生物效應(yīng)比(BER)技術(shù)預(yù)測我國水生生物基準(zhǔn)探討

王曉南,閆振廣,劉征濤*,王婉華,張 聰(.中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室,國家環(huán)境保護化學(xué)品生態(tài)效應(yīng)與風(fēng)險評估重點實驗室,北京 000；.中海石油環(huán)保服務(wù)有限公司,天津 30045)

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生物效應(yīng)比(BER)技術(shù)預(yù)測我國水生生物基準(zhǔn)探討

王曉南1,閆振廣1,劉征濤1*,王婉華1,張 聰2(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室,國家環(huán)境保護化學(xué)品生態(tài)效應(yīng)與風(fēng)險評估重點實驗室,北京 100012；2.中海石油環(huán)保服務(wù)有限公司,天津 300452)

摘要：基于中國與美國間生物敏感性的差異,對生物效應(yīng)比(BER)技術(shù)預(yù)測我國水生生物基準(zhǔn)值進行了研究.首先,對中美共有的且急性生物毒性數(shù)據(jù)符合3門8科的污染物進行篩選,然后,依據(jù)兩國物種的敏感性與代表性建立基于不同生物組合的BER技術(shù),最后,對不同生物組合BER技術(shù)預(yù)測水生生物急性基準(zhǔn)值與實測基準(zhǔn)值進行比較與分析,篩選出預(yù)測效果較好的BER技術(shù).結(jié)果表明:共篩選出9個中美共有且毒性數(shù)據(jù)豐富的污染物(As(III)、Cr(VI)、Hg、Cu、Zn、Pb、對硫磷、毒死蜱和三丁基錫),依據(jù)本土生物毒性數(shù)據(jù)推導(dǎo)出該9種污染物的我國水生生物急性基準(zhǔn)值分別為201.72、2.64、0.74、1.32、55.83、92.25、0.12、0.36和0.38μg/L.此外,在對7種生物組合方式BER技術(shù)的預(yù)測效果進行分析比較的基礎(chǔ)上,初步提出基于同屬或科的生物組合方式的BER技術(shù)可較好地對9種污染物的本土水生生物急性基準(zhǔn)值進行預(yù)測.研究結(jié)果可為在本土生物毒性數(shù)據(jù)缺乏時充分利用現(xiàn)有毒性數(shù)據(jù)或進行少量毒性試驗的基礎(chǔ)上對我國水生生物急性基準(zhǔn)值的預(yù)測提供幫助.

關(guān)鍵詞：生物效應(yīng)比；水生生物基準(zhǔn)；預(yù)測基準(zhǔn)值；中國；美國

* 責(zé)任作者, 研究員, liuzt@craes.org.cn

目前,我國正在系統(tǒng)地開展環(huán)境基準(zhǔn)技術(shù)方法研究[1-4],包括:水生生物基準(zhǔn)、生態(tài)學(xué)基準(zhǔn)、沉積物基準(zhǔn)、土壤環(huán)境基準(zhǔn)等.其中,在水生生物基準(zhǔn)技術(shù)方法研究方面,國內(nèi)學(xué)者對水生生物基準(zhǔn)推導(dǎo)過程中最少生物毒性數(shù)據(jù)需求[5]、水質(zhì)參數(shù)歸一化[6-7]、水生生物基準(zhǔn)受試物種的篩選[8-11]等技術(shù)方法進行了研究.在水生生物基準(zhǔn)值推導(dǎo)方面,國內(nèi)學(xué)者一般進行污染物對本土生物的生態(tài)毒理學(xué)試驗或進行生物毒性數(shù)據(jù)搜集,然后依據(jù)所得到的急慢性毒性數(shù)據(jù),采用相應(yīng)的方法推導(dǎo)這些污染物的水生生物基準(zhǔn)值,如:依據(jù)搜集的毒性數(shù)據(jù)先后推導(dǎo)了硝基苯[12]、鎘[13]、氨氮[14]、鋅[15]等污染物的水生生物基準(zhǔn)值;其他學(xué)者則進行污染物的生態(tài)毒理學(xué)試驗并結(jié)合搜集的毒性數(shù)據(jù)先后推導(dǎo)了氯酚類化合物[16]、三氯生[17]、硝基苯[18]、四溴雙酚-A[19]等污染物的水生生物基準(zhǔn)值.通過不斷地研究和發(fā)展,我國水生生物基準(zhǔn)研究工作逐步從對國外的相關(guān)技術(shù)方法進行引進和學(xué)習(xí),發(fā)展到對我國本土水生生物基準(zhǔn)方法學(xué)和技術(shù)體系進行探索和研究.

在推導(dǎo)本土水生生物基準(zhǔn)時,美國[20]、澳大利亞[21]等國家推薦使用本土物種的毒性數(shù)據(jù),并且有學(xué)者對使用非本土物種毒性數(shù)據(jù)推導(dǎo)出的基準(zhǔn)值能否保護本土水生生物提出了質(zhì)疑[22].因此,各國在推導(dǎo)本國水生生物基準(zhǔn)時,基本均面臨本土生物毒性數(shù)據(jù)缺乏的問題.即使在水生生物基準(zhǔn)發(fā)展較早的美國,至今也才推薦了58種污染物(化學(xué)的、物理的、生物的)的水生生物基準(zhǔn)值.在我國,由于水生生物基準(zhǔn)研究工作起步較晚,各項相關(guān)研究尚不完善,并且我國也存在本土物種的生態(tài)毒理學(xué)數(shù)據(jù)普遍較缺乏的問題.因此,在推導(dǎo)水生生物基準(zhǔn)時,如何利用好現(xiàn)有的生物毒性數(shù)據(jù),如何解決本土毒性數(shù)據(jù)缺乏的問題,成為水生生物基準(zhǔn)研究中急需解決的重要問題.

在推導(dǎo)水生生物基準(zhǔn)時,直接采用他國生物毒性數(shù)據(jù)或基準(zhǔn)值存在爭議[22],然而,如果將各類污染物的水生生物基準(zhǔn)都從頭開始研究、測試、推導(dǎo),短期內(nèi)難以發(fā)揮有效的科技支撐作用.本文以中國與美國為例,利用中美物種間的毒性效應(yīng)差異比,對生物毒性效應(yīng)比(BER)技術(shù)預(yù)測水生生物基準(zhǔn)值進行探討.設(shè)定BER等于“我國某一類群生物的毒性值”除以“美國同一類群生物的毒性值”,我國預(yù)測的水生生物基準(zhǔn)值等于美國基準(zhǔn)值乘以BER.該方法的探索,以期在本土生物毒性數(shù)據(jù)缺乏時,為我國水生生物基準(zhǔn)的研究與推導(dǎo)提供有用的技術(shù)信息.

1 材料與方法

1.1 生物毒性數(shù)據(jù)的搜集與篩選原則

水生生物毒性數(shù)據(jù)的主要來源包括:中國知網(wǎng)CNKI、ECOTOX(http://cfpub.epa.gov/ ecotox/)等數(shù)據(jù)庫以及公開發(fā)表的文獻.

數(shù)據(jù)搜集完成后,參照美國水生生物基準(zhǔn)指南[20],對搜集的生物毒性數(shù)據(jù)進行初步篩選.毒性數(shù)據(jù)的初步篩選原則包括:測試信息不完全、有疑點的數(shù)據(jù)(未設(shè)立對照組、對照組大量死亡等)、性質(zhì)不穩(wěn)定(易揮發(fā)、易水解)而未采用流水式試驗等的毒性數(shù)據(jù)不可用.完成初步篩選后,需進一步對毒性數(shù)據(jù)進行篩選,二次篩選原則包括:浮游甲殼類生物的急性毒性試驗終點為48-h LC50或EC50,魚、貝、蝦、蟹等生物的試驗終點是96-h LC50或EC50,優(yōu)先選擇流水式試驗結(jié)果及對試驗溶液濃度有監(jiān)控的毒性數(shù)據(jù);所有毒性數(shù)據(jù)都要求有明確的測試終點、測試時間及對測試階段或指標(biāo)的詳細(xì)描述.當(dāng)同一個物種或同一個終點有多個毒性值可用時,使用該多個值的幾何平均值SMAV(種平均急性值)[20].

1.2 中美共有污染物的篩選

US EPA至今共推薦了58種污染物(生物、化學(xué)、物理)的水生生物基準(zhǔn)值,由于對美國水生生物分類的認(rèn)識有限,本文在進行BER技術(shù)研究時,只采用了US EPA公開發(fā)布的58種污染物的毒性數(shù)據(jù)作為美國物種毒性數(shù)據(jù).為了進一步進行中美生物毒性效應(yīng)比BER的分析研究,依據(jù)1.1節(jié)的搜集和篩選原則,結(jié)合《中國動物志》[23]和中國生物物種名錄(http: data.sp2000.cn/2011_ cnnode_c/info_checklist.php),搜集和篩選該58種污染物的我國本土生物毒性數(shù)據(jù),然后,依據(jù)“三門八科”[20]最少生物毒性數(shù)據(jù)需求原則,篩選出中美共有的且毒性數(shù)據(jù)比較充足的污染物.

1.3 BER技術(shù)預(yù)測水生生物急性基準(zhǔn)初步分析

通過先前對水質(zhì)基準(zhǔn)受試生物篩選[8-11,24]的研究,結(jié)合US EPA物種種間關(guān)系估算模型[25]的研究,發(fā)現(xiàn)同類物種(如同目、同科、同屬、同種)對同個污染物的敏感性比較相似,以至US EPA在其物種種間關(guān)系估算模型中指出:要優(yōu)先選用生物學(xué)距離≤3(US EPA規(guī)定同目生物學(xué)距離為3、同科為2、同屬為1)[25]的替代物種進行估算來獲取更為可靠的毒性值.因此,從US EPA現(xiàn)有的水生生物基準(zhǔn)文件中可以得到不同生物分類對污染物的敏感性情況,借鑒US EPA物種種間關(guān)系估算方法、水效應(yīng)比技術(shù)[26],利用不同生物組合方式的中美物種間的敏感性差異,來對我國水生生物急性基準(zhǔn)進行初步估算和預(yù)測.BER技術(shù)的意義在于可充分利用現(xiàn)有的本土生物毒性數(shù)據(jù)或者進行少量的生物毒性試驗,對我國水生生物基準(zhǔn)進行估算和預(yù)測.

針對1.2節(jié)篩選的中美共有典型污染物,選擇兩國同類的并且敏感的生物進行組合,依據(jù)不同生物組合進行BER(式1)計算,然后采用BER技術(shù)預(yù)測我國的HC5(5%物種危害濃度)或FAV(最終急性值)(式2),并對預(yù)測HC5(FAV)值和實測HC5(FAV)值進行數(shù)量級差異分析.前人研究提出,如果預(yù)測值和實測值間差異在一個數(shù)量級以內(nèi)則認(rèn)為差異較小、預(yù)測較好[27-32],超過一個數(shù)量級則認(rèn)為差異較大、預(yù)測較差.最后,依據(jù)不同生物組合BER技術(shù)的預(yù)測效果,初步提出我國BER預(yù)測技術(shù).

式中:我國生物毒性數(shù)據(jù)為我國不同生物組合方式物種急性毒性值的幾何平均值,美國生物毒性數(shù)據(jù)為美國不同生物組合方式物種急性毒性值的幾何平均值.

式中:美國水生生物基準(zhǔn)值為US EPA公布推薦的相關(guān)污染物的基準(zhǔn)值.

1.4 實測水生生物基準(zhǔn)值的推導(dǎo)

依據(jù)US EPA水生生物基準(zhǔn)指南[20],對1.2節(jié)篩選出的各污染物的GMAV(屬急性平均值)進行計算和排序(排序第幾為第R,最低的為1,最高的為N),采用下列公式(3～6)計算CMC(急性基準(zhǔn)值),式中P為累積概率P = R/(N + 1),L為選擇P值最接近0.05的4個GMAV和相應(yīng)的P值進行計算,FAV為最終急性值,可用于計算CMC值.

2 結(jié)果與分析

2.1 中美共有污染物的生物毒性數(shù)據(jù)

依據(jù)1.2節(jié)篩選原則,最終篩選出9個中美共有且本土生物毒性數(shù)據(jù)豐富的污染物,包括:As(III)、Cr(VI)、Hg、Cu、Zn、Pb、對硫磷、毒死蜱和三丁基錫(TBT).受篇幅限制,只列出毒死蜱、三丁基錫的本土生物毒性數(shù)據(jù)和文獻來源(表1、表2),其中Hg、Cr(VI)、As(III)和對硫磷的數(shù)據(jù)見前人研究[24],Cu、Zn、Pb的數(shù)據(jù)參考前研究[30,33-34].美國共有污染物的生物毒性數(shù)據(jù)可在US EPA基準(zhǔn)文件[35]中查找.

表1 毒死蜱的本土生物毒性數(shù)據(jù)Table 1 Toxicity data of native species for chlorpyrifos

表2 三丁基錫的本土生物毒性數(shù)據(jù)Table 2 Toxicity data of native species for TBT

2.2 不同生物組合方式的BER技術(shù)

依據(jù)中美典型污染物現(xiàn)有的生物毒性數(shù)據(jù)和生物敏感性分布,結(jié)合我國生物分類情況,選出7種不同生物組合方式的BER技術(shù)并計算BER 值,然后對我國水生生物基準(zhǔn)值進行預(yù)測并對預(yù)測效果進行分析.具體組合方式如下:

(1) 組合1:我國大型溞+鯉魚+鯽魚+羽搖蚊/美國基準(zhǔn)文件前4種[35].

該組合關(guān)注的是中國重要物種和美國敏感性物種間差異:

大型溞:美國MTDR推薦了一種浮游甲殼類生物[20],大型溞是其中的一種,并且該物種在我國分布廣泛且毒性數(shù)據(jù)充足;

鯉魚、鯽魚:美國MTDR推薦了兩種魚類[20],我國魚類以鯉科為主,鯉科魚中以鯉魚、鯽魚分布廣泛且毒性數(shù)據(jù)較充足;

羽搖蚊:美國MTDR推薦的在水生生物基準(zhǔn)推導(dǎo)過程中至少需要一種昆蟲類生物的毒性數(shù)據(jù)[20],其中羽搖蚊在我國分布廣泛且常被用于生態(tài)毒理學(xué)試驗.

美國基準(zhǔn)文件前4種物種的名稱和生物分類可在文獻[35]中查找.

(2) 組合2:與美國基準(zhǔn)文件前4屬同類的我國4屬/美國基準(zhǔn)文件前4屬,各污染物的屬組合結(jié)果見表3,我國缺少毒死蜱相應(yīng)4屬的毒性數(shù)據(jù),因此未對其進行研究.

該組合關(guān)注的是中美敏感屬間的差異,在計算水生生物基準(zhǔn)值時,US EPA關(guān)注前4屬敏感性生物[20],它們對基準(zhǔn)值的大小將產(chǎn)生最直接的影響.

表3 我國的4個敏感生物屬Table 3 The 4 sensitive genera in China

(3) 組合3:我國4種與美國基準(zhǔn)文件前4個物種同種的生物(同時考慮我國生物分類情況、本土基準(zhǔn)受試生物篩選結(jié)果[8-11]和現(xiàn)有毒性數(shù)據(jù)情況)/美國基準(zhǔn)文件前4種,各污染物的物種組合結(jié)果見表4,無同種生物時,用同屬的其他物種替代.該組合關(guān)注的是中美敏感物種間的差異.

表4 我國的4種敏感生物物種Table 4 The 4 sensitive species in China

(4) 組合4:我國溞科大型溞+蚤狀溞+鋸頂?shù)皖~溞+模糊網(wǎng)紋溞/美國基準(zhǔn)文件中同類的4個溞科物種.

該組合關(guān)注的是中美敏感性溞科物種間的差異,由2.1節(jié)本土生物毒性數(shù)據(jù)和美國生物毒性數(shù)據(jù)排序可知,淡水枝角類生物如溞科的溞屬、低額溞屬、網(wǎng)紋溞屬的物種對各類污染物的敏感性均排在前列,因此,本文嘗試對我國4種枝角類溞科敏感性生物(大型溞、蚤狀溞、模糊網(wǎng)紋溞、鋸頂?shù)最~溞,沒有毒性數(shù)據(jù)時可用同屬或同科的物種替代)和美國基準(zhǔn)文件中相似的4個溞科物種(沒有同種的數(shù)據(jù)時可用同屬同科的數(shù)據(jù)代替,同屬同科數(shù)據(jù)不足4個時可用與我國同種的數(shù)據(jù)重復(fù)一次計算;沒有溞科數(shù)據(jù)時可用文件中敏感的甲殼綱其他物種代替)(表5)進行BER分析.

表5 美國基準(zhǔn)文件中的4種生物物種Table 5 The 4species in US EPA criteria documents

(5) 組合5:指定4屬中各1種生物,同時考慮我國本土基準(zhǔn)受試生物篩選結(jié)果/美國基準(zhǔn)文件中同類的4屬生物.

該組合關(guān)注的是中國重要物種和美國同類物種間差異,我國指定的4屬為甲殼綱溞科溞屬的大型溞、硬骨魚綱鯉科鯉屬的鯉魚、硬骨魚綱鯉科鯽屬的鯽魚和昆蟲綱搖蚊科搖蚊屬的羽搖蚊幼蟲.美國同類的4屬生物優(yōu)先選擇與我國同種生物,沒有同種生物時,依次以同屬、同科、同綱的其他生物代替,如果數(shù)據(jù)還是不足,以所缺屬的其他生物重復(fù)一次計算,各污染物的物種組合結(jié)果見表6.

(6) 組合6:我國的2種鯉科魚/美國的2種鯉科魚.

該組合關(guān)注的是中國重要鯉科物種和美國同類物種間差異,我國指定的2種鯉科魚為分布廣泛、毒性數(shù)據(jù)較充足的硬骨魚綱鯉科鯉屬的鯉魚、硬骨魚綱鯉科鯽屬的鯽魚.美國的2種鯉科魚優(yōu)先選擇與我國同種生物(鯉魚、鯽魚),沒有同種生物時,依次以同屬、同科的其他生物代替,如果數(shù)據(jù)還是不足,以所缺屬的其他生物重復(fù)一次計算,各污染物的物種組合結(jié)果見表7.

表6 美國基準(zhǔn)文件中的4屬生物物種Table 6 Species of the 4genera in US EPA criteria documents

表7 美國基準(zhǔn)文件中的2種鯉科魚Table 7 The 2cyprinid fish in US EPA criteria documents

(7) 組合7:我國的2種鯉科魚/美國2種鮭科魚.

該組合關(guān)注的是中國重要鯉科物種和美國重要鮭科物種間差異,本文中我國指定的2種鯉科魚為分布廣泛、毒性數(shù)據(jù)較充足的硬骨魚綱鯉科鯉屬的鯉魚、硬骨魚綱鯉科鯽屬的鯽魚.美國魚類以鮭科魚為主,鮭科魚毒性數(shù)據(jù)豐富,2種鮭科魚的選擇較多,為使分析比較更為可靠,本文優(yōu)先選用數(shù)據(jù)充足的硬骨魚綱鮭科的虹鱒和溪紅點鮭.本文對中美2種鯉科鮭科魚進行BER計算,探索中美兩國各自主要魚類物種用于BER技術(shù)的可行性.

2.3 實測本土水生生物基準(zhǔn)值

依據(jù)1.4節(jié)水生生物基準(zhǔn)值推導(dǎo)方法,結(jié)合2.1節(jié)搜集篩選到的本土水生生物毒性數(shù)據(jù),計算9種共有污染物As(III)、Cr(VI)、Hg、Cu、Zn、Pb、對硫磷、毒死蜱和三丁基錫的本土水生生物急性基準(zhǔn)值(表8).

表8 9種污染物的本土水生生物基準(zhǔn)實測值Table 8 Measured aquatic life criteria for 9pollutants

2.4 預(yù)測本土水生生物基準(zhǔn)值

采用不同生物組合方式BER技術(shù)預(yù)測與估算本土水生生物基準(zhǔn)值的方法見1.3節(jié),以生物組合1的預(yù)測方法為例:組合1的BER值=大型溞、鯉魚、鯽魚與羽搖蚊毒性數(shù)據(jù)的幾何平均值/美國基準(zhǔn)文件前4種毒性數(shù)據(jù)的幾何平均值,預(yù)測本土水生生物基準(zhǔn)值=BER×美國水生生物基準(zhǔn)值.

2.5 BER技術(shù)預(yù)測本土水生生物基準(zhǔn)初步分析

本文對上述7種生物組合方式的BER技術(shù)進行了探索和分析,對基于實測毒性數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)值和基于BER技術(shù)所預(yù)測的基準(zhǔn)值進行了推導(dǎo)和差異分析,依據(jù)不同生物組合的預(yù)測效果,初步提出我國BER預(yù)測技術(shù).7種生物組合方式的BER技術(shù)對9種污染物水生生物的預(yù)測效果如下:

(1) 組合1:我國大型溞+鯉魚+鯽魚+羽搖蚊/美國基準(zhǔn)文件前4種的BER技術(shù)預(yù)測效果見圖1,從圖1可知,生物組合方式1所預(yù)測的基準(zhǔn)值與實測推導(dǎo)的基準(zhǔn)值差異在1個數(shù)量級以內(nèi)的有1 個,超過1個數(shù)量級的有8個,一般認(rèn)為差異在1個數(shù)量級以內(nèi)的預(yù)測效果較好,超過1個數(shù)量級則預(yù)測效果較差[24,27-32],可見生物組合方式1的BER技術(shù)對水生生物基準(zhǔn)值的預(yù)測存在較大的不確定性.

圖1 生物組合1預(yù)測基準(zhǔn)值與實際值的比較Fig.1 Comparison of measured criteria and predicted criteria based on BER method of biological group 1圖中橫縱坐標(biāo)值為對實際基準(zhǔn)值和預(yù)測基準(zhǔn)值進行對數(shù)處理lg (μg/L)后的值,下圖同

圖2 生物組合2預(yù)測基準(zhǔn)值與實際值的比較Fig.2 Comparison of measured criteria and predicted criteria based on BER method of biological group 2

(2) 組合2:與US EPA基準(zhǔn)文件前4屬同類的我國4屬/美國基準(zhǔn)文件前4屬的BER技術(shù)的預(yù)測效果見圖2.從圖2可知,生物組合方式2所預(yù)測的基準(zhǔn)值與實測推導(dǎo)的基準(zhǔn)值差異在0.5個數(shù)量級以內(nèi)的有5個,1個數(shù)量級以內(nèi)的有3個,差異在1個數(shù)量級以內(nèi)的認(rèn)為預(yù)測效果較好[24,27-32],可見與生物組合方式1相比,生物組合方式2的BER技術(shù)對水生生物基準(zhǔn)值的預(yù)測較好.

(3) 組合3:我國4種與美國基準(zhǔn)文件前4個物種同種的生物(同時考慮我國生物分類情況、本土基準(zhǔn)受試生物篩選結(jié)果和現(xiàn)有毒性數(shù)據(jù)情況)/美國基準(zhǔn)文件前4種的BER技術(shù)預(yù)測效果見圖3.從圖3可知,生物組合方式3所預(yù)測的基準(zhǔn)值與實測基準(zhǔn)值差異在1個數(shù)量級以內(nèi)的有8 個,超過1個數(shù)量級的有1個,差異在1個數(shù)量級以內(nèi)的認(rèn)為預(yù)測效果較好[24,27-32],超過1個數(shù)量級則預(yù)測效果較差,可見生物組合方式3和2的預(yù)測效果相似,均比生物組合方式1的BER技術(shù)的預(yù)測效果好,但存在一定的不確定性.

圖3 生物組合3預(yù)測基準(zhǔn)值與實際值的比較Fig.3 Comparison of measured criteria and predicted criteria based on BER method of biological group 3

(4) 組合4:我國溞科大型溞+蚤狀溞+鋸頂?shù)皖~溞+模糊網(wǎng)紋溞/美國基準(zhǔn)文件中同類的4個溞科物種的BER技術(shù)預(yù)測效果見圖4.從圖4可知,生物組合方式4所預(yù)測的基準(zhǔn)值與實測推導(dǎo)的基準(zhǔn)值差異在0.5個數(shù)量級以內(nèi)的有5個,1個數(shù)量級以內(nèi)的有4個,差異在1個數(shù)量級以內(nèi)則認(rèn)為預(yù)測效果較好[24,27-32],可見生物組合方式4的BER技術(shù)對水生生物基準(zhǔn)值的預(yù)測效果較好.

(5) 組合5:我國指定4屬中各1種生物,同時考慮我國本土基準(zhǔn)受試生物篩選結(jié)果/美國同類的4屬生物的BER技術(shù)預(yù)測效果見圖5.從圖5可知,生物組合方式5所預(yù)測的基準(zhǔn)值與實測推導(dǎo)的基準(zhǔn)值差異在0.5個數(shù)量級以內(nèi)的有7個,1個數(shù)量級以內(nèi)的有2個,差異在1個數(shù)量級以內(nèi)則認(rèn)為預(yù)測效果較好[24,27-32],可見生物組合方式5的BER技術(shù)對水生生物基準(zhǔn)值的預(yù)測效果較好.

圖4 生物組合4預(yù)測基準(zhǔn)值與實際值的比較Fig.4 Comparison of measured criteria and predicted criteria based on BER method of biological group 4

圖5 生物組合5預(yù)測基準(zhǔn)值與實際值的比較Fig.5 Comparison of measured criteria and predicted criteria based on BER method of biological group 5

(6) 組合6:我國的2種鯉科魚/美國的2種鯉科魚的BER技術(shù)預(yù)測效果見圖6.從圖6可知,生物組合方式6所預(yù)測的基準(zhǔn)值與實測推導(dǎo)的基準(zhǔn)值差異在1個數(shù)量級以內(nèi)的有7個,超過1個數(shù)量級的有2個,差異在1個數(shù)量級以內(nèi)則認(rèn)為預(yù)測效果較好[24,27-32],超過1個數(shù)量級則預(yù)測效果較差,可見生物組合方式6的BER技術(shù)對水生生物基準(zhǔn)值的預(yù)測效果存在一定的不確定性.

圖6 生物組合6預(yù)測基準(zhǔn)值與實際值的比較Fig.6 Comparison of measured criteria and predicted criteria based on BER method of biological group 6

(7) 組合7:我國的2種鯉科魚/美國的2種鮭科魚的BER技術(shù)預(yù)測效果見圖7.從圖7可知,生物組合方式7所預(yù)測的基準(zhǔn)值與實測推導(dǎo)的基準(zhǔn)值差異在1個數(shù)量級以內(nèi)的有8個,超過1個數(shù)量級的有1個,差異在1個數(shù)量級以內(nèi)則認(rèn)為預(yù)測效果較好[24,27-32],超過1個數(shù)量級則預(yù)測效果較差,可見生物組合方式7的BER技術(shù)對水生生物基準(zhǔn)值的預(yù)測效果比生物組合方式6相對要好,仍存在一定的不確定性.

圖7 生物組合7預(yù)測基準(zhǔn)值與實際值的比較Fig.7 Comparison of measured criteria and predicted criteria based on BER method of biological group 7

從上述的7種生物組合方式的BER技術(shù)對9種污染物水生生物基準(zhǔn)值預(yù)測效果來看,基于科、屬的生物組合方式2、4、5的BER技術(shù)可較好地對水生生物基準(zhǔn)值進行預(yù)測,多數(shù)預(yù)測值的差異在1個數(shù)量級內(nèi),甚至在0.5個數(shù)量級內(nèi),表明預(yù)測效果較好[24,27-32],而基于種的生物組合方式1、3、6、7在預(yù)測基準(zhǔn)值時存在一定的不確定性.

基于科、屬的BER預(yù)測效果較好可能是因為:基于科、屬的生物組合方式包含了4種不同分類群的生物毒性數(shù)據(jù),生物分類比較全面,具有一定的代表性和穩(wěn)定性.荷蘭在推導(dǎo)其國家水生生物基準(zhǔn)時,規(guī)定當(dāng)存在4種不同生物分類群的毒性數(shù)據(jù)時,即可推導(dǎo)水生生物基準(zhǔn)值[67].US EPA規(guī)定在推導(dǎo)各州水生生物基準(zhǔn)值時,需要至少4種不同生物分類群的物種毒性數(shù)據(jù)[68].此外,美國ICE技術(shù)也指出在預(yù)測水生生物基準(zhǔn)值時,同科、同屬替代—預(yù)測物種對的預(yù)測效果較好[25].通過比較分析可知,本文基于科、屬的生物組合方式2、4、5的BER技術(shù)對水生生物基準(zhǔn)值的預(yù)測效果較好.而基于特定種的生物組合方式6、7的BER技術(shù)由于物種數(shù)量較少(2種),以致預(yù)測效果不確定性較大.基于不同生物分類間比較的組合方式1的BER技術(shù),由于中美間進行比較的生物分類差別較大,以致預(yù)測效果很差.基于與美國前4種物種同種的BER技術(shù)(組合方式3),由于兩國間特有物種的差異,以致其預(yù)測效果也存在一定的不確定性.

2.6 不確定性分析

由于美國至今僅推薦了58種污染物的水生生物基準(zhǔn)值,我國本土生物毒性數(shù)據(jù)也存在缺乏的問題,因此,通過篩選后本文進行了9種污染物的BER技術(shù)的探索與分析,污染物數(shù)量較少可能會帶來水生生物基準(zhǔn)值估算的一些不確定性.采用7種生物組合方式來對中美水生生物基準(zhǔn)預(yù)測與估算進行探索,多樣的生物組合方式可一定程度上減小BER估算預(yù)測的不確定性.

3 結(jié)論

3.1 在US EPA推薦的58種污染物的基礎(chǔ)上,結(jié)合“三門八科”生物毒性數(shù)據(jù)需求原則,最終篩選出9個中美共有且本土生物毒性數(shù)據(jù)較豐富的污染物,包括:As(III)、Cr(VI)、Hg、Cu、Zn、Pb、對硫磷、毒死蜱和三丁基錫(TBT);依據(jù)本土生物毒性數(shù)據(jù),推導(dǎo)該9種污染物的本土水生生物急性基準(zhǔn)值分別為:201.72、2.64、0.74、1.32、55.83、92.25、0.12、0.36和0.38 μg/L.

3.2 提出了7種本土生物組合方式的BER技術(shù),并對基于實測毒性數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)值和基于BER技術(shù)所預(yù)測的基準(zhǔn)值進行了差異分析,依據(jù)不同生物組合的預(yù)測效果,初步提出基于科或?qū)俚纳锝M合方式2(與US EPA前4屬同類的我國4屬/美國基準(zhǔn)文件前4屬)、生物組合方式4(我國溞科大型溞+蚤狀溞+鋸頂?shù)皖~溞+模糊網(wǎng)紋溞/美國基準(zhǔn)文件中類似的4個溞科物種)和生物組合方式5(我國指定4屬中各1種生物／美國同類的4屬生物)的BER技術(shù)可較好地對9種污染物的本土水生生物基準(zhǔn)值進行預(yù)測.研究結(jié)果表明在充分地利用現(xiàn)有生物毒性數(shù)據(jù)或進行較少的生物毒性試驗(4種)的基礎(chǔ)上可對我國水生生物基準(zhǔn)值進行預(yù)測.

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Study of using biological effect ratio (BER) method to predict the aquatic life criteria in China.

WANG Xiao-nan1, YAN Zhen-guang1, LIU Zheng-tao1*, WANG Wan-hua1, ZHANG Cong2(1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, State Environmental Protection Key Laboratory of Ecological Effects and Risk Assessment of Chemicals, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.China Offshore Environmental Services Co., Ltd., Tianjin 300452, China).China Environmental Science, 2016,36(1)：276～285

Abstract：In this study, predicted aquatic life criteria using biological effect ratio (BER) method based on the difference of species sensitivity between China and the USA was investigated.First, pollutants with acute toxicity data from 3Phyla and 8Families that both in China and the USA were selected.Second, the different biological groups were developed for BER method based on the sensitivity and representation of species of the two countries.Third, effective BER method was selected based on the comparison of predicted criteria maximum concentration (CMC) and the measured CMC.Results showed that: 9pollutants of As(III), Cr(VI), Hg, Cu, Zn, Pb, parathion, chlorpyrifos and TBT both in China and the USA were selected, and the measured CMCs for protecting the Chinese native aquatic species were derived to be 201.72, 2.64, 0.74, 1.32, 55.83, 92.25, 0.12, 0.36 and 0.38μg/L, respectively.Moreover, comparison of predicted criteria and the measured criteria of 7different biological groups for BER method showed that BER method of biological groups based on the same genera or family could predict the CMCs of 9pollutants in China well.The result of this study could provide useful information for predicting CMC making full use of the existed toxicity data or just carrying out less toxicity test when toxicity data of native species is lacking.

Key words：biological effect ratio (BER)；aquatic life criteria；predicted criteria；China；USA

中圖分類號：X171.5

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)01-0276-10

收稿日期：2015-05-26

基金項目：國家水體污染與治理科技重大專項(2012ZX07501-003-06);環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室自由探索基金(SKLECRA2014OFP06)

作者簡介：王曉南(1986-),男,山西運城人,助理研究員,博士,主要從事生態(tài)毒理學(xué)、環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估研究.發(fā)表論文20余篇.