淡水環(huán)境中水生生物對(duì)甾體雌激素的物種敏感度分布

路 屏

(西安同展環(huán)境咨詢有限公司，陜西西安 710054)

環(huán)境激素又稱為內(nèi)分泌干擾物(endocrine disrupting chemicals，EDCs)，指通過(guò)干擾生物體內(nèi)荷爾蒙的產(chǎn)生、代謝、合成、轉(zhuǎn)化等影響生物體自身內(nèi)分泌系統(tǒng)的穩(wěn)定及平衡，進(jìn)而導(dǎo)致生物體生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖等生理功能異常的外源性物質(zhì)。甾體雌激素是具有雌激素活性的一類內(nèi)分泌干擾物，其內(nèi)分泌干擾能力較其他內(nèi)分泌干擾物具有效應(yīng)劑量小、危害程度強(qiáng)的特點(diǎn)(危害程度可達(dá)其他環(huán)境激素3個(gè)數(shù)量級(jí)以上)，極其微量的該類化合物便可對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的危害[1]。甾體雌激素污染主要來(lái)源于動(dòng)物和人類排放的天然雌激素及避孕藥生產(chǎn)和使用中排放的人工合成雌激素。隨著社會(huì)人口增加、生活需求的不斷擴(kuò)大和避孕藥的大量使用，甾體雌激素在水環(huán)境中的排放和污染日益嚴(yán)重，對(duì)水生生物的危害也越加顯著。開展水生生物對(duì)甾體雌激素類內(nèi)分泌干擾物的物種敏感度分布(species sensitivity distribution，SSD)研究，有利于更清晰地認(rèn)識(shí)和了解甾體雌激素對(duì)水生生物種群的危害程度和特點(diǎn)，并為進(jìn)一步制定甾體雌激素環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

SSD是制定污染物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)和進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)采用的重要方法。通過(guò)構(gòu)建污染物污染濃度與物種敏感度的概率分布函數(shù)，描述不同物種對(duì)某一污染物的敏感度差異，進(jìn)而得到危害5%物種(即保護(hù)95%物種)的HC5(hazardous concentration for 5% the species)閾值。

甾體雌激素類包括雌酮(E1)、雌二醇(E2)、乙炔基雌二醇(EE2)、雌三醇(E3)等，本研究以其中典型的E2及EE2為研究對(duì)象。選用其對(duì)我國(guó)淡水水生物種的慢性毒性數(shù)據(jù)，建立我國(guó)淡水水生生物基于自然對(duì)數(shù)-累積正態(tài)分布函數(shù)的SSD模型，得到E2及EE2對(duì)淡水水生生物物種的HC5值，并推導(dǎo)出基準(zhǔn)連續(xù)濃度，為今后建立甾體雌激素的水生生態(tài)基準(zhǔn)及進(jìn)行水生生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)及方法支持。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

本研究所用的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于美國(guó)環(huán)保署毒理學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.epa.gov/ecotox)。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性，篩選了實(shí)驗(yàn)室條件下甾體雌激素對(duì)我國(guó)淡水水域中的水生生物、淡水介質(zhì)中的慢性毒性數(shù)據(jù)——無(wú)觀察效應(yīng)濃度(no observed effect concentration，NOEC)構(gòu)建SSD模型，并明確給出甾體雌激素對(duì)各類水生生物物種的生理效應(yīng)影響。

1.2 SSD模型的建立

目前，SSD模型的建立仍然沒(méi)有統(tǒng)一的方法和程序[2]。本研究應(yīng)用藥效學(xué)S型劑量效應(yīng)曲線擬合的數(shù)學(xué)模型，建立基于自然對(duì)數(shù)-累積正態(tài)分布的SSD模型，不僅對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)能較好地?cái)M合，而且具有生理學(xué)含義[3]，如式(1)。

(1)

其中：F(X)——累積概率；

X——毒性濃度的自然對(duì)數(shù)值(即物種NOEC的自然對(duì)數(shù)值)；

μ——樣本濃度自然對(duì)數(shù)的平均值(即物種NOEC自然對(duì)數(shù)的平均值)；

σ——樣本濃度自然對(duì)數(shù)值的方差(即物種NOEC自然對(duì)數(shù)值的方差)。

累積分布函數(shù)確定后，以對(duì)數(shù)濃度為橫坐標(biāo)，累積概率為縱坐標(biāo)，即可得到其SSD曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 參數(shù)計(jì)算和SSD曲線擬合

E2及EE2的慢性毒性數(shù)據(jù)中，涉及的水生生物物種包括魚類、軟體動(dòng)物、浮游動(dòng)物等，所篩選的毒性數(shù)據(jù)分別如表1～表2所示。對(duì)同一物種的不同慢性毒性數(shù)據(jù)，通過(guò)NOEC矯正值統(tǒng)一參與參數(shù)計(jì)算。

表1 E2慢性毒性數(shù)據(jù)Tab.1 Chronic Toxicity Data of E2

表2 EE2慢性毒性數(shù)據(jù)Tab.2 Chronic Toxicity Data of EE2

應(yīng)用最大似然法，得到基于自然對(duì)數(shù)-累積正態(tài)分布的E2的SSD模型參數(shù)：μ=5.487 5，σ=4.657 8；EE2的SSD模型參數(shù)：μ=1.403 5，σ=5.044 2。根據(jù)所得參數(shù)得到E2的累積正態(tài)分布函數(shù)如式(2),EE2的累積正態(tài)分布函數(shù)如式(3)。

(2)

(3)

以物種慢性毒性值的自然對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)、累積概率為縱坐標(biāo)，得到E2的SSD擬合如圖1所示，EE2的SSD擬合如圖2所示。

圖1 E2 SSD曲線Fig.1 SSD Curve of Aquatic Species for E2

圖2 EE2 SSD曲線Fig.2 SSD Curve of Aquatic Species for EE2

2.2 估算HC5

根據(jù)HC5閾值危害5%物種，即保護(hù)95%物種的生態(tài)意義，在E2和EE2的SSD曲線圖上，從累積概率5%反推即可得到E2和EE2對(duì)水生生物的HC5分別為0.113 7 μg/L和0.001 0 μg/L。

3 討論

由圖1與圖2可知，虹鱒、青鳉、孔雀魚對(duì)E2的反應(yīng)較敏感，淡水藻、吳郭魚、鯉魚對(duì)E2的抵抗力較強(qiáng)；稀有鮈鯽、大羊角螺、貂蛙對(duì)EE2的反應(yīng)敏感，灣海龍對(duì)EE2的抵抗力較強(qiáng)。食蚊魚對(duì)EE2的抵抗力較強(qiáng)但對(duì)E2較為敏感，主要原因可能是EE2和E2對(duì)其的生理效應(yīng)不同。當(dāng)E2作用于食蚊魚的生殖系統(tǒng)，影響其求偶、交配行為時(shí)，其NOEC僅為0.5 μg/L;而當(dāng)EE2作用引起食蚊魚死亡時(shí)，其NOEC為10 000 μg/L。表明甾體雌激素對(duì)水生生物內(nèi)分泌系統(tǒng)的干擾較其他生理影響更為敏感。此外，同一物種暴露同一介質(zhì)下，引起相同生理危害時(shí)，暴露時(shí)間越長(zhǎng)，甾體雌激素對(duì)物種的NOEC值越小，例如，青鳉接觸EE2環(huán)境7 d時(shí)，誘導(dǎo)產(chǎn)生卵黃蛋白原的NOEC為20 μg/L，而接觸38 d時(shí)誘導(dǎo)產(chǎn)生卵黃蛋白原的NOEC僅為0.001 μg/L。這說(shuō)明即使甾體雌激素劑量微小，水生生物長(zhǎng)久暴露，其仍能在機(jī)體內(nèi)累積存賦，引起生理毒害。

本研究采用慢性毒性值建立SSD模型，符合甾體雌激素類產(chǎn)生效應(yīng)劑量低、長(zhǎng)久暴露、累積存賦的特點(diǎn)，更貼合實(shí)際環(huán)境。生物慢性毒性效應(yīng)的表征常使用NOEC和LOEC(最低可觀察效應(yīng)水平)，本文為保證數(shù)據(jù)的嚴(yán)整和規(guī)范，均統(tǒng)一采用NOEC。根據(jù)U.S.EPA《推導(dǎo)保護(hù)水生生物及其用途的國(guó)家水質(zhì)基準(zhǔn)的技術(shù)指南》中水生生物的慢性毒性值擬合所獲得HC5與基準(zhǔn)連續(xù)濃度(criteria continuous concentration，CCC)等值的數(shù)量關(guān)系，可推導(dǎo)出E2和EE2的CCC分別為0.113 7 μg/L和0.001 0 μg/L。

本研究采用的自然對(duì)數(shù)-累積正態(tài)分布的SSD模型符合藥效學(xué)S型劑量效應(yīng)曲線擬合，由圖1與圖2可知，該模型對(duì)E2和EE2的劑量效應(yīng)擬合較好。EE2的SSD曲線較E2的SSD擬合的“S”型較為顯著，這說(shuō)明SSD模型對(duì)生物毒性數(shù)據(jù)的依賴程度高，當(dāng)生物毒性數(shù)據(jù)越多時(shí)，劑量效應(yīng)的S型擬合越好。目前，我國(guó)已有的甾體雌激素類內(nèi)分泌干擾物對(duì)水生生物的慢性毒性研究數(shù)據(jù)有限且研究成果較分散，因此，完善水生生物的毒理性試驗(yàn)研究及建立國(guó)家生物毒理學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)是亟需加強(qiáng)的基礎(chǔ)性和重要性工作。

4 結(jié)論

(1)本研究首次開展我國(guó)境內(nèi)淡水水生生物在甾體雌激素影響下的劑量效應(yīng)分析，研究符合我國(guó)水生生物特性的甾體雌激素物種敏感度分布研究。

(2)初次建立基于物種慢性毒性值的自然對(duì)數(shù)-累積正態(tài)分布SSD模型，得出E2和EE2的SSD曲線，推導(dǎo)出E2和EE2的HC5分別為0.113 7 μg/L和0.001 0 μg/L。

(3)依據(jù)擬合頻數(shù)分布模型所得的HC5與CCC相等的數(shù)值關(guān)系，得出E2和EE2對(duì)水生生物的CCC分別為0.113 7 μg/L和0.001 0 μg/L，為今后制定甾體雌激素類內(nèi)分泌干擾物的環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)提供參考，為制定甾體類污染物的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。