馬拉硫磷水生生物基準(zhǔn)推導(dǎo)研究

趙然然, 周軍英, 續(xù)衛(wèi)利

(1.南京信息工程大學(xué)江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇 南京 210044; 2.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 210042)

目前,我國農(nóng)藥原藥生產(chǎn)量超過140萬 t·a-1[1],農(nóng)藥施用量達(dá)50～60萬 t·a-1[2],長期大量生產(chǎn)和施用農(nóng)藥對地表水環(huán)境的負(fù)面影響日漸凸顯。長江三角洲流域是我國重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地,也是我國農(nóng)藥生產(chǎn)企業(yè)最集中地區(qū),生產(chǎn)農(nóng)藥品種多，產(chǎn)量大[3]。多年來,農(nóng)藥廠生產(chǎn)廢水和農(nóng)業(yè)面源污水對該區(qū)域地表水環(huán)境質(zhì)量和水生生態(tài)產(chǎn)生巨大壓力。

馬拉硫磷是一種速效、高選擇性有機(jī)磷類殺蟲殺螨劑,具有觸殺、胃毒和一定的熏蒸作用,作為取代高毒農(nóng)藥的主力品種在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用非常廣泛。然而,馬拉硫磷對生物有較強(qiáng)急性毒性,可作用于水生生物體內(nèi)乙酰膽堿酯酶,導(dǎo)致生物神經(jīng)傳導(dǎo)功能紊亂,并且能在動(dòng)物肝臟內(nèi)轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)物質(zhì),對水生生物造成危害。近年來,馬拉硫磷在全國多地水體中被檢出。馬拉硫磷在我國7大流域600多個(gè)點(diǎn)位水樣的檢出率為43.5%[4]。馬拉硫磷是長江三角洲地區(qū)常用農(nóng)藥品種之一,并且全國近半數(shù)馬拉硫磷原藥生產(chǎn)企業(yè)分布在該區(qū)域[5]。該區(qū)域水體受馬拉硫磷污染的狀況尤為嚴(yán)重,2011年浙江東苕溪水體被檢出馬拉硫磷[6];2012年杭嘉湖地區(qū)集中式飲用水源水體中馬拉硫磷檢出濃度達(dá)0.36 μg·L-1[7]。

水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)在水環(huán)境管理中發(fā)揮著重要作用,而水質(zhì)基準(zhǔn)值是標(biāo)準(zhǔn)制訂的基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)[8]2。與國外相比,我國水質(zhì)基準(zhǔn)研究起步較晚,研究基礎(chǔ)薄弱,雖然近年來取得一定成果,但總體上還處于學(xué)習(xí)和探索階段[9]。雖然GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》列出馬拉硫磷標(biāo)準(zhǔn)限值[10],但由于在標(biāo)準(zhǔn)制訂時(shí)缺乏我國農(nóng)藥環(huán)境基準(zhǔn)方面研究,定值主要參考國外環(huán)境基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn),并不能滿足我國水環(huán)境保護(hù)需要[11]。因此,筆者以長江三角洲流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,研究馬拉硫磷水生生物基準(zhǔn),為我國農(nóng)藥水質(zhì)基準(zhǔn)研究和地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)修訂提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1農(nóng)藥品種

w=45%馬拉硫磷乳油,由深圳諾普信農(nóng)化股份有限公司提供。

1.1.2試驗(yàn)物種

根據(jù)水生生物區(qū)域代表性、生物類群代表性、物種敏感性、物種經(jīng)濟(jì)與娛樂價(jià)值以及基準(zhǔn)值推導(dǎo)對毒性數(shù)據(jù)基本要求,選擇長江三角洲流域6門10科共12個(gè)代表物種進(jìn)行急、慢性毒性試驗(yàn),各試驗(yàn)生物物種及其特征詳見表1。

表1水生生物基準(zhǔn)制定受試物種及其特征

Table1Testspeciesofaquaticlifecriteriaandtheircharacteristics

物種名稱試驗(yàn)生物特征分類門綱科 大乳頭水螅(Hydra magnipa-pillata)出芽生殖1～4 d刺胞動(dòng)物門(Cnidaria)水螅綱(Hydrozoa)水螅科(Hydridae) 中華圓田螺(Cipangopaludina cathayensis)平均體重為0.13 g軟體動(dòng)物門(Mollusca)腹足綱(Gastropoda)田螺科(Viviparidae) 大型溞(Daphnia magna)實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)3代以上,出生6～24 h的幼溞節(jié)肢動(dòng)物門(Arthropoda)腮足綱(Branchiopoda)溞科(Daphnidae) 伸展搖蚊(Chironomus tentans)第3齡期幼蟲昆蟲綱(Insecta)搖蚊科(Chironmidae) 日本沼蝦(Macrobrachium nip-ponense)平均體重為1.8 g,平均體長為2.8 cm軟甲綱(Malacostraca)長臂蝦科(Palaemoni-dae) 斑馬魚(Danio rerio)平均體重為0.304 g,平均體長為2.62 cm脊索動(dòng)物門(Chordata)魚綱(Pisces)鯉科(Cyprinidae) 黃顙魚(Pelteobagrus fulvidra-co)急性毒性試驗(yàn)用魚平均體重為0.28 g,平均體長為2.4 cm;慢性毒性試驗(yàn)用魚平均體重為0.06 g,平均體長為1.5 cm鲿科(Bagridae) 中華大蟾蜍(Bufo gargarizans)平均體重為0.14 g,平均體長為2.0 cm兩棲綱(Amphibia)蟾蜍科(Bufonidae) 普通小球藻(Chlorella vulgari)處于對數(shù)生長期綠藻門(Chlorophyta)綠藻綱(Chlorophyceae)小球藻科(Chlorellaceae) 羊角月牙藻(Selenastrum capri-cornutum) 紫萍(Spirodela polyrrhiza)3～4葉紫萍被子植物門(Angiosper-ma)單子葉植物綱(Monocot-yledoneae)浮萍科(Lemnaceae) 浮萍(Lemna minor)3～4葉浮萍

為使制定基準(zhǔn)值的毒性數(shù)據(jù)更加豐富,經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲取斜生柵列藻(Scenedesmusobliquus)、非洲爪蟾蝌蚪(Xenopuslaevis)、中國林蛙蝌蚪(Ranachensinensis)、虹鱒魚(Oncorhynchusmykiss)、藍(lán)鰓太陽魚(Lepomismacrochirus)、鯉魚(Cyprinuscarpio)、斑點(diǎn)叉尾(Ictaluruspunctatus)、羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)、鋸齒新米蝦(Neocaridinadenticulate)和克氏原螯蝦(Procambarusclarkii)10個(gè)物種急性毒性數(shù)據(jù)[12-17]以及大型溞(Daphniamagna)、斑點(diǎn)叉尾和鯉魚(Cyprinuscarpio)3個(gè)物種慢性毒性數(shù)據(jù)[15]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1急性毒性試驗(yàn)

大乳頭水螅和中華圓田螺的急性毒性試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)[8]380-387和[18]。大型溞、斑馬魚、黃顙魚、中華大蟾蜍、日本沼蝦、普通小球藻和羊角月牙藻7種生物急性毒性試驗(yàn)參照文獻(xiàn)[19-22]。紫萍、浮萍生長抑制試驗(yàn)及搖蚊急性活動(dòng)抑制試驗(yàn)參照文獻(xiàn)[23]206-217。

其余10種物種的急性毒性試驗(yàn)數(shù)據(jù)由相關(guān)文獻(xiàn)得到。

1.2.2慢性毒性試驗(yàn)

僅對黃顙魚開展慢性毒性試驗(yàn),參照文獻(xiàn)[23]135-144,按照急性毒性試驗(yàn)方法對黃顙魚幼魚進(jìn)行預(yù)試驗(yàn),確定其暴露于馬拉硫磷溶液中時(shí)全部死亡的最低濃度和全部不死亡的最高濃度,在此濃度范圍內(nèi)設(shè)置5個(gè)濃度梯度,另設(shè)1個(gè)空白對照組,每組投入10尾幼魚。試驗(yàn)周期為28 d,在此期間每天早、中和晚定時(shí)喂食并觀察幼魚生長情況。

其余3種物種的慢性毒性試驗(yàn)數(shù)據(jù)由相關(guān)文獻(xiàn)得到。

1.2.3數(shù)據(jù)處理

對于藻類、紫萍和浮萍急性毒性試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Trimmed Spearman-Karber法計(jì)算半數(shù)效應(yīng)濃度值(ErC50),對于大型溞等其他生物急性毒性試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件計(jì)算受試生物在試驗(yàn)期內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)的半數(shù)抑制濃度值(EC50)或半致死濃度值(LC50)。對于黃顙魚慢性毒性數(shù)據(jù)的幼魚生長最大無影響濃度值(NOEC)(P<0.05)采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行方差分析。

1.3 馬拉硫磷水生生物基準(zhǔn)值推導(dǎo)

采用物種敏感度分布法(SSD)和毒性百分?jǐn)?shù)排序法2種方法推導(dǎo)馬拉硫磷水生生物基準(zhǔn)值。

1.3.1物種敏感度分布法(SSD)

SSD參見文獻(xiàn)[24],采用各物種LC50(或EC50)和NOEC值等急性或慢性數(shù)據(jù)構(gòu)建物種敏感度分布圖。將所有物種種平均毒性值由小到大排列,然后取對數(shù)值并計(jì)算累積概率,以濃度對數(shù)值為橫坐標(biāo)、以累積概率為縱坐標(biāo)作圖,選擇不同模型擬合SSD曲線。由分布模型對應(yīng)擬合公式計(jì)算對5%水生生物產(chǎn)生危害的污染物濃度,即HC5值。急性基準(zhǔn)值為5%短期危害濃度(STHC5)除以評價(jià)因子,該研究中評價(jià)因子為2;慢性基準(zhǔn)值為急性基準(zhǔn)值除以最終急慢性比。

1.3.2毒性百分?jǐn)?shù)排序法

毒性百分?jǐn)?shù)排序法參見文獻(xiàn)[25],將所有物種屬平均急性值(GMAV)從低到高排序,計(jì)算累積概率P后選擇4個(gè)P值接近0.05的物種的GMAV,計(jì)算最終急性值(FAV)。最終慢性值(FCV)由FAV除以急慢性比(FACR)得到。最終植物值(FPV)為水生植物毒性試驗(yàn)數(shù)據(jù)中最小值。最終殘留值(FRV)由污染物最大組織濃度除以生物富集系數(shù)得到?；鶞?zhǔn)最大濃度(CMC)為FAV除以2?；鶞?zhǔn)連續(xù)濃度(CCC)為FCV、FPV和FRV中的最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 急、慢性毒性結(jié)果

長江三角洲流域12種代表性水生生物急、慢性毒性試驗(yàn)結(jié)果和從相關(guān)文獻(xiàn)中獲取的13種代表性水生生物毒性數(shù)據(jù)見表2～3。

表2馬拉硫磷對水生生物急性毒性結(jié)果

Table2Theacutetoxicitydataofmalathiontotheaquaticorganisms

物種名稱毒性終點(diǎn)急性毒性值/(mg·L-1) 大乳頭水螅(Hydra magnipapillata)96 h-LC507.27 中華圓田螺(Cipangopaludina cathayensis)96 h-LC5030.58 大型溞(Daphnia magna)48 h-EC500.001 伸展搖蚊(Chironomus tentans)48 h-EC500.001 5 日本沼蝦(Macrobrachium nipponense)96 h-LC500.97 斑馬魚(Danio rerio)96 h-LC508.40 黃顙魚(Pelteobagrus fulvidraco)96 h-LC509.80 中華大蟾蜍(Bufo gargarizans)48 h-LC506.47 普通小球藻(Chlorella vulgari)72 h-ErC5024.87 羊角月牙藻(Selenastrum capricornutum)72 h-ErC5011.61 紫萍(Spirodela polyrrhiza)7 d-ErC5013.82 浮萍(Lemna minor)7 d-ErC5026.12 斜生柵列藻(Scenedesmus obliquus)72 h-ErC501.69[12] 非洲爪蟾蝌蚪(Xenopus laevis)96 h-LC506.756[13] 中國林蛙蝌蚪(Rana chensinensis)96 h-LC501.67[14] 虹鱒魚(Oncorhynchus mykiss)96 h-LC500.069[15] 藍(lán)鰓太陽魚(Lepomis macrochirus)96 h-LC500.031[15] 鯉魚(Cyprinus carpio)96 h-LC503.51[15] 斑點(diǎn)叉尾(Ictalurus punctatus)96 h-LC508.58[15] 羅氏沼蝦(Macrobrachium rosenbergii)96 h-LC500.013[15] 鋸齒新米蝦(Neocaridina denticulate)96 h-LC500.846[16] 克氏原螯蝦(Procambarus clarkii)96 h-LC501.75[17]

EC50和ErC50分別為半數(shù)抑制和效應(yīng)濃度值； LC50為半致死濃度值。

表3馬拉硫磷對水生生物慢性毒性結(jié)果

Table3Thechronictoxicitydataofmalathiontotheaquaticorganisms

物種名稱毒性終點(diǎn)慢性毒性值/(μg·L-1) 黃顙魚(Pelteobagrus fulvidraco)28 d-NOEC100 大型溞(Daphnia magna)21 d-NOEC 0.06[15]斑點(diǎn)叉尾(Ictalurus punctatus)28 d-NOEC1 500[15]鯉魚(Cyprinus carpio)28 d-NOEC 100[15]

NOEC為最大無影響濃度值。

2.2 水生生物基準(zhǔn)值的推導(dǎo)結(jié)果

2.2.1物種敏感度分布法

對22個(gè)物種急性毒性數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)正態(tài)分布檢驗(yàn)(Shapiro-Wilk檢驗(yàn)),顯著性水平P=0.27,在0.05和0.95之間,說明符合對數(shù)正態(tài)分布。采用物種敏感度分布法擬合效果較好的Sigmoid、Gaussian、Gompertz和Exponential Growth這4種模型[8]180推導(dǎo)基準(zhǔn)值,擬合結(jié)果見圖1和表4。

圖1 采用不同模型擬合馬拉硫磷的急性物種敏感度分布曲線

表4水生生物對馬拉硫磷敏感度分布函數(shù)

Table4Thefittedspeciessensitivitydistributionfunctionofaquaticlifetomalathionbydifferentmodels

物種敏感度分布模型擬合公式參數(shù)相關(guān)系數(shù)rHC5/(μg·L-1) Sigmoid模型f=a/{1+exp[-(x-x0)/b]}a=292.731 2,b=3.299 1,x0=22.270 00.987 01.748 Gaussian模型f=a·exp{-0.5·[(x-x0)/b]2}a=2 810.735 4,b=13.673 8,x0=58.061 00.986 22.765 Gompertz模型f=a·exp{-exp[-(x-x0)/b]}a=26 408.360 3,b=35.719 8,x0=86.472 10.985 53.585 Exponential Growth模型f=a·exp(b·x)a=0.342 3,b=0.302 50.987 01.731

HC5為對5%水生生物產(chǎn)生危害的污染物濃度。

由表4可知,4種模型分別得到的HC5值相差不大,其中Sigmoid和Exponential Growth 2種模型得出的結(jié)果最接近,且兩者擬合度較高,相關(guān)系數(shù)均為0.987 0,取其中的較低值,以Exponential Growth模型得到的1.731 μg·L-1為馬拉硫磷STHC5值。急性基準(zhǔn)值為STHC5除以2,即由物種敏感度分布法得到的馬拉硫磷水生生物急性基準(zhǔn)值為0.865 5 μg·L-1。

2.2.2毒性百分?jǐn)?shù)排序法

計(jì)算比較所有物種GMAV及各屬P值后,篩選出P值最接近0.05的溞屬、搖蚊屬、太陽魚屬和太平洋鮭屬,得到急性基準(zhǔn)值(CMC值)為0.400 0 μg·L-1。FCV值為0.033 4 μg·L-1,FPV值取水生植物毒性試驗(yàn)結(jié)果中最小值,即1 690 μg·L-1。由于我國目前未規(guī)定馬拉硫磷最大組織濃度,FRV值無法得出。馬拉硫磷慢性基準(zhǔn)值(CCC值)取FCV和FPV中最小值,即0.033 4 μg·L-1。

3 討論

水生生物基準(zhǔn)值是在一定數(shù)量毒性數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上依據(jù)合適計(jì)算方法推導(dǎo)得到的。由于不同地域水生生物區(qū)系分布和物種敏感性不盡相同,水生生物基準(zhǔn)值也相應(yīng)具有地域性,因此制定某國家或地區(qū)水生生物基準(zhǔn)值,必須以該國家或地區(qū)代表性水生生物物種毒性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。以馬拉硫磷為例,目前美國制定的馬拉硫磷基準(zhǔn)連續(xù)濃度(慢性基準(zhǔn)值)為0.100 μg·L-1,澳大利亞和新西蘭共同制定的慢性基準(zhǔn)值為0.05 μg·L-1,可以看出明顯不同。毒性數(shù)據(jù)數(shù)量和來源也要滿足一定的要求,美國采用毒性百分?jǐn)?shù)排序法推導(dǎo)水質(zhì)基準(zhǔn)值,規(guī)定至少需要來自3門8科的水生生物急性毒性數(shù)據(jù);歐盟采用物種敏感度分布法推導(dǎo)水質(zhì)基準(zhǔn)值,要求采用來自8種不同類群生物至少10個(gè)物種的毒性數(shù)據(jù);澳大利亞和新西蘭也采用物種敏感度分布法制定水質(zhì)基準(zhǔn)值,規(guī)定至少需要來自4個(gè)不同分類類群的5種生物的毒性數(shù)據(jù)。

所選受試物種是在對長江三角洲流域區(qū)系調(diào)查的基礎(chǔ)上,充分考慮水生生物的區(qū)域代表性、生物類群的代表性、物種敏感性、物種經(jīng)濟(jì)和娛樂價(jià)值以及作為試驗(yàn)生物的適合性等,既能夠體現(xiàn)長江三角洲流域水生生物區(qū)系特點(diǎn),生物分類和數(shù)量又均能滿足甚至超過國外對于基準(zhǔn)值推導(dǎo)受試物種選擇的要求,這些物種毒性數(shù)據(jù)能夠滿足基準(zhǔn)值推導(dǎo)要求。從生物分類上看,這些試驗(yàn)生物涵蓋了長江三角洲流域水生生態(tài)系統(tǒng)中刺胞動(dòng)物門、軟體動(dòng)物門、節(jié)肢動(dòng)物門、脊索動(dòng)物門、綠藻門及被子植物門6門10科12個(gè)代表物種,從這些物種在水生生態(tài)系統(tǒng)中的功能地位看,包括了初級生產(chǎn)者、初級消費(fèi)者和次級消費(fèi)者,涵蓋了水生生態(tài)系統(tǒng)的所有功能類群。為豐富毒性數(shù)據(jù),又查閱相關(guān)類群生物毒性數(shù)據(jù),補(bǔ)充10個(gè)物種急性毒性數(shù)據(jù)和3個(gè)物種慢性毒性數(shù)據(jù)。筆者共采用22個(gè)物種急性毒性數(shù)據(jù)和其中4個(gè)物種慢性毒性數(shù)據(jù)推導(dǎo)基準(zhǔn)值,保證了研究結(jié)果的科學(xué)性和可靠性。

采用物種敏感度分布法推導(dǎo)的急性基準(zhǔn)值和慢性基準(zhǔn)值分別為0.865 5和0.036 2 μg·L-1,采用毒性百分?jǐn)?shù)排序法推導(dǎo)的急性基準(zhǔn)值和慢性基準(zhǔn)值分別為0.400 0和0.033 4 μg·L-1,2種方法推導(dǎo)的基準(zhǔn)值相差不大,但毒性百分?jǐn)?shù)排序法推導(dǎo)的基準(zhǔn)值略低。通過比較2種推導(dǎo)方法推導(dǎo)過程發(fā)現(xiàn),物種敏感度分布法的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用可獲得的代表整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的毒性數(shù)據(jù),不足之處是沒有考慮污染物在生物體內(nèi)的富集效應(yīng)。毒性百分?jǐn)?shù)排序法的優(yōu)點(diǎn)是綜合考慮了急性效應(yīng)、慢性效應(yīng)和生物富集效應(yīng),但沒有考慮物種間營養(yǎng)級關(guān)系,最終用于計(jì)算基準(zhǔn)值的只是累積概率接近0.05的4個(gè)屬的毒性數(shù)據(jù),過于依賴于敏感物種數(shù)據(jù)。采用毒性百分?jǐn)?shù)排序法推導(dǎo)時(shí),采用4個(gè)屬(溞屬、搖蚊屬、太陽魚屬、太平洋鮭屬)急性毒性數(shù)據(jù),而馬拉硫磷作為一種殺蟲劑,動(dòng)物毒性高于植物,這造成毒性百分?jǐn)?shù)排序法推導(dǎo)的基準(zhǔn)值略低于物種敏感度分布法。為了充分保護(hù)長江三角洲流域水生生態(tài)系統(tǒng),選取2種方法中數(shù)值較低的作為推薦馬拉硫磷基準(zhǔn)值,即采用毒性百分?jǐn)?shù)排序法得到的急性基準(zhǔn)值為0.400 0 μg·L-1,慢性基準(zhǔn)值為0.033 4 μg·L-1。

GB 3838—2002中馬拉硫磷標(biāo)準(zhǔn)限值為50 μg·L-1,而筆者得出的馬拉硫磷對水生生物急性基準(zhǔn)值為0.400 0 μg·L-1,慢性基準(zhǔn)值為0.033 4 μg·L-1,標(biāo)準(zhǔn)限值遠(yuǎn)高于研究結(jié)果和國外相應(yīng)基準(zhǔn)值?？梢?我國馬拉硫磷水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對水生生態(tài)系統(tǒng)存在“欠保護(hù)”情況。期望推導(dǎo)出的馬拉硫磷急慢性基準(zhǔn)值可為我國現(xiàn)行地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)修訂提供科學(xué)參考。

4 結(jié)論

(1)以長江三角洲流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,在獲取代表性本土物種毒性數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,采用物種敏感度分布法和毒性百分?jǐn)?shù)排序法分別推導(dǎo)馬拉硫磷水生生物基準(zhǔn)值,并以毒性百分?jǐn)?shù)排序法推導(dǎo)出的基準(zhǔn)值為推薦基準(zhǔn)值,即急性基準(zhǔn)值和慢性基準(zhǔn)值分別為0.400 0和0.033 4 μg·L-1。

(2)研究得出的推薦基準(zhǔn)值與美國、澳大利亞和新西蘭提出的馬拉硫磷相應(yīng)基準(zhǔn)值比較接近。

(3)我國馬拉硫磷標(biāo)準(zhǔn)限值遠(yuǎn)高于研究得到的推薦基準(zhǔn)值和國外基準(zhǔn)值,對水生生物存在“欠保護(hù)”情況。