應(yīng)用物種敏感性分布評價(jià)高鐵酸鉀對淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖生物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

曹國慶,殷玉婷,王新池,宋 超,2,3,4,①,杜立志,張建橋

〔1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)無錫漁業(yè)學(xué)院,江蘇 無錫 214081;2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心,江蘇 無錫 214081;3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品質(zhì)量安全環(huán)境因子風(fēng)險(xiǎn)評估實(shí)驗(yàn)室(無錫),江蘇 無錫 214081;4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100141;5.山東得和生物技術(shù)集團(tuán)有限公司,河北 濰坊 261309〕

我國是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國,隨著生活水平提高,人們對水產(chǎn)品的需求日益增加[1]。集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的迅速發(fā)展也給生態(tài)環(huán)境、水產(chǎn)品質(zhì)量等帶來了新的挑戰(zhàn)。比如在水產(chǎn)品養(yǎng)殖過程中投入過多的飼料餌料等,帶來了水體富營養(yǎng)化、養(yǎng)殖池塘底泥污染等問題[2-3]。水體富營養(yǎng)化會(huì)導(dǎo)致藻類瘋狂生長,會(huì)造成水華、水體腥臭、水體透明度下降、水中溶解氧下降等問題[4]。養(yǎng)殖水體中金屬離子濃度過高,會(huì)在養(yǎng)殖生物體內(nèi)富集,危害水產(chǎn)品質(zhì)量安全。這些問題不僅給養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)造成經(jīng)濟(jì)上的損失,如果后期養(yǎng)殖水體隨意排放,還會(huì)對周邊生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞,對生態(tài)系統(tǒng)平衡造成威脅[5]。在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中,往往會(huì)投加一些化學(xué)消毒劑、絮凝劑來進(jìn)行殺菌消毒沉降,投放這些化學(xué)試劑會(huì)打破池水微生物的生態(tài)平衡,對養(yǎng)殖生物造成毒害,更嚴(yán)重的是有些化學(xué)消毒劑有致突變、致癌、致畸等危害[6],可能對淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖生物以及食用者造成嚴(yán)重的身體傷害。在人們越來越重視食品安全的形勢下,高鐵酸鉀作為一種新型、高效、環(huán)保、低毒的化學(xué)物質(zhì),在防治病蟲害、改善養(yǎng)殖水體生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了巨大的作用,具有廣闊的應(yīng)用前景。

高鐵酸鉀是20世紀(jì)70年代開發(fā)的水處理劑,由美國學(xué)者Fremy在1841年首次合成,高鐵酸鉀固體為黑紫色晶體,極易溶于水,水呈紫紅色,具有很強(qiáng)的氧化性。高鐵酸鉀應(yīng)用廣泛,如生活用水處理、工業(yè)廢水處理、生物污泥預(yù)處理等多方面[7]。在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面,高鐵酸鉀也發(fā)揮著巨大的作用,可用于殺菌消毒、去除藻類物質(zhì)、去除有機(jī)無機(jī)污染物、去除水中重金屬等方面[6, 8],高鐵酸鉀可同時(shí)發(fā)揮氧化、吸附、絮凝、殺菌、增氧等作用,且在應(yīng)用過程中不產(chǎn)生致畸、致癌、致突變性副產(chǎn)物,被公認(rèn)為多功能綠色環(huán)保新型處理劑。目前國內(nèi)外研究主要集中在高鐵酸鉀的制備[9]、生產(chǎn)及其在水處理過程中的化學(xué)變化、處理水質(zhì)性能等方面,在高鐵酸鉀對淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖生物的毒理及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)方面的研究甚少,高鐵酸鉀在國內(nèi)水產(chǎn)行業(yè)雖已廣泛使用,但鮮見明確的基準(zhǔn)值研究。筆者以高鐵酸鉀為原料,采用物種敏感度分布法(species sensitivity distribution, SSD)來評價(jià)高鐵酸鉀對淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖生物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),為在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中準(zhǔn)確使用高鐵酸鉀提供科學(xué)依據(jù)以及理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試劑

高鐵酸鉀(CAS：39469-86-8),純度w>98%,由山東得和集團(tuán)提供。

1.2 供試生物

大型溞(在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)3代以上,出生24 h內(nèi)的幼溞);羊角月牙藻,處于對數(shù)生長期;斑點(diǎn)叉尾鮰、羅非魚、黃顙魚、斑馬魚、大口黑鱸、烏鱧、鯉魚、青蝦、中華絨螯蟹、克氏原螯蝦、南美白對蝦、草魚。大型溞與羊角月牙藻由江蘇衡譜分析檢測技術(shù)有限公司培養(yǎng),南美白對蝦由鹽城東臺(tái)養(yǎng)殖基地提供,青蝦、克氏原螯蝦、草魚采購于無錫水產(chǎn)市場,斑點(diǎn)叉尾鮰、斑馬魚、大口黑鱸、烏鱧、羅非魚、黃顙魚、鯉魚、中華絨螯蟹由江蘇省淡水水產(chǎn)研究所揚(yáng)中試驗(yàn)基地以及中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心提供。受試生物體長、體重及分類見表1。

1.3 急性毒性試驗(yàn)方法

14種淡水水生生物急性毒性試驗(yàn)參照文獻(xiàn)[10]中的方法。

預(yù)試驗(yàn)：按正式試驗(yàn)的條件設(shè)置若干質(zhì)量濃度組和空白對照組,均放置一定數(shù)目的試驗(yàn)生物,不設(shè)重復(fù),獲得高鐵酸鉀致受試生物100%存活和100%死亡的質(zhì)量濃度區(qū)間、受試藻100%抑制和100%無抑制濃度區(qū)間,進(jìn)一步選擇正式試驗(yàn)的濃度范圍,進(jìn)而確定正式試驗(yàn)質(zhì)量濃度組。

正式試驗(yàn)：設(shè)置5～7個(gè)不同質(zhì)量濃度組,并設(shè)置空白組和對照組,空白組和對照組均設(shè)置重復(fù),每個(gè)重復(fù)均放置一定數(shù)量的試驗(yàn)生物。開始試驗(yàn)后定時(shí)觀察記錄生物中毒現(xiàn)象及死亡數(shù),及時(shí)撈出死亡生物。根據(jù)各組受試生物在24、48、72 h的死亡數(shù)計(jì)算平均死亡率,利用直線回歸法求取線性回歸方程,并計(jì)算相應(yīng)的半數(shù)致死質(zhì)量濃度(LC50)。

表1 高鐵酸鉀急性毒性試驗(yàn)受試生物數(shù)據(jù)

1.4 SSD曲線擬合

物種敏感度分布法(SSD)于20世紀(jì)中后期由美國學(xué)者提出[11],后在歐洲、澳洲等地區(qū)推廣[12-14],用來評估生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),是一種根據(jù)劑量-效應(yīng)建立的外推評價(jià)方法之一。對某一物種而言,不同濃度或劑量的化學(xué)物質(zhì)會(huì)對其產(chǎn)生不同的影響,這種影響可用劑量-效應(yīng)曲線來描述,以此類推,對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)而言,化學(xué)物質(zhì)對生態(tài)系統(tǒng)的影響也符合特定的概率分布模型[15],如邏輯斯蒂分布、高斯分布等[16]。不同國家和地區(qū)推薦使用的擬合模型函數(shù)不同,如美國國家環(huán)境保護(hù)局推薦使用Log-normal模型[15],澳大利亞與新西蘭推薦使用Burr Ⅲ函數(shù)[17]。國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn),不同的化學(xué)物質(zhì)適用不同的函數(shù)模型[18-19],不同的參數(shù)擬合方法對擬合結(jié)果會(huì)有影響[20]。該研究使用常見的Log-logistics、Burr Ⅲ、Gaussian、Sigmoid、Exponential growth、Lorentzian這6種參數(shù)模型進(jìn)行擬合(表2),并以模型參數(shù)、相關(guān)系數(shù)、殘差平方和為標(biāo)準(zhǔn),選擇擬合優(yōu)度最佳的模型來評價(jià)高鐵酸鉀對淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖生物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

表2 6種擬合模型

SSD曲線擬合是將高鐵酸鉀的毒性數(shù)據(jù)用一個(gè)數(shù)學(xué)分布模型來描述,認(rèn)為獲得的毒理數(shù)據(jù)是來自于這個(gè)分布的大量樣本,最后通過擬合來求得參數(shù)。SSD的構(gòu)建與應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)步驟：(1)高鐵酸劑毒性數(shù)據(jù)獲取;(2)物種分組和數(shù)據(jù)處理;(3)SSD曲線擬合;(4)5%危害濃度值(hazardous concentration for 5% the species, HC5)和潛在影響比例值(potentially affected fraction, PAF)計(jì)算。

首先將毒性數(shù)據(jù)排序,并且計(jì)算每個(gè)物種的累計(jì)概率(y)。

y=i/(n+1)。

(1)

式(1)中,i為物種毒性值從小到大排序的秩;n為樣本數(shù)。

目前不同地區(qū)采用不同的擬合軟件來進(jìn)行SSD曲線擬合,如澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究部組織(CSIRO)提供Burrlioz計(jì)算軟件,該研究使用Origin 2021軟件來進(jìn)行曲線擬合。

1.5 5%危害濃度值和潛在影響比例值計(jì)算

SSD法分為正向法[21]與反向法[15],正向法是根據(jù)最佳擬合模型結(jié)合該模型參數(shù)得到確定的方程后,將污染物濃度帶入方程,計(jì)算PAF值。SSD反向法用于確定一個(gè)可以保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)中絕大部分生物物種的污染物濃度水平,一般使用HC5值,該值是指保護(hù)95%的生物濃度,在擬合曲線上對應(yīng)5%累計(jì)概率的毒物濃度即為HC5。該研究使用這2種方法來評估高鐵酸鉀實(shí)際使用中濃度的安全性。

2 結(jié)果與討論

2.1 淡水水生生物急性毒性試驗(yàn)結(jié)果

在以往研究中,部分學(xué)者會(huì)對某種毒性物質(zhì)的急性毒性數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化,通過急性慢性比ACR方法[15, 22]將急性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為慢性數(shù)據(jù),以此來反映真實(shí)暴露情況,但高鐵酸鉀在水質(zhì)處理過程中48 h內(nèi)會(huì)失效,無需進(jìn)行急性與慢性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化[23]。根據(jù)淡水水生生物的急性毒性試驗(yàn)方法得到毒性數(shù)據(jù),高鐵酸鉀對大型溞與羊角月牙藻毒性較強(qiáng);對其余12種水產(chǎn)養(yǎng)殖生物毒性較弱,72 h半數(shù)致死濃度均大于90 mg·L-1(表1)。

2.2 曲線擬合結(jié)果及其參數(shù)

回歸系數(shù)越接近1,殘差平方和越小,顯示擬合結(jié)果越好。利用Origin 2021軟件擬合曲線方程,結(jié)果見圖1和表3。

圖1 不同模型的SSD曲線擬合結(jié)果Fig.1 SSD curve fitting for different models

結(jié)果表明,6種擬合模型效果具有差異性,但總體擬合效果較好,Sigmoid、Log-logistics、Gaussian、Burr Ⅲ、Lorentzian這5種模型的R2均大于0.9,殘差平方和均小于0.1;Exponential Growth模型擬合效果較差,R2為0.874,殘差平方和為0.127。Sigmoid模型的R2為0.951,是6種模型中R2值最大的一種模型,且該模型殘差平方和僅為0.050,因此將Sigmoid作為最優(yōu)模型計(jì)算HC5值和PAF值。

2.3 HC5值與PAF值

在水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè),使用高鐵酸鉀是為了保護(hù)水產(chǎn)養(yǎng)殖生物,同時(shí)會(huì)在這個(gè)過程中調(diào)整使用濃度來抑制藻類生長、殺滅大型溞或其他病原微生物。因此,將14種毒性數(shù)據(jù)分為2類,一種全部為水產(chǎn)養(yǎng)殖生物的毒性數(shù)據(jù),另一種包含大型溞、羊角月牙藻在內(nèi)的全部淡水水生生物,比較2種類型生物根據(jù)Sigmoid模型的SSD曲線擬合得到的HC5值。

表3 擬合SSD曲線方程

HC5值是指高鐵酸鉀保護(hù)95%生物的濃度水平,將y=0.05帶入2個(gè)Sigmoid模型方程,進(jìn)而得出HC5值(表4和圖2)。結(jié)果表明,全部淡水水生生物的HC5值為68.2 mg·L-1,水產(chǎn)養(yǎng)殖生物的HC5值為95.3 mg·L-1。推導(dǎo)高鐵酸鉀水質(zhì)基準(zhǔn)的過程中,還需用HC5值除以一個(gè)合適的安全因子,該研究中安全因子取10,所以高鐵酸鉀對水生生態(tài)系統(tǒng)的基準(zhǔn)值為6.82 mg·L-1,對水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)生物的基準(zhǔn)值為9.53 mg·L-1。PAF是指潛在影響比例,將高鐵酸鉀不同的使用濃度帶入Sigmoid模型方程,即可得到PAF值。將高鐵酸鉀質(zhì)量濃度值0.1、10、50、100、500 mg·L-1帶入Sigmoid模型方程,得到的PAF值分別為0、0、1%、18%、85%。

表4 淡水水生生物和水產(chǎn)養(yǎng)殖生物的Sigmoid模型參數(shù)

圖2 14種淡水水生生物和12種水產(chǎn)養(yǎng)殖生物的Sigmoid模型

3 討論

目前中國淡水養(yǎng)殖品種為214種,其中魚類113種,且水產(chǎn)養(yǎng)殖種類組成的區(qū)域差異明顯,淡水養(yǎng)殖中魚類占據(jù)絕對優(yōu)勢[24],該研究中受試生物為水產(chǎn)養(yǎng)殖的代表性生物,研究結(jié)果具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

在基準(zhǔn)值推導(dǎo)過程中,SSD方法與傳統(tǒng)方法如評價(jià)因子法、毒性百分?jǐn)?shù)排序法相比,方法更簡單,生態(tài)學(xué)意義更明確[25]。如王香蘭等[25]對長三角地區(qū)毒死婢淡水水生生物基準(zhǔn)的研究發(fā)現(xiàn),評價(jià)因子法過分依賴敏感生物的毒性值,得出的基準(zhǔn)值可能會(huì)對淡水水生生物造成過保護(hù),毒性百分?jǐn)?shù)排序法只考慮少部分毒性數(shù)據(jù),會(huì)造成基準(zhǔn)值存在偏差。物種敏感度分布法在推導(dǎo)過程中考慮了所有的毒性數(shù)據(jù),因此推斷出來的基準(zhǔn)值更具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[14, 26]。

利用SSD方法進(jìn)行基準(zhǔn)值推導(dǎo)的過程中,毒性數(shù)據(jù)的選擇直接影響最后的基準(zhǔn)值。高鐵酸鉀用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)改良是由于其具有強(qiáng)氧化性,能夠氧化水體中的有機(jī)物,起到殺菌消毒等作用,其對水產(chǎn)生物的急性毒性也是因?yàn)镕e6+具有強(qiáng)氧化性,當(dāng)其作用于水體中,水體氧化還原電位(ORP)會(huì)逐漸降低并最終趨于穩(wěn)定,在48 h內(nèi)完全分解失去強(qiáng)氧化性,之后將不會(huì)對生物繼續(xù)造成毒害作用,高鐵酸鉀在水質(zhì)處理過程中48 h內(nèi)會(huì)失效[23],所以無需進(jìn)行急性毒性數(shù)據(jù)與慢性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。不同國家和地區(qū)在構(gòu)建SSD最小數(shù)據(jù)量上要求不同,歐盟要求至少包括敏感類群中的8個(gè)物種[14, 27],美國要求受試生物至少包括3門8科[28]。數(shù)據(jù)過多或過少都會(huì)導(dǎo)致擬合及推導(dǎo)過程出現(xiàn)偏差[28],數(shù)據(jù)樣本過少會(huì)導(dǎo)致擬合優(yōu)度下降以及增加不確定性,過多亦會(huì)導(dǎo)致HC5值出現(xiàn)偏差[14],所以要將數(shù)據(jù)控制在合理范圍內(nèi)[29]。筆者選取了14種淡水水生生物,其中包括水產(chǎn)行業(yè)中典型的12種養(yǎng)殖生物,尤其是藻類與大型溞這類浮游生物受高鐵酸鉀影響較大。該研究選擇的14種生物毒性數(shù)據(jù)既滿足了歐盟和美國的要求,又充分考慮了高鐵酸鉀對水產(chǎn)行業(yè)的應(yīng)用影響。

筆者研究表明,擬合模型的選擇不同會(huì)導(dǎo)致擬合優(yōu)度的差異,且不同的化學(xué)物質(zhì)適用的模型有所不同,這與之前的研究結(jié)果相似。如吳豐昌等[30]關(guān)于重金屬和持久性有機(jī)污染物的研究發(fā)現(xiàn),Logistics模型為Cr的最佳擬合模型;劉亞莉等[15]應(yīng)用物種敏感性分布評價(jià)敵敵畏對淡水生物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),發(fā)現(xiàn)BurrⅢ模型擬合優(yōu)度較好。該研究選用的6種模型中,Sigmoid模型對高鐵酸鉀毒性數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度最佳。

根據(jù)Sigmoid模型計(jì)算得到高鐵酸鉀對全部淡水水生生物系統(tǒng)的基準(zhǔn)值為6.82 mg·L-1,對整個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)生物的基準(zhǔn)值為9.53 mg·L-1。后者偏高的原因是除去藻與溞之外,高鐵酸鉀對水產(chǎn)養(yǎng)殖生物毒害作用很小。在實(shí)際應(yīng)用生產(chǎn)中,高鐵酸鉀的使用質(zhì)量濃度通常不會(huì)高于1 mg·L-1,并未超過基準(zhǔn)值[23]。根據(jù)PAF預(yù)測值,1 mg·L-1的高鐵酸鉀不會(huì)對淡水水生生物造成危害,因此高鐵酸鉀在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的安全性是非常值得肯定的。

高鐵酸鉀對不同種類和不同發(fā)育期的淡水水生生物毒性往往是不同的,相對而言發(fā)育期較短的淡水水生生物對高鐵酸鉀較為敏感,因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中建議采取少量多次的使用方式。同時(shí)也要指出,要想進(jìn)一步推導(dǎo)出更科學(xué)的基準(zhǔn)值,未來還需更多的水產(chǎn)養(yǎng)殖生物毒性數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

應(yīng)用物種敏感度分布法推導(dǎo)高鐵酸鉀基準(zhǔn)值時(shí),不同模型擬合優(yōu)度不同。研究表明,6種模型中Sigmoid模型對高鐵酸鉀毒性數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度最佳。根據(jù)Sigmoid模型擬合結(jié)果,高鐵酸鉀對全部淡水水生生物的基準(zhǔn)值為6.82 mg·L-1,對全部水產(chǎn)養(yǎng)殖生物的基準(zhǔn)值為9.53 mg·L-1。水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中,日常高鐵酸鉀使用質(zhì)量濃度不會(huì)超過1 mg·L-1,該使用濃度對應(yīng)的潛在影響比例PAF值為0,說明使用高鐵酸鉀不會(huì)對正常的水產(chǎn)養(yǎng)殖生物造成毒害。高鐵酸鉀是優(yōu)異的水質(zhì)改良劑,具有廣闊的應(yīng)用前景。