CN112418675A - 控制单元水环境优控污染物的筛选方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供控制单元水环境优控污染物的筛选方法，包括如下步骤：步骤1.确定优控污染物初筛名单：根据水域环境控制单元内污染物的调查与研究数据、水污染监测数据，企业排污口监测数据，确定优控污染物初筛名单；步骤2.建立优控污染物筛选评价体系，结合污染物潜在危害指数，采用多筛选因子综合评分法对污染物评分，选择综合评分较高的污染物，形成控制单元内的优控污染物清单，其中以污染物持久性、生物累积性、迁移性、生殖毒性、致突变性、致癌性以上六个指标作为筛选因子。本发明能够获取反映水污染特点与环境健康风险关联密切的特征污染物清单，为开展具体控制单元水污染环境健康风险管理基础工作提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明属环境监测领域，具体为控制单元水环境优控污染物的筛选方法。
背景技术
江河流域一般都为工业基地，集中制药、化工、石化、冶金、印染等为核心的产业集群，排放多种有毒有害有机物。近年来，随着对环境保护的重视，虽然对流域水质综合指标得到一定程度的改善，但流域水质污染依然严重，有毒有害污染物对水域的污染不可忽视。
依据污染物的性质，将水域环境中有毒有害物划分为物理性污染物、化学性污染物和生物性污染物，其中化学性污染物种类最多。全球大约有800万种化学物质，常用的有7万多种，每年新登记注册投放市场的约1000种。然而，相当部分的化学物质对人类健康和生态环境有不同程度的危害，其在生产、存储、运输、销售、使用及作为废物处理的过程中，难免会进入水环境中。因此，化学物质仍是水体环境重要威胁。
优控污染物筛选研究起源于美国，中国优控污染物筛选研究起步较晚，随着水环境治理工作的日渐成熟，优控污染物起着越来越起着不可替代的作用。针对水中化学性污染复杂性，筛选出潜在危险大的污染物，作为优先研究和控制的对象是十分必要的。水环境规划中通过控制单元将整个水域划分成不同的部分，目前针对整个水域进行优先控制污染物筛选的方法比较多，会导致优控污染物范围过大，不同控制单元内的污染物类型、特征污染物也不尽相同，因此也无法体现不同控制单元的污染特性，因此为细化水域管理，本发明将污染物筛选落实到控制单元管理范围内。
发明内容
基于现有的水域控制单元的划分，本发明提供一种控制单元水环境优控污染物的筛选方法，以获取反映水污染特点与环境健康风险关联密切的特征污染物清单，为开展具体控制单元水污染环境健康风险管理基础工作提供技术支撑。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：控制单元水环境优控污染物的筛选方法，包括如下步骤：
步骤1.确定优控污染物初筛名单：根据水域环境控制单元内污染物的调查与研究数据、水污染监测数据，企业排污口监测数据，确定优控污染物初筛名单；
步骤2.建立优控污染物筛选评价体系，结合污染物潜在危害指数，采用多筛选因子综合评分法对初筛名单中污染物评分，选择综合评分较高的污染物，形成控制单元内优控污染物清单，其中以污染物持久性、生物累积性、迁移性、生殖毒性、致突变性、致癌性以上六个指标作为筛选因子。
进一步的，综合评分法中，总分Z的计算公式为：Z＝N+C1+L1+Q1+D1+T1+A1，其中，N为潜在危害指数，C1、L1、Q1、D1、T1、A1分别为污染物持久性、生物累积性、迁移性、生殖毒性、致突变性、致癌性上述六个筛选因子的得分。
进一步地，综合评分法中，对污染物赋分的方法如下：
评价污染物各筛选因子的危害等级，由高至低评为一至四级，根据筛选因子等级对污染物赋分，分别一级对应4分、二级对应3分、三级对应2分、四级对应1分，基于污染物的检出浓度，优先定义检出率≥50％的污染物为一级、二级，检出率＜50％的污染物分为三、四级。
进一步地，污染物持久性以半衰期为评级指标，半衰期采用EPI Suite毒理学软件中BIOWIN3模型的输出值，临界值为40天，当输出值≥临界值，污染物持久性评为较高等级，当输出值＜临界值，评为较低等级。
进一步地，污染物累积性以生物富集性(BCF)为评级指标，BCF采用EPI Suite毒理学软件中的输出值，临界值为2000，当输出值≥临界值，污染物累积性评为较高等级，当输出值＜临界值，评为较低等级。
进一步地，污染物迁移性以有机污染物的logKoc数值(Koc为吸附常数)为评级指标，logKoc数值采用EPI Suite毒理学软件中的输出值，以2.18为临界值，当输出值≥临界值，污染物迁移性评为较高等级，当输出值＜临界值，评为较低等级。
进一步地，污染物生殖毒性以是否具有生殖毒性为评级指标，当具有生殖毒性时，评为较高等级，不具有生殖毒性时，评为较低等级，根据Toxicity Estimation SoftwareTool(TEST)软件输出的实验数据(Experimental Value)确定是否具有生殖毒性，在实验数据缺失时，选择预测数据(Predicted Value)进行判定，预测数据以0.5为临界值，当预测数据≥临界值，判定污染物具有生殖毒性，当预测数据＜临界值，污染物不具有生殖毒性。
进一步地，污染物致突变性以是否具有致突变性为评级指标，当具有致突变性时，评为较高等级，不具有致突变性时，评为较低等级，根据TEST软件输出的实验数据确定是否具有致突变性，在实验数据缺失时，选择预测数据进行判定，预测数据以0.5为临界值，当预测数据≥临界值，判定污染物具有致突变性，当预测数据＜临界值，污染物不具有致突变性。
进一步地，污染物致癌性以化学物品LD50为评级指标，LD50采用TEST软件QSAR模型的输出值，输出值优先选用实验数据，在实验数据缺失时，则选择预测数据，以200mg/kg为临界值，当预测数据≤临界值，污染致癌性评为较高等级，当预测数据＞临界值，评为较低等级。
与现有技术相比较，本发明提出的控制单元水环境优控污染物的筛选方法具有以下优点：
1.针对现有控制单元流域进行优控污染物筛选，考虑控制单元内污染物实际暴露水平及潜在风险污染物，应对常规污染检测与突发水风险事故对控制单元造成的风险具有一定的预测性，完善突发水分险事故的应对能力、降低水环境监测成本；
2.本方法应用计算毒理学软件对有机物毒性数据进行补充、解决了数据缺失、数据不统一的的筛选问题，简化数据获取途径，细化筛选因子等级，对有机污染物毒性等级划分临界值提出参考准确参考标准；
3.本方法应用基于计算毒理学的综合评分法对控制单元水系结合控制单元风险源识别结果，不局限于单一筛选原则，考虑到不同权重因子对水域污染程度不同、选出不同赋值标准权重，推广适用于各个水域环境的不同控制单元；
4.本方法面对不同控制单元复杂度、污染度、治理需求的不同，可自由选取不同分数一下上污染物做为优控污染物值，可满足不同单元治理的需要。
附图说明
图1实施例控制单元水环境优控污染物的筛选方法；
图2为污染物苯并(b)荧蒽的LD50、生殖毒性、致突变性数值输出结果图；
图3为以苯并(b)荧蒽为例LD50、生殖毒性、致突变性数值输出结果图；
图4为污染物持久性等级分布图；
图5为污染物迁移性等级分布图；
图6为污染物累积性等级分布图；
图7为污染物生殖毒性等级分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本实施例中潜在危害指数，主要采取了潜在危害指数公式计算，毒理学计算软件下载于美国EPA网站官网，风险源定位根据地方环保网更新的重点排污行业名录进行定位。本实施例中计算毒理学主要是通过统计模型(Statistical Modeling)以由美国国家环保局(U.S.EPA)提供的一套基于定量构效关系(QSAR)原理研制的软件Toxicity EstimationSoftware Tool(TEST)，及EPI Suite输出数据。
辽河流域位于中国东北地区西南部，位于东经116°54′至125°32′，北纬40°30′至45°17′之间，是我国七大江河流域之一。流经辽宁省沈阳市、本溪市、阜新市等多个城市。为辽宁省主要受纳水体。作为国家重点治理的“三河三湖”之一，直至2020年3月，由中国环境部发布的地表水月报中，仍可以看到，监测的19个断面中，五类断面仍占10.5％、劣五类水占5.3％、辽河支流亮子河仍为重度污染。如何治理辽河流域污染物也环境工作者的研究重点。辽河流域是我国重工业基地，集中制药、化工、石化、冶金、印染等为核也的产业集群，排放多种有毒有害有机物。近年来，虽然迁河流域水质综合指标得到一定程度的改善，但流域水质污染依然严重，有毒有害污染物对辽河的污染不可忽视。
本发明所述控制单元水环境优控污染物的筛选方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1.根据以下原则对控制单元采样点进行布设、完成对控制单元水样检测：
监测点位布设原则：A.代表性原则：监测断面在宏观上要能反映控制单元水系环境特征，微观上应能反映断面特征，其位置应能反映特征，因而其设置时要考虑水文、污染源状况。B.分类原则：按照控制单元背景断面、对照断面、控制断面设置，取消消减断面。背景断面：为评价一完整水系的污染程度，不受人类生活和生产活动影响，提供水环境背景值的断面。对照断面：指具体判断某一区域水环境污染程度时，位于该区域所有污染源上游处、提供这一水系区域本底值的断面，一般设置在城市上游、支流汇入口等上游断面。反映进入本地区河流水质的初始情况，设置城市、工业集中区废水排放口的上游，基本不受本地区污染影响处。控制断面：指为了掌握水环境受污染程度及其变化情况的断面，一般设在城市下游、工业集中区下游、支流汇入口前断面、入海口断面、湖库河流出入口，起到预警作用。主要反映本地区排放的废水对河段水质的影响，其位置应设置在排污区(口)的下游，污染物与河水能较充分混合处。根据河段的污染源分布和废水排放情况，可设置一至数个控制断面。控制断面与废水排放口的距离应根据污染物的迁移、转化规律、河流流量和河道水力特征确定。C.分类管理原则：监测网络分类管理原则。一个网络只具有一种功能，以保证监测断面设置的客观性。D.水期原则：针对北方冬季干旱少雨、夏季火热多雨的特殊气候特征，优化时要研究不同水期水环境质量的变化，充分考虑控制单元水期的影响。
步骤2.控制单元风险源定位，统计特征污染物，确定优控污染物筛名单：
A.直排污染源识别：辽河流域共有直排污染源1575家，其中直排工业污染源有1468家，污水处理厂107家。因此对直排污染源进行有效的监控，就可以较准确的掌握污染物的入河情况。直接向辽河、浑河、太子河和大辽河排放废水的企业有53家，直接接纳的废水、COD和氨氮排放量占到3227家工业污染源排放量的13.3％、17％和13.9％。
B.污水处理厂污染源识别：辽河流域城镇污水处理厂107家。其中22家直接向辽河、浑河、太子河和大辽河排放废水。
对这些识别出来的风险源进行定位，查找地图查找相应位置，落实控制单元，实现对控制单元造成风险的风险企业类型及企业主要特征污染物进行统计，确定优控污染物初筛名单。
步骤3.对太子河流域某控制单元优控污染物进行筛选，对优控污染物初筛名单中的污染物，以及结合优化后单元6个采样点后控制单元断面实测结果，建立优控污染物筛选评价体系，以污染物持久性、生物累积性、迁移性、生殖毒性、致突变、致癌性以上六个指标作为筛选因子，以EPI Suite毒理学软件中数据为基础，并结合污染物潜在危害指数，采用综合评分法将THQ控制单元初筛名单中的污染物评分，选择综合评分较高的污染物，形成控制单元内的优控污染物筛名单。化学数据库及软件有机物名称输入以美国化学文摘服务社(Chemical Abstracts Service)提出的CAS号为准。
(1)潜在危害指数的计算，及筛选因子的评级指标
污染物持久性表征了有机物对水环境中的各种作用的抵抗能力，包括化学反应和生物降解等作用，而对持久性的量化描述采用的是BIOWIN3模型来进行预测，BIOWIN3可以用来评价水生生物的生物半衰期，Martin等根据半衰期和BIOWIN3的结果之间的相关性得出线性方程式如下:
logt1/2＝-0.8*s+3.51
其中t1/2指半衰期，s指EPI中BIOWIN3的预测数值，BIOWIN3在EPI BIOWIN模型中是预测最终生物降解的时间范围的模块。
污染物累积性以化学品危害评估方法(Chemical Hazard Evaluation forManagement Strategies，CHEMS-1中提出的生物富集性(BCF)为评级指标。
污染物迁移性，按照有机污染物的吸附常数Koc的大小对有机污染物在土壤/沉积物中的降解能力进行判断。
以苯并(b)荧蒽为例BOOWIN3、生物累积性、迁移性数值输出结果如图2所示；
QSAR模型是对有机化合物毒性进行有效预测的模型，QSAR方法作为现代最重要的毒理学非试验测试研究手段之一，以有机物的理化参数，实现对有机物化合物的毒性预测，其中Toxicity Estimation Software Tool(TEST)软件作为可以预测LD50定量构效模型的软件，提供四种受试动物-大型蚤、黑头呆鱼、梨形四膜虫，计算出LC50(48h)、LC50(98h)、LD50数值。输入有机污染物CAS号，输入软件结果中输出分为两部分-Experimental Value与Predicted Value两部分。对比结果中实验数据与美国国立医药图书馆(NationalLibrary of Medicine)中LD50数据一致，在没有实验数据的情况下，应用预测数据作为计算依据。应用软件提供的LD50数据，结合美国政府工业卫生医师协会(ACGIH)，2010制定发布阈限值(TLVs)名单中出现的污染物阈限值，对控制单元污染物潜在危害指数进行计算。
潜在危害指数法公式潜在危害指数(N)的计算公式：N＝2aa’A+4bB，式中，
A—某化学物质的AMEGAH所对应的值
B—潜在“三致”化学物质的AMEGAC所对应的值；
A.估算空气环境目标值(AMEGAH)
通过LD50估算化学物质的AMEGAH值。基本上以大鼠经口给毒的LD50为依据。用LD50推算AMEGAH的公式：AMEGAH(μg/m3)＝0.107×LD50
B.估算“三致”物质的AMEGAC
本次筛选根据致癌物质或可疑致癌物质的阈限值估算，计算公式：
AMEGAC(μg/m3)＝阈限值/420×103
B值的确定方法如表1所示。
表1:A、B值计算表
其中a、a’、b为常数，a、a′、b的确定原则如下：可以找到B值时，a＝1，无B值时，a＝2；某化学物质有蓄积或慢性毒性时，a＇＝1.25，仅有急性毒性时，a′＝1；可以找到A值时，b＝1，找不到A值时，b＝1.5。
污染物致癌性以化学物品LD50为评级指标，TEST软件不仅可以输出LD50毒性数据，同时提供生殖毒性与致突变数据，数据同样分为实验数据与预测数据两部分，同样优先选用实验数据，在实验数据缺失的有机污染物，选择预测数据作为数据补充。
以苯并(b)荧蒽为例LD50、生殖毒性、致突变性数值输出结果如图3所示；
(2)筛选因子等级评分标准
对两种计算毒理学软件提供的数据结合实际暴露情况，对污染物6大指标进行分级。实际暴露情况是表明有机污染的最直接证据，由于各污染物浓度上存在较大差异、同时污染物毒性情况不同，浓度多少并不能实际反映暴露等级，故本发明选用检出率作为污染物暴露等级评分标准、检出率越高的有机物表示该物质的污染程度越高，以50％为基准，对不同筛选因子进行等级划分。
有机物持久性等级临界值选取欧盟公布的关于化学品的修订指令中对PBT物质的持久性指标设定了40天，半衰期大于等于40天定义为难降解；
污染物迁移性临界值：将吸附系数koc数值大于等于150的污染物定为迁移性强的污染物，对应软件中Logkoc数值为2.18；
致癌性以世界卫生组织于2009年提出的《WHO推荐的危险和农药的分类指南》中提出的致癌等级为分级依据，依据LD50数值，以有致癌证据以200mg/kg为临界值；
生物累积性临界值据REACH法规中对生物富集指数BCF值大于等于2000定义为具有生物累积性物质；
生殖毒性数值，致突变性根据软件输出实验数据为1时，显示Developmentaltoxicant-具有生殖毒，为0时，显示Developmental NON-toxicant不具生殖毒性，在没有生殖毒性实验数据时，以预测数据为准、预测数据以0.5为临界值：≥0.5时，预测结果为生殖毒性、小于0.5时，物质不具生殖毒性。
致突变性数值，实验数据为1时，显示Mutagenicity Postive，物质具有致突变性，实验数据为0时，显示Mutagenicity Negative，物质不具致突变性，在没有致突变性实验数据时，以预测数据为准，预测数据以0.5为临界值，预测数据≥0.5具有致突变性、小于0.5不具致突变性。
评价污染物各筛选因子的危害等级，由高至低评为一至四级，基于检出浓度，优先定义检出浓度高于等于50％的物质为一级、二级，检出率低于50％的有机污染物分为3，4级，对应筛选因子临界值，确定污染物等级，根据筛选因子等级对污染物赋分，分别一级对应4分、二级对应3分、三级对应2分、四级对应1分。如表2所示。最后结合污染物潜在危害指数评分进行计算，总分(Z)的计算公式为：Z＝N+C1+L1+Q1+D1+T1+A1，C1、L1、Q1、D1、T1、A1分别为污染物持久性、生物累积性、迁移性、生殖毒性、致突变性、致癌性上述六个筛选因子的得分。
表2：筛选因子等级评分表
(3)优控污染物筛选
输入控制单元29种污染物CAS号，分别使用软件输出污染物对应数值，数值结果如表3所示。
表3：筛选因子数值表
备注：标注1数值，为软件预测计算分值。
输出数据为基础，对应筛选因子临界值，对四个筛选因子进行等级划分，如图4～7所示，分别为污染物持久性、污染物迁移性、污染物累积性、污染物生殖毒性等级分布图。右上角区域作为暴露等级及各筛选因子评价等级最高，定义为一级有机污染物，在计算时赋4分；左上角区域暴露等级低，但筛选因子评价等级高，赋3分；右下角区域为暴露等级高，筛选因子评价等级低，定义为三级污染物，赋2分；左下角区域暴露等级低、筛选因子评价等级低，定义为四级污染物，赋1分。
将有机污染物总分计算结果进行排序，得到污染物总分表如表4所示,得到最高总分2,6-二甲基苯酚为39分，最低分为苯甲醛15分。选取测得有机污染物总数高于30分，作为控制单元优控污染物。筛选结果得到控制单元优控污染物包括苯酚类、多环芳烃类、硝基苯类11种-2,6-二甲基苯酚、苯酚、2,6-二叔丁基对甲酚、邻甲酚、1-甲基萘、1,4-二硝基苯、2,5-二甲基苯酚、3-硝基甲苯、苯并(a)蒽、荧蒽、蒽11种有机物作为控制单元优控污染物，符合控制单元化工污染危险特征。
表4：有机污染物综合得分表
以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.控制单元水环境优控污染物的筛选方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.确定优控污染物初筛名单：根据水域环境控制单元内污染物的调查与研究数据、水污染监测数据，企业排污口监测数据，确定优控污染物初筛名单；
步骤2.建立优控污染物筛选评价体系，结合污染物潜在危害指数，采用多筛选因子综合评分法对初筛名单中污染物评分，选择综合评分较高的污染物，形成控制单元内优控污染物清单，其中以污染物持久性、生物累积性、迁移性、生殖毒性、致突变性、致癌性以上六个指标作为筛选因子。
2.根据权利要求1所述的控制单元水环境优控污染物的筛选方法，其特征在于，综合评分法中，总分Z的计算公式为：Z＝N+C1+L1+Q1+D1+T1+A1，其中，N为潜在危害指数，C1、L1、Q1、D1、T1、A1分别为污染物持久性、生物累积性、迁移性、生殖毒性、致突变性、致癌性上述六个筛选因子的得分。
3.根据权利要求2所述的控制单元水环境优控污染物的筛选方法，其特征在于，综合评分法中，对污染物赋分的方法如下：
评价污染物各筛选因子的危害等级，由高至低评为一至四级，根据筛选因子等级对污染物赋分，分别一级对应4分、二级对应3分、三级对应2分、四级对应1分，基于污染物的检出浓度，优先定义检出率≥50％的污染物为一级、二级，检出率＜50％的污染物分为三、四级。
4.根据权利要求3所述的控制单元水环境优控污染物的筛选方法，其特征在于，污染物持久性以半衰期为评级指标，半衰期采用EPI Suite毒理学软件中BIOWIN3模型的输出值，临界值为40天，当输出值≥临界值，污染物持久性评为较高等级，当输出值＜临界值，评为较低等级。
5.根据权利要求3所述的控制单元水环境优控污染物的筛选方法，其特征在于，污染物累积性以生物富集性(BCF)为评级指标，BCF采用EPI Suite毒理学软件中的输出值，临界值为2000，当输出值≥临界值，污染物累积性评为较高等级，当输出值＜临界值，评为较低等级。
6.根据权利要求3所述的控制单元水环境优控污染物的筛选方法，其特征在于，污染物迁移性以有机污染物的LogKoc数值(Koc为吸附常数)为评级指标，LogKoc数值采用EPISuite毒理学软件中的输出值，以2.18为临界值，当输出值≥临界值，污染物迁移性评为较高等级，当输出值＜临界值，评为较低等级。
7.根据权利要求3所述的控制单元水环境优控污染物的筛选方法，其特征在于，污染物生殖毒性以是否具有生殖毒性为评级指标，当具有生殖毒性时，评为较高等级，不具有生殖毒性时，评为较低等级，根据Toxicity Estimation Software Tool(TEST)软件输出实验数据(Experimental Value)确定是否具有生殖毒性，在实验数据缺失时，选择预测数据(Predicted Value)进行判定，预测数据以0.5为临界值，当预测数据≥临界值，判定污染物具有生殖毒性，当预测数据＜临界值，污染物不具有生殖毒性。
8.根据权利要求3所述的控制单元水环境优控污染物的筛选方法，其特征在于，污染物致突变性以是否具有致突变性为评级指标，当具有致突变性时，评为较高等级，不具有致突变性时，评为较低等级，根据TEST软件输出实验数据确定是否具有致突变性，在实验数据缺失时，选择预测数据进行判定，预测数据以0.5为临界值，当预测数据≥临界值，判定污染物具有致突变性，当预测数据＜临界值，污染物不具有致突变性。
9.根据权利要求3所述的控制单元水环境优控污染物的筛选方法，其特征在于，污染物致癌性以化学物品LD50为评级指标，LD50采用TEST软件的输出值，输出值优先选用实验数据，在实验数据缺失时，则选择预测数据，以200mg/kg为临界值，当预测数据≤临界值，污染致癌性评为较高等级，当预测数据＞临界值，评为较低等级。
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