基于累积概率分布法评估典型水环境因子对铜毒性的影响

评估典型水环境因子对金属毒性的影响对水质基准预测及修正具有重要意义。通过文献和数据库调研,收集了我国主要流域地表水硬度、DOC含量、pH等指标的测量数据。同时以斑马鱼为研究对象,开展了水体不同硬度、DOC含量、pH值等条件下Cu~(2+)对斑马鱼毒性变化研究。结果表明:我国主要流域地表水硬度、DOC含量和pH值等指标的变化范围分别为27. 6～1007. 3 mg/L,0. 64～45. 17 mg/L和6. 83～9. 49;硬度和DOC含量与Cu~(2+)对斑马鱼毒性呈显著线性关系,可用一级线性方程拟合;选取水体硬度、DOC含量和pH等因子5%和50%累积概率的值,比较各因子相同累积概率区间范围内Cu~(2+)对斑马鱼的毒性变化程度,得出DOC含量为我国主要流域地表水水环境因子中铜对斑马鱼毒性的最大影响因素。研究结果可为金属的水质基准的制修订提供参考。     

多因子影响下铜的水质基准及生态风险

为探究特定水环境中多因子影响下的铜水质基准及生态风险,采用物种权重敏感度分布法、水效应比法和生物配体模型推导保护太湖水生生物铜的水质基准.根据推导结果,推荐采用最大浓度基准值(CMC)1.43 μg/L和持续浓度基准值(CCC)1.33 μg/L.结合水效应比法和生物配体模型,采用联合概率法评估太湖铜的生态风险.结果表明,两种方法下丰水期5%水生生物受到铜慢性毒性影响的概率分别为23.43%和39.43%,而未考虑多因子影响的风险概率为85.01%,高估了太湖铜生态风险.可见,水环境多因子对水质基准和生态风险的影响不容忽视,我国目前使用的铜标准可能无法保护特定区域的水生生物.考虑多因子影响可提高基准值推导和风险评估的科学性,避免"过保护"和"欠保护"现象.     

人体健康水质基准特征参数研究及应用

人体健康水质基准是指在摄入饮用水和水产品时,保护人群健康不受危害的相对应水体中污染物的浓度.我国近年来系统开展了水质基准的研究,但在人体健康水质基准方面的报道相对较少.为保护我国人群健康免受水体中污染物的危害,依据人体健康水质基准制定方法,对基准制定过程中涉及的我国人群暴露参数〔体重（BW）、饮水量（DI）和水产品摄入量（FI）〕和水环境参数〔溶解性有机碳（DOC）、颗粒态有机碳（POC）浓度以及水生生物脂质分数〕进行研究与总结,建议在制定我国人体健康水质基准时,普通人群暴露参数BW、DI和FI分别采用61.9 kg、2.785 L/d和0.030 1 kg/d,水环境参数DOC和POC浓度分别采用2.68和0.73 mg/L,第2、3、4营养级淡水水生生物的脂质分数分别采用2.47%、3.08%、3.16%.基于我国人群暴露参数和水环境参数,推导了12种多环芳烃（PAHs）的人体健康水质基准,其中苯并[a]芘的基准值（4.53×10-4 μg/L）最小,蒽的基准值（173 μg/L）最大.此外,在人体健康水质基准的制定过程中,除饮水途径外,建议充分考虑食用水产品对人体健康产生的危害效应;针对关注区域、年龄组与致癌风险水平不同造成的基准值的较大差异,建议在人体健康水质基准制定过程中对其予以充分考虑.      

不同大型底栖动物快速生物评价指数对河流水质指示比较

大型底栖动物是河流健康评价中最常用的生物类群,鉴于在大区域/流域进行大量生物样品采集与生物评价时需要消耗大量的野外调查时间、实验室内鉴定时间等时间成本的问题,基于浑太河流域98个采样点的大型底栖动物数据(如物种、丰度、敏感值等)和环境因子〔ρ(COD_Mn)、ρ(NH₃-N)、ρ(TN)、EC(电导率)等〕,选择比较常用的5种大型底栖动物快速生物评价指数〔SIGNAL指数(stream invertebrate grade number-average level)、EPT-Fa指数(Ephemeroptera, Plecoptera, Trichoptera)、BMWP指数(biological monitoring working party)、ASPT指数(average score per taxon)和BP指数(Berger-Parker index)〕和1项生物完整性指数(benthic index of biotic integrity,B-IBI)进行比较. 通过Spearman秩相关性分析、主成分分析、线性拟合回归分析等方法比较6种生物评价指数的相关性,构建水环境污染梯度,识别出主要的水环境影响因子,并探讨5种大型底栖动物快速生物评价指数对主要水环境影响因子指示程度的差异性. 结果表明:①5种快速生物评价指数以及B-IBI指数之间均呈两两显著相关(|R|为0.35~0.94, P<0.01),说明它们在评估河流健康状况时具有较高的一致性. ②主成分分析结果显示,轴1的解释率为59.14%,可以有效表征主要的压力梯度,并且5种快速生物评价指数与轴1的线性拟合度均较高(R2为0.23~0.31, P<0.01). ③各快速生物评价指数与不同水质指标的线性拟合结果差异性较高,其中BMWP、EPT-Fa、SIGNAL和ASPT指数对ρ(COD_Mn)的线性拟合度均较高,BMWP指数对ρ(COD_Mn) (R2=0.47, P＜0.01)、ρ(NH₃-N) (R2=0.31, P＜0.01)、ρ(TN) (R2=0.27, P＜0.01)的线性拟合度较高,BP指数对ρ(BOD₅) (R2=0.22, P＜0.01)、EC (R2=0.24, P＜0.01)的线性拟合度较高. ④BMWP指数与B-IBI指数的相关性最为显著,并且二者对水质健康评价的结果最为接近;在浑太河流域河流水质状况评估中,BMWP指数应当作为首选快速生物评价指数.      

不同水化学特征下铜对小球藻的急性毒性研究

配制不同单因子Ca、Mg、Na、K、pH、DOC浓度,进行铜对小球藻的48h急性毒性试验,旨在全面考察每个水质指标对其毒性值的影响权重。结果显示,金属(Ca、Mg、Na、K)在铜对小球藻的毒性中影响不显著,并没有在铜对小球藻的毒性效应中起到竞争作用;pH在5.5~8.0变化导致IC_(50)(半抑制浓度)值有所变化,其存在关系式:IC_(50)=-3.41*pH+27.18(R~2=0.66);DOC(溶解有机碳)浓度变化(0~3.65mg/L)对IC_(50)值的影响最为显著,IC_(50)值增大62倍,其关系式为:IC_(50)=30.52*DOC+1.10(R~2=0.95),铜与DOC的络合大大降低了铜的生物有效性。     

镍的环境生物地球化学与毒性效应研究进展

目前镍的毒性评价大多基于单一指标和室内控制实验研究,如何综合考虑镍在水环境中的形态及天然复合水化学条件的影响,进而准确预测水体中镍的生物毒性是水质基准及生态风险评估领域的难题.本研究结合国内外最新研究进展,对镍的来源、形态、生物有效性、毒性机理、水质基准和标准及污水处理工艺等进行归纳总结.重点围绕镍的环境行为和毒性效应展开,剖析了水化学因子对镍生物有效性的影响,概述了镍对不同营养级水生生物的毒性表现,总结出镍对淡水水生生物的六大毒性作用机理,展望镍的生物有效性对毒性效应的影响趋势,对我国镍的淡水水生生物水质基准的制定具有重要意义.     

应用BLM模型预测我国主要河流中Cu的生物毒性

应用BLM模型对我国5条主要河流15个国控断面中铜的生物毒性进行预测,同时以虹鳟鱼为实验动物进行了实际水样的加标实验,得到实测生物毒性结果.结果表明,珠江、长江、淮河、松花江12个点位BLM模型预测LC50为0.13～0.46mg·L-1,利用虹鳟鱼进行的生物毒性测试结果为0.11～0.47mg·L-1,二者具有较好的一致性.对于黄河流域的3个点位,预测结果为0.42～1.00mg·L-1,实测结果为0.21～0.33mg·L-1,二者差距较大.根据预测结果与测试结果得到的水效应比(WER)范围分别为3.3～11.8与3.3～11.5(黄河流域,WERs值范围分别为10.5～25.0与5.3～8.3),均大于1.该研究提示,中国主要河流水系由于水化学条件不同,即使在相同的总Cu浓度下,所表现的毒性亦有很大差别;利用BLM模型和河流主要水质参数,则可以预测Cu的毒性.根据BLM模型获得的Cu的WERs值,将是制订中国流域水质标准的重要依据.     

BLM预测水中重金属生物有效性研究进展

生物配体模型( BLM)是利用环境参数来预测重金属生物有效性的模型.它生物受体位点作为生物配体,考虑了影响生物毒性的水化学性质,并把生物有效性的概念引入到水质标准中,在较宽的模拟水质范围内取得较好的预测效果.生物配体模型是多学科共同发展的成果,综合了金属在水环境中的化学、生物学、生理学等以及计算机科学方面的成果,这学科...     

中国氨氮水质基准研究支撑相关水质标准的科学制订

正水质基准是水质标准制(修)订的科学依据。在水专项课题"中国流域水环境质量基准与标准技术体系研究"和"重点流域优控污染物水环境质量基准研究"支持下,基于中国本土生物区系特征及流域水生态环境特征,对中国氨氮水质基准进行了研究,以期为中国氨氮水质标准的修订和科学实施提供参考。     

应用生物配体模型（BLM）研究辽河与太湖水体中铜对大型溞的急性毒性

应用生物配体模型(BLM)预测我国辽河与太湖的丰水期和枯水期4个点位铜对大型溞的急性毒性(48 h-LC50),与实际水样的毒性试验结果进行比较.结果表明,在辽河红庙子、太湖平台山和拖山这3个点位中的BLM预测48 h-LC50值为232.75~411.49μg·L-1,实测48 h-LC50值为134.55~350.00μg·L-1,两者具有较好的一致性,而辽河通江口点位,丰水期和枯水期BLM预测48 h-LC50值与实测值相差较大.BLM预测结果与实测结果得到的水效应比(WER)范围分别为2.18~5.79与1.88~11.15,均大于1.各点位的枯水期Cu对大型溞的急性毒性均大于丰水期,可能是Cu与溶解性有机质(DOC)络合降低了其毒性.     

The biotic ligand model: a model of the acute toxicity of metals to aquatic life

The United States Environmental Protection Agency (USEPA) has established nationally applicable water quality criteria (WQC) for metals that are designed to be protective of aquatic life. However, in some instances these criteria may be over-protective as a result of natural, site-specific differences in water quality characteristics. These differences affect metal speciation and bioavailability, fundamental considerations in assessing toxicity. Laboratory studies completed during recent years have advanced the current understanding of metal chemistry in aquatic systems, including the formation of organic and inorganic metal complexes and sorption to particulate organic matter. Parallel investigations have led to an improved understanding of the physiological basis of why metals are toxic to aquatic organisms. These studies have, in combination, led to an improved understanding of how site-specific water chemistry affects bioavailability, and how metals exert toxicity at the organism site of action, at the biotic ligand in the context of the model to be described. The biotic ligand model provides a quantitative framework for assessing metal toxicity over a range of hardness, pH and dissolved organic carbon (DOC) levels. The chemical equilibrium sub-model incorporates metal-biotic ligand interactions to compute metal accumulation at the site of action (e.g., the gill of a fish) as a function of water quality. The toxicity sub-model uses this computed accumulation level as the basis for successfully predicting observed variations in toxicity associated with changes in water quality. The results highlight the potential utility of this approach to provide an alternative means of developing site-specific permit limits and WQC. The ability of the model framework to quantitatively assess the effects of hardness, pH and DOC on toxicity, in comparison to current WQC for metals that typically vary with hardness alone, is a significant advance in understanding how site-specific conditions affect the toxicity of metals.     

Soft and sour: The challenge of setting environmental quality standards for bioavailable metal concentration in Fennoscandinavian freshwaters

The European Union Water Framework Directive (WFD) requires member states to ensure that all inland and coastal waters achieve ‘good’ water quality status. To this end, the WFD has set environmental quality standards (EQS) or Water quality criteria (WQC) for priority pollutants that include the four metals Cd, Ni, Pb and Hg. Many states have also chosen to set EQS for Cu and Zn. The use of bioavailability models to set EQS, paves the way for accepting higher local metal concentrations in waters where metal bioavailability is deemed low. The Biotic Ligand Model (BLM) concept has been proposed as a tool for estimating metal bioavailability and for calculating local EQS in the EU guidance document. The BLM estimates metal bioavailability based on the dissolved metal concentration and key ancillary water chemistry parameters (acidity, hardness and organic carbon content). The BLMs developed so far, have only been validated for water chemistry input parameters typical of Central Europe. However, the pH, alkalinity and dissolved organic carbon levels of a significant fraction of Fennoscandinavian (Finland, Norway and Sweden) freshwaters are outside the calibration range of currently available BLMs. The levels of Ca²⁺, alkalinity and pH in 75%, 29% and 22%, respectively, of the ca. 2500 Fennoscandinavian freshwater bodies investigated in this survey were outside the calibration range of tested BLMs. Moreover, a comparison of the ability of the tested BLMs to predict the acute and chronic copper toxicity to Daphnia magna and Rainbow trout indicated that the BLMs should be used with caution outside their current validation range. We conclude that more work is needed to extend the application of BLMs in the practical risk assessment to encompass a broader range of European freshwater bodies.     

Revisiting the aquatic impacts of copper discharged by water-cooled copper alloy condensers used by power and desalination plants

Power generation and desalination plants have used water-cooled copper alloy condensers since the 1960s. During the late 1970s some copper discharges associated with these condensers were implicated as a cause of adverse aquatic impacts and water quality criteria (WQC) exceedances. Given recent advances in monitoring and impact assessment techniques, it was therefore decided to complete an updated review of the aquatic impacts of copper alloy condenser discharges. In conducting such a review, it is necessary to accurately define both the exposure and effect levels of concern, and to consider bioavailability. The evaluation of copper exposure levels requires use of clean sampling and analytical techniques. A review of historical data showed that some previously reported copper data probably overstated actual levels due to failure to use these techniques. Further, the regulatory effect levels of concern, the WQC, have often been found to be overly protective relative to the level of protection intended by regulatory guidelines. Thus, WQC refinements have been introduced, including: a revision of the saltwater copper criterion, a recommendation to use dissolved copper to assess compliance, and development of procedures to set site-specific WQC. Considering the latter, the biotic ligand model, an evaluative tool that considers copper bioavailability, is introduced as a computational alternative to setting bioassay-based site-specific criteria. Based on the preceding considerations, bioavailable copper exposure levels are lower than previously believed, effect levels of concern (applicable site-specific WQC) have increased, and the desired level of protection has been achieved more frequently than previous analyses have indicated.     

铜对大麦(Hordeum vulgare)的急性毒性预测模型——生物配体模型

采用水堵的方法研究了Ca2 、Mg2 、K2 、Na2 和pH对大麦铜急性毒性的影响程度,并建立了一种用于预测铜对大麦急性毒性的生物配体模型(BLM).结果表明,高活度Mg2 (1.21 mmol·L-1和1.65 mmol·L-1)显著增加了大麦根伸长的半抑制浓度EC50(Cu2 )(以自由Cu2 活度表示),而Ca2 、K2 、Na2 对EC50(Cu2 )的影响没有达到显著水平.培养液中铜的形态分析和相关分析表明,pH值通过改变羟基铜(CuOH )的含量而影响铜的毒性.根据生物配体模型理论,估计了Cu2 、Mg2 、CuOH 和生物配体的络合平衡常数,分别为LogKCuBL=6.57,logKCuOHBL=7.03,logKHgBL=3.00.在此基础上通过计算得出,当50%的大麦根伸长被抑制时需络合66%的生物配体位点,利用上述参数建立的生物配体模型预测的EC50在实测值的2倍范围之内,远远低于仅考虑自由Cu2 毒性的12倍预测范围.结果说明,考虑了Mg2 竞争和CuOH 毒性建立的生物配体模型能够准确地预测铜对大麦的急性毒性.     

稀有鮈鲫物种敏感性及其在生态毒理学与水质基准中的应用

物种敏感性分析是水质基准及生态毒理学研究的关键环节,稀有鮈鲫（Gobiocypris rarus）作为我国鲤科鱼类的代表性受试鱼种,其对环境污染物的敏感性受到了国内外广泛关注.通过搜集稀有鮈鲫急性毒性数据,使用物种敏感度分布法比较分析稀有鮈鲫对15种典型环境污染物的敏感性,主要包括重金属（Zn2+、Cu2+、Cr6+、Hg2+）、VOCs（三氯乙烯、四氯乙烯、甲苯、邻苯二甲酸二丁酯）、苯胺类有机物（对氯苯胺、3,4-二氯苯胺）、含氯消毒剂（三氯异氰尿酸）和农药类有机物（毒死蜱、丁草胺、乙草胺、三唑酮）,并对稀有鮈鲫在水质基准和生态毒理学研究中作为本土受试生物的适用性进行了讨论.结果表明:稀有鮈鲫对各类环境污染物的敏感性普遍较高（平均累积概率为46%）,尤其对重金属和农药类有机物反应灵敏,其中对农药类有机物最为敏感（平均累积概率为26%）,表明稀有鮈鲫可作为潜在的水质基准研究的受试生物和水质监测指示生物.在鱼类敏感性排序中,鲤科鱼类对各类环境污染物较为敏感,其中小型鲤科鱼类——稀有鮈鲫在鱼类敏感性排序中位置稳定,对大多数污染物的敏感性超过斑马鱼、黑头呆鱼、日本青鳉等国际标准试验鱼种,并且具有本土性、易人工繁育、生物背景清晰等优点,表明稀有鮈鲫是现阶段我国水质基准及生态毒理学研究的潜在本土受试生物.      

流域水质目标管理技术研究(Ⅱ)——水环境基准、标准与总量控制

水环境质量基准与标准是有效实施环境水质目标的主要基础和管理依据. 明确了水环境质量基准与标准的基本概念,系统地介绍了国外水环境质量基准与标准的研究、使用现状以及我国流域水环境污染和环境标准建立的特征,阐述了水环境质量基准与标准在环境毒理学评估、污染物风险识别、水生态污染效应、沉积物质量控制研究等方面的应用与发展趋势. 结合我国水环境质量基准与标准研究的实际,提出了建立我国在新型污染物和复合污染水质基准两方面的研究内容,并对我国水质基准支持条件下的水生态安全以及污染物总量控制研究做进一步探讨.       

铜、锌对小麦的联合毒性及其预测模型研究

利用溶液培养实验,研究了不同Ca浓度和Cu/Zn配比下,Cu、Zn对小麦的联合毒性;基于毒性单位模型(TU)和生物配体模型(BLM),建立了Cu-Zn对小麦的联合毒性预测模型TUfmix-BLM.结果表明,随着溶液中Ca浓度增加,单一Cu和Zn的毒性均明显减弱.不同Ca浓度、不同Cu/Zn浓度配比下(1∶50、1∶200、1∶800),Cu-Zn联合毒性均表现为加和作用.基于Cu、Zn单一毒性的BLM络合常数,结合TU模型,预测了CuZn对小麦的联合毒性.与单独利用TU模型相比,TUfmix-BLM预测的RMSE从13.06减小到10.01,R2从0.89增加到0.94,表明TUfmix-BLM模型可以很好地预测Cu-Zn的联合毒性.