天津地區(qū)土壤中萘的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

1、 HYPERLINK / 天津地區(qū)土壤中萘的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析楊宇,石璇,徐福留,陶澍（北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，地表過程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871）摘要:以天津地區(qū)表土188個(gè)樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)萘濃度以及萘對(duì)10種代表性土壤生物的半致死濃度為基礎(chǔ)資料，嘗試用三種方式評(píng)價(jià)了該地區(qū)土壤中萘的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。并進(jìn)行了方法學(xué)比較。研究結(jié)果發(fā)覺，暴露濃度和毒性效應(yīng)概率密度函數(shù)的重疊面積為6.4%，聯(lián)合概率曲線特不貼近左、下兩軸，準(zhǔn)確計(jì)算的暴露濃度超過LC50的概率僅為1.67。這些結(jié)果均講明該地區(qū)土壤萘的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)極低，僅嚴(yán)峻污染的局部地區(qū)可能發(fā)生最敏感生物種受害。用于進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的三種方法各有利弊，從不同角度

2、反映了上述事實(shí)。關(guān)鍵詞：生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；土壤；萘Risk analysis of naphthalene in Tianjin terrestrial ecosystemYang Yu, Shi Xuan, Xu Fuliu, Tao Shu (College of Environmental Sciences, ,Laboratory for Earth Surface Processes, Peking University, Beijing 100871,China)Abstract: Three approaches were applied and evaluated for

3、 probabilistic risk assessment of naphthalene in a terrestrial ecosystem in Tianjin, China, based on the observed naphthalene concentration of 188 top soil samples from the area and LC50s of naphthalene to ten typical soil species from the literature. It was found that the overlapping area of the tw

4、o probability density functions of concentration and LC50 was 6.4%, the joint probability curve bend towards and very close to the bottom and left axis, and the calculated probability that exposure concentration exceeds LC50 of various species was as low as 1.67, all indicating a very much acceptabl

5、e risk of naphthalene to the terrestrial ecosystem and only very sensitive species or individual animals are threaten by localized extremely high concentration. The three approaches revealed similar results from different viewpoints.Key words: ecological risk；probability；risk assessment ；soil；naphth

6、alene1. 前言作為多環(huán)芳烴中遷移活性最強(qiáng)的化合物，萘是天津地區(qū)阻礙范圍最大的持久性有機(jī)污染物之一。近年監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)覺該地區(qū)表土中萘含量高達(dá)275276 g/kg 1。與其他多環(huán)芳烴相似，其要緊來源包括化石燃料燃燒和污水灌溉2。盡管目前并未發(fā)覺萘具有致癌作用，但其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的阻礙早有定論,對(duì)多種生物具有毒性3。風(fēng)險(xiǎn)分析是定量研究有毒污染物生態(tài)危害的重要手段，因而受到各國(guó)環(huán)境研究者和決策者的高度重視。目前用于風(fēng)險(xiǎn)分析的方法專門多，既有簡(jiǎn)單的閾值比較4，也有具有概率意義的風(fēng)險(xiǎn)分析5-6。盡管前者在風(fēng)險(xiǎn)治理中使用方便，但由于忽視了污染物在環(huán)境中濃度的大幅度變異以及不同生物種耐受能力的極大差不，簡(jiǎn)單

7、的閾值專門難在生態(tài)系統(tǒng)水平對(duì)污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)做出合理的推斷，被推舉在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的篩選時(shí)期使用7-8.概率風(fēng)險(xiǎn)分析的方法同時(shí)考慮生物耐受性和污染物濃度兩方面的變異，能夠?qū)ξ廴镜纳鷳B(tài)風(fēng)險(xiǎn)做出整體評(píng)價(jià)。對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有概率意義的評(píng)估能夠采納不同方法。最常見的是將表征化合物基金項(xiàng)目：北京大學(xué)政基金，國(guó)家自然科學(xué)基金（40031010，40024101） 作者簡(jiǎn)介：楊宇（1984-），男，漢族，本科生暴露濃度和毒性參數(shù)的概率密度曲線置于同一坐標(biāo)系下，據(jù)此考察兩個(gè)密度函數(shù)的重疊，并計(jì)算其重疊部分面積表述生物受不利阻礙的概率9-10。如此的做法實(shí)際上基于濃度分布中心趨勢(shì)在數(shù)值上低于毒性參數(shù)分布的隱含假設(shè)，當(dāng)

8、事實(shí)上毒性參數(shù)分布中心低于濃度分布中心時(shí)，濃度分布正移，重疊面積反而減小，簡(jiǎn)單依照重疊面積的推斷已失去原有意義。方法的缺陷顯而易見。聯(lián)合概率曲線則以毒性響應(yīng)累積概率（橫標(biāo)）和暴露濃度超過相應(yīng)阻礙邊界濃度的概率（縱標(biāo)）作圖表征特定化合物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)11。由此得到的曲線在二維平面上的位置反映了風(fēng)險(xiǎn)水平的高低，曲線越靠近坐標(biāo)軸，風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)越小。盡管聯(lián)合概率曲線比簡(jiǎn)單計(jì)算分布重疊面積要合理得多，但仍然缺乏特不確切的概率意義8。從理論上講，精確計(jì)算整個(gè)濃度響應(yīng)分布區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的概率密度函數(shù)是比較合理的概率風(fēng)險(xiǎn)分析。如此的計(jì)算能夠通過蒙特卡羅模擬手段實(shí)現(xiàn)12。能夠利用這一概念計(jì)算暴露濃度超過特定耐受水平的概率，

9、并據(jù)此進(jìn)行評(píng)價(jià)12。本研究旨在依照天津地區(qū)萘的土壤含量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)中報(bào)道的萘對(duì)土壤生物的毒性資料，分不用上述三種方法表征萘對(duì)該地區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，著重對(duì)三種方法進(jìn)行方法學(xué)比較，為更深入地研究本地區(qū)多環(huán)芳烴和其他持久性有機(jī)污染物毒性建立必要手段。2. 研究方法土壤萘含量資料來自對(duì)取自天津地區(qū)的188個(gè)表土樣品的分析。采樣點(diǎn)大致均勻分布于天津地區(qū)，平均采樣密度約為1/60km2。所有樣品均作平行測(cè)定。樣品中多環(huán)芳烴含量均用加速溶劑儀（Dionex ASE-300）提取，以1:1二氯甲烷丙酮為提取液。提取溫度140C，壓強(qiáng)1500 psi，預(yù)熱min，靜態(tài)提取min。提取液用硅膠層析柱凈化。樣

10、品多環(huán)芳烴（PAH16）用GC-MS（安捷倫 6890GC/5973MSD） 以外標(biāo)定量法測(cè)定。詳細(xì)分析方法及儀器條件設(shè)置參見相關(guān)文獻(xiàn)13。從美國(guó)環(huán)保署毒性數(shù)據(jù)庫(kù)中收集萘對(duì)土壤生物的毒性資料，要緊為土壤動(dòng)物7-8d暴露的半致死濃度。涉及生物、實(shí)驗(yàn)條件和LC50值列于表1。盡管能收集到的毒性參數(shù)不可能包括全部土壤生物，而且采納生物并非來自研究地區(qū)，但這些資料涉及到多數(shù)代表性物種，且一般而言，不同區(qū)域同一物種的耐毒差異遠(yuǎn)低于不同物種間差異，這些資料能夠用于本項(xiàng)研究。表1 土壤動(dòng)物毒性參數(shù)拉丁名稱漢譯14土壤生物拉丁實(shí)驗(yàn)周期 (d)LC50 (ug/g)螨屬亞綱acari816節(jié)腹亞目arthrop

11、leona814節(jié)足動(dòng)物arthropoda811彈尾目collembola815愛勝蚓Eisenia feida24670跳蟲spider812萵苣lactuca7100中氣門亞目mesostigmata813甲螨亞目Oribatida815前氣門亞目prostigmata817依照上述資料分不求得區(qū)域暴露濃度和生物耐受水平的兩個(gè)概率密度函數(shù)，用Matlab計(jì)算兩函數(shù)曲線重疊部分的面積和暴露濃度超過生物耐受水平的概率，并得到聯(lián)合概率曲線。3結(jié)果與討論3.1 天津地區(qū)土壤萘含量及土壤動(dòng)物對(duì)萘毒性耐受水平分布特征圖1分不為天津表層土壤中萘含量（左）和土壤動(dòng)物對(duì)萘毒性耐受水平的統(tǒng)計(jì)分布（右）。兩者

12、分不表現(xiàn)了天津地區(qū)土壤中萘的含量和對(duì)土壤生物毒性的分布特征。天津地區(qū)表土中萘的平均含量為0.275 g/g，標(biāo)準(zhǔn)差為0.176 g/g。經(jīng)分布檢驗(yàn)（Kolmogorov-Smirnov）后，土壤萘含量服從典型的對(duì)數(shù)正態(tài)分布。土壤生物對(duì)萘的耐受水平的數(shù)據(jù)量較小，即便作正態(tài)檢驗(yàn)，結(jié)論的可靠性也不高，故直接作對(duì)數(shù)正態(tài)假定11。依照實(shí)際觀測(cè)結(jié)果得到的兩個(gè)變量的概率密度函數(shù)為：圖1天津地區(qū)表土萘的含量分布（左）和土壤動(dòng)物對(duì)萘毒性耐受水平（右）的分布特征式中Cnap為土壤萘濃度(ug/g)，LC50則代表表述萘對(duì)土壤動(dòng)物毒性的半致死濃度。3.2概率密度函數(shù)重疊面積評(píng)價(jià)將濃度和毒性耐受水平兩個(gè)概率密度函數(shù)放

13、在同一坐標(biāo)系中，并考察兩者重疊程度，結(jié)果見圖2。 圖中陰影部分即為兩函數(shù)重疊部分。對(duì)天津土壤中萘而言，實(shí)際暴露濃度水平總體上大大低于導(dǎo)致10種代表性土壤生物對(duì)萘的耐受性水平，即在同一坐標(biāo)上，前者分布顯著較后者偏左。因此能夠依照兩者重疊面積評(píng)價(jià)危害風(fēng)險(xiǎn)。從圖2能夠看出，兩個(gè)概率密度函數(shù)重疊部分微小。計(jì)算概率僅為6.4（圖2中陰影部分）。講改日津地區(qū)萘對(duì)土壤生物的危害極低。圖2 暴露濃度與生物耐受水平的重疊，重疊部分用陰影表示3.3聯(lián)合概率曲線評(píng)價(jià)能夠綜合反映致毒效應(yīng)的 LC50的累積函數(shù)和土壤萘暴露濃度的反累積函數(shù)（與累積函數(shù)和為1）進(jìn)一步計(jì)算圖3所示聯(lián)合概率曲線，籍以表述土壤萘對(duì)土壤生物毒性的

14、全面關(guān)系。圖中橫標(biāo)為累積危害概率，縱標(biāo)則代表暴露濃度高于阻礙邊界濃度（相應(yīng)的LC50）的概率。圖3 天津地區(qū)土壤萘對(duì)生物毒性的聯(lián)合概率曲線王喜龍等人（2002）曾經(jīng)用類似方式計(jì)算天津地區(qū)苯并芘、熒蒽和菲三者對(duì)水生生物的毒性，結(jié)果發(fā)覺三者對(duì)天津地區(qū)水生生物的毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本研究結(jié)果。三種PAHs濃度分布和毒性分布曲線重疊概率均在50以上，分不達(dá)0.582、0.623和0.752。相應(yīng)的聯(lián)合概率曲線在位置上也專門接近斜率為1的直線。反映出高的多的毒性風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，天津地區(qū)土壤中萘對(duì)土壤生物的毒性相對(duì)低得多，概率密度函數(shù)重疊僅5左右，聯(lián)合概率曲線也特不貼近左、下兩軸（橫標(biāo)累積毒性概率范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1.

15、0）。兩者都反映了專門低的暴露風(fēng)險(xiǎn)。3.4暴露濃度超過LC50概率的直接計(jì)算假如將土壤環(huán)境中萘的濃度和萘對(duì)不同土壤生物物種毒性的LC50視為兩個(gè)獨(dú)立變量，據(jù)此能夠得到關(guān)于兩個(gè)變量的二元概率密度函數(shù)。該函數(shù)服從二元對(duì)數(shù)正態(tài)分布。通過二重積分計(jì)算暴露濃度超過生物L(fēng)C50的概率P計(jì)算公式為：據(jù)此求得天津地區(qū)土壤中萘濃度超過土壤生物L(fēng)C50值得概率為1.67%。同樣反映了相對(duì)較低的風(fēng)險(xiǎn)水平。3.5方法學(xué)比較與結(jié)果盡管三種方法能夠得出特不相似的風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，但三者既有內(nèi)在聯(lián)系也有差不。概率密度函數(shù)是累積函數(shù)的導(dǎo)數(shù)，反映了累積概率增加或反累積概率下降的速率。隨濃度升高，生物耐受水平的累積概率增加，而暴露濃

16、度的反累積概率則減小。圖2所示重疊的概率密度函數(shù)交于一點(diǎn)，該點(diǎn)左側(cè)暴露濃度概率密度較大，即暴露濃度反累積概率降低較快，生物耐受性水平累積概率增加慢，兩者之和逐漸減小，交點(diǎn)右側(cè)則相反。因此，交點(diǎn)處生物耐受性水平的累積概率與暴露濃度的反累積概率之和取微小值。交點(diǎn)處兩者之和(即重疊面積S)可用來定義與對(duì)應(yīng)的聯(lián)合概率曲線相切的方程：X+Y=S（X和Y分不為該曲線兩軸的變量，即LC50小于某個(gè)值的概率和暴露濃度超過那個(gè)值的概率）。故圖2中重疊部分的面積大致確定了聯(lián)合概率曲線的走勢(shì)。該面積越大，聯(lián)合概率曲線離坐標(biāo)軸越遠(yuǎn)，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)亦越大。本研究涉及的實(shí)例中，與聯(lián)合概率曲線相切的直線大致為X+Y=0.08，截

17、距與重疊部分面積（0.064）接近，一致反映了較小的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，王喜龍（2002）關(guān)于苯并a芘對(duì)該地區(qū)水生生物的風(fēng)險(xiǎn)分析中，密度函數(shù)重疊面積為0.582，與聯(lián)合曲線相切的直線大致為X+Y=0.7，一致反映了相當(dāng)高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。一般而言，重疊面積大小確定了聯(lián)合概率曲線的某種幾何特征?？梢娭丿B面積計(jì)算適用于簡(jiǎn)單定量評(píng)價(jià)，能夠直接反映不同污染風(fēng)險(xiǎn)的大小關(guān)系。聯(lián)合概率曲線盡管不能給出簡(jiǎn)單的可比量，然而卻反映了不同濃度區(qū)間不同耐受程度生物物種的響應(yīng)關(guān)系（如此的關(guān)系通常不具有簡(jiǎn)單線性關(guān)系）。聯(lián)合概率曲線橫坐標(biāo)代表LC50小于某值的概率，縱坐標(biāo)為暴露濃度超過此值的概率，故橫縱坐標(biāo)的乘積代表了一種暴露濃

18、度超過LC50情況發(fā)生的概率。然而，用二重積分計(jì)算的暴露濃度超過LC50的概率涵蓋了所有情況。單純考察聯(lián)合概率曲線上點(diǎn)的縱坐標(biāo)僅反映暴露濃度取值的情況，LC50的取值未予考慮，其意義遠(yuǎn)弱于暴露濃度超過LC50的概率。綜上所述，計(jì)算重疊面積最為簡(jiǎn)便，用一個(gè)取值表述總體風(fēng)險(xiǎn)，但概率意義不確切；聯(lián)合概率曲線則特不直觀，易于定性比較，而且能表述不同敏感程度物種的響應(yīng)差異；而暴露濃度超過LC50的概率數(shù)學(xué)意義明確，適于精確比較。4結(jié)論用三種方法評(píng)價(jià)了天津地區(qū)土壤中萘對(duì)土壤動(dòng)物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)得到的差不多結(jié)果大同小異，即在該特定條件下萘的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相當(dāng)?shù)?。從方法學(xué)角度而言，三者既有內(nèi)在聯(lián)系，也表征了風(fēng)險(xiǎn)的不同側(cè)面。

19、其中直接計(jì)算濃度超過LC50值的概率在直接表現(xiàn)生物受到危害的概率方面有其獨(dú)到之處。致謝:本研究中得到北京大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院肖寒和謝和虎大力協(xié)助，一并表示感謝。參考文獻(xiàn)：鄭一. 天津地區(qū)表層土壤多環(huán)芳烴含量及其空間特征的研究. 碩士學(xué)位論文, 北京大學(xué), 2002.Harvey RG. Polycyclic aromatic hydrocarbons: Chemistry and carcinogenicity. Cambridge University Press, New York. 1991.趙云英, 馬永安. 天然環(huán)境中多環(huán)芳烴的遷移轉(zhuǎn)化及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的阻礙., 1998, 17: 6872.

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