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    中國保護(hù)水生生物的甲基汞水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)制訂初探

    2020-05-19 13:09:36蘇海磊郭飛魏源時(shí)迪孫福紅
    關(guān)鍵詞:甲基汞基準(zhǔn)值水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

    蘇海磊,郭飛,魏源,時(shí)迪,孫福紅

    環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國環(huán)境科學(xué)研究院

    作為水環(huán)境管理的重要準(zhǔn)繩,水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是我國現(xiàn)階段環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]??茖W(xué)確定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)可以為我國水環(huán)境管理提供基礎(chǔ)依據(jù)[2-3],保護(hù)我國水生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定,有助于生態(tài)文明建設(shè)的順利推進(jìn)。保護(hù)水生生物的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是我國水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)體系的重要組成部分,如何科學(xué)確定水生生物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)逐步受到國內(nèi)環(huán)境保護(hù)工作者的高度重視。水生生物是水生態(tài)系統(tǒng)的最重要成分,保障水生生物的安全是水生態(tài)環(huán)境保護(hù)的前提與基礎(chǔ)。作為確定水生生物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的重要科學(xué)依據(jù)[4],我國的水生生物水質(zhì)基準(zhǔn)研究近年來取得了階段性的重大進(jìn)展,已經(jīng)開展了部分重金屬和有機(jī)污染物的水質(zhì)基準(zhǔn)值推導(dǎo)研究[4-9]。但這些水質(zhì)基準(zhǔn)值均是由水中濃度表示的水生生物急、慢性毒性數(shù)據(jù)推導(dǎo)得到,而對具有生物累積性的物質(zhì)(如甲基汞、硒)沒有考慮生物有效性和生物累積性,因此,采用該水質(zhì)基準(zhǔn)值可能對水生生物安全造成欠保護(hù)[10]。近年來,組織殘留濃度被推薦用于具有生物累積性污染物的水質(zhì)基準(zhǔn)推導(dǎo)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[10]。

    甲基汞是具較強(qiáng)生物有效性和毒性的有機(jī)汞形態(tài),可以對脊椎動(dòng)物造成神經(jīng)毒性、內(nèi)分泌干擾和生殖毒性等。甲基汞具有非常高的生物累積和放大效應(yīng),能夠?qū)λ鷳B(tài)系統(tǒng)造成較強(qiáng)的危害作用。有研究報(bào)道,通過食物鏈傳遞作用,魚類等水生生物可以從水中富集ngL級甲基汞高達(dá)10萬~20萬倍[11]。在我國各種環(huán)境介質(zhì)和生物體組織中都檢測到了甲基汞的存在[12-16]。研究表明,組織濃度是累積性物質(zhì)生物有效性的直接體現(xiàn)[10,17-18]。因此,使用基于組織濃度的毒性數(shù)據(jù)推導(dǎo)水質(zhì)基準(zhǔn)進(jìn)而確定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),能夠更加科學(xué)地保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)[19]。水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)水質(zhì)基準(zhǔn),適當(dāng)考慮國家的經(jīng)濟(jì)技術(shù)等條件及水體中污染物濃度水平而確定的[20],但如何將水質(zhì)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),一直以來都沒有具體的操作方法,是水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)制定中的一大難題[21]。

    加拿大和美國的環(huán)境保護(hù)部門均提出了基于組織殘留濃度的甲基汞野生生物基準(zhǔn)。其中,加拿大環(huán)境部(EC)使用雌貂和小海燕的體重和攝食率參數(shù)推導(dǎo)出甲基汞組織殘留基準(zhǔn)值為33 μgkg(以食物計(jì),全文同)[22];美國國家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)選取了五大湖5個(gè)代表性物種(貂、水獺、禿鷹、銀鷗和白腹魚狗)的體重和攝食率參數(shù)以及甲基汞在各營養(yǎng)級的生物累積因子,推導(dǎo)出基于水體甲基汞濃度的野生生物基準(zhǔn)值為1.3 ngL[23]。Zhang等[24]針對甲基汞暴露對野生鳥類的毒性效應(yīng),整理了最新毒性研究結(jié)果,結(jié)合中國代表野生鳥類的數(shù)據(jù),推導(dǎo)可以保護(hù)中國鳥類的野生生物基準(zhǔn)值,得到甲基汞基于飲食的組織殘留基準(zhǔn)值為9.81 μgkg。

    筆者基于組織濃度的毒性數(shù)據(jù)篩選,推導(dǎo)甲基汞的基于組織濃度的基準(zhǔn)值;結(jié)合甲基汞的生物累積因子,將基于組織濃度的基準(zhǔn)值轉(zhuǎn)化為甲基汞的保護(hù)水生生物水質(zhì)基準(zhǔn)值;最終結(jié)合甲基汞的環(huán)境預(yù)測濃度,初步確定甲基汞的保護(hù)水生生物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值。以期為科學(xué)確定生物累積性物質(zhì)的保護(hù)水生生物水質(zhì)基準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn),合理地保護(hù)我國的水生態(tài)系統(tǒng)及水環(huán)境質(zhì)量管理和水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供技術(shù)支撐。

    1 數(shù)據(jù)收集和分析方法

    1.1 數(shù)據(jù)收集

    從美國ERED組織-效應(yīng)數(shù)據(jù)庫中搜索甲基汞的基于水生生物組織的毒性——無觀察效應(yīng)濃度(no observed effects data,NOED)數(shù)據(jù),并按照國際認(rèn)可的毒性數(shù)據(jù)篩選原則,對搜索到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和篩選。對于只有最低可見效應(yīng)濃度(low observed effects data,LOED)而沒有NOED的數(shù)據(jù),采用公式NOED=LOED2計(jì)算得到[25]。篩選出的毒性數(shù)據(jù)如表1所示。

    表1 甲基汞的基于組織的毒性數(shù)據(jù)

    1.2 分析方法

    采用物種敏感度分布曲線(SSD),使用Origin 8.0軟件對獲得的毒性數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到甲基汞基于組織濃度的基準(zhǔn)值(TBC);再根據(jù)甲基汞的生物累積因子(BAF)[11],計(jì)算甲基汞的保護(hù)水生生物水質(zhì)基準(zhǔn)(WQC);然后通過對收集到的不同流域中甲基汞的濃度(C甲基汞)數(shù)據(jù)進(jìn)行累積概率分布模擬處理,得到預(yù)測環(huán)境濃度(PEC);最后綜合考慮WQC和PEC,確定甲基汞的保護(hù)水生生物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(WQS)。計(jì)算公式為:

    WQC=TBC/BAF

    (1)

    若WQC≥PEC,則WQS=WQC

    (2)

    若WQC

    (3)

    2 結(jié)果與討論

    2.1 基于組織濃度的水質(zhì)基準(zhǔn)值

    對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行甲基汞的物種敏感度分布擬合,結(jié)果如圖1所示。通過擬合方程獲得甲基汞的TBC。選擇可以保護(hù)90%水生生物的甲基汞濃度(HC10)作為甲基汞的TBC,即TBC=HC10=23.15 μg/kg,該值與甲基汞保護(hù)野生生物的組織殘留基準(zhǔn)值接近[22,24]。

    圖 1 甲基汞對水生生物的物種敏感度分布曲線Fig.1 Distribution curve of species sensitivity of methylmercury to aquatic life

    2.2 水質(zhì)基準(zhǔn)值確定

    使用魚類對甲基汞的BAF,將TBC轉(zhuǎn)化為以水中濃度表示的水質(zhì)基準(zhǔn)。由于魚類等通過水生食物鏈可以富集水中ng/L級甲基汞10萬~20萬倍[11],為了給水生生物最大限度的保護(hù),BAF取上述范圍內(nèi)的最大值,即為200 000 L/kg,根據(jù)式(1)計(jì)算得到甲基汞的WQC為0.12 ng/L。該基準(zhǔn)值低于US EPA推導(dǎo)的甲基汞保護(hù)野生生物水質(zhì)基準(zhǔn)值(1.3 ng/L)[23],這可能與本研究取的是甲基汞BAF的最大值有關(guān)。在確定水質(zhì)基準(zhǔn)值時(shí),若能獲得更加科學(xué)精確的甲基汞BAF數(shù)據(jù),則應(yīng)采用新的數(shù)據(jù)對本基準(zhǔn)值進(jìn)行校正與更新。

    2.3 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值推導(dǎo)

    通過文獻(xiàn)調(diào)研,收集了我國不同流域水體中甲基汞的濃度數(shù)據(jù),如表2所示。對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行了累積概率分布擬合,結(jié)果如圖2所示。取累積概率為90%對應(yīng)的濃度作為甲基汞的PEC,計(jì)算得到PEC為1.04 ng/L。

    表2 我國不同流域水體中甲基汞的濃度

    Table 2 Concentrations of methylmercury in surface water of different basins in China ngL

    表2 我國不同流域水體中甲基汞的濃度

    水體年份C甲基汞范圍均值松花江[26]2006 0~4.3751.21雅魯藏布江[27]20070.06~0.290.12漢豐湖[14]2010—20110.15~0.720.39烏江渡水庫[12]2006—20070.04~0.620.15阿哈水庫[12]20050.26~2.050.66烏江中上游水庫[12]2006—20070.05~0.320.11貴州草海[12]2005—20060.11~0.670.25烏江流域[12]2006—20090.08~0.150.12阿哈湖[12]20050.002~0.4300.23太湖[28]20110.10~0.270.19貴州高原水庫[12]20120.03~0.300.08貴州普定水庫[12]20070.06~0.180.10

    圖2 我國不同流域水環(huán)境中甲基汞濃度 的累積概率分布曲線Fig.2 Cumulative probability distribution curve of methylmercury concentrations in surface water of different basins in China

    由2.1和2.2節(jié)計(jì)算得到甲基汞的WQC和PEC分別為0.12和1.04 ng/L。由于WQC

    3 結(jié)論與展望

    基于甲基汞的組織濃度毒性數(shù)據(jù),計(jì)算了甲基汞基于組織濃度的基準(zhǔn)值為23.15 μg/kg,由此確定其保護(hù)水生生物水質(zhì)基準(zhǔn)值為0.12 ng/L,進(jìn)而推導(dǎo)了其適合我國水環(huán)境的水生生物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值為0.35 ng/L。該甲基汞水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值適用于對淡水水生生物的保護(hù)。由于本研究可獲得的毒性數(shù)據(jù)有限,在水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)推導(dǎo)過程中采用的毒性數(shù)據(jù)部分來自海洋生物,給推導(dǎo)結(jié)果增加了不確定性。當(dāng)可獲得充分的淡水生物毒性數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)采用新的數(shù)據(jù)對水質(zhì)基準(zhǔn)值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行更新。

    本研究結(jié)果為累積性物質(zhì)的水生生物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)制訂提供了一種定量的方法。但水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的確定,除了考慮污染物在地表水體中的濃度分布外,經(jīng)濟(jì)性分析也十分必要。當(dāng)可以獲得足夠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)在確定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值后,采用經(jīng)濟(jì)手段分析標(biāo)準(zhǔn)值造成的經(jīng)濟(jì)影響是否可接受,進(jìn)而判斷標(biāo)準(zhǔn)值在應(yīng)用中的合理性。

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