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

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。