劉婷婷，鄭欣，閆振廣，劉征濤

中國環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境基準與風(fēng)險評估國家重點實驗室 國家環(huán)境保護化學(xué)品生態(tài)效應(yīng)與風(fēng)險評估重點實驗室，北京 100012

我國水生生物的二甲苯基準閾值探討及其在風(fēng)險評估中的初步應(yīng)用

劉婷婷，鄭欣，閆振廣*，劉征濤

中國環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境基準與風(fēng)險評估國家重點實驗室 國家環(huán)境保護化學(xué)品生態(tài)效應(yīng)與風(fēng)險評估重點實驗室，北京 100012

搜集篩選了二甲苯對我國淡水生物的急、慢性毒性數(shù)據(jù)。物種涵蓋了昆蟲類、甲殼動物類、魚類、兩棲動物類、環(huán)節(jié)動物類、軟體動物類、輪蟲類和浮游植物類。數(shù)據(jù)分析表明，甲殼類生物對二甲苯最為敏感。采用美國水生生物基準技術(shù)對二甲苯水質(zhì)基準進行推算，得出保護我國淡水生物的二甲苯急性基準域值為1.41 mg·L-1，慢性基準為0.57 mg·L-1?；讷@得的二甲苯基準值對我國部分流域二甲苯的暴露生態(tài)風(fēng)險進行初步評估，結(jié)果表明二甲苯并未對這些水體中的水生生物造成潛在風(fēng)險。本研究將為二甲苯水質(zhì)標準的制修訂和流域水環(huán)境管理提供技術(shù)支持。

水生態(tài)系統(tǒng)；水質(zhì)基準；物種敏感度分布；生態(tài)風(fēng)險評估；二甲苯

二甲苯(xylene)為無色透明、有芳香氣味的揮發(fā)性液體，具有3種同分異構(gòu)體：鄰-二甲苯、間-二甲苯和對-二甲苯。由于3種異構(gòu)體的毒性差異不明顯，因此國際上常用“(總)二甲苯”進行該物質(zhì)環(huán)境質(zhì)量基準的研究。參照國際慣例，本文中的二甲苯指總二甲苯。

二甲苯是重要的石油化工產(chǎn)品，存在于汽油和航空燃料中；也是一種重要的溶劑，廣泛應(yīng)用于涂料、油漆、染料等產(chǎn)業(yè)。由于二甲苯具有揮發(fā)性，在生產(chǎn)、儲存和運輸過程中容易釋放到環(huán)境中造成污染。二甲苯的污染主要來自于原油泄露、填埋場滲透、農(nóng)藥和化工行業(yè)的廢物排放及汽車尾氣排放等。釋放到環(huán)境中的二甲苯，不僅對自然環(huán)境造成污染，也對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成危害，已被列入我國水環(huán)境優(yōu)先控制污染物黑名單[1]。研究顯示人類急性暴露于二甲苯中會引發(fā)頭暈、頭痛、意識模糊、肝腎功能受損等癥狀[2]。孕鼠的經(jīng)口染毒實驗表明，二甲苯可造成妊娠小鼠外周血有核細胞DNA的損傷并導(dǎo)致流產(chǎn)，可對胚胎產(chǎn)生毒性和致畸性[3-4]。二甲苯的水生生物生態(tài)毒理研究較少，Verschueren[5]研究得到其對大型溞的LC50為100 mg·L-1；Ferrando和Andreu-Moliner[6]研究發(fā)現(xiàn)二甲苯對2種輪蟲(Braclubnus calyciflorusa, Braclubnus plicatilis)可產(chǎn)生毒性效應(yīng)，其24 h-LC50分別為252.7 mg·L-1和552.6 mg·L-1；范亞維等[7-8]研究顯示二甲苯可對斑馬魚、大型溞和霍普水絲蚓產(chǎn)生較大的毒性效應(yīng)，并根據(jù)試驗結(jié)果預(yù)測水體中二甲苯的安全濃度為5.0 mg·L-1。周彤[9]檢測了3種苯系物(BTEX)對中華新米蝦、青鳉和食蚊魚的生物毒性，發(fā)現(xiàn)二甲苯的毒性高于甲苯。

鑒于二甲苯的毒性，許多國家對其水環(huán)境安全含量做了規(guī)定，如世界衛(wèi)生組織(WHO)在飲用水質(zhì)量標準中，規(guī)定二甲苯基于人類健康保護的標準限值為0.5 mg·L-1及基于人類感官(嗅覺)的標準限值為0.02 mg·L-1[10]。我國現(xiàn)行地表水水質(zhì)標準參照了WHO公布的標準值，規(guī)定集中式生活飲用水源地的二甲苯標準限值為0.5 mg·L-1[11]。上述限值主要是基于對人體健康的保護，而對基于水生生物保護的二甲苯基準研究較少。目前我國鄰二甲苯(PX)化工項目設(shè)立較多，部分工程甚至引發(fā)了社會穩(wěn)定問題，如廈門、大連和寧波的PX事件[12-13]。因此，根據(jù)我國水環(huán)境特征探討二甲苯的水生生物基準，對于全面保護我國水生態(tài)系統(tǒng)，科學(xué)評估PX工程項目的設(shè)立和實施都具有參考價值。

對于水質(zhì)基準的研究，歐美的一些國家擁有比較完善的技術(shù)體系和理論研究方法[14-16]。近年來，我國借鑒發(fā)達國家的水質(zhì)基準技術(shù)方法探討了適用于我國水域環(huán)境的水質(zhì)基準方法，并取得了一些進展[17-19]。一些學(xué)者也相繼推導(dǎo)出了我國部分污染物的水質(zhì)基準閾值，如Yin[20-21]等推導(dǎo)了2,4-二氯苯酚和2,4,6-三氯苯酚的基準，吳豐昌等[22-26]對我國鎘、鋅、銅、鉻(VI)、苯和硝基苯等污染物的水質(zhì)基準進行了研究。目前，國際上推算水質(zhì)基準的主流方法為物種敏感度分布法(species sensitivity distribution, SSD)。發(fā)達國家在技術(shù)指南中推薦使用的SSD方法模型主要有3種：對數(shù)-三角函數(shù)分布模型、對數(shù)-正態(tài)分布模型和對數(shù)-邏輯斯蒂函數(shù)分布模型。3種方法各有優(yōu)缺點，其中，美國的SSD方法以對數(shù)-三角函數(shù)分布模型為基礎(chǔ)，并且加入了非參數(shù)計算方法，又稱為物種敏感度排序法(species sensitivity rank, SSR)[27]。SSR是由美國環(huán)境保護局(1985)提出的水質(zhì)基準制定方法，即基于SSD原理，結(jié)合暴露時間和暴露頻率，對具體的目標物質(zhì)(污染物)經(jīng)SSD排序數(shù)理推導(dǎo)，可制定2個值：基準最大濃度(criteria maximum concentration, CMC)和基準連續(xù)濃度(criteria continuous concentration, CCC)，為充分考慮生物多樣性，用于推導(dǎo)CMC和CCC的急慢性毒性數(shù)據(jù)至少涉及3個門、6～8個科的生物，需有較好的代表性，即要為大多數(shù)(95%以上)生物提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo。該方法主要關(guān)注低值的敏感物種，在基準推算過程中可以降低高值區(qū)間擬合背離產(chǎn)生的誤差[28]，并且將基準分為急性基準CMC和慢性基準CCC，分別應(yīng)對了突發(fā)性污染事故和長期暴露污染，比較適合我國的國情。

本研究基于二甲苯對水生生物的急、慢性毒性數(shù)據(jù)的分析，識別了對二甲苯最敏感的生物類別；依據(jù)美國SSR基準技術(shù)方法，推算得到保護水生生物的二甲苯急性和慢性基準閾值，并對我國一些流域水環(huán)境二甲苯暴露的生態(tài)風(fēng)險進行了初步評估。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 毒性數(shù)據(jù)收集篩選與SSR分析

搜集二甲苯對我國淡水水生生物的急、慢性毒性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源為美國環(huán)境保護局(US EPA)毒性數(shù)據(jù)庫ECOTOX(http://cfpub.epa.gov/ecotox/)、公開發(fā)表的中、英文文獻以及科研項目研究報告等，具體可見下文。參照美國水生生物基準毒性數(shù)據(jù)篩選原則，對所獲得的數(shù)據(jù)進行篩選，原則如下：1)所選擇的物種在我國境內(nèi)有分布、棲息或較大范圍內(nèi)養(yǎng)殖；所選物種要求基本覆蓋我國的水生態(tài)系統(tǒng)，代表不同的營養(yǎng)級、生物類群、營養(yǎng)類型和生命形式；2)針對同一種受試生物的多組毒性值，采用這些數(shù)據(jù)的幾何平均值，即種平均急性值(species mean acute values, SMAVs)作為該生物的毒性值；3)針對同一受試生物在不同生命階段的多組毒性值，采用相對敏感期的毒性數(shù)據(jù)；4)針對苯系物這類易揮發(fā)的污染物，以流水式試驗為宜，但考慮到實驗的可操作性和數(shù)據(jù)量積累過少，因此本文也搜集了符合試驗要求的半靜止和靜止試驗的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)搜集與篩選完成后，對于同屬生物可計算其屬平均急性值(genus mean acute values, GMAVs)作為該屬的毒性值。計算出SMAV或GMAV后，按照數(shù)值大小對物種敏感性進行排序及分析。

1.2 水生生物基準推導(dǎo)方法

采用SSR方法進行二甲苯的水生生物基準推算，大致步驟如下：

1)將GMAV從低到高排序，并按公式(1)計算生物屬的累積概率(P)。

P=R/(N+1)

(1)

式中，R為不同GMAV的分配等級，最小值的等級為1；N為屬的個數(shù)。

2)計算最終急性毒性值FAV(final acute value)：選取4個累積概率接近0.05的GMAV按照公式(2)～(5)計算FAV。

(2)

(3)

(4)

FAV=eA

(5)

式中，S、L、A分別為計算過程中采用的符號，沒有特殊的含義。

3)計算最終慢性毒性值FCV(final chronic value)：若可以獲得3門8科物種的慢性毒性數(shù)據(jù)，F(xiàn)CV可以參考FAV的計算方法推算；數(shù)據(jù)不充足時，利用公式(6)計算：

FCV= FAV/FACR

(6)

式中FACR為最終急性慢性毒性比(final acute/chronic ratio)。

4)計算最終植物值FPV(final plant value)：FPV等于水生植物毒性試驗(通常是用藻類所做的96 h試驗或者是用水生維管束植物所做的慢性試驗)結(jié)果中的最小值。

5)最終殘留值FRV(final residue value)：計算最終殘留值需要獲得該物質(zhì)的最大允許組織濃度(它是有關(guān)部門對魚油、魚類和貝類的可食用部分的管理水平)和生物富集系數(shù)(通常采用獲得數(shù)據(jù)中的最大值)，然后按式(7)計算：

FRV=MPTC/BCF

(7)

式中，MPTC為最大允許組織濃度，mg·kg-1；BCF為生物富集系數(shù)，L·kg-1。

6)計算CMC和CCC:

CMC=FAV/2

(8)

CCC=MIN (FCV, FPV,FRV)

(9)

1.3 生態(tài)風(fēng)險評估

搜集二甲苯在不同地表水體中的暴露濃度數(shù)據(jù)，利用風(fēng)險商值法(RQ, risk quotient)對其暴露風(fēng)險進行初步評估，將二甲苯暴露濃度除以獲得的二甲苯水生生物基準值得到風(fēng)險商值RQ，若RQ>l，則具有高風(fēng)險，RQ<1則判斷基本沒有風(fēng)險[29]。

2 結(jié)果(Results)

2.1 二甲苯的急性基準閾值CMC

搜集篩選二甲苯對水生生物的毒性數(shù)據(jù)(表1)，水生生物包含24屬24種，涉及昆蟲類(2種)、甲殼動物類(7種)、魚類(10種)、兩棲動物類(1種)、環(huán)節(jié)動物類(1種)、軟體動物類(2種)和輪蟲類(1種)，基本覆蓋了水生態(tài)系統(tǒng)的各生物群落，代表了不同的營養(yǎng)級、營養(yǎng)類型和生命形態(tài)。計算物種的SMAV和GMAV，并根據(jù)GMAV從低到高排序。由表1可見，對二甲苯最敏感的物種為模糊網(wǎng)紋溞(Ceriodaphnia dubia)，最不敏感的物種為櫛水虱(Asellus aquaticus)，兩者的GMAV相差近600倍。

根據(jù)1.2的計算方法，將對二甲苯最敏感的4種生物(模糊網(wǎng)紋溞、細足米蝦、虹鱒和大型溞)的相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(2)～(5)，得出二甲苯的水生生物最終急性毒性值FAV為2.81 mg·L-1，根據(jù)公式(8)得出二甲苯的急性基準閾值(CMC)為1.41 mg·L-1。

2.2 二甲苯的慢性基準閾值CCC

二甲苯的水生生物慢性毒性數(shù)據(jù)較少，滿足條件的只有4個物種(表2)，不符合基準推算的毒性數(shù)據(jù)要求，因此利用FACR法計算最終慢性毒性值FCV。根據(jù)物種的急慢性毒性值可分別求得其急慢性比率ACR(表2)，計算得出鯽魚、斑馬魚和霍普水絲蚓3種生物ACR的幾何平均值為4.9，以該值做為二甲苯的FACR。通過公式(6)計算得出二甲苯的FCV值為0.57 mg·L-1。

表1 二甲苯的水生生物的急性毒性數(shù)據(jù)

注：SMAVs為種平均急性值，GMAVs為屬平均急性值。

Note: SMAVs stands for species mean acute values; GMAVs stands for genus mean acute values.

最終植物值FPV是植物毒性試驗結(jié)果中的最小值。篩選得到的植物毒性數(shù)據(jù)如表3所示，其中羊角月牙藻(Pseudokirchneriella subcapitata)的毒性值最小，可將其做為二甲苯的最終植物值，F(xiàn)PV= 4.17 mg·L-1。

很多研究表明，有機物的生物累積效應(yīng)與其辛醇-水分配系數(shù)Kow密切相關(guān)，Kow越大，有機物的生物富集效應(yīng)就越顯著。二甲苯的辛醇-水分配系數(shù)較低，其3種異構(gòu)體的logKow分別為3.12、3.20和3.15，說明二甲苯在生物體內(nèi)殘留較小。已有研究顯示，二甲苯在鰻魚體內(nèi)的BCFs為21.4～23.6，在金魚體內(nèi)的BCFs為14.1～14.8，在蝦體內(nèi)的BCF為9，表明二甲苯的生物富集效應(yīng)較低[34-36]。此外，我國相關(guān)部門并沒有制定二甲苯在水產(chǎn)品中的標準限值，因此在推導(dǎo)最終慢性值時不考慮最終殘留值FRV。綜上，二甲苯的最終慢性基準閾值取FCV值，為0.57 mg·L-1。

2.3 流域水體中二甲苯暴露生態(tài)風(fēng)險分析

共搜集到6個水域的二甲苯暴露濃度數(shù)據(jù)，對其進行生態(tài)風(fēng)險評估(表4)，結(jié)果顯示6個水域中二甲苯暴露濃度均小于其水生生物基準值，風(fēng)險商值均小于1，表明所選流域均無明顯的二甲苯的暴露風(fēng)險。

表2 二甲苯的最終急性慢性毒性比率

表3 二甲苯的最終植物值

表4 不同流域地表水中二甲苯的暴露濃度及其風(fēng)險評估

3 討論(Discussion)

根據(jù)水質(zhì)基準技術(shù)慣例[43-44]，能保護95%生物的污染物濃度為水質(zhì)基準值，因此如果生物的敏感性排序小于5%，可將該生物界定為非常敏感。已有研究顯示，當(dāng)受脅迫的生物分別超過15%和30%時，污染物引起的生態(tài)風(fēng)險可定義為具有明顯風(fēng)險和一定風(fēng)險，因此可將物種敏感性排序達到此限值的生物分類為敏感和較敏感[45]。對二甲苯敏感(P<30%)的水生生物有7種，其中4種為甲殼類生物，包括水生餌料生物和蝦類(表1)，說明二甲苯對水生甲殼類毒性較大，需注意防范二甲苯對蝦蟹養(yǎng)殖業(yè)的風(fēng)險。一般認為水生植物對于污染物的敏感性要低于水生動物，以水生植物的為材料進行的毒理學(xué)實驗較少，導(dǎo)致其毒理學(xué)數(shù)據(jù)遠少于水生動物。羊角月牙藻是淡水水體中常見的綠藻，因其對水環(huán)境污染的敏感性，被選為環(huán)境毒理試驗的標準藻種[46]。本研究中，羊角月牙藻(Pseudokirchneriella subcapitata)的毒性數(shù)據(jù)較低，其對二甲苯的敏感性僅低于模糊網(wǎng)紋溞(Ceriodaphnia dubia)，但高于所有其他水生動植物。以羊角月牙藻為材料進行的生態(tài)毒理研究已有較多，但關(guān)于二甲苯對其的毒性機理還不清楚，有待于進一步研究。

對于二甲苯慢性基準的推算，由于符合基準推算要求的數(shù)據(jù)量不足，因此使用最終急性慢性比FACR進行計算。計算FACR一般要求至少3種生物，脊椎、無脊椎和1種敏感物種的慢性數(shù)據(jù)[31]。本文用于計算FACR的3種生物包括2種魚類和1種底棲無脊椎動物，其中鯽魚屬于相對敏感的物種，基本符合計算要求[47]。由表2可看出，篩選出的4個物種中，鯉魚的ACR較高，是其他3個物種ACR的十幾倍。根據(jù)US EPA的基準文件“對于急慢性比率差別較大的物種，選擇SMAVs與FAV接近的物種來計算FACR”[47]，表2中鯽魚、斑馬魚和霍普水絲蚓3種生物的SMAVs與計算得出的FAV值2.81 mg·L-1相差較小，而鯉魚的SMAVs則與FAV相差100多倍。因此，在計算FACR時不考慮鯉魚的急慢性數(shù)據(jù)。此外，US EPA、經(jīng)濟合作與發(fā)展組織和澳大利亞等國家和組織推薦使用的急性慢性比率默認值為10[48-50]，與本文推算出的FACR(4.9)相差近2倍，若直接使用默認值會使得出的基準值偏小，導(dǎo)致環(huán)境管理過程中的“過保護”狀況。

不同國家對于水體中二甲苯的安全濃度閾值有不同的規(guī)定，將本研究得出的二甲苯的水生生物基準值與荷蘭等國設(shè)定的二甲苯安全閾值進行比較(表5)。結(jié)果顯示，中國(本研究)的二甲苯基準閾值低于美國設(shè)定的相應(yīng)值，且低于中國和澳大利亞的水質(zhì)標準，但高于其他國家制定的濃度閾值，并且不同國家的濃度閾值之間也有較大差別，這種差異主要來自于不同國家水環(huán)境特征和生物區(qū)系特征的差異。進一步說明我國不該照搬國外的基準標準，應(yīng)該以我國生物區(qū)系生物的毒理學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行基準推算。為了提高水生生物基準的科學(xué)性和可靠性，用于推導(dǎo)水生生物基準的毒性數(shù)據(jù)獲取的原則為：系統(tǒng)的本土物種試驗數(shù)據(jù)優(yōu)先原則。優(yōu)先采用我國具備完善的質(zhì)量保證體系的優(yōu)質(zhì)實驗室(如CMA、CNAS、GLP)出具的以本土基準制定受試物種為試驗生物的毒性數(shù)據(jù)。

表5 二甲苯的相關(guān)濃度限值

我國現(xiàn)行的二甲苯地表水水質(zhì)標準是基于人體健康效應(yīng)的標準，將其與本文推導(dǎo)的二甲苯的水生生物基準值進行比較，發(fā)現(xiàn)二甲苯的水生生物基準閾值>健康基準閾值。這表明我國現(xiàn)行的地表水標準可以對人體健康和水生生物均起到保護作用，對水生生物存在“過保護”狀況。

文獻數(shù)據(jù)分析表明，中國幾大水體中，二甲苯的含量均較低，且遠低于本文推導(dǎo)出的二甲苯的慢性基準值0.57 mg·L-1，表明二甲苯對上述水域中的水生生物不存在潛在的生態(tài)風(fēng)險。本結(jié)果能在一定程度上反映中國流域水體中二甲苯的總體暴露風(fēng)險狀況，具有一定的參考價值。但由于數(shù)據(jù)有限，評估結(jié)果也有一定的不確定性。

綜上所述，本研究得出了保護我國淡水水生生物的二甲苯急性和慢性基準值，分別為1.40 mg·L-1和0.57 mg·L-1；且二甲苯對水生甲殼類生物毒性較大，需注意防范二甲苯對蝦蟹養(yǎng)殖業(yè)的風(fēng)險；二甲苯的水生生物基準閾值(0.57 mg·L-1)>現(xiàn)行的二甲苯標準限值(健康) (0.5 mg·L-1)>感官(嗅覺)基準值(0.02 mg·L-1)，表明我國現(xiàn)行的二甲苯地表水水質(zhì)標準人體健康和水生生物均起到保護作用，但對水生生物存在“過保護”狀況。

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Derivation of Freshwater Aquatic Life Water Quality Criteria for Xylene and Their Preliminary Application in Risk Assessment in China

LiuTingting, ZhengXin, Yan Zhenguang*, Liu Zhengtao

State Key Laboratory for Environmental Criteria and Risk Assessment, State Environment Protection Key Laboratory of Ecological Effects and Risk Assessment of Chemicals, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

27 October 2014 accepted 21 November 2014

Ecotoxicity data of xylene to resident freshwater organisms in China were collected and screened. The freshwater organisms covered insect, crustacean, fish, amphibian, annelids, mollusk, rotifer and phytoplankton. Analysis of the ecotoxicity data showed that crustacean species were the most sensitive to xylene. The freshwater aquatic life criteria for xylene were calculated according to the technical guidelines of the US. The acute and chronic criteria threshold values of xylene were determined at 1.41 mg·L-1and 0.57 mg·L-1, respectively. These values were then adopted to perform preliminary ecological risk assessment on the exposure levels of xylene in some freshwater ecosystems in China. The results of risk assessment showed that xylene didn't pose potential risk to aquatic organism in these waterbodies. This study will provide valuable information for the revision of the water quality standard of xylene and management of ambient water environment.

freshwater ecosystem; water quality criteria; species sensitivity distribution; ecological risk assessment; xylene

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07501-003-06)；科技部科技基礎(chǔ)性工作專項(2014FY120600)

劉婷婷(1988-)，女，碩士，研究方向為環(huán)境基準，E-mail: tingting1308@163.com；

*通訊作者(Corresponding author)，E-mail: zgyan@craes.org.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20141027001

2014-10-27 錄用日期：2014-11-21

1673-5897(2015)1-130-09

X171.5

A

閆振廣(1972—)，男，博士，副研究員，研究方向為水質(zhì)基準與生態(tài)毒理學(xué)，發(fā)表論文50余篇。

劉婷婷, 鄭欣, 閆振廣, 等. 我國水生生物的二甲苯基準閾值探討及其在風(fēng)險評估中的初步應(yīng)用[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報, 2015, 10(1): 130-138

Liu T T, Zheng X, Yan Z G, et al. Derivation of freshwater aquatic life water quality criteria for xylene and their preliminary application in risk assessment in China [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2015, 10(1): 130-138 (in Chinese)