王雪莉，高　宏,2①

(1.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅蘭州　730000;2.甘肅省環(huán)境污染預(yù)警與控制重點實驗室，甘肅蘭州　730000)

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持久性有機污染物在陸生食物鏈中的生物積累放大模擬研究進展

王雪莉1，高宏1,2①

(1.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅蘭州730000;2.甘肅省環(huán)境污染預(yù)警與控制重點實驗室，甘肅蘭州730000)

摘要：借助環(huán)境模型模擬污染物在多介質(zhì)間的遷移、歸趨行為和生物積累放大，既是生態(tài)和健康風(fēng)險的評估基礎(chǔ)，又是研究污染物環(huán)境過程的一種重要的方法和手段。利用生物積累模型研究持久性有機污染物(POPs)在食物鏈中的生物富集和生物積累放大對于生態(tài)及健康風(fēng)險評價具有重要意義。重點介紹了國內(nèi)外關(guān)于POPs在陸生食物鏈中的各類生物積累模型及應(yīng)用，包括原理、模型的特點和優(yōu)勢及不足之處，并對模型的改進提出了相應(yīng)的建議。基礎(chǔ)環(huán)境參數(shù)不足、實驗數(shù)據(jù)缺乏和物種特異性是制約此類模型發(fā)展的主要原因。

關(guān)鍵詞：POPs；陸生食物鏈；生物積累模型

POPs由于具有持久性和半揮發(fā)性,可通過大氣和水環(huán)境介質(zhì)進行長距離遷移并在全球生態(tài)系統(tǒng)進行再分布和循環(huán),在遠離其排放源區(qū)的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)進行大氣沉積和生物積累放大,并可以通過食物鏈富集到高級動物體內(nèi),造成一定的生態(tài)和健康風(fēng)險,引發(fā)各種疾病,甚至引起中毒[2]。因此評估POPs在食物鏈中的生物積累性及其影響因素對人類健康和生態(tài)風(fēng)險評價有重要意義,并已成為POPs領(lǐng)域的關(guān)注熱點[3-4]。借助數(shù)學(xué)模型對POPs在食物鏈中的累積和分布是POPs環(huán)境研究的重要方法和手段。

國外學(xué)者對POPs在水生食物鏈的積累與放大方面研究較多,提出了較為完善的預(yù)測模型[5-6],筆者則從以下幾方面對POPs在陸生食物鏈中的生物積累模型及其相關(guān)的模擬應(yīng)用研究進行綜述,對各個模型的應(yīng)用條件及預(yù)測方法進行分析總結(jié),針對模型的不足之處及發(fā)展趨勢進行分析,提出了今后POPs在陸生食物鏈中生物積累放大模擬研究中值得關(guān)注的內(nèi)容。

1POPs在陸生食物鏈中的主要生物積累途徑

POPs主要由空氣和土壤進入植物體內(nèi),這構(gòu)成陸生食物鏈的第1營養(yǎng)級,并隨著動物和人類的飲食結(jié)構(gòu)沿食物鏈逐級富集放大,最終在人體積累,危害人類健康。基于生物積累模型進行模擬研究的陸生食物鏈的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　基于生物積累模型進行模擬研究的陸生食物鏈的基本結(jié)構(gòu)

由圖1可知,植物中的POPs主要來源于以下4個方面:氣相擴散、顆粒相干、濕沉降和根部從土壤中吸收。土壤中的POPs主要源于大氣擴散和顆粒物干、濕沉降,此外需要考慮其背景濃度和植物根部從土壤吸收的部分,但是經(jīng)由廢水、廢渣進入土壤中的POPs則不作考慮。關(guān)于POPs在食物鏈中的生物積累放大模擬研究主要是在以下幾方面理論及相關(guān)參數(shù)基礎(chǔ)上建立的,在此分別進行闡述。

2基于生物因子(biofactors)的生物積累放大模擬研究

生物積累(bioaccumulation)是指生物體從環(huán)境介質(zhì)(水、土壤、沉積物和大氣等)和食物中攝取污染物,導(dǎo)致體內(nèi)污染物含量超過環(huán)境介質(zhì)中該污染物含量的過程[7]。評價POPs在食物鏈中生物積累性的因子主要包括生物富集因子(bioconcentration factor,BCF)、生物轉(zhuǎn)化因子(biotransformation factor,BTF)和生物放大因子(biomagnification factor,BMF)等,這些因子均可通過監(jiān)測數(shù)據(jù)計算或數(shù)學(xué)模擬得到。

2.1生物富集因子

生物富集是指生物通過非吞食方式,從周圍環(huán)境(水、土壤、大氣)吸收某種元素或難降解物質(zhì),使其在機體內(nèi)濃度超過周圍環(huán)境中濃度的現(xiàn)象[8]。BCF是生物組織(干重)中化合物濃度和水中濃度之比,也可以認為是生物體對化合物的吸收速率與生物體內(nèi)化合物凈化速率之比,是描述化學(xué)物質(zhì)在生物體內(nèi)積累趨勢的重要指標。BCF(FBC) 可根據(jù)構(gòu)效關(guān)系進行預(yù)測,或通過辛醇-水分配系數(shù)(KOW) 由以下線性方程進行計算[9-10]:

lgFBC=m×lgKOW+b 。

(1)

式(1)中,FBC為生物富集因子;KOW為辛醇-水分配系數(shù);m和b均為經(jīng)驗參數(shù)。FBC>1時,物質(zhì)具有親脂疏水性。當某種污染物FBC值高于5 000 時,可認為該污染物在食物鏈中具有生物富集效應(yīng);當FBC值在2 000～5 000時,認為其有潛在的生物富集效應(yīng)[11]。

(2)

式(2)中,Cpg為由干沉降進入植物(以干重計)中的污染物濃度,mol·g-1;m為植物質(zhì)量(以干重計),g;kA為沉積速度,m·s-1;A為表面積,m2;CAg為空氣中的污染物濃度,mol·m-3;t為時間,s。結(jié)果表明,預(yù)測值與實測值吻合度較高。但考慮到牛飼養(yǎng)環(huán)境中的未知因素和空氣中PCDD/F濃度的地區(qū)性差異,其在環(huán)境中具體應(yīng)用時可能產(chǎn)生一定誤差。

2.2生物轉(zhuǎn)化因子

BTF是生物組織(干重)中化合物的濃度和生物體從膳食中攝取的化合物濃度之比[12]。在此基礎(chǔ)上,SCHULER等[21]對雞蛋的毒性當量水平及PCDD/F濃度進行評估,測算了PCDD/F由土壤到雞蛋中的轉(zhuǎn)化率Ti。

Ti=Ci,egg/Ci,soil-Ai,fodder。

(3)

式(3)中,Ci,egg為污染物i在雞蛋中的濃度,pg·g-1;Ci,soil為污染物i在土壤(以干重計)中的濃度,pg·g-1;Ai,fodder為飼料對雞蛋毒性當量水平的貢獻率,%。結(jié)果表明,放養(yǎng)雞生產(chǎn)的雞蛋中PCDD/F含量明顯高于圈養(yǎng)雞,這主要是由于放養(yǎng)雞更多暴露于土壤環(huán)境中,可通過呼吸作用、皮膚接觸等途徑攝入更多PCDD/F。研究亦表明放養(yǎng)雞生產(chǎn)的雞蛋中PCDD/F濃度預(yù)測值高于實測值,模型的不確定性主要在于計算過程中只考慮了單一物種,并未考慮昆蟲等動物對土壤中PCDD/F的攝取,因此該模型并不適用于野外環(huán)境。

為了深入研究POPs對人體健康的影響,MONTSERRAT等[22]提出了可預(yù)測PCDD/F在空氣、土壤和植物中的分布和傳輸模型,即植物模型和土壤模型。植物模型主要從4個方面計算污染物吸收量,分別是氣相擴散、顆粒相干濕沉降和根部從土壤中吸收[12,23]。

Cabv=Cva+Cddp+Cwdp+Cur。

(4)

式(4)中,Cabv為植物對污染物的吸收量,μg·g-1;Cva為由氣相擴散進入植物中的污染物濃度,μg·g-1;Cddp為由顆粒物干沉降進入植物中的污染物濃度,μg·g-1;Cwdp為由顆粒物濕沉降進入植物中的污染物濃度,μg·g-1;Cur為植物從土壤中吸收的污染物濃度,μg·g-1。

(5)

(6)

(7)

Cur=Csa×FBC。

(8)

式(5)～(8)中,Bvap為空氣-葉片的生物轉(zhuǎn)化因子;Cv為空氣中氣相污染物濃度,ng·m-3;da為空氣密度,kg·m-3;Dd為顆粒物干沉降通量,ng·m-2·a-1;Ij為截留率,%;Kw為一級風(fēng)化速率,a-1;Yj為植物產(chǎn)量(干重),kg·m-2;Tp為植物生長期,a;Dw為顆粒物濕沉降通量,ng·m-2·a-1;Rw為顆粒物保留率,%;Csa為土壤中污染物的質(zhì)量分數(shù),ng·kg-1。氣相擴散是主要途徑,而根從土壤中吸收的部分相對較少,模型檢驗時間依據(jù)植物的生長周期而定。而土壤模型則主要考慮了土壤背景濃度、顆粒物干濕沉降和植物從土壤中的吸收。除了背景濃度,顆粒物濕沉降是POPs進入土壤的主要途徑。

Cs=Cbg+Csddp+Cswdp-Cur。

(9)

式(9)中,Cbg為土壤背景濃度,μg·g-1;Csddp為由顆粒物干沉降進入土壤中的污染物濃度,μg·g-1;Cswdp為由顆粒物濕沉降進入土壤中的污染物濃度,μg·g-1。

除了未考慮植物葉片的攔截作用,土壤模型與植物模型對POPs沉降過程的計算是相似的。結(jié)果表明,2個模型對PCDD/F濃度的預(yù)測呈現(xiàn)同樣趨勢,即PCDD/F低取代同系物的濃度預(yù)測值低于實測值,而高取代同系物的濃度預(yù)測值高于實測值。模型的不確定性主要是模擬計算過程中的假設(shè)引起的,即在整個暴露期內(nèi)空氣和土壤中POPs的背景濃度是不變的;所有的模型參數(shù),如分配系數(shù)、化合物的理化性質(zhì)、傳輸通量等是恒定的;所有的PCDD/F同系物的土壤消除速率和植被風(fēng)化常數(shù)相同，不考慮土壤中POPs的氣相擴散。值得注意的是,植物模型主要反映了POPs的實時輸入情況,土壤模型則體現(xiàn)了POPs在土壤中的長期積累程度,土壤模型的預(yù)測結(jié)果比植物模型更為準確。

INGJERD等[24]利用CoZMoMAN模型對北歐環(huán)境中的SCCPs遷移情況進行模擬。CoZMoMAN模型是將環(huán)境歸趨模型(CoZMo-POP 2)與生物積累模型(ACC-HUMAN)相結(jié)合的多介質(zhì)環(huán)境生物積累模型。CoZMoMAN模型可通過模擬POPs進入食物鏈與人體的過程進行計算,評估POPs污染和生物蓄積過程的遷徙軌跡。該模型中所有輸入?yún)?shù)都乘以置信因子加以矯正,而POPs的分配系數(shù)、環(huán)境半衰期和生物轉(zhuǎn)化速率常數(shù)等均根據(jù)定量構(gòu)性關(guān)系(quantitative structure property relationships,QSPRs)進行計算。研究表明,陸生食物鏈中的SCCPs主要來源于大氣,同時SCCPs在沉積物、魚類和人體內(nèi)的濃度預(yù)測值低于實際值,缺乏對SCCPs半衰期和生物轉(zhuǎn)化速率常數(shù)的了解是誤差產(chǎn)生的主要原因。

2.3生物放大因子

BMF(FBM)又稱為營養(yǎng)級放大因子,指某種污染物在一個特定的營養(yǎng)級水平生物體內(nèi)的濃度與較低營養(yǎng)級生物體內(nèi)的濃度之比,可用于表示POPs在食物鏈中的生物放大能力,其計算公式[25]如下:

FBM=ek,

(10)

lnCL=k×LT+b。

(11)

式(10)～(11)中,k、b為經(jīng)驗斜率;CL為POPs同系物個體脂肪歸一化濃度,μg·g-1;LT為生物在食物鏈中的營養(yǎng)級。

穩(wěn)定同位素能反映捕食者對食物的吸收及長期代謝情況,基于δ15N比值的營養(yǎng)級測定并不受生物個體發(fā)育階段等生物環(huán)境因素的限制,因此生物體在食物網(wǎng)中營養(yǎng)級(LT)可以用δ15N值的高低來表征[26]。HOBSON等[25]研究污染物在海洋食物網(wǎng)中生物富集和放大效應(yīng)時,以浮游動物為第2營養(yǎng)級,利用N同位素計算出營養(yǎng)級的公式:

LT=2.0+(δ15N捕食者-δ15N浮游動物)/Δδ15N。

(12)

式(12)中,δ15N為基準種的N同位素比值;δ15N捕食者為捕食者的δ15N;δ15N浮游動物為浮游動物的δ15N。

需要注意的是上述公式FBM多應(yīng)用于水生食物鏈,而陸生食物鏈中鮮有涉及。研究表明,當FBM>1時,生物體對污染物有生物放大作用,反之則說明有生物稀釋效應(yīng)。不同種類的生物對同種POPs的生物放大作用存在差異,即使是同一種生物,根據(jù)不同捕食關(guān)系計算出的FBM也有較大差異[27]。生物捕食關(guān)系的不確定性和生物體對POPs的代謝作用可能是造成這種差異的主要原因。

2003年,GOBAS等[28]提出通過FBM和QSARs評估POPs在食物鏈中的生物積累情況。其中,哺乳動物的FBM計算公式如下:

FBM=kdiet/kair+kuring+kbile+kfeces+kmilk+kgrowth+kmetabolism。

(13)

式(13)中,kdiet、kair、kuring、kbile、kfeces、kmilk、kgrowth和kmetabolism分別為通過飲食吸收、污染物經(jīng)呼吸作用、尿液、糞便、膽汁、奶、生長和代謝而消除的速率常數(shù),min-1。BMF-QSARs模型中引用了許多修正因子,但沒有考慮生物體內(nèi)代謝產(chǎn)物的積累情況。研究表明,陸地生態(tài)系統(tǒng)中有機物的生物積累潛能是由KOW和辛醇-空氣分配系數(shù)(KOA) 控制的,當KOW過大時則由KOA控制。KOA是陸地食物鏈中影響有機物生物放大作用的重要因素。因此,KOA可有效預(yù)測FBM,而此前已有許多關(guān)于KOA計算方法的研究[29-30]。

通過FBM的計算,BARRY等[11]分析了POPs在海洋哺乳動物和陸地生態(tài)系統(tǒng)生物網(wǎng)中的生物放大效應(yīng)。研究表明,代謝活性低,KOW在102～105之間的疏水性有機物在陸地食物鏈中具有明顯的生物放大作用。只有在代謝轉(zhuǎn)化速率很高的情況下,有機物的代謝轉(zhuǎn)化才可減少或消除生物放大潛能,但需要將生物積累過程中POPs的代謝過程考慮進去。因此,該模型可用于識別具有生物放大潛能的POPs。

2011年,CLAUDIA等[31]通過對地衣-馴鹿-狼食物鏈的研究,在同位素分析法的基礎(chǔ)上計算FBM,評估陸生環(huán)境中全氟羧酸(PFCAs)和全氟磺酸(PFSAs)的輸入情況及其在陸生哺乳動物中的生物放大潛能。FBM通過PFCAs和PFSAs在馴鹿和狼組織中的濃度和全身濃度進行計算[32-33]。營養(yǎng)級放大因子根據(jù)JARDINE等[34]的方法計算,反映的是每個相對營養(yǎng)級之間污染物濃度的平均變化。該模型中對污染物在食物鏈中的轉(zhuǎn)化研究更為詳細,但是考慮到生物體之間攝食關(guān)系的不確定性、環(huán)境介質(zhì)中濃度的不確定性和生物的遷徒特性等因素,應(yīng)用營養(yǎng)級放大因子來研究陸生系統(tǒng)生物放大效應(yīng)仍存在很大挑戰(zhàn)。

3基于質(zhì)量平衡模型的生物積累放大模擬研究

以質(zhì)量平衡模型為基礎(chǔ)的生物積累放大模擬研究更側(cè)重于量化生物體對POPs的攝入和排出過程。對動物和人體來說,POPs的主要吸收途徑是呼吸作用和飲食,排出途徑則包括呼吸作用、排泄作用、代謝轉(zhuǎn)化、生長稀釋和再生產(chǎn)流失等(圖2)。

圖2　生物體對POPs的吸收和消除途徑

3.1逸度理論

逸度(f)在化學(xué)熱力學(xué)中表示實際氣體的有效壓強,它等于相同條件下具有相同化學(xué)勢的理想氣體的壓強。1979年,MACKAY等[35-36]、WANIA等[37]、WANG等[38]提出的逸度模型根據(jù)熱力學(xué)平衡或質(zhì)量平衡原理,對污染物在多介質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)中的遷移行為進行模擬研究,闡述了污染物在多介質(zhì)環(huán)境中的質(zhì)量分布、遷移通量和逸度容量的概念和計算方法,其結(jié)構(gòu)簡單,需要的參數(shù)少,應(yīng)用廣泛。逸度和FBC的關(guān)系[39]如下:

(14)

式(14)中,Z為逸度容量,atm或Pa;P為密度,kg·m-3;H為亨利常數(shù),L·atm·mol-1或Pa·m3·mol-1。

通過逸度可以研究生物體內(nèi)的POPs濃度,分析POPs的有害生態(tài)效應(yīng),對食品安全和生態(tài)風(fēng)險進行評估,也可建立多途徑暴露模型,評估人體對POPs的暴露風(fēng)險。在多介質(zhì)環(huán)境模型中使用逸度方法,可簡化化合物在多介質(zhì)中的分配、遷移及轉(zhuǎn)化的計算過程,有助于預(yù)測化合物在多介質(zhì)環(huán)境中的遷移歸趨行為。逸度商可以用同一標準來衡量并比較食物鏈中不同有機體內(nèi)的POPs濃度。MCLACHLAN[40]用逸度商檢測POPs在陸生食物鏈的生物累積性,通過環(huán)境多介質(zhì)中逸度的大小比較,討論陸生食物鏈中的生物富集作用、生物放大作用和生物稀釋效應(yīng)。該模型假設(shè)化學(xué)物質(zhì)通過氣相擴散和顆粒物干、濕沉降沉積到土壤和植物表面,構(gòu)成食物鏈的第1營養(yǎng)級。模型將植物看成一定量的脂質(zhì)進行建模,得到疏水性化合物的逸度,同時對土壤逸度容量進行估算。而對動物和人類進行建模時,將有機體組織中的脂肪看成是辛醇,忽略疏水性化合物、組織中的其他成分以及牛經(jīng)呼吸攝入的污染物。該研究表明,大多數(shù)不揮發(fā)性疏水化合物的逸度是沿著食物鏈逐級遞減的,呈現(xiàn)生物稀釋效應(yīng)。而疏水性和半揮發(fā)性持久有機物的逸度在農(nóng)業(yè)食物鏈中是相對穩(wěn)定的,這些POPs在植物體內(nèi)富集,在牛體內(nèi)有一定程度的生物放大作用。

在逸度概念的基礎(chǔ)上,HUNG等[41]提出了可評估PCDD/Fs在農(nóng)業(yè)食物鏈空氣-土壤、飼料-牛-肉類/奶類中積累情況的模型。該模型的建立發(fā)展過程中,主要做了4個方面的假設(shè):化合物的傳輸過程是單向的;在植物生長期間,空氣和土壤中的污染物濃度是不變的;所有的模型參數(shù)是恒定的;沒有考慮大氣氣溶膠沉積。模型的輸入?yún)?shù)包括體積、分配系數(shù)、生長和新陳代謝的半衰期以及運輸過程中的總傳質(zhì)系數(shù)、葉片交換面積、有效空氣流量、辛醇-水分配系數(shù)和傳輸時間等。該模型通過監(jiān)測水培大豆對C14標定的除草啶的吸收情況進行驗證,結(jié)果表明預(yù)測值與實測值相符度較高,可用于直接或間接地從蔬菜或農(nóng)業(yè)食物鏈中攝取的污染物的暴露風(fēng)險評價,不過只適用于生長期短的草本農(nóng)作物。

CZUB等[42]在2004年提出了可預(yù)測親脂性有機污染物在人體內(nèi)積累情況的ACC-HUMAN模型。模型中牛體內(nèi)的污染物主要源于空氣、土壤、水和牧草,而人體內(nèi)的污染物主要源于食物(牛肉、牛奶和魚類)。該模型假設(shè)污染物在人體組織中是均勻分配的,人體組分是水和脂質(zhì),而作為有機物載體的蛋白質(zhì)則被忽略。研究表明,ACC-HUMAN模型屬于非穩(wěn)態(tài)機理模型,使研究從環(huán)境經(jīng)過食物鏈到人體體內(nèi)的化學(xué)逸度變化成為可能。該模型考慮到環(huán)境中溫度的變化,使用理化參數(shù)少且便于操作,但難以適用于不同土壤類型,只能對牛體內(nèi)不可代謝類物質(zhì)濃度進行預(yù)測?？紤]到排放情況的不確定性,該模型的預(yù)測結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果具有高度一致性,表明模型掌握了持久性親脂有機污染物在人體內(nèi)累積過程中的特點,對評估暴露于生物累積性有機污染物的人體健康狀況有重要意義。

3.2藥代動力學(xué)房室模型

藥代動力學(xué)模型可看作是對生物機體的一種模式化,采用數(shù)學(xué)的方法研究藥物在復(fù)雜的生物機體環(huán)境中的變化規(guī)律,將復(fù)雜的機體簡化為具有規(guī)律性的模式或室型。房室模型理論從速率論的角度出發(fā),建立數(shù)學(xué)模型來模擬生物體,它將整個生物體視為一個系統(tǒng),將系統(tǒng)按動力學(xué)特性劃分為若干個房室,將生物體看成是若干個房室組成的一個完整系統(tǒng)[43]。因此,采用藥代動力學(xué)房室模型模擬POPs在生物體內(nèi)的累積情況時,將研究對象看成是均勻的個體進行處理。

1992年,BACCI等[44]以杜鵑花的老葉作為生物富集器,忽略葉片的生長,在一室模型的基礎(chǔ)上,研究積累與釋放動力學(xué),計算了PCDDs在植物葉片中的FBC,估算PCDDs在土壤中的揮發(fā)潛力。該研究在計算空氣中的PCDDs濃度時,考慮了由土壤中揮發(fā)的部分,適用于毒性較強但是毒性潛能較小的有機污染物。在植物吸收有機物的一室模型的基礎(chǔ)上,TRAPP等[45]建立了質(zhì)量平衡模型。該模型主要應(yīng)用KOW、空氣-水分配系數(shù)(air-water partition coefficients,KAW)和反應(yīng)速率常數(shù)計算環(huán)境介質(zhì)中的POPs濃度。

2003年,BARRY等[46]研究了POPs在陸地哺乳動物食物鏈中轉(zhuǎn)化與累積過程,并通過地衣/楊柳-馴鹿-狼食物鏈進行檢驗。其中植物對POPs的吸收過程在MCLACHLAN[47]一室模型的基礎(chǔ)上進行計算,其吸收途徑包括氣相擴散、顆粒相沉降和積雪融化，此類模型將研究對象看成是均勻個體,簡單且便于運算,卻沒有考慮有機物在各組織之間濃度分布的不同。而該研究中關(guān)于POPs在陸地食物鏈中的積累部分則按兩室模型計算,將生物體分為胃腸道和其他污染物積累組織,并假設(shè)長期暴露于POPs下的動物,其不同組織中的POPs分布是均勻的；在有機體內(nèi)采用三相分區(qū)模型,即脂質(zhì)、水、非脂質(zhì)有機物如蛋白質(zhì)等。該模型綜合了多方面因素并考慮到POPs濃度在生物體內(nèi)隨時間的變化,對理解和評估POPs在陸地食物鏈中的生物積累潛能有重要意義,屬于發(fā)展較為完善的模型。

3.3消除速率

研究POPs在動物和人體內(nèi)的積累情況時應(yīng)該考慮POPs的消除過程。生物體消除速率常數(shù)是指單位時間內(nèi)外來化合物在生物體內(nèi)的消除量與體內(nèi)總量的比值。為了方便計算與模擬,一般將POPs在生物體內(nèi)的消除看作是一階消除過程,最早由NEELY等[48]提出,隨后STUART等[15]、MCLACHLAN[18]及MONTSERRAT等[22]在POPs消除過程中的計算均用到消除速率。如STUART等[15]對于零售肉中POPs濃度的計算如下:

Crm=Cm×exp(-kt)。

(14)

式(14)中,Crm為動物消除的POPs濃度,ng·kg-1;Cm為動物體內(nèi)初始POPs濃度,ng·kg-1;k為一階消除速率常數(shù),d-1;t為動物飼養(yǎng)時間,d。

2007年,JAMES等[49]對土壤-蚯蚓-鼩食物鏈建模,通過對污染物消除過程的計算,研究陸生食物鏈中POPs的生物放大潛能和有機物-土壤生物富集因子。但是,由于蚯蚓的呼吸方式特殊,該模型在其他食物鏈中的應(yīng)用還需要進一步驗證。

4結(jié)論

學(xué)者對POPs在陸生食物鏈中的生物積累情況的模擬研究通常采用分層式計算法,即每個食物鏈環(huán)節(jié)均可采用不同的參數(shù)方法進行模擬計算。以各類生物因子為主要參數(shù)進行的研究主要反映生物體對POPs吸收和消除能力,可通過這些參數(shù)評估具有生物富集潛能的物質(zhì)。作為模擬研究的基礎(chǔ),這些因子通常與分配系數(shù)相關(guān),通過建立回歸方程,可預(yù)測出POPs在食物鏈中的生物積累趨勢。

(1)關(guān)于BCF的模擬計算研究較早,過程簡單,應(yīng)用廣泛。但是BCF關(guān)于POPs的來源考慮不夠全面,容易引起預(yù)測結(jié)果偏低。

(2)當POPs同時通過食物和水進入動物體內(nèi)時用BTF進行風(fēng)險評價更為有效,BTF對POPs在土壤、植物和食物鏈中的遷移轉(zhuǎn)化行為研究更為細致,因此,進行健康風(fēng)險評價時生物轉(zhuǎn)化速率是重要影響因素。

(3)BMF反映的是每個相對營養(yǎng)級之間污染物濃度的平均變化,表達更為完善。但當生物體的不同飲食來源中包含的污染物濃度不同時,其生物放大效應(yīng)有待驗證。

(4)藥代動力學(xué)房室模型將生物體視為分布均勻的個體,簡單且便于運算。但并沒有考慮有機物在各組織之間濃度分布的不同,有一定的局限性。利用藥代動力學(xué)房室模型進行模擬研究時,對POPs在生物體內(nèi)的主要積累部位及濃度進行分析十分重要。

(5)逸度模型參數(shù)少,易于計算,強調(diào)污染物遷移的界面過程,可以簡要描述生物放大現(xiàn)象,解釋生物放大過程的機制。但是采用的均是一級參數(shù),無法體現(xiàn)污染物行為特征的空間變異性,模型的輸出具有一定的不確定性。

(6)消除速率是模型的建立過程中使用較多的計算參數(shù),可計算POPs在生物體內(nèi)的消除部分,對日常飲食中POPs濃度評估有重要意義,但是計算過程復(fù)雜,需要更多生物體的生化參數(shù)。

(7)關(guān)于POPs在陸生食物鏈中積累情況的模擬研究還需要進一步深入,建模過程中應(yīng)注意物種的選擇和參數(shù)的變化,如哺乳動物與非哺乳動物、生物體內(nèi)各組織中POPs濃度的差異以及生物體不同時期對POPs的吸收與消除速率等。此外,還應(yīng)該將污染物在食物鏈中的積累狀況與氣象、地理條件相結(jié)合分析,加強數(shù)學(xué)概率知識的應(yīng)用,簡化計算過程,使模型得到進一步發(fā)展。

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(責(zé)任編輯： 陳昕)

收稿日期：2015-06-14

基金項目：國家自然科學(xué)基金(41371453,41371478);甘肅省科技支撐項目(144NKCA039);中科院生態(tài)環(huán)境中心環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國家重點實驗室開放基金(KF201203)

通信作者①E-mail: honggao@lzu.edu.cn

中圖分類號：X82

文獻標志碼：A

文章編號：1673-4831(2016)04-0531-08

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.003

作者簡介：王雪莉(1992—),女,河北唐山人,碩士生,主要研究方向為持久性毒物區(qū)域環(huán)境過程及生態(tài)和健康風(fēng)險評價。

A Review of Study on Bioaccumulation and Biomagnification of Persistent Organic Pollutants in Terrestrial Food Chain Using Modeling Method.

WANG Xue-li1, GAO Hong1,2

(1. College of Earth Environment Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;2. Gansu Key Laboratory for Environmental Pollution and Control, Lanzhou 730000, China)

Abstract:With the aid of environmental models, transfer, fate, bioaccumulation and biomagnification of contaminants in a multi-compartment environment was simulated, which is not only a basis for evaluating ecological and health risks of persistent organic pollutants (POPs) in food chain, but also an important approach to and means of studying environmental processes of the pollutants. It is of great significance to use bio-accumulation models in studying bioaccumulation and biomagnification of POPs in food chain to the evaluation of ecological and health risks of the POPs. A review is presented with emphasis on various bioaccumulation models available at home and abroad to simulate POPs bioaccumulation and biomagnification in the terrestrial food-chain, including principles, features, merits and shortcomings of the models and some case studies of their applications. Moreover, modifications of the models were recommended. Obviously the lack of basic environment parameters, shortage of experimental data, and plant species peculiarities are the major causes hindering development of this kind of models.

Key words:POPs;terrestrial food-chain;bioaccumulation models