction .................................................................................................... 4 
2  Methodology ................................................................................................... 5 
3  Overview of the case study characteristics .......................................................... 7 
4  Discussion of case study characteristics and findings .......................................... 14 
4.1  Case study summaries in the context of other relevant literature ................... 14 
4.1.1 
Pesticides......................................................................................... 14 
4.1.2 
Phthalates ........................................................................................ 15 
4.1.3 
Polybrominated diphenyl esters .......................................................... 15 
4.1.4 
Parabens ......................................................................................... 16 
4.1.5 
Pharmaceuticals ............................................................................... 16 
4.1.6 
Food contact materials ...................................................................... 17 
4.1.7 
Dioxin-like compounds ...................................................................... 17 
4.1.8 
Cross-sectorial and environmental mixtures ......................................... 17 
4.1.9 
Need to address mixtures across regulatory sectors .............................. 19 
4.2  Conclusions related to chemical classes considered ...................................... 19 
4.3  Potential  for  over-  and  underestimating  risks  from  combined  exposure  to 
chemical mixtures ............................................................................................ 20 
4.4  Mixture assessment approaches ................................................................. 21 
4.4.1 
Prediction models ............................................................................. 21 
4.4.2 
Grouping of chemicals ....................................................................... 22 
4.5  Current limitations in performing mixture risk assessments ........................... 23 
5  Conclusions .................................................................................................. 26 
References ......................................................................................................... 28 
List of abbreviations and definitions ....................................................................... 32 
Annex 1 – Overview of individual case studies ........................................................ 35 
A.1  Pesticides................................................................................................... 35 
A.2  Phthalates .................................................................................................. 51 
A.3  PBDEs ....................................................................................................... 55 
A.4  Parabens ................................................................................................... 58 
A.5  Pharmaceuticals ......................................................................................... 61 
A.6  Food Contact Materials ................................................................................ 66 
A.7  Dioxin-like compounds (DLCs) including dioxins, furans and PCBs ..................... 68 
A.8  Cross-sectorial mixtures from consumer product and environmental exposure .... 70 
 
 
 

 

 
Abstract 
Humans  and  wildlife  can  be  exposed  to  an  infinite  number  of  different  combinations  of 
chemicals  in  mixtures  via  food,  consumer  products  and  the  environment,  which  might 
impact health. The number of chemicals and composition of chemical mixtures one might 
be exposed to is often unknown and changing over time. To gain further insight into the 
current  practices  and  limitations,  published  peer  reviewed  literature  was  searched  for 
case  studies  showing  risk  assessments  for  chemical  mixtures.  The  aim  was  to  find 
examples  of  mixture  assessments  in  order  to  identify  chemical  mixtures  of  potential 
concern,  methodologies  used,  factors  hampering  mixture  risk  assessments,  data  gaps, 
and future perspectives.  
Twenty-one  case  studies were identified, which included human and environmental risk 
assessments.  Several  compound  classes  and  environmental  media  were  covered,  i.e. 
pesticides, 
phthalates, 
parabens, 
polybrominated 
diphenyl 
esters 
(PBDEs), 
pharmaceuticals,  food  contact  materials,  dioxin-like  compounds,  anti-androgenic 
chemicals,  contaminants  in  breast  milk,  mixtures  of  contaminants  in  surface  water, 
ground  water  and  drinking  water,  and  indoor  air.  However,  the  selection  of  chemical 
classes  is  not  necessarily  representative  as  many  compound  groups  have  not  been 
covered.  The  selection  of  these  chemical  classes  is  often  based  on  data  availability, 
recent  concerns  about  certain  chemical  classes  or  legislative  requirements.  Several  of 
the  case  studies  revealed  a  concern  due  to  combined  exposure  for  certain  chemical 
classes  especially  when  considering  specific  vulnerable  population  groups.  This  is  very 
relevant  information,  but  needs  to  be  interpreted  with  caution,  considering  the  related 
assumptions, model parameters and related uncertainties. Several parameters that could 
lead  to  an  over-  or  underestimation  of  risks  were  identified.  However,  there  is  clear 
evidence  that  chemicals  need  to  be  further  addressed  not  only  in  single  substance  risk 
assessment  and  that  mixtures  should  be  considered  also  across  chemical  classes  and 
legislative sectors. 
Furthermore,  several  issues  hampering  mixture  risk  assessments  were  identified.  In 
order to perform a mixture risk assessment, the composition of the mixture in terms of 
chemical  components  and  their  concentrations  need  to  be  known,  and  relevant 
information  on  their  uptake  and  toxicity  are  required.  Exposure  data  are  often  lacking 
and  need  to  be  estimated  based  on  production  and  use/consumption  information. 
Moreover, relevant toxicity data are not always available. Toxicity data gaps can be filled 
e.g. using the Threshold of Toxicological Concern (TTC) approach. Reference values used 
in single substance risk assessments can be found for several chemical classes, however, 
they are usually derived based on the lowest  endpoint. If a  refined toxicity assessment 
of a mixture for a specific effect/cumulative assessment group is envisaged, this is often 
hampered by a lack of specific toxicity and mode of action information.  
In  all  case  studies,  concentration  addition  based  assessments  were  made,  mainly 
applying  the  Hazard  Index.  To  further  characterise  the  drivers  of  the  mixture  risk,  the 
maximum cumulative ratio was calculated in several case studies. This showed that the 
scientific  methodologies  to  address  mixtures  are  mostly  agreed  and  lead  to  reasonable 
predictions.  However,  especially  for  some  groups  of  compounds  that  are  designed  as 
active  substances,  it  cannot  be  excluded  that  interactions  occur  and  they  should 
therefore be addressed on a case-by-case basis. 
Most of the mixtures addressed in the identified case studies examined specific chemical 
groups.  Only  few  of  them  looked  at  mixtures  comprising  chemicals  regulated  under 
different  legislative  frameworks.  The  examples  indicated  that  there  is  evidence  for 
combined exposure to chemicals regulated under different legislation as well as evidence 
that such chemicals can elicit similar effects or have a similar mode of action. A mixture 
risk assessment across regulatory sectors should therefore be further investigated. 
 
 

 

 
1  Introduction 
Humans and wildlife can be  exposed to chemicals via food,  consumer products and the 
environment, which might impact their health. The number of chemicals and composition 
of chemical mixtures one might be exposed to is often unknown and changing over time, 
resulting  in  an  infinite  number  of  different  combinations.  In  2012,  the  European 
Commission published a communication on the combined effect of chemicals (EC, 2012) 
in which the Commission proposed actions to ensure that risks associated with chemical 
mixtures are properly understood and assessed. The Communication acknowledges that 
the  current  EU  legislative  framework  sets  strict  limits  for  the  amounts  of  particular 
chemicals allowed in food, water, air and manufactured products, but that the potential 
risks of exposure to these chemicals in combination are rarely examined.  
Individual regulations already focus on the assessment of mixtures to some extent, e.g. 
Regulation  (EC)  No.  1107/2009,  indicates  that  "interaction  between  active  substance, 
safeners,  synergists,  and  co-formulants  shall  be  taken  into  account",  and  product 
authorisation  for  plant  protection  products  and  biocidal  products  requires  the 
assessment of "cumulative and synergistic effects" of the formulations containing more 
than  one  active  substance  and/or  "substance  of  concern".  But  even  though 
methodologies for assessing/estimating the combination effects of chemicals are being 
developed and used by scientists and regulators in specific circumstances, so far there 
is  no  systematic,  comprehensive  and  integrated  approach  across  different  pieces  of 
legislation (Kienzler et al., 2014; Kienzler et al., 2016; EC, 2012). 
To  gain  further  insight  into  the  current  practices  and  experiences  in  performing 
chemical  mixture  assessments,  the  JRC  conducted  an  expert  survey  to  gather 
information  on  the  current  approaches,  scientific  methodologies,  priorities  and  gaps 
(Bopp et al., 2015). The survey showed that the main sectors where most experience is 
already  gained  in  assessing  mixtures  are  in  the  area  of  plant  protection  products  and 
chemicals  under  REACH.  These  were  also  rated  highest  regarding  the  priority  for 
performing mixture assessments. However, mixture assessments are also performed in 
many other areas. Experts had experience with assessing mixtures, both in the context 
of  human  health  and  environmental  risk  assessment.  Mostly  concentration  addition 
(CA)  based  methods  are  used  for  predicting  mixture  effects.  In  contrast,  several 
experts  did  not  recommend  the  further  use  of  independent  action  (IA)  based 
approaches,  mainly  because  of  the  higher  need  for  input  data  for  IA  and  considering 
the small differences in predictions by IA compared to CA. Novel tools (such as in vitro 
methods,  omics,  Quantitative  Structure  Activity  Relationships  (QSARs),  read-across, 
Physiologically  Based  ToxicoKinetic  (PBTK)  modelling,  Threshold  of  Toxicological 
Concern  (TTC)  approaches,  Adverse  Outcome  Pathways  (AOPs),  Dynamic  Energy 
Budget  (DEB)  models,  Integrated  Approaches  to  Testing  and  Assessment  (IATA)),  are 
being increasingly used in the hazard assessment of mixtures, but mainly in a research 
context for the time being, because of a lack of guidance, data and expertise. A general 
need  for  clear  and  harmonised  guidance  –  also  between  different  legislations  -  for 
combined exposure assessments can be identified from the survey. 
As  a  next  step,  published  peer  reviewed  literature  was  searched  for  case  studies 
showing  risk  assessments  for  chemical  mixtures.  The  aim  was  to  find  examples  of 
mixture  assessments  in  order  to  identify  chemical  mixtures  of  potential  concern, 
methodologies  used,  factors  hampering  mixture  risk  assessments,  data  gaps,  and 
future perspectives. All case studies identified were  screened and  relevant information 
extracted.  In the following parts of the report, the approach used  for  the case  studies 
review (section 2), the findings from the case studies (section 3), the discussion of the 
findings (section 4) and the overall conclusions (section 5) can be found along with the 
detailed presentation of the individual case studies in Annex I.  
 

 

 
2  Methodology 
To identify potential case studies, a literature search was performed, taking into account 
all  kinds  of  chemicals  (i.e.  not  limited  to  a  specific  class  of  chemicals)  and  all  kinds  of 
exposure  scenarios  (to  intentional  and  unintentional  mixtures  through  all  routes  and 
pathways), including human health and environmental risk assessments. Assuming that 
more  recent  case  studies  would  include  more  up  to  date  knowledge  and  methodology, 
the  review  was  restricted  to  the  years  2014  until  May  2016.  Several  additional  case 
studies cited from earlier years were included for completion.  
The literature was continuously screened using SCOPUS since the beginning of 2014, to 
find  all  articles  related  to  search  terms  such  as  "combined  exposure",  "aggregate 
exposure",  "cumulative  risk  assessment",  "cumulative  toxicity",  "combined  toxicity", 
"mixture toxicity" and "mixture effect". Criteria for the selection of relevant publications 
were to include only papers showing a mixture risk assessment  or testing real samples 
or  realistic  artificial  samples,  in  order  to  assess  potential  risks.  Papers  that  were 
exclusively  looking  at  exposure  or  exclusively  reporting  testing  of  combined  effects 
without making the relation between combined exposure and combined effects were not 
considered as a relevant case study in this review. Several of those excluded papers are 
however  included  in  the  overall  discussion.  This  approach  resulted  in  a  more  detailed 
review of 21 relevant case studies. 
In order to extract the information in a standardised way and present the case studies in 
an easily comparable format, a reporting template was developed and compiled for each 
case study (see Annex 1). For each case study the following was reported: 
1.  Reference (title, journal, authors and year of publication) 
2.  Substances assessed 
3.  Exposure scenario 
4.  Background and objectives of the case study 
5.  Problem formulation according to the WHO/IPCS mixture assessment framework 
6.  Information/data sources used 
7.  Mixture assessment methodology 
8.  Overall summary  of the outcome and the future perspectives (as provided by the 
authors in the publications). 
WHO/IPCS has published a framework for the risk assessment of combined exposure to 
multiple chemicals, which describes a general approach for risk assessment of combined 
exposure  to  multiple  chemicals  that  can  be  adapted to  the  needs  of  specific  users.  The 
framework provides a tiered approach for both the exposure and the hazard assessment. 
Tier  0  is  a  screening  level  assessment  using  simple  semi-quantitative  estimates  of 
exposure and default dose addition for all components together. The hazard assessment 
is  based  on  available  toxicity  values,  TTC  values  or  the  value  for  the  most  potent 
component is used for all components as conservative approach. Tier 1 assessments use 
generic exposure scenarios based on conservative point estimates, while for the hazard 
assessment  individual  points  of  departure  (POD)  are  used.  For  Tier  2  the  exposure 
assessment  is  further  refined  using  increasingly  measured  data,  while  the  hazard 
assessment  is  based  on  refined  potency  information  and  groupings  based  on  mode  of 
action  is  performed.  Tier  3  uses  probabilistic  exposure  estimates  and  ideally  leads  to 
probabilistic information on the risk. The Tier 3 hazard assessment includes toxicokinetic 
aspects in order to consider internal exposure.  
An  important  step  in  the  framework  before  conceiving  of  a  mixture  risk  assessment  is 
the related problem formulation. It was therefore decided to include for each case study 

 

 
the  four  related  questions  shown  here  below  from  the  WHO/IPCS  framework  (Meek  et 
al., 2011): 
1-  What  is  the  nature  of  exposure?  Are  the  key  components  known?  Are  there  data 
available  on  the  hazard  of  the  mixture  itself  (i.e.,  not  extrapolated  from  the  hazards 
presented by the components of the mixture)? 
2-  Is  exposure  likely,  taking  into  account  the  context?  i.e.  for  substances  that  would 
be  used  only  as  industrial  intermediates  and  are  not  expected  to  be  released  in  the 
general environment, the answer would be no. 
3-  Is  there  a  likelihood  of  co-exposure  within  a  relevant  timeframe?  To  answer  this 
question,  the  temporal  aspects  of  external  exposure,  toxicokinetics  and  toxicodynamics 
should  be  taken  into  consideration.  If,  based  on  consideration  of  those  aspects,  the 
likelihood  of  co-exposure  is  low,  a  framework  analysis  of  an  assessment  group  is 
unnecessary.  Biomonitoring  data  should  also  be  considered  as  they  may  indicate  co-
occurrence of substances in the human body or elimination products. 
4- What is the rationale for considering compounds in an assessment group? Grouping 
of  chemicals  is  commonly  based  on  chemical  structures,  using  predictive  tools  such  as 
(Q)SARs,  but  may  also  be  based  on  biological  information,  e.g.  on  downstream 
mechanistic events using in vitro methods, based on same outcome, same target organ. 
 
 

 

 
3  Overview of the case study characteristics 
Twenty-one  case  studies  were  finally  selected  within  the  scope  of  this  review  and 
examined  further.  Relevant  information  was  extracted  from  the  identified  papers  and 
was  summarised  in  tables  as  it  was  reported  by  the  case  study  authors.  All  detailed 
tables for each individual case study can be found in Annex 1. Table 1 here below shows 
an overview of the case studies indicating types of mixtures and methodologies included 
in the assessments. 
The  case  studies  were  examined  regarding  the  substances  that  were  assessed,  the 
exposure  scenario  that  was  considered,  the  methodology  used  for  assessing  hazard, 
exposure  and  risk  of  the  mixtures,  with  the  aim  to  identify  potential  issues  regarding 
data availability and available methodologies. 
Human  vs  environmental  risk  assessment  (RA):  Fourteen  of  the  case  studies 
performed a human health risk assessment (HRA), 6 an environmental risk assessment 
(ERA), and 1 study included both types of assessment for the same samples (exposure 
to contaminants in surface waters). 
Compound  classes: Fourteen  of the 21 case  studies were looking at specific chemical 
groups  (i.e.  6  at  pesticides,  2  at  phthalates,  1  at  parabens,  1  at  PBDEs,  1  at 
pharmaceuticals  in  general,  1  at  antibiotics,  1  at  food  contact  materials  including  3 
different  cases,  1  at  dioxin-like  compounds).  Furthermore,  there  were  7  case  studies 
focusing  on  cross-sectorial  mixtures,  i.e.  including  chemicals  regulated  under  different 
regulatory silos, such as human exposure to anti-androgenic chemicals, contaminants in 
breast milk, 4 studies on mixtures of  contaminants in water  samples (including surface 
water, ground water and drinking water) and 1 on indoor air.  
Retrospective  vs  prospective  RA: Most  of the case studies use (bio)monitoring data 
for  the  exposure  assessment  and  perform  a  retrospective  RA.  However,  the  same 
methodology  could  also  be  applied  for  prospective  RA.  The  example  of  Junghans  et  al. 
(2006)  shows  that  predicted  environmental  concentrations  (here  for  pesticides  using 
FOCUS1 scenarios), can be used as well.  
Types  of  toxicity  and  exposure  data  used:  Most  of  the  case  studies  were  using 
toxicity data extracted from peer reviewed literature or from regulatory authority reports 
and  databases.  In  some  case  studies  mixture  toxicity  was  also  measured.  Toxicity  test 
endpoint  values  such  as  No  observed  adverse  effect  levels  (NOAELs)  or  effective 
concentrations (EC50) were used as well as reference values including the relevant safety 
factors  used  in  single  substance  risk  assessments,  like  acceptable  daily  intake  (ADI) 
values.  Exposure  data  were  mostly  based  on  environmental  or  human  biomonitoring 
data, but also estimated based on e.g. sales and consumption data or predicted by more 
sophisticated modelling, e.g. based on food consumption and food residue data. 
Mathematical  approaches  used:  All  case  studies  applied  concepts  based  on  the 
Concentration  Addition  (CA)  approach  (for  general  information  on  the  commonly  used 
approaches  please  refer  to  e.g.  Kienzler  et  al.  (2014).  In  one  case  study  (Junghans  et 
al., 2006) the CA approach was compared to Independent Action (IA) based predictions. 
Most of the studies used the Hazard Index (HI) approach. The Sum of Toxic Units (Σ TU) 
concept  was  also  used  frequently  mainly  in  ERA.  In  one  case  study  (Han  and  Price, 
2013) the Toxic Equivalency (TEQ) concept was applied for dioxin-like compounds. Also 
the Maximum Cumulative Ratio (MCR) (Price and Han, 2011), which can help to identify 
the drivers of combined risks, was used in six cases. 
 
 
                                           
1 FOCUS: FOrum for Co-ordination of pesticide fate models and their USe. 
http://esdac.jrc.ec.europa.eu/projects/focus-dg-sante  

 

 
Table 1: Overview of main characteristics of the reviewed case studies 
Study  Reference 
Chemical 
HH 
ERA  Exposure data 
Hazard data 
Assessment 
RA method 
ID 
sector 
groups 

Junghans et al  Pesticides 
 

Modelled exposure 
Measured algal 
No grouping 
CA vs IA, Σ TU 
2006 
(FOCUS scenario R1) 
toxicity of 
individual 
compounds and 
mixture 

Nowell et al 
Pesticides 
 

Literature data 
Toxicity data 
No grouping 
Pesticide toxicity 
2014 
from databases 
index (based on CA) 
such as USEPA 
ecotox DB 

Kennedy et al 
Pesticides 

 
Modelled dietary and 
From literature 
Based on 
RPF within group 
2015 
non-dietary aggregate 
or dossiers 
similar toxic 
exposure (MCRA tool), 
effect 
using optimistic and 
pessimistic scenario 

Boon et al 
Pesticides 

 
Modelled dietary 
From literature 
Based on 
RPF within group 
2015 
(triazoles) 
exposure (MCRA tool) 
or dossiers 
similar toxic 
according to EFSA 
effect 
guidance, optimistic 
(hepatotoxicity) 
and pessimistic 
scenario 

Evans et al 
Pesticides 

 
International Estimated  ADIs from JMPR  No classical 
WHO/IPCS 
2015 
Daily Intakes (IEDI) 
groups, but 
framework, HI, Tier 
grouping 
0, Tier 1, Tier 2 
according to 
health impact 
categories in 
Tier 2 

 

 
Study  Reference 
Chemical 
HH 
ERA  Exposure data 
Hazard data 
Assessment 
RA method 
ID 
sector 
groups 

Ccanccapa et 
Pesticides 
 

Sediment 
Collected from 
No, all together 
Σ TU 
al 2016 
concentrations used to 
pesticide 
based on acute 
predict pore water 
property 
toxicity 
concentrations 
database 

Dewalque et al  Phthalates 

 
Human biomonitoring 
EFSA TDI and 
Structurally 
HI 
2014 
data; Exposure data 
RV from 
similar group 
from food consumption  literature 
with similar 
etc. to estimate 
toxic profile 
contribution of dietary 
and non-dietary 
sources 

Hartmann et 
Phthalates 

 
14 metabolites 
Reference dose 
Dose-addition 
Cumulative risk 
al 2015 
from 
detected in urine 
for anti-
concept is 
assessment 
consumer 
sample from 10 parent 
androgenicity, 
considered for 
products 
phthalates 
tolerable daily 
anti-androgenic 
intake 
phthalates 

Meek et al 
PBDEs, 

 
Semi-quantitative 
No TDI data, 
One group of 7 
Tier 0 and Tier 1 of 
2011 Case 
based on 
estimates based on 
instead LOEL 
isomers with 
WHO/IPCS 
study A 
commercial 
volume of production, 
for most toxic 
similar use and 
framework; sum of 
mixtures 
producing and using 
congener (Tier 
common target 
risk quotient like 
companies (Tier 0), 
0), critical 
organ 
approach using the 
use of Canadian intake 
effect level 
data outlined  
data (Tier 1); 
derived from all 
comparison to 
data on 
biomonitoring data 
neurobehavioral 
effects (Tier 1) 
 

 

 
Study  Reference 
Chemical 
HH 
ERA  Exposure data 
Hazard data 
Assessment 
RA method 
ID 
sector 
groups 
10 
Gosens et al 
Parabens 

 
Aggregate exposure of 
NOAEL data 
n.a., only 
n.a. 
2013 
from 
children of 0-3 years 
aggregate 
personal 
exposure 
4 most frequent 
care 
considered 
parabens, not 
products 
considering combined 
exposure 
Tier 1 WC deterministic 
approach; Tier 2: 
probabilistic based on 
product use 
11 
Backhaus and 
Pharma-
 

Literature data on 
From literature 
No grouping, 
comparison of sum of 
Karlsson 2014 
ceuticals 
sewage treatment 
and databases 
similarly and 
PEC/PNEC ratios to 
plant effluents 
dissimilarly 
ΣTU, use of MCR 
acting 
compounds 
considered 
together 
12 
Marx et al 
Antibiotics 
 

Predicted PEC from 
PNECs from 
All in one group  HI and HIint 
2015 
hospital and ambulant 
literature on 
and division of 
antibiotic prescription 
bacteria, algae, 
contribution of 
information 
daphnia 
different 
categories of 
antibiotics to HI 
13 
Price et al 
food contact 

 
Literature data 
Use of existing 
No grouping 
HI and MCR, CEFIC 
2014 
materials 
ADI data or TTC 
decision tree 
14 
Han and Price 
Dioxin-like 

 
Human biomonitoring 
WHO TEF 
All in one group  TEQ and MCR based 
2013 
compounds 
data for general 
values 
since known for  on TEQs 
population and two 
common 
10 
 

 
Study  Reference 
Chemical 
HH 
ERA  Exposure data 
Hazard data 
Assessment 
RA method 
ID 
sector 
groups 
(DLCs) 
groups of workers with 
effects/MoA 
relevant occupational 
exposure 
15 
Kortenkamp 
15 anti-

 
Data from literature 
Reference 
All in one group  HI 
and Faust 
androgens 
and public databases; 
values (NOAEL, 
selected for 
2010 
(phthalates, 
using median human 
BMD) for anti-
similar action 
pesticides, 
intake and highly 
androgenicity 
(anti-
cosmetic 
exposed population 
androgenicity) 
ingredients) 
groups 
16 
Price et al 
Organic and 


Use of large dataset of 
RV from 
No grouping 
HI and MCR, CEFIC 
2012a 
inorganic 
surface water (sw) and  literature and 
decision tree 
compounds 
effluent monitoring; for  databases, if 
detected in 
sw direct consumption 
not available 
surface 
assumed as WC, for 
TTC 
water and 
effluents a 10x 
effluent 
dilution; 2 options for 
samples 
non-detects compared 
17 
Han and Price 
Ground-

 
USGS groundwater 
Permitted doses  No grouping 
HI and MCR 
2011 
water 
monitoring data, direct 
from USEPA 
(VOCs, PPPs, 
groundwater 
and ATSDR 
metals, 
consumption as WC 
databases 
inorganics) 
assumption 
18 
Meek et al 
10 

 
Based on surface water  Use of TTC 
All in one group  HI 
2011 Case 
substances 
monitoring data to 
(pretending the  as WC for Tier 
study B 
found in 
create hypothetical 
case that no 

surface 
case study on human 
toxicity data 
water 
exposure via water 
are available) 
monitoring 
consumption 
to create 
11 
 

 
Study  Reference 
Chemical 
HH 
ERA  Exposure data 
Hazard data 
Assessment 
RA method 
ID 
sector 
groups 
hypothetical 
mixture 
(fragrances, 
PPPs, 
surfactants, 
personal 
care 
products, 
solvents, 
petro-
chemicals 
19 
Malaj et al 
Organic 
 

Monitoring data of the 
From toxicity 
No grouping 
Calculation of a 
2014 
chemicals 
waterbase; measured 
databases. 
Chemical Risk Index 
detected in 
concentrations for 223 
Using 
considering 3 
freshwater 
chemicals from 4000 
experimental, 
organism groups 
sites from 91 rivers. 
predicted or 
(fish, daphnia, 
Use of Cmean and Cmax. 
baseline toxicity 
algae), number of 
data to derive 
sites a chemical 
the acute and 
occurs and its 
chronic toxicity 
concentrations 
threshold using 
related to a river 
assessment 
basin, derivation of 5 
factors. 
risk classes, other 
approaches used to 
compare sites 
20 
Evans et al 
Cross-

 
From literature data of 
Reference 
No grouping 
HI 
2016 
sectorial 
contaminants in human  doses collected 
human milk 
milk 
from literature 
contami-
and authorities 
nants 
12 
 

 
Study  Reference 
Chemical 
HH 
ERA  Exposure data 
Hazard data 
Assessment 
RA method 
ID 
sector 
groups 
21 
De Brouwere 
VOCs and 

 
From indoor air 
Reference 
No grouping 
HI and MCR 
et al 2014 
NO2 in 
monitoring and 
values from 
indoor air 
personal monitoring 
different 
studies 
sources 
 
 
13 
 

 
4  Discussion of case study characteristics and findings 
4.1  Case  study  summaries  in  the  context  of  other  relevant 
literature  
4.1.1  Pesticides 
Pesticides  were  among  the  most  often  investigated  mixtures,  with  three  studies 
regarding human health and three environmental assessments. This might have several 
reasons,  like  e.g.  the  advanced  work  of  the  European  Food  Safety  Authority  (EFSA)  to 
develop a methodology for  cumulative risk assessment  of pesticides,  but also based  on 
the  fact  that  pesticides  are  generally  data  rich  chemicals,  with  extensive  data 
requirements for their approval.  
Junghans et al. (2006) showed that pesticides in mixtures are clearly more toxic to algae 
than  any  individual  component,  and  that  CA  showed  a  good  predictive  quality  over  the 
complete  range  of  effects  considered,  irrespective  of  the  similarity  or  dissimilarity  of 
their mechanisms of actions.  
Nowell  et  al.  (2014)  developed  the  Pesticide  Toxicity  Index  (PTI)  as  a  relative  ranking 
tool regarding pesticide mixture impacts on freshwater organisms. Two approaches were 
compared:  the  median-PTI  based  on  median  toxicity  values  within  each  taxonomic 
group,  and  the  sensitive-PTI  based  on  the  most  sensitive  endpoint  within  a  taxonomic 
group. Both were correlated well, with the median-PTI being more robust to outliers. The 
median-PTI  was  proposed  for  sample  and  site  comparison,  while  the  sensitive-PTI  was 
proposed  more  for  screening  level  as  a  conservative  tool.  Also  the  PTI  is  based  on  CA 
and does not account for potential interactions. 
Ccanccapa  et  al.  (2016)  looked  at  pesticides  detected  in  the  river  Ebro  (Spain),  and 
looked at the potential environmental risks from the 42 detected pesticides and some of 
their  degradation  products  to  aquatic  organisms,  exposed  via  water  or  sediment  pore 
water.  The  sum  of  toxic  units  (Σ  TU)  based  on  acute  EC50  values  showed  no  risk  in  all 
sites.  However,  when  using  risk  quotients  (RQ=PEC/PNEC)  based  on  chronic  NOEC 
values for the individual pesticides, some exceeded 1 and could be of concern.  
Kennedy  et  al.  (2015)  assessed  aggregate  exposure  to  conazole  pesticides,  integrating 
dietary  and  non-dietary  human  exposure.  Dietary  exposure  models  used  food 
consumption  and  pesticide  residue  data.  Non-dietary  exposure  was  modelled  for 
operators and bystanders. Optimistic and pessimistic model scenarios were applied. The 
outcome  was  presented  as  relative  contributions  from  various  sources  to  the  overall 
risks,  e.g.  showing  in  the  hypothetical  cases  investigated  that  for  a  UK  arable  spray 
operator  inhalation  and  dermal  exposure  may  be  main  routes  of  exposure,  while  non-
dietary  exposure  played  a  minor  role  for  child  bystanders.  Model  specifications  had  a 
large impact on the outcome and should be duly justified.  
Boon et al. (2015) used the  EFSA guidance and applied an optimistic and a pessimistic 
scenario for the cumulative dietary exposure to triazole pesticides using the Monte Carlo 
Risk  Assessment  (MCRA)  tool.  Regarding  acute  exposures,  in  the  optimistic  model  run 
none  of  the  scenarios  exceeded  the  ARfD,  while  in  one  of  the  pessimistic  scenarios  an 
exceedance was predicted.  In the chronic assessment, again no  exceedance  of the ADI 
were found using the optimistic model run, while 6% and 4.3% of the population had a 
simulated chronic exposure exceeding the ADI in the pessimistic model run in Denmark 
and  Italy,  respectively.  The  model  provides  also  probabilities  for  exceedances  and 
related  uncertainties.  Results  for  the  different  countries  varied  substantially  and  when 
using  MRLs  for  the  exposure  calculations,  animal  commodities  (milk  and  meat) 
contributed most to the exposures. The authors concluded that the optimistic model runs 
are rather easy to perform but probably underestimating exposure, while the pessimistic 
model run is laborious and might produce unrealistically high exposures.  
14 
 

 
Evans et al. (2015) applied the WHO/IPCS scheme for the risk assessment of combined 
exposures  to  the  assessment  of  67  pesticides,  for  which  individual  assessments  by  the 
FAO/WHO  JMPR  were  available.  A  Tier  0  screening  level  assessment  was  performed 
assuming  that  no  hazard  data  would  be  available  and  TTC  values  for  each  compound 
were used. HI values obtained based on TTCs (Tier 0) were in the range 37.5-146, and 
were  up  to  16  times  greater  than  HIs  based  on  ADIs.  The  Tier  1  assessment  based  on 
ADI values and 13 WHO food cluster regions showed an HI>1 in all 13 regions, with one 
region exceeding an HI of 10. The HI was never driven by just one compound and 80% 
of  the  HI  were  contributed  by  each  9-18  chemicals  in  the  mixtures.  The  Tier  2  refined 
assessment  was  not  possible  due  to  a  lack  of  relevant  input  data.  However,  an 
assessment  was  presented  applying  a  subgrouping  based  on  the  Pesticide  Property 
Database  (PPDB2)  nine  human  health  issues  as  surrogate  information  for  the  mode  of 
action. That way in some cases the resulting HI would remain <1. 
4.1.2  Phthalates 
Phthalates were assessed in two case studies regarding combined human health effects. 
Many more studies in the literature address combined effects of or combined exposure to 
phthalates,  but  these  were  the  only  two  recent  case  studies  identified  performing  a 
complete risk assessment.  
Dewalque  et  al.  (2014)  investigated  the  daily  intake  of  5  phthalate  diesters  in  the 
Belgian general population, the contribution of dietary exposure to the overall exposure, 
and  the  related  risks  using  general  reference  values  (HITDI)  as  well  as  anti-androgenic 
specific  endpoints  (HIRfDAA).  Exposure  was  assessed  based  on  human  biomonitoring 
(HBM) data. Few participants of the study showed a HQ>1 for individual phthalates, but 
6.2% of the adults and 25% of the children showed a HITDI>1. HITDI was 3-4 fold higher 
than  HIRfDAA,  showing  the  influence  of  the  values  used  for  the  hazard  assessment.  For 
DEHP  the  main  exposure  pathway  was  via  food  while  for  all  other  congeners  dietary 
intake seemed to play a minor role.  
Hartmann et al. (2015) assessed the combined risk from exposure to 11 phthalates and 
14  metabolites  in  children  in  Austria  using  HBM  data  as  well.  Median  HIs  based  on  all 
acceptable  levels  of  exposure  are  far  below  1.  HI>1  was  however  found  using  TDIs, 
whereas no exceedances were found using anti-androgenic RfD.  
Dewalque  et  al.  (2014)  suggest  that  larger  biomonitoring  studies  including  pertinent 
biomarkers  of exposure to  other anti-androgenic compounds  should be performed. This 
wide  exposure  was  also  shown  earlier  by  Becker  et  al.  (2009),  who  detected  12 
phthalate  metabolites  in  urine  samples  from  600  German  children  from  3  to  14  years 
old.  The  phthalate  concentrations  decreased  with  increasing  age  and  children 
contamination were 3-5 times higher than in adults. This might be a situation of concern, 
as anti-androgenic effects are known for phthalates and exposure could occur at all life 
stages.  Furthermore,  phthalates  are  not  the  only  anti-androgenic  chemicals  to  which 
humans are exposed. This is confirmed by another case study assessing cumulative anti-
androgenic  effects  of  15  chemicals  including  phthalates,  pesticides,  and  cosmetics, 
(Kortenkamp  and  Faust,  2010),  which  concludes  that  although  the  cumulative  risk 
obtained for median exposures can be judged tolerable, it exceeds acceptable levels for 
people on the upper end of exposure levels.  
4.1.3  Polybrominated diphenyl esters 
Polybrominated  diphenyl  esters  (PBDEs)  were  assessed  by  Meek  et  al.  (2011)  applying 
the  WHO/IPCS  framework  Tier 0  and  Tier 1.  Assessments  were  based  on  three 
commercial mixtures. The Tier 0 RA used semiquantitative exposure estimates based on 
production volume, number of manufacturing plants etc. and the LOEL for the most toxic 
                                           
2 http://sitem.herts.ac.uk/aeru/ppdb/en/  
 
15
 

 
congener in the mixture. Thus the HI exceeded 1 and a refinement was performed. The 
resulting  Tier 1  assessment  used  conservative  intake  estimates  based  on  maximum 
levels in air, water, dust, food and human breast milk for six age groups in the Canadian 
population, versus critical effect levels based on neurobehavioural effects. The margin of 
exposure  (MoE)  was  ca.  300,  while  MoEs  considering  HBM  data  were  10  fold  less  with 
however  higher  uncertainty.  Food  was  considered  the  major  source  of  exposure,  with 
highest percentages of dietary contribution for breast-fed infants.  
4.1.4  Parabens 
Parabens used in personal care products were investigated by Gosens et al. (2013). This 
study  considered  no  real  combined  exposure  to  multiple  chemicals,  but  examined  the 
exposure  from  various  sources  to  individual  substances.  Aggregate  exposure  to  4 
parabens for children of 0-3 years of age was assessed in two ways: Tier 1 used a worst-
case  deterministic  approach  based  on  the  maximum  amounts  of  parabens  used  in 
products  and  default  use  amounts  to  predict  exposure.  Tier  2  used  a  person-oriented 
probabilistic  approach.  Exposure  was  then  compared  to  NOAEL  values  based  on  male 
reproductive  effects.  In  Tier  1,  for  methyl  and  ethyl  paraben,  the  MoE  was  above  the 
"safe"  MoE  of  100,  while  for  propyl-  and  butyl-paraben  the  MoE  was  only  8  and  10, 
respectively.  This  might  be  due  to  the  worst  case  assumptions,  like  use  of  all  relevant 
personal  care  products  in  parallel.  The  more  realistic  probabilistic  approach  in  Tier  2 
including  an  uncertainty  analysis  allows  deriving  fractions  of  the  population  that  might 
be  exposed  above  a  critical  level.  This  refinement  results  in  a  much  more  realistic 
assessment  but  is  also  very  data  demanding.  Further  refinement  is  difficult  as  detailed 
data  on  the  use  of  personal  care  products  is  scarce,  especially  for  children,  and  it  is 
unknown whether extrapolation from adult use by scaling the amount of product used to 
body  surface  is  appropriate.  Furthermore,  those  chemicals  are  also  used  in  other  types 
of  products  such  as  pharmaceuticals  and  as  food  additives  and  those  uses  have  never 
been  assessed  together,  as  they  are  regulated  under  different  legal  frameworks.  More 
exposure  data  via  these  products  would  therefore  be  needed  to  obtain  an  even  more 
accurate aggregate estimated exposure to parabens. 
4.1.5  Pharmaceuticals 
Pharmaceuticals  entering  the  aquatic  environment  via  waste  water  treatment  plant 
(WWTP)  effluents  were  investigated  in  Backhaus  and  Karlsson  (2014).  Exposure  to 
aquatic  organisms  was  estimated  from  published  monitoring  data.  For  the  hazard 
assessment  only  limited  chronic  effect  data  were  available  so  that  the  assessment  was 
based  on acute toxicity data for algae, daphnia and fish, following the REACH guidance 
for estimating PNECs with an assessment factor (AF) of 1000. Two different approaches 
based  on  CA  were  used,  i.e.  a  risk  quotient  based  on  measured  concentrations  (MEC) 
and PNEC values (RQ=Σ(MEC/PNEC)i) and a Σ TU (with TU= MEC/EC50) for each trophic 
level,  multiplied  in  the  end  with  the  appropriate  AF.  The  maximum  cumulative  ratio 
(MCR) was also calculated and showed ratios between 1.2-4.2, meaning that up to 4-5 
components  were  the  main  drivers  of  mixture  toxicity.  The  RQ  regularly  exceeded  1, 
indicating a potential risk depending on the dilution in the recipient stream. The top ten 
mixture components contributed more than 95% of the overall mixture risk. Algae were 
found as most sensitive group,  fish as least sensitive. The differences between the two 
approaches remained within a factor of 1.3. 
Marx et al. (2015) looked specifically at mixtures of antibiotics and potential synergistic 
effects  to  aquatic  organisms  exposed  via  WWTP  effluents.  Exposure  for  15  antibiotics 
was calculated based on known prescriptions for humans, not including veterinary uses 
that  were  considered  of  lower  relevance  in  the  study  area.  PNEC  values  were  derived 
from the literature as well as information on binary interactions. Common HI as well as 
HIint considering interactions were compared. HI over a 7 year period had a mean value 
of 0.37, with 20% of all weeks exceeding 0.5, and one week exceeding HI>1. The share 
of  contribution  to  the  mixture  risk  changed  between  different  antibiotic  classes  over 
 
16
 

 
time,  but  not  the  overall  HI.  HIint  showed  a  50%  increase  in  risk  in  a  worst-case 
scenario, so that HI>1 would be found in 25 weeks over 7 years. It needs to be kept in 
mind  that  most  underlying  data  on  interactions  were  gained  from  much  higher 
concentrations compared to realistic environmental exposures.  
4.1.6  Food contact materials 
Food contact materials were investigated by Price et al. (2014). The Cefic MIAT decision 
tree for the assessment of mixtures (Price et al., 2012b) was applied to investigate three 
examples. ADI values (and where not available TTC values) were used for calculating the 
HI  and  MCR.  All  examples  were  classified  into  Group  II,  indicating  low  concern.  MCR 
values were in the range of 1.3-2.4, indicating that few compounds drive the overall risk. 
MCR  values  declined  with  increasing  HI,  which  means  that  if  the  risk  increases,  fewer 
compounds drive this risk.  
4.1.7  Dioxin-like compounds 
Dioxin-like compounds (DLCs) were assessed by Han and Price (2013) for three datasets 
comprising  general  population  exposure  (NHANES 3 ),  and  two  worker  groups  with 
occupational  exposure  (MI,  Michigan  dataset,  and  NZ  New  Zealand  dataset).  For  all 
individuals in the datasets the total TEQs were calculated as well as the MCR values. The 
top  five  major  contributors  to  total  TEQs  in  the  NHANES  dataset  were  12378-PeCDD, 
123678-HxCDD,  PCB  126,  TCDD,  and  23478-PeCDF.  On  average  they  accounted  for 
76%  of  the  total  TEQ.  Total  TEQs  were  higher  in  the  MI  and  NZ  datasets  than  in  the 
NHANES dataset (58.96 fg/g for MI, 25.5 fg/g for NZ, 19.72 fg/g for NHANES) explained 
by the occupational exposure. Part of the difference is however also due to the different 
age distributions: i.e. for persons >45 years of age, NHANES total TEQs were lower than 
in  the  MI  dataset  but  higher  than  for  the  NZ  dataset.  Average  MCR  values  (including 
2.5th  percentile  and  97.5th  percentile)  were:  for  NHANES  3.5  (2.2/5.7),  for  MI  3.6 
(1.6/5.1), and for NZ 3.2 (1.4/4.6). This indicates that for all 3 groups a small number 
of  DLCs  drives  the  total  TEQ.  As  also  in  other  studies  analysing  the  MCR,  it  showed  a 
decreasing  trend  with  increasing  total  TEQ  values.  Overall  more  highly  exposed  people 
tend  to  have  lower  MCR  values  for  the  MI  and  NZ  dataset,  but  not  for  the  NHANES 
dataset. The person age and total TEQs are positively correlated. In the NHANES dataset 
two  groups  of  age  >  or  <  45  years  can  be  distinguished  with  persons  <  45  years 
showing  generally  lower  DLC  levels  and  higher  MCR  values.  For  all  three  groups,  the 
MCR  values  were  larger  than  in  other  investigations  of  MCR  of  different  mixtures  (Han 
and  Price,  2011;  Price  et  al.,  2012a),  indicating  a  greater  need  for  CRA  for  DLCs.  A 
single substance RA based only on the largest contributor would underestimate the total 
TEQ  by  a  factor  of  2-6.  In  the  case  of  occupational  or  local  sources  of  exposure,  the 
impact of performing a CRA compared to single substance RA decreases. 
4.1.8  Cross-sectorial and environmental mixtures 
Apart  from  case  studies  addressing  specific  chemical  groups,  several  case  studies 
address mixtures  of compounds that  are regulated under different pieces  of legislation, 
i.e.  so-called  cross-sectorial  mixtures.  These  are  sometimes  related  to  known  co-
exposure  via  certain  consumer  products  or  known  co-exposures  from  HBM  or 
environmental  monitoring,  but  some  are  also  based  on  known  common  effects  (e.g. 
anti-androgenic effects). 
Kortenkamp  and  Faust  (2010)  looked  at  anti-androgenic  effects  of  15  compounds 
including  phthalates  and  other  chemicals.  Risks  were  compared  using  median  human 
intake  and  highly  exposed  population  groups.  Acceptable  levels  were  derived  using 
NOAELs  or  BMDs  applying  appropriate  uncertainty  factors,  or  ADIs  derived  on  anti-
androgenic  effects  were  used.  For  median  exposure  an  HI  of  0.38  was  calculated, 
                                           
3 http://www.cdc.gov/nchs/nhanes/  
 
17
 

 
whereas  for  highly  exposed  populations  HI  of  2.01  was  reached.  The  authors  suggest 
that risk reductions can be achieved by limiting exposures to the plasticiser diethyl hexyl 
phthalate, the cosmetic ingredients butyl- and propyl paraben, the pesticides vinclozolin, 
prochloraz  and  procymidone  and  bisphenol  A.  All  those  results  (considering  also 
Dewalque et al., 2014; Hartmann et al., 2015) indicate that combined exposures to anti-
androgens might have reached levels of concern. Moreover, it has to be highlighted that 
these  case  studies  do  not  take  into  account  synergistic  effects,  although  synergisms 
have been observed with a mixture of anti-androgens with diverse mode of action (MoA) 
for  particular  endpoints  (Christiansen  et  al.,  2009).  For  all  these  reasons,  further  work 
should  be  performed  to  know  whether  this  is  a  phenomenon  of  concern  that  should  be 
taken into account in anti-androgenic RA. 
Price et al. (2012a) applied the Cefic MIAT decision tree for assessing combined risks to 
humans  and  the  environment  from  exposure  via  surface  water  and  WWTP  effluents. 
Surface water was assumed to be directly consumed without dilution by humans. A 10-
fold dilution was assumed for  effluents. All detected chemicals (up to 49 were detected 
from  222  measured  substances)  were  considered  to  contribute  in  an  additive  way 
without grouping. The human RA followed the WHO/IPCS Tier 0 using available reference 
values  (RVs)  or  TTCs,  for  environmental  risk  assessment  (ERA)  RVs  were  available  to 
determine WHO/IPCS Tier 1. Non-detected chemicals were either assumed to be absent 
or  considered  at  a  concentration  of  the  limit  of  detection  divided  by  20.5.  For  human 
health, 98% of the mixtures showed HI<1. For ERA, 68% of the mixtures had HI>1 with 
one  or more substances individually showing an HQ>1, 19% had HI<1 and about 12% 
had an HI>1 which was not due to individual substances exceedances. The tree enables 
to identify the MoA of chemicals where refinements would be most useful. Han and Price 
(2011)  applied  the  same  methodology  also  to  groundwater  used  for  drinking  water 
supplies,  with  the  aim  to  mainly  look  at  the  usefulness  and  applicability  of  the  MCR 
approach. They found that MCR is negatively correlated with HI, i.e. the risk of mixtures 
with higher HI is usually driven by fewer compounds. The way how chemicals below the 
limit of detection are considered can greatly influence the related MCR for mixtures with 
small  HI,  but  has  little  impact  on  MCR  for  mixtures  with  HI>1.  MCR  is  positively 
correlated  with  the  number  of  chemicals  detected,  i.e.  the  higher  the  number  of 
chemicals  the  higher  also  the  MCR.  The  average  MCR  in  all  samples  was  2.2-3.1,  so 
mixtures were mainly dominated by few chemicals.  
Boobis  et  al.  in  Meek  et  al.  (2011)  took  a  similar  approach  assessing  a  theoretical 
mixture of potentially detectable surface water contaminants using the WHO/IPCS Tier 0. 
For  the  cross-sectorial  mixture  of  10  substances,  using  exposure  monitoring  data  and 
TTC  values,  the  resulting  HI  was  0.2.  In  this  case  a  screening  assessment  would  have 
been sufficient and no further refinement would have been triggered. 
Malaj et al. (2014) investigated the risk for freshwater organisms from organic chemicals 
on a continental scale, using median and maximum annual exposure concentrations from 
4000  European  monitoring  sites  covering  91  European  rivers.  A  chemical  risk  index  for 
each organism group per river was calculated. The mean concentrations were compared 
to chronic toxicity thresholds, while the maximum annual concentrations were compared 
to  the  acute  toxicity  threshold.  For  14%  of  sites  the  organic  chemicals  were  likely  to 
exert  acute  effects  and  for  42%  chronic  effects  on  sensitive  fish,  invertebrate  or  algae 
species.  Major  contributors  to  the  risk  were  pesticides,  tributyltin,  Polycyclic  Aromatic 
Hydrocarbon  (PAHs),  brominated  flame  retardants.  Pesticides  were  responsible  for  81, 
87, and 96%  of  observed exceedances of the  acute risk threshold for fish, invertebrate 
and  algae,  respectively.  The  risk  increased  with  the  number  of  chemicals  analysed  per 
site.  
Evans et al. (2016) include a case study on breast-fed children exposed via human milk. 
It  was  assumed  that  all  detected  chemicals  would  act  in  an  additive  way,  but  also  a 
subdivision  in  different  chemical  categories  was  performed.  HI>1  was  identified  for 
several  chemical  groups,  i.e.  organochlor  pesticides  and  PCBs.  The  overall  HI  for  the 
 
18
 

 
whole mixture was 66, indicating a potential risk. Mapping the chemicals to the different 
regulatory  framework  shows  that  some  of  them  fall  simultaneously  under  different 
legislation and all together several regulatory silos become relevant. This underlines that 
mixtures need to be addressed across regulatory silos.  
In  the  same  context  of  exposure  to  unintentional  mixture,  exposure  via  indoor  air 
becomes  relevant.  People  in  modern  society  spend  approximately  90%  of  their  time 
indoors, in which 2/3 would be spent at home (Le Cann et al., 2011). De Brouwere et al. 
(2014) applied the MCR tool to evaluate mixtures in residential indoor air. Several data 
sets across Europe were compared. The average MCR value was 1.8, with a range from 
1  to  5.8.  MCR  was  found  to  be  small  compared  to  the  number  of  chemicals  in  the 
mixtures, indicating that generally the overall effect was driven by only a few chemicals. 
The  MCR  was  significantly  declining  with  increasing  HI.  The  large  majority  of  samples 
from  the  Flemish  school  survey  were  categorised  in  the  "low  concern  group  II",  while 
Flemish home samples were mostly falling into the "concern for combined effects group 
III",  and  to  the  "single  substance  concern  group  I".  Most  of  the  OQAI  dataset  were 
assigned  to  the  "single  substance  concern  group  I".  Substances  identified  as  biggest 
contributors  were  NO2,  trichloroethylene,  acrolein,  and  xylenes.  These  were  however, 
not  consistently  measured  in  all  the  studies,  so  comparison  of  datasets  and  overall 
drivers  is  difficult.  The  study  showed  a  significant  number  of  cases  where  combined 
effects  should  be  considered  further  and  a  chemical-by-chemical  approach  would  be 
insufficient. However, the mixtures showing concern for combined effects were not those 
with  the  highest  HIs.  Highest  HI  values  were  observed  for  samples  where  single 
substances  were  dominating  the  overall  risk.  Personal  measurements  had  generally  a 
higher  HI  than  indoor  air  measurements.  The  average  ratio  for  HI  from  personal 
measurement vs. indoor air monitoring was 1.5 (range 0.15-19), thus the use of indoor 
air could lead to some underestimation. A problem was the availability of reliable chronic 
inhalation toxicity data for non-cancer effects. The choice of the RVs had a large impact 
on the overall results. Using minimum RVs instead of the basic RVs moved most samples 
to the group of "single substance of concern I". 
4.1.9  Need to address mixtures across regulatory sectors 
Different  chemical  classes  are  often  regulated  under  different  pieces  of  legislation,  for 
instance  pesticides,  biocides,  cosmetic  ingredients,  industrial  chemicals  etc.  Several 
studies  in  the  recent  literature  show  that  chemicals  from  different  classes  are  able  to 
elicit similar effects (e.g.  Evans et al., 2015;  Kortenkamp and Faust, 2010; Maffini and 
Neltner,  2014)  and  numerous  monitoring  studies  provide  evidence  for  relevant  co-
exposure.  Several  of  the  case  studies  presented  in  section  A.8  (De  Brouwere  et  al., 
2014; Evans, et al., 2015; Kortenkamp and Faust, 2010; Malaj et al., 2014) show that 
mixtures  of  chemicals  spanning  different  regulatory  silos  can  be  of  concern  particularly 
for vulnerable / highly exposed  subgroups. An additional example is  shown in Carvalho 
et  al.  (2014),  who  tested  two  artificial  mixtures,  designed  of  14  and  19  substances 
selected to cover different classes and modes of action, each present at their individual 
safety limit concentration imposed by the European legislation for surface water (Water 
Framework  Directive).  The  toxic  effects  of  the  two  mixtures  were  investigated  in  35 
bioassays  based  on  11  organisms  representing  different  trophic  levels.  The  mixtures 
elicited  quantifiable  and  significant  toxic  effects  on  some  of  the  test  systems,  showing 
the need of precautionary actions on the assessment of chemical mixtures even in cases 
where  individual  toxicants  are  present  at  seemingly  harmless  concentrations.  As 
concerns  were  identified  in  several  cases,  further  case  studies  should  address  also 
mixture risk assessments across regulatory silos. 
 
4.2  Conclusions related to chemical classes considered 
Among the considered case studies, several chemical classes have been addressed, but 
this  does  not  mean  that  the  overview  is  representative  as  many  groups  of  compounds 
 
19
 

 
have  not  been  covered.  The  selection  of  these  chemical  classes  is  often  based  on  data 
availability,  recent  concerns  about  certain  chemical  classes  or  legislative  requirements. 
However, many more chemicals, including emerging substances, could be considered in 
the  future.  Wang  et  al.  (2016)  for  example  investigated  perfluoroalkyl  phosphonic  and 
phosphinic  acids  (PFPAs  and  PFPiAs)  used  as  defoamers  in  pesticide  formulations  and 
wetteners  in  consumer  applications,  which  individually  have  a  low  risk.  However,  they 
conclude  that  combined  exposure  to  them  could  be  of  concern  due  to  similar  MoA  with 
other  chemicals  and  their  potential  for  long-range  transport  and  potential  for 
bioaccumulation in aquatic and mammalian organisms. 
Several  of  the  case  studies  revealed  a  concern  due  to  combined  exposure  for  certain 
chemical classes especially when considering specific vulnerable population groups. This 
is  very  relevant  information,  but  needs  to  be  interpreted  with  caution,  considering 
carefully  the  assumptions,  model  parameters  and  related  uncertainties.  However,  there 
is  clear  evidence  that  chemicals  need  to  be  further  addressed  not  only  in  single 
substance risk assessment and that mixtures should be considered also across chemical 
classes and legislative sectors. 
 
4.3  Potential  for  over-  and  underestimating  risks  from  combined 
exposure to chemical mixtures 
For some case studies described above, a concern for the environment or human health 
was  identified.  Each  case  study  however,  needs  to  be  interpreted  carefully  taking  into 
account the related assumptions and uncertainties. 
Several factors in these studies might lead to an overestimation of risks, such as e.g. 
conservative assumptions that: 
•  all chemicals in a mixture contribute to a combined effect,  
•  exposure takes place to all chemicals simultaneously,  
•  high-end exposures for all chemicals in parallel, e.g. in lower tiers of the WHO/IPCS 
scheme (Meek et al., 2011). 
The  idea  in  a  tiered  scheme  is  however  to  start  on  purpose  with  conservative 
assumptions to reduce data requirements and allow a simpler screening assessment that 
is  protective.  This  can  be  refined  based  on  more  realistic  assumptions  and  additional 
data where a potential concern is identified.  
However,  many  factors  could  also  result  in  an  underestimation  of  the  overall  risk
such as: 
•  the  limited  knowledge  of  the  number  and  identity  of  chemicals  humans  and  the 
environment are really co-exposed to. This is usually based on known exposure data 
from chemical monitoring, which can only detect the limited set of chemicals we are 
specifically  looking  for  (e.g.  De  Brouwere  et  al.,  2014;  Kortenkamp  &  Faust,  2010; 
Malaj  et  al.,  2014).  This  could  be  partly  overcome  by  non-targeted  monitoring  or 
effect-based  monitoring,  potentially  followed  by  effect-directed  analysis  to  identify 
chemicals driving the risk; 
•  mixture assessments that consider only a certain compound class, which do not take 
into  account  co-exposure  to  other  compounds  that  might  contribute  to  a  combined 
risk (e.g. leading to the same adverse outcome) (Dewalque et al., 2014); 
•  neglecting  potential  bioaccumulation  in  the  organism  using  only  external  exposure 
concentrations (Kortenkamp & Faust, 2010); 
•  not  addressing  possible  synergistic  effects  by  assuming  only  concentration  addition 
(Kortenkamp & Faust, 2010; Marx et al., 2015); 
•  neglecting  chemical  metabolites  that  are  more  toxic  than  the  parent  compound, 
might contribute to the overall risk, since most often only the parent compounds are 
considered (Malaj et al., 2014); 
 
20
 

 
•  in  the  case  of  exposure  via  environmental  samples  or  effluents,  the  underlying 
sampling and extraction method can influence the chemicals that can be detected in 
the chemical (or biological) analyses. In the case of effluents, the assumptions made 
on  their  dilution  in  receiving  waters  can  underestimate  concentrations  for  small 
streams receiving several discharges (Malaj et al., 2014; Price et al., 2012a); 
•  in the use of monitoring data, the decision how non-detected chemicals are treated 
can  make  a  big  difference.  If  they  are  considered  as  absent,  an  underestimation  is 
probable, while if they are assumed to be present at a certain fraction of the limit of 
detection or quantification, this can lead to overestimations (e.g. De Brouwere et al., 
2014; Han and Price, 2011, 2013; Price et al., 2012a). 
 
4.4  Mixture assessment approaches 
4.4.1  Prediction models 
All  case  studies  performed  a  mixture  risk  assessment  based  on  Concentration 
Addition
  (CA)  except  for  Gosens  et  al.  (2013)  which  considered  only  aggregate 
exposure  to  individual  substances  from  different  sources.  One  case  study  (Junghans  et 
al., 2006) applied CA and Independent  Action (IA) to the same dataset, which slightly 
underestimated  the  mixture  toxicity.  However  this  underestimation  is  significant  only 
with increasing effect levels. At the 50% effect level the confidence interval of the EC50 
predicted  according  to  IA  still  overlaps  with  the  confidence  interval  of  the  EC50  derived 
from the measured concentration-response data. Moreover, the EC50 values that can be 
derived from each prediction only differed by a factor of 1.3. Those results suggest that 
CA  provides  a  precautious  but  not  overprotective  approach  to  the  predictive  hazard 
assessment  of  pesticide  mixtures  under  realistic  exposure  scenarios,  irrespective  of  the 
similarity or dissimilarity of their mechanisms of action. Junghans et al. (2006) identified 
two  circumstances  that  can  challenge  the  precautionary  character  of  the  CA  approach, 
one  of  them  being  rather  flat  concentration-response  curves  so  that  IA  could  predict  a 
higher  toxicity  than  CA.  The  other  could  be  caused by  potential  synergistic  effects  that 
are not covered by CA or IA approaches. Interactions need to be assessed on a case-by-
case basis.  
CA based approaches were also the  ones most used by the  experts participating in the 
JRC  expert  survey  (Bopp  et  al.,  2015).  Experts  used  mostly  the  HI,  TEQ,  and  Σ TU,  as 
reflected  also  in  the  case  studies  discussed  in  this  report.  Some  experts  in  the  survey 
specifically mentioned IA based calculations as an approach they have abandoned, since 
the  prediction  outcome  is  usually  similar  to  CA  based  predictions,  while  IA  calculations 
require  a  lot  more  input  information  (full  dose-response  curves)  to  enable  such 
calculations, which is often not available.  
There  is  an  ongoing  debate  about  the  relevance  of interactions.  In  the  reviewed  case 
studies,  only  one  included  an  assessment  of  synergistic  interactions  applying  the  HIint 
approach  to  antibiotic  mixtures  (Marx  et  al.,  2015).  Toxicological  interactions  modulate 
toxicokinetic  and/or  toxicodynamic  mechanisms  of  individual  chemicals.  Toxicokinetic 
interactions  could  be  e.g.  induction  of  metabolising  enzymes,  alterations  in  uptake 
mechanisms,  all  processes  linked  to  the  influence  of  individual  chemicals  on  ADME  of 
others.  Toxicodynamic  interactions  can  be  based  on  e.g.  modulation  of  homeostasis  or 
repair  mechanisms.  Boobis  et  al.  (2011)  performed  a  literature  review,  identifying  90 
studies  demonstrating  synergisms  in  mammalian  test  systems  performed  at  low  doses 
(i.e.  close  to  the  point  of  departure,  POD)  for  individual  chemicals.  Only in  6  of  the  90 
studies  useful  quantitative  information  on  the  magnitude  of  synergy  was  reported.  In 
those six studies, the difference between observed synergisms and predictions by CA did 
not  deviate  by  more  than  a  factor  of  4.  Cedergreen  (2014)  performed  a  systematic 
literature  review  for  binary  mixtures  within  three  groups  of  environmentally  relevant 
chemicals  (pesticides,  metals,  antifouling  agents).  Synergy  was  defined  as  a  minimum 
two-fold deviation from CA predictions. Synergy was found in 7%, 3% and 26 % of the 
 
21
 

 
pesticide, metal and antifoulant mixtures, respectively. The extent of synergy was rarely 
more than a factor of 10. Based on some more in depth analysis, Cedergreen concluded 
that  true  synergistic  interactions  between  chemicals  are  rare  and  often  occur  at  high 
concentrations. Using standard models as CA is regarded as the most important step in 
the RA of chemical mixtures. In the JRC expert survey (Bopp et al., 2015), most of the 
experts  were  in  favour  of  addressing  interactions  on  a  case-by  case  basis,  considering 
whether available information (e.g. regarding the chemical structures, MoA) can be used 
to anticipate possible interactions. 
Two  international  frameworks  developed  for  the  assessment  of  combined  exposure  to 
multiple  chemicals  were  applied  in  some  of  the  case  studies:  the  WHO/IPCS 
framework
  (Meek  et  al.,  2011)  and  the  Cefic  MIAT  decision  tree  (Price  et  al., 
2012b).  The  latter  combines  the  frameworks  of  the  WHO/IPCS  with  the  decision  tree 
developed  by  the  Scientific  Committees  (SCHER,  SCENIHR,  SCCS,  2011)  and 
incorporates the Maximum Cumulative Ratio (MCR) (Price and Han, 2011). The MCR can 
be  used  as  a  tool  for  prioritising  mixtures,  prioritising  relevant  refinements  in  the 
mixture  RA  and  identifying  where  a  single  substance  RA  might  be  sufficient.  The  main 
characteristic  of  the  WHO/IPCS  framework  is  its  tiered  approach  for  both  the  exposure 
and  the  hazard  assessment.  Screening  level  assessments  (Tier  0)  using  e.g.  simple 
exposure  estimates  based  on  production  or  sales  volumes  and  TTC  values  for  missing 
hazard information and without subgrouping of chemicals were presented in several case 
studies,  as  well  as  more  refined  Tier  1  case  studies.  However,  it  was  also  shown  that 
further  refinement  (which  includes  grouping  of  chemicals  based  on  e.g.  common  effect 
or common MoA) is often hampered by a lack of data (e.g. Evans et al., 2015). The Cefic 
MIAT  decision  tree  was  shown  to  be  applicable  to  several  cases  and  the  MCR  was 
demonstrated as a valuable tool in six examples. The  MCR  was in the  range of 1.2-4.2 
for  pharmaceuticals  in  WWTP  effluents  (Backhaus  and  Karlsson,  2014),  1.3-2.4  for  the 
FCM cases (Price  et al., 2014), 2.2-5.7 for  DLC in the generally exposed population, 1-
5.8  for  indoor  air  contaminants  (De  Brouwere  et  al.,  2014),  and  1-2  for  groundwater 
samples  with  5-10  detects,  and  1-5  for  groundwater  samples  with  15-25  detected 
contaminants (Han and Price, 2011). This shows that the number of chemicals that drive 
the mixture risk is usually low. In all the examples, the MCR decreased with increasing 
HI. This indicates that the higher the predicted risk, the lower the number of chemicals 
that are substantial contributors. It was also shown to be useful to present the mixture 
effects by ranking the chemicals according to their individual RQ from highest to lowest, 
to  identify  those  chemicals  that  are  contributing  most  and  to  see  which  number  of 
chemicals reaches in the sum a certain percentage of the overall risk. It was shown for 
example in Backhaus and Karlsson (2014) that the top ranking 10 chemicals contributed 
95% of the combined risk. In Price et al. (2012a) it was shown that only 2-5 compounds 
were significant contributors to the overall risk. This can help in further characterising a 
mixture,  deciding  when  further  refined  mixture  assessment  is  needed  and  developing 
strategies for such targeted refinements. Another important task is also to identify major 
sources of exposure, which is relevant for the risk management of combined exposures. 
Dewalque  et  al.  (2014)  and  Kennedy  et  al.  (2015)  showed  ways  of  comparing  e.g. 
dietary  vs  non-dietary  contributions  for  exposure  to  phthalates  and  pesticides, 
respectively.  
4.4.2  Grouping of chemicals 
In the case studies reviewed here, mostly lower tier assessments were applied based on 
conservative  assumptions.  This  implies  that  in  most  cases  no  specific  grouping  was 
performed,  but  all  mixture  components  were  supposed  to  act  together  leading  to 
combined  effects.  These  assessments  are  usually  based  on  agreed  reference  values 
which were derived based on the most sensitive endpoints, i.e. not necessarily based on 
the  same  type  of  effect.  This  is  a  valid  conservative  approach  for  lower  tiers.  If  no 
concern is identified considering all mixture components together, no further refinement 
and grouping will be needed. 
 
22
 

 
There  is  some  consensus  in  the  current  frameworks  that  in  refined  assessments  a 
grouping is performed based on a common effect, common mode of action, or common 
target  organ.  Depending  on  the  choice,  the  groups  will  be  larger  (resulting  in  more 
conservative  assessments)  or  smaller  (less  conservative).  One  widely  acknowledged 
advanced  framework  is  the  development  of  cumulative  assessment  groups  (CAGs)  for 
pesticides  by  EFSA  (EFSA  PPR  Panel,  2014).  At  CAG  level  1,  chemicals  are  grouped 
based  on  their  toxicological  target  organ.  At  CAG  level  2  grouping  is  further  refined 
based on common specific phenomenological effects, at level 3 based on common mode 
of  action  and  at  level  4  based  on  common  mechanism  of  action.  With  the  usually 
available  chemical  hazard  information,  grouping  can  mostly  be  performed  until  level  2. 
As  nowadays  more  and  more  mechanistic  information  is  becoming  available,  further 
refinement  will  be  possible.  Another  EFSA  opinion  (EFSA  PPR  Panel,  2013)  concluded 
that the best approach for addressing pesticides eliciting a common adverse effect in the 
same organ by dissimilar MoA is also CA.  
Thus the question remains how far further refinement of groupings should go to remain 
protective. Most scientific publications and international activities on the risk assessment 
of  mixtures  conclude  that  risks  from  combined  effects  are  relevant  for  mixtures  of 
substances  with  similar  mode  of  action  or  effect  (e.g.  SCHER,  SCENHIR,  SCCS,  2011). 
However,  based  on  the  relatively  well  studied  adverse  effects  of  mixtures  of 
pharmaceuticals, Hadrup (2014) suggested that chemicals with dissimilar mechanisms of 
action  could  be  of  bigger  concern  in  the  toxicological  risk  assessment  of  chemical 
mixtures  than  chemicals  with  a  similar  mechanism  of  action.  Examples  obtained  from 
cancer  and  HIV  treatment  studies,  show  that  pharmacological  combination  therapy 
targeting  different  mechanisms  of  action  is  more  effective  than  a  strategy  where  only 
one  mechanism  is  targeted.  Another  argument  is  that  also  in  many  diseases  several 
organ  systems  concomitantly  contribute  to  the  pathophysiology,  implying  that  a 
grouping based on common target organs may be inadequate. In further considerations, 
it should be however considered that in pharmacology usually higher doses are applied, 
whereas  at  lower  concentrations  some  specific  effects  might  not  occur.  Goodson  et  al. 
(2015) reviewed actions on key pathways and mechanisms related to carcinogenesis for 
85  chemicals  ubiquitously  occurring  in  the  environment.  The  aim  was  to  explore  the 
hypothesis that low-dose exposures to mixtures of chemicals in the environment may be 
combining  to  contribute  to  environmental  carcinogenesis.  The  results  of  their  analysis 
suggest that the combined effects of "individual (non-carcinogenic) chemicals acting on 
different  pathways,  and  a  variety  of  related  systems,  organs,  tissues  and  cells  could 
plausibly  conspire  to  produce  carcinogenic  synergies".  Additional  research  on 
carcinogenesis  and  low-dose  effects  of  chemical  mixtures  needs  to  be  performed  to 
further  investigate  the  hypothesis.  The  concept  of  assessing  combined  effects  strictly 
based on grouping chemicals according to their MoA or common effect(s) might need to 
be  revisited  in  order  not  to  underestimate  cancer-related  risks  and  systemic  diseases. 
Further investigations on the risks from combined exposure to multiple chemicals should 
consider  synergies  of  chemicals  acting  via  dissimilar  processes,  acting  on  different 
targets and tissues, and consider synergies between certain pathways. 
 
4.5  Current limitations in performing mixture risk assessments 
In order to perform mixture risk assessments using component based approaches, it is a 
prerequisite  to  have  detailed  information  on  the  mixture  composition  regarding  the 
chemical  identity  and  concentrations.  This  is  usually  known  for  formulated 
products/intentional  mixtures,  but  is  sometimes  problematic  for  unintentional  and 
environmental  mixtures.  For  example  Tang  et  al.  (2014)  have  shown  that  although  a 
total  of  299  chemicals  were  screened  in  wastewater  and  recycled  water  samples,  all 
present  below  the  individual  regulatory  safety  limit,  the  known  chemicals  in  designed 
mixture  toxicity  testing  explained  less  than  3%  of  the  observed  cytotoxicity  and  less 
 
23
 

 
than  1%  of  the  oxidative  stress  response,  and  were  not  related  to  the  observed 
genotoxicity.  Neale  et  al.  (2015)  examined  Danube  river  samples  using  large  volume 
water extracts testing in an in vitro test battery and tried to match observed effects with 
the  detected  organic  micropollutants.  Most  samples  showed  rather  low  response  in  the 
bioassays,  however,  depending  on  the  endpoint,  the  contribution  of  the  detected 
chemicals  explained  in  the  worst  case  only  0.2  %  of  the  observed  effect  (for  PXR 
activation), while five chemicals explained 80% of the observed effect for ER activation. 
The sometimes large proportion of unknown toxicity in environmental samples could be 
addressed by widening the range of chemicals analysed and complementing the chemical 
monitoring with biological effect monitoring. De Brouwere et al. (2014) used 4 different 
indoor air monitoring data sets in their case study and faced difficulties in comparing the 
results for the different studies. The substances identified as biggest contributors to the 
potential  risk  were  NO2,  trichloroethylene,  acrolein,  xylenes.  These  were  however  not 
consistently measured in all the studies, so comparison of datasets and overall drivers is 
difficult.  The  combined  assessments  from  the  different  studies  might  lead  to  an 
underestimation  of  risk  due  to  the  presence  of  some  major  contributors  that  were  not 
included in the chemical analysis. 
Another major problem is the availability of relevant exposure and toxicity data, as well 
as  lack  of  information  on  the  MoA  of  mixture  components  (e.g.  Evans  et  al.,  2016; 
2015).  A  major  gap  was  identified  in  the  information  on  human  and  environmental 
exposure
 and a new platform for monitoring data was therefore created. IPCheM4, the 
Information Platform for Chemical Monitoring data, was developed over the last years as 
one of the follow up actions to the Commission Communication (EC, 2012). It comprises 
monitoring  data  in  four  modules,  i.e.  human  biomonitoring,  environmental  monitoring, 
indoor air and consumer products, and food / feed related monitoring data. Thus it offers 
great potential for the assessment of mixtures.  
Exposure is often predicted from e.g. production volumes, but also assessed using small 
surveys, e.g. for parabens in personal care products (Gosens  et al.,  2013). The usually 
limited  number  of  individuals  can  lead  to  high  uncertainties  on  the  representativeness. 
Also the limited spectrum of chemicals analysed in monitoring studies can be a problem 
(e.g. De Brouwere et al. (2014) indicating problems in comparability between data sets), 
as  well  as  the  reporting  of  monitoring  results.  For  example,  in  the  case  of  human 
biomonitoring  data,  if  only  aggregated  results  are  made  available,  it  is  impossible  to 
trace back the real co-occurrence of chemicals in individual humans. If monitoring data 
are  used,  obviously  the  higher  the  number  of  analysed  chemicals,  the  higher  will  also 
become the predicted potential risk. Another major uncertainty is related to the impact 
of chemicals that are analysed but below the limit of detection. Several approaches can 
then be used to address these chemicals, which can greatly influence the final outcome 
(Han  and  Price,  2011).  When  external  exposure  data  are  used  (like  environmental 
monitoring data or exposure predicted from emissions or product uses), there is always 
the question about internal co-exposure at a target site. Tier 3 of the WHO/IPCS scheme 
therefore  includes  toxicokinetic  modelling  for  the  prediction  of  internal  exposure 
concentrations.  Such  Tier  3  refinements  of  the  hazard  assessment  are  however  not 
reported  in  any  case  study  and  hampered  by  the  availability  of  relevant  input 
parameters  required  for  the  modelling  (see  also  EURL  ECVAM  Toxicokinetic  Strategy, 
Bessems et al. (2015)).  
Furthermore,  the  lack  of  toxicity  data  is  highlighted  in  many  of  the  reviewed  case 
studies.  For  screening  assessments,  the  TTC  can  be  used  in  several  cases  to  replace 
specific  reference  values.  If  however  a  refinement  and  specific  values  are  needed, 
limited availabilities are encountered,  e.g.  for  pharmaceuticals (Backhaus and Karlsson, 
2014),  pesticides  (Junghans  et  al.,  2006;  Kennedy  et  al.,  2015;  Nowell  et  al.,  2014) 
cosmetics, etc. Moreover, if relevant reference values are found from the various sources 
                                           
4 https://ipchem.jrc.ec.europa.eu/ 
 
24
 

 
used  (i.e.  literature,  public  databases,  authorities'  assessment  reports  etc.),  it  is 
sometimes  difficult  to  select  the  most  reliable  one.  De  Brouwere  et  al.  (2014)  for 
example used chronic inhalation toxicity values and identified up to 300 fold differences 
in the retrieved values. They developed a decision scheme to select the most reliable RV. 
Apart from the general RVs, it is often even more difficult to find information on specific 
effects,  which  is  important  when  chemicals  need  to  be  grouped  based  on  a  common 
effect.  So  what  is  often  missing  is  information  on  the  detailed  MoA  and  also  on  the 
toxicity  values  related  to  such  a  specific  effect.  Several  databases  may  be  useful  for 
obtaining tissue and organ level information as well as reference values. An example is 
the  publicly  accessible  COSMOS  database5,  which  currently  hosts  toxicological  data  on 
cosmetic  and  food  relevant  chemicals.  Missing  toxicity  data  often  imply  that 
extrapolations  have  to  be  used,  such  as  acute  to  chronic  extrapolations  or  read-across 
from  similar  compounds,  which  leads  to  overall  increased  uncertainties  of  the 
predictions. 
For  both  hazard  and  exposure  assessments,  additional  assumptions  have  to  be  made 
due  to  limited  data  availability  and  parameters  sometimes  need  to  be  predicted  by 
modelling. The related model specifications can greatly influence the results (Boon et al., 
2015;  Kennedy  et  al.,  2015).  Therefore  it  is  of  utmost  importance  that  the  scenario 
parameters and hypotheses underlying each mixture risk assessment are clearly justified 
and transparently documented to allow a proper interpretation of the results. 
 
 
                                           
5 https://cosmosdb.eu/cosmosdb.v2 
 
25
 

 
5  Conclusions 
As  humans  and  wildlife  can  be  exposed  to  a  virtually  infinite  number  of  different 
combinations  of  chemicals  in  mixtures  via  food,  consumer  products  and  the 
environment,  it  is  impossible  to  test  or  assess  all  these  possible  combinations.  In  this 
review,  21  examples  of  case  studies  on  specific  mixtures  have  been  identified,  but  to 
address the risk assessment in a wider range of mixtures, priorities need to be set. The 
Scientific Committees (SCHER, SCENIHR, SCCS, 2011) have set  out  relevant  criteria to 
prioritise  mixtures  for  the  assessment,  e.g.  based  on  relevant  exposure  close  to  health 
based guidance values for several components, chemicals of higher production volumes 
or  produced  as  commercial  mixtures,  likelihood  of  frequent  large  scale  exposure  etc. 
Once a decision is taken to perform a mixture RA, it can then be performed as screening 
level  RA  or  higher  tier  RA,  depending  on  the  needs  and  to  be  resource  efficient.  Apart 
from the tiered approach as outlined in the WHO/IPCS framewrok, the MCR can help to 
further characterise the main issues around a certain mixture and to decide on the next 
steps for refinement where needed, e.g. concentrate on few substances driving the risk 
or identify a need to tackle further the whole mixture composition.  
Monitoring data are essential in mixture risk assessment as they can give information on 
identity,  magnitude,  duration,  frequency  and/or  timing  of  real  exposure,  depending  on 
the monitoring scheme, and allow to assess the co-exposure patterns to chemicals (Qian 
et  al.,  2015),  both  for  human  and  environmental  risk  assessment.  Numerous 
retrospective ERA have been performed with monitoring data; however so far there is no 
prospective  RA  concerning  chemical  substances  related  to  various  regulatory  sectors 
and/or uses, and although numerous chemicals fall under several regulatory frameworks 
(biocides,  pesticides,  REACH...),  the  potential  for  co-exposure  is  hardly  assessed  or 
taken into account in their risk assessment.  
The  data  sources  used  are  various  (exposure  data  from  modelling,  monitoring  or 
published  data  from  surveys;  toxicological  data  from  published  databases,  TTC 
approach, data gap filling, etc.) and the data sets are frequently incomplete, which has a 
direct  impact  on  the  possibility  to  perform  a  mixture  risk  assessment,  as  well  as  the 
reliability and accuracy  of the risk assessment. Data gaps seem to be the major hurdle 
when  it  comes  to  deal  with  risk  assessment  of  chemical  mixtures,  especially  when 
focusing  on  particular  uses  or  population  subgroups  (e.g.  amateur  uses  of  pesticides, 
frequency of use of personal care products for children). 
It has to be taken into account that the list of compounds covered in the reviewed case 
studies  is  unlikely  to  be  fully  representative  of  human  and  environmental  exposures. 
However,  based  on  the  identified  cases,  pesticides  followed  by  pharmaceuticals  and 
personal  care  products  dominate  the  observed  mixture  effects  in  cross-sectorial 
mixtures. Tributyltin, polycyclic aromatic hydrocarbons, and brominated flame retardants 
are  also  major  contributors  to  the  environmental  chemical  risks  of  the  monitored 
chemicals. Human exposure to parabens, phthalates and more generally anti-androgenic 
chemicals  seems  to  be  of  concern,  particularly  for  highly  exposed  or  more  sensitive 
population  subgroups.  It  is  important  to  be  aware  of  the  influence  that  the  choice  of 
model specifications, the parameters and the toxic reference values considered have on 
the outcome  of a  mixture RA. There is a need  to clearly specify and justify the choices 
that have been made. Thus, the results should be interpreted carefully in the light of the 
models  used,  the  underlying  hypothesis  and  the  degree  of  conservatism  that  has  been 
chosen.  
It  has  to  be  highlighted  that  for  both  environmental  and  human  exposure,  there  are 
several factors that might lead to an underestimation or overestimation of the potential 
risk, e.g. uncertainty in reference values used, incompleteness of monitoring data, etc. A 
clear  potential  for  underestimation  results  from  neglecting  potential  synergistic  effects, 
bioaccumulation potential and metabolites. Another potential for underestimation results 
from the assessment of specific chemical classes or regulated under a specific legislative 
 
26
 

 
framework.  Several  studies  reviewed  here  indicated  a  potential  concern  for  mixtures 
across several regulatory silos. 
In order to facilitate mixture risk assessment in the future, it will be relevant to improve 
data  sharing  regarding  toxicity  and  exposure  information.  Relevant  platforms  such  as 
e.g.  IPCheM  should  be  further  populated  (e.g.  by  monitoring  programmes  such  as  the 
European Human Biomonitoring Initiative) and made interoperable with other tools. 
Future  case  studies  on  mixture  RA  could  help  to  fill  the  knowledge  gaps  identified 
through this review, by: 
•  Comparison of different populations including vulnerable subgroups; 
•  Inclusion  of  substance  groups  that  have  not  been  addressed  in  mixtures  so  far, 
including emerging chemicals; 
•  Further  investigations  on  the  relevance  of  interactions  (particularly  synergisms)  at 
relevant low exposure concentrations; 
•  Developing  further  criteria  to  decide  under  which  circumstances  and  for  which 
mixtures interactions need to be addressed; 
•  Investigating  the  impact  of  different  approaches  for  grouping  (based  on  common 
effects, common MoA etc.) and related to that, investigating further combined effects 
of independently acting chemicals considering interactions between pathways, as e.g. 
for carcinogenesis and systemic diseases; 
•  Examining  further  the  relevance  to  address  mixtures  across  different  regulatory 
sectors. 
 
 
 
27
 

 
References  
Backhaus,  T.,  &  Karlsson,  M.  (2014).  Screening  level  mixture  risk  assessment  of 
pharmaceuticals in STP effluents. Water Research49(0), 157–65.  
Becker,  K.,  Göen,  T.,  Seiwert,  M.,  Conrad,  A.,  Pick-Fuss,  H.,  Müller,  J.,  …  Kolossa-
Gehring,  M.  (2009).  GerES  IV:  phthalate  metabolites  and  bisphenol  A  in  urine  of 
German  children.  International  Journal  of  Hygiene  and  Environmental  Health
212(6), 685–92.  
Bessems,  J.,  COECKE,  S.,  GOULIARMOU,  V.,  WHELAN,  M.,  &  Worth,  A.  (2015).  EURL 
ECVAM  strategy  for  achieving  3Rs  impact  in  the  assessment  of  toxicokinetics  and 
systemic toxicity. EUR 27315 EN. http://doi.org/10.2788/197633 
Boobis,  A.,  Budinsky,  R.,  Collie,  S.,  Crofton,  K.,  Embry,  M.,  Felter,  S.,  …  Zaleski,  R. 
(2011).  Critical  analysis  of  literature  on  low-dose  synergy  for  use  in  screening 
chemical  mixtures  for  risk  assessment.  Critical  Reviews  in  Toxicology,  41(5),  369–
383.  
Boon,  P.  E.,  van  Donkersgoed,  G.,  Christodoulou,  D.,  Crépet,  A.,  D’Addezio,  L., 
Desvignes,  V.,  …  van  Klaveren,  J.  D.  (2015).  Cumulative  dietary  exposure  to  a 
selected  group  of  pesticides  of  the  triazole  group  in  different  European  countries 
according  to  the  EFSA  guidance  on  probabilistic  modelling.  Food  and  Chemical 
Toxicology :  An  International  Journal  Published  for  the  British  Industrial  Biological 
Research Association
79(August), 13–31.  
Bopp,  S.,  Berggren,  E.,  Kienzler,  A.,  van  der  Linden,  S.,  &  Worth,  A.  (2015).  Scientific 
methodologies for the assessment of combined effects of chemicals – a survey and 
literature review
. EUR 27471 EN 
Carvalho,  R.  N.,  Arukwe,  A.,  Ait-Aissa,  S.,  Bado-Nilles,  A.,  Balzamo,  S.,  Baun,  A.,  … 
Lettieri,  T.  (2014).  Mixtures  of  chemical  pollutants  at  European  legislation  safety 
concentrations: How safe are they? Toxicological Sciences141(1), 218–233.  
Ccanccapa, A.,  Masiá,  A., Navarro-Ortega, A., Picó, Y., &  Barceló, D. (2016). Pesticides 
in  the  Ebro  River  basin:  Occurrence  and  risk  assessment.  Environmental  Pollution 
(Barking, Essex : 1987)
211, 414–424.  
Cedergreen,  N.  (2014).  Quantifying  synergy:  A  systematic  review  of  mixture  toxicity 
studies within environmental toxicology. PLoS ONE9(5).  
Christiansen, S., Scholze, M., Dalgaard, M., Vinggaard, A. M., Axelstad, M., Kortenkamp, 
A.,  &  Hass,  U.  (2009).  Synergistic  disruption  of  external  male  sex  organ 
development  by  a  mixture  of  four  antiandrogens.  Environmental  Health 
Perspectives
117(12), 1839–1846.  
De Brouwere, K., Cornelis, C., Arvanitis, A., Brown, T., Crump, D., Harrison, P., … Torfs, 
R. (2014). Application of the  maximum cumulative ratio (MCR) as a  screening tool 
for  the  evaluation  of  mixtures  in  residential  indoor  air.  Science  of  the  Total 
Environment
479-480(1), 267–276.  
Dewalque,  L.,  Charlier,  C.,  &  Pirard,  C.  (2014).  Estimated  daily  intake  and  cumulative 
risk  assessment  of  phthalate  diesters  in  a  Belgian  general  population.  Toxicology 
Letters
231(2), 161–8.  
EC  (2012).  Communication  from  the  Commission  to  the  Council  -  The  combination 
effects of chemicals. Chemical mixtures, COM(2012) , 10. 
ECHA  (2008).  Guidance  on  information  requirements  and  chemical  safety  assessment 
Chapter  R  .  10 :  Characterisation  of  dose  [  concentration  ]  -response  for 
environment
European Chemical Agency
EFSA  Panel  on  Plant  Protection  Products  and  their  Residues  (PPR).  (2014).  Scientific 
Opinion on the identification of pesticides to be included in cumulative assessment 
 
28
 

 
groups  on  the  basis  of  their  toxicological  profile.  EFSA  Journal,  11(7),  3293. 
http://doi.org/10.2903/j.efsa.2013.3293 
EFSA  Panel  on  Plant  Protection  Products  and  their  residues  (PPR).  (2013).  Scientific 
Opinion on the relevance of dissimilar mode of action and its appropriate application 
for 
cumulative 
risk 
assessment 
of 
pesticides. 
EFSA 
Journal
11(12). 
http://doi.org/10.2903/j.efsa.2013.3472 
Evans,  R.  M.,  Martin,  O.  V.,  Faust,  M.,  &  Kortenkamp,  A.  (2016).  Should  the  scope  of 
human  mixture  risk  assessment  span  legislative/regulatory  silos  for  chemicals? 
Science of the Total Environment543(Pt A), 757–764.  
Evans, R. M., Scholze, M., & Kortenkamp, A. (2015). Examining the feasibility of mixture 
risk  assessment:  A  case  study  using  a  tiered  approach  with  data  of  67  pesticides 
from the Joint FAO/WHO Meeting on Pesticide Residues (JMPR). Food and Chemical 
Toxicology :  An  International  Journal  Published  for  the  British  Industrial  Biological 
Research Association
84, 260–9.  
Goodson,  W.  H.,  Lowe,  L.,  Carpenter,  D.  O.,  Gilbertson,  M.,  Manaf  Ali,  A.,  Lopez  de 
Cerain Salsamendi, A., … Hu, Z. (2015). Assessing the carcinogenic potential of low-
dose  exposures  to  chemical  mixtures  in  the  environment:  the  challenge  ahead. 
Carcinogenesis36(Suppl 1), S254–S296.  
Gosens, I., Delmaar, C. J. E., Burg, W., Heer, C. De, & Schuur, A. G. (2013). Aggregate 
exposure approaches for parabens in personal care products : a case assessment for 
children between 0 and 3 years old, 24(2), 208–214.  
Hadrup,  N.  (2014).  Evidence  from  pharmacology  and  pathophysiology  suggests  that 
chemicals  with  dissimilar  mechanisms  of  action  could  be  of  bigger  concern  in  the 
toxicological  risk  assessment  of  chemical  mixtures  than  chemicals  with  a  similar 
mechanism of action. Regulatory Toxicology and Pharmacology69(3), 281–283.  
Han, X., & Price, P. S. (2011). Determining the maximum cumulative ratios for mixtures 
observed  in  ground  water  wells  used  as  drinking  water  supplies  in  the  United 
States.  International  Journal  of  Environmental  Research  and  Public  Health,  8(12), 
4729–4745.  
Han, X., & Price, P. S. (2013). Applying the maximum cumulative ratio methodology to 
biomonitoring  data  on  dioxin-like  compounds  in  the  general  public  and  two 
occupationally  exposed  populations.  Journal  of  Exposure  Science  &  Environmental 
Epidemiology
23(4), 343–349. 
Hartmann,  C.,  Uhl,  M.,  Weiss,  S.,  Koch,  H.  M.,  Scharf,  S.,  &  König,  J.  (2015).  Human 
biomonitoring of phthalate exposure in Austrian children and adults and cumulative 
risk  assessment.  International  Journal  of  Hygiene  and  Environmental  Health
218(5), 489–499.  
Junghans, M., Backhaus, T., Faust, M., Scholze, M., & Grimme, L. H. (2006). Application 
and  validation  of  approaches  for  the  predictive  hazard  assessment  of  realistic 
pesticide mixtures. Aquatic Toxicology (Amsterdam, Netherlands)76(2), 93–110.  
Kennedy, M. C., Glass, C. R., Bokkers, B., Hart, A. D. M., Hamey, P. Y., Kruisselbrink, J. 
W., … van Klaveren, J. D. (2015). A European model and case studies for aggregate 
exposure assessment of pesticides. Food and Chemical Toxicology79, 32–44.  
Kienzler,  A.,  Berggren,  E.,  Bessems,  J.,  Bopp,  S.,  Linden,  S.  Van  Der,  &  Worth,  A. 
(2014).  Assessment  of  Mixtures  -  Review  of  Regulatory  Requirements  and 
Guidance, 136. http://doi.org/10.2788/84264 
Kienzler,  A.,  Bopp,  S.  K.,  van  der  Linden,  S.,  Berggren,  E.,  &  Worth,  A.  (2016). 
Regulatory  assessment  of  chemical  mixtures:  Requirements,  current  approaches 
and future perspectives. Regulatory Toxicology and Pharmacology.  
 
29
 

 
Kortenkamp, A., & Faust, M. (2010). Combined exposures to anti-androgenic chemicals: 
Steps  towards  cumulative  risk  assessment.  International  Journal  of  Andrology
33(2), 463–472.  
Le Cann, P., Bonvallot, N., Glorennec, P., Deguen, S., Goeury, C., & Le Bot, B. (2011). 
Indoor  environment  and  children’s  health:  recent  developments  in  chemical, 
biological,  physical  and  social  aspects.  International  Journal  of  Hygiene  and 
Environmental Health
215(1), 1–18.  
Maffini, M. V, & Neltner, T. G. (2014). Brain drain: the cost of neglected responsibilities 
in  evaluating  cumulative  effects  of  environmental  chemicals.  Journal  of 
Epidemiology and Community Health
, 1–4.  
Malaj, E., von der Ohe, P. C., Grote, M., Kühne, R., Mondy, C. P., Usseglio-Polatera, P., 
…  Schäfer,  R.  B.  (2014).  Organic  chemicals  jeopardize  the  health  of  freshwater 
ecosystems  on  the  continental  scale.  Proceedings  of  the  National  Academy  of 
Sciences 

of 
the 
United 
States 
of 
America
111(26), 
9549–54. 
http://doi.org/10.1073/pnas.1321082111 
Marx, C., Mühlbauer, V., Krebs, P., & Kuehn, V. (2015). Environmental risk assessment 
of  antibiotics  including  synergistic  and  antagonistic  combination  effects.  Science  of 
the Total Environment
524-525, 269–279.  
Meek, M. E., Boobis, A. R., KM, C., Heinemeyer, G., M, V. R., & Vickers, C. (2011). Risk 
assessment  of  combined  exposure  to  multiple  chemicals:  A  WHO/IPCS  framework. 
Regulatory Toxicology and Pharmacology60(2), S1–S14.  
Neale, P. A., Ait-Aissa, S., Brack, W., Creusot, N., Denison, M. S., Deutschmann, B., … 
Escher, B. I. (2015). Linking in vitro effects and detected organic micropollutants in 
surface  water  using  mixture  toxicity  modeling.  Environmental  Science  & 
Technology
, acs.est.5b04083.  
Nowell,  L.  H.,  Norman,  J.  E.,  Moran,  P.  W.,  Martin,  J.  D.,  &  Stone,  W.  W.  (2014). 
Pesticide Toxicity Index - a tool for assessing potential toxicity of pesticide mixtures 
to  freshwater  aquatic  organisms.  The  Science  of  the  Total  Environment,  476-477
144–57.  
Price,  P.,  Han,  X.,  Junghans,  M.,  Kunz,  P.,  Watts,  C.,  &  Leverett,  D.  (2012a).  An 
application  of  a  decision  tree  for  assessing  effects  from  exposures  to  multiple 
substances  to  the  assessment  of  human  and  ecological  effects  from  combined 
exposures  to  chemicals  observed  in  surface  waters  and  waste  water  effluents. 
Environmental Sciences Europe24(1).  
Price,  P.,  Dhein,  E.,  Hamer,  M.,  Han,  X.,  Heneweer,  M.,  Junghans,  M.,  …  Rodriguez,  C. 
(2012b).  A  decision  tree  for  assessing  effects  from  exposures  to  multiple 
substances. Environmental Sciences Europe24(1).  
Price, P. S., & Han, X. (2011). Maximum cumulative ratio (MCR) as a tool for assessing 
the  value  of  performing  a  cumulative  risk  assessment.  International  Journal  of 
Environmental Research and Public Health
8(6), 2212–2225.  
Price,  P.,  Zaleski,  R.,  Hollnagel,  H.,  Ketelslegers,  H.,  &  Han,  X.  (2014).  Assessing  the 
safety  of  co-exposure  to  food  packaging  migrants  in  food  and  water  using  the 
maximum  cumulative  ratio  and  an  established  decision  tree.  Food  Additives  & 
Contaminants.  Part  A,  Chemistry,  Analysis,  Control,  Exposure  &  Risk  Assessment

31(3), 414–21.  
Qian,  H.,  Chen,  M.,  Kransler,  K.  M.,  &  Zaleski,  R.  T.  (2015).  Assessment  of  chemical 
coexposure patterns based upon phthalate biomonitoring data within the 2007/2008 
National  Health  and  Nutrition  Examination  Survey.  Journal  of  Exposure  Science  & 
Environmental Epidemiology
25(3), 249–55.  
SCHER, SCENIHR, & SCCS. (2011). Toxicity and Assessment of Chemical Mixtures
 
30
 

 
Tang,  J.  Y.  M.,  Busetti,  F.,  Charrois,  J.  W.  a,  &  Escher,  B.  I.  (2014).  Which  chemicals 
drive biological effects in wastewater and recycled water? Water Research60, 289–
99.  
Wang,  Z.,  Cousins,  I.  T.,  Berger,  U.,  Hungerbühler,  K.,  &  Scheringer,  M.  (2016). 
Comparative  assessment  of  the  environmental  hazards  of  and  exposure  to 
perfluoroalkyl  phosphonic  and  phosphinic  acids  (PFPAs  and  PFPiAs):  Current 
knowledge, gaps, challenges and research needs. Environment International89-90
235–247.  
 
 
 
31
 

 
List of abbreviations and definitions 
 
ADI 
Acceptable Daily Intake 
ADME 
Absorption, Distribution, Metabolism, Excretion 
AF 
Assessment Factor 
Aggregate 
exposure to a single substance originating from different sources  
exposure 
AL 
Acceptable Level 
AOP 
Adverse Outcome Pathway 
ARfD 
Acute Reference Dose 
BMD 
Benchmark Dose 
CA 
Concentration Addition 
The effects of exposure to a mixture of compounds with a similar mode of 
action  are  assumed  to  be  the  sum  of  the  potency-corrected  effects  of 
each component. 
CAG 
Cumulative Assessment Group 
CEA 
Cumulative Exposure Assessment 
Cefic MIAT 
CEFIC  (European  Chemical  Industry  Council)  Mixture  Industry  Ad  hoc 
Team 
Combined 
multiple substances from one or different sources 
exposure 
CR 
Concentration-Response 
CRA 
Cumulative Risk Assessment 
DEB 
Dynamic Energy Budget modelling 
DEHP 
diethylhexyl phthalate 
DI 
Daily Intake 
DLC 
Dioxin-like compound 
EC50 
Concentration where 50 % effect was observed/calculated  
ERA 
Environmental Risk Assessment 
HBM 
Human Biomonitoring 
HH 
Human Health 
 
32
 

 
HI 
Hazard Index 
Sum of Hazard Quotients, i.e. ratio between exposure and the reference 
value  for  the  common  toxic  effect  of  each  component  in  a  mixture  or  a 
CAG. 
HIint 
Hazard Index considering interactions 
HQ 
Hazard Quotient 
HRA 
Human Risk Assessment 
IA 
Independent Action 
Occurs  where  the  mode  of  action  and  possibly,  but  not  necessarily,  the 
nature  and  sites  of  toxic  effects  differ  between  the  chemicals  in  a 
mixture,  and  one  chemicals  does  not  influence  the  toxicity  of  another. 
The  effects  of  exposure  to  such  a  mixture  are  the  combination  of  the 
effects  of  each  component  compounds  (also  referred  to  as  response-
addition). 
IATA 
Integrated Approach to Testing and Assessment 
Intentional 
manufactured products or formulations, including commercial mixtures of 
mixtures 
industrial substances 
JMPR 
Joint FAO/WHO Meeting on Pesticide Residues 
LO(A)EL 
Lowest Oserved (Adverse) Effect Level 
LOD 
Limit Of Detection 
MCR 
Maximum Cumulative Ratio 
MCRA 
Monte Carlo Risk Assessment tool 
MEC 
Measured Environmental Concentration 
MoA 
Mode of Action 
MoE 
Margin of Exposure 
MRL 
Maximum Residue Level 
NHANES 
National Health and Nutrition Examination Survey 
NIAS 
Non-Intentionally Added Substances 
NOAEL 
No Observed Adverse Effect Level 
PBDE 
PolyBrominated Diphenyl Ether 
PBTK 
Physiologically Based ToxicoKinetic modelling 
PCBs 
PolyChlorinated Biphenyls 
PEC 
Predicted Environmental Concentration 
 
33
 

 
PNEC 
Predicted No Effect Concentration 
POD 
Point Of Departure 
PPDB 
Pesticide Property Database 
http://sitem.herts.ac.uk/aeru/ppdb/en/  
PPPs 
Plant Protection Products 
PTI 
Pesticide Toxicity Index 
QSARs 
Quantitative Structure–Activity Relationship 
RA 
Risk Assessment 
RfD 
Reference Dose 
RPF 
Relative Potency Factor 
RQ 
Risk Quotient 
RV 
Reference Value 
STU 
Sum of Toxic Unit (Σ TU) 
TDI 
Tolerable Daily Intake 
TEF 
Toxic Equivalency Factors 
TEQ 
Toxic Equivalency 
TTC 
Threshold of Toxicological Concern 
TU 
Toxic Unit 
Unintentional  substances  from  different  sources,  deposited  separately  at  a  particular 
mixtures 
site (e.g. in surface water)  
US EPA 
United States Environmental Protection Agency 
VOCs 
Volatile Organic Compounds 
WC 
Worst Case 
WHO/IPCS 
World Health Organisation / International Programme on Chemical Safety 
WWTP 
Waste Water Treatment Plant 
 
 
 
 
 
34
 

 
Annex 1 – Overview of individual case studies 
Twenty-two  case  studies  from  the  literature  were  selected  as  described  in  Section  2. 
Relevant  information  from  the  case  studies  was  extracted  and  is  reported  in  the  tables 
below.  No  judgement  on  the  quality/validity  of  the  case  studies  is  included  here. 
Reported  findings  and  conclusions  are  those  of  the  case  study  publications' 
authors  and  do  not  necessarily  represent  the  views  of  the  authors  of  this 
report.  

A.1  Pesticides 
ID 

Title 
Application  and  validation  of  approaches  for  the  predictive  hazard 
assessment of realistic pesticides mixtures (Junghans et al., 2006)   
Journal 
Aquatic Toxicology, 76, 93-100 
Authors 
Marion  Junghans,  Thomas  Backhaus,  Michael  Faust,  Martin  Scholze,  L.H 
Grimme 
Year 
2006 
Background 
In  freshwater  systems  located  in  agricultural  areas,  organisms  are 

exposed  to  a  multitude  of  toxicologically  and  structurally  different 
Objectives 
pesticides. For regulatory purposes it is of major importance whether the 
combined  hazard  of  these  substances  can  be  predictively  assessed  from 
the  single  substance  toxicity.  This  study  aimed  to analyse  whether  both 
concepts  of  CA  or  IA  may  be  used  to  predict  the  toxicity  of 
environmentally  realistic  mixtures,  including  a  mixture  of  chemicals 
acting by similar and dissimilar MOA. In order to do so, the mixture was 
studied  for  its  effect  on  the  reproduction  of  the  freshwater  algae 
Scedenesmus vacuolatus. The predictability of CA (Σ TU) and IA was then 
assessed,  by  comparing  the  predicted  results  to  the  actual  measured 
toxicity. 
Substances 
A defined mixture of pesticides (25 single substance) reflecting a realistic 
exposure scenario  
Exposure 
Field run-off water leading to exposure of aquatic organisms in edge-of-
Scenario 
field surface waters 
Problem 
1.  WHAT  IS  THE  NATURE  OF  EXPOSURE?  ARE  THE  KEY  COMPONENTS 
Formulation 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
(according 
MIXTURE ITSELF? 
to 
Exposure  of  algae  to  field  run-off  water.  Key  components  are  known 
WHO/IPCS 
because artificial mixture data available on the hazard  of the mixture 
mixture 
itself to be compared with theoretical calculated toxicity. 
assessment  2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
framework) 
Yes (for algae) 
3.  IS THERE A LIKELIHOOD OF CO-EXPOSURE WITHIN A RELEVANT TIME 
FRAME? 
Yes 
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
 
35
 

 
      No assessment groups. 
Information  Exposure:  modelled;  the  physico-chemical  characteristics  for  all  active 
sources 
ingredients were collected from registration dossier 
Toxicity: 
Single 
substance 
and 
mixture 
concentration-response 
relationships were determined experimentally 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY    
Exposure 
The exposure scenario is based on emission patterns from growing three 
Assessment  major crops (cereals, maize, sugar beet), and modelled according to the 
standard  FOCUS  scenario  "R1",  in  order  to  reflect  the  median  load  of 
pesticides in field run-off in central European agricultural areas after pre-
emergence  treatment  in  spring.  A  reasonable  worst  case  (WC) 
application  scenario  based  on  common  crop  protection  strategies  has 
been assumed. 
Hazard 
To allow for a comparison of observed mixture toxicity with the prediction 
Assessment  according  to  CA  and  IA,  single  substance  concentration-response  (CR) 
relationships  were  determined  for  all  mixture  components  in  a  bio-test 
(24h of exposure). Those data were used to calculate the mixture toxicity 
according to the CA and IA models. 
However  for  3  out  of  25  substances  this  prerequisite  was  not  or  only 
partially  fulfilled:  for  isoxaflutole  algal  toxicity,  the  maximum  effect 
observed  at  the  limit  of  solubility  did  not  exceed  45%.  Therefore,  WC 
estimates of higher effect concentrations were extrapolated from the CR 
function. 
For  carbosulfan  and  clopyralid,  no  CR  relationship  could  be  determined 
within the limits of solubility and within concentration ranges causing no 
strong  acidification  of  the  algal  growth  medium,  respectively.  Therefore, 
they were left out and total mixture toxicity predictions are based on 23 
(out of 25) substances only. 
RA for 
When  all  components  are  present  at  their  PEC  in  run-off  water,  the 
Algae 
growth  of  the  algal  population  was  inhibited  by  46%,  which  is 
significantly higher than 17% caused alone by the PEC of the most active 
component  atrazine.  When  comparing  this  measured  mixture  toxicity 
with  the  predictions,  it  is  slightly  lower  than  predicted  according  to  CA 
(49%), but higher than predicted according to IA (39%). 
Overall 
-The resulting mixture proved to be clearly more toxic than any individual 
summary of 
component  
outcome 
-CA  shows  a  good  predictive  quality  over  the  complete  range  of  effect. 
This  is  consistent  with  the  finding  that  the  toxicity  was  dominated  by  a 
group  of  similarly  acting  photosystem  II  inhibitors  (they  contribute  0.80 
TUs  to  the  total  sum  of  0.98  TUs),  although  the  mixture  included 
substances with diverse and partly unknown mechanisms of action.  
-IA  underestimates  the  mixture  toxicity  slightly;  however  this 
underestimation  is  significant  only  with  increasing  effect  levels.  At  the 
50% effect level the confidence interval of the EC50 predicted according 
to  IA  still  overlap  with  the  confidence  interval  of  the  EC50  derived  from 
the  measured  concentration-response  data.  Moreover,  the  EC50  values 
that can be derived from each prediction only differed by a factor of 1.3. 
 
36
 

 
Those  results  suggest  that  CA  provides  a  precautious  but  not 
overprotective approach to the predictive hazard assessment of pesticide 
mixtures under realistic exposure scenarios, irrespective of the similarity 
or dissimilarity of their mechanisms of action. 
•  Problems: Substance specific degradation and sorption processes are 
Future 
not  taken  into  account.  Therefore,  a  conclusive  assessment  of  the 
perspec-
expectable mixture toxicity in receiving water might require a second 
tives / 
step of fate and effect modelling. 
Outlook 
•  The  major  limitation  for  such  modelling  exposure  is  the  restricted 
availability of reliable information on pesticide use. 
•  Two  circumstance  can  challenge  the  precautionary  character  of  the 
approach:  

If  due  to  rather  flat  concentration-response  curves  IA  predict  a 
higher  toxicity  than  CA  and  if  the  mixture  is  dominated  by 
dissimilarly  acting  components,  the  mixture  toxicity  can  be 
expected to comply better with IA than with CA.  

In case of interaction of the mixtures components, which leads to 
a  mixture  toxicity  that  is  higher  than  predicted  by  CA.  In  this 
case, a more detailed hazard assessment has to be performed. 
 
 
 
 
37
 

 
ID 

Title 
Pesticide  Toxicity  Index—A  tool  for  assessing  potential  toxicity  of 
pesticide mixtures to freshwater aquatic organisms (Nowell et al., 2014) 
Journal 
Science of the Total Environment 
Authors 
Lisa  H.  Nowell,  Julia  E.  Norman,  Patrick  W.  Moran,  Jeffrey  D.  Martin, 
Wesley W. Stone. 
Year 
2014 
Background 
The  Pesticide  Toxicity  Index  (PTI)  is  a  screening  tool  to  assess  potential 

aquatic toxicity of complex pesticide mixtures by combining measures of 
Objectives 
pesticide exposure and acute toxicity in an additive toxic-unit model. This 
paper  addresses  exposure  to  pesticide  mixtures  and  presents  the 
Pesticide Toxicity Index (PTI) as a robust and readily applicable screening 
tool  for  interpreting  the  biological  significance  of  concentration  data  for 
pesticide  mixtures  in  hydrologic  systems  and  expands  the  number  of 
pesticides  and  degradates  included  in  previous  editions  of  the  PTI  from 
124 to 492 pesticides and degradates, and includes two types  of PTI for 
use in different applications, depending on study objectives.  
Substances 
Pesticides mixtures (active ingredients and degradates) 
Exposure 
Exposure of aquatics organisms 
Scenario 
1.  WHAT IS THE NATURE OF EXPOSURE? ARE THE KEY COMPONENTS 
Problem 
KNOWN? ARE THERE DATA AVAILABLE ON THE HAZARD OF THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
Exposure  of  freshwater  organisms;  key  components  known; 
to 
information on the hazards of the sample itself known from literature. 
WHO/IPCS 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
mixture 
Yes, mixture of pesticides are frequently present in freshwater system 
assessment 
3.  IS THERE A LIKELIHOOD OF CO-EXPOSURE WITHIN A RELEVANT 
framework) 
TIME FRAME? 
Yes 
4.  WHAT IS THE RATIONALE FOR CONSIDERING COMPOUNDS IN AN 
ASSESSMENT GROUP? 
No assessment groups 
Information  Toxicity  data:  A  master  list  of  484  pesticides  were  compiled  from 
sources 
agricultural  pesticide  use  lists  for  1992  to  2011,  for  which  toxicity  data 
has been searched in the USEPA ECOTOX DB, the USEPA registration and 
RA  documents  cited  in  support  of  the  OPP  aquatic-life  benchmarks,  and 
the Pesticides Properties Database.  
Exposure data: Published data on concentrations of pesticides in ambient 
stream water 
Published  data  on  organism  survival  in  toxicity  test  conducted  in  the 
laboratory with undiluted ambient water were also used to compare with 
the calculated PTI. 
Exposure 
No  exposure  data.  Literature  data  (toxicity  of  environmental  sample  to 
 
38
 

 
Assessment 
C.dubia)  were  aggregated  and  used  to  test  how  well  the  PTI  approach 
predicted the incidence of observed toxicity. 
Hazard 
The following data were used in order of priority:  
Assessment 
• Standardized toxicity test data from the ECOTOX database  
•  Toxicity  test  data  from  core  or  supplemental  studies  underlying  OPP 
aquatic-life benchmarks or summarized in registration documents 
• Non-standard toxicity test data from the ECOTOX database  
• Toxicity values compiled from the PPDB  
Two  approaches  were  used:  used  of  the  MTC  (median  toxicity 
concentration,  calculated  as  the  median  of  the  toxicity  value  for  each 
compounds  toward  the  taxonomic  group)  or  the  STC  (sensitive  toxicity 
concentration,  either  the  5th  percentiles  if  more  than  13  data  were 
available, or the minimum toxicity value for each compounds toward the 
taxonomic group ) 
•  The PTI approach is used 
RA for 
aquatic 

=
 
organisms 
,
With t : the taxonomic group, Ei the concentration of the pesticide i, n the 
number  of  detected  pesticides,  TCit  the  toxicity  concentration  for  the 
pesticide i for the taxonomic group t. 
The Median-PTI and the Sensitive-PTI were calculated for each sample. 
•  MTC  and  STC  values  are  significantly  correlated  with  one  another 
Overall 
within a taxonomic group. 
summary of 
•  When  MTCs  (medians)  are  used,  the  purpose  of  the  index  is  to 
outcome 
represent  the  relative  toxicity  of  sites,  samples,  or  individual 
pesticides - MTC values are relatively robust to outliers. When the STC 
values  are  used,  the  index  is  better  suited  for  use  as  a  screening 
level,  because  it  is  a  more  conservative  (protective)  indicator  of  the 
potential for toxicity. 
•  C. dubia survival was reduced to ≤50% of controls in 44% of samples 
with Median-PTI values in the range of 0.1 to 1, and to 0% in 96% of 
samples  with  Median-PTI  values  1.  For  the  Sensitive-PTI,  C.  dubia 
survival  was  reduced  to  ≤50%  of  controls  in  81%  of  samples  in  the 
range  of  0.1  to  1,  and  in  89%  of  samples  with  Sensitive-PTI  values 
>1.  
Future 
Limitation:  
perspec-
•  The  PTI  is  a  relative  ranking  system  that  indicates  that  one  sample  is 
tives / 
likely to be more or less toxic than another sample, but does not indicate 
Outlook 
that toxicity will necessarily occur. 
•  Toxicity  values  are  based  on  short-term  laboratory  data  with  EC50  or 
LC50  endpoints  and  do  not  reflect  long-term/chronic  exposure  or 
incorporate sublethal endpoints. 
•  The  PTI  does  not  account  for  environmental  factors  (dissolved  organic 
carbon,  particulates,  pH,  T°…)  which  can  affect  the  toxicity  and 
bioavailability of pesticides. 
•  The  PTI  assumes  that  pesticide  toxicity  is  additive  and  there  is  no 
chemical interaction  which  may  not  be  the  case  for complex  mixtures  of 
pesticides from different chemical classes and with different MOAs across 
 
39
 

 
all taxonomic groups and life stages. 
• The PTI does not take into account the dose–response curves of either 
single-chemical or mixtures exposures. 
•  The  PTI  is  limited  to  pesticides  measured  in  the  water  column; 
hydrophobic  pesticides  may  be  underrepresented  in  terms  of  potential 
toxicity, especially to benthic organisms. 
•  Uncertainty  in  the  relative  toxicity  of  compounds  is  high  for  pesticides 
with relatively few bioassays available. The 10,837 bioassays in this data 
set  are  divided  among  440  pesticides  and  52  degradates,  559  different 
species,  and  three  taxonomic  groups,  making  the  number  in  each  group 
relatively  small.  Although  this  does  not  preclude  the  use  of  the  data  as 
the  best  available,  it  demonstrates  the  sparseness  of  available  data  on 
the toxicity of many currently used pesticides. 
• The PTI is a relative, but quantitative, indicator of potential toxicity that 
can  be  used  in  study  design  or  to  interpret  water  quality  data,  relate 
pesticide  exposure  to  biological  condition,  and  prioritize  future 
assessments 
IDEAS FOR IMPROVEMENT OF METHODOLOGY:  
A more rigorous test of the PTI model is needed, but this will require the 
availability  of  data  for  pesticides  from  multiple  classes  and  MOA, 
concurrent with data on aquatic toxicity and(or) ecological condition. 
 
 
 
 
40
 

 
ID 

Title 
A  European  model  and  case  studies  for  aggregate  exposure  assessment 
of pesticides (Kennedy et al., 2015) 
Journal 
Food and Chemical Toxicology 
Authors 
Marc C. Kennedy, C. Richard Glass, Bas Bokkers, Andy D.M. Hart, Paul Y. 
Hamey, 
Johannes  W.  Kruisselbrink,  Waldo  J.  de  Boer,  Hilko  van  der  Voet,  David 
G. Garthwaite, Jacob D. van Klaveren  
Year 
2015 
Background 
To  assess  aggregated  exposure  and  risk  to  pesticides  a  new  aggregate 

model/general  framework  is  described,  which  allows  individual  users  to 
Objectives 
include  as  much,  or  as  little,  information  as  is  available  or  relevant  for 
their  particular  scenario.  Depending  on  the  inputs  provided,  the  outputs 
can  range  from  simple  deterministic  values  through  to  probabilistic 
analyses  including  characterizations  of  variability  and  uncertainty. 
Exposures can be calculated for multiple compounds, routes and sources 
of  exposure,  and  this  aggregate  model  links  to  the  cumulative  dietary 
exposure model developed in parallel. It is implemented in the web-based 
software  tool  MCRA.  This  work  presents  case  studies  to  illustrate  the 
potential  of  this  model,  with  inputs  drawn  from  existing  European  data 
sources and models.  
Substances 
Pesticides mixtures (active ingredients and degradates) from the conazole 
group 
Exposure 
Human exposure:   
Scenario 
exposure to UK arable spray operators, Italian vineyard spray operators, 
Netherlands users of a consumer spray and UK bystanders/residents, and 
finally  a  hypothetical  population  performing  a  combination  of  these 
activities. 
1.  WHAT  IS  THE  NATURE  OF  EXPOSURE?  ARE  THE  KEY  COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
Human  exposure  to  pesticides  within  different  scenarios:  aggregate 
to 
exposure  combines  dietary  and  non-dietary  sources  and  example  of 
WHO/IPCS 
exposure  are  occupational  farming  activities,  use  of  amateur  or 
mixture 
consumer  products,  or  incidental  exposures  experienced  by  residents 
assessment 
or  bystanders;  key  components  known;  no  data  available  on  the 
framework) 
hazard of the mixture itself. 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
Yes,  humans  are  exposed  to  pesticides  via  dietary  and  non-dietary 
routes, being consumer, operator, worker or bystander. 
3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
TIME FRAME? 
Yes 
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
Compounds  are  grouped  into  a  cumulative  assessment group  (CAGs) 
 
41
 

 
if they have a similar toxicological effect. 
Information  Toxicity data: from the literature or pesticides registration data 
sources 
Exposure:  Already  existing  models,  databases  and  Software  have  been 
used (Operator activities: EUROPOEM Databases; Worker activities: BEAT 
Models  and  ART;  exposure  from  non-professional  uses:  ConsExpo 
Software; Bystander and resident activities: BREAM models). 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY 
HRA 
Exposure assessment: 
 
The model implies several step: 
•  To  define  an  exposure  question  (selection  of  an  appropriate 
population, health effects and relevant compounds) 
•  The estimation of non-dietary exposure from one or more activities 
•  Matching  non-dietary  exposures  with  dietary  exposures  at  the 
individual level 
•  Aggregation of those exposures to an appropriate common unit.  Each 
compound is aggregated separately, before a suitable weighted sum is 
derived  to  give  a  total  exposure.  The  weights  are  derived  based  on 
relative potency factors (RPFs, toxic potencies expressed relative to a 
selected index compound) 
•  If  a  chronic  assessment  is  required,  average  daily  exposure  is 
calculated  per  individual.  In  the  acute  case,  exposure  values  per 
individual day should be calculated. 
Simple  absorption  factors  are  used  rather  than  more  detailed 
dosimetry/toxicokinetic  modelling,  as  they  are  more  compatible  with  the 
available data in EU. 
•  The outputs available from the aggregate model provide estimates of 
Overall 
the  relative  exposure  from  various  sources,  which  may  be  more 
summary of 
effective for communication. A comparison of risks is easier to process 
outcome 
than an individual exposure or probability value in isolation 
•  Those  case  studies  demonstrate  how  the  relative  contributions  to 
exposure  can  be  shown  to  differ  between  particular  scenarios  and 
populations.  For  example,  based  on  those  hypothetical  scenarios  the 
main routes of exposure are seen to be inhalation for the spray user, 
and  dermal  for  the  UK  operator;  for  child  bystanders,  exposure 
through  non-dietary  dermal  exposure  is  estimated  to  be  small 
compared with dietary exposure 
•  Alterative model specifications can greatly influence the results 
•  When  interpreting  the  results,  care  must  be  taken  to  recognize 
possible  differences  in  the  degree  of  conservatism  between  dietary 
and non-dietary exposure models 
•  Data  gap:  A  useful  extension  of  this  case  study  would  be  to  obtain 
Future 
information  about  realistic  frequency  of  use  of  this  type  of  products 
perspec-
by amateur, and this would be essential for chronic assessments 
tives / 
•  To reliably assess exposure related to some activities, survey of non-
Outlook 
dietary activities would be required 
•  The  model  could  also  be  adapted  to  handle  non-PPP  compounds,  if 
they can be weighted relative to some reference compounds 
•  A significant challenge in this area is the communication of risks and 
probabilities 
•  In  future  assessment,  the  selected  scenario  parameters  and 
distributions  would  require  specific  and  detailed  justification, 
 
42
 

 
regarding their impact on the results obtained. 
•  Further refinements will be made based on feedback from stakeholder 
groups testing and using the model in practice. Particular computation 
issues may arise as larger CAGs become available and are included 
 
 
 
 
43
 

 
ID 

Title 
Cumulative  dietary  exposure  to  a  selected  group  of  pesticides  of  the 
triazole  group  in  different  European  countries  according  to  the  EFSA 
guidance on probabilistic modelling (Boon et al., 2015). 
Journal 
Food and Chemical Toxicology 
Authors 
Polly  E.  Boon,  Gerda  van  Donkersgoed,  Despo  Christodoulou,  Amélie 
Crépet,  Laura  D’Addezio,  Virginie  Desvignes,  Bengt-Göran  Ericsson, 
Francesco  Galimberti,  Eleni  Ioannou-Kakouri,  Bodil  Hamborg  Jensen, 
Irena  Rehurkova,  Josselin  Rety,  Jiri  Ruprich,  Salomon  Sand,  Claire 
Stephenson,  Anita  Strömberg,  Aida  Turrini,  Hilko  van  der  Voet,  Popi 
Ziegler, Paul Hamey, Jacob D. van Klaveren  
Year 
2014 
Background  A  cumulative  dietary  exposure  assessment  according  to  the 

requirements  of  the  EFSA  guidance  (EFSA  Panel  on  Plant  Protection 
Objectives 
Products and their residues (PPR), 2012) on probabilistic modelling was 
performed in order to assess the practicality of the guidance.  
Substances 
Pesticides residues mixture from the triazole group 
Exposure 
Human exposure via food consumption 
Scenario 
1.  WHAT  IS  THE  NATURE  OF  EXPOSURE?  ARE  THE  KEY  COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
Human  exposure  to  pesticides  via  food  consumption;  key 
to 
components known; no hazard data available on the mixture itself.
WHO/IPCS 
 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
mixture 
Yes, human are frequently exposed to mixture of pesticides via food 
assessment 
consumption 
framework)  3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
TIME FRAME? 
Yes 
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
Compounds are grouped into a cumulative assessment group (CAGs) 
if they have a similar toxicological effect. 
Information  Exposure:  The  acute  and  chronic  cumulative  exposure  to  triazole 
sources 
pesticides  was  estimated  using  national  food  consumption  data  part  of 
the Comprehensive database of EFSA, and monitoring data on pesticide 
residue  of  eight  European  countries  in  the  period  2007-2010  (acute 
exposure) and 2 countries for chronic exposure. 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY 
HRA  
Exposure assessment: 
•  Both  the  acute  and  chronic  cumulative  dietary  exposures  were 
 
44
 

 
calculated  according  to  two  model  runs  (optimistic  and  pessimistic) 
as  recommended  in  the  EFSA  guidance:  national  food  consumption 
data  were  combined  with  national  monitoring  data,  including 
available  information  on  the  effect  of  processing  on  pesticide 
residues  if  appropriate  (those  data  were  coming  from  the  German 
Database developed by the federal Institute for Risk Assessment). 
•  Information on unit variability was included in the pessimistic model 
run. Additionally, for two countries the chronic cumulative exposure 
was calculated for the group of triazole pesticides of the chronic CAG 
(chronic effect: hepatoxicity) according to both model runs.  
•  Calculations were performed with the Monte Carlo Risk Assessment 
(MCRA)  software,  developed  to  facilitate  cumulative  exposure 
assessments.  Those  calculations  followed  the  EFSA  guidance 
procedure  for  performing  an  acute  or  chronic  cumulative 
assessment,  and  consist  in  the  conversion  of  single  compound 
concentration  databases  to  cumulative  concentration  database 
containing  cumulative  residues  levels  per  sample,  by  using  Relative 
Potency Factors. 
•  Acute exposure: In the optimistic model run, none of the simulated 
Overall 
exposures  per  country  and  age  class  exceeded  the  ARfD  (acute 
summary of 
reference  dose),  whereas  in  the  pessimistic  model  run  person-days 
outcome 
with simulated exposures exceeding the ARfD were observed for IT: 
10 person-days per million in adults and 20 in adolescents 
•  Chronic  exposure:  In  the  optimistic  model  run  no  exposures  were 
simulated exceeding the ADI. In the pessimistic model run, 6,% and 
4,3%  of  the    population  had  a  simulated  chronic  exposure  that 
exceeded  the  ADI  in  Denmark  and  Italy  respectively,  with  a  97.5% 
upper  confidence  limit  of  71,900/48,900.  The  P99.9  of  chronic 
exposure  exceeded  in  both  countries  the  ADI  in  the  pessimistic 
model run. 
•  The exposures obtained with these model runs differed substantially 
for  all  countries,  with  the  highest  exposures  obtained  with  the 
pessimistic  model  run.  In  this  model,  animal  commodities  including 
cattle  milk  and  different  meat  types  (entered  in  the  exposure 
calculations  at  the  level  of  the  maximum  residue  limit,  MRL), 
contributed most to the exposure.  
•  In  this  study  the  uncertainties  due  to  sampling  uncertainty  of  the 
food consumption and residue concentration data were quantified in 
both  models  run  via  central  95%  confidence  intervals  around  the 
number  of  person-days  or  persons  exceeding  a  toxicological 
reference  value  and  around  the  P99.9  of  exposure.  However, 
exposure  assessments  are  affected  by  many  other  uncertainties 
(e.g.  food  conversion  factors,  monitoring  data…)  which  should  also 
be  evaluated.  This  evaluation,  based  on  the  experience  of  the 
authors, was therefore subjective. 
•  The authors conclude that application of the optimistic model run on 
a routine basis for cumulative assessments is feasible; however, the 
resulting  exposure  estimates  are  very  likely  underestimates  of  the 
real exposure.  
•  The  pessimistic  model  run  is  laborious  and  the  exposure  results 
could be too far from reality. 
Future 
• 
Differences  in  exposures  results  between  models  and  countries  are 
very likely due to the dissimilarities in the approaches/models taken  
perspec-
tives / 

• 
The  link  with  processing  information  should  be  improved  to  further 
optimize the application of the optimistic model run. 
Outlook 
•  More  experience  with  the  pessimistic  model  run  is  needed  to 
 
45
 

 
stimulate  the  discussion  of  the  feasibility  of  all  the  requirements, 
especially  the  inclusion  of  MRLs  of  animal  commodities  which  seem 
to result in unrealistic conclusions regarding their contribution to the 
dietary  exposure.  Furthermore,  tools  are  needed  to  standardised 
pessimistic residue database. 
•  A database with authorised uses of pesticides worldwide that will be 
updated and maintained over the years would be needed to make it 
feasible  to  perform  CA  according  to  the  pessimistic  model  on  a 
routine basis. 
•  The  use  of  common  effects  in  CRA  with  much  higher  reference 
values  than  the  most  sensitive  effect  of  the  index  compound  may 
result in conclusions that are  contrary to past  conclusions based  on 
single compound assessments. Risk assessors and managers should 
keep  this  in  mind  when  evaluating  the  outcomes  of  cumulative 
exposure assessments. 
•  More experience is needed with some kind of intermediate 'realistic' 
scenario combining the optimistic and pessimistic model run in such 
a  way  that  it  results  in  more  realistic  acute  and  chronic  exposures 
which  would  be  conservative  enough  (precautionary  principle)  but 
not over-conservative such as the pessimistic model run. 
 
 
 
 
46
 

 
ID 

Title 
Examining the feasibility of mixture risk assessment: A case study using 
a  tiered  approach  with  data  of  67  pesticides  from  the  joint  FAO/WHO 
meeting on pesticide residues (JMPR) 
Journal 
Food and Chemical Toxicology 
Authors 
Evans RM, Scholze M, Kortenkamp A. 
Year 
2015 
•  Case  study  to  illustrate  the  application  of  the  WHO/ICPS 
Background 
framework for MRA 
& Objectives 
•  Applied  to  a  mixture  of  67  pesticides,  going  through  the  tiered 
approach 
•  Illustrate  data  needs  and  gaps  for  refinements  at  the  different 
tiers 
Substances 
67 pesticides 
Exposure 
Exposure to pesticides via food residues 
Scenario 
1.  WHAT  IS  THE  NATURE  OF  EXPOSURE?  ARE  THE  KEY  COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
to 

Dietary exposure to pesticides, based on likely exposure to individual 
WHO/IPCS 
pesticides. 
mixture 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
assessment 
International  estimated  daily  intakes  were  used  for  the  individual 
framework) 
pesticides,  
3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
TIME FRAME? 
Yes,  co-exposure  via  multiple  food  residues  is  possible,  even  if  only 
theoretically assumed in this case. 
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
No classical grouping based on common effects/MoA was applied, but 
a surrogate based on PPDB health issue categories was performed. 
•  JMPR  reports    reporting  Acceptable  Daily  intakes  (ADIs)  and 
Information 
International estimated daily intakes (IEDIs) 
sources 
•  Analysis also done for 13 WHO food cluster diet regions 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY 
•  HI approach according to WHO/ICPS tiered scheme  
HRA 
•  For Tier 0, all pesticides were classified as Cramer Class III, with a 
 
TTC of 90 µg/person per day. 
 
•  For Tier 1, HI calculated using ADI values 
•  Tier 2 calculation based on specific endpoints not feasible due to 
limitation in relevant data availability. However, a Tier 2 like 
refinement with a surrogate data set was performed. 
•  A low-tier assessment identified a potential risk. For the 67 
Overall 
pesticides HI>1 was calculated for all 13 food cluster diet regions 
summary of 
and exceeded 10 in one region (range for all 13 regions was 2.8-11). 
 
47
 

 
outcome 
The HI was never driven by just 1 chemical. 80% of the HI are 
contributed by each 9-18 chemicals in the mixture. 
•  A tier 0 assessment was performed even if not needed due to the 
availability of ADI values, to investigate the differences in the 
resulting HI. HI values based completely on TTC ranged 37.5-146 
and were up to 16 times greater than ADI-based HI calculations. 
•  Tier 2 refinement was not possible due to a lack of relevant input 
data for the refinement, however, a surrogate refinement based on 
human health issues categories of the Pesticide Property Database 
(PPDB) was performed.  
•  In lower tiers, investigating further the individual HQs allows to 
Future 
identify the drivers of the mixture risk (chemicals contributing most 
perspec-
to combined effect) 
tives / 
•  Data requirements in higher tiers are high and relevant input often 
Outlook 
unavailable, which represents a major obstacle in MRA 
•  In this case study, an HI>1 would be reached if depending on the 
food cluster diet region co-exposure would occur to a minimum of 6-
24 compounds assuming for each the average HQ individually. 
•  In such a mixture, not all chemicals will have a common effect and 
contribute to a combined effect; it is however not implausible that 6-
7 compounds in a mixture of 67 compounds might have a common 
effect. 
 
 
 
 
48
 

 
ID 

Title 
Pesticides  in  the  Ebro  River  basin:  Occurrence  and  risk 
assessment 

Journal 
Environmental Pollution 211:414-424 
Authors 
Alexander  Ccanccapa,  Ana  Masiá,  Alícia  Navarro-Ortega,  Yolanda  Picó, 
Damià Barceló 
Year 
2016 
Background 
Previous  studies  performed  in  the  Ebro  River  linking  occurrence  of 
& Objectives  pollutants,  concentrations  and  toxicity,  but  most  of  them  have  focused 
on  a  single  chemical  family  or  select  one  environmental  matrix  (water, 
soils,  sediments  or  biota).  The  objective  of  this  study  was  to  establish 
pesticide's occurrence, spatial distribution and transport and to evaluate 
the  ecotoxicological  risk  in  three  trophic  levels  (Algae,  daphnia  and 
fish), using RQs for each pesticide and sumTUs for each sampling site. 
Substances 
Pesticides: 42 and some of their degradation products  
Azol 
(Imazalil, 
Prochloraz), 
Benzimidazole 
(Carbendazim, 
Thiabendazole), 
Carbamates 
(3-hydroxycarbofuran, 
Methiocarb), 
Chloroacetanilide  (Metoalachlor),  Juvenile  Hormone  Mimics  ( 
Pyriproxyphen),  Neonicotinoid  (Imidacloprid),  Organophosphorus 
(Azinphos 
Methyl, 
Chlorfenvinphos, 
Chlorpyrifos, 
Diazinon, 
Diclofenthion,  Dimethoate,  Fenitrothion,  Fenoxon,  Fenoxon  Sulfone, 
Fenoxon  Sulfoxide,  Fenthion,  Fenthion  Sulfone,  Fenthion  Sulfoxide, 
Malathion,  Omethoate,  Parathion-Ethyl,  Parathion-Methyl,  Tolclophos-
Methyl),  Other  Pesticides  (Buprofezin,  Hexythiazox),  Triazines 
(Atrazine,  Deisopropylatrazine,  Deethylatrazine,  Propazine,  Simazine, 
Terbumeton, Terbumeton-Deethyl, Terbuthylazine 
Terbuthylazine Deethyl, Terbuthylazine-2 Hydroxy, Terbutryn), Triazole 
(Tebuconazole), Ureas (Diuron, Isoproturon) 
Exposure 
Exposure  (to  biota:  fish,  algae  and  Daphnia)  via  water.  Sediment 
Scenario 
concentrations are used to predict pore water concentrations. 
1.  WHAT  IS  THE  NATURE  OF  EXPOSURE?  ARE  THE  KEY  COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
to 

Chemical  exposure  is  estimated  based  on  chemical  analysis  of  the 
WHO/IPCS 
matrices  water  and  sediment.  Other  components  might  be  present. 
mixture 
Based  on  the  compounds  analysed,  the  sumTU  was  calculated, 
assessment 
based  on  the  acute  toxicity  values.  If  possible,  also  the  Risk 
framework) 
Quotients was calculated 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
Yes, because the analysis is referring to water, and pore water in the 
sediment.  Exposure  is  very  likely  for  fish,  algae  and  Daphnids. 
Chemicals analysis in fish also show the relevance of exposure. 
3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
TIME FRAME? 
Yes.  All  compounds  are  analysed  in  the  environment,  and  exposure 
 
49
 

 
at the same time is very likely. 
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
All  compounds  were  taken  together,  based  on  acute  toxicity. 
Although  in  the  presentation  of  the  compounds  they  were  grouped 
according to family or mode of action, this is not taking into account 
in the summation of the effect. 
 
Information 
•  Concentrations in water and sediment were measured.  
sources 
•  EC50 values collected from the PPDB database 
http://sitem.herts.ac.uk/aeru/ppdb/en/atoz.htm 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY    
Exposure 
Exposure  is  assumed  to  be  via  water.  Water  concentrations  are 
Assessment 
measured  directly,  while  concentrations  in  the  sediment  are  used  to 
calculate  the  pore  water  concentration  based  on  the  partitioning 
coefficient Kd (Cpw = Cs/Kd) where Kd = Koc x foc 
Hazard 
Acute 48 h EC50 for D. magna, 72 h EC50 for algae and 96 h LC50 for 
Assessment 
fish, as well as Chronic 96 h NOEC data for algae and 21 days NOEC for 
fish and D. magna of each chemical was collected from Hazard is based 
on acute toxicity values.  
ERA 
The  calculated  sumTU  is  the  sum  of  all  the  individual  TUs  which  are 
calculated by TU = ci/EC50i. 
To  evaluate  the  impact  of  the  pesticides  on  the  Ebro  River  basin 
ecosystems,  the  risk  quotient  (RQ)  method  was  used  employing, 
whenever possible, the NOEC values obtained from chronic toxicity tests 
for producing the corresponding PNECs. (RQ = EC/PNEC). 
ERA was performed for fish, algae and Daphnia.   
Overall 
The  obtained  Sum  TUs  for  water  and  sediment  were  <1  in  all  sites, 
summary of 
evidencing that there is no acute risk associated with pollution either in 
outcome 
water or sediments. The Toxic Unit for water and sediments showed the 
daphnia was the most sensitive (in 2010). 
Several pesticides showed a RQ > 1 indicating that pesticide risk to the 
aquatic communities needs further study. 
Future 
A long-term chronic study on assessment of these mixtures is required. 
perspec-
Not  all  chronic  effects  could  be  calculated  due  to  missing  information 
tives / 
(NOECs) 
Outlook 
 
 
 
50
 

 
A.2  Phthalates 
ID 

Title 
Estimated  daily  intake  and  cumulative  RA  of  phthalate  diesters  in  a 
Belgian general population (Dewalque et al., 2014). 
Journal 
Toxicology Letters  
Authors 
Lucas Dewalque, Corinne Charlier, Catherine Pirard 
Year 
2014 
Background  The 5 phthalate diesters taken into consideration in this work are known 

to  exhibit  ED  properties,  especially  anti-androgenic  effects.  The  aims  of 
Objectives 
this study were (1) to estimate, in a Belgian general population, the daily 
intake (DI) of those phthalates based on their urinary measurement, (2) 
to  investigate  the  diet  contribution  to  the  total  exposure,  (3)  to  assess 
the  risk  of  exposure  to  phthalates  by  comparing  their  intake  to  well-
recognized  reference  values,  (4)  to  assess  the  risk  of  cumulative 
exposure  based  on  anti-androgenic  endpoints  to  several  phthalate 
compounds  and  (5)  finally  to  compare  the  risk  assessment  results  in 
adults and children.  
Substances 
Phthalates diesters: diethyl phthalate (DEP), di-n-butyl phthalate (DnBP), 
di-iso-butyl  phthalate  (DiBP),  butylbenzyl  phthalate  (BBzP)  and  di-2-
ethylhexyl phthalate (DEHP) 
Exposure 
Human exposure to phthalates from food consumption and other sources 
Scenario 
1.  WHAT  IS  THE  NATURE  OF  EXPOSURE?  ARE  THE  KEY  COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
Exposure  of  human  to  phthalate  via  food  consumption  and  other 
to 
sources.  The  key  components  are  known.  No  data  on  the  hazard  of 
WHO/IPCS 
the mixture itself.
mixture 
 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
assessment 
Yes, exposure data comes from biomonitoring data. 
framework)  3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
TIME FRAME? 
Yes 
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
Phthalates  are  a  structurally  similar  group  of  chemicals  that  have 
been shown to exhibit similar toxicological action, thus additive effect 
should be expected when considering this assessment group. 
Information  Exposure data: measurement from biomonitoring study 
sources 
Toxicity value: EFSA TDI and RVs from literature 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY    
Exposure 
Daily  intake  (DI)  was  based  on  the  urinary  measurements  of  the 
 
51
 

 
Assessment  corresponding  metabolites,  and  estimated  using  the  volumetric  model 
developed by Knoch et al (2003) 
Hazard 
Reference value chosen were tolerable daily intakes (TDI) for phthalates 
Assessment  established by EFSA or a reference dose for anti-androgenicity (RfD AA) 
recently developed 
HRA 
The HI approaches was used:  
-HQ was calculated (HQ=DI/TDI) 
-HI=ΣHQ 
•  Although very few participants exceeded the threshold of 1 
Overall 
considered as safe for individual HQ, 6.2% of the adults and 25% of 
summary of 
the children showed a HI
outcome 
TDI higher than 1. These high HI values 
warranted further investigations since several studies suggested that 
anti-androgenic effects of phthalate exposure on reproductive health 
could occur at all life stages and because phthalates are not the only 
anti-androgenic chemicals to which humans are exposed. 
•  The HITDI was 3-4 fold higher than HI RfDAA showing that CEA results 
are very dependent of the reference value taken into account 
•  This  biomonitoring  approach  has  relevant  advantages,  such  as 
Future 
integrating  all  routes  and  sources  of  exposure,  and  avoiding  the 
perspec-
external  contamination  due  to  the  widespread  presence  of  the 
tives / 
phthalate  diesters  in  the  lab  environment.  However,  it  does  not 
Outlook 
provide detailed information concerning exposure pathways. 
•  DEHP  would  be  the  only  phthalate  congener  studied  for  which  the 
main contributor to the daily exposure would be the ingestion of food. 
For all other congeners, dietary intake seemed to be a minor pathway 
of exposure, suggesting that other routes should occur. 
•  The  TDI  and  RfD  AA  determination  were  based  on  animals  exposed 
by  gavage  and  therefore  did  not  take  into  account  other  route  of 
exposure. The estimation of DI was based on urinary levels measured 
in  spot  urine  samples  and  extrapolated  to  a  daily  excretion  with  an 
estimated  urine  volume  excreted  daily.  This  also  implies  that  these 
spot  samples  were  considered  as  representative  in  terms  of  daily 
phosphate  levels  excreted  while  more  and  more  studies  highlighted 
the  within-person  variability  of  the  urinary  levels  for  these 
compounds. 
•  Larger biomonitoring studies including pertinent biomarkers of 
exposure of other anti-androgenic compounds should be performed. 
 
 
 
 
52
 

 
ID 

Title 
Human  biomonitoring  of  phthalate  exposure  in  Austrian  children 
and adults and cumulative risk assessment 

Journal 
International Journal of Hygiene and Environmental Health 
Authors 
Christina  Hartmann,  Maria  Uhl,  Stefan  Weiss,  Holger  M.  Koch,  Sigrid 
Scharf, Jürgen König 
Year 
2015 
Background  Assessment  of  population  exposure  to  phthalates  used  in  consumer 

products  through  a  biomonitoring  campaign,  estimation  of  daily  intake, 
Objectives 
estimation of cumulative risk assessment.  
Substances 
14  metabolites of 11 parent phthalate compounds 
Exposure 
Exposure  through  consumer  products  (and  home  environment)  is 
Scenario 
assumed.  Daily  intakes  are  calculated  from  measured  metabolites 
concentration in urine.  
1.  WHAT  IS  THE  NATURE  OF  EXPOSURE?  ARE  THE  KEY  COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
to 

Exposure  occurs  mainly  though  consumer  products  and  house  dust. 
WHO/IPCS 
Differences in urine levels show that environmental exposure matters 
mixture 
as  well  as  a  difference  in  phthalates  metabolites  concentrations  is 
assessment 
observed  between  samples  collected  from  (sub)urban  and  rural 
framework) 
areas. 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
Yes. It occurs through different consumer products (e.g. toys, school 
supplies,  plastic  gloves,  or  paints,  as  well  as  food  and  cosmetic 
products) 
3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
TIME FRAME? 
Yes. Metabolites of different parent compounds were detected in the 
same  population  group,  showing  that  consumer  products  imply 
exposure to a mixture of phthalates.   
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
Antiandrogenic activity  
•  Individual  phthalates  daily  intakes  are  estimated  from  metabolites 
Case 
detected  in  urine  samples  and  compared  with  acceptable  exposure 
Specific 
levels 
Information 
•  TDI  and  reference  dose  for  anti-androgenic  activity  are  used  for  te 
sources 
calculation  of  the  HI  for  each  population  class  (adults,  children, 
elderly) 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY 
Exposure 
Total  daily intake  is  calculated  depending  on  metabolites  concentrations 
Assessment  detected in urine 
 
53
 

 
Hazard 
Dose-addition  by  using  the  hazard  index  for  the  anti-androgenic 
Assessment  phthalates  related  to  the  Reference  Dose  for  Anti-Androgenicity  or 
related to the Tolerable Daily Intake. 
HRA 
Cumulative  risk  assessment  is  calculated  through  the  HI  for  anti-
androgenic phthalates.  
Overall 
Median HIs based on all acceptable levels of exposure used are far below 
summary of  the  value  of  1.  The  highest  values  were  identified  among  children, 
outcome 
Exceedances  of  the  HI  of  1  existed  among  all  age  groups  for  tolerable 
daily intake based values, whereas no exceedance was identified for the 
reference  dose  for  anti-androgenicity  (reference  doses  for  anti-
androgenicity are higher than tolerable daily intake). Authors report that 
assuming  other  exposure  to  androgenic  chemicals  (e.g.  pesticides 
residues and cosmetic products) there is potential indication of cause of 
concern. 
Future 
Inclusion of a larger set of phthalates secondary metabolites. 
perspec-
tives / 
Outlook 

 
 
 
 
54
 

 
A.3  PBDEs 
ID 

Title 
Example Case study A: PBDEs - Annex A (Meek et al., 2011) 
Journal 
Regulatory Toxicology and Pharmacology 60 S1-S14 
Authors 
Bette Meek 
Year 
2011 
Background 
A  screening  level  RA  of  PBDEs  was  conducted  under  the  Canadian 
& Objectives  Environmental  Protection  Act  and  slightly  modified  to  illustrate  the 
WHO/IPCS framework for combined exposure to multiple chemicals (Tier 
0 and Tier 1). 
Substances 
Polybrominated  diphenyl  ethers  (PBDEs)  used  as  flame  retardants  in  a 
wide  variety  of  consumer  products;  three  main  commercial  mixtures 
containing 
seven 
isomers 
were 
subject 
of 
assessment: 
pentabromodiphenyl ether (PeBDE), or ComPeBDE (usually containing a 
mixture  of  PBDEs  with  4–6  bromines);  commercial  octabromodiphenyl 
ether,  (OcBDE),  or  ComOcBDE  (usually  containing  a  mixture  of  PBDEs 
with  6–9  bromines);  and  commercial  decabromodiphenyl  ether 
(DeBDE), or ComDeBDE (usually containing PBDEs with 9–10 bromines) 
Exposure 
Exposure  of  general  population  through  consumer  products  and  via  the 
Scenario 
environment 
1.  WHAT  IS  THE  NATURE  OF  EXPOSURE?  ARE  THE  KEY  COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
to 

Focus of the case study on exposure of the population in the general 
WHO/IPCS 
environment  including  through  consumer  products.  The  majority  of 
mixture 
data  relevant  of  human  health  risk  relate  to  commercial  mixtures 
assessment 
with much less information on individual congeners. 
framework) 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
Yes.  Direct  contact  via  consumer  products  containing  PBDEs  is 
possible,  also  via  the  environment  through  the  use  and  disposal  of 
PBDEs. 
3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
TIME FRAME? 
Yes.  There  is  overlap  in  congeners  within  the  commercial  mixtures 
and  reason  to  believe  that  their  kinetics  will  be  similar  based  on 
similarity in physicochemical properties. 
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
The  assessment  group  contains  seven  isomers  with  identical  base 
structure,  overlap  in  congeners  within  the  commercial  mixtures, 
similarities  in  uses  and  common  target  organs.  Trends  in  physic-
chemical  properties  and  toxicity  vary  consistently  with  increasing 
 
55
 

 
degree of bromination. 
•  Exposure  data  available  from  the  assessment  under  the  Canadian 
Information 
Environmental  Protection  Act  (Tier  0);  for  Tier  1  estimated  from 
sources 
available data 
•  Hazard  data  no  tolerable  intakes  or  concentrations  were  available 
(Tier 0); for Tier 1 from literature. 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY 
 
Tier 0 
Tier 1 
•  Limited data were available, therefore 
Exposure 
Semiquantitative  measure 
a conservative estimate was based on 
Assessment 
available  from  Canadian 
maximum levels in air, water, dust, 
Assessment; 
determined 
food, human breast milk  
based 
on 
volume 
of  •  Standard intake values for six age 
production,  numbers  of 
groups in the Canadian population.  
producing 
and 
using  •  Thus upper-bound estimates of daily-
companies, and the sum of 
intake of total PBDEs were estimated.  
"expert 
ranked 
uses" 
(based  on  potential  to  Estimates  considered  conservative  since 
create  exposure  for  each  they  were  based  on  summed  estimates  of 
use) 
all  congeners  for  which  data  were 
available 
and 
highest 
measured 
concentrations for many media. 
•  Most toxicity data found were for 
Hazard 
No 
reference 
tolerable 
commercial mixtures, less for the 
Assessment 
intakes  or  concentrations 
individual congeners;  
for 
relevant 
congeners  •  From all data the critical effect level 
were  available,  thus  a 
was selected at 0.8,g/kg body weight 
hazard  index  could  not  be 
(PeBDE) based on neurobehavioural 
developed; 
as 

effects 
conservative  measure,  the 
LOEL  for  the  most  toxic 
congener was considered. 
•  Comparison of critical effect level with 
HRA 
The 
sum 
of 
upper-bound estimate of exposure to 
semiquantitative  estimates 
total PBDEs for the potentially most 
of  exposure  exceeded  the 
exposed subgroup. 
LOEL  of  the  most  toxic  •  Resulted in Margin of Exposure of 
congener,  so  additional 
approximately 300. 
assessment 
was  •  Margins based on available 
considered 
biomonitoring data were approx. 10-
necessary Tier1 
fold less, but less confident due to 
uncertainty in back-calculation of 
exposure from biomonitoring data 
•  Food  represented  the  principal  source  of  exposure  for  the  majority 
Overall 
of  age  groups,  highest  for  breastfed  infants  with  breast  milk 
summary of 
accounting  for  92%  of  the  exposure.  Estimates  of  intake  from 
outcome 
dermal  contact  with  dust  or  oral  contact  with  household  products 
were negligible in comparison to uptake via food. 
•  Uncertainties:  Degree  of  conservatism  in  the  derived  margin  is 
relevant  to  its  interpretation.  One  critical  aspect  is  the  large 
interindividual  variability  in  levels  of  PBDEs  in  breast  milk  (mean 
and median levels observed in the general population were 400 and 
200  fold  less,  respectively,  than  the  maximum  levels  on  which  the 
exposure  estimate  was  based.  The  hazard  was  based  on  the  most 
 
56
 

 
sensitive  effect  for  the  most  toxic  congener.  In  other  studies  the 
effect  levels  were  100  times  higher  than  the  one  used  in  this 
assessment.  However,  continuing  increase  in  body  burden  was  not 
considered due to limited information availability.  
•  In  view  of  the  smaller  margin  between  the  most  conservative 
Future 
estimated  critical  values  for  exposure  and  effects  on  the 
perspec-
environment in comparison with that for human health and resulting 
tives / 
recommended  action  to  protect  the  environment,  in-depth 
Outlook 
evaluation  of  PBDEs  from  a  human  health  perspective  was 
considered a low priority at this time. 
 
 
 
 
57
 

 
A.4  Parabens 
ID 
10 
Title 
Aggregate exposure approaches for parabens in personal care products: 
a  case  assessment  for  children  between  0  and  3  years  old  (Gosens  et 
al., 2013). 
Journal 
Journal of Exposure Science and Environmental Epidemiology 
Authors 
Ilse Gosens, Christiaan J.E. Delmaar, Wouter ter Burg, Cees de Heer and 
A. Gerlienke Schuur 
Year 
2013 
Background 
Many  chemical  substances  in  consumer  products  are  used  in  multiple 
& Objectives  product  categories,  leading  to  multiple  source  of  exposure,  but  in  risk 
assessment,  aggregation  of  exposures  from  different  sources  is  not 
common  practice,  especially  when  these  sources  are  regulated  under 
different legal frameworks. 
Objective  is  to  assess  aggregate  exposure  (exposure  to  a  substance 
from different sources via different pathways) to the four most common 
parabens  in  personal  care  products  for  children  between  0  and  3  years 
old.  A  deterministic  approach  with  conservative  assumptions  (tiers  1) 
followed  by  a  person-oriented  probabilistic  (tier  2)  approach  for 
exposure  assessment  was  applied,  to  gain  more  insight  into  the 
feasibility and necessity of refining an aggregate exposure approach.   
Parabens are used in a wide variety of products: personal care products 
for adults and children, in consumer products  such as dog shampoo, in 
pharmaceutical  products  such  as  antibiotics  and  they  are  used  as  food 
additives. 
Given  the  estrogenic  effects  of  parabens  and  the  potential  severity  of 
the  effects  during  early  human  child  development,  the  aggregate 
exposure for children between 0 and 3 years of age was assessed.  
Substances 
Methyl-, ethyl-, propyl- and butylparaben. 
Exposure 
Human exposure to personal care product  
Scenario 
1.  WHAT  IS  THE  NATURE  OF  EXPOSURE?  ARE  THE  KEY  COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
to 

Human exposure, oral and dermal absorption. 
WHO/IPCS 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
mixture 
assessment 

Yes.  The  parabens  considered  are  the  4  most  frequent  paraben  in 
framework) 
personal care product from children from 0 to 3 years old. 
3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
TIME FRAME? 
This  study  considers  aggregate  exposure  (several  sources)  of  one 
compound and therefore does not include co-exposure.  
 
58
 

 
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
No assessment group 
•  Exposure, Tier 1: Product composition and ConsExpo default value 
Information 
•  Exposure, Tier 2: more detailed information on product use has been 
sources 
obtained from a small survey on product use of consumers. 
•  Toxicity: NOAEL 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY 
•  Tier 1: worst case, deterministic approach 
Exposure 
Assessment
 
Parameters used for the exposure calculations: 1) maximum amount of 
paraben  found  in  a  product,  2)  default  use  amounts  of  PCP  as 
reasonable  worst  case  estimates  from  ConsExpo  3)  ConsExpo  defaults 
of  frequency  of  use  as  reasonable  worst-case  estimate.  When 
application  on  body  surface  area  was  involved,  the  default  value  was 
extrapolated  to  children  using  a  correction  factor  that  account  for  the 
smaller total body surface area of children. 
•  Tier  2:  Person-oriented  probabilistic  approach  is  performed  to 
estimate the variability and uncertainty of exposure in a population. 
Raw data on weight fraction measurements in 12 product types by the 
Dutch  Food  and  Product  Safety  Authority  and  information  from  a  pilot 
survey  have  been  used  to  estimate  exposure.  The  aggregate  exposure 
per day is determined by adding all exposure on the same day for one 
person  and  subsequently  averaging  the  daily  aggregate  exposure  for 
each  individual.  The  result  is  a  distribution  of  the  daily  average 
aggregate exposure for all persons in the population. 
Hazard 
NOAEL 
Assessment 
HRA 
Percentiles of the distribution of exposure can be compared against the 
NOAEL.  It  gives  an  indication  on  the  fraction  of  the  population  with 
average exposures above a certain Margin of Exposure (MoE). 
•  The internal exposure for each paraben calculated in Tiers 2 is below 
Overall 
the  level  determined  in  Tier  1.  However,  for  propyl-  and 
summary of 
butylparaben,  the  percentile  of  the  population  with  an  exposure 
outcome 
probability above the assumed ‘‘safe’’ MoE of 100, is 13% and 7%, 
respectively  (MoE  of  8  and  10  respectively)  indicating  that  further 
evaluation of the exposure calculations is necessary. 
•  In  conclusion,  a  Tier  1  approach  can  be  performed  using  simple 
equations and default point estimates, and serves as a starting point 
for  exposure  and  risk  assessment.  If  refinement  is  required,  the 
more data demanding person-oriented probabilistic approach should 
be  used.  This  probabilistic  approach  results  in  a  more  realistic 
exposure 
estimate, 
including 
the 
uncertainty, 
and 
allows 
determining the main drivers of exposure. Furthermore, it allows to 
estimate  the  percentage  of  the  population  for  which  exposure  is 
likely to be above a specific value. 
•  Refinement is difficult as detailed data on the use of PCP is scarce, 
Future 
and  it  is  unknown  whether  extrapolation  from  adult  use  by  scaling 
perspec-
the amount of product used to body surface is appropriate. 
tives / 
•  Steps need to be taken before aggregate exposure can be assessed 
Outlook 
routinely:  it  would  be  useful  to  perform  an  extended  personal  care 
 
59
 

 
product use survey for children 
•  Uncertainty  in  the  exposure  assessment  for  propyl-  and 
butylparaben could be reduced by collecting more suitable data. 
•  Pharmaceutical  products  contributed  as  the  second  largest  product 
group  toward  the  total  paraben  exposure.  More  exposure  data  via 
these  products  would  be  needed  to  obtain  an  even  more  accurate 
aggregate estimate 
 
 
 
 
60
 

 
A.5  Pharmaceuticals 
ID 
11 
Title 
Screening  level  mixture  RA  of  pharmaceuticals  in  STP  effluents 
(Backhaus & Karlsson, 2014a). 
Journal 
Water Research 
Authors 
Thomas Backhaus, Maja Karlsson  
Year 
2014 
Background  Pharmaceuticals  do  not  occur  as  isolated,  pure  substances  in  an 

environmental  compartment.  A  broad  range  of  different  substances  is 
Objectives 
used  simultaneously  in  human  and  veterinary  medicine,  hence 
pharmaceuticals  often  occur  in  the  environment  as  multi-component 
mixtures.  The  joint  ecotoxicity  of  such  chemical  cocktails  is  typically 
higher  than  the  toxicity  of  each  individual  compound,  and  even  if  the 
compounds of a mixture are present only below their respective toxicity 
threshold,  a  joint  toxic  effect  cannot  be  ruled  out  a  priori.  Both 
approaches  of  the  mixture  quotient  and  of  the  STUs  were  used  for 
providing  a  screening  level  assessment  of  the  environmental  risks  of 
pharmaceutical  mixtures  previously  determined  in  European  sewage 
treatment plant effluents. 
The  aim  was  to  determine  whether  the  detected  pharmaceutical 
cocktails might pose a risk to aquatic organisms, how this relates to the 
toxicities  of  the  individual  pharmaceuticals,  which  group  of  organisms 
(trophic  levels)  is  most  sensitive  and  which  are  the  ecotoxicologically 
most  important  compounds.  Standard  regulatory  environmental  risk 
assessment approaches for individual pharmaceuticals were followed as 
closely as possible. 
Substances 
Pharmaceuticals  
Exposure 
Exposure  of  aquatics  organisms  from  sewage  treatment  plant  (STP) 
Scenario 
effluents 
1.  WHAT IS THE NATURE OF EXPOSURE? ARE THE KEY COMPONENTS 
Problem 
KNOWN? ARE THERE DATA AVAILABLE ON THE HAZARD OF THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
Exposure  of  freshwater  organisms;  key  components  known  from 
to 
previous  published  data;  no  information  on  the  hazards  of  the 
WHO/IPCS 
mixture itself.
mixture 
 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
assessment 
Yes, mixture of pharmaceuticals are frequent in freshwater system 
framework)  3.  IS THERE A LIKELIHOOD OF CO-EXPOSURE WITHIN A RELEVANT 
TIME FRAME? 
Yes 
4.  WHAT IS THE RATIONALE FOR CONSIDERING COMPOUNDS IN AN 
ASSESSMENT GROUP? 
No  assessment  groups,  mixture  contains  compounds  with  similar 
and dissimilar mode of action 
 
61
 

 
Information  Exposure  data  are  based  on  a  comparative  exposure  assessment  of  a 
sources 
range of pharmaceuticals previously published in the literature. 
Hazard data were compiled in the published literature and/or database. 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY 
Exposure 
Exposure  is  based  on  previously  published  data  on  pharmaceuticals 
Assessment  mixtures:  data  analysis  of  26  pharmaceuticals  present  in  7  STP 
effluents was used as a basis. 
Hazard 
Toxicity  data  for  chemicals  were  compiled  from  reviews,  electronic 
Assessment  databases, and if needed, primary literature. 
The  European  Medicines  Agency  guideline  for  the  ERA  of  human 
pharmaceuticals  (EMA,  2006)  stated  that  environmental  hazard 
assessments of pharmaceuticals should be based on chronic data, using 
an  AF  of  100  or  lower.  However,  such  chronic  data  are  only  available 
for a minority of the pharmaceuticals used in this work; the assessment 
was  then  based  on  acute  data  for  algae,  daphnids  and  fish,  following 
the  approach  outlined  in  the  REACH  guidance  document  to  estimate  a 
PNEC on the basis of acute data, using an AF of 1000 (ECHA, 2008). 
If more than one EC50 was available for a given compound, the lowest 
value found for that particular species group was used. 
If  no  experimental  toxicity  data  were  found  for  a  given  trophic  level, 
QSAR  estimates  were  used  for  the  EC50  values,  assuming  a  common 
MOA of compounds from a similar chemical class. Differences in toxicity 
between members  of a chemical class are then assumed to be caused 
by differences in lipophilicity-driven uptake rates. 
RA for 
The concept of CA has been used via two approaches:  
aquatic 
organisms 

1) Estimation of the risk quotient of a mixture:  
RQ=Σ (MECs/PNEC)i  
MEC: measured environmental concentration 
2) Calculation of the sum of toxic units (STU, with a toxic unit being 
TU  =  MEC/EC50)  in  a  first  step  for  each  of  the  main  trophic  levels 
(usually algae, invertebrates, fish). 
The  final risk quotient (RQSTU) for the mixture equals the sum of toxic 
units  of  the  most  sensitive  trophic  level  multiplied  with  the 
corresponding  AF,  which  is  set  to  1000  if  data  represent  EC50  values 
from  short-term  toxicity  studies  with  algae,  invertebrates  and  fish 
(ECHA, 2008). 
• The  risk  quotient  of  a  single,  randomly  selected  pharmaceutical  is 
Overall 
often more than a factor of 1000 lower than the mixture risk, clearly 
summary of 
indicating  that  a  mixture  risk  assessment  is  indispensable  for  an 
outcome 
environmentally  realistic  risk  assessment  when  it  comes  to 
pharmaceuticals. The MCR varies between 1.2 and 4.2, depending on 
the actual scenario and species group under consideration.  
• The mixture risk quotients, based on acute data and an assessment 
factor of 1000, regularly exceed 1, indicating a potential risk for the 
environment, depending on the dilution in the recipient stream.  
• The  top  10  mixture  components  explain  more  than  95%  of  the 
 
62
 

 
mixture  risk  in  all  cases.  However,  the  ranking  profile  strongly 
depends on the considered group of organisms. 
• Regarding the relative sensitivity of the three trophic level, algae are 
the most sensitive group, followed by invertebrate, fish being always 
least sensitive. 
• The ratio between the RQMEC/PNEC and RQSTU never exceeds 1.3 for the 
7 effluents, if identical assessment factors are used. 
Future 
•  Ignoring  Independent  Action  or  using  the  sum  of  individual  risk 
perspec-
quotients as a rough approximation of Concentration Addition does not 
tives / 
have a major impact on the final risk estimate 
Outlook 
•  The  lack  of  data  on  the  chronic  toxicity  of  most  pharmaceuticals  as 
well  as  the  very  few  data  available  for  in  vivo  fish  toxicity  has  to  be 
regarded as a major knowledge gap in this context 
 
 
 
 
63
 

 
ID 
12 
Title 
Environmental  risk  assessment  of  antibiotics  including  synergistic  and 
antagonistic combination effects 
Journal 
Science of the Total Environment 
Authors 
Conrad Marx, Viktoria Mühlbauer, Peter Krebs, Volker Kuehn 
Year 
2015 
•  Aim of this study is to make a solid estimate on the possible 
Background 
synergistic potential of combined antibiotics  
& Objectives  •  To quantify the subsequent effect for the case of the receiving river 
Elbe, Germany.  
Substances 
Antibiotics 
Exposure 
Exposure  of  aquatic  organisms  in  receiving  waters  of  waste  water 
Scenario 
treatment  plants  (WWTP).  Exposures  calculated  based  on  15  most 
prescribed antibiotics in the investigated catchment area. 
1.  WHAT  IS  THE  NATURE  OF  EXPOSURE?  ARE  THE  KEY  COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
to 

Exposure of aquatic organisms via receiving waters of WWTPs. 
WHO/IPCS 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
mixture 
Yes, exposure estimates based on antibiotic prescription information 
assessment 
and known rates of degradation in WWTP. 
framework) 
3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
TIME FRAME? 
Yes, co-occurrence in Elbe river. 
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
Share  of  different  categories  of  antibiotics  in  the  overall  HI  was 
assessed. 
•  Exposure  based  on  available  information  on  antibiotic  prescriptions 
Information 
and literature data.  
sources 
•  Predicted  no  effect  concentrations  (PNEC)  from  own  studies  and 
literature. Information on binary interactions from literature. 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY 
•  Exposure was predicted based on ambulant and hospital prescription 
Exposure 
data in the study area, excretion ratio, WWTP outflow, daily flow of 
Assessment 
receiving  river  Elbe,  elimination  rates  in  WWTP.  Veterinary  uses  of 
antibiotics  play  minor  role  in  the  study  area  and  were  therefore 
neglected. 
•  Predicted  no  effect  concentrations  (PNEC)  from  own  studies  and 
Hazard 
literature.  Information  on  binary  interactions  from  literature  for 
Assessment 
bacteria,  algae  and  daphnia,  aggregated  for  the  different  antibiotic 
classes. 
•  HI
RA for 
add  (based  on  concentration  addition  only)  and  HIint  (including 
interactions) were calculated.   
aquatic 
organisms 

 
64
 

 
•  HI
Overall 
add  was  calculated  over  a  7  years  period  with  a  mean  value  of 
0.37. 20% of all weeks exceeded HI
summary of 
add of 0.5, HIadd>1 was calculated 
only for 1 week in the 7 years period. 
outcome 
•  The  hazard  share  of  different  classes  of  antibiotics  changed  over 
time  (for  some  doubled),  while  the  overall  HIadd  did  not  noticeably 
change over time.  
•  Considering  HIint  showing  in  a  worst-case  scenario  a  50%  risk 
increase, the threshold of HI>1 would is exceeded in 25 weeks over 
7 years. 
•  Most underlying data on binary interactions were gained using much 
Future 
higher  than  environmentally  relevant  concentrations  and  using  a 
perspec-
variety of organisms (algae, daphnia, bacteria). 
tives / 
•  Some  underlying  data  show  that  the  probability  for  synergistic 
Outlook 
interactions increases at lower antibiotic concentration in contrast to 
many  other  studies.  In  summary,  since  the  concentration  influence 
on synergisms depends on the target organism and the combination 
of  substances,  no  general  statement  on  concentration  dependency 
can be made for antibiotic mixtures. 
•  Different  scenarios  applied  in  the  HIint  lead  to  the  conclusion  that 
antibiotic  mixtures  tend  to  exhibit  an  overall  synergistic  effect.  The 
resulting increase was between 20-50%. 
 
 
 
 
65
 

 
A.6  Food Contact Materials 
ID 
13 
Title 
Assessing the safety of co-exposure to food packaging migrants in food 
and  water  using  the  maximum  cumulative  ratio  and  an  established 
decision tree (Paul Price et al., 2014) 
Journal 
Food additives and contaminants: Part A 
Authors 
Paul  Price,  Rosemary  Zaleski,  Hans  Hollnagel,  Hans  Ketelslegers  & 
Xianglu Han 
Year 
2014 
Background  Food  contact  materials  (FCM)  can  release  low  levels  of  multiple 

chemicals (migrants) into foods and beverages, to which individuals can 
Objectives 
be  exposed  through  food  consumption.  This  paper  investigates  the 
potential  for  non-carcinogenic  effects  from  exposure  to  multiple 
migrants  using  the  Cefic  Mixtures  Ad  hoc  Team  (MIAT)  decision  tree. 
This  assessment  aims  to  demonstrate  how  the  decision  tree  can  be 
applied  to  concurrent  exposures  to  multiple  migrants  using  either 
hazard or structural data on the specific components, i.e. based on the 
acceptable  daily  intake  (ADI)  or  the  threshold  of  toxicological  concern 
(TTC). 
Substances 
Food packaging migrants 
Exposure 
Human exposure via food and water consumption 
Scenario 
1.  WHAT  IS  THE NATURE  OF EXPOSURE? ARE THE KEY  COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
Human  exposure  via  food  and  human  consumption;  key 
to 
components known from previous published data.
WHO/IPCS 
 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
mixture 
Yes 
assessment 
3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
framework) 
TIME FRAME? 
Yes 
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
No assessment groups 
Information  Exposure: Data on co-exposure to migrants were previously reported in 
sources 
a study on non-intentionally added substances (NIAS) eluting from food 
contact-grade  plastic  and  two  studies  of  water  bottles  (one  on  organic 
compounds and the other on ionic forms of various elements).  
Toxicity data: Existing ADI value or TTC approach. 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY 
Exposure 
Exposure is based on 3 examples previously published of  NIAS eluting 
 
66
 

 
Assessment  from food contact material (food and water bottle) 
Hazard 
Reference  values  were  based  either  on  existing  ADI  or  on  a  TTC 
Assessment  approach,  according  to  the  Cramer  class  of  the  chemical,  for  organics 
chemicals. Inorganics without RVs were not considered in the analysis.   
HRA  
Determination of the HQ of each compounds, of the HI and MCR of the 
mixture 
 
•  The two first examples were assigned to the group II (low concern) 
Overall 
by the decision tree.  
summary of 
•  The  cumulative  olefins  and  saturated  hydrocarbons  for  the  NIAS 
outcome 
study  and  ethyl-4-ethoxybenzoate  for  the  water  bottles  study 
provided the largest toxicity of any of the migrants. 
•  The MCR value in example 1 is greater than 2, but this is impacted 
by  the  fact  that  the  driving  components  are  not  single  compounds 
but  each  represent  a  group  of  compounds  falling  into  a  structure-
based  chemical  class.  HIs  are  not  affected  by  this  grouping  since 
the same RV is applied to all compounds.  
•  In  example  2,  a  single  compound  dominates  the  toxicity  of  the 
mixture (MCR<2). 
•  The co-exposure assessment indicated that while multiple substance 
were  extracted  from  FCM  samples,  the  risk  of  adverse  effects  to 
individuals was very low (HI<1). 
Future 
Outcomes :  
perspec-
•  Those  three  example  show  that  sufficient  data  are  available  for  the 
tives / 
safety  evaluation of many co-exposure to migrants that occurs in food 
Outlook 
and water, except for the inorganics for which 30 RVs were missing on 
the 57 chemicals. 
• When RVs are not available for organic compounds, the Cramer class 
predictions might be used, since the levels of exposure of migrants are 
low and often fall below the conservative estimates of RVs produced by 
the Cramer class approach. 
•  The  decision  tree  demonstrated  that  given  the  available  screening 
toxicity data, exposures to the reported migrants both separately and in 
combination were unlikely to cause adverse health effects.  
• Future work on combined exposure to ionic forms would benefit from 
additional toxicity information. 
 
 
67
 

 
A.7  Dioxin-like compounds (DLCs) including dioxins, furans 
and PCBs 
ID 
14 
Title 
Applying  the  maximum  cumulative  ratio  methodology  to  biomonitoring 
data  on  dioxin-like  compounds  in  the  general  public  and  two 
occupationally exposed populations 
Journal 
Journal of Exposure Science and Environmental Epidemiology 
Authors 
Xianglu Han and Paul S. Price 
Year 
2013 
MCR  values  were  calculated  for  three  groups  of  individuals  based  on 
Background 
monitoring data and the WHO toxic equivalency factors (TEFs) for dioxin 
& Objectives  like compounds (DLCs) 
Substances 
Dioxin-like  compounds  (DLCs)  including  polyhalogenated  dioxins, 
furans, and polychlorinated biphenyls (PCBs) 
Exposure 
2  occupationally  exposed  groups  and  one  group  of  general  population 
Scenario 
based on human biomonitoring data 
1.  WHAT  IS  THE  NATURE  OF  EXPOSURE?  ARE  THE  KEY  COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
3  biomonitoring  study  groups,  2  with  relevant  occupational 
to 
exposure, 1 with general exposure 
WHO/IPCS 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
mixture 
assessment 

 
Yes, as this is based on biomonitoring data.  
framework) 
3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
TIME FRAME? 
 
Yes, as this is based on biomonitoring data.    
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
Selection  of  included  chemicals  based  on  common  dioxin-like 
characteristics 
•  NHANES  biomonitoring  data  plus  2  biomonitoring  studies  on 
Information 
occupational worker exposure 
sources 
•  WHO TEF values 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY 
Exposure 
Lipid-adjusted concentrations of DLCs in serum were used from human 
Assessment 
biomonitoring  studies.  NHANES  was  used  for  one  group  of  individuals 
reflecting current and historical DLC exposure in the general population. 
Further  2  groups  of  workers  occupationally  exposed  to  dioxins  were 
included  (trichlorophenol  workers  in  Michigan  (MI  dataset)  and  New 
Zealand (NZ dataset)). 
Hazard 
35 DLCs were analysed in the 2 worker groups, but not  for all of them 
 
68
 

 
Assessment 
TEFs  are  available,  thus  only  26  DLCs  were  used  in  the  analysis  and 
calculation  of  overall  TEQs.  This  was  done  by  multiplying  the  serum 
levels with the respective TEFs for each individual person. 
HRA  
Since  the  investigated  mixture  components  share  the  same  MoA,  the 
toxic  equivalency  (TEQ)  approach  is  preferred  over  the  HI  approach. 
 
TEFs  are  used  to  convert  doses  of  each  component  into  an  equivalent 
dose of the index chemical 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD). 
These  equivalent  doses  are  then  summed  up  resulting  in  a 
toxicologically equivalent exposure to TCDD. 
The  MCR  is  then  calculated  as  the  ratio  of  the  person’s  cumulative 
toxicologically  equivalent  exposures  for  the  mixture  divided  by  the 
person’s maximum chemical-specific equivalent. 
Total  TEQ  values  were  calculated  for  each  individual  in  the  studies. 
Within  each  of  the  3  study  groups,  the  mean  TEQ  was  calculated  for 
each  DLC  and  ranked  from  high  to  low.  Subjects  with  one  or  more 
missing values for the top 5 chemicals were excluded from the dataset. 
Non-detects  (NDs)  were  assumed  to  be  present  at  the  limit  of 
detection/20.5. Persons where NDs would have contributed >50% to the 
MCR  or  where  the  primary  chemical  was  a  non-detect,  were  excluded 
from the dataset. 
•  The top five major contributors to total TEQs in the NHANES dataset 
Overall 
were 12378-PeCDD, 123678-HxCDD, PCB 126, TCDD, and 23478-
summary of 
PeCDF. On average they accounted for 76% of the total TEQ. 
outcome 
•  Total TEQs were higher in the MI and NZ datasets than in the 
NHANES dataset (58,96 fg/g for MI, 25.5 fg/g for NZ, 19,72 fg7/g for 
NHANES). Part of the difference is however also explained by the 
different age distributions, i.e. for persons >45 of age, NHANES total 
TEQs were lower than in the MI dataset but higher than for the NZ 
dataset. 
•  Average MCR values (including 2.5th percentile and 97.5th percentile) 
were: for NHANES 3.5 (2.2/5.7), for MI 3.6 (1.6/5.1), and for NZ 3.2 
(1.4/4.6). This indicates that for all 3 groups a small number of DLCs 
drives the total TEQ. 
•  MCR showed decreasing trend with increasing total TEQ values. 
Overall more highly exposed people tend to have lower MCR values 
for the MI and NZ dataset, but not for NHANES. 
•  Age and total TEQ are positively correlated. In the NHANES dataset 
two groups of age > or < 45 years can be distinguished with persons 
< 45 years showing generally lower DCL levels and higher MCR 
values. 
•  For  all  three  groups,  the  MCR  values  were  larger  than  in  previous 
Future 
investigations of MCR of different mixtures, indicating a greater need 
perspec-
for  CRA  for  DLCs.  A  single  substance  RA  based  on  the  largest 
tives / 
contributor only would underestimate the total TEQ by a factor of 2-
Outlook 
6. 
•  In the case of occupational or local sources of exposure, the impact 
of performing a CRA compared to single substance RA decreases. 
•  Only 2-5 of the DLCs make significant contribution to the total TEQ. 
It might thus be sufficient to focus the CRA on the 5 highest ranking 
DLCs. 
 
 
 
 
69
 

 
A.8  Cross-sectorial mixtures from consumer product and 
environmental exposure 
ID 
15 
Title 
Combined  exposures  to  anti-androgenic  chemicals:  steps  towards 
cumulative risk assessment (Kortenkamp & Faust, 2010) 
Journal 
International Journal of Andrology 
Authors 
Kortenkamp, A., Faust, M. 
Year 
2010 
Background  There is widespread exposure to anti-androgens. Substances of concern 

include  certain  phthalates,  pesticides  and  chemicals  used  in  cosmetics 
Objectives 
and  personal  care  products.  However,  chemicals  risk  assessment 
normally  does  not  take  account  of  the  effects  of  combined  exposure 
although 

disregard 
for 
combination 
effects 
may 
lead 
to 
underestimations  of  risks.  For  this  reason,  this  work  aims  at  assessing 
the feasibility of conducting cumulative risk assessment, where the focus 
is  on  considering  the  effects  of  exposure  to  multiple  chemicals,  via 
multiple routes and pathways.  
Substances 
Anti-androgenic chemicals: a total of 15 substances including phthalates 
and other chemicals 
Exposure 
Human  exposure  from  all  known  sources  and  by  all  known  routes  and 
Scenario 
pathways 
1.  WHAT  IS  THE  NATURE  OF  EXPOSURE?  ARE  THE  KEY  COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
Exposure  of  human  to  anti-androgenic  chemicals  via  all  kind  of 
to 
exposure. The key components are known. No data on the hazard of 
WHO/IPCS 
the mixture itself.
mixture 
 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
assessment 
Yes. 
framework)  3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
TIME FRAME? 
No information 
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
Phthalates and agents capable of inducing the androgen insufficiency 
syndrome were grouped together.  
Information  • 
Human  exposure  estimates  from  literature  and  publicly  available 
sources 
assessment reports. 
•  Reference doses for anti-androgenicity from literature 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY 
•  Data  were  taken  from  peer-reviewed  literature,  or  from  publicly 
Exposure 
available  reports  of  the  European  Scientific  Committees  and 
Assessment 
international regulatory bodies. 
 
70
 

 
•  A  distinction  was  made  between  median  human  intake  value  and 
intake value for highly exposed population groups. 
•  Only toxicological endpoint with relevance to anti-androgenicity were 
Hazard 
considered 
Assessment  •  Dose describing "point of departure" normally used for RA (NOAELs, 
Benchmark doses) were taken from the peer reviewed literature and 
combined  with  uncertainty  factors  to  derive  acceptable  level  (AL); 
ADI were used when existing and derived from toxicological endpoint 
with relevance to anti-androgenicity 
HRA 
The HI approaches was used:  
-HQ was calculated for each chemical i (HQi=ELi/ALi) 
-HI=ΣHQ 
EL: exposure level 
AL: acceptable level (e.g ADI) 
•  The  cumulative  risks  from  anti-androgen  exposures  exceed 
Overall 
acceptable levels for people on the upper end of exposure levels. The 
summary of 
value  obtained  for  median  exposures  to  the  15  substances  can  be 
outcome 
judged  tolerable  (HI=0.38),  whereas  the  value  obtained  for  highly 
exposed  population  reaches  2.01.  In  this  case,  butyl  paraben  alone 
made up 50% of the HI. 
•  Those  results  suggest  that  combined  exposures  to  anti-androgens 
have  reached  levels  of  concern,  especially  among  highly  exposed 
groups of the population.  
•  The authors suggest that risk reductions can be achieved by limiting 
exposures  to  the  plasticizer  diethyl  hexyl  phthalate,  the  cosmetic 
ingredients  butyl-  and  propyl  paraben,  the  pesticides  vinclozolin, 
prochloraz and procymidone and bisphenol A. 
•  One  assumption  underlying  the  use  of  the  HI  approach  is  that  the 
Future 
joint action of anti-androgens can be approximated by dose-addition; 
perspec-
however  synergism  was  observed  with  a  mixture  of  androgens  with 
tives / 
diverse mode-of-action for particular endpoints; further work should 
Outlook 
be  done  to  know  whether  this  is  a  phenomenon  of  concern  that 
should be taken into account in RA. 
•  The  summing  of  HQs  implies  that  human  population  is  exposed  to 
each  of  the  listed  chemicals  at  the  same  time,  which  might  not  be 
very likely, especially in the high-intake scenario. Information about 
the  co-occurrence  of  several  chemicals  in  one  and  the  same 
individual would be needed. 
•  Significant  knowledge  gaps  exist  that  prevent  from  arriving  at 
definitive conclusions, i.e the absence  of appropriate in vivo toxicity 
data about large numbers of in vitro androgen receptor antagonists. 
This assessment was restricted to chemicals where information about 
in  vivo  anti-androgenic  effects  was  available,  however  many  more 
substances  with  known  human  exposure  are  likely  to  contribute  to 
cumulative anti-androgenic risks.  
•  At this stage, too little is known about correlations between in vitro 
AR anti-agonists and their ability to induce disruption of male sexual 
differentiation in vivo to make meaningful extrapolations 
•  p,p’-DDE  and  BDE  99  are  highly  lipophilic  and  build  up  in  human 
tissues.  By  using intake  values  to  calculate  HQs  these  accumulating 
effects  are  not  taken  into  consideration,  thus  the  effective  internal 
dose  of  these  substances  may  be  higher  than  suggested  and  the 
resulting  risks  may  have  been  underestimated.  To  deal  with  this 
 
71
 

 
issue,  it  would  be  necessary  to  employ  a  different dose  metric,  and 
to relate intake values for all chemicals to their corresponding tissue 
concentrations.  The  data  necessary  for  such  calculations  are 
currently not available. 
 
 
 
 
72
 

 
ID 
16 
Title 
An application of a decision tree for assessing effects from exposures to 
multiple  substances  to  the  assessment  of  human  and  ecological  effects 
from  combined  exposures  to  chemicals  observed  in  surface  waters  and 
wastes water effluents 
Journal 
Environmental Sciences Europe  
Authors 
Paul Price, Xianglu Han, Marion Junghans, Petra Kunz, Chris Watts, Dean 
Leverett 
Year 
2012  
Background  In  2010,  Cefic  has  published  a  decision  tree  for  the  RA  of  chemical 

mixture,  based  on  concepts  taken  from  a  number  of  published 
Objectives 
approaches  including  those  developed  by  the  joint  group  of  three  non-
food Scientific Committees to the European Commission (SCs), the World 
Health 
Organisation/International 
program 
on 
Chemical 
Safety 
(WHO/IPCS), and recent publication on new quantitative tools (Maximum 
Cumulative  Ratio,  MCR),  use  of  the  Threshold  of  Toxicological  Concern 
(TTC) in the assessment of risk from combined exposure. 
This  paper  applies  the  CEFIC  decision  tree  to  real  world  examples  of 
exposures  to  multiple  chemicals,  for  both  human  health  and 
environmental risk assessment. 
Substances 
559  mixtures  analysed  for  up  to  222  substances  measured  in  surface 
water samples (362) and effluent samples (197). The samples contained 
detectable levels of 2 to 49 substances, reported from water monitoring 
programmes in Europe, and include a wide range of inorganics, and polar 
and non-polar organic chemicals. 
Exposure 
Exposure via surface water or effluent from wastewater treatment plants 
Scenario 
(WWTPs) 
1.  WHAT  IS  THE  NATURE  OF  EXPOSURE?  ARE  THE  KEY  COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
to 

Exposure  from  surface  water  or  water  effluent.  Key  component 
WHO/IPCS 
known,  according  to  monitoring  data.  No  data  available  on  the 
mixture 
hazard of the mixture itself. 
assessment 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
framework) 
Yes, data are coming from monitoring data 
3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
TIME FRAME? 
Yes, data are coming from monitoring data 
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
No assessment groups 
 
73
 

 
Information  • 
Exposure:  From  monitoring  data  programme  in  Europe.  Include 
sources 
seven  data  sets,  differing  in  the  number  of  compounds  analysed  in 
each samples and the water surveyed. 
•  Reference Values: literature and internet based search. 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY 
•  Similar approach for HRA and ERA 
Exposure 
•  Conservative assumption: 
Assessment 
-  Sampled  surface  water  is  assumed  to  be  used  directly  as  a  water 
 
supply; individuals would be exposed from the consumption of drinking 
water.  
-  A  10-fold  dilution  of  the  effluent  has  been  assumed  before  the  water 
would be used as drinking water. 
- A consumption of 2l per day for a 60 kg adult has been assumed. 
•  It has been assumed that none of the components have non-additive 
Hazard 
interaction 
Assessment 
•  MOA have not been researched therefore an additive models was 
 
used as the default assumption 
HH:  If  the  RVs  were  not  available,  the  Cramer  classes  provided  an 
alternative  source  of  conservative  estimate  of  oral  toxicity  in  order  to 
determine the HI (WHO Tier 0). 
ERA:  RVs available to determine HI (WHO Tier 1). 
HRA  
The HQ/HI approach is used: HQ=Dose/RV; HI=ΣHQ 
 
•  If HI>1 the MCR is determined 
•  For non-detected chemicals (NDs), which might be present at level 
<LOD, two assumptions has been made:  
-NDs=0 
-NDs=LOD/20.5 
ERA 
Similar approach as for Human RA, with HQ=Concentration/RV 
•  For HH effects, 2% of the mixtures were of concern, 98% had a 
Overall 
HI<1. For ERA, 68% of the mixture were of concern with one or 
summary of 
more substance that had an individual HQ>1, 19% of the mixture 
outcome 
had a HI<1, and about 12% were predicted to have toxicity of 
concern that would not have been identified unless a combined 
assessment has been performed (HI>1 but HQ<1). This means that 
the HH effects of the combined measured substances would have 
been sufficiently addressed by chemical-by-chemical approaches and 
had little need for a separate assessment of the combined exposure, 
which is not the case for ERA. 
•  The majority of the toxicity came from one chemical in 44% of the 
case (HH) and 60% of the exposure (ERA). 
•  The tree identified chemicals where data on the MOA would be most 
useful in refining an assessment. 
•  Chemicals with exposure levels exceeding their RVs, which would be 
Future 
subject to a refined chemical-specific RA, were not considered in this 
perspec-
case-study. 
tives 
/  •  The assumption of a 10-fold dilution of the effluents can be wrong 
Outlook 
for small rivers under low-flow condition; in addition, for rivers 
 
74
 

 
receiving multiple discharges the receiving water might already 
contain one or more of the compounds from discharges that occur 
upstream 
 
 
 
 
75
 

 
ID 
17 
Title 
Determining  the  maximum  cumulative  ratios  for  mixtures  observed  in 
ground water wells used as drinking water supplies in the United States  
Journal 
Environmental Research and Public Health  
Authors 
Xianglu Han and Paul Price 
Year 
2011 
Background 
Data from water samples taken from groundwater wells from the public 
& Objectives 
water  system  across  the  USA  1993-2007  were  used.  These  samples 
have  been  analysed  for  a  wide  variety  of  chemicals  including  PPPs, 
VOCs, metals and other inorganics.  
The aim of this study was to further explore the usefulness of the MCR 
(Maximum Cumulative Ratio) and to investigate in detail (1) the pattern 
of  the  MCR  and  its  ranges  when  applied  to  different  types  of 
samples/mixtures,  (2)  to  explore  the  relationship  between  the  MCR, 
number  of  substances  in  a  mixture  (n)  and  HI,  and  (3)  to  detect  the 
impact of non-detects on the MCR values. 
Substances 
Dataset  for  932  samples  of  ground  water  with  measured  compounds 
(number in brackets) being major ions (11), trace elements (23), PPPs 
and  their  metabolites/degradates  (83),  and  VOCs  (85).  Not  all  200 
substances  were  analysed  in  all  samples.  58  of  the  200  substances 
were  never  detected  and  therefore  the  cases  study  focused  on  the 
remaining 142 compounds. 
Samples were excluded from further assessment if any of the 3 highest 
ranking chemicals in mean HQ was not measured (option 1) or if any of 
the  first  6  highest  ranking  chemicals  in  mean  HQ  was  not  measured 
(option  2).  Furthermore  only  mixtures  including  at  least  5  compounds 
measured  were  included  in  the  assessment.  2  options  to  deal  with 
compounds below the LOD were compared. 
Exposure 
Exposure  via  ground  water  used  for  human  consumption  as  drinking 
Scenario 
water without prior treatment as worst case assumption. 
1.  WHAT  IS THE  NATURE  OF  EXPOSURE? ARE THE KEY COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
to 

Exposure from groundwater used as drinking water. Key component 
WHO/IPCS 
known,  according  to  chemical  analysis  data.  No  data  available  on 
mixture 
the hazard of the mixture itself. 
assessment 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
framework) 
Yes. 
3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
TIME FRAME? 
Yes. 
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
 
76
 

 
No assessment groups 
•  Hazard  information  (permitted  doses  PD)  were  taken  from  US 
Information 
EPA, ATSDR databases and other sources. 
sources 
•  Exposure data from USGS groundwater monitoring data set 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY 
•  Assumption: 
Exposure 
Assessment
 
-  groundwater  directly  consumed  as  drinking  water  (i.e.  without  prior 
treatment) 
 
-  drinking  water  consumption  rate  2L/day,  100%  oral  absorption,  body 
weight 60 kg 
•  Chronic RfD (for non-PPPs). For PPPs chronic Population Adjusted 
Hazard 
Doses (PADs) were used, and acute PADs if no chronic PAD was 
Assessment 
available. 
 
•  No MoA and grouping considered 
Concentration addition assumed for all components using HI 
•  The HQ/HI approach is used : HQ=Dose/PD (PD=permitted dose) 
HRA 
 
HI=ΣHQ 
•  If HI>1 the MCR is determined 
•  For non-detected chemicals (NDs), which might be present at level 
<LOD, two assumptions have been made:  
-NDs=0 
-NDs=LOD/20.5 
•  MCR has a negative correlation to HI (i.e. for mixtures with high HI 
Overall 
the effect is driven by fewer compounds). 
summary of 
•  The  effect  of  in-  or  excluding  non-detects  has  a  large  influence  on 
outcome 
MCR  for  mixtures  with  small  HI,  but  little  impact  on  MCR  for 
mixtures with HI>1. 
•  A  positive  correlation  of  MCR  with  the  number  of  analytes  n  was 
shown  for  both  cases  considering  and  not  considering  non-detects. 
E.g.  in  samples  with  5-10  detects  the  MCR  ranged  from  1.0-2.0, 
while in samples with 15-25 detects the MCR range was 1.0-5.0. 
•  The  average  MCR  in  all  samples  was  2.2-3.1,  indicating  that  HI  of 
most mixtures are dominated by just a few chemicals. 
•  MCR  values  decreased  with  increase  in  toxicity  (fewer  compounds 
driving the risk in more toxic mixtures). 
•  The  authors  state  that  the  toxicity  of  environmental  mixtures  is 
Future 
usually dominated by a relatively small number of components, 
perspec-
•  The MCR is a useful tool for screening and ranking on where mixture 
tives / 
effects  need  to  considered  and  where  a  single  substance  RA  might 
Outlook 
be sufficient. 
 
 
 
 
77
 

 
ID 
18 
Title 
Example  Case  study  B:  Tier  0  –  Substances  potentially  detectable  in 
surface water - Annex B  (Meek et al., 2011)  
Journal 
Regulatory Toxicology and Pharmacology 60 S1-S14 
Authors 
Boobis,  Budinsky,  Crofton,  Emry,  Felter,  Mihlan  ,  Mumtaz,  Price, 
Solomon, Zaleski 
Year 
2011 
Background 
Surface  water  represents  a  real-world  example  of  a  complex  mixture. 
& Objectives  Many of the substances present do not have established chronic health 
standards  or  health-based  guidance  values,  indeed,  for  some  of  the 
components there might be little or no information on their toxicity. 
Investigation  of  these  mixtures  using  higher-tier  assessments  would 
require  considerable  resources  and  a  significant  number  of  data.  The 
intent  of  this  case  study  is  to  illustrate  the  potential  utility  of  applying 
the  threshold  of  toxicological  concern  (TTC)  approach  in  a  Tier  0 
assessment  to  prioritize  the  need  for  further  evaluation  of  a  chemical 
mixture. 
Substances 
Data  are  based  on  surface  water  monitoring  data,  but  to  create  an 
example  a  similar  hypothetical  mixture  of  10  compounds  was  created. 
The  10  chemicals  are  form  different  classes  (fragrances,  pesticides, 
surfactants, personal care products, solvents, petrochemicals) 
Exposure 
Human  exposure  via  the  consumption  of  water  is  the  considered 
Scenario 
exposure pathway. 
1.  WHAT IS THE NATURE OF EXPOSURE? ARE THE KEY COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
to 

Data  are  available  from  surface  water  monitoring  but  no  data  on 
WHO/IPCS 
the hazard of the  mixture itself are available. Human exposure  via 
mixture 
the consumption of water is the considered exposure pathway. 
assessment 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
framework) 
Yes. For the purpose of the case study it is assumed to be possible 
via the consumption of surface water as drinking water. 
3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
TIME FRAME? 
Yes.  The  10  substances  used  for  the  case  study  were  detected  in 
the  same  survey.  They  are  therefore  assumed  to  occur 
simultaneously and continuously.  
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 

•  Exposure data available from monitoring of surface water. 
Information 
•  Use of TTC 
 
78
 

 
sources 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY 
•  Assumed that surface water is directly consumed without treatment 
Exposure 
•  Worst  case  by  choosing  exposure  of  children  and  lifetime  chronic 
Assessment 
exposure using maximum detected levels. 
Hazard 
It was assumed for the case example that no data would be available 
Assessment 
and the TTC was applied using ToxTree. 
•  Concentration Addition was assumed using the HI (HI=sum of HQ) 
HRA  
•  Resulting HI was 0.2 
(Tier 0) 
•  Given the conservative choices made to address the uncertainties, 
Overall 
a HI<1 is considered to trigger no need for higher tier analysis.  
summary of 
outcome 

•  This  hypothetical  case  study  demonstrated  the  utility  of  using  the 
Future 
TTC  approach  as  a  Tier  0  assessment  tool  for  chemical  co-
perspec-
exposures.  
tives / 
Outlook 

 
 
 
 
79
 

 
ID 
19 
Title 
Organic  chemicals  jeopardize  the  health  of  freshwater  ecosystems  on 
the continental scale (Malaj et al., 2014) 
Journal 
Proceedings  of  the  National  Academy  of  Sciences  of  the  United  States 
of America 
Authors 
Egina Malaj, Peter C. von der Ohe, Matthias Grote, Ralph Kühne, Cédric 
P. Mondy, Philippe Usseglio-Polatera, Werner Brack, Ralf B. Schäfer 
Year 
2014 
Background 
To investigate new spatial scales in chemical RA and to achieve a RA of 
& Objectives 
organic  chemical  on  the  continental  scale,  including  4000  European 
monitoring sites. 
To  compare  the  chemical  risk  with  the  ecological  status  of  the  site, 
when possible 
Substances 
Organic chemicals. Data are based on surface water monitoring data 
Exposure 
Exposure  of  aquatics  organisms  (fish,  invertebrates,  and  algae, 
Scenario 
represented 
by 
Pimephales 
promelas
Daphnia 
magna
and 
Pseudokirchneriella subcapitata, respectively). 
1.  WHAT IS THE NATURE OF EXPOSURE? ARE THE KEY COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according to 
WHO/IPCS 

Data  are  available  from  surface  water  monitoring  but  no  data  on 
mixture 
the hazard of the mixture itself are available.  
assessment 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
framework) 
Yes, as this is based on monitoring data.  
3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
TIME FRAME? 
Yes, as this is based on monitoring data.    
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
No assessment groups 
•  Exposure  data  available  from  monitoring  of  surface  water 
Information 
(Waterbase dataset of the European Environmental Agency). 
sources 
•  Hazard data collected from database 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY 
•  Measured concentration of 223 chemicals for 4001 sites distributed 
Exposure 
over 91 European river 
Assessment 
•  The  chemical  concentrations  (µg/l)  for  each  monitoring  site  were 
 
reported  as  mean  (Cmean),  and  maximum  (Cmax)  annual  values, 
typically  used  to  characterize  chronic  and  acute  exposure, 
respectively. 
•  Short  term  toxicity  values  were  collected  for  each  chemical  and 
Hazard 
 
80
 

 
Assessment 
each  of  the  three  species:  (P.  promelas  (96  h);  D.  magna  (48  h); 
and  P.  subcapitata  (48–96  h).  In  a  sequential  order,  LC
 
50  values 
were  compiled  by  using  experimental,  predicted,  or  baseline  (from 
the octanol–water partitioning coefficient) toxicity data.  
•  Those toxicity data allowed the calculation of risk threshold for each 
organisms group, defined as:  
1)  Acute  risk  threshold  (ART):  1/10  of  the  LC50  values  for  each  of  the 
three standard test organisms  

 2) Chronic risk threshold (CRT): 1/1,000, 1/100, 
and  1/50  of  the  LC50  values  for  invertebrates,  fish,  and  algae, 
respectively
 
•  Chemical risk (CR): the CR index for each organism group per river 
RA for 
basin was calculated:   
aquatic 
organisms 

CRj,o,b = Nj,o,b/Ntotal,b,  
N  :  number  of  sites  for  which  one  of  the  chemical  concentrations 
exceeded the risk threshold j (ART or CRT)  for each  organism group  o 
within a river basin b, 

 Ntotal: total number of sites within that river basin. 
•  Maps of distribution of the chemical risk (divided into 5 classes from 
low to high CR) in Europe were created.  
•  To compare with the ecological status of the sites another approach 
was used:  
For  each  site  within  a  rivers  basin  for  which  an  ecological  status  was 
available:  
1) Cmax was compared to the ART;  
2) Cmean was compared to the CRT. 
As  concentrations  exceeding  these  thresholds  may  cause  acute  and 
chronic  ecological  effects,  respectively.  Those  sites  were  divided  into 
three classes: 
(i) Chemical concentration  > ART, sites  acutely affected by chemicals;  
(ii) Chemical concentration  > CRT, but <ART, sites chronically affected 
by chemicals; 

(iii) Chemical concentrations < CRT, sites with no or negligible risk from 
chemicals
.  
The  frequency  of  sites  with  high  or  good  ecological  status  was 
calculated per class. 
•  Organic chemicals were likely to exert acute lethal and chronic long-
Overall 
term effects on sensitive fish, invertebrate, or algae species in 14% 
summary of 
and 42% of the sites, respectively. 
outcome 
•  Of  the  223  chemicals  monitored,  pesticides,  tributyltin,  polycyclic 
aromatic  hydrocarbons,  and  brominated  flame  retardants  were  the 
major contributors to the chemical risk (pesticides were responsible 
for 81%, 87% and 96% of the observed exceedances of the ART for 
fish, invertebrates and algae respectively) 
•  The  risk  of  potential  acute  and  chronic  long-term  effects  increased 
with  the  number  of  ecotoxicologically  relevant  chemicals  (ARCs) 
analysed at each site. 
•  As most monitoring programs considered in this study only included 
 
81
 

 
a  subset  of  these  chemicals,  this  assessment  likely  underestimates 
the  actual  risk.  Moreover,  the  results  also  depend  on  monitoring 
practice:  a  dense  monitoring  network  and  the  inclusion  of  most 
ecotoxicologically relevant chemicals trigger a higher risk. 
•  Chemical  risk  strongly  depended  on  the  land  use  in  the  upstream 
catchments of the monitoring sites.  
•  Increasing  chemical  risk  was  associated  with  deterioration  in  the 
quality  status  of  fish  and  invertebrate  communities.  Those  results 
clearly 
indicate 
that 
chemical 
pollution 
is 

large-scale 
environmental problem and requires far-reaching, holistic mitigation 
measures to preserve and restore ecosystem health 
•  There  is  a  theoretical  risk  predicted  based  on  the  exposure 
Future 
concentrations monitored. This risk is increasing with the number of 
perspec-
chemicals,  as  CA  is  the  model  used.  However,  in  this  study  no 
tives / 
mixture  testing  has  been  done  and  therefore  it  is  not  possible  to 
Outlook 
compare the real toxicity with the predicted toxicity. 
•  Those results are probably underestimating the risk for the following 
reason:  
1) The significantly increasing trend of the CR with the number of ARCs 
that were analysed suggested that the acute and chronic risks would be 
higher  if  more  ARCs  were  analysed.  River  basins  with  more  than  15 
ARCs analysed exhibited generally higher chemical risks. 
2)  For  18%  of  the  analysed  chemicals,  in  the  majority  of  cases 
(>50%), the reported LOQ (smallest concentrations that can be reliably 
quantified) values were above the CRT. Thus, analytical measurements 
with higher sensitivity are required. 
3) Whereas  pesticides are designed to acutely affect invertebrates and 
algae,  fish  typically  suffer  from  compounds  affecting  development, 
fitness,  or  reproduction  (e.g.,  by  endocrine  disruptors),  which  are  not 
covered here, but might increase the risk to fish communities 
4) Other considerations could increase  the chemical risk: 
 (i)  chemicals  usually  occur  in  mixtures,  which  might  exhibit  stronger 
combined adverse effects  
(ii) transformation products may be more ecotoxicologically potent than 
their parent compounds 
(iii)  current  monitoring  relies  on  point  grab  water  samples  at  monthly 
or  quarterly  intervals,  which  are  very  likely  to  underestimate  the  real 
maximum concentrations 
For  a  more  realistic  prospective  risk  assessment,  monitoring  programs 
should be designed to measure at least all ARCs, unless there is strong 
evidence  that  a  specific  ARC  is  ecotoxicologically  irrelevant  in  a  basin. 
However,  emerging  chemicals  other  than  those  frequently  monitored 
are  likely  to  be  present  in  ecotoxicologically  relevant  concentrations  in 
water  samples  and  should  be  progressively  identified  and  included  in 
monitoring programs. 
 
 
 
 
82
 

 
ID 
20 
Title 
Should  the  scope  of  human  mixture  risk  assessment  span  legislative  / 
regulatory silos? 
Journal 
Science of the Total Environment 
Authors 
Evans RM, Martin OV, Faust M, Kortenkamp A. 
Year 
2016 
Background 
Based  on  the  fact  that  most  of  current  chemical  legislation  addresses 
& Objectives  potential  risks  based  on  single  substance  assessments,  it  was 
investigated  whether  there  is  a  concern  that  this  approach  is  not 
sufficiently  protective.  The  need  for  a  mixture  risk  assessment  (MRA) 
spanning different regulatory sectors is discussed based on two aspects: 
(1)  evidence  that  combined  effects  have  been  shown  for  chemical 
mixtures containing substances regulated under different legislation and 
(2)  evidence  for  human  co-exposure  to  chemicals  regulated  under 
different legislation. 
One case study example is included to illustrate the potential risk, based 
on data published by Schlumpf et al 2010. 
Substances 
UV  filters,  fragrances,  parabens,  phthalates,  organochlorine  pesticides, 
PDBEs, and PCBs 

Exposure of breast-fed children through human milk  
Exposure 
Scenario 

1.  WHAT  IS  THE  NATURE  OF  EXPOSURE?  ARE  THE  KEY  COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
to 

Exposure  data  from  human  biomonitoring  of  breast  milk.  Range  of 
WHO/IPCS 
POPs and cosmetic product ingredients measured. No measured data 
mixture 
on the hazard of the mixture itself available. 
assessment 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
framework) 
Yes, data from human biomonitoring in human milk. 
3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
TIME FRAME? 
Yes,  co-exposure  of  breast-fed  children  to  chemicals  detected  in 
human milk. 
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
Risk  is  calculated  for  the  whole  range  of  compounds  as  one  group, 
but also for individual subgroups based on chemicals classes. 
•  Exposure  data  from  Schlumpf  et  al  2010  from  mother/child  cohorts 
Information 
where for the first time a large number of POPs and cosmetic product 
sources 
ingredients were measured 
•  Hazard  information:  reference  doses  collected  from  authorities  and 
literature as in Schlumpf et al 2010 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY 
 
83
 

 
•  A  HI  approach  was  used.  Individual  substance  RQ  were  calculated, 
HRA 
HI for different chemical groups and the HI for the whole mixture. 
 
•  HI>1 was identified for several chemical classes (i.e. organochlor 
Overall 
pesticides and PCBs) 
summary of 
•  The overall HI for the whole mixture was 66, indicating a potential 
outcome 
risk. 
•  The different chemical components were mapped on different 
regulations and it is shown that some of them are covered under 
several pieces of legislation and the overall mixtures span a wide 
range of relevant regulatory silos. 
•  There is evidence underlining the co-exposure of humans to 
Future 
substances regulated under different "regulatory silos" and evidence 
perspec-
of combined effects. 
tives / 
•  Several examples are shown of chemicals regulated under different 
Outlook 
legislation that elicit common effects (e.g. (developmental) 
neurotoxicants, substances potentially harmful to the developing 
brain). 
•  Options to address a MRA across regulatory silos are discussed, e.g. 
extending the EFSA pesticide residue cumulative assessment group 
approach to other regulatory sectors. 
 
 
 
 
84
 

 
ID 
21 
Title 
Application of the maximum cumulative ratio (MCR) as a screening tool 
for the evaluation of mixtures in residential indoor air 
Journal 
Science of the Total Environment 
Authors 
Katleen  De  Brouwere,  Christa  Cornelis,  Athanasios  Arvanitis,  Terry 
Brown,  Derrick  Crump,  Paul  Harrison,  Matti  Jantunen,  Paul  Price,  Rudi 
Torfs 
Year 
2014 
Four  datasets  of  residential  indoor  air  exposure  were  used  to  calculate 
Background 
HI and MCR based on chronic inhalation toxicity values. 
& Objectives 
Substances 
Volatile Organic Carbons (VOCs) and NO2 / residential indoor air 
Exposure 
Exposure to mixtures via residential indoor air (volatile organic carbons 
Scenario 
VOCs, and NO2) 
1.  WHAT  IS  THE  NATURE  OF  EXPOSURE?  ARE  THE  KEY  COMPONENTS 
Problem 
KNOWN?  ARE  THERE  DATA  AVAILABLE  ON  THE  HAZARD  OF  THE 
Formulation 
MIXTURE ITSELF? 
(according 
Exposure  via  indoor  air;  composition  not  fully  know,  only  for 
to 
monitored compounds, not data available on whole mixture 
WHO/IPCS 
2.  IS EXPOSURE LIKELY, TAKING INTO ACCOUNT THE CONTEXT? 
mixture 
Yes, considering the time humans spent indoors. 
assessment 
3.  IS  THERE  A  LIKELIHOOD  OF  CO-EXPOSURE  WITHIN  A  RELEVANT 
framework) 
TIME FRAME? 
Yes. 
4.  WHAT  IS  THE  RATIONALE  FOR  CONSIDERING  COMPOUNDS  IN  AN 
ASSESSMENT GROUP? 
No grouping 
•  Reference values retrieved by a structured review 
Information 
•  Indoor air monitoring data from 5 European datasets including 1800 
sources 
records 
MIXTURE ASSESSMENT/METHODOLOGY 
Exposure 
Exposure  from  monitoring  data  measuring  VOCs  and  NO2.  Flemish 
Assessment 
school and home survey, OQAI French home indoor air study, EXPOLIS 
personal sampling and indoor residential air across European cities. 
 
Hazard 
Chronic inhalation RVs for non-cancer endpoints were collected from an 
Assessment 
array of sources (starting from authorities documents). For some data-
poor  substances,  they  were  derived  from  occupational  exposure  limits. 
 
Chronic  inhalation  RVs  could  be  identified  for  44  substances.  Large 
variations  were  found  for  RVs  from  different  agencies  ranging  up  to 
factor 300. 
HRA 
Calculating the HI using air concentrations/inhalation RVs 
Calculating the MCRs 
•  Average MCR was 1.8, with a range from 1 to 5.8. MCR was found to 
Overall 
be  small  compared  to  the  number  of  chemicals  in  the  mixtures, 
 
85
 

 
summary of 
indicating that generally the overall effect was driven by only a few 
outcome 
chemicals. 
•  MCR is significantly declining with increasing HI.  
•  Large majority from Flemish school survey are categorised in the low 
concern group II, while Flemish homes to the concern for combined 
effects group III, and to the single substance concern group I. Most 
of the OQAI data are assigned to single substance concern group I. 
•  Substances  identified  as  biggest  contributors  were  NO2, 
trichloroethylene,  acrolein,  xylenes.  These  were  however,  not 
consistently  measured  in  all  the  studies,  so  comparison  of  datasets 
and overall drivers is difficult. 
•  Study  shows  that  there  are  a  significant  number  of  cases  where 
combined  effects  should  be  considered  further  and  a  chemical-by-
chemical  approach  would  be  insufficient.  However,  the  mixtures 
showing  concern  for  combined  effects  were  not  those  with  the 
highest  HIs.  Highest  HI  values  were  observed  for  samples  where 
single substances were dominating the overall risk. 
•  Personal  measurements  had  generally  a  higher  HI  than  indoor  air 
Future 
measurements.  Average  ratio  for  HI  was  1.5  (range  0.15-19).  The 
perspec-
use  of  indoor  air  versus  personal  monitoring  could  lead  to  some 
tives / 
underestimation. 
Outlook 
•  The choice of the RV had a large impact on the overall results. Using 
minimum RVs instead of the basic RVs moved most samples n to the 
group of single substance of concern I. 
 
 
 
 
86
 

 
 
Europe Direct is a service to help you find answers to your questions about the European Union 
Free phone number (*): 00 800 6 7 8 9 10 11 
(*) Certain mobile telephone operators do not allow access to 00 800 numbers or these calls may be billed. 
 
A great deal of additional information on the European Union is available on the Internet. 
It can be accessed through the Europa server http://europa.eu 
How to obtain EU publications 
 
Our publications are available from EU Bookshop (http://bookshop.europa.eu), 
where you can place an order with the sales agent of your choice. 
 
The Publications Office has a worldwide network of sales agents. 
You can obtain their contact details by sending a fax to (352) 29 29-42758. 
 
 
87
 














 
L
B
-NA-27968-EN-N 
doi:10.2788/272583 
ISBN 978-92-79-59146-4 
 
 
88