沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的研究概況

李永峰， 王秋娟， 張百慧

（東北林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)系，黑龍江哈爾濱150040）

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化已成為全球性的環(huán)境污染問(wèn)題[1]，在外源污染逐漸得到有效控制的條件下，沉積物作為內(nèi)源在一定條件下會(huì)向上覆水體釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，成為湖泊水體的主要污染物[2]，同時(shí)還會(huì)對(duì)藻類和水生生物群落產(chǎn)生不良的影響[3]。因此制定一個(gè)沉積物環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷不同污染程度的沉積物對(duì)上覆水和底棲生物產(chǎn)生的影響是治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的科學(xué)依據(jù)和治理湖泊污染的有效手段。國(guó)外從20世紀(jì)80年代后期就開始系統(tǒng)的研究水體沉積物環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，而目前，我國(guó)對(duì)這方面的研究還處于初級(jí)階段[4]。因此急需制定一個(gè)符合我國(guó)國(guó)情的湖泊沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)以進(jìn)一步分析湖泊底泥的污染程度、沉積物對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化所產(chǎn)生的作用，從而有效的保護(hù)水環(huán)境質(zhì)量和水生態(tài)系統(tǒng)的健康，為治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 目前主要的水體沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的建立方法

沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)是指特定化學(xué)物質(zhì)在沉積物中的實(shí)際允許數(shù)值，可以指示沉積物污染程度和分布特征，是沉積物分析與研究的基本點(diǎn)[5]。沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)是對(duì)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)，它既可以彌補(bǔ)水質(zhì)基準(zhǔn)的不足，又能為不同濃度的污染物所帶來(lái)的生物效應(yīng)提供理論基礎(chǔ)。國(guó)外研究者提出了十余種沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的建立方法，已得到廣泛接受的方法有：大量的沉積物毒性方法、背景值法、相平衡分配法、沉積物質(zhì)量三元法、表觀效應(yīng)閾值法、示蹤沉積物毒性法等。這些方法大體可分為兩類，即基于污染物在沉積物中的平衡分配關(guān)系建立的基準(zhǔn)和基于污染物生物效應(yīng)建立的基準(zhǔn)[6]。前者利用了基于廣泛生物實(shí)驗(yàn)的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，間接考慮了污染物的生物有效性，忽略了除間隙水以外的其它暴露途徑，因而影響到基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和可靠性。后者則基于沉積物中污染物的生物效應(yīng)，融合了廣泛多樣的生物效應(yīng)數(shù)據(jù)，但需要大量的生物有效性數(shù)據(jù)且不能明確污染物的生物有效性，以及污染物-生物效應(yīng)間的因果關(guān)系[7]。

1.1 背景值法

未受人類污染影響的土壤自身的化學(xué)元素和化合物的含量，稱為土壤的背景值[8]。土壤背景值是一個(gè)相對(duì)的概念，“零污染”土壤樣本是不存在的。背景值法是環(huán)境評(píng)價(jià)中應(yīng)用的基本方法，它根據(jù)沉積物中的背景值或參考值，監(jiān)測(cè)某種污染物質(zhì)相對(duì)于該背景值的顯著變化。

在實(shí)際研究中，可通過(guò)兩種簡(jiǎn)單的方法獲得背景值：（1）尋找與所研究的沉積物性質(zhì)相似、生成條件相近的相對(duì)未污染樣品，分析其中化學(xué)物質(zhì)的含量[9]，如頁(yè)巖、古湖沉積物；（2）遠(yuǎn)離人類活動(dòng)的地區(qū)現(xiàn)代湖泊沉積物等沉積物相應(yīng)于工業(yè)化前年代的深度上化學(xué)物質(zhì)的含量。用背景值來(lái)作為基準(zhǔn)，是在缺少不同沉積物中污染物濃度下的生物效應(yīng)數(shù)據(jù)的條件下所得到的沉積物污染的一個(gè)基準(zhǔn)。該方法受人為主觀影響定置標(biāo)準(zhǔn)，在缺乏客觀生物數(shù)據(jù)或絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值的情況下，不能顯示出生物所受的影響，地區(qū)差異較大而且禁止任何自然情況下的化學(xué)物質(zhì)的增加，因此只可作為參考[10]。

1.2 相平衡分配法

相平衡分配法（EqP）由美國(guó)環(huán)保局(USEPA)1985年提出并將其作為推薦方法之一，是數(shù)值型的沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的典型代表，它以熱力學(xué)平衡分配理論為基礎(chǔ)，著力于預(yù)測(cè)沉積物、間隙水（沉淀物之間的水）和污染物之間的化學(xué)相互作用。根據(jù)毒性物質(zhì)所產(chǎn)生的生物效應(yīng)，來(lái)預(yù)測(cè)間隙水中不同的污染物濃度。該方法主要用來(lái)保護(hù)底棲生物，適用于逐類化學(xué)污染物[11]。EqP沉淀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是在一個(gè)污染物濃度和生物效應(yīng)之間建立一種直接的因果關(guān)系的方法。由于該方法具有可靠的理論基礎(chǔ)，在我國(guó)也引起了環(huán)境工作者的重視，在利用相平衡分配法評(píng)價(jià)河流和海洋沉積物金屬污染研究中取得了一些成果[12]。因此該方法被較為廣泛的應(yīng)用于沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的建立。

相平衡分配法建立在3個(gè)重要的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上[13]：①化學(xué)物質(zhì)在沉積物/間隙水相間的交換快速而可逆，處于熱力學(xué)的平衡，因而可用相平衡分配系數(shù)(Kp)描述這種平衡；②沉積物中化學(xué)物質(zhì)的生物有效性與間隙水中該物質(zhì)的游離濃度(非絡(luò)合態(tài)的活性濃度)呈良好的相關(guān)性，而與總濃度不相關(guān)；③底棲生物與上覆水生物具有相近的敏感性，因而可將水質(zhì)基準(zhǔn)應(yīng)用于沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)中。根據(jù)相平衡分配法的基本理論，當(dāng)水體中某污染物濃度達(dá)到水質(zhì)基準(zhǔn)時(shí)，沉積物中該污染物的濃度即為其SQG值[14]：

其中：Kp為污染物在表層沉積物固相/水相間的相平衡分配系數(shù)，建立沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的關(guān)鍵在于的確定，對(duì)于不同的物質(zhì)Kp也不同，WQC為水質(zhì)基準(zhǔn)。

1.3 沉積物質(zhì)量三元法

該方法提出于20世紀(jì)80年代中期[15]。沉積物質(zhì)量三元法對(duì)于描述沉積物質(zhì)量是一種基于生物響應(yīng)的方法，是生物響應(yīng)性沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的首選方法。他通常采用沉積物化學(xué)、沉積物毒性和底棲生物群落三個(gè)步驟，三個(gè)部分提供了相互補(bǔ)充的數(shù)據(jù)，沉積物化學(xué)提供關(guān)于污染物的信息但不提供對(duì)生物的影響。沉積物生物鑒定提供沉積物毒性的對(duì)于生物生長(zhǎng)的直接證據(jù)，測(cè)定的生物效應(yīng)包括魚貝類死亡率、呼吸變異、發(fā)育異常、致畸、致變、細(xì)菌毒理學(xué)指標(biāo)等。但是，實(shí)驗(yàn)室條件下，生物監(jiān)測(cè)不能確切的反映暴露在有毒化學(xué)品下的現(xiàn)場(chǎng)情況，因此在實(shí)驗(yàn)室條件下應(yīng)同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)生物測(cè)試。沉積物質(zhì)量三元法的三個(gè)組成部分將化學(xué)和生物反映數(shù)據(jù)組合起來(lái)。再通過(guò)與背景區(qū)域的對(duì)比來(lái)確定沉積物中污染物的濃度。這種組合方法既是描述性又是數(shù)字性的。他通常用來(lái)描述沉積物質(zhì)，也用于生成具體的沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)他們還提供了最有力的證據(jù)確定污染引起的環(huán)境退化。

沉積物質(zhì)量三元法也可以用來(lái)滿足下列目標(biāo):確定沉積物污染地區(qū)的污染問(wèn)題引起的環(huán)境退化的發(fā)生;要優(yōu)先考慮退化地區(qū)及其對(duì)環(huán)境具有重要意義;預(yù)測(cè)可能會(huì)發(fā)生的環(huán)境退化現(xiàn)象。

1.4 表觀效應(yīng)閾值法

表觀效應(yīng)閾值法最早由Barrick等提出，該方法與沉積物質(zhì)量三元法相似，不同的是沉積物質(zhì)量三元法的化學(xué)和生物資料來(lái)自同一地理區(qū)域即可，但表觀效應(yīng)閾值法要求化學(xué)、生物和沉積物生物毒性測(cè)試必須按站位同步進(jìn)行。表觀效應(yīng)閾值法應(yīng)用相關(guān)的生物和沉積物化學(xué)數(shù)據(jù)，評(píng)估相關(guān)的污染物在沉積物中的濃度，當(dāng)沉積物中污染物超過(guò)某一特定濃度時(shí)認(rèn)為他會(huì)對(duì)環(huán)境中的生物產(chǎn)生不良影響。根據(jù)特定的地理區(qū)域的AET值的發(fā)展，它們可以用來(lái)預(yù)測(cè)在毒性化合物濃度已知的情況下是否會(huì)發(fā)生預(yù)期的生物效應(yīng)。

將污染物濃度高低排列，生物不受影響的最高污染物濃度即為表觀效應(yīng)閾值。初步基于AET值，在許多方法中深層次的方案是確定兩個(gè)沉積物質(zhì)量值:第一組值是確定產(chǎn)生生物效應(yīng)的最低濃度。第二組值是確定產(chǎn)生生物反應(yīng)的較高的化學(xué)品濃度。這兩個(gè)濃度范圍是對(duì)于在不同的化學(xué)品濃度下生物生長(zhǎng)的“安全的”和“溫和的”化學(xué)品濃度。

表觀效應(yīng)閾值法的可靠性和客觀性均較高，可以建立不同沉積物類型和不同化學(xué)物的質(zhì)量值。表觀效應(yīng)閾值法的主要缺點(diǎn)也是要求資料太多，同時(shí)，不能獲得特定污染物的劑量一響應(yīng)關(guān)系，也不能確定沉積物中污染物之間的復(fù)合效應(yīng)[16]。

1.5 示蹤沉積物毒性法

該方法是把某一種(或一種以上)已知成分的化學(xué)混合物或污染物直接加入至“清潔”沉積物中，并將某種受試生物暴露于其中，示蹤沉積物毒性法與水質(zhì)基準(zhǔn)的建立方法是一樣的，能明確地給出污染物劑量與受試生物效應(yīng)之間關(guān)系，也能精確地闡明沉積物中污染物的復(fù)合效應(yīng)，是一種理想的制訂沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的方法。

2 各種沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)建立方法的比較

由于研究背景、研究方法和所要達(dá)到的目標(biāo)不同，每一種沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的建立方法都有其適用性和局限性，因此每種單獨(dú)的方法還不能建立一套被普遍認(rèn)可的沉積物物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)。由此可看出對(duì)于針對(duì)不同條件的沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的建立方法的客觀的分析和評(píng)價(jià)對(duì)于探索和建立適合我國(guó)水質(zhì)和沉積物特點(diǎn)的沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)具有特殊重要的意義?？偨Y(jié)各種方法可以看出，現(xiàn)有的方法都在于保護(hù)水生生物為目的，以不同的污染物濃度對(duì)應(yīng)不同的生物反應(yīng)所得到的生物效應(yīng)數(shù)據(jù)為依據(jù)來(lái)建立沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的。于此同時(shí)，除背景值法和相平衡分配法外，其他各個(gè)基準(zhǔn)的建立方法都需要與大量的生物效應(yīng)數(shù)據(jù)來(lái)結(jié)合建立各種基準(zhǔn)，各種沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)的建立方法的具體比較結(jié)果見下表1、2。

表1 沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)建立方法的對(duì)比Table 1 Comparison ofestablishment methods ofsediment qualityguidelines

表2 沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的建立方法及其特性概括Table 2 Establishment methods ofsediment qualityguidelines and their characteristics

制定沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)具有重大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境價(jià)值，是指示沉積物污染程度和分布特征的主要依據(jù)[17]。對(duì)比分析各種沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的制定方法的優(yōu)點(diǎn)及其局限性，發(fā)現(xiàn)各個(gè)方法所得出的結(jié)果差異性較大，以至于難以建立起普遍意義的沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)，主要是因?yàn)楦鱾€(gè)沉積物標(biāo)準(zhǔn)制定方法由于其保護(hù)的目標(biāo)和保護(hù)的程度差異性較大，因此在篩選主要的控制因子和生物有效性數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生差距，同時(shí)各個(gè)湖區(qū)的沉積物理化性質(zhì)和污染程度的出差異也導(dǎo)致各個(gè)評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異。

在建立沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)時(shí)應(yīng)考慮各種沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)建立方法聯(lián)合建立一個(gè)基準(zhǔn)，僅靠其中一種沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)很難來(lái)建立一致的基準(zhǔn)。而且大量的生物有效性數(shù)據(jù)的缺乏導(dǎo)致了所建立的各種方法所建立的基準(zhǔn)與生物的相關(guān)性較差。因此，本研究中各種沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)建立方法所建立基準(zhǔn)中最推薦的方法為吸附-解吸平衡法與背景值法連用，通過(guò)此方法了解沉積物的污染程度及其分布特征，可作為制定底泥疏浚規(guī)劃提供理論工具。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)幾種常用的沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)建立方法的比較，分析指出其局限性和適用性，指出在建立沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)時(shí)應(yīng)考慮各種沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)建立方法聯(lián)合建立一個(gè)適合我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基準(zhǔn)。本文主要從生物有效性數(shù)據(jù)缺失的角度分析推薦吸附-解吸平衡法與背景值法連用來(lái)建立沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)。

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