持久性有机污染物水生生态风险评价模式的建立与应用*

中国环境学会  2011年 03月31日

  赵 肖1 郭振仁1 周 雯1 段丽杰2
  (1. 环境保护部华南环境科学研究所,广州 510655;2. 中共广州市海珠区委党校,广州 510235)
   
  摘  要:针对目前对持久性有机污染物风险管理方面的研究不足,建立持久性有机污染物水生生态风险评价模式,分为五个阶段:风险源解析、受体评价、暴露评价、危害评价和风险综合评定。评价方法上,应用迁移模型分析污染物在不同介质中的分布,应用富集动力学分析水生生物对污染物的富集过程,应用Leslie矩阵模型分析污染物对种群生物量的影响,结合蒙特卡罗不确定性分析方法综合评定污染物暴露的水生生态风险。将模式应用于珠江口近岸海域滴滴涕影响带鱼种群的生态风险评价,结果表明在当前的滴滴涕水平下,95%概率对应带鱼种群一个世代1.6913%生物量的减少,风险为可接受的。较传统的环境风险评价方法,此模式定量化程度更高,适应于水环境中污染物的生态风险研究,其结果能为我国内陆和沿海水环境生态保护决策提供更直观、有效地支撑。
  关键词:持久性有机污染物;水生生态风险评价;珠江口;滴滴涕;带鱼
   
  Aquatic ecological risk assessment methods for the persistent organic pollutants
  Zhao Xiao1, Guo zhenren1, Zhou Wen1, Duan Lijie2
  (1. South China Institute of Environmental Sciences, MEP, Guangzhou, China, 510655; 2. Party School in Haizhu District of Guangzhou, China, 510235)
  Abstract: Aimed at the improvement of environmental risk management for the persistent organic pollutants (POPs), an ecological risk assessment was established used to estimate POPs threats to aquatic populations, which was divided into five stages (risk source analysis, risk receptor estimation, exposure estimation, damage estimation and total risk assessment). A bioaccumulation model was used to estimate the POPs concentration in zooplankton, benthos, and fish and the Monte Carlo (MC) simulation method was used to analyze the uncertainty in the bioaccumulation process. Then the chronic toxicity dose-response relationship, estimated by ICE and ACE software, was used to calculate the mortality rates in different stages with the POPs concentrations. Last, the demographic modeling (Leslie matrix) was used to assess the ecological risk of POPs damage on the population. The results show that a 1.6913% reduction in the biomass of the pinyin population was estimated for 95% probability in 10,000 MC simulations. Compared to the traditional environmental risk assessment method, this method can be applied to the aquatic risk assessment for a variety of pollutants and support the environmental decision-making for ecology protection of inland and nearshore water area, China.
  Key words: persistent organic pollutants, POPs; aquatic ecological risk assessment; Pearl River estuary; DDT; Pinyin


  持久性有机污染物(persistent organic pollutants, POPs)是当前环境科学研究的热点,指通过各种环境介质(大气、水、生物体等)能够长距离迁移并长期存在于环境,进而对环境生态和人类健康造成严重危害的天然或人工合成的有机污染物质[1]。具有以下特征:(1)难降解,具有长期残留性,长期停留在环境中。(2)亲脂性,具有生物积累性。(3)半挥发性和长距离迁移性。(4)高毒性,包括致癌性、生殖毒性、神经毒性、内分泌干扰特性等。一方面由于农用的需要,人们生产POPs,并施用于土壤和作物中。另一方面,金属冶炼、垃圾焚烧以及五氯苯酚和多氯联苯的生产,也将POPs带入环境[2]。
  我国作为一个化学品生产和使用大国,一些典型的POPs物质如多环芳烃,有机氯农药,多氯联苯等在环境中广泛分布,使我国面临POPs对生态环境和人体健康影响的压力与挑战。我国近年来对POPs已做了一些研究[3],主要集中在:(1)水环境中POPs的分布特征及来源;(2)POPs的环境行为与归趋;(3)多介质环境中POPs的迁移转化;(4)POPs对生物的影响;(5)POPs的污染治理。尽管研究已取得了一些进展,但由于我国长期以来对POPs污染的重视程度不够,导致相关的环境背景资料缺乏,难以实施有效地管理。因此,根据POPs的本质特征及其生态危害特性,基于目前的国际国内研究成果,有必要建立一套适用于环境管理的POPs水生生态风险评价模式。
   本研究针对目前对POPs风险管理方面的研究不足,应用数学模型及数值模拟方法建立POPs水生生态风险评价模式,并将模式应用于珠江口近岸海域。


  水生生态风险评价程序
 

  传统的环境风险评价程序是1983年美国科学院提出的风险评价四阶段法[4],包括:危害鉴定、剂量反应评估、暴露评估及风险评定四个阶段。此程序适用于健康风险评价,而水生生态风险具有自身的特点,如风险源的多样性、风险受体的生态特性、暴露方式的特殊性等,因此有必要对四阶段法进行改进。参照《建设项目环境风险评价技术导则》(HJ/T 169-2004),本研究将水生生态风险评价分为五个阶段:风险源解析、受体评价、暴露评价、危害评价和风险综合评定(图1)。
   
  水生生态风险风险评价方法


  风险源解析
  风险源解析指对区域中可能对生态系统或其组分产生不利影响的因素进行识别、分析和度量,即调查分析研究区域内污染物在不同介质中的分布及迁移过程。POPs在通过各种途径进入水环境后,水体和沉积物是最终归趋[5],POPs含量一般通过实测。
  当缺乏相关资料或实测难以实施时,应用有机物在水体—沉积物间的迁移分布方程分析)。
  其中,Koc——有机碳吸附系数;Csc——分配平衡时沉积物中单位质量有机碳吸附的污染物量,ng/g,采用式(2)分析;CDS——分配平衡时沉积物中水相(孔隙水)污染物浓度,ng/mL。
  其中,CTS——沉积物污染物总含量,ng/g;foc——沉积物有机碳含量,g/g。


  受体评价
  受体即风险承受者,在生态风险评价中指生态系统中可能受到来自风险源的不利作用的组成部分,它可能是生物体,也可能是非生物体。生态系统可以分为不同的层次和等级,在进行水生生态风险评价时,通常经过判断和分析,选取那些对风险因子的作用较为敏感或在水生生态系统中具有重要地位的关键物种、种群、群落乃至生态系统类型作为风险受体,用受体的风险来推断、分析或代替整个区域的生态风险。因此,受体评价包括对水生生态系统中不同物种的生物特性和种群现状的调查,建立适应评价目的的生态系统模型。


  暴露评价
  通常意义上的暴露评价是研究风险源在评价区域内的分布、流动及其与风险受体之间的暴露关系[6]。本研究进一步拓展了暴露评价的研究内容,即水生生态风险评价中的暴露评价是指,分析污染物在水生生态系统中的迁移分布过程,确定风险受体的污染物富集量。
  水生生态系统中的生物种群主要包括底栖生物、浮游生物和鱼类,针对不同的生物种群,需要采用相应的暴露评价模型,其中:(1)底栖和浮游生物暴露评价采用疏水模型,如式(3)和式(4);(2)鱼类暴露评价采用鱼体富集动力学模型,如式(5)。具体的模型细节及运行可参考作者的相关研究成果[7]。
  其中,Cz—浮游生物体有机物含量,μg/g;CTW—水体有机物总浓度,μg/l;FDW—水体中可被水生生物利用的有机物百分率,%;Lz—浮游生物脂肪含量,mg/g;Kow—有机物辛醇-水分配系数;CB为底栖生物体有机物含量,μg/g;CTS为底泥中有机物总含量,μg/kg;FDS为底泥中可被水生生物利用的有机物百分率,%;LB为底栖生物脂肪含量,mg/g。
  其中,Cf(t)——t时刻鱼体有机物含量,g/kg;Wf(t)——t时刻鱼体质量,kg;k1—呼吸吸收有机物速率常数,L/kg/d;kD—摄食吸收有机物速率常数,kg/kg/d;Pi—第i类食物摄食率,%;CD,i—第i类食物有机物含量,g/kg;k2—呼吸释放有机物速率常数,d-1;kE—排泄释放有机物速率常数,d-1;kM—新陈代谢释放有机物速率常数,d-1;kG—鱼体生长稀释有机物速率常数,d-1。


  危害评价
  危害评价是和暴露评价相关联的,其目的是确定风险源对风险受体的损害程度,多采用毒理实验外推技术,将实验结果与环境监测结果结合评价污染物对生物体的危害,表征采用毒理学剂量-反应关系。POPs对水生生物的危害多为低剂量长期暴露的慢性毒性危害,对此种危害的评价应采用慢性毒性试验来分析其剂量——反应关系[8]。但由于POPs及水生生物种类繁多,不可能进行一一试验分析,实验室低剂量条件与实际环境之间也存在较大差异,因此实际研究多采用种间毒性及急性——慢性毒性外推方式进行[9],此类研究目前也是环境毒理学的研究热点。EPA推荐的水生生物种间急性毒性推导模式ICE (Interspecies Correlation Estimations for Acute Toxicity to Aquatic Organisms and Wildlife)及急性——慢性毒性推导模式ACE (Acute-to Chronic Estimation with Time-Concentration-Effect Models) 是目前常用的危害评价模型[10],具体评价流程如图2所示。
 

  风险综合评定
  风险综合评定是前述评价部分的综合阶段,它结合暴露评价和危害评价的结果,考虑综合效应,评定区域综合生态风险度,并获得评价结论。水生生态风险的评定以风险受体种群生物量的变化表征风险的大小。鱼类是目前关注的重点,其生物量的分析采用Leslie矩阵模型[11],如式(6)。
   其中,ni(t)—t时刻第i个年龄组鱼类数量;ri—第i个年龄组鱼类性别比(雌雄比);Fi—第i个年龄组鱼类繁殖率(产卵量);Sii—第i个年龄组鱼类存活率;Si+1,i—第i个年龄组鱼类生长进入第i+1个年龄组的存活率。
   此外,本研究采用蒙特卡罗方法分析风险评价过程中的不确定性。


  水生生态风险评价模式的应用
  选择珠江口近岸海域作为研究区域,应用建立的模式评价DDTs对带鱼种群影响的生态风险。
  研究区域水体和沉积物DDTs分布特征


  珠江口近海水生生态系统
  根据2006年对珠江口近海渔业状况的调查资料[13],应用Ecopath建立的水生生态系统结构如图5。
  
  中华白海豚 Sousa chinensis;鲨鱼 Sharks;竹荚鱼 Trachurus japonicus;蓝园鲹 Decapterus maruadsi;带鱼科 Trichiuridae;蛇鲻属 Saurida;刺鲳Psenopsis anomala;条尾绯鲤 Upeneus bensasi;金线鱼科 Nemipteridae;大眼鲷科 Priacanthidae;其他中上层鱼类 Small pelagics;其他底层鱼类 Small demersals;其他底栖类动物Other zoobenthos;底栖甲壳类 Benthic crustaceans;多毛类 Polychaetes;软体类 Mollusks;棘皮类 Echinoderms;枪乌贼科 Loliginidae;虾类Shrimps;蟹类Crabs;水母 Jellyfish;浮游动物 Zooplankton;浮游植物 Phytoplankton;碎屑 Detritus
   
  带鱼富集DDTs动力学分析
  根据带鱼的生态特性,结合DDTs的分布及生态系统结构,应用富集动力学模型和蒙特卡罗方法模拟分析带鱼富集DDTs的动力学过程,结果如图6。
 

  风险综合评定
  DDTs对带鱼种群的影响主要体现在生物量的变化。根据DDTs的毒理学性质,结合富集动力学分析结果,应用Leslie矩阵模型和蒙特卡罗方法模拟分析DDTs的存在对带鱼种群生物量的影响,结果如图7。
  图7显示,在当前的DDTs水平下,95%概率对应带鱼种群一个世代1.6913%生物量的减少。根据EPA标准:95%概率对应5%生物量减少的风险为可接受风险。珠江口近海表层沉积物中DDTs危害带鱼种群的生态风险为可接受风险。
 

  结论
 

  改革开放以来,伴随着经济的迅猛发展,我国内陆和沿海水环境遭到日益严重的污染,主要污染物包括无机氮、磷酸盐、重金属、石油类及持久性有机污染物(POPs,Persistent Organic Pollutants)。污染主要分布在湖泊、河流、河口、海湾和人口密集、工业发达的大中城市邻近海域以及排污口附近海域。以POPs为代表的一类低剂量、可持续和累积毒性的污染物正逐渐成为影响我国生态环境和居民健康的重要因素,如何有效地监控其现状和发展趋势是当前的研究重点。
  本研究综合应用国际上POPs的最新研究成果,建立POPs水生生态风险评价模式,并将其应用于珠江口近岸海域DDTs影响带鱼种群的生态风险评价,结果表明在当前的DDTs水平下,95%概率对应带鱼种群一个世代1.6913%生物量的减少,风险为可接受的。较传统的环境风险评价方法,此模式定量化程度更高,适应于水环境中污染物的生态风险研究,其结果能为我国内陆和沿海水环境生态保护决策提供更直观、有效地支撑。
   
  参考文献:
  [1]   K. C. Jones,Voogt Pd. Persistent organic pollutants (POPs): state of the science [J]. Environmental Pollution, 1999, 100(1-3): 209-221.
  [2]   Jones KC,De Voogt P. Persistent organic pollutants (POPs): state of the science [J]. Environmental Pollution, 1999, 100(1-3): 209-221.
  [3]   谢武明,胡勇有,刘焕彬, et al. 持久性有机污染物(POPs)的环境问题与研究进展 [J]. 中国环境监测, 2004, 20(2): 58-61.
  [4]   Vincent T. Covello,Merkhofer MW. Risk Assessment Methods: Approaches for Assessing Health and Environmental Risks [M]. New York: A Division of Plenum Publishing Corporation, 1993.
  [5]   党志,于虹. 土壤/沉积物吸附有机污染物机理研究的进展 [J]. 化学通报, 2001, 64(2): 81-85.
  [6]   Chapman PM. Ecological risk assessment (ERA) and hormesis [J]. Science of the Total Environment, 2002, 288: 131–140.
  [7]   ZHAO X,ZHANG Y,LI S. Ecological risk assessment of DDT accumulation in aquatic organisms of Taihu Lake, China [J]. Human and Ecological Risk Assessment, 2008, 14(4): 819-834.
  [8]   孔志明主编. 环境毒理学 [M]. 南京: 南京大学出版社, 2005.
  [9]   程燕,周军英,单正军. 美国农药水生生态风险评价研究进展 [J]. 农药学学报, 2005, 7(4): 293-298.
  [10] El-Masri HA,Mumtaz MM,Choudhary G, et al. Applications of computational toxicology methods at the Agency for Toxic Substances and Disease Registry [J]. International Journal of Hygiene and Environmental Health, 2002, 205: 63-69.
  [11] Donnelly KC,Lingenfelter R,Cizmas L, et al. Toxicity assessment of complex mixtures remains a goal [J]. Environmental Toxicology and Pharmacology, 2004, 18: 135-141.
  [12] 骆世昌,余汉生. 珠江口及附近海域生物体中BHC和DDT的含量研究 [J]. 海洋通报, 2001, 20(2): 44-50.
  [13] 段丽杰,李适宇, 基于EwE的珠江口渔业和近海生态系统模拟研究, in 环境科学与工程学院.2009,中山大学:广州,
   
   
  
  *作者简介:赵肖,博士,从事环境风险评价、环境毒理学及海洋生态保护研究,zhaoxiao@scies.org
  基金项目:国家高技术发展计划(863)项目(2007AA06A404)

 
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