CN103645286A - 一种水体中多环芳烃的生态风险确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水体中多环芳烃的生态风险确定方法，属于生态风险确定领域。其步骤为：（1）筛选区域内水生态系统的代表性物种；（2）获得苯并a芘的毒性数据；（3）计算保护水生态系统中95%物种的苯并a芘浓度值HC5；（4）采样测定多环芳烃污染物种类及其相应的环境浓度，并分析各种多环芳烃的浓度分布特征；（5）计算特定多环芳烃类污染物的生态风险商值RQi；（6）计算总生态风险商值RQt，明确具体的生态风险。本发明可分析多环芳烃污染物所引发的潜在风险是否可接受，并判断水体生态风险总体水平是否应加以控制，为水生态系统的保护、多环芳烃污染控制措施的制定等提供科学依据。
Description
技术领域
本发明涉及生态风险的确定方法，更具体的说是一种水体中的多环芳烃的生态风险确定方法。
背景技术
多环芳烃是一类重要的环境污染物，产生于工业工艺过程、缺氧燃烧、垃圾焚烧和填埋、食品制作及交通排放等人类活动，目前广泛存在于水体等多种环境介质中。多环芳烃污染物具有致癌、致畸、致突变和生物难降解的特性，对生态系统和人类健康构成威胁，因而其污染控制和风险防范越来越受到重视。
已有研究表明我国主要河流不同程度地受到多环芳烃的污染。但我国的水环境质量标准体系中没有涵盖多环芳烃类污染物，因此缺乏评价水体中多环芳烃污染程度的依据。国际上，环境风险评价已成为当前环境领域的研究热点，近年我国学者也尝试通过环境风险理论和方法来研究水环境问题，为水体中多环芳烃的生态风险研究提供了新的思路。
目前生态风险确定中应用最广泛的是商值法，即通过污染物的环境浓度与毒性参考值的比值来表征生态风险的大小。但商值法的计算结果属于确定值，是对风险的粗略估计。实际上水体中多环芳烃的浓度和空间分布具有随机性和不确定性，生态危害效应也因生物种类和个体差异而存在不确定性。因此，科学的处理方法应是从概率的角度评估分析水体中多环芳烃的生态风险。
此外，由于基础毒理数据缺乏的限制，能应用商值法进行风险评价的多环芳烃种类有限，主要集中于菲、蒽、荧蒽、芘、苯并[a]蒽、苯并[a]芘等少数几种多环芳烃，其它类型多环芳烃的生态风险研究相对不足。与此同时，因结构和性质类似，不同多环芳烃污染物可能产生累积风险，因此，水体中多环芳烃的生态风险确定还需要考虑多环芳烃类污染物的累积风险问题。
专利申请200910232672.4水体中农药的生态风险确定方法，融合了现有的风险商值法和概率风险评价方法，并利用相对较少的毒性数据，实现了水体中农药的生态风险总体水平的量化，但此方法得到的最终风险商值仍然是点估计值，没有解决风险分析过程中的不确定性问题。此外，对于缺乏毒理数据的多环芳烃类物质，无法参照此方法进行其生态风险分析。
总体来讲，多环芳烃类污染物是国内外学者研究的热点，但主要集中于其迁移转化、环境归趋等方面，对于其对水生态系统的风险识别研究较少，尚未解决生态风险分析中的不确定性、毒理数据缺乏的多环芳烃污染物的生态风险确定，以及不同污染物的联合风险等问题。目前，未检索到成熟的解决以上问题的确定水体中多环芳烃生态风险的文献。
发明内容
1.发明要解决的技术问题：
针对当前在地表水中多环芳烃环境标准缺失，生态环境监管依据不足的问题，无法确定存在的生态风险，本发明建立起一种基于毒性当量因子和蒙特卡罗模拟的水体中多环芳烃生态风险确定方法，可适用于环境水体中的多环芳烃污染程度和生态风险的确定。
2.技术方案：
本发明所采用的技术方案：
一种水体中多环芳烃的生态风险确定方法，其步骤为：
（1）筛选区域内水生态系统的代表性物种：考虑代表性本地物种及其毒理数据可得性，包括浮游植物、浮游动物、昆虫和鱼，每个物种需要筛选至少1个以上；（2）获得苯并a芘的毒性数据：收集代表性生物种的慢性毒性数据，即不可见效应浓度NOEC数据；
（3）计算保护水生态系统中95%物种的苯并a芘浓度值HC5：即将毒性数据作对数转换，应用公式HC5=exp(Xm-KLSm)计算，其中m为物种数，Xm的含义为m个物种毒性数据作对数转换后的算术平均值；Sm的含义为m个物种毒性数据作对数转换后的标准差；KL为调整系数，从文献中获取；
（4）采样测定区域内水体中的多环芳烃污染物种类及其相应的环境浓度，并分析各种多环芳烃的浓度分布特征；
（5）计算特定多环芳烃类污染物的生态风险商值RQi：按公式
进行计算，其中ECi为第i种多环芳烃类污染物的环境浓度；TEFi为第i种多环芳烃类污染物相对于苯并a芘的毒性当量因子，具体数值来源于文献；HC5为保护水生态系统中95%物种的苯并a芘浓度值。按照不同多环芳烃的浓度分布特征，使用蒙特卡罗抽样方法，进行10000次随机抽样；根据蒙特卡罗抽样结果，绘制各多环芳烃类污染物生态风险商值的累积概率分布曲线，分析其风险商值RQi≥1的概率。概率越大，表明评价水体中该多环芳烃类污染物造成的生态风险越高；
（6）计算各多环芳烃污染的总生态风险商值RQt：按公式
计算，并依据不同多环芳烃的环境浓度分布特征，使用蒙特卡罗抽样方法，进行10000次随机抽样；根据蒙特卡罗抽样结果，绘制总生态风险商值的累积概率分布曲线，从而确定总生态风险商值≥1的概率，明确具体的生态风险。
根据上述得到的结果，形成风险管理建议：按生态风险商值RQi的大小及其大于等于1的概率，对各多环芳烃污染物进行排序，确定优先控制污染物；此外，各多环芳烃污染物生态风险商值RQi的加和为总生态风险商值RQt，若评价水体内多环芳烃类污染物的总生态风险商值RQt≥1的概率越大，则表明多环芳烃类污染物对该水生态系统所造成的生态风险水平越高，即更需要进行污染排放控制，以削减其对水生态系统所造成的损害。
3.有益效果：
本发明提供了一种水体中多环芳烃的生态风险确定方法，通过商值法、毒性当量因子和蒙特卡罗模拟的综合应用，解决生态风险分析中过程中的不确定性问题，同时扩大了可进行风险识别的多环芳烃污染物的范围，实现了不同污染物累积风险的分析。基于各多环芳烃污染物的风险值进行风险排序，分析其所引发的潜在风险是否可接受，并判断水体生态风险总体水平是否应加以控制，为水生态系统的保护、多环芳烃污染控制措施的制定等提供科学依据。该方法可广泛应用于判别评价水体中多环芳烃类污染物的污染程度和生态风险水平，以及相应生态环境保护措施的制定中。
附图说明
图1为某湖泊水体中多环芳烃的总生态风险累积概率分布图
具体实施方式
以下通过实施例和附图进一步说明本发明。
实施例1
某湖泊水体中多环芳烃的生态风险确定：
（1）筛选该湖泊代表性物种：在调查本地物种的基础上，同时考虑相应毒性数据的可得性，综合选取了6种代表性物种：绿藻、摇蚊、大型蚤、蚌、青蛙、鲃鱼；
（2）获得苯并a芘的毒性数据：在PAN Pesticide Database和EPA EcoTox数据库中，收集代表性生物种的苯并a芘慢性毒性数据，见表1；
（3）计算保护水生态系统中95%物种的苯并a芘浓度值HC5：将表1中的毒性数据作对数转换，求得其算术平均值Xm为3.77ug/L、标准差Sm为4.95ug/L，应用公式HC5=exp(Xm-KLSm)计算，其中调整系数KL为1.81（来源于公开文献报道：Aldenberg and Slob,Confidence limits for hazardous concentrations based onlogistically distributed NOEC toxicity data,1991），求得HC5值为0.0056ug/L；
（4）采样测定该湖泊水体中的多环芳烃污染物种类及其相应的环境浓度，并分析各种多环芳烃的浓度分布特征，见表2；
（5）计算各多环芳烃类污染物的生态风险商值RQi：按公式
进行计算，其中ECi为第i种多环芳烃类污染物的环境浓度；TEFi为第i种多环芳烃类污染物相对于苯并a芘的毒性当量因子（来源于公开文献报道：Nisbet ICTand Lagoy PK,Toxic equivalency factors(Tefs)for polycyclic aromatic-hydrocarbons,1992，见表3）。按照不同多环芳烃的浓度分布特征，使用蒙特卡罗抽样方法，进行10000次随机抽样；根据蒙特卡罗抽样结果，绘制各多环芳烃类污染物生态风险商值的累积概率分布曲线，结果表明16种多环芳烃中B[a]P、DBA风险商值最高，大于等于1的概率分别为54.4%、61.8%，表明这两种污染物对该湖泊水体造成了潜在生态风险；其余多环芳烃风险商值大于等于1的概率均为0。
（6）计算各多环芳烃污染的总生态风险商值RQt：按公式
计算，并依据不同多环芳烃的环境浓度分布特征，使用蒙特卡罗抽样方法，进行10000次随机抽样；根据蒙特卡罗抽样结果，绘制总生态风险商值的累积概率分布曲线（见图1）。结果表明该湖泊水体中的多环芳烃所造成的总生态风险平均值达到3.3；通过读取横坐标为1时的纵坐标数值，发现风险商值大于等于1的概率为99%，表明多环芳烃类污染物对该湖泊水体中超过5%的物种构成威胁的概率高，不满足保护95%的物种的要求；
（7）形成风险管理建议：该湖泊水体中的16种多环芳烃中，B[a]P、DBA风险商值大于等于1的概率分别为54.4%、61.8%，表明各自生态风险高，应成为优先控制污染物。全部多环芳烃所造成的总生态风险商值大于等于1的概率为99%，表明在该调查时间和区域内的多环芳烃污染物，以现有慢性毒理数据所反映的生态风险高，现有多环芳烃浓度水平不足以保护95%的物种，需要制定污染控制措施，保护湖泊水生态系统。
表1某湖泊代表性物种的苯并a芘毒性数据
| 物种名称 | 毒性数据类型 | 数值（ug/L） |
| 绿藻 | NOEC | 250000 |
| 摇蚊 | NOEC | 5 |
| 大型蚤 | NOEC | 0.02 |
| 蚌 | NOEC | 500 |
| 青蛙 | NOEC | 10 |
| 鲃鱼 | NOEC | 54.2 |
表2某湖泊水体中多环芳烃的浓度值(10-1ug/L)
| 污染物名称 | 最大值 | 最小值 | 平均值 | 标准差 |
| Nap | 5.48 | 0.23 | 2.09 | 1.41 |
| Acy | 0.71 | 0.05 | 0.28 | 0.23 |
| Ace | 3.10 | 0.13 | 0.93 | 0.79 |
| Flu | 4.26 | 0.13 | 1.75 | 1.15 |
| Phe | 11.76 | 0.27 | 2.62 | 2.68 |
| Ant | 2.56 | 0.16 | 0.79 | 0.60 |
| Flt | 3.22 | 0.03 | 0.44 | 0.68 |
| Pyr | 2.38 | 0.03 | 0.32 | 0.53 |
| B[a]A | 0.47 | 0.01 | 0.05 | 0.10 |
| Chr | 0.81 | 0.01 | 0.12 | 0.18 |
| B[b]F | 0.50 | 0.02 | 0.19 | 0.14 |
| B[k]F | 0.17 | 0.01 | 0.05 | 0.04 |
| B[a]P | 0.16 | 0.01 | 0.05 | 0.04 |
| DBA | 0.15 | 0.01 | 0.06 | 0.04 |
| Ind | 0.13 | 0.01 | 0.04 | 0.04 |
| B[ghi]P | 0.53 | 0.01 | 0.14 | 0.14 |
表3多环芳烃类污染物相对于苯并a芘的毒性当量因子
| 污染物名称 | 毒性当量因子 | 污染物名称 | 毒性当量因子 |
| Nap | 0.001 | B[a]A | 0.1 |
| Acy | 0.001 | Chr | 0.01 |
| Ace | 0.001 | B[b]F | 0.1 |
| Flu | 0.001 | B[k]F | 0.1 |
| Phe | 0.001 | B[a]P | 1 |
| Ant | 0.01 | DBA | 1 |
| Flt | 0.001 | Ind | 0.1 |
| Pyr | 0.001 | B[ghi]P | 0.01 |
Claims (2)
1.一种水体中多环芳烃的生态风险确定方法，其步骤为：
（1）筛选区域内水生态系统的代表性物种：考虑代表性本地物种及其毒理数据可得性，包括浮游植物、浮游动物、昆虫和鱼，每个物种需要筛选至少1个以上；（2）获得苯并a芘的毒性数据：收集代表性生物种的苯并a芘的慢性毒性数据，即不可见效应浓度NOEC数据；
（3）计算保护水生态系统中95%物种的苯并a芘浓度值HC5：即将毒性数据作对数转换，应用公式HC5=exp(Xm-KLSm)计算，其中m为物种数，Xm的含义为m个物种毒性数据作对数转换后的算术平均值；Sm的含义为m个物种毒性数据作对数转换后的标准差；KL为调整系数，从文献中获取；
（4）采样测定区域内水体中的多环芳烃污染物种类及其相应的环境浓度，并分析各种多环芳烃的浓度分布特征；
（5）计算特定多环芳烃类污染物的生态风险商值RQi：按公式
进行计算，其中ECi为第i种多环芳烃类污染物的环境浓度；TEFi为第i种多环芳烃类污染物相对于苯并a芘的毒性当量因子，具体数值来源于文献；HC5为保护水生态系统中95%物种的苯并a芘浓度值；按照不同多环芳烃的浓度分布特征，使用蒙特卡罗抽样方法，进行10000次随机抽样；根据蒙特卡罗抽样结果，绘制各多环芳烃类污染物生态风险商值的累积概率分布曲线，分析其风险商值RQi≥1的概率；概率越大，表明评价水体中该多环芳烃类污染物造成的生态风险越高；
（6）计算各多环芳烃污染的总生态风险商值RQt：按公式计算，并依据不同多环芳烃的环境浓度分布特征，使用蒙特卡罗抽样方法，进行10000次随机抽样；根据蒙特卡罗抽样结果，绘制总生态风险商值的累积概率分布曲线，从而确定总生态风险商值RQt≥1的概率，明确具体的生态风险。
2.根据权利要求1所述的一种水体中多环芳烃的生态风险确定方法，其特征在于根据生态风险商值RQi的大小及其大于等于1的概率，对各多环芳烃污染物进行排序，确定优先控制污染物；此外，若评价水体内多环芳烃类污染物的总生态风险商值RQt≥1的概率越大，则表明多环芳烃类污染物对该水生态系统所造成的生态风险水平越高，即更需要进行污染排放控制，以削减其对水生态系统所造成的损害。
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