張瑞卿，吳豐昌

1. 內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 呼和浩特 010021 2. 中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012

組織殘留法在水生生物基準(zhǔn)中的應(yīng)用概述

張瑞卿1，吳豐昌2，*

1. 內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 呼和浩特 010021 2. 中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012

水生生物基準(zhǔn)已成為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和水環(huán)境管理的主要參考依據(jù)，在水污染治理、控制和管理以及水生生物保護(hù)方面發(fā)揮著重要作用。環(huán)境和生物學(xué)參數(shù)對(duì)基于水體或沉積物等外暴露濃度的毒性閾值和環(huán)境基準(zhǔn)存在影響，使其具有變異性和不確定性。而基于組織殘留的毒性劑量指標(biāo)可以減少毒性值的變異性以及不確定性，特別是對(duì)于生物累積性物質(zhì)而言，在毒性效應(yīng)及環(huán)境基準(zhǔn)研究中存在顯著優(yōu)勢(shì)。針對(duì)組織殘留法在水生生物基準(zhǔn)研究中的應(yīng)用，對(duì)組織殘留法的概念、優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用，以及組織殘留基準(zhǔn)的推導(dǎo)方法等幾個(gè)方面進(jìn)行了綜述，并提出了組織殘留法在應(yīng)用中存在的關(guān)鍵問題及建議，旨在推動(dòng)環(huán)境基準(zhǔn)、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論和方法的研究，以及為水環(huán)境管理和污染防治提供技術(shù)支持。

水生生物；環(huán)境基準(zhǔn)；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；組織殘留法

隨著環(huán)境中污染物種類不斷增多以及環(huán)境污染的加劇，環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)的研究越來越受到重視。環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)是制/修訂環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)生物多樣性及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能完整性的主要參考依據(jù)[1-2]。世界各國學(xué)者和環(huán)保部門在基準(zhǔn)理論與方法學(xué)、基準(zhǔn)值推導(dǎo)及其應(yīng)用條件等方面都已經(jīng)開展了大量研究[3-8]。其中，水生生物基準(zhǔn)是利用基于水體或沉積物中污染物濃度的急性或慢性毒性數(shù)據(jù)推導(dǎo)的基準(zhǔn)值，以保護(hù)水生生物不受污染物的有害效應(yīng)為目標(biāo)；在水體污染物的管理和控制以及水生生物保護(hù)方面發(fā)揮著極為重要的作用[9-11]。

環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)研究是對(duì)各學(xué)科最新研究進(jìn)展的反映，環(huán)境科學(xué)、毒理學(xué)和生物學(xué)等學(xué)科的不斷發(fā)展，對(duì)基準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提出了新的挑戰(zhàn)和要求。研究結(jié)果與實(shí)際環(huán)境間的不確定性是環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)研究以及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中存在的主要問題之一。這種不確定性主要來源于環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性及人類認(rèn)知能力的局限性。目前，由于檢測(cè)技術(shù)以及環(huán)境管理需求等方面的因素，污染物的毒性研究、環(huán)境基準(zhǔn)值的推導(dǎo)以及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)多數(shù)是基于環(huán)境介質(zhì)(如水體、土壤和大氣等)中污染物濃度。比如保護(hù)水生生物免受污染物有害效應(yīng)的水質(zhì)基準(zhǔn)值均是以水體中污染物含量表示[9]；評(píng)價(jià)水體中污染物對(duì)水生生物的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，暴露評(píng)價(jià)中需要監(jiān)測(cè)或預(yù)測(cè)水體中污染物的含量，效應(yīng)評(píng)價(jià)中分析基于水體中污染物含量的毒性閾值[12]。而污染物在水體中有多種存在形態(tài)，有些形態(tài)不具有生物有效性，因此水體中污染物含量并非是對(duì)水生生物產(chǎn)生毒性效應(yīng)的真正劑量。直接使用環(huán)境介質(zhì)中的污染物水平來評(píng)價(jià)生物的毒性效應(yīng)，進(jìn)而推導(dǎo)基準(zhǔn)值以及評(píng)價(jià)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)存在一定的不確定性。特別是對(duì)于具有持久性、生物累積性的有毒物質(zhì)(persistent, bioaccumulative and toxic chemical, PBT)而言，水體中含量與在生物體內(nèi)累積的對(duì)生物產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的含量不具有等效作用。如何能準(zhǔn)確地反映PBT物質(zhì)對(duì)生物的劑量-反應(yīng)關(guān)系是環(huán)境基準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中需要進(jìn)一步解決的關(guān)鍵問題。另外，食物鏈較高營養(yǎng)級(jí)生物在對(duì)PBT物質(zhì)的生物累積過程中，攝食暴露是主要途徑，水體和其他暴露途徑貢獻(xiàn)較小。因此直接使用基于水體等外暴露劑量表達(dá)的基準(zhǔn)值可能并不是最佳選擇。

基于以上考慮，污染物的組織殘留在近年來逐漸引起了人們的普遍關(guān)注。應(yīng)用污染物在受試生物組織中的殘留含量描述毒性效應(yīng)，推導(dǎo)基于組織殘留的毒性效應(yīng)閾值。事實(shí)上，應(yīng)用組織殘留分析毒性效應(yīng)并不是一個(gè)新鮮的研究?jī)?nèi)容，在過去的數(shù)十年間科學(xué)家們就逐漸接受組織殘留作為毒性作用的劑量指標(biāo)[13]。而且生物組織中污染物含量的檢測(cè)也在環(huán)境監(jiān)測(cè)中廣泛開展，已發(fā)布了大量基于生物組織中污染物含量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[14-16]。近年來許多研究發(fā)現(xiàn)，與應(yīng)用環(huán)境介質(zhì)中濃度相比，基于組織殘留毒性劑量指標(biāo)的應(yīng)用可以減少毒性值的變異性[13]。目前，已經(jīng)有研究開展了基于組織殘留的基準(zhǔn)推導(dǎo)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[17-19]，為組織殘留方法的發(fā)展和應(yīng)用提供了依據(jù)。然而，對(duì)于組織殘留方法的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用只是初步研究，在環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用還存在很多問題需要解決。本研究針對(duì)組織殘留效應(yīng)數(shù)據(jù)在水生生物基準(zhǔn)方面的應(yīng)用，從組織殘留方法的概念、優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用，以及組織殘留基準(zhǔn)的推導(dǎo)方法和理論框架等幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)探討，旨在為水生生物基準(zhǔn)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的理論和方法以及污染物管理和控制提供理論參考。

1 組織殘留法(Tissue residue approach)

1.1 概念及優(yōu)勢(shì)

組織殘留法(tissue residue approach, TRA)是將暴露生物的毒理學(xué)反應(yīng)與生物身體或組織內(nèi)檢測(cè)或預(yù)測(cè)的化學(xué)物質(zhì)含量相關(guān)聯(lián)的方法[20]。使用污染物的身體或組織殘留含量可以更好地反映生物可利用性和有效的靶劑量，可以在一定程度上減少某些污染物毒性閾值的種間差異。不同毒性研究結(jié)果差異的大部分原因來自不同物種有不同的吸收和代謝動(dòng)力學(xué)，以及不同化學(xué)物質(zhì)的生物有效性存在差異。傳統(tǒng)的水生態(tài)毒性研究依賴于將試驗(yàn)生物暴露于含有污染物質(zhì)的各種環(huán)境介質(zhì)中(水、沉積物或試驗(yàn)介質(zhì)中的食物)。然而由于環(huán)境中有多種理化參數(shù)可影響化學(xué)物質(zhì)的生物有效性，最終影響化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入生物體內(nèi)的劑量。對(duì)于有機(jī)物，鹽度、有機(jī)碳、細(xì)菌活性以及脂質(zhì)含量都會(huì)影響其生物有效性；而可能影響金屬存在形態(tài)的環(huán)境條件包括氧化還原條件、鹽度、pH、有機(jī)碳、硬度和堿度等。另外生物本身的生物學(xué)特征以及化學(xué)物質(zhì)特性等都會(huì)影響化學(xué)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化。通過環(huán)境介質(zhì)(水和沉積物等)中污染物含量表達(dá)的環(huán)境暴露具有很高的種間差異。比如，氯酚的毒性效應(yīng)，通過水體中氯酚的暴露效應(yīng)結(jié)果可以看出，不同氯酚化合物的反應(yīng)相差3個(gè)數(shù)量級(jí)，而對(duì)一給定氯酚化合物其種間差異也很大[21]。生物體表現(xiàn)出的有害效應(yīng)是化學(xué)物質(zhì)在生物體內(nèi)或特定組織內(nèi)累積的效應(yīng)。使用組織殘留濃度可以提供化學(xué)物質(zhì)確切吸收量證據(jù)，避開了一些環(huán)境和生物影響因素；并且直接將生物累積量與毒性反應(yīng)聯(lián)系了起來，降低了由于物種和環(huán)境因素差異導(dǎo)致的不確定性?；瘜W(xué)物質(zhì)在生物體內(nèi)部的累積濃度(組織殘留濃度)反映了化學(xué)物質(zhì)的生物有效性、吸收、代謝效率以及多種途徑暴露結(jié)果，所以被認(rèn)為是外部濃度更好的替代方法。

1.2 組織殘留毒性閾值

組織殘留毒性值是應(yīng)用生物特定組織或全身污染物殘留量描述相應(yīng)的有害生物學(xué)反應(yīng)，比如致死殘留劑量(lethal tissue residue, LR50)、有效殘留劑量(effective tissue residue, ER50)、最低可見效應(yīng)殘留劑量(lowest observed effects tissue residue, LOER)或者無可見效應(yīng)殘留劑量(no observed effects tissue residue, NOER)。在對(duì)污染物的毒性數(shù)據(jù)研究中發(fā)現(xiàn)，與基于環(huán)境介質(zhì)濃度的毒性值相比，環(huán)境條件對(duì)組織殘留毒性值影響較小，組織殘留毒性值變化范圍小。氯酚類化學(xué)物的致死濃度(lethal concentration, LC50)變化范圍為3個(gè)數(shù)量級(jí)，而LR50的變化范圍僅1個(gè)數(shù)量級(jí)[22]。一些麻醉型有機(jī)物對(duì)魚的環(huán)境暴露急性毒性值(96 h-LC50)變化范圍是100 000倍多，而通過模型獲得的基于組織殘留的毒性值變化范圍僅為10倍[23-24]。水體中三丁基錫對(duì)2種端足類動(dòng)物(Rhepoxynius abronius和Eohaustorius washingtonianus)暴露的LC50值相差112倍，而基于全身組織殘留的LR50值在2個(gè)物種間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[25]。鎘在寡毛類蠕蟲(Lumbriculus variegatus)體內(nèi)的累積量似乎不受硬度和溶解性有機(jī)碳的影響，不同處理?xiàng)l件間的累積量無顯著差異；LC50值變化的倍數(shù)是28，而LR50值的變化倍數(shù)僅為1.8[26]。相比基于水體濃度的毒性值，應(yīng)用鎘的累積量表示的甲殼類動(dòng)物(Hyalella)的慢性毒性受試驗(yàn)溶液中螯合劑(腐殖酸、乙二胺四乙酸和沉積物)的影響較小[27]。不同pH值和硬度條件下的毒性測(cè)試結(jié)果顯示銅對(duì)蠕蟲(L. variegatus)的LR50值幾乎保持穩(wěn)定[28]。銅對(duì)雙殼類動(dòng)物的毒性研究也得到類似結(jié)果[29]。顯然，污染物的內(nèi)暴露毒性閾值的變異性比外暴露毒性閾值低。使用污染物的組織殘留劑量表示毒性效應(yīng)閾值比基于環(huán)境外暴露濃度更加準(zhǔn)確。

因?yàn)閼?yīng)用組織殘留濃度表示的毒性效應(yīng)值具有相對(duì)較低的不確定性，數(shù)據(jù)間差異較小，所以僅需要較少物種的毒性值即可獲得可靠的結(jié)果[13]?？赡軆H需要較少物種用于毒性試驗(yàn)以描述某一特定化學(xué)物質(zhì)的毒性效應(yīng)。

1.3 組織殘留與劑量-效應(yīng)關(guān)系

組織殘留毒性數(shù)據(jù)應(yīng)用的前提是毒性研究中的組織殘留量與效應(yīng)間存在一定的劑量-效應(yīng)關(guān)系。目前，在毒理學(xué)方面已經(jīng)有研究將污染物在生物體內(nèi)的累積量與毒性效應(yīng)相聯(lián)系。持久性有機(jī)污染物(persistent organic pollutants, POPs)的親脂性高，極易在生物體內(nèi)累積，并沿著食物鏈逐級(jí)傳遞和放大，從而對(duì)生物體或生態(tài)系統(tǒng)造成影響[30-31]。大量的野外和實(shí)驗(yàn)室生物監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，組織內(nèi)的POPs累積與魚類的免疫效應(yīng)、組織病變、生殖和發(fā)育損傷等效應(yīng)有關(guān)[31-35]。有研究將重金屬在無脊椎動(dòng)物體內(nèi)的累積量與生物的生殖和發(fā)育效應(yīng)相聯(lián)系，建立相應(yīng)的殘留劑量-效應(yīng)關(guān)系[29,36-37]。

1.4 組織殘留與暴露途徑

通常化學(xué)物質(zhì)對(duì)生物產(chǎn)生毒性效應(yīng)的作用劑量來自多個(gè)暴露途徑，比如飲食、沉積物和水體等，而隨食物鏈累積或食物暴露是PBT物質(zhì)主要的暴露途徑[38]。對(duì)于PBT物質(zhì)而言，僅使用水體暴露來研究其生物效應(yīng)時(shí)顯現(xiàn)出諸多困難。越來越多的研究認(rèn)為攝食是水生生物吸收金屬的主要暴露途徑。研究顯示水生動(dòng)物幾乎主要是通過食物攝取鎘[39]、硒[19,40]和汞[41-42]等金屬，高營養(yǎng)級(jí)肉食性動(dòng)物更是如此。另外也有研究表明食物是肉食性昆蟲和甲殼類等無脊椎動(dòng)物吸收金屬的主要來源，忽略金屬的食物來源會(huì)低估生物的暴露量[43]。同樣對(duì)于具有生物累積性的有機(jī)污染物而言，食物攝取也是水生動(dòng)物的主要暴露途徑[44]。污染物在生物組織中的殘留劑量是多種途徑暴露的結(jié)果，組織殘留毒性數(shù)據(jù)集合了多個(gè)暴露途徑，減少了僅考慮單一暴露途徑的不確定性。

1.5 組織殘留法的應(yīng)用

關(guān)于生物效應(yīng)與組織內(nèi)污染物殘留的關(guān)系在20世紀(jì)上半葉就有討論[45]，直到近年來化學(xué)和毒性實(shí)驗(yàn)提供了大量的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，以及一些有機(jī)物和有機(jī)金屬等組織殘留關(guān)系的成功應(yīng)用，才使得組織殘留法正式被應(yīng)用于環(huán)境管理。前面已經(jīng)提到將組織殘留應(yīng)用到毒性預(yù)測(cè)上存在諸多優(yōu)勢(shì)[22,45-46]?；谔囟ńM織的殘留含量來表示毒性效應(yīng)可以避免物種間毒性代謝動(dòng)力學(xué)差異；另外，也將影響化學(xué)物質(zhì)生物有效性的因素考慮在內(nèi)。TRA概念的提出可以解決環(huán)境條件和污染物代謝等對(duì)基于環(huán)境介質(zhì)濃度毒性值影響的問題。特別是對(duì)于PBT物質(zhì)的關(guān)注，TRA的應(yīng)用更加促進(jìn)了對(duì)現(xiàn)有環(huán)境基準(zhǔn)的重新評(píng)估。將基于環(huán)境介質(zhì)、外暴露劑量以及組織殘留法結(jié)合使用，可以改進(jìn)環(huán)境基準(zhǔn)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。

TRA已經(jīng)在一些物質(zhì)的環(huán)境基準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究中得到初步應(yīng)用，且美國和加拿大環(huán)保部門也采用了該方法用于生物累積性物質(zhì)的環(huán)境基準(zhǔn)研究(表1)。應(yīng)用組織殘留方法推導(dǎo)環(huán)境基準(zhǔn)，得到的結(jié)果為組織殘留基準(zhǔn)(tissue residue criteria, TRC)。所謂組織殘留基準(zhǔn)即是采用以目標(biāo)生物體內(nèi)或組織中殘留污染物含量表示的毒性數(shù)據(jù)結(jié)合一定的分析方法得到的基準(zhǔn)值，而不是由環(huán)境介質(zhì)(水和沉積物)中濃度得到[38]。針對(duì)生物累積性物質(zhì)的特性及其對(duì)水生生物的毒性效應(yīng)，美國環(huán)保局簡(jiǎn)要介紹了組織殘留基準(zhǔn)概念、研究指南及基準(zhǔn)推導(dǎo)框架[38,47]。由于硒具有較高的生物累積性并且可以通過食物暴露對(duì)魚和高營養(yǎng)級(jí)生物產(chǎn)生危害，很多研究都對(duì)其組織殘留基準(zhǔn)進(jìn)行了探討[48-54]，針對(duì)不同區(qū)域、不同生物類型及組織提出了硒的基準(zhǔn)。美國環(huán)保局也在對(duì)硒的組織殘留毒性研究的基礎(chǔ)上提出了保護(hù)水生生物硒組織殘留基準(zhǔn)[19]。Di Toro等[55-56]結(jié)合TRA與物種敏感度分布法推導(dǎo)了多環(huán)芳烴的組織殘留基準(zhǔn)。另外有學(xué)者研究了其他幾種具有生物累積性物質(zhì)的組織殘留基準(zhǔn)，比如多氯聯(lián)苯[57]、三丁基錫[18]、汞[17]、滴滴涕[17]、鋅[58]以及四氯二苯并-p-二惡英(tetrachlorodibenzo-p-dioxin, TCDD)[59]等。

表1 一些化學(xué)物質(zhì)的組織殘留基準(zhǔn)值

注：ww為濕重(wet weight)，dw為干重(dry weight)，lw為脂質(zhì)重量(lipid weight)。

Note: ww = wet weight, dw = dry weight, lw = lipid weight.

TRA也用于研究高營養(yǎng)級(jí)野生生物基準(zhǔn)。對(duì)于水生態(tài)系統(tǒng)中處于食物鏈較高營養(yǎng)級(jí)野生生物，包括大型肉食性魚類、食魚哺乳動(dòng)物和鳥類主要通過攝食累積PBT物質(zhì)，營養(yǎng)級(jí)越高可能存在的有害風(fēng)險(xiǎn)會(huì)越高。因此將組織殘留方法用于研究高營養(yǎng)級(jí)野生生物的基準(zhǔn)以及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)已成為研究趨勢(shì)。加拿大環(huán)保部建立了基于TRA的保護(hù)野生生物組織殘留基準(zhǔn)推導(dǎo)框架，但是該基準(zhǔn)主要是基于野生食魚水鳥和哺乳動(dòng)物食物(如，魚組織)中的污染物含量[60]。應(yīng)用該方法推導(dǎo)了甲基汞[61]、滴滴涕、TCDD、多氯聯(lián)苯和毒殺芬的野生生物組織殘留基準(zhǔn)值[62]。相比針對(duì)食物中殘留含量表示的基準(zhǔn)，使用目標(biāo)生物組織中污染物殘留含量表示的毒性效應(yīng)更加準(zhǔn)確。因此，有研究提出了基于水鳥血液、肝臟和卵中全氟辛烷磺酸鹽的毒性參考值[63]，以及野生哺乳動(dòng)物和鳥類血液鉛的毒性閾值[64]。依據(jù)最新毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有研究分析了甲基汞野生生物毒性效應(yīng)的物種敏感度分布，提出了分別基于食魚水鳥飲食(魚組織)和水鳥組織(羽毛和血液)中甲基汞含量的基準(zhǔn)值[65]，以及研究了基于野生食魚哺乳動(dòng)物肝臟和鳥蛋中多溴聯(lián)苯醚的組織殘留基準(zhǔn)值[66]。

除了將組織殘留法用于環(huán)境基準(zhǔn)研究外，許多區(qū)域環(huán)境評(píng)價(jià)項(xiàng)目也使用該方法進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。美國環(huán)保局在超級(jí)基金項(xiàng)目中對(duì)多個(gè)污染場(chǎng)地進(jìn)行修復(fù)評(píng)價(jià)，提出了三丁基錫組織殘留毒性參考值，將其用于特定區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[20]。另外，美國在農(nóng)藥注冊(cè)過程中對(duì)新農(nóng)藥進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)也開始使用組織殘留法，特別是對(duì)一些存在生物累積特性的農(nóng)藥[68]。直接測(cè)定目標(biāo)生物組織中的污染物含量，結(jié)合組織殘留毒性值或組織殘留基準(zhǔn)值評(píng)價(jià)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[69]。組織殘留方法已逐漸成為研究PBT物質(zhì)環(huán)境基準(zhǔn)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的有效方法，且已得到初步的應(yīng)用。組織殘留基準(zhǔn)的提出彌補(bǔ)了水質(zhì)基準(zhǔn)一些應(yīng)用上的不足。比如，汞是具有較高生物累積性的污染物，研究顯示即使水體中汞處于背景值水平也可能在魚或其他高營養(yǎng)級(jí)生物體內(nèi)達(dá)到與汞污染區(qū)域相似的累積量[70]。南佛羅里達(dá)河口水體汞的含量?jī)H為3～7.4 ng·L-1，遠(yuǎn)低于美國環(huán)境保護(hù)局汞的水生生物慢性水質(zhì)基準(zhǔn)值770 ng·L-1；但是魚體內(nèi)的汞累積量達(dá)到了0.31 μg·g-1，已對(duì)魚和食魚野生生物造成潛在有害風(fēng)險(xiǎn)[71]。因此，應(yīng)將組織殘留法應(yīng)用到環(huán)境基準(zhǔn)及風(fēng)險(xiǎn)的研究中，構(gòu)建基于環(huán)境介質(zhì)和生物組織中污染物含量的綜合性環(huán)境基準(zhǔn)體系。

2 組織殘留基準(zhǔn)的推導(dǎo)(Derivation of tissue residue criteria)

研究TRA最重要的目的之一就是應(yīng)用其推導(dǎo)組織殘留基準(zhǔn)。正如前面論述，組織殘留方法已經(jīng)在環(huán)境基準(zhǔn)及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中得到了初步應(yīng)用，如何應(yīng)用組織殘留方法研究環(huán)境基準(zhǔn)，組織殘留毒性數(shù)據(jù)的獲取、分析、基準(zhǔn)推導(dǎo)方法以及組織殘留基準(zhǔn)的應(yīng)用等都需要系統(tǒng)研究。

在擬研究某化學(xué)物質(zhì)的組織殘留基準(zhǔn)前，首先應(yīng)當(dāng)確定組織殘留法應(yīng)用的必要性。是否有必要推導(dǎo)組織殘留基準(zhǔn)最關(guān)鍵的是化學(xué)物質(zhì)的主要暴露途徑。當(dāng)化學(xué)物質(zhì)的主要暴露途徑是食物暴露或者生物通過該暴露途徑所攝取化學(xué)物質(zhì)占總暴露量比例較高時(shí)，即可確定應(yīng)用組織殘留方法。組織殘留基準(zhǔn)推導(dǎo)過程主要包括數(shù)據(jù)的收集和分析、計(jì)算方法的選定和推導(dǎo)(圖1)[38]。在環(huán)境管理需要并且有充足數(shù)據(jù)支持下也可以將組織殘留基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為基于環(huán)境暴露濃度的基準(zhǔn)值(水質(zhì)基準(zhǔn)或沉積物基準(zhǔn))或低營養(yǎng)級(jí)組織殘留基準(zhǔn)。

2.1 組織殘留毒性數(shù)據(jù)的收集和分析

確定使用組織殘留法研究化學(xué)物質(zhì)的環(huán)境基準(zhǔn)后，首先收集和整理化學(xué)物質(zhì)所有相關(guān)的毒性數(shù)據(jù)和與毒性效應(yīng)相關(guān)的組織殘留數(shù)據(jù)。目前僅有一個(gè)較全面的關(guān)于組織殘留-效應(yīng)數(shù)據(jù)庫可供使用，是由美國陸軍工程兵團(tuán)和美國環(huán)保局聯(lián)合資助建立的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫[72]。這個(gè)數(shù)據(jù)庫包括了約12 000個(gè)數(shù)據(jù)記錄，涉及了關(guān)于存活、生殖和生長等效應(yīng)終點(diǎn)的組織殘留效應(yīng)信息，且每年都會(huì)更新。美國環(huán)保局之前也對(duì)組織殘留效應(yīng)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了整理，主要是基于水生生物有害效應(yīng)的全身組織殘留數(shù)據(jù)，已經(jīng)整合到該數(shù)據(jù)庫[73]。美國環(huán)保局最近建立了多氯聯(lián)苯殘留數(shù)據(jù)庫，整合了對(duì)魚、哺乳動(dòng)物和鳥類的二惡英類毒性的組織殘留效應(yīng)數(shù)據(jù)[74]。數(shù)據(jù)庫所收集數(shù)據(jù)有限，為了保證數(shù)據(jù)的完整性和結(jié)果能夠反映最新的研究成果，需要檢索最新的毒理學(xué)研究文獻(xiàn)，從中獲取組織殘留數(shù)據(jù)。此外，還可通過生物富集系數(shù)和相應(yīng)的環(huán)境暴露毒性值(如，LC50)或者相關(guān)模型等計(jì)算得到組織殘留毒性值，但是要特別關(guān)注這些值的準(zhǔn)確性[21]。

在收集數(shù)據(jù)的同時(shí)需要考慮化學(xué)物質(zhì)在環(huán)境和組織中的存在形態(tài)、作用組織、毒性效應(yīng)終點(diǎn)、敏感生物和生命階段、劑量-效應(yīng)關(guān)系、以及組織殘留毒性的影響因素[20]。通過對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的分析，判斷是否有足夠的數(shù)據(jù)可以用于研究基準(zhǔn)。目前關(guān)于組織殘留的毒性數(shù)據(jù)較少，對(duì)于數(shù)據(jù)質(zhì)量的分析主要考慮：(1)毒性試驗(yàn)應(yīng)設(shè)置恰當(dāng)?shù)膶?duì)照條件，對(duì)照組生物的反應(yīng)在可接受范圍；(2)毒性終點(diǎn)應(yīng)為具有生態(tài)學(xué)相關(guān)性的生殖、發(fā)育、生長和行為異常等對(duì)種群水平有影響的效應(yīng)終點(diǎn)；(3)研究中要有明確的組織殘留劑量-效應(yīng)關(guān)系；(4)研究中應(yīng)給出包括試驗(yàn)化學(xué)物形態(tài)和試驗(yàn)劑量(或通過所給信息可以計(jì)算得到)的信息；(5)暴露實(shí)驗(yàn)是否涉及其他化學(xué)物質(zhì)，或者是否使用了野外采集的水體或沉積物；(6)毒性實(shí)驗(yàn)的暴露途徑，食物暴露是評(píng)估生物累積性物質(zhì)毒性效應(yīng)的最有效暴露途徑；(7)毒性實(shí)驗(yàn)的暴露時(shí)間應(yīng)足以使污染物分布于目標(biāo)組織或在生物體內(nèi)分布達(dá)到平衡。

圖1 組織殘留基準(zhǔn)的研究框架Fig. 1 Framework for deriving tissue residue criteria

對(duì)于暴露途徑和效應(yīng)終點(diǎn)的選擇應(yīng)根據(jù)具體污染物的毒性作用機(jī)制進(jìn)行分析和確定。比如在TCDD的組織殘留基準(zhǔn)研究中選擇了魚卵和胚胎發(fā)育作為數(shù)據(jù)篩選的原則，而母體TCDD的吸收及向魚卵的傳遞是最具生態(tài)學(xué)相關(guān)性的暴露途徑[59]。但是有研究顯示TCDD在魚早期生命階段的殘留效應(yīng)與暴露途徑無關(guān)，因此基于母體傳遞、卵注射和水體暴露的毒性數(shù)據(jù)都應(yīng)用到了TCDD的基準(zhǔn)研究中。組織殘留數(shù)據(jù)是基于特定組織中含量或全身殘留含量，數(shù)據(jù)的選擇主要依據(jù)毒性作用機(jī)制和基準(zhǔn)在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用方式。在TCDD的基準(zhǔn)研究中[59]，主要應(yīng)用的是早期生命階段，且該階段對(duì)芳香烴受體毒性最敏感，因此僅使用了基于魚卵和胚胎中TCDD殘留的毒性數(shù)據(jù)作為推導(dǎo)依據(jù)。

2.2 推導(dǎo)方法的選擇

在數(shù)據(jù)滿足要求的前提下，選擇合適的方法推導(dǎo)組織殘留基準(zhǔn)。所有在水體或沉積物基準(zhǔn)中應(yīng)用的方法基本都可以用于推導(dǎo)組織殘留基準(zhǔn)，唯一的區(qū)別在于組織殘留取代了水體或沉積物中的濃度。有幾種方法可以用于推導(dǎo)組織殘留基準(zhǔn)，包括關(guān)鍵研究法(critical study approach, CSA)、平均值法(averaging method)、整合分析法(meta analysis)以及物種敏感度分布法(species sensitivity distribution, SSD)等。

2.2.1 關(guān)鍵研究法

關(guān)鍵研究法與推導(dǎo)水質(zhì)基準(zhǔn)時(shí)應(yīng)用的評(píng)價(jià)因子法類似，即選擇一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和研究方法合理明確且可以從一系列實(shí)驗(yàn)劑量中得出毒性閾值的關(guān)鍵研究作為推導(dǎo)組織殘留基準(zhǔn)的主要依據(jù)[75-76]。關(guān)鍵研究法是目前推導(dǎo)保護(hù)野生生物基準(zhǔn)以及評(píng)價(jià)野生生物風(fēng)險(xiǎn)的主要方法[38,60,65,76-79]。將從關(guān)鍵研究中得到的毒性閾值，比如LOER或NOER除以不確定因子(uncertainty factor, UF)得到組織殘留基準(zhǔn)。推導(dǎo)公式為：

北美五大湖水質(zhì)初始野生生物基準(zhǔn)的技術(shù)支持文件[80]和基準(zhǔn)文件[77]中論述了確定UF的主要依據(jù)。需要考慮3個(gè)方面的不確定性：(1)毒性敏感性的種間差異(UFA)；(2)亞慢性到慢性暴露效應(yīng)的外推(UFS)；(3)LOER到NOER的外推(UFL)。每一個(gè)不確定系數(shù)的取值均在1到10之間，均依據(jù)對(duì)獲得數(shù)據(jù)信息的專業(yè)判斷得出[63,80]。

有研究應(yīng)用了與關(guān)鍵研究法類似的簡(jiǎn)單排序法推導(dǎo)了甲基汞和滴滴涕的組織殘留基準(zhǔn)[17]。在該方法中，將所有毒性數(shù)據(jù)按照大小簡(jiǎn)單排序，選擇低于最低有效應(yīng)劑量的最高無效應(yīng)劑量作為保護(hù)性的組織殘留閾值。

2.2.2 平均值法

平均值法為假設(shè)采用的所有研究均具有相同的質(zhì)量，且給最具代表性和最高質(zhì)量研究分配相同權(quán)重計(jì)算它們的均值[75]。然而不同的研究所用物種和暴露時(shí)間等都會(huì)存在差異，將所有研究看作相同權(quán)重進(jìn)行取均值存在很大的不確定性。因此，該方法在環(huán)境基準(zhǔn)的研究中應(yīng)用較少。

2.2.3 整合分析法

整合分析是一種統(tǒng)計(jì)方法，將幾個(gè)獨(dú)立的研究結(jié)果整合到一起進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[81]。Glass[82]首次提出Meta-analysis這一術(shù)語，目前該方法已在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該方法主要包括以下幾個(gè)步驟：(1)提出研究問題的假設(shè)；(2)收集和研究與問題相關(guān)的文獻(xiàn)；(3)整理數(shù)據(jù)并分類；(4)選擇合適的效應(yīng)值和分析模型并進(jìn)行計(jì)算；(5)將單個(gè)研究的效應(yīng)值進(jìn)行合并，并綜合分析。在Moore等[83]的研究中，將不同研究中甲基汞對(duì)水貂慢性暴露的16個(gè)劑量-效應(yīng)數(shù)據(jù)綜合分析，構(gòu)建了劑量-反應(yīng)曲線。該方法的優(yōu)勢(shì)在于將同類研究結(jié)果進(jìn)行定量綜合分析，增大了樣本量，改進(jìn)和提高了統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)功效；減少偏差，定量估計(jì)研究效應(yīng)的平均水平[84]。運(yùn)行完善的整合分析可以提供比單獨(dú)研究結(jié)果更加合理的效應(yīng)劑量。然而，該方法對(duì)數(shù)據(jù)要求嚴(yán)格，要求考慮的研究均使用標(biāo)準(zhǔn)毒性測(cè)試方法，比如方法、暴露途徑、暴露時(shí)間等。因?yàn)椴煌难芯烤哂胁煌馁|(zhì)量，限制了方法的使用。

2.2.4 物種敏感度分布法

物種敏感度分布法是一種概率分布函數(shù)法，可以反映生物對(duì)污染物毒性的種間差異[85]，在水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)以及水生生物保護(hù)基準(zhǔn)的推導(dǎo)中得到了廣泛應(yīng)用[11,86-88]。物種敏感度分布法的前提假設(shè)是物種敏感度符合特定統(tǒng)計(jì)學(xué)分布，比如正態(tài)分布[89-90]、邏輯斯蒂分布[91-92]、三角分布[11]、韋伯分布[86]或其他非參數(shù)模型[93-94]。依據(jù)分布函數(shù)計(jì)算可以保護(hù)水生生物或生態(tài)系統(tǒng)的基準(zhǔn)值或毒性參考值，通常選擇保護(hù)95%物種的HC5(hazard concentration for 5% of species)。該方法已經(jīng)用于汞、滴滴涕和TCDD等組織殘留基準(zhǔn)的研究[17,21,59]。

2.3 組織殘留基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為其他介質(zhì)基準(zhǔn)

通?？紤]到環(huán)境管理上的需求，即環(huán)境監(jiān)測(cè)和污染物排放限制等方面使用組織殘留可能不適用于所有情況，因此有必要將組織殘留基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為水質(zhì)基準(zhǔn)或食物鏈中低營養(yǎng)級(jí)生物組織殘留基準(zhǔn)。該轉(zhuǎn)化過程主要是通過將組織殘留基準(zhǔn)除以特定的生物富集系數(shù)(BCF)而實(shí)現(xiàn)。其中，BCF可以使用所有物種的BCF值構(gòu)建累積密度函數(shù)求得[21]。通常選擇累積密度函數(shù)的95%分位值作為最終的BCF值?；蛘咭部蓪⒔M織殘留基準(zhǔn)與每個(gè)物種的BCF值相除得到一系列水質(zhì)基準(zhǔn)值，然后使用這些值構(gòu)建累積密度函數(shù)，求其95%分位值作為最終的水質(zhì)基準(zhǔn)值[21,95]。在將組織殘留基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為環(huán)境介質(zhì)表示基準(zhǔn)時(shí)，必須結(jié)合特定區(qū)域的生物累積信息，因?yàn)椴煌瑓^(qū)域生物組成、食物結(jié)構(gòu)及環(huán)境理化參數(shù)等都會(huì)對(duì)此產(chǎn)生影響。比如，基于性畸變效應(yīng)終點(diǎn)三丁基錫的組織殘留基準(zhǔn)是0.32 μg·g-1，95%分位值的BCF是72 550，由此得到水質(zhì)基準(zhǔn)為4 ng·L-1，該值與美國環(huán)境保護(hù)局提出的海水慢性水質(zhì)基準(zhǔn)(7.4 ng·L-1)基本接近[21]。

對(duì)于PBT物質(zhì)而言，生物的生理機(jī)能和飲食是控制生物累積量的主要因素。為了能夠準(zhǔn)確地反映生物累積信息以及保護(hù)目標(biāo)生物，需要選擇一些具有代表性的物種，根據(jù)這些物種的飲食結(jié)構(gòu)和生理機(jī)能信息將組織殘留基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的環(huán)境基準(zhǔn)。代表性物種的選擇可以依據(jù)區(qū)域或地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征確定，以保護(hù)區(qū)域水生生物。在保護(hù)肉食性野生生物水質(zhì)基準(zhǔn)的相關(guān)研究中應(yīng)用了代表物種[65,77]。確定代表性物種后分析生物對(duì)化學(xué)物的生物累積性，然后結(jié)合組織殘留值推導(dǎo)相應(yīng)的環(huán)境基準(zhǔn)。比如，美國環(huán)境保護(hù)局在推導(dǎo)野生生物基準(zhǔn)時(shí)，根據(jù)北美五大湖區(qū)野生動(dòng)物的種類組成、攝食結(jié)構(gòu)以及環(huán)境中的污染水平選擇了3種鳥類和2種哺乳動(dòng)物作為代表性物種，代表該區(qū)域通過水生食物網(wǎng)受到污染物暴露最大的生物[80]。

3 存在的問題和建議(Existing problems and recommendations)

組織殘留劑量概念的提出以及在環(huán)境研究中的應(yīng)用已經(jīng)有較長時(shí)間，但是環(huán)境管理和污染物的控制還主要集中在各種環(huán)境介質(zhì)(水體、土壤、沉積物大氣和食物)中污染物的含量。TRA在環(huán)境基準(zhǔn)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中廣泛應(yīng)用的一個(gè)首要限制因素是缺乏足夠數(shù)量和高質(zhì)量的組織殘留-效應(yīng)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)毒性研究中較少分析組織殘留是缺乏組織殘留毒性效應(yīng)數(shù)據(jù)的主要原因。盡管已經(jīng)做了很多關(guān)于組織殘留-效應(yīng)數(shù)據(jù)的收集和整理工作，但是關(guān)于組織殘留-效應(yīng)關(guān)系的詳細(xì)信息和分析還是相當(dāng)缺乏，限制了對(duì)組織殘留效應(yīng)的深入理解和應(yīng)用。對(duì)于一些嚴(yán)重缺乏數(shù)據(jù)的化學(xué)物質(zhì)，可以將基于環(huán)境介質(zhì)的毒性效應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)合相應(yīng)的生物累積系數(shù)預(yù)測(cè)組織殘留-效應(yīng)毒性閾值，但是這種轉(zhuǎn)換關(guān)系存在很大的不確定性，需要在轉(zhuǎn)化過程中考慮數(shù)據(jù)點(diǎn)的相關(guān)性、暴露時(shí)間、效應(yīng)終點(diǎn)和環(huán)境條件等。因此，在今后的研究中有必要針對(duì)環(huán)境毒性數(shù)據(jù)向組織殘留毒性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化開展相關(guān)預(yù)測(cè)模型和方法的研究，并且對(duì)傳統(tǒng)的毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行更新，加強(qiáng)組織殘留毒性數(shù)據(jù)庫。

解析環(huán)境中污染物對(duì)生物產(chǎn)生效應(yīng)的有效暴露途徑是進(jìn)行毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)及組織殘留效應(yīng)分析的關(guān)鍵。開展組織殘留毒性效應(yīng)研究，特別是針對(duì)生物累積性物質(zhì)，通過食物暴露的毒性效應(yīng)研究對(duì)于深入了解這類物質(zhì)的組織殘留效應(yīng)顯得尤為重要。通過組織殘留效應(yīng)的研究可以得到化學(xué)物質(zhì)在生物體內(nèi)的組織分布、作用模式、毒物代謝動(dòng)力學(xué)和毒效學(xué)等數(shù)據(jù)，可以更加詳細(xì)和深入地分析組織殘留-效應(yīng)關(guān)系，為TRA在毒理學(xué)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及環(huán)境管理中的應(yīng)用提供充分的依據(jù)。

TRA在環(huán)境基準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用仍處于起步階段，如何將其結(jié)合到環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和環(huán)境管理中仍然有很多的技術(shù)問題需要深入研究。目前應(yīng)用組織殘留數(shù)據(jù)推導(dǎo)環(huán)境基準(zhǔn)的方法主要是沿用了水質(zhì)基準(zhǔn)的研究方法，沒有專門針對(duì)組織殘留效應(yīng)數(shù)據(jù)的推導(dǎo)方法，在方法的適用性方面還有不確定性。另外，需要構(gòu)建更加詳細(xì)和具有廣泛適用性的能夠?qū)RA結(jié)合的基準(zhǔn)推導(dǎo)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架。

在中國，對(duì)于組織殘留法的研究還相對(duì)較少。中國的生態(tài)毒理學(xué)研究起始于20世紀(jì)七八十年代，在分子、細(xì)胞、組織、個(gè)體、種群、群落到生態(tài)系統(tǒng)等不同結(jié)構(gòu)和層次上取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)和成果。然而，針對(duì)污染物在目標(biāo)生物組織中的殘留量與生物毒性效應(yīng)間的相關(guān)性研究還很少[34]。環(huán)境基準(zhǔn)的研究仍處于起步階段，近年來針對(duì)大氣、土壤、沉積物和水體等環(huán)境介質(zhì)污染開展了相應(yīng)的研究。組織殘留法在生態(tài)毒理學(xué)和環(huán)境基準(zhǔn)研究中的應(yīng)用，將促進(jìn)污染物毒性效應(yīng)機(jī)理的研究，完善環(huán)境基準(zhǔn)的管理體系。

為促進(jìn)中國環(huán)境基準(zhǔn)及組織殘留基準(zhǔn)的研究，未來應(yīng)從以下幾點(diǎn)開展工作：(1)發(fā)展和建立更加完善的生態(tài)毒理學(xué)研究方法，探索基于本地物種的毒理學(xué)試驗(yàn)方法，揭示化學(xué)物在生物體內(nèi)的代謝、分布和殘留與生物學(xué)效應(yīng)的相關(guān)性。(2)開發(fā)預(yù)測(cè)模型和軟件，利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)生物的組織累積量以及組織殘留效應(yīng)等信息。(3)建立基于環(huán)境介質(zhì)和生物組織殘留的綜合性毒性效應(yīng)數(shù)據(jù)庫，為水質(zhì)基準(zhǔn)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。(4)進(jìn)一步探索組織殘留法及其應(yīng)用的基本理論和原理，構(gòu)建可用于區(qū)域環(huán)境質(zhì)量管理的環(huán)境基準(zhǔn)理論體系和研究框架。

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◆

Application of Tissue Residue Approach in Aquatic Life Criteria

Zhang Ruiqing1, Wu Fengchang2,*

1．College of Environment and Resources, Inner Mongolia University, Huhhot 010021, China 2．State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

3 June 2014 accepted 21 August 2014

Aquatic life criteria have been significant basis for ecological risk assessment and water environmental management, playing an important role in treatment, control and management of water pollution. The toxicity thresholds and environmental criteria based on concentration of chemical in water or sediment are always influenced by environmental and biological parameters, resulting in uncertainty and variability. However, tissue-based toxicity dose metrics can reduce the uncertainty and variability, and have distinct advantages in toxicity effects and environmental criteria of chemicals, especially ofthe bioaccumulative chemicals. This article deals with the applications of tissue residue approach in derivation of aquatic life criteria, and gives a detailed review on the concept, advantage, application of tissue residue approach, and methodologies for deriving tissue residue criteria. The application issues of tissue residue approach and recommendations are suggested. This will promote the research of theories and methodologies of environmental criteria and ecological risk assessment, and provide technical support to control and management of water pollution.

aquatic life; environmental criteria; ecological risk assessment; tissue residue approach

國家自然科學(xué)基金(41130743; 41261140337; 41322025)；內(nèi)蒙古大學(xué)高層次人才引進(jìn)科研啟動(dòng)項(xiàng)目(135139)；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金(2014BS0402)

張瑞卿(1984-)，男，博士，研究方向?yàn)榄h(huán)境地球化學(xué)及環(huán)境基準(zhǔn)研究，E-mail: zruiqing2007@126.com；

*通訊作者(Corresponding author)，E-mail: wufengchang@vip.skleg.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20140603001

2014-06-03 錄用日期：2014-08-21

1673-5897(2015)1-088-13

X171.5

A

吳豐昌(1965—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究湖泊污染機(jī)理與過程、水質(zhì)基準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

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