趙然然, 周軍英, 續(xù)衛(wèi)利

(1.南京信息工程大學江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇 南京 210044; 2.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所,江蘇 南京 210042)

目前,我國農(nóng)藥原藥生產(chǎn)量超過140萬 t·a-1[1],農(nóng)藥施用量達50～60萬 t·a-1[2],長期大量生產(chǎn)和施用農(nóng)藥對地表水環(huán)境的負面影響日漸凸顯。長江三角洲流域是我國重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地,也是我國農(nóng)藥生產(chǎn)企業(yè)最集中地區(qū),生產(chǎn)農(nóng)藥品種多，產(chǎn)量大[3]。多年來,農(nóng)藥廠生產(chǎn)廢水和農(nóng)業(yè)面源污水對該區(qū)域地表水環(huán)境質(zhì)量和水生生態(tài)產(chǎn)生巨大壓力。

馬拉硫磷是一種速效、高選擇性有機磷類殺蟲殺螨劑,具有觸殺、胃毒和一定的熏蒸作用,作為取代高毒農(nóng)藥的主力品種在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用非常廣泛。然而,馬拉硫磷對生物有較強急性毒性,可作用于水生生物體內(nèi)乙酰膽堿酯酶,導致生物神經(jīng)傳導功能紊亂,并且能在動物肝臟內(nèi)轉(zhuǎn)化為毒性更強物質(zhì),對水生生物造成危害。近年來,馬拉硫磷在全國多地水體中被檢出。馬拉硫磷在我國7大流域600多個點位水樣的檢出率為43.5%[4]。馬拉硫磷是長江三角洲地區(qū)常用農(nóng)藥品種之一,并且全國近半數(shù)馬拉硫磷原藥生產(chǎn)企業(yè)分布在該區(qū)域[5]。該區(qū)域水體受馬拉硫磷污染的狀況尤為嚴重,2011年浙江東苕溪水體被檢出馬拉硫磷[6];2012年杭嘉湖地區(qū)集中式飲用水源水體中馬拉硫磷檢出濃度達0.36 μg·L-1[7]。

水環(huán)境質(zhì)量標準在水環(huán)境管理中發(fā)揮著重要作用,而水質(zhì)基準值是標準制訂的基礎和科學依據(jù)[8]2。與國外相比,我國水質(zhì)基準研究起步較晚,研究基礎薄弱,雖然近年來取得一定成果,但總體上還處于學習和探索階段[9]。雖然GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》列出馬拉硫磷標準限值[10],但由于在標準制訂時缺乏我國農(nóng)藥環(huán)境基準方面研究,定值主要參考國外環(huán)境基準和標準,并不能滿足我國水環(huán)境保護需要[11]。因此,筆者以長江三角洲流域為研究區(qū)域,研究馬拉硫磷水生生物基準,為我國農(nóng)藥水質(zhì)基準研究和地表水環(huán)境質(zhì)量標準修訂提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1農(nóng)藥品種

w=45%馬拉硫磷乳油,由深圳諾普信農(nóng)化股份有限公司提供。

1.1.2試驗物種

根據(jù)水生生物區(qū)域代表性、生物類群代表性、物種敏感性、物種經(jīng)濟與娛樂價值以及基準值推導對毒性數(shù)據(jù)基本要求,選擇長江三角洲流域6門10科共12個代表物種進行急、慢性毒性試驗,各試驗生物物種及其特征詳見表1。

表1水生生物基準制定受試物種及其特征

Table1Testspeciesofaquaticlifecriteriaandtheircharacteristics

物種名稱試驗生物特征分類門綱科 大乳頭水螅(Hydra magnipa-pillata)出芽生殖1～4 d刺胞動物門(Cnidaria)水螅綱(Hydrozoa)水?？?Hydridae) 中華圓田螺(Cipangopaludina cathayensis)平均體重為0.13 g軟體動物門(Mollusca)腹足綱(Gastropoda)田螺科(Viviparidae) 大型溞(Daphnia magna)實驗室條件下培養(yǎng)3代以上,出生6～24 h的幼溞節(jié)肢動物門(Arthropoda)腮足綱(Branchiopoda)溞科(Daphnidae) 伸展搖蚊(Chironomus tentans)第3齡期幼蟲昆蟲綱(Insecta)搖蚊科(Chironmidae) 日本沼蝦(Macrobrachium nip-ponense)平均體重為1.8 g,平均體長為2.8 cm軟甲綱(Malacostraca)長臂蝦科(Palaemoni-dae) 斑馬魚(Danio rerio)平均體重為0.304 g,平均體長為2.62 cm脊索動物門(Chordata)魚綱(Pisces)鯉科(Cyprinidae) 黃顙魚(Pelteobagrus fulvidra-co)急性毒性試驗用魚平均體重為0.28 g,平均體長為2.4 cm;慢性毒性試驗用魚平均體重為0.06 g,平均體長為1.5 cm鲿科(Bagridae) 中華大蟾蜍(Bufo gargarizans)平均體重為0.14 g,平均體長為2.0 cm兩棲綱(Amphibia)蟾蜍科(Bufonidae) 普通小球藻(Chlorella vulgari)處于對數(shù)生長期綠藻門(Chlorophyta)綠藻綱(Chlorophyceae)小球藻科(Chlorellaceae) 羊角月牙藻(Selenastrum capri-cornutum) 紫萍(Spirodela polyrrhiza)3～4葉紫萍被子植物門(Angiosper-ma)單子葉植物綱(Monocot-yledoneae)浮萍科(Lemnaceae) 浮萍(Lemna minor)3～4葉浮萍

為使制定基準值的毒性數(shù)據(jù)更加豐富,經(jīng)查閱相關文獻獲取斜生柵列藻(Scenedesmusobliquus)、非洲爪蟾蝌蚪(Xenopuslaevis)、中國林蛙蝌蚪(Ranachensinensis)、虹鱒魚(Oncorhynchusmykiss)、藍鰓太陽魚(Lepomismacrochirus)、鯉魚(Cyprinuscarpio)、斑點叉尾(Ictaluruspunctatus)、羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)、鋸齒新米蝦(Neocaridinadenticulate)和克氏原螯蝦(Procambarusclarkii)10個物種急性毒性數(shù)據(jù)[12-17]以及大型溞(Daphniamagna)、斑點叉尾和鯉魚(Cyprinuscarpio)3個物種慢性毒性數(shù)據(jù)[15]。

1.2 試驗設計

1.2.1急性毒性試驗

大乳頭水螅和中華圓田螺的急性毒性試驗方法參照文獻[8]380-387和[18]。大型溞、斑馬魚、黃顙魚、中華大蟾蜍、日本沼蝦、普通小球藻和羊角月牙藻7種生物急性毒性試驗參照文獻[19-22]。紫萍、浮萍生長抑制試驗及搖蚊急性活動抑制試驗參照文獻[23]206-217。

其余10種物種的急性毒性試驗數(shù)據(jù)由相關文獻得到。

1.2.2慢性毒性試驗

僅對黃顙魚開展慢性毒性試驗,參照文獻[23]135-144,按照急性毒性試驗方法對黃顙魚幼魚進行預試驗,確定其暴露于馬拉硫磷溶液中時全部死亡的最低濃度和全部不死亡的最高濃度,在此濃度范圍內(nèi)設置5個濃度梯度,另設1個空白對照組,每組投入10尾幼魚。試驗周期為28 d,在此期間每天早、中和晚定時喂食并觀察幼魚生長情況。

其余3種物種的慢性毒性試驗數(shù)據(jù)由相關文獻得到。

1.2.3數(shù)據(jù)處理

對于藻類、紫萍和浮萍急性毒性試驗數(shù)據(jù)采用Trimmed Spearman-Karber法計算半數(shù)效應濃度值(ErC50),對于大型溞等其他生物急性毒性試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件計算受試生物在試驗期內(nèi)不同時間點的半數(shù)抑制濃度值(EC50)或半致死濃度值(LC50)。對于黃顙魚慢性毒性數(shù)據(jù)的幼魚生長最大無影響濃度值(NOEC)(P<0.05)采用SPSS 22.0軟件進行方差分析。

1.3 馬拉硫磷水生生物基準值推導

采用物種敏感度分布法(SSD)和毒性百分數(shù)排序法2種方法推導馬拉硫磷水生生物基準值。

1.3.1物種敏感度分布法(SSD)

SSD參見文獻[24],采用各物種LC50(或EC50)和NOEC值等急性或慢性數(shù)據(jù)構(gòu)建物種敏感度分布圖。將所有物種種平均毒性值由小到大排列,然后取對數(shù)值并計算累積概率,以濃度對數(shù)值為橫坐標、以累積概率為縱坐標作圖,選擇不同模型擬合SSD曲線。由分布模型對應擬合公式計算對5%水生生物產(chǎn)生危害的污染物濃度,即HC5值。急性基準值為5%短期危害濃度(STHC5)除以評價因子,該研究中評價因子為2;慢性基準值為急性基準值除以最終急慢性比。

1.3.2毒性百分數(shù)排序法

毒性百分數(shù)排序法參見文獻[25],將所有物種屬平均急性值(GMAV)從低到高排序,計算累積概率P后選擇4個P值接近0.05的物種的GMAV,計算最終急性值(FAV)。最終慢性值(FCV)由FAV除以急慢性比(FACR)得到。最終植物值(FPV)為水生植物毒性試驗數(shù)據(jù)中最小值。最終殘留值(FRV)由污染物最大組織濃度除以生物富集系數(shù)得到?；鶞首畲鬂舛?CMC)為FAV除以2?；鶞蔬B續(xù)濃度(CCC)為FCV、FPV和FRV中的最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 急、慢性毒性結(jié)果

長江三角洲流域12種代表性水生生物急、慢性毒性試驗結(jié)果和從相關文獻中獲取的13種代表性水生生物毒性數(shù)據(jù)見表2～3。

表2馬拉硫磷對水生生物急性毒性結(jié)果

Table2Theacutetoxicitydataofmalathiontotheaquaticorganisms

物種名稱毒性終點急性毒性值/(mg·L-1) 大乳頭水螅(Hydra magnipapillata)96 h-LC507.27 中華圓田螺(Cipangopaludina cathayensis)96 h-LC5030.58 大型溞(Daphnia magna)48 h-EC500.001 伸展搖蚊(Chironomus tentans)48 h-EC500.001 5 日本沼蝦(Macrobrachium nipponense)96 h-LC500.97 斑馬魚(Danio rerio)96 h-LC508.40 黃顙魚(Pelteobagrus fulvidraco)96 h-LC509.80 中華大蟾蜍(Bufo gargarizans)48 h-LC506.47 普通小球藻(Chlorella vulgari)72 h-ErC5024.87 羊角月牙藻(Selenastrum capricornutum)72 h-ErC5011.61 紫萍(Spirodela polyrrhiza)7 d-ErC5013.82 浮萍(Lemna minor)7 d-ErC5026.12 斜生柵列藻(Scenedesmus obliquus)72 h-ErC501.69[12] 非洲爪蟾蝌蚪(Xenopus laevis)96 h-LC506.756[13] 中國林蛙蝌蚪(Rana chensinensis)96 h-LC501.67[14] 虹鱒魚(Oncorhynchus mykiss)96 h-LC500.069[15] 藍鰓太陽魚(Lepomis macrochirus)96 h-LC500.031[15] 鯉魚(Cyprinus carpio)96 h-LC503.51[15] 斑點叉尾(Ictalurus punctatus)96 h-LC508.58[15] 羅氏沼蝦(Macrobrachium rosenbergii)96 h-LC500.013[15] 鋸齒新米蝦(Neocaridina denticulate)96 h-LC500.846[16] 克氏原螯蝦(Procambarus clarkii)96 h-LC501.75[17]

EC50和ErC50分別為半數(shù)抑制和效應濃度值； LC50為半致死濃度值。

表3馬拉硫磷對水生生物慢性毒性結(jié)果

Table3Thechronictoxicitydataofmalathiontotheaquaticorganisms

物種名稱毒性終點慢性毒性值/(μg·L-1) 黃顙魚(Pelteobagrus fulvidraco)28 d-NOEC100 大型溞(Daphnia magna)21 d-NOEC 0.06[15]斑點叉尾(Ictalurus punctatus)28 d-NOEC1 500[15]鯉魚(Cyprinus carpio)28 d-NOEC 100[15]

NOEC為最大無影響濃度值。

2.2 水生生物基準值的推導結(jié)果

2.2.1物種敏感度分布法

對22個物種急性毒性數(shù)據(jù)進行對數(shù)正態(tài)分布檢驗(Shapiro-Wilk檢驗),顯著性水平P=0.27,在0.05和0.95之間,說明符合對數(shù)正態(tài)分布。采用物種敏感度分布法擬合效果較好的Sigmoid、Gaussian、Gompertz和Exponential Growth這4種模型[8]180推導基準值,擬合結(jié)果見圖1和表4。

圖1 采用不同模型擬合馬拉硫磷的急性物種敏感度分布曲線

表4水生生物對馬拉硫磷敏感度分布函數(shù)

Table4Thefittedspeciessensitivitydistributionfunctionofaquaticlifetomalathionbydifferentmodels

物種敏感度分布模型擬合公式參數(shù)相關系數(shù)rHC5/(μg·L-1) Sigmoid模型f=a/{1+exp[-(x-x0)/b]}a=292.731 2,b=3.299 1,x0=22.270 00.987 01.748 Gaussian模型f=a·exp{-0.5·[(x-x0)/b]2}a=2 810.735 4,b=13.673 8,x0=58.061 00.986 22.765 Gompertz模型f=a·exp{-exp[-(x-x0)/b]}a=26 408.360 3,b=35.719 8,x0=86.472 10.985 53.585 Exponential Growth模型f=a·exp(b·x)a=0.342 3,b=0.302 50.987 01.731

HC5為對5%水生生物產(chǎn)生危害的污染物濃度。

由表4可知,4種模型分別得到的HC5值相差不大,其中Sigmoid和Exponential Growth 2種模型得出的結(jié)果最接近,且兩者擬合度較高,相關系數(shù)均為0.987 0,取其中的較低值,以Exponential Growth模型得到的1.731 μg·L-1為馬拉硫磷STHC5值。急性基準值為STHC5除以2,即由物種敏感度分布法得到的馬拉硫磷水生生物急性基準值為0.865 5 μg·L-1。

2.2.2毒性百分數(shù)排序法

計算比較所有物種GMAV及各屬P值后,篩選出P值最接近0.05的溞屬、搖蚊屬、太陽魚屬和太平洋鮭屬,得到急性基準值(CMC值)為0.400 0 μg·L-1。FCV值為0.033 4 μg·L-1,FPV值取水生植物毒性試驗結(jié)果中最小值,即1 690 μg·L-1。由于我國目前未規(guī)定馬拉硫磷最大組織濃度,FRV值無法得出。馬拉硫磷慢性基準值(CCC值)取FCV和FPV中最小值,即0.033 4 μg·L-1。

3 討論

水生生物基準值是在一定數(shù)量毒性數(shù)據(jù)基礎上依據(jù)合適計算方法推導得到的。由于不同地域水生生物區(qū)系分布和物種敏感性不盡相同,水生生物基準值也相應具有地域性,因此制定某國家或地區(qū)水生生物基準值,必須以該國家或地區(qū)代表性水生生物物種毒性數(shù)據(jù)為基礎。以馬拉硫磷為例,目前美國制定的馬拉硫磷基準連續(xù)濃度(慢性基準值)為0.100 μg·L-1,澳大利亞和新西蘭共同制定的慢性基準值為0.05 μg·L-1,可以看出明顯不同。毒性數(shù)據(jù)數(shù)量和來源也要滿足一定的要求,美國采用毒性百分數(shù)排序法推導水質(zhì)基準值,規(guī)定至少需要來自3門8科的水生生物急性毒性數(shù)據(jù);歐盟采用物種敏感度分布法推導水質(zhì)基準值,要求采用來自8種不同類群生物至少10個物種的毒性數(shù)據(jù);澳大利亞和新西蘭也采用物種敏感度分布法制定水質(zhì)基準值,規(guī)定至少需要來自4個不同分類類群的5種生物的毒性數(shù)據(jù)。

所選受試物種是在對長江三角洲流域區(qū)系調(diào)查的基礎上,充分考慮水生生物的區(qū)域代表性、生物類群的代表性、物種敏感性、物種經(jīng)濟和娛樂價值以及作為試驗生物的適合性等,既能夠體現(xiàn)長江三角洲流域水生生物區(qū)系特點,生物分類和數(shù)量又均能滿足甚至超過國外對于基準值推導受試物種選擇的要求,這些物種毒性數(shù)據(jù)能夠滿足基準值推導要求。從生物分類上看,這些試驗生物涵蓋了長江三角洲流域水生生態(tài)系統(tǒng)中刺胞動物門、軟體動物門、節(jié)肢動物門、脊索動物門、綠藻門及被子植物門6門10科12個代表物種,從這些物種在水生生態(tài)系統(tǒng)中的功能地位看,包括了初級生產(chǎn)者、初級消費者和次級消費者,涵蓋了水生生態(tài)系統(tǒng)的所有功能類群。為豐富毒性數(shù)據(jù),又查閱相關類群生物毒性數(shù)據(jù),補充10個物種急性毒性數(shù)據(jù)和3個物種慢性毒性數(shù)據(jù)。筆者共采用22個物種急性毒性數(shù)據(jù)和其中4個物種慢性毒性數(shù)據(jù)推導基準值,保證了研究結(jié)果的科學性和可靠性。

采用物種敏感度分布法推導的急性基準值和慢性基準值分別為0.865 5和0.036 2 μg·L-1,采用毒性百分數(shù)排序法推導的急性基準值和慢性基準值分別為0.400 0和0.033 4 μg·L-1,2種方法推導的基準值相差不大,但毒性百分數(shù)排序法推導的基準值略低。通過比較2種推導方法推導過程發(fā)現(xiàn),物種敏感度分布法的優(yōu)點是可以充分利用可獲得的代表整個生態(tài)系統(tǒng)的毒性數(shù)據(jù),不足之處是沒有考慮污染物在生物體內(nèi)的富集效應。毒性百分數(shù)排序法的優(yōu)點是綜合考慮了急性效應、慢性效應和生物富集效應,但沒有考慮物種間營養(yǎng)級關系,最終用于計算基準值的只是累積概率接近0.05的4個屬的毒性數(shù)據(jù),過于依賴于敏感物種數(shù)據(jù)。采用毒性百分數(shù)排序法推導時,采用4個屬(溞屬、搖蚊屬、太陽魚屬、太平洋鮭屬)急性毒性數(shù)據(jù),而馬拉硫磷作為一種殺蟲劑,動物毒性高于植物,這造成毒性百分數(shù)排序法推導的基準值略低于物種敏感度分布法。為了充分保護長江三角洲流域水生生態(tài)系統(tǒng),選取2種方法中數(shù)值較低的作為推薦馬拉硫磷基準值,即采用毒性百分數(shù)排序法得到的急性基準值為0.400 0 μg·L-1,慢性基準值為0.033 4 μg·L-1。

GB 3838—2002中馬拉硫磷標準限值為50 μg·L-1,而筆者得出的馬拉硫磷對水生生物急性基準值為0.400 0 μg·L-1,慢性基準值為0.033 4 μg·L-1,標準限值遠高于研究結(jié)果和國外相應基準值。可見,我國馬拉硫磷水質(zhì)標準對水生生態(tài)系統(tǒng)存在“欠保護”情況。期望推導出的馬拉硫磷急慢性基準值可為我國現(xiàn)行地表水環(huán)境質(zhì)量標準修訂提供科學參考。

4 結(jié)論

(1)以長江三角洲流域為研究區(qū)域,在獲取代表性本土物種毒性數(shù)據(jù)基礎上,采用物種敏感度分布法和毒性百分數(shù)排序法分別推導馬拉硫磷水生生物基準值,并以毒性百分數(shù)排序法推導出的基準值為推薦基準值,即急性基準值和慢性基準值分別為0.400 0和0.033 4 μg·L-1。

(2)研究得出的推薦基準值與美國、澳大利亞和新西蘭提出的馬拉硫磷相應基準值比較接近。

(3)我國馬拉硫磷標準限值遠高于研究得到的推薦基準值和國外基準值,對水生生物存在“欠保護”情況。