莫俊超,舒耀皋,董晶,郭丹丹,范賓,劉剛,
1. 上?;ぱ芯吭簷z測中心,上海 200062 2. 陶氏化學(xué)(中國)有限公司,上海 201203
預(yù)測沉積物-水微宇宙系統(tǒng)中化學(xué)品濃度變化的多介質(zhì)模型
莫俊超1,舒耀皋1,董晶2,郭丹丹1,范賓1,劉剛1,
1. 上?;ぱ芯吭簷z測中心,上海 200062 2. 陶氏化學(xué)(中國)有限公司,上海 201203
沉積物-水微宇宙系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織(Organisation for Economic Co-Operation and Development, OECD)頒布的化學(xué)品測試準(zhǔn)則中推薦的試驗(yàn)系統(tǒng)之一,可用來測試化學(xué)品對底棲生物的慢性毒性。為了在試驗(yàn)前對化學(xué)品的濃度變化進(jìn)行預(yù)測,進(jìn)而確定試驗(yàn)方法,以搖蚊慢性毒性試驗(yàn)系統(tǒng)為例,采用環(huán)境多介質(zhì)模型的建模方法,構(gòu)建了一種可通過化學(xué)品理化性質(zhì)和試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù),對化學(xué)品在沉積物-水試驗(yàn)系統(tǒng)中濃度變化進(jìn)行預(yù)測的模型。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料,給出了模型中試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)的推薦取值,并使用Matlab軟件中的Simulink工具對模型進(jìn)行編程和求解。以此模型為基礎(chǔ),給出了模型在3個(gè)方面的應(yīng)用,即預(yù)測蓄積時(shí)間、預(yù)測平衡時(shí)間以及擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對80種已有或假想化學(xué)品的蓄積時(shí)間和平衡時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算,得出的范圍分別為<1~204 d和<1~73 d。此外,適當(dāng)修改模型結(jié)構(gòu)和模型參數(shù),也可將其應(yīng)用于其他暴露場景中。但使用模型對化學(xué)品濃度進(jìn)行預(yù)測時(shí)發(fā)現(xiàn),模型僅對沉積物中化學(xué)品濃度的預(yù)測結(jié)果較為準(zhǔn)確,而對水中化學(xué)品濃度的預(yù)測結(jié)果與實(shí)測值相差1~2個(gè)數(shù)量級。模型對濃度的預(yù)測精度未來仍需進(jìn)一步提高。上述研究結(jié)果完善了沉積物-水微宇宙系統(tǒng)試驗(yàn)方法。
多介質(zhì)模型;微宇宙;沉積物;預(yù)測;濃度變化
沉積物-水微宇宙系統(tǒng)是一種可測試化學(xué)品對底棲生物慢性毒性的試驗(yàn)系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織(organisation for economic co-operation and development, OECD)頒布的化學(xué)品測試準(zhǔn)則中使用沉積物-水系統(tǒng)進(jìn)行的試驗(yàn)有:OECD 218試驗(yàn)[1]、OECD 219試驗(yàn)[2]、OECD 225試驗(yàn)[3]、OECD 233試驗(yàn)[4]和OECD 239試驗(yàn)[5]。在該試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行的試驗(yàn)可采用兩種加標(biāo)方法,即水體加標(biāo)法和沉積物加標(biāo)法。其中水體加標(biāo)法有一定的使用限制,其不適用于沉積物中的蓄積時(shí)間超過試驗(yàn)周期的場景[2, 4],因此需要在試驗(yàn)前確定化學(xué)品的蓄積時(shí)間。而沉積物加標(biāo)法的使用范圍較廣,大多數(shù)研究均使用沉積物加標(biāo)法進(jìn)行。在這種加標(biāo)法中,試驗(yàn)系統(tǒng)的平衡時(shí)間同樣需要在試驗(yàn)前確定。有研究者在試驗(yàn)前進(jìn)行了一次化學(xué)品的濃度變化測定試驗(yàn),以確定試驗(yàn)系統(tǒng)的平衡時(shí)間[6],但這種方法需要額外增加工作量;也有研究者在試驗(yàn)結(jié)束后使用化學(xué)品濃度變化的測定結(jié)果來說明試驗(yàn)所設(shè)的平衡時(shí)間符合試驗(yàn)要求[7],但這種方法存在潛在風(fēng)險(xiǎn);此外,大部分研究者僅將試驗(yàn)系統(tǒng)靜置于試驗(yàn)條件下2~14 d,并未對靜置時(shí)間是否足夠進(jìn)行解釋[8-12]。因此,無論試驗(yàn)以何種加標(biāo)法進(jìn)行,均需要一種預(yù)測試驗(yàn)系統(tǒng)中化學(xué)品濃度變化的方法,以指導(dǎo)試驗(yàn)的開展。目前,未見相關(guān)報(bào)道。
環(huán)境多介質(zhì)模型是預(yù)測化學(xué)品行為的常用方法,由Toronto大學(xué)的Mackay教授于1979年首次提出[13]。經(jīng)過30多年的發(fā)展和應(yīng)用,其適用性得到了廣泛的認(rèn)可。環(huán)境多介質(zhì)模型的應(yīng)用領(lǐng)域包括預(yù)測化學(xué)品的環(huán)境歸趨[14-15]、濃度變化[16]和長距離遷移能力[17-18]等方面。該模型針對各個(gè)介質(zhì)分別列出質(zhì)量平衡方程,通過計(jì)算機(jī)求解得出化學(xué)品在各個(gè)介質(zhì)中的濃度。目前已開發(fā)出多款環(huán)境多介質(zhì)模型計(jì)算軟件,例如Trent大學(xué)開發(fā)的基于三級穩(wěn)態(tài)多介質(zhì)模型的Level III軟件[19]和荷蘭國立公共衛(wèi)生與環(huán)境研究院開發(fā)的主要用于風(fēng)險(xiǎn)評估的Simple Box程序[20]等。但對于一個(gè)新的環(huán)境系統(tǒng),仍需要構(gòu)建特定的環(huán)境多介質(zhì)模型對其進(jìn)行研究。
本研究采用環(huán)境多介質(zhì)模型的建模方法,以搖蚊慢性毒性試驗(yàn)系統(tǒng)為例,建立沉積物-水微宇宙系統(tǒng)的多介質(zhì)模型,并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料給出試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)的推薦取值;然后以此模型為基礎(chǔ),得出其在試驗(yàn)中的應(yīng)用,同時(shí)進(jìn)行討論。
以搖蚊慢性毒性試驗(yàn)系統(tǒng)為例,建立沉積物-水試驗(yàn)系統(tǒng)的多介質(zhì)模型。
1.1術(shù)語定義
為了方便描述,避免引起誤解,首先對文中的3個(gè)術(shù)語進(jìn)行定義。
蓄積過程(accumulation process):指在水體加標(biāo)法中,沉積物中受試物濃度逐漸升高的過程。該術(shù)語僅針對水體加標(biāo)法。
蓄積時(shí)間(accumulation time, accumulation period):指在水體加標(biāo)法中,沉積物中受試物濃度達(dá)到最大值所需要的時(shí)間。該術(shù)語僅針對水體加標(biāo)法。
平衡時(shí)間(equilibration time, equilibration period):由于目前沒有文獻(xiàn)對平衡時(shí)間進(jìn)行詳細(xì)定義,為了方便討論,我們將其定義為:在沉積物加標(biāo)法中,化學(xué)品在水體中的濃度達(dá)到80%峰值濃度時(shí)對應(yīng)的時(shí)間。該術(shù)語僅針對沉積物加標(biāo)法。
1.2試驗(yàn)系統(tǒng)描述
在搖蚊慢性毒性試驗(yàn)中,應(yīng)盡量避免試驗(yàn)操作對試驗(yàn)系統(tǒng)的擾動,因此試驗(yàn)系統(tǒng)中沉積物的再懸浮可忽略;試驗(yàn)容器應(yīng)采取措施(如加蓋)防止水分和受試物的損失,因此試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)的取值可認(rèn)為在整個(gè)試驗(yàn)過程中恒定。以下的建模過程均基于這2點(diǎn)假設(shè)。
1.3質(zhì)量平衡方程
Mackay[21]在其著作中詳細(xì)描述了環(huán)境多介質(zhì)逸度模型,這里使用其中的建模方法。沉積物-水試驗(yàn)系統(tǒng)包括空氣、水和沉積物3種介質(zhì),每種介質(zhì)均為均勻相。其中空氣相中化學(xué)品的遷移轉(zhuǎn)化途徑有水相對空氣相的輸入、空氣相對水相的輸出以及空氣相內(nèi)的轉(zhuǎn)化,水相中化學(xué)品的遷移轉(zhuǎn)化途徑有沉積物相和空氣相對水相的輸入、水相對空氣相和沉積物相的輸出以及水相內(nèi)的轉(zhuǎn)化,沉積物相中化學(xué)品的遷移轉(zhuǎn)化途徑有水相對沉積物相的輸入、沉積物相對水相的輸出以及沉積物相內(nèi)的轉(zhuǎn)化。分別對這3個(gè)相編寫微分質(zhì)量平衡方程,如下:
方程中各參數(shù)的定義見表1。
表1 參數(shù)定義
1.4參數(shù)的計(jì)算
表1中各參數(shù)可根據(jù)化學(xué)品和試驗(yàn)容器的性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算,具體計(jì)算方法見表2。
1.5參數(shù)的獲取途徑及試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)取值
模型使用前,需獲取化學(xué)品的理化性質(zhì)和半衰期,以及試驗(yàn)容器尺寸等數(shù)據(jù)。對于已有化學(xué)品而言,這些數(shù)據(jù)均可通過文獻(xiàn)資料獲??;而對于新化學(xué)品而言,某些參數(shù)可能暫時(shí)無法獲取,需在相關(guān)測試結(jié)束后再確定這些參數(shù)取值。表3總結(jié)了進(jìn)行沉積物-水試驗(yàn)前應(yīng)獲取的參數(shù),以及這些參數(shù)可能的獲取途徑。
除了與化學(xué)品理化性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)Cs、PsL、KOW、τA1/2、τW1/2和τS1/2外,其他參數(shù)均與試驗(yàn)系統(tǒng)有關(guān)。我們在直徑11 cm的燒杯中(其中水相深度為8 cm,沉積物相深度為2 cm,空氣相深度為4 cm)使用人工配制沉積物進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),總結(jié)得出的試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)取值見表4。對于一個(gè)類似于表4中的試驗(yàn)系統(tǒng),可以以表4中的取值為起點(diǎn),對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,但數(shù)量級不應(yīng)進(jìn)行較大改變。
1.6模型的求解
使用Matlab R2015a中的Simulink組件對模型求解[24]。為了同時(shí)兼顧建模速度和模型直觀性,使用較復(fù)雜的S函數(shù)進(jìn)行計(jì)算程序的編寫。所構(gòu)建的Simulink模型見圖1,其中TestModel文件為用Matlab語言編寫的微分質(zhì)量平衡方程以及相關(guān)的參數(shù)賦值和計(jì)算語句。
圖1 沉積物-水體試驗(yàn)系統(tǒng)的Simulink模型Fig. 1 The Simulink model for sediment-water testing system
2.1水體加標(biāo)法
選擇合理的加標(biāo)介質(zhì)是試驗(yàn)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。Jungmann等[9]指出水體加標(biāo)似乎更能反映自然環(huán)境中化學(xué)品進(jìn)入沉積物的方式。此外化學(xué)品更易均勻分布于水體中,試驗(yàn)結(jié)果不會因化學(xué)品在加標(biāo)介質(zhì)中分布不均而受到影響,因此在獲取必需的數(shù)據(jù)后,應(yīng)首先嘗試水體加標(biāo)法的計(jì)算。步驟如下:1)設(shè)置積分器的初始條件為內(nèi)部,輸入水相逸度初始值;2)根據(jù)試驗(yàn)方法,設(shè)定模型的模擬時(shí)間;3)選擇ode15s
表2 參數(shù)的計(jì)算方法
表3 試驗(yàn)前應(yīng)獲取的參數(shù)及獲取途徑
表4 試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)取值
求解器和最大0.1 d的步長,運(yùn)行模型,得出化學(xué)品在沉積物相中的濃度變化曲線。若在試驗(yàn)結(jié)束時(shí),沉積物中化學(xué)品的濃度仍處于上升期,則該化學(xué)品不能使用前面設(shè)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行水體加標(biāo)試驗(yàn),需延長試驗(yàn)周期(例如更換暴露時(shí)間更長的物種)或者選擇沉積物加標(biāo)法進(jìn)行試驗(yàn)。
2.2沉積物加標(biāo)法
對于沉積物加標(biāo)法,化學(xué)品在試驗(yàn)前已加入至沉積物中,主要的傳質(zhì)過程為化學(xué)品從沉積物中向水中的擴(kuò)散。相對水體加標(biāo)法來說,沉積物加標(biāo)法的使用限制更少。
沉積物加標(biāo)法中需要在試驗(yàn)前進(jìn)行估算的參數(shù)為平衡時(shí)間,使用本研究所建立的模型進(jìn)行預(yù)測,步驟如下:1)設(shè)置積分器的初始條件為內(nèi)部,輸入沉積物相的逸度初始值;2)根據(jù)試驗(yàn)周期,設(shè)定模擬時(shí)間;3)選擇ode15s求解器和最大0.1 d的步長,運(yùn)行模型,得出化學(xué)品在水相中的濃度變化曲線;4)讀出水相中的峰值濃度,計(jì)算出80%峰值濃度對應(yīng)的時(shí)間,即為平衡時(shí)間。
2.3對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合
在試驗(yàn)結(jié)束后,可通過調(diào)整模型中不確定性較大的參數(shù),使用模型對化學(xué)品濃度變化的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。擬合后的模型可進(jìn)行以下兩方面的應(yīng)用:
(1)對模型輸入?yún)?shù)進(jìn)行敏感性分析,得出各參數(shù)的敏感性S,從而確定對化學(xué)品濃度變化影響較大的參數(shù)。敏感性S的計(jì)算方法可為[21,25]:
S=[(Y1.01-Y1.0)/Y1.0]/[(X1.01-X1.0)/X1.0]
其中X1.01、X1.0分別表示輸入?yún)?shù)取值1.01、1.0倍,Y1.01、Y1.0分別表示輸入?yún)?shù)取值1.01、1.0倍時(shí)的輸出結(jié)果。目前研究者對化學(xué)品在試驗(yàn)中濃度變化的解釋多為定性描述,若使用敏感性的定量分析結(jié)果進(jìn)行解釋,可使結(jié)論更具說服力。
(2)對化學(xué)品濃度的時(shí)間加權(quán)平均值進(jìn)行計(jì)算。目前在搖蚊慢性毒性試驗(yàn)中,研究者多使用初始濃度或?qū)崪y濃度進(jìn)行試驗(yàn)終點(diǎn)的計(jì)算,也有研究者按照OECD 211試驗(yàn)準(zhǔn)則,首先得出化學(xué)品濃度的時(shí)間加權(quán)平均值后,再據(jù)此進(jìn)行試驗(yàn)終點(diǎn)計(jì)算[10]。本研究提供一種新的時(shí)間加權(quán)平均值計(jì)算方法。時(shí)間加權(quán)平均值的計(jì)算原則為濃度曲線下的面積和時(shí)間加權(quán)平均值下的面積相等。在Simulink中,可通過圖2的計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)。模型計(jì)算結(jié)束后,3個(gè)Display模塊中將顯示每個(gè)相中化學(xué)品濃度的時(shí)間加權(quán)平均值。
3.1蓄積時(shí)間
以本研究建立的模型為基礎(chǔ),我們嘗試計(jì)算了80種已有或假想化學(xué)品的蓄積時(shí)間,得出的范圍為<1~204 d,其中OECD 218、219、225和233試驗(yàn)方法中推薦的有機(jī)參比物林丹、氟樂靈和五氯苯酚的計(jì)算結(jié)果見表5。試驗(yàn)周期一般不超過60 d??梢姡瘜W(xué)品進(jìn)行水體加標(biāo)試驗(yàn)時(shí),其蓄積時(shí)間有可能超過試驗(yàn)周期。因此在試驗(yàn)前對蓄積時(shí)間進(jìn)行預(yù)測,進(jìn)而確定水體加標(biāo)法是否適用,是非常有必要的。
圖2 Simulink模型中時(shí)間加權(quán)平均值的計(jì)算Fig. 2 Calculation for time-weighted means in the Simulink model
表5 有機(jī)參比物的理化性質(zhì)、半衰期及模型計(jì)算結(jié)果
注:林丹和五氯苯酚的理化性質(zhì)和半衰期取自文獻(xiàn)[21],氟樂靈的理化性質(zhì)和半衰期取自Level III軟件[19]中默認(rèn)的數(shù)值。
Note:Physicochemical properties and half-lives of lindane and pentachlorophenol were acquired from reference[21], and physicochemical properties and half-lives of trifluralin were acquired from the default values of Level III software[19].
表6 實(shí)測值與模型計(jì)算值的對比
3.2平衡時(shí)間
在沉積物加標(biāo)法中,水相中的濃度呈先升高后降低的趨勢。OECD 218和233試驗(yàn)方法推薦的平衡時(shí)間為48 h,但對于某些特殊化學(xué)品,因其在沉積物-水體系中擴(kuò)散非常緩慢,48 h的平衡時(shí)間不能讓化學(xué)品充分進(jìn)入水相中。我們嘗試計(jì)算了80種已有或假想化學(xué)品的平衡時(shí)間,得出的范圍為<1~73 d,其中有機(jī)參比物質(zhì)林丹、氟樂靈和五氯苯酚的計(jì)算結(jié)果見表5??梢?,化學(xué)品由于性質(zhì)差異,平衡時(shí)間也會有很大差別,試驗(yàn)前需要對其進(jìn)行預(yù)測,進(jìn)而優(yōu)化試驗(yàn)流程,提升試驗(yàn)質(zhì)量。例如,研究沉積物中六氯苯對搖蚊的慢性毒性效應(yīng)時(shí),使用模型可得出其平衡時(shí)間為73 d,遠(yuǎn)高于研究人員使用的2周的平衡時(shí)間[12]。綜上,對平衡時(shí)間進(jìn)行預(yù)測,是模型應(yīng)用的重要方面,也有利于試驗(yàn)的順利開展和試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)化。
3.3其他暴露場景中的應(yīng)用
本研究所建立的模型不僅可用于前文所述的單次給藥靜態(tài)場景中,也可用于其他暴露場景中。例如,使用適當(dāng)?shù)某绦蚓帉懩P偷妮斎牒瘮?shù),便可描述水體加標(biāo)法中上覆水更換或持續(xù)流動的場景;再如,使用積分器的觸發(fā)清零功能,周期性地將水相濃度歸零,便可描述沉積物加標(biāo)法中上覆水更換的場景。但在較復(fù)雜的沉積物-水微宇宙系統(tǒng)中使用本研究所建立的模型時(shí),可能需要對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大的修改。例如在OECD 239試驗(yàn)中,受試生物為大型水生藻類Myriophyllum spicatum,其對化學(xué)品的吸附、吸收和轉(zhuǎn)化的能力較強(qiáng),需要在模型中增加一個(gè)植物相來對受試物的濃度變化進(jìn)行研究。此外,其他暴露場景中的傳質(zhì)系數(shù)仍需開展相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行研究。
3.4化學(xué)品濃度的預(yù)測
使用模型對化學(xué)品濃度進(jìn)行預(yù)測,可以在試驗(yàn)前確定待測樣品的濃度范圍,進(jìn)而確定試驗(yàn)樣品的前處理和化學(xué)分析方法。表6對比了文獻(xiàn)中收集的化學(xué)品實(shí)測濃度和模型計(jì)算值??傮w來說,模型對沉積物中化學(xué)品的濃度預(yù)測較為準(zhǔn)確,均與實(shí)測值在同一數(shù)量級;而對水體中化學(xué)品濃度預(yù)測與實(shí)測值相差較大,相差1~2個(gè)數(shù)量級。模型計(jì)算值和實(shí)測值的差別可能是由以下幾方面原因所致:a)模型中半衰期等參數(shù)的不確定性較大[27],在試驗(yàn)前不能獲取其準(zhǔn)確值,這會影響模型的預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性;b)模型計(jì)算值為介質(zhì)中的平均值,而化學(xué)品在試驗(yàn)介質(zhì)中并非均勻分布,因此僅取一部分樣品進(jìn)行濃度分析會使實(shí)測值并不能代表試驗(yàn)介質(zhì)中的平均值;c)方法的回收率并未達(dá)到100%,使實(shí)測值與真實(shí)值存在一定偏差;d)試驗(yàn)系統(tǒng)存在擾動,使傳質(zhì)系數(shù)等試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)有所改變。如何提高模型預(yù)測化學(xué)品濃度的準(zhǔn)確性,仍需進(jìn)一步研究。
通訊作者簡介:劉剛(1958—),男,本科,教授級高工,主要從事化學(xué)品危險(xiǎn)性鑒定及安全評價(jià)研究。
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A Multimedia Model for Prediction of Chemicals Concentration Changes in Sediment-Water Microcosm Systems
Mo Junchao1, Shu Yaogao1, Dong Jing2, Guo Dandan1, Fan Bin1, Liu Gang1,*
1. Testing Centre, Shanghai Research Institute of Chemical Industry, Shanghai 200062, China 2. Dow Chemical (China) Company Limited, Shanghai 201203, China
7 March 2015accepted 5 May 2015
Sediment-water microcosm system, which is one of the recommended test systems in the OECD guidelines for the testing of chemicals, can be used to test chronic toxicity of chemicals to sediment-dwelling organisms. Before test performance, it is necessary to predict chemicals concentration changes and then confirm test method. This study aimed to build a mathematical model for this prediction. The model, parameterized for chironomid chronic toxicity test system as an example, could predict chemicals concentration changes in the sediment-water test system by chemical properties and test system parameters using multimedia environmental modeling approach. Combined with test data and documentation, recommended values were put forward for test system parameters in the model. The model was programmed and solved by Simulink tools in Matlab software. Based on the model, its three application fields were given, e.g. predicting accumulation period, equilibration period and matching test data. And then accumulation and equilibration periods of 80 existing or hypothetical chemicals were calculated, and scopes were <1-204 d and <1-73 d respectively. In addition, via modifying model structures and parameters properly, the model could also be applied in other exposure scenarios. However, when predicting chemicals concentrations, the model could only give relatively accurate results for chemicals concentration in sediment and the results for that in water deviated from the measured values by 1-2 order of magnitudes, which still needs to be improved further. The results presented in this study perfect the sediment-water microcosm system test method.
multimedia model; microcosm; sediment; prediction; concentration variation
上海市國際科技合作基金項(xiàng)目(13230700600)
莫俊超(1986—),男,碩士,工程師,研究方向?yàn)榄h(huán)境安全評價(jià),E-mail: mojunchao@aliyun.com
Corresponding author), E-mail: lgsds@vip.163.com
10.7524/AJE.1673-5897.20150307001
2015-03-07 錄用日期:2015-05-05
1673-5897(2015)6-101-09
X171.5
A
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