CN109721144B - 一种基于生物组的水体富营养化修复材料的生态毒理评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于水环境生态领域的一种基于生物组的水体富营养化修复材料的生态毒理评价方法。本发明将水生食物链中不同营养等级的生物作为一个成组生物毒性测试系统，将水体修复材料的生物降解性同水生生物对该材料的毒理响应相结合，考察该材料对水生生物的综合毒性效应。本发明相对于单一物种毒性测试更加全面，将各种不同生物毒性测试终点所获得数据通过模型公式转化成一个可以量化的数值，便于比较不同材料对水生食物链的毒性。

Description

一种基于生物组的水体富营养化修复材料的生态毒理评价 方法
技术领域
本发明涉及一种水环境生态风险的评估方法，具体涉及一种基于生物组的水体富营养化修复材料的生态毒理评价方法。
背景技术
近年来，湖泊及河流中富营养化及有害藻华的爆发已经成为我国水环境所面临的重要问题。根据《2017年中国环境状况公报》显示目前我国重点监测的60个大型湖泊水库中有17个处于富营养化状态。水体中过量的氮磷和底泥内源释放的营养盐刺激藻类的大量繁殖，使水体原有生态系统失去平衡，水质严重恶化，水体中藻毒素含量急剧增加，对饮用水的安全构成严重威胁。2015年4月国务院出台《水污染防治行动计划》，提出到2020年我国重点淡水湖泊太湖、巢湖、滇池富营养化水平有所好转。消除水体富营养化的关键在于消除水体中过量的氮磷，抑制湖泊底泥中营养盐的释放。湖泊地质工程技术(Lake geo-engineering)在水体富营养化及污染底泥的修复上得到了广泛应用。该技术采用改性粘土矿物(土壤、沙子、沸石或膨润土等)材料、工业副产品、金属盐类(铝盐和铁盐)等作为絮凝剂，将水体中大量繁殖的藻类和氮磷污染物等通过絮凝沉降作用沉降到底泥表面，提高水体透明度，再通过原位覆盖技术(土壤、锁磷剂、细沙、活性炭或沸石等)对沉积物进行覆盖，抑制藻类絮体和底泥中氮磷营养盐的释放，改善沉积物表层的氧化还原环境，促进水生植物的恢复，改善水体富营养化状态。但是，絮凝剂和覆盖材料作为一种外源性物质进入水体，其对水生生态系统的安全性影响受到越来越多的关注。很多国内外的研究表明，化学物质的添加，会对某些生物物种会产生一定的毒理效应，造成不良影响。因此对水体富营养化修复中使用的各种矿物或者天然材料进行生态毒理学评价，选择性能优良且毒性较低的材料就变得十分必要。
传统的水生生物毒理评价方法往往是将单一受试生物置于不同浓度的受试物中测定其毒理学数据(急性毒性、慢性毒性等)。例如，用青鳉鱼对水质毒性进行测试(CN201110022430)；利用浮萍对水中重金属进行生物毒性评价(CN201110349187)；利用摇蚊幼虫(CN201310294055)和河蚬(CN201310409686)对沉积物的生态毒性进行评价。但是这些测试方法得到的毒性数据不能反映该物质对水环境生态系统的毒性影响，因为单一物种无法代表水生生态系统，对实际湖泊的水生生态系统保护提供的信息不够全面。近年来，科研人员采用成组生物检测系统(Bioassay battery system)对水体中污染物进行综合评价，虽然该方法相比于单物种的毒性测试能够提供更多受试物的生态毒理信息，但是由于每种生物的测试终点不同，得到的数据难以进行综合归一化处理。水生食物链是水生生态系统的重要组成部分，处于不同营养级的生物的繁殖能力和对污染物质的抵抗能力各不相同。处于食物链低端的初级生产者(浮游植物)或者初级消费者(浮游动物)如果遭到严重损害，则可能对整个食物链产生坍陷式影响。目前，对水生食物链进行整体安全性评价的方法很少，特别是进行水体富营养化修复时，构建一个综合的生态安全评价方法对水体富营养化修复材料进行生态风险评估就变得尤为重要。
发明内容
本发明提出了一种利用不同营养级的水生生物组成的食物链作为生物检测系统对湖泊修复材料进行综合生态毒理评估的方法，将食物链中不同营养级的生物对受试物的毒理响应情况(急性毒性或者慢性毒性)进行综合，通过公式计算得到该材料对食物链的综合毒性指标。
一种基于生物组的水体富营养化修复材料的生态毒理评价方法，按照如下步骤进行：
(1)食物链中不同生物营养级的确定：若检测用生物组中的生物来自同一生态系统(比如同一河流或者湖泊水域)，利用碳氮稳定同位素技术对从待考察水体选定的代表生物进行营养级测试，所述选定的代表生物包括初级生产者、初级消费者、二级消费者、三级消费者以此类推，确定各个物种所处的营养级别。
(2)毒性数据的获得：测试选定生物对受试物的急性或者慢性毒性效应，测试方法均按照现有国家标准进行测定后获得。
(3)水生生物毒性综合评价模型的构建，计算水生生物毒性综合指数(BTI)：
Figure GDA0001973548450000031
BTI，是生物毒性指数(Biotic toxicity index)。其中，XA是水体修复材料A的使用浓度(mg/L)；n是该生物测定组中受试生物的种类数量；EC50i是测试物质对该生物的半毒性效应浓度(mg/L)；XA和EC50i浓度单位一致。N的取值根据以下三种情形确定：
情形1：若该水体修复材料A可以生物降解，则N＝1；
情形2：若该水体修复材料A不能生物降解，选择的测试生物组的水生生物来自不同的水生态系统，不具有食物链关系，则
Figure GDA0001973548450000032
BCFi＝Csi/Cw，BCF是生物富集因子，Csi是材料A在每种生物体内的含量(μg/g生物干重)；Cw是材料A在水体中的浓度(mg/mL)。如果XA＝0mg/L，则BTI＝0。
情形3：若该水体修复材料A不能生物降解，选择的测试生物组的水生生物来自同一水生态系统，具有食物链关系，则
Figure GDA0001973548450000041
BMF是生物放大因子，Fn和F1是材料A在测试组最高营养级生物和最低营养级生物体内的浓度(μg/g生物干重)；TLn和TL1分别是该生物测试系统中最高营养级数和最低营养级数，营养级数的测定采用δ15N和δ13C稳定同位素法测定，具体参阅相关方法。如果XA＝0mg/L，则BTI＝0。
BTI值越高，则说明该材料对水生生物或者该水生食物链的毒性越强。
有益效果：本发明选取多种不同生物，构建成组生物测试系统，考察不同种群物种之间对受试物的毒理响应，相对于单一物种毒性测试更加全面；将受试材料能否生物降解作为一项重要的考察指标，同时结合了生物富集效应和生物放大累积效应，突出对水生生态系统毒性的考察；将各种不同生物毒性测试终点所获得数据通过模型公式转化成一个可以量化的数值，便于比较不同材料对水生食物链的毒性。
附图说明
图1为四种絮凝剂对成组生物检测系统的毒性对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述，但本发明的实施不仅限于此。
实施例1
以在太湖藻华爆发水体中实施絮凝剂除藻过程中絮凝剂的选择应用为例进行说明。
测试物：水体生态修复工程中常采用絮凝剂对藻华和悬浮物进行絮凝沉降去除。天然容易降解的高分子絮凝剂往往成为首选。经常使用的絮凝剂有：酸化壳聚糖、阳离子淀粉絮凝剂、壳聚糖改性土壤絮凝剂和阳离子淀粉改性土壤絮凝剂等4种絮凝剂。
受试生物的选择：选取太湖中常见的初级生产者小球藻(C.vulgaris)，初级消费者大水蚤(D.magna)，霍甫水丝蚓(L.hoffmeisteri)，二级消费者亚洲鲤鱼(C.carpio)4种代表性生物为一个食物链。
修复材料的生态毒理评价方法，按照如下步骤进行：
(1)营养级的确定：通过稳定碳氮同位素仪测得4种生物的营养级分别为1.3，1.9，2.2和2.3。
(2)受试生物对4种絮凝剂的急性毒性响应
采用国标方法(GB 21805-2008)、(GB 21830-2008)、(GB 27861-2011)和(GBT27858-2011)所推荐方法对壳聚糖、阳离子淀粉、壳聚糖改性土壤絮凝剂和阳离子淀粉改性土壤絮凝剂4种絮凝剂对小球藻、大水蚤、水丝蚓和鲤鱼幼鱼进行急性毒性测试，分别获得不同絮凝剂对4种生物的EC50，结果如表1所示：
表1四种生物对不同絮凝剂的半效应浓度
Figure GDA0001973548450000051
壳聚糖和阳离子改性淀粉均属于可生物降解的絮凝剂，因此根据情形1可知，N＝1。则
Figure GDA0001973548450000061
即BTI为线性直线，其值依赖常数
Figure GDA0001973548450000062
由于受试物种为4种，则n＝4.根据表1数值，各絮凝剂毒性计算值如表2所示，四种絮凝剂对成组生物检测系统的毒性对比图如图1所示。
表2四种絮凝剂的BTI值
Figure GDA0001973548450000063
由图1可以明显看出，4种絮凝剂中阳离子淀粉的毒性最强，壳聚糖次之。但经过土壤改性之后，两者毒性大为降低，且随使用剂量增大，阳离子淀粉和壳聚糖的毒性增长迅速。
本发明不局限于急性毒理实验所获得数据，BTI公式也可以继续增加相关毒性测试参数，包括慢性毒性数据等。受试生物营养级越多，则对受试物的毒性评价越全面。测试物不局限于粘土矿物，覆盖材料等。各种有毒污染物质对水生生态系统的影响亦可采用本方法进行综合风险评估。

Claims (2)

1.一种基于生物组的水体富营养化修复材料的生态毒理评价方法，其特征在于，按照如下步骤进行：
(1)确定食物链中不同生物营养级：利用碳氮稳定同位素技术对待考察水体选定的代表生物进行营养级测试，确定各个物种所处的营养级别；
(2)获得毒性数据：测试选定生物对受试物的急性或者慢性毒性效应，测试方法按照现有国家标准进行测定；
(3)构建水生生物毒性综合评价模型，计算水生生物毒性综合指数BTI：公式为
Figure FDA0003024953370000011
其中，BTI是生物毒性指数，XA是水体修复材料A的使用浓度，单位为mg/L；n是该生物测定组中受试生物的种类数量；EC50i是测试物质对该生物的半毒性效应浓度，单位为mg/L；
所述步骤(3)中N的取值根据以下三种情形确定：
情形1：若该水体修复材料A可以生物降解，则N＝1；
情形2：若该水体修复材料A不能生物降解，选择的测试生物组的水生生物来自不同的水生态系统，不具有食物链关系，则
Figure FDA0003024953370000012
BCF是生物富集因子，Csi是材料A在每种生物体内的含量，单位为μg/g生物干重；Cw是材料A在水体中的浓度(mg/mL)；
情形3：若该水体修复材料A不能生物降解，选择的测试生物组的水生生物来自同一水生态系统，具有食物链关系，则
Figure FDA0003024953370000013
BMF是生物放大因子，Fn和F1是材料A在测试组最高营养级生物和最低营养级生物体内的浓度，单位为μg/g生物干重；TLn和TL1分别是该生物测试系统中最高营养级数和最低营养级数，营养级数的测定采用δ15N和δ13C稳定同位素法测定。
2.根据权利要求1所述的一种基于生物组的水体富营养化修复材料的生态毒理评价方法，其特征在于，所述步骤(1)中选定的代表生物包括初级生产者、初级消费者、二级消费者、三级消费者，以此类推。
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