太湖梅梁灣水源地沉積物多環(huán)芳烴的生態(tài)和健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

太湖梅梁灣水源地沉積物多環(huán)芳烴的生態(tài)和健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

1半干重質(zhì)碳酸鈣pahs太湖梅良灣是無錫最大的飲用水水源。它的水質(zhì)直接關(guān)系到無錫居民的健康和生活。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新水源增多，水源污染逐年加劇。除了富營養(yǎng)化（jn，2003；zhangy峰等，2005）外，還有一些永久性藥物，具有強(qiáng)烈的生物固存性和生物更新潛力對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康產(chǎn)生了潛在影響（ta等人，2006；羅曉軍等人，2006）。二氧化二氮卓（pahs）是水環(huán)境中的一種常見藥物，具有遺傳毒性、芳醇族群落效應(yīng)和內(nèi)臟器官干擾等。根據(jù)之前的研究，這可能是太湖梅良灣水生生物區(qū)系中最常見的有毒有機(jī)風(fēng)險(xiǎn)因素之一（lijun等人，2006；qua等人，2006a）。沉積物的濃度與國內(nèi)外其他沉積物相比呈平均污染，主要來源于流域內(nèi)的焦耳其人或焦耳其人的熱解過程（quanyaa等人，2006b）。目前，中國沒有淡水沉積物的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，只有苯基a的限制，其他pahs沒有明確的限制。然而，事實(shí)上，環(huán)境中的pahs通常會積累大量沉積物，并以混合形式存在。僅僅依靠苯基a是很難理解它們的一般毒性。因此，有必要評估復(fù)雜沉積物中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，并全面了解水質(zhì)。發(fā)達(dá)國家對有毒物質(zhì)的環(huán)境管理越來越依靠生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)(USEPA,1998;Tayloretal.,2003;AG,1999;ANZECC,2000;Claassenetal.,2001a;2001b),風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果成為管理者制定決策和采取行動的重要依據(jù).然而,在我國環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)尚處于起步階段.本文利用生態(tài)和健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的原理和方法,對太湖梅梁灣水源地沉積物中的PAHs可能導(dǎo)致的負(fù)面效應(yīng)進(jìn)行分析,旨在為水源地的環(huán)境保護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)管理等工作提供科學(xué)依據(jù).2研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法研究方法2.1巖石化地區(qū)采樣概況梅梁灣是太湖北部較大的一個湖灣,是無錫市的主要水源地(史龍新等,2006).從梅梁灣地區(qū)取水的無錫市居民飲用水水廠主要包括充山水廠、梅園水廠、牽龍口水廠及中橋水廠.梅梁灣整個湖體基本處于半封閉狀態(tài),水體交換慢,進(jìn)入梅梁灣的直湖港、武進(jìn)港和梁溪河都是流域內(nèi)污染最重的河流,導(dǎo)致灣內(nèi)污染物不斷積累,水質(zhì)持續(xù)惡化,直接威脅著太湖沿岸人民的健康(Zouetal.,1996).2003年在太湖梅梁灣水源地采集了25個表層沉積物樣,具體采樣位置參見相關(guān)文獻(xiàn)(Qiaoetal.,2006b)2.2生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的表征首先采用商值法篩選潛在的風(fēng)險(xiǎn)污染物.針對所選定生態(tài)受體計(jì)算出每一種化學(xué)品的風(fēng)險(xiǎn)商(Hazardquotients,HQ),計(jì)算方法如下:式中EXP指暴露濃度(mg·L-1),TRV指毒性參考值(ToxicityReferenceValue,TRV),商值大于1的化合物被認(rèn)為具有潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).風(fēng)險(xiǎn)商只針對于單個的化學(xué)品,不能表征多個化合物同時(shí)作用于受體時(shí)的效應(yīng)大小,對于像PAHs這類作用位點(diǎn)和作用模式類似的化合物,符合獨(dú)立作用模式中的劑量加和原則,因此可以將各個風(fēng)險(xiǎn)商加起來,用得到的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(Hazardindex,HI)來表示累積的風(fēng)險(xiǎn)(Neffetal.,2005):商值法比較簡便、快速,但得到的結(jié)果只有兩種可能的回答,有潛在的風(fēng)險(xiǎn)或沒有風(fēng)險(xiǎn),這樣的回答會使人誤認(rèn)為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)僅是簡單的黑或白問題,因而有必要進(jìn)一步用概率法來定量表征風(fēng)險(xiǎn)(Cullen,1999;Verdoncketal.,2003).本文采用蒙特卡羅(MonteCarlo)方法即計(jì)算機(jī)隨機(jī)模擬方法模擬具有潛在風(fēng)險(xiǎn)的PAHs的暴露濃度分布(Exposeconcentrationdistribution,ECD)和相應(yīng)的物種敏感度分布(Speciessensitivitydistribution,SSD)(USEPA,1997),再根據(jù)二者的比值得到風(fēng)險(xiǎn)商的分布曲線,并通過敏感性分析識別相關(guān)參數(shù)對風(fēng)險(xiǎn)商分布的貢獻(xiàn)(Gentle,1998).采用的是Student版本的水晶球軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算.2.3觀察負(fù)效應(yīng)水平在過去的工作中曾對太湖梅梁灣水體多介質(zhì)環(huán)境中的PAHs潛在效應(yīng)、來源、濃度水平和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行了比較系統(tǒng)的分析(Qiaoetal.,2006a;2006b;2007).梅梁灣沉積物中的16種優(yōu)控PAHs的含量見表1.商值法中的毒性參考值通常采用無觀察負(fù)效應(yīng)水平(Noobservedadverseeffectlevel,NOAEL)或最低觀察負(fù)效應(yīng)水平(Lowestobservedadverseeffectlevel,LOAEL).由于缺乏必須的NOAEL或LOAEL數(shù)據(jù),本文采用的毒性參考值是根據(jù)文獻(xiàn)(Smithetal.,1996;MacDonaldetal.,2000;TNRCC,2001)收集到的淡水沉積物中PAHs的生態(tài)基準(zhǔn)值(表2).此外,由美國環(huán)保局ECOTOX數(shù)據(jù)庫中查找到的PAHs對水生生物的毒性研究主要是急性毒性,關(guān)于慢性NOAEL的報(bào)道很少.但對于PAHs這類持久性物質(zhì)而言,慢性毒性數(shù)據(jù)往往更重要,是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的基礎(chǔ).因而,用急/慢性毒性比率(Acute-to-chronicratios,ACR)來預(yù)測化學(xué)品相應(yīng)的慢性毒性值(EU,2003).3結(jié)果和分析結(jié)果和分析3.1[a]、二苯并[a,h]由商值法計(jì)算得到梅梁灣表層沉積物中部分PAHs的風(fēng)險(xiǎn)商大于1,主要包括菲、熒蒽、芘、苯并[a]蒽、屈、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽7種(表3).同時(shí)應(yīng)該注意到按照表3計(jì)算得到總PAHs的風(fēng)險(xiǎn)商只在21、22兩個樣點(diǎn)大于1,但是表示累積效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)則在所有樣點(diǎn)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1,說明目前針對復(fù)合污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的方法尚不成熟.保守估計(jì)沉積物中PAHs普遍存在風(fēng)險(xiǎn),篩選出的上述7種化合物是需要進(jìn)一步開展風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的潛在風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì).3.2pahs的物種敏感度分析通常認(rèn)為環(huán)境中污染物的濃度符合對數(shù)正態(tài)分布(Ott,1990;Travisetal.,1990),但也有文獻(xiàn)指出這種假設(shè)不能隨便采用,需要經(jīng)過假設(shè)檢驗(yàn)(El-Shaarawietal.,1992).將商值法中篩選出的7種PAHs在沉積物中的濃度經(jīng)平衡分配模型計(jì)算得到水相中濃度(表4).作Q-Q圖檢驗(yàn)表明7種PAHs的濃度值均符合正態(tài)分布,因此可以用蒙特卡羅法模擬環(huán)境暴露濃度分布曲線.由美國環(huán)保局ECOTOX數(shù)據(jù)庫中查找到的PAHs對水生生物的急性毒性數(shù)據(jù)——半數(shù)致死濃度LC50或EC50,除以PAHs的急/慢性毒性比率100(L!ngeetal.,1998;Swartjesetal.,1999),得到7種PAHs對不同水生生物預(yù)測的無觀察效應(yīng)環(huán)境濃度(Predictednoeffectconcentration,PNEC),見表5.同樣作Q-Q圖檢驗(yàn),證實(shí)水生生物的毒性數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布,因此用蒙特卡羅模擬來構(gòu)建7種PAHs的物種敏感度分布.物種敏感度分布概念的基本假設(shè)是一系列物種的敏感度能用一些統(tǒng)計(jì)分布來描述,可獲得的生態(tài)毒理數(shù)據(jù)被認(rèn)為是取自這一分布的一個樣品,它們被用來估計(jì)SSD的參數(shù).構(gòu)建SSD的數(shù)據(jù)量變化范圍很廣,從很少的幾個數(shù)據(jù)到超過50或100個.數(shù)據(jù)的多少對SSD的性質(zhì)及基于SSD得出的結(jié)論是非常重要的.最后由暴露濃度分布和物種敏感度分布在蒙特卡羅模擬中取10,000次隨機(jī)采樣,在95%置信度區(qū)間下計(jì)算7種PAHs可能的商值分布,結(jié)果如圖1所示.從圖中可以看出,用環(huán)境暴露數(shù)據(jù)和毒性數(shù)據(jù)的分布來代替單值的分子和分母得到的菲、熒蒽、芘、苯并[a]蒽、屈、苯并[a]芘和二苯并[a,h]蒽的商值分布的中值分別是0.57、0.66、0.68、0.43、0.27、0.26和0.55.總體而言,梅梁灣地區(qū)沉積物中PAHs風(fēng)險(xiǎn)較低,但有部分樣點(diǎn)其含量已能夠影響一定數(shù)量的物種.由累積分布百分?jǐn)?shù)(表6)可以得到超過某一固定商值的概率.結(jié)果表明,在95%的置信度區(qū)間下,菲商值大于1的概率幾乎不存在,即其風(fēng)險(xiǎn)可以忽略,而熒蒽和芘商值大于1的概率較高,達(dá)20%,其余4種PAHs也都存在著商值大于1的概率,約為5%.假定保護(hù)95%的物種情況下,7種PAHs的風(fēng)險(xiǎn)排序從大到小依次是:芘>熒蒽>苯并[a]芘>苯并[a]蒽>二苯并[a,h]蒽>屈>菲.在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中,這種表征商的統(tǒng)計(jì)方法充分利用了所有可獲得的效應(yīng)和暴露數(shù)據(jù),改進(jìn)了單值的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法,得到的結(jié)果是商值分布,也與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的概率框架更一致.商值分布法比單值估計(jì)在對多種可選擇的風(fēng)險(xiǎn)場景進(jìn)行排序及確定優(yōu)先序時(shí)更有用,尤其是單值估計(jì)結(jié)果幾乎等于決定標(biāo)準(zhǔn)如1.0時(shí),比較暴露濃度分布和毒性濃度分布可以判斷預(yù)期的商值大于或小于決定標(biāo)準(zhǔn)的可能性.商值的概率分布提供了一種與暴露分布和效應(yīng)分布相關(guān)的不確定性方法.風(fēng)險(xiǎn)可以用暴露超過效應(yīng)的概率或者超過任何固定商值的概率來表達(dá).3.3梅梁灣盆地中pahs的致病性風(fēng)險(xiǎn)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)是以生態(tài)系統(tǒng)為研究對象,但水源地作為飲用水的直接取水處,水質(zhì)好壞與人體健康密切相關(guān),因此有必要了解致癌性的PAHs對人體健康可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)一步保障水質(zhì)安全.美國環(huán)保局在2006年公布的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中引入了風(fēng)險(xiǎn)管理的概念,規(guī)定了在10-6和10-5致癌水平下,人體經(jīng)水環(huán)境中生物體暴露、生物體與水體同時(shí)暴露情況下7種致癌性PAHs:苯并[a]蒽、屈、苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽、苯并[a]芘、茚并[1,2,3-cd]芘、二苯并[a,h]蒽的安全閾值分別是3.8ng·L-1和38ng·L-1.本研究參照這一標(biāo)準(zhǔn),假設(shè)PAHs污染物通過緩慢釋放進(jìn)入水體,進(jìn)而評價(jià)梅梁灣水源地沉積物中PAHs可能產(chǎn)生的致癌風(fēng)險(xiǎn).這7種PAHs用平衡分配模型計(jì)算后的水相中污染物濃度均符合正態(tài)分布,運(yùn)用蒙特卡羅方法模擬取樣10,000次后,由污染物的累積分布圖得到大于10-6和10-5致癌水平時(shí)各自的風(fēng)險(xiǎn)概率.結(jié)果表明,在10-5致癌水平下,經(jīng)沉積物釋放到水相中的這7種化合物目前尚不會產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn),但若在10-6致癌水平下,有3種物質(zhì),苯并[b]熒蒽、苯并[a]芘和苯并[a]蒽會對人體健康產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn),概率分別是93.5%、23.6%和21.8%.風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)在區(qū)域環(huán)境安全性評估和環(huán)境管理體系制定過程中越來越受到科學(xué)家和環(huán)境管理者的重視.在水源地安全性評價(jià)中引入風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的概念,將污染物產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)表達(dá)為超過某一固定概率能夠?yàn)橹贫▍^(qū)域水體的治理措施和管理目標(biāo)提供依據(jù).利用商值法篩選出太湖梅梁灣水源地沉積物中的PAHs有7種,包括菲、熒蒽、芘、苯并[a]蒽、屈、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽具有潛在的風(fēng)險(xiǎn).進(jìn)一步用更直觀、合理和非保守的概率方法表征風(fēng)險(xiǎn),將暴露濃度和物種敏感度都認(rèn)作是來自概率分布的隨機(jī)變量,表明在95%的置信度區(qū)間下,假定保護(hù)95%的物種情況下,菲的風(fēng)險(xiǎn)最小,而熒蒽和芘的風(fēng)險(xiǎn)較高,概率達(dá)20%.與美國EPA的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)相比,梅梁灣沉積物中