珠江流域部分水源地多環(huán)芳烴污染物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

劉 珩 李建民 劉昕宇

（珠江流域水資源保護(hù)局，廣東 廣州 510611）

多環(huán)芳烴（PAHs）是由礦物燃料(如：煤、石油、天然氣等)、木材、紙以及其它含碳?xì)浠衔锏牟煌耆紵蛟谶€原氣氛下熱解形成的，通過(guò)環(huán)境介質(zhì)(大氣、水、生物體等)能夠長(zhǎng)距離遷移并長(zhǎng)期存在于環(huán)境中，進(jìn)而對(duì)人類健康和環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重危害，因此，PAHs引起了人們極大的重視[1]。有研究表明，作為優(yōu)先控制污染物的16種PAHs，在我國(guó)環(huán)境介質(zhì)中廣泛存在，其中自然水體中更是普遍遭受PAHs的威脅，其中部分水體污染嚴(yán)重[2]。

此項(xiàng)研究以珠江流域部分水源地水體為研究對(duì)象，采用自動(dòng)固相萃取-氣相色譜/質(zhì)譜技術(shù)測(cè)定其 PAHs的含量水平及組成特征，并且利用物種敏感性分布（Species Sensitivity Distributions，SSD）與效應(yīng)外推技術(shù)這些生態(tài)評(píng)價(jià)方法[3]探討了水體中 PAHs對(duì)水生生物的潛在生態(tài)毒性危害，以期為珠江流域水環(huán)境中持久性有機(jī)污染物的危害評(píng)估與監(jiān)督管理提供新的思路與辦法。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

水源地主要包含在海南、廣東和廣西3個(gè)省區(qū)內(nèi)的9個(gè)區(qū)域。采集水樣時(shí)將采樣器瓶口浸入距水面 0.1m左右，自然盛滿后，立即加入 NaN3（0.5 g·L-1）以抑制微生物作用，再用磨口塞塞緊，用錫箔紙封口。運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室在 4℃保存，24h內(nèi)用0.7μm玻璃纖維濾膜過(guò)濾。

1.2 樣品預(yù)處理

取已過(guò)濾水樣 1 L，加入一定濃度回收率指示物萘-d8、二氫苊-d10、菲-d10、屈-d12、苝-d12，用 6mol·L-1的鹽酸調(diào)節(jié)pH小于2，加入1%的甲醇溶液混勻，經(jīng)C18小柱富集。設(shè)定ASPE-799固相萃取儀對(duì)水樣的全自動(dòng)處理流程如下：依次用5mL二氯甲烷、5mL丙酮、10mL甲醇和10mL超純水活化C18固相萃取小柱。以10mL·min-1的流速，富集完成后用氮?dú)飧稍铮ㄍ瑫r(shí)抽真空）固相萃取柱時(shí)間45min，之后用3mL丙酮和3mL二氯甲烷洗脫固相萃取柱中的目標(biāo)物于濃縮管中，最后用氮?dú)鉂饪s洗脫液至約0.5mL，加入100μL內(nèi)標(biāo)六甲基苯并用乙酸乙酯定容至1mL，搖勻轉(zhuǎn)移至GC-MSD分析。

GC-MSD分析條件：Agilent 7890-5975C，DB-5MS色譜柱（325℃，30m×250μm×0.25μm）；采用無(wú)分流進(jìn)樣，進(jìn)樣量1μL；載氣為高純氮?dú)?；進(jìn)樣口溫度 280℃；檢測(cè)器溫度 290℃；采用程序升溫，初始溫度 50℃，保持 4min，以 8℃·min-1升至300℃，保持5min。全掃描（定性）和選擇離子（定量）模式同時(shí)采集，全掃描質(zhì)量范圍為 45.0～550.0，其中選擇離子掃描的特征離子詳見(jiàn)表1[4,5]。

1.3 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

采用水樣加標(biāo)回收試驗(yàn)，驗(yàn)證方法靈敏度和精密度。在超純水中添加多環(huán)芳烴混合標(biāo)準(zhǔn)品，添加水平為0.1μg·L-1，6次平行測(cè)定后回收率水平在81.6%～100.3%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.71%～13.3%，檢出限為 0.04～9.37 ng·L-1，具有較好的準(zhǔn)確度和精密度。

1.4 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

1.4.1 SSD法

目前，廣泛用于前瞻性生態(tài)毒理學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（EQS）的制定方法的是物種敏感度分布SSD法（Species Sensitivity Distributions），它被被列于歐盟風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則（TGD，Technical Guidance Document on risk assessment)的標(biāo)準(zhǔn)方法內(nèi)，并被美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）推薦用于水生生物物種保護(hù)[6]。

利用SSDs方法評(píng)價(jià)污染物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的步驟是：1)毒理數(shù)據(jù)的獲取與處理；2) 運(yùn)用模型進(jìn)行 SSD曲線擬合；3)5%危害濃度 HC5（Hazardous Concentration for 5% of species）與預(yù)測(cè)無(wú)效應(yīng)濃度（PNEC，predicted no-effect concentration）的推算；4)計(jì)算多種污染物累積潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響并評(píng)估污染物的聯(lián)合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[7]。

毒理數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換后，進(jìn)行參數(shù)擬合即可得到SSD曲線。SSD參數(shù)擬合形式包括Log-normal、Log-logistic和BurrⅢ等類型。由于BurrⅢ型擬合曲線的分布函數(shù)形式較靈活，對(duì)物種敏感性數(shù)據(jù)擬合特性相對(duì)其他幾種擬合曲線較好[9]，因此，本研究使用BurrⅢ型分布構(gòu)建SSD曲線。

BurrⅢ型參數(shù)擬合方程為：

式中，x 為環(huán)境濃度（μg·L-1），b、c、k為函數(shù)的3個(gè)參數(shù)（下同）。

當(dāng)k 趨于無(wú)窮大時(shí)，BurrIII分布模型可變化為ReWeibull分布方程：

當(dāng)c趨于無(wú)窮大時(shí)，則變化為RePareto分布方程：

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng) k值大于 100時(shí)，則應(yīng)用ReWeibull分布函數(shù)進(jìn)行擬合；當(dāng)c值大于80時(shí)使用 RePareto分布。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織 CSIRO（Australia’s Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization）提供了該方法的說(shuō)明以及相關(guān)的計(jì)算軟件 BurrliOZ（CSIRO,2008）。

SSD曲線被用于確定一個(gè)可以保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)中絕大部分生物物種的污染物濃度水平，一般使用5%累積概率的污染物濃度(HC5)；在 SSD擬合曲線上5%累積概率對(duì)應(yīng)的污染物濃度即為HC5[11]。

BurrIII分布模型計(jì)算HC(q)的方程為：

環(huán)境預(yù)測(cè)無(wú)效應(yīng)濃度（PNEC，predicted no-effect concentration）的計(jì)算采用SSD曲線5%概率所對(duì)應(yīng)的濃度（HC5）除以評(píng)價(jià)因子（assessment factor，AF）推導(dǎo)，如式（5）所示。

其中，AF值取5[12]。

1.4.2 效應(yīng)外推

由于16種美國(guó)EPA優(yōu)控PAHs中尚有部分污染物由于沒(méi)有足夠可用的水生生物暴露-反應(yīng)數(shù)據(jù)，比如苯并[a]蒽、苊烯、屈、苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽、茚并[1,2,3-cd]芘、熒蒽、二苯并[a,h]蒽、苯并[ghi]苝，它們的預(yù)期毒性效應(yīng)水平是用評(píng)價(jià)因子（AF）法來(lái)推導(dǎo)PNEC，它是用一個(gè)實(shí)驗(yàn)終點(diǎn)數(shù)值與評(píng)價(jià)因子相除得到的，這些因子的采用源于歐盟風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)指南（EC，2003）。

表2 用于推導(dǎo)設(shè)定環(huán)境暴露水平評(píng)價(jià)因子的取值

表3 珠江部分水源地水體中PAHs的含量特征

1.4.3 多種污染物累積潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

根據(jù)污染物對(duì)生物毒性作用機(jī)制相同或不同，可分別采用濃度加和或效應(yīng)加和模型。然后將得到風(fēng)險(xiǎn)商（risk quotient，RQ）與1進(jìn)行比較，若RQ＜1則表示污染物風(fēng)險(xiǎn)較低，若RQ≥1則表示污染物對(duì)水環(huán)境生物存在高風(fēng)險(xiǎn)，且RQ值越大風(fēng)險(xiǎn)越高。

對(duì)于水體中同時(shí)存在的污染物，將具有相同作用機(jī)制的符合濃度加和模型的混合物以危害指數(shù)（hazard index，HI）表征其風(fēng)險(xiǎn)[10]，如式（6）：

式中，Eli為組分i的暴露水平；Ali為組分i的環(huán)境可接受水平，混合風(fēng)險(xiǎn)商即為各單污染物組分風(fēng)險(xiǎn)商之和。

2 結(jié)果與討論

2.1 PAHs的含量與分布

此項(xiàng)研究檢測(cè)水體中共 16種美國(guó) EPA優(yōu)控PAHs（表 2），其含量（∑PAHs）在 ND～12.93 ng·L-1之間（算術(shù)平均值為 0.81ng·L-1）。從珠江部分水源地地表水PAHs組成來(lái)看（圖1），主要以低環(huán)化合物為主，其中3環(huán)PAHs豐度最高，為70.8%；其次 為4 環(huán)，為11.8 %，5環(huán)和6環(huán)PAHs豐度相差不大，分別為 8.51%和 8.86%。最高濃度出現(xiàn)在邕江水源地，該點(diǎn)距中心城區(qū)較近，人類活動(dòng)頻繁。因此，大量生活污水與工業(yè)廢水的輸入是該點(diǎn)PAHs濃度陡增的主要原因。

2.2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

2.2.1 SSDs法擬合結(jié)果

通過(guò)BurrliOZ軟件得到SSDs擬合參數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。在實(shí)際計(jì)算中，通過(guò)BurrliOZ軟件對(duì)參數(shù)所處不同范圍選擇不同的分布曲線擬合。

8種PAHs對(duì)不同類別生物的HC5值見(jiàn)表5。

圖1 珠江部分水源地不同采樣點(diǎn)地表水PAHs濃度分布

在分析不同類型污染物對(duì)同一種淡水生物以及同一種污染物對(duì)不同淡水生物的毒性效應(yīng)時(shí)；如HC5值越小，則毒性效應(yīng)越大。通過(guò)對(duì)各污染物HC5的對(duì)比，可以得到8種PAHs的毒性效應(yīng)順序?yàn)椋簩?duì)全部物種，苯并[a]芘＞蒽＞熒蒽＞菲＞芘＞苊＞萘＞芴；對(duì)脊椎動(dòng)物（魚(yú)和兩棲動(dòng)物），苯并[a]芘＞蒽＞熒蒽＞菲＞芘＞萘＞苊；對(duì)無(wú)脊椎動(dòng)物（包括甲殼類、昆蟲(chóng)蜘蛛類、軟體動(dòng)物、蠕蟲(chóng)以及其他無(wú)脊椎動(dòng)物），苯并[a]芘＞熒蒽＞蒽＞芘＞菲＞苊＞萘＞芴。其中脊椎動(dòng)物的HC5值明顯高于無(wú)脊椎動(dòng)物，表明 8種PAHs對(duì)無(wú)脊椎動(dòng)物的毒性效應(yīng)明顯高于脊椎動(dòng)物，這也與隨自然界食物鏈營(yíng)養(yǎng)級(jí)增高，富集作用更加明顯，耐受能力更強(qiáng)的理論相符合。而 8種 PAHs中，顯然苯并[a]芘的毒性是最強(qiáng)的，它對(duì)淡水生物的HC5值比毒性較弱的萘和芴低2個(gè)數(shù)量級(jí)。

其次，我們通過(guò)對(duì)比急性與慢性數(shù)據(jù)的分析結(jié)果[7,8]可以發(fā)現(xiàn)采用急性數(shù)據(jù)得到的結(jié)果明顯高于慢性數(shù)據(jù)，這表明急性數(shù)據(jù)雖然相對(duì)容易得到，但它容易低估PAHs的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

表4 利用BurrliOZ對(duì)SSD擬合參數(shù)的計(jì)算結(jié)果

2.2.2 效應(yīng)外推

評(píng)價(jià)因子選取后，得到的8種PAHs對(duì)淡水生物的預(yù)測(cè)無(wú)效應(yīng)預(yù)測(cè)無(wú)效應(yīng)濃度值見(jiàn)表6。

2.2.3 珠江部分水源地水體中PAHs的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

由于研究表明PAHs的致毒機(jī)理為PAHs進(jìn)入機(jī)體經(jīng)代謝活化后生成有毒的中間產(chǎn)物，這些中間產(chǎn)物都將不可逆地?fù)p傷細(xì)胞的大分子物質(zhì)(如DNA，蛋白質(zhì)、脂質(zhì))，符合濃度加和模型，故采用式（6）計(jì)算珠江部分水源地水體中各 PAHs累積潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其中暴露水平以MEC表示，取值為表3中各PAHs平均值，具體結(jié)果見(jiàn)表7。

由表7可以看出，在珠江部分水源地水域全部物種中各PAHs危害指數(shù)：茚并（1,2,3-cd）芘＞二苯并（a,h）蒽＞苯并[a]蒽＞苯并[a]芘＞苊烯＞蒽＞菲＞芘＞芴，表明該水域茚并（1,2,3-cd）芘是HI貢獻(xiàn)最高的污染物，應(yīng)為此水域優(yōu)先控制污染物。就整體來(lái)看，珠江部分水源地流域污染物風(fēng)險(xiǎn)較低（RQ=0.944）。

表5 8種PAHs對(duì)淡水生物的HC5值(μg·L-1)

表6 8種PAHs對(duì)淡水生物的預(yù)測(cè)無(wú)效應(yīng)預(yù)測(cè)無(wú)效應(yīng)濃度值(μg·L-1)

表7 珠江部分水源地水體PAHs含量及其對(duì)淡水生物的影響

2.2.4 不同水體多環(huán)芳烴的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響比較

珠江部分水源地與國(guó)內(nèi)的灤河、高屏溪、通惠河等[13～15]不同水體相比，部分水源地與灤河同屬于污染較輕的低風(fēng)險(xiǎn)水體；而高屏溪、通惠河的RQ值≥1，PAHs類污染物對(duì)水環(huán)境生物存在較高風(fēng)險(xiǎn)。高屏溪和通惠河的∑PAHs分別為 430 ng·L-1和 762.343 ng·L-1，通惠河的PAHs總量高于高屏溪，但RQ(通惠河)＜RQ(高屏溪)，主要為高危害指數(shù)的苯并[a]芘類化合物濃度較高?？傮w來(lái)說(shuō)，珠江部分水源地水域水體存在一定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，但與其他水域相比，珠江部分水源地還是屬于污染較輕的低風(fēng)險(xiǎn)水體。

3 結(jié) 論

（1）水源地水體中∑PAHs含量在 N.D.～12.93ng·L-1之間，算術(shù)平均值為0.81ng·L-1；且主要以低環(huán)化合物為主，其中 3～4環(huán) PAHs占∑PAHs的90.4%。與國(guó)內(nèi)外其他水體相比，屬于輕度污染。

（2）通過(guò)SSD曲線擬合及效應(yīng)外推得到的HC5值，可以分析不同污染物對(duì)同一類別淡水生物以及同一污染物對(duì)不同類別淡水生物的生態(tài)毒性效應(yīng)；且HC5值越小，則生態(tài)毒性效應(yīng)越大。通過(guò)對(duì)8種PAHs的HC5值對(duì)比，表明PAHs對(duì)無(wú)脊椎動(dòng)物的毒性明顯高于脊椎動(dòng)物。

（3）對(duì)珠江部分水源地水體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果顯示，就整體來(lái)看珠江部分水源地流域污染物風(fēng)險(xiǎn)較低，但對(duì)水環(huán)境中無(wú)脊椎動(dòng)物而言，仍存在風(fēng)險(xiǎn)，且主要貢獻(xiàn)來(lái)自于茚并（1,2,3-cd）芘。

（4）SSD物種敏感性分布曲線與生態(tài)效應(yīng)外推技術(shù)在已被廣泛應(yīng)用于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制定，今后在我國(guó)它也將會(huì)有比較廣闊的應(yīng)用前景。

[1] Wang Y L,Xia Z H,Liu D,et al.Multimedia fate and source apportionment of polycyclic aromatic hydrocarbons in a coking industry city in Northern China[J]. Environmental Pollution, 2013,181: 115-121.

[2] 程家麗,黃啟飛,魏世強(qiáng),等.我國(guó)環(huán)境介質(zhì)中多環(huán)芳烴的分布及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2007,1(4):138-143.

[3] Guo G H,Wu F C,He H P,et al.Distribution characteristics and ecological risk assessment of PAHs in surface waters of China[J].Science China-Earch Sciences, 2012, 55(6):914-925.

[4] 中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部.GB/T5750-8-2006.生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法—有機(jī)物指標(biāo)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[5] Jesenska S,Nemethova S,Blaha L.Validation of the species sensitivity distribution in retrospective risk assessment of herbicides at the river basin scale—the Scheldt river basin case study[J]. Environmental Science Pollution Research, 2013,20:6070-6084.

[6] 劉 良,顏小品,王 印,等.應(yīng)用物種敏感性分布評(píng)估多環(huán)芳烴對(duì)淡水生物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[J].生態(tài)毒理學(xué)報(bào),2009,4(5):647-654.

[7]maltby L,Brock T Cm, Van den Brink P J. Fungicide risk assessment for aquatic ecosystems: Importance of interspecific variation, toxicmode of action, and exposure regime[J].Environmental Science & Technology, 2009, 43(19): 7556-7563.

[8] 蔣丹烈,胡霞林,尹大強(qiáng).應(yīng)用物種敏感性分布法對(duì)太湖沉積物中多環(huán)芳烴的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析[J].生態(tài)毒理學(xué)報(bào),2011,6(1):60-66.

[9] 徐瑞祥,陳亞華.應(yīng)用物種敏感性分布評(píng)估有機(jī)磷農(nóng)藥對(duì)淡水生物的急性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[J].湖泊科學(xué),2012,24(6):811-821.

[10] 應(yīng)光國(guó),彭平安,趙建亮,等.流域化學(xué)品生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[M].北京:科學(xué)出版社,2012: 20-22.

[11] Li G C, Xia X H, Yang Z F. Distribution and sources of polycyclic aromatic hydrocarbons in themiddle and lower reaches of the Yellow River, China[J]. Environmental Pollution,2006, 144: 985-993.

[12] Feng C L, Xia X H, Shen Z Y, et al. Distribution and sources of polycyclic aromatic hydrocarbons in Wuhan section of the Yangtze River, China[J]. Environmonit Assess, 2007, 133:447-458.

[13] 曹治國(guó),劉靜玲,欒 蕓,等.灤河流域多環(huán)芳烴的污染特征、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與來(lái)源辨析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(2):246-253.

[14] Zhang S Y, Zhang Q, Shameka D, et al. Simultaneous quantification of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs),polychlorinated biphenyls(PCBs), and pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) inmississippi river water, in New Orleans, Louisiana, USA [J]. Chemosphere, 2007,66:1057-1069.

[15] Fernandesm B, Sicrem A, Boireau A, et al. Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAHs) distributions in the Seine River and its estuary[J].marine Pollution Bulletin,1997, 34: 857-867.