我國淡水水生生物cd基準(zhǔn)研究

我國淡水水生生物cd基準(zhǔn)研究

1cd2+毒性作用水質(zhì)基準(zhǔn)是制定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)，在水環(huán)境中發(fā)揮著非常重要的作用。水質(zhì)參考主要包括毒理學(xué)和生態(tài)參考。根據(jù)保護(hù)對象的不同，藥理學(xué)參考分為水生生物參考和人類健康參考。這是根據(jù)毒性對水生生物和人類健康的毒性風(fēng)險(xiǎn)來確定的。美國從20世紀(jì)60年代就開始了毒理學(xué)基準(zhǔn)的研究,并將其用于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的制定.美國環(huán)境保護(hù)署(USEPA)于1985年頒布了最新的用于保護(hù)水生生物及其用途的數(shù)值型水質(zhì)基準(zhǔn)推導(dǎo)技術(shù)指南(以下簡稱“指南”),“指南”規(guī)定了水質(zhì)基準(zhǔn)的推導(dǎo)和計(jì)算方法,最終的基準(zhǔn)結(jié)果為基準(zhǔn)最大濃度(CriterionMaximumConcentration,CMC)(急性)和基準(zhǔn)連續(xù)濃度(CriterionContinuousConcentration,CCC)(慢性)2個(gè)數(shù)值基準(zhǔn).水質(zhì)基準(zhǔn)最后的表述為“除非有重要的本地物種特別敏感,如果某化學(xué)物質(zhì)的4d平均濃度超過CCC的頻率不多于平均每3年1次,并且1h平均濃度超過CMC的頻率不多于平均每3年1次,淡水(或海水)水生生物及其用途不會(huì)受到不可接受的影響”.Cd是水體重金屬污染的主要元素之一,在水中一般以Cd2+形式存在,具有較大的生物毒性,因此,對于Cd2+毒性作用的研究一直得到人們的重視(Thompsonetal.,2008;王桂燕等,2007a;2007b;楊再福等,2003;鄭先云等,2008).研究發(fā)現(xiàn),包括水體硬度(Hansenetal.,2002)、pH值(Markichetal.,2003)等在內(nèi)的水質(zhì)因子都可以影響Cd2+的生物毒性,其中,水體硬度對Cd2+毒性的影響最具廣泛性(USEPA,2001).因此,USEPA將水體硬度作為研究Cd水質(zhì)基準(zhǔn)時(shí)必須考慮的因素之一(USEPA,2001).我國水質(zhì)基準(zhǔn)研究相對滯后(孟偉等,2006).目前頒布的包括Cd在內(nèi)的眾多污染物的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)主要是參照國外的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)而制定的(張彤等,1996),沒有開展針對我國生物物種的系統(tǒng)的水質(zhì)基準(zhǔn)研究(周啟星等,2007),已進(jìn)行的少量研究(張彤等,1997)所利用的毒性數(shù)據(jù)也是有限的.因此,現(xiàn)行的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對于我國的水生生物存在著“過保護(hù)”或“欠保護(hù)”的可能(周啟星等,1997).基于此,本文對我國水生生物物種(包括我國本地種及引進(jìn)物種等)的Cd毒性數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究,獲得的淡水水生生物Cd基準(zhǔn)可為我國Cd水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考.2cd2+毒性檢測方法參照美國的水生生物基準(zhǔn)推導(dǎo)和計(jì)算方法(USEPA,2001;1985).本研究的大致過程可分為:①收集數(shù)據(jù);②分析水質(zhì)因子(硬度)對Cd2+毒性的影響,求出硬度斜率;③通過計(jì)算分析,獲得最終急性值(FinalAcuteValue,FAV)和最終慢性值(FinalChronicValue,FCV),并確定CMC和CCC.數(shù)據(jù)分析軟件為OriginPro7.5.2.1魚類物種的選擇USEPA規(guī)定的試驗(yàn)生物以北美的節(jié)肢動(dòng)物和魚類為主,在選擇的8種試驗(yàn)生物中,二者共占5～7種.據(jù)文獻(xiàn)(SEPA,1998)調(diào)查,我國的生物物種以節(jié)肢動(dòng)物為主,魚類和軟體動(dòng)物也占較大比重.魚類與人類生活關(guān)系密切,經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高,應(yīng)給予優(yōu)先考慮.因此,本文基本采用USEPA規(guī)定的物種選擇原則,同時(shí)考慮到我國的魚類以鯉科為主,特別注意收集了鯉科魚類的Cd毒性數(shù)據(jù).2.2數(shù)據(jù)選擇原則本文中Cd2+的毒性數(shù)據(jù)主要來源于美國鎘基準(zhǔn)技術(shù)文件(USEPA,20013數(shù)據(jù)收集數(shù)據(jù)評(píng)估3.1sd2+對淡水動(dòng)物的急救毒性3.1.1急性硬度和定量pcr數(shù)據(jù)為試驗(yàn)生物的一般試驗(yàn)生物-一個(gè)模Cd2+對淡水無脊椎動(dòng)物的急性毒性數(shù)據(jù)包括18個(gè)屬22種生物(表1,水體硬度以CaCO3濃度表示,下同).其中,大型溞是國際標(biāo)準(zhǔn)毒理學(xué)試驗(yàn)動(dòng)物,因此,其數(shù)據(jù)最豐富.試驗(yàn)方法分為靜態(tài)法、更新法和流水式3種試驗(yàn)方法,試驗(yàn)用水的硬度跨度為11～290mg·L-1.毒性數(shù)據(jù)符合計(jì)算急性硬度斜率要求的物種包括大型溞、蚤狀溞、灰水螅和綠水螅(表1,以*表示).另外,由于試驗(yàn)生物的發(fā)育階段或年齡等的不同,數(shù)據(jù)可能有較大差異,導(dǎo)致出現(xiàn)部分相對不敏感數(shù)據(jù)在計(jì)算種平均急性值(SpeciesMeanAcuteValue,SMAV)時(shí)被棄用(見表1注釋).3.1.2急性毒性數(shù)據(jù)Cd2+對淡水魚類的急性毒性數(shù)據(jù)包括16個(gè)屬19種魚類(表2),其中包括我國的本地種,如鯉魚和草魚等,也包括引進(jìn)物種,如虹鱒及太陽魚等.其中,虹鱒在歐美廣泛分布,在我國也有較大范圍的養(yǎng)殖,因此,毒性數(shù)據(jù)比較豐富.試驗(yàn)用水的硬度跨度為9～360mg·L-1.毒性數(shù)據(jù)符合急性硬度斜率計(jì)算要求的物種包括虹鱒、金鯽魚、孔雀魚、條紋石鮨和綠色太陽魚(表2,以*表示).銀鮭、虹鱒、溪紅點(diǎn)鮭、金鯽魚、鯉魚、食蚊魚和藍(lán)鰓太陽魚各有部分相對不敏感數(shù)據(jù)在計(jì)算屬平均急性值(GeniusMeanAcuteValue,GMAV)時(shí)被棄用(見表2注釋).另外,虹鱒的“大于”或“小于”數(shù)據(jù)(表2,以#表示)也被棄用.3.1.3sd2+對淡水兩棲動(dòng)物的急性毒性Cd2+對兩棲類的急性毒性研究較少,僅有對光滑爪蟾胚胎和澤蛙蝌蚪的研究符合計(jì)算要求(表3).3.2早期生命階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)慢性毒性試驗(yàn)實(shí)施較為困難,因此,數(shù)據(jù)也較少.Cd2+對淡水動(dòng)物的慢性毒性數(shù)據(jù)共包括11個(gè)屬14種生物(表4),分為生活史試驗(yàn)數(shù)據(jù)和早期生命階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)2類.試驗(yàn)用水的硬度跨度為20～250mg·L-1,毒性數(shù)據(jù)符合慢性硬度斜率計(jì)算要求的物種有大型溞和亞東鱒(表4,以*表示).大型溞和大西洋鮭各有1組相對不敏感數(shù)據(jù)在計(jì)算種平均慢性值(SpeciesMeanAcuteValue,SMCV)時(shí)被棄用(見表4注釋).另外,因?yàn)榭梢垣@得生活史試驗(yàn)數(shù)據(jù),亞東鱒和溪紅點(diǎn)鮭的早期生命階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)也被棄用(表4,以#表示).4數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)4.1cd2+對cd2+毒性的影響對各物種試驗(yàn)數(shù)據(jù)的硬度和毒性值進(jìn)行回歸分析,結(jié)果如圖1(急性)和圖2(慢性)所示.由圖1和圖2可知,Cd2+對所有物種的急性和慢性毒性都隨著水體硬度的增大而降低,說明水體硬度(H)對Cd2+毒性的影響較大,而且對各物種影響效應(yīng)的趨勢也相同.4.2腰椎動(dòng)物和5種魚類的7.歸歸分析利用表1、表2和表4中符合計(jì)算硬度斜率條件的數(shù)據(jù)(以*表示)進(jìn)行回歸分析,結(jié)果如圖3所示,急性毒性效應(yīng)包含4種無脊椎動(dòng)物和5種魚類的46組數(shù)據(jù)(n=46),回歸方程為lnLC50=1.1530×lnH,(p<0.01);慢性毒性效應(yīng)包含1種無脊椎動(dòng)物(大型溞)和1種魚類(亞東鱒)的5組數(shù)據(jù)(n=5),回歸方程為lnEC50=0.6172×lnH,(p<0.01).計(jì)算得出Cd的急性和慢性硬度斜率分別為1.1530(圖3a)和0.6172(圖3b).4.3gm教學(xué)模型參數(shù)的確定計(jì)算方法和公式依據(jù)文獻(xiàn)(USEPA,1985;2001).利用急性硬度斜率1.1530和慢性硬度斜率0.6172將急性毒性值和慢性毒性值分別調(diào)整至水體硬度為50mg·L-1,計(jì)算SMAV、GMAV、SMCV和屬平均慢性值(GeniusMeanChronicValue,GMCV),用來計(jì)算基準(zhǔn)的GMAV值和GMCV值分別列于表5和表6.利用表5中GMAV計(jì)算得到硬度為50mg·L-1時(shí),FAV=2.002μg·L-1.因?yàn)楹琪V的SMAV為1.973μg·L-1(見表5),為充分保護(hù)在我國較為廣泛養(yǎng)殖的虹鱒,調(diào)整FAV=1.973μg·L-1.利用表6中GMCV計(jì)算得到硬度為50mg·L-1時(shí),FCV=0.1651μg·L-1.5cd淡水生物基準(zhǔn)水生生物參考5.1fcv可溶性鎘的計(jì)算CMC可溶性鎘=(1.136672-0.041838×lnH)×e1.153×lnH-4.524(1)式中,H為水體硬度(mg·L-1),下同.如:水體硬度為100mg·L-1時(shí),CMC可溶性鎘=2.1μg·L-1.FCV可溶性鎘=(1.101672-0.041838×lnH)×e0.6172×lnH-4.2154(2)如:水體硬度為100mg·L-1時(shí),FCV可溶性鎘=0.23μg·L-1水生植物對Cd2+普遍不敏感(數(shù)據(jù)未展示),已知對Cd2+最敏感的植物是美麗星桿藻(Asterionellaformosa),毒性效應(yīng)值為2μg·L-1(Conway,1978),遠(yuǎn)高于Cd2+對水生動(dòng)物最低的慢性毒性效應(yīng)值0.135μg·L-1(表4).因此,本文不再計(jì)算最終植物毒性值(FinalPlantValue,FPV).依據(jù)文獻(xiàn)(USEPA,1985)確定CCC=FCV可溶性鎘.5.2水體硬度的計(jì)算由圖4可知,在20～250mg·L-1的水體硬度(以CaCO3計(jì))范圍內(nèi),本文計(jì)算的CMC和CCC都可以對我國水生生物物種提供充分而恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù).5.3cd對淡水水生生物的影響本文計(jì)算的我國淡水水生生物Cd基準(zhǔn)最終表述為:水體硬度為100mg·L-1時(shí),除非有重要的本地物種特別敏感,如果Cd的4d平均濃度超過0.23μg·L-1的頻率不多于平均每3年1次,并且1h平均濃度超過2.1μg·L-1的頻率不多于平均每3年1次,我國的淡水水生生物及其用途不會(huì)受到不可接受的影響.(當(dāng)水體硬度改變時(shí),需參考文中公式重新計(jì)算Cd的水質(zhì)基準(zhǔn)值.)5.4ccc-9-次異性硬度斜率計(jì)算由表7可知,本文和美國的淡水水生生物Cd基準(zhǔn)計(jì)算都使用了充足的Cd毒性數(shù)據(jù),符合推導(dǎo)水質(zhì)基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)要求.計(jì)算得出的急性和慢性硬度斜率有一定差異;最終選擇用來計(jì)算CMC的4個(gè)屬(急性)完全相同,選擇用來計(jì)算CCC的4個(gè)屬(慢性)有2個(gè)不同;另外,即使相同的物種,由于收集數(shù)據(jù)的時(shí)間段不同(本文Cd毒性數(shù)據(jù)截止至2008年12月,美國現(xiàn)行的Cd基準(zhǔn)其毒性數(shù)據(jù)截止至1999年6月(USEPA,2001),所計(jì)算得出的毒性值也有差異,以上因素共同造成了中國和美國淡水水生生物Cd基準(zhǔn)數(shù)值的不同.6硬度基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的選擇據(jù)前人研究,Cd的毒性效應(yīng)除受到水體硬度的影響以外,還受到其他諸多水質(zhì)因子的影響,如pH(Markichetal.,2003)、溫度(Pratoetal.,2008)、鹽度(Linetal.,1993)等.但是有關(guān)硬度的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)最多\,最充分;另外,硬度高的水體,其pH值、堿度和離子強(qiáng)度等一般也高,因此,硬度具有較好的代表性(USEPA,2001);研究還發(fā)現(xiàn),硬度和堿度對Cd的毒性具有相似的影響,對二者進(jìn)行合并分析與單獨(dú)分析相比,統(tǒng)計(jì)結(jié)果沒有明顯的變化,因此,只需選擇其一對Cd的毒性效應(yīng)進(jìn)行調(diào)整(USEPA,2001).另外,有些水質(zhì)因子對Cd毒性效應(yīng)的影響不統(tǒng)一,比如,溶解性有機(jī)物可以降低Cd對大型溞的毒性,但對于魚類的Cd毒性效應(yīng)影響不大(Giesy,1977),這樣的水質(zhì)因子就不能用來調(diào)整Cd毒性效應(yīng)值.綜上所述,本文選擇硬度作為調(diào)整Cd毒性數(shù)據(jù)的水質(zhì)因子是恰當(dāng)?shù)?在選擇計(jì)算硬度斜率的數(shù)據(jù)時(shí),要求試驗(yàn)用水的硬度跨度足夠大,才能準(zhǔn)確體現(xiàn)硬度對毒性的影響.比如,多個(gè)處于窄硬度范圍的試驗(yàn)數(shù)據(jù)反而沒有少數(shù)處于寬硬度范圍的試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有更好的代表性.因此,本文采用了USEPA的Cd基準(zhǔn)技術(shù)文件(USEPA,2001)中選擇硬度數(shù)據(jù)的2個(gè)原則:①試驗(yàn)用水的高硬度值高出低硬度值至少100mg·L-1;②高硬度值至少等于低硬度值的3倍.另外,大型溞的急性毒性數(shù)據(jù)共有39組(表1),計(jì)算硬度斜率時(shí),本文和USEPA的Cd基準(zhǔn)技術(shù)文件都只選擇了其中的5組(表1,以*表示),原因是從整體上看,大型溞的急性數(shù)據(jù)差異太大,而此5組數(shù)據(jù)屬于同一文獻(xiàn),誤差較小.在整個(gè)水質(zhì)基準(zhǔn)的計(jì)算過程中,數(shù)據(jù)的取舍非常重要,直接關(guān)系到最后基準(zhǔn)數(shù)值的準(zhǔn)確與否.一些沒有說明試驗(yàn)用水硬度的毒性數(shù)據(jù)無法根據(jù)硬度對毒性值進(jìn)行調(diào)整而被舍棄;使用去離子水進(jìn)行的試驗(yàn)因計(jì)算出的毒性值大大降低,也無法用于基準(zhǔn)的計(jì)算;在同樣的硬度和試驗(yàn)條件下,毒性數(shù)值明顯偏高的數(shù)據(jù)可能使用了不敏感的試驗(yàn)生物(比如曾經(jīng)受到污染)或者采用了不敏感的生命階段,其數(shù)據(jù)一般也被舍棄(表1、表2和表4);同一項(xiàng)研究的結(jié)果有時(shí)也有差異(表1和表2),原因可能是試驗(yàn)生物的來源、基因型或發(fā)育階段不同,也可能是試驗(yàn)條件,如溫度、pH值等有差別,計(jì)算時(shí)一般選取相對敏感的數(shù)據(jù);有些與同類生物和同類試驗(yàn)相比,差異超過10倍的可疑數(shù)據(jù)(Bodaretal.,1988;Romboughetal.,1982),應(yīng)該謹(jǐn)慎使用,可以根據(jù)同屬或相近的生物的毒性數(shù)據(jù)決定其取舍.另外,有的試驗(yàn)未對試驗(yàn)過程中的鎘溶液濃度進(jìn)行監(jiān)測(表1～表3,以U表示),相對于進(jìn)行了監(jiān)測的數(shù)據(jù)(表1～表3,以M表示)而言,可靠性略低.在試驗(yàn)生物種類的選擇上,一方面剔除了一些非我國物種的數(shù)據(jù),如美國旗魚(Jordanellafloridae)、斑馬魚(Brachydaniorerio)、黑頭軟口鰷(Pimephalespromelas)、白鮭(Gilaelegans)和美白鯉(Catostomuscommersoni)等;另一方面,則包含了一些我國引進(jìn)的物種,如虹鱒(Oncorhynchusmykiss)、尼羅羅非魚(Oreochromisniloticus)和大西洋鮭