不同環(huán)境介質(zhì)中污染物生態(tài)風險評價方法的國內(nèi)研究進展

沈洪艷 胡小敏

摘要：污染物生態(tài)風險評價是近年來國內(nèi)外一直關注的熱點，已有國內(nèi)外學者提出了多種生態(tài)風險評價的方法與模型，通過建立不同的指標對環(huán)境介質(zhì)中污染物的生態(tài)風險進行評價，以期預測其不利的生態(tài)影響，也可以對過去某種因素導致的生態(tài)變化的可能性進行評估?；仡櫫松鷳B(tài)風險評價的發(fā)展歷程，歸納了水、沉積物和土壤中污染物的生態(tài)風險評價模型與方法，總結(jié)了風險熵法（RQ）、AQUATOX模型、物種敏感度分布曲線法（SSD）、地積累指數(shù)法（Igeo）、Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法確定的生態(tài)風險等級，根據(jù)不同環(huán)境介質(zhì)中的污染物類型及濃度選擇適當?shù)姆椒ㄟM行生態(tài)風險評價。今后應對不同環(huán)境介質(zhì)中多種污染物共存時的生態(tài)風險評價給予更多關注，并豐富生態(tài)風險評價的方法體系，為確定更為恰當?shù)牟煌愋臀廴疚锏纳鷳B(tài)風險評價方法提供參考。

關鍵詞：環(huán)境生態(tài)學；環(huán)境介質(zhì)；生態(tài)風險；評價方法；研究進展

中圖分類號：X826文獻標志碼：A

收稿日期：20170604；修回日期：20171211；責任編輯：王海云

基金項目：國家自然科學基金（41373096）；國家環(huán)保公益課題（20150904105）；河北省自然科學基金（B2014208068）；河北省藥用分子化學重點實驗室開放基金；河北省環(huán)保廳公益課題；河北省重點學科建設基金

第一作者簡介：沈洪艷（1971—），女，天津人，教授，博士，主要從事污染物環(huán)境行為及效應、環(huán)境規(guī)劃與評價等方面的研究。

Email：shy0405@sina.com

沈洪艷，胡小敏.不同環(huán)境介質(zhì)中污染物生態(tài)風險評價方法的國內(nèi)研究進展[J].河北科技大學學報，2018，39（2）：176182.

SHEN Hongyan， HU Xiaomin.Research progress on ecological risk assessment methods of pollutants in different environmental media at domestic[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2018，39（2）：176182.Research progress on ecological risk assessment methods of pollutants

in different environmental media at domestic

SHEN Hongyan1，2， HU Xiaomin1，2

（1. School of Environmental Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China； 2. Key Laboratory of Hebei Province for Medical Molecular Chemistry， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract：Ecological risk assessment of pollutants has been a focus of attention at home and abroad in recent years. Domestic and foreign scholars have put forward various methods and models for ecological risk assessment. The purpose is to evaluate the ecological risk of pollutants in environmental media by establishing different indicators， hoping to predict their adverse ecological impacts， as well as assess the potential for ecological changes caused by a certain factor in the past. This paper reviews the development of ecological risk assessment， summarizes the ecological risk assessment models and methods about pollutants in water， sediment and soil， summarizes the Risk Quotient （RQ）， AQUATOX model， Species Sensitivity Distribution （SSD）， Index of Geoaccumulation （Igeo）， Hakanson potential ecological risk index to determine the level of ecological risk. According to the types and concentrations of pollutants in different environmental media， the appropriate method should be selected for ecological risk assessment. In the future， more research should be conducted on the ecological risk assessment method for the coexistence of multiple pollutants under different environmental media， riching ecological risk assessment method system， and providing a more appropriate assessment method for the ecological risk of various pollutants.

Keywords：environmental ecology； environmental media； ecological risk； evaluation method； research progress

生態(tài)風險評價是伴隨著環(huán)境管理目標和環(huán)境觀念的轉(zhuǎn)變而逐漸興起并得到發(fā)展的一個新興的研究領域[1]。一般來說，生態(tài)風險評價是指對人為活動或不利事件對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害，或?qū)ι飩€體、種群及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的可能性的分析過程[2]。

河北科技大學學報2018年第2期沈洪艷，等：不同環(huán)境介質(zhì)中污染物生態(tài)風險評價方法的國內(nèi)研究進展目前，世界上很多國家、組織或者實驗室都開展了有關生態(tài)風險評價的研究，不管是水生生態(tài)系統(tǒng)還是陸地生態(tài)系統(tǒng)，都已有相應的生態(tài)風險評價方法。其中，針對水生生態(tài)系統(tǒng)的風險評價較多；趙晨等[3]對漫灣大壩上下游沉積物中的重金屬進行了生態(tài)風險評價；喬敏敏等[4]探討了北京市密云水庫的入庫河流沉積物中重金屬的潛在危害；ZHANG等[5]對灤河河口表層沉積物中的多環(huán)芳烴進行了風險評估。而對于陸地生態(tài)系統(tǒng)的評價只是集中在幾種典型的有毒有害物質(zhì)方面，如對農(nóng)藥、重金屬的研究等[6]，HOUBRAKEN等[7]采用RQ方法對農(nóng)藥殘留進行了生態(tài)風險評估。本文綜述了國內(nèi)生態(tài)風險評價的研究進展和應用案例，并著重對在不同環(huán)境介質(zhì)中的污染物生態(tài)風險評價的方法與模型進行了歸納。

1生態(tài)風險評價發(fā)展概述

美國環(huán)保局于1992年頒布了生態(tài)風險評價框架[8]，1998年又發(fā)布了《生態(tài)風險評價指南》，其中不僅敘述了生態(tài)風險評價的一般原理、方法和程序，而且大大擴展了生態(tài)風險評價的研究方向，包括氣候變化、生物多樣性喪失、多種化學品對生物影響的風險評估等[2]。

英國環(huán)境部在1995年要求所有環(huán)境風險評價和風險管理行為必須遵循國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，其創(chuàng)新點在于應用了“預防為主”的原則。它強調(diào)如果存在重大環(huán)境風險，即使目前的科學證據(jù)并不充分，也必須采取行動預防和減緩潛在的危害行為[8]。

荷蘭風險管理框架于1989年提出，其創(chuàng)新之處在于應用閾值來判斷特定的風險水平是否能被接受，利用不同生命組建水平的風險指標（如死亡率或其他臨界響應值），通過數(shù)值明確表達最大可接受或可忽略的風險水平[8]。

加拿大在1996年頒布了《生態(tài)風險評價框架》（以下簡稱《框架》），并于2010—2012年發(fā)布了一系列指導文件，對上述《框架》進行了補充，同時也有具體的技術(shù)指導文件[9]。

生態(tài)風險評價在中國尚處于發(fā)展階段，在方法和技術(shù)上還不成熟。目前，中國開展的生態(tài)風險評價研究一般以區(qū)域和污染物為研究對象，通過建立相應的指標來評價生態(tài)風險[2]。

在評價程序和方法方面，原國家環(huán)境保護總局于2003年頒布了《新化學物質(zhì)環(huán)境管理辦法》，并同時發(fā)布了《新化學物質(zhì)危害評估導則》[2]。導則中，關于化學品的危害評估包括人體健康危害評估和生態(tài)環(huán)境危害評估兩部分內(nèi)容，其中生態(tài)環(huán)境危害評估基本按照理化特性評價、生態(tài)毒理學評估、環(huán)境暴露評估、生態(tài)環(huán)境危害表征的程序進行。

2生態(tài)風險評價方法與模型

2.1水環(huán)境生態(tài)風險評價方法與模型

2.1.1風險熵法（熵值法）

風險熵（risk quotient， RQ）主要是指環(huán)境中污染物的測量濃度（MEC）與預測的無效應濃度（PNEC）之間的比值，被用來評估目標生物的生態(tài)風險。PNEC值的估算是根據(jù)毒理學的相關濃度（LC50或 EC50）與安全系數(shù)（f）的比值。風險熵的計算公式為RQ=MECPNEC=MECE（L）C50f 。（1）根據(jù)風險熵值，將生態(tài)風險水平劃分為4個標準[10]，見表1。

張璐璐等[11]運用熵值法計算了中國典型水環(huán)境中鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)對于藻類、水蚤和魚類種群的生態(tài)風險熵值，并據(jù)此將鄰苯二甲酸酯類的生態(tài)風險劃分為4個水平。許凱[12]采用熵值法，對貴陽市主城區(qū)水域及飲用水源地水體中鄰苯二甲酸酯類的生態(tài)風險進行了回顧性評價，以斑馬魚胚胎和藻類作為生態(tài)風險評價的目標受體，結(jié)果表明：鄰苯

2.1.2AQUATOX模型

AQUATOX模型是由美國環(huán)境保護署開發(fā)的一種綜合的水生態(tài)系統(tǒng)模型，可以預測化學物質(zhì)的環(huán)境行為并評估其生態(tài)風險，例如水生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)和有機物質(zhì)的生態(tài)風險。該模型不僅可以預測直接毒性效應，即由化學物質(zhì)對單一物種的急性和慢性毒性數(shù)據(jù)（LC50或EC50）計算水生態(tài)系統(tǒng)生物量的變化，還可以預測由食物網(wǎng)引起的間接生態(tài)效應，例如碎屑量的增加將導致碎屑在營養(yǎng)循環(huán)中作用的增強以及分解過程中溶解氧的消耗。模型中各個種群的生理參數(shù)主要來源于AQUATOX模型數(shù)據(jù)庫或文獻資料[1315]。

以受人為干擾較強的白洋淀為研究區(qū)，張璐璐等[16]運用AQUATOX模型評價了多溴聯(lián)苯醚（PBDEs）的水生態(tài)系統(tǒng)風險。結(jié)果表明，該模型能夠有效地評估PBDEs的直接毒性效應和間接生態(tài)效應。魏星瑤等[17]以殷村港為例，借助AQUATOX水生態(tài)模型進行建模，分析了營養(yǎng)鹽、溫度、流速等因子對殷村港富營養(yǎng)化水平的影響。NIU等[18]針對天津的景觀湖，用AQUATOX模型評價、預測了湖中不同物種的營養(yǎng)物變化。結(jié)果表明，該模型對最佳溫度、最大光合速率和呼吸率高度敏感。

2.1.3物種敏感度分布曲線法

物種敏感度分布曲線法（species sensitivity distribution， SSD）是最初由美國科學家STEPHAN和荷蘭科學家KOOIJMAN于20世紀70年代末提出的一種生態(tài)風險評價方法，當可獲得的毒性數(shù)據(jù)較多時，SSD能用來計算PNEC[19]。SSD假定在生態(tài)系統(tǒng)中不同物種可接受的效應水平跟隨一個概率函數(shù)，稱為種群敏感度分布，并假定有限的生物種是從整個生態(tài)系統(tǒng)中隨機取樣的，因此可認為評估有限物種的可接受效應水平適合整個生態(tài)系統(tǒng)。SSD的斜率和置信區(qū)間揭示了風險估計的確定性，一般用作最大環(huán)境許可濃度閾值（HCx，通常x取值5），HC5表示該濃度下受到影響的物種不超過總物種數(shù)的5%，或達到95%物種保護水平時的濃度[20]。雖然選擇保護水平是任意的，但它反映了統(tǒng)計考慮（HCx濃度太低，風險預測不可靠）和環(huán)境保護需求（HCx值應盡可能地?。┑恼壑小?/p>

張曉惠等[21]應用物種敏感度分布曲線法（SSD）分別計算DDT、艾氏劑、狄試劑、異狄氏劑等共8類持久性有機污染物在淡水環(huán)境中為保護95%的淡水生物時的濃度閾值（HC5）。結(jié)果表明，8類污染物質(zhì)的SSD擬合曲線R2均大于0.96，能夠反映不同物種毒理數(shù)據(jù)點的累積概率分布。陳瑾等[22]通過采集淡水生物毒性數(shù)據(jù)構(gòu)建了SSD方程，在95%物種保護的基礎上評估微囊藻毒素、氨氮和亞硝態(tài)氮對淡水生物的生態(tài)風險濃度閾值（HC5）和復合生態(tài)風險，以及不同暴露濃度下的潛在影響比例。結(jié)果表明，微囊藻毒素對淡水生物的HC5質(zhì)量濃度為19.22 μg/L，其水生態(tài)風險高于氨氮（ρ（HC5）=6 583. 94 μg/L）和亞硝態(tài)氮（ρ（HC5）=334.33 μg/L）。應用生態(tài)風險評價中的物種敏感性分布（SSD）方法，劉亞莉等[23]研究了敵敵畏對不同類別生物的5%危害濃度閾值（HC5），整理收集了中國重要水體中敵敵畏的環(huán)境濃度，計算了對淡水生物的潛在影響比例。結(jié)果表明不同模型的選擇會影響HC5的結(jié)果，且BurrⅢ模型擬合結(jié)果較好，HC5質(zhì)量濃度為037 μg/L；在敵敵畏低濃度范圍內(nèi)，無脊椎動物的敏感性明顯高于脊椎動物，甲殼類動物與昆蟲和蜘蛛類相似，敏感度較高，魚類則較低。楊建軍等[24]采用SSD方法，對渭河陜西西段的環(huán)境內(nèi)分泌干擾物雙酚A（BPA）的水質(zhì)基準進行了研究，根據(jù)BPA毒性數(shù)據(jù)進行SSD曲線擬合。結(jié)果顯示，BPA的HC5質(zhì)量濃度為806 μg/L。

2.2沉積物和土壤中重金屬的生態(tài)風險評價方法與模型

2.2.1地積累指數(shù)法

地積累指數(shù)法（index of geoaccumulation， Igeo）是德國海德堡大學學者MLLER等[25]在1969年研究河底沉積物時提出的一種計算沉積物中重金屬元素污染程度的方法，通過計算Igeo值評價某種特定化學污染物造成的環(huán)境風險程度[26]。計算公式如下：

Igeo=log2Cnk×Bn。（2）

式中：Igeo為地積累指數(shù)；Cn為元素n在沉積物中的濃度；Bn為元素n的環(huán)境背景值；k為考慮各地巖石差異或成巖作用可能引起環(huán)境背景值的變動而選取的修正指數(shù)，通常用來表征巖石地質(zhì)、沉積特征以及其他影響。

齊鵬等[27]采用地積累指數(shù)法對永康市122個地表水表層沉積物中Ti，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，As，Pb和Fe共10種重金屬的含量進行了分析，解析重金屬的來源并評價其潛在的生態(tài)風險。張琪等[28]對南通市51個沉積物樣品中重金屬Cu，Pb，Cr，Hg，As，Cd的濃度進行了測試，并用地積累指數(shù)法評價了河流沉積物的重金屬污染。

2.2.2Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法

Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法是瑞典科學家HAKANSON于1980年提出的一種生態(tài)風險評價方法。這是目前較為常用的評價沉積物中重金屬污染程度的方法之一，該方法的重點之一是可以確定重金屬的毒性系數(shù)，還考慮了沉積物中污染物的毒性及其在沉積物中普遍的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，通過污染物總量分析與區(qū)域背景值進行比較，消除了區(qū)域差異及異源污染的影響[29]。計算公式為Eir=Tir×Cif，（3）

Cd=∑Cif，（4）綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI值）由單個污染物的潛在生態(tài)風險參數(shù)（Eir）之和組成，計算公式為RI=∑Eir=∑TirCif， （5）式中：Eir表示沉積物中單個污染物的潛在生態(tài)風險參數(shù)，Tir為某一污染物質(zhì)的毒性系數(shù)；反映了不同污染物的毒性水平和生物對不同污染物的敏感程度，揭示了單個污染物對人體和水生生態(tài)系統(tǒng)的危害；Cif為某一污染物的污染參數(shù)，為全球工業(yè)化前沉積物中污染物含量Cin和表層沉積物中污染物含量實測值Ci的比值；Cd為多種污染物的綜合污染指數(shù)。RI的風險水平劃分標準見表2。

宋冬梅等[30]應用Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法對北極亞北極海區(qū)的白令海、楚科奇海、加拿大海盆海區(qū)沉積物中8種重金屬元素的潛在風險進行了評價，求得北極整體生態(tài)風險指數(shù)達到43.01，處于輕微生態(tài)風險狀態(tài)，Co重金屬元素的風險最大。李珊珊等[31]采集滏陽河表層沉積物，分析了6種重金屬Cr，Cu，Cd，Pb，Zn，Ni的污染特征，采用生態(tài)風險指數(shù)評價其環(huán)境風險。結(jié)果表明，沉積物中重金屬的平均含量超過了河北省土壤元素背景值，沉積物中Cd污染達到極強生態(tài)危害，其次為 Cu，Pb 和 Zn，生態(tài)風險指數(shù)評價表明，滏陽河沉積物中重金屬總體處于強生態(tài)風險水平。方曉波等[32]采用生態(tài)風險指數(shù)對雷竹林土壤重金屬的潛在生態(tài)風險進行了評價。結(jié)果表明，雷竹林土壤重金屬 Hg，As，Cu，Pb，Zn，Cd，Cr，Ni，Co，Mn 的平均含量超過浙江省土壤背景值，各重金屬單因子的RI平均值評價結(jié)果顯示，只有Cd 污染達到中等生態(tài)風險，其他重金屬均為輕微生態(tài)風險，而局部采樣點的Cd和Hg單因子的潛在生態(tài)風險指數(shù)較高，存在很強的生態(tài)風險。厲炯慧等[33]以海寧市電鍍工業(yè)園區(qū)周邊土壤為對象，研究土壤重金屬的污染特征，并采用潛在生態(tài)風險指數(shù)法對土壤中重金屬的潛在生態(tài)危害進行了評價。結(jié)果表明，海寧市電鍍工業(yè)園區(qū)附近土壤中的平均重金屬含量低于中國土壤環(huán)境質(zhì)量標準的二級標準，對植物和環(huán)境不構(gòu)成危害性影響。

2.2.3物種敏感度分布曲線法

土壤的理化性質(zhì)差異對重金屬污染的毒性效應有很大影響[34]，因此，充分考慮生物有效性的影響對于完善土壤介質(zhì)中重金屬SSD模型的意義重大。為了消除這種影響，一些學者建立了生物毒害模型，對不同土壤對應毒性進行歸一化預測[35]，并結(jié)合這些生物毒害模型，進一步構(gòu)建土壤介質(zhì)中的SSD模型[3637]，所得到的 SSD 研究結(jié)果更為科學，更宜于推廣使用。

王小慶等[38]利用不同SSD擬合了基于中國土壤的21個物種的銅毒理學數(shù)據(jù)，建立了不同土壤條件下銅的物種敏感性分布曲線，結(jié)果不僅顯示了不同土壤條件下的不同物種對銅毒害的敏感性分布規(guī)律，還為建立對應土壤性質(zhì)的銅生態(tài)閾值提供了可靠的科學基礎。采用邏輯斯蒂克分布（loglogistic distribution）模型和SSD分布方程，魏威等[39]研究了在2種不同土壤中添加不同水平的外源Zn后，對8種植物毒性的劑量效應關系及不同植物對外源Zn毒害的敏感性差異。結(jié)果表明，不同植物對Zn毒性的敏感性頻次分布有明顯差異，其中葉菜類植物對土壤中Zn的毒害較為敏感，而禾本科類植物對Zn具有較強的抗性，不同類型植物對土壤中Zn毒害的敏感性分布頻次順序與土壤性質(zhì)無關。

3結(jié)語

目前，在現(xiàn)有的生態(tài)風險評價方法中，有的方法只能應用于某種環(huán)境介質(zhì)中，如風險熵法、AQUATOX模型，而有的方法可以應用于不同的環(huán)境介質(zhì)，如物種敏感度分布曲線法既可以應用于水環(huán)境中，也可以應用于土壤中。

風險熵法可以確定某污染物是否有生態(tài)風險，并可以明確其生態(tài)風險的高低，適宜于水環(huán)境中低濃度污染物的生態(tài)風險評價，但其缺點是不能確定風險等級和危害的概率。該方法簡單、實驗費用低，能簡要地解釋風險，適應于單個化合物的毒理效應評估。

AQUATOX模型在風險評價中不僅考慮了污染物的直接毒性效應，還考慮了污染物通過食物網(wǎng)傳遞引起的間接生態(tài)效應。目前該模型被廣泛用于北美地區(qū)水體中有機氯農(nóng)藥、多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯及酚類化合物的生態(tài)風險評估。在中國，這一模型已經(jīng)被用來評價松花江硝基苯污染事件的生態(tài)風險。

物種敏感度分布曲線法（SSD）目前已經(jīng)被國際上多個國家和機構(gòu)確立為制定環(huán)境基準的方法，并應用于生態(tài)環(huán)境風險評價中。但由于國際上沒有權(quán)威研究證明SSD曲線屬于某一特定的曲線分布，因此尚沒有具體原則可以指導不同的研究者從國際上現(xiàn)有的多種擬合模型中，選擇適宜的擬合方法。

地積累指數(shù)法（Iego）不但考慮了人為污染因素和環(huán)境地球化學作用對背景值的影響，還考慮了自然成巖作用可能引起的背景值變動，彌補了其他評價方法的不足。Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法不僅考慮了重金屬含量，還將重金屬的生態(tài)效應、環(huán)境效應與毒理學聯(lián)系在一起，進而對潛在的生態(tài)危害進行評價。Iego主要考慮了重金屬的富集程度，而Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法在此基礎上還考慮了不同重金屬的生物毒性的影響。相比之下，Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法的評價結(jié)果更加全面和準確。

近年來，中國在污染物生態(tài)風險評價技術(shù)與方法方面取得了一些研究進展，但是相關的技術(shù)方法還不成熟，今后應加強對新型污染物的生態(tài)風險評價方法以及不同環(huán)境介質(zhì)中多種污染物共存時導致的生態(tài)風險的研究，豐富生態(tài)風險評價方法體系，為環(huán)境監(jiān)測與管理提供技術(shù)支持。

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2018年4月Journal of Hebei University of Science and TechnologyApr. 2018