水生態(tài)基準推導方法的國際比較

水生態(tài)基準推導方法的國際比較

1水生態(tài)基準的推導隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，水環(huán)境面臨著各種各樣的污染。為了控制污染，提高水環(huán)境質(zhì)量，世界各國普遍采用水質(zhì)標準（wqs）作為主要防止污染的主要手段。水質(zhì)標準是“為了保護人類健康和生態(tài)平衡，并使用可靠科學數(shù)據(jù)顯示的水中各種污染物的允許濃度”（中國大百科全書環(huán)境科學編委會，1983年）。如果水體中包含特定物質(zhì)和元素，則表明可以保護水生群落或特定用途（張彤、金紅軍等，1996）。根據(jù)對象，水質(zhì)標準可分為保護人類健康的環(huán)境基準、水生生物和水生生態(tài)系統(tǒng)的水生態(tài)基準（u.s.pea，1985）。水環(huán)境條件的研究和制定對控制進入水環(huán)境的污染物的類型和數(shù)量、保護水生生物多樣性以及整個水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能具有重要意義。確定水生態(tài)基準的核心是水生態(tài)基準方法學,即如何科學的定值(U.S.EPA,1998).過去幾十年,不同國家和國際組織提出了不同的水生態(tài)基準的推導方法.U.S.EPA在1985頒布的“推導保護水生生物及其用途的國家水質(zhì)基準的技術(shù)指南”(U.S.EPA,1985),對水生態(tài)基準的推導方法進行了詳細的描述;歐盟(EuropeanUnion,EU)2003年頒布的“關(guān)于風險評價技術(shù)導則文件”通過了推導預測無效應濃度(Predictednoeffectconcentration,PNEC)的方法,并將其作為推導水生態(tài)基準的方法;加拿大、澳大利亞、荷蘭等國家也分別制定了相應的水生態(tài)基準推導方法(CCME,1999;ANZECC&ARMCANZ,2000;RIVM,2001).系統(tǒng)調(diào)研并比較這些方法,將有助于推動我國水生態(tài)基準的建立工作.2基于傳統(tǒng)水生態(tài)標準的導出方法2.1u.s.epa基準美國環(huán)保局于1985年發(fā)表的“推導保護水生生物及其用途的國家水質(zhì)基準的技術(shù)指南”,指出制定水生態(tài)基準的目的在于防止污染對重要的商業(yè)和娛樂水體的水生生物,以及其他重要物種如河流湖泊中的魚、底棲無脊椎動物和浮游生物造成不可接受的短期和長期影響(U.S.EPA,1985),并為每個化合物制定了兩個基準,最大濃度基準值(Criteriamaximumconcentration,CMC)和持續(xù)濃度基準值(Criteriacontinuousconcentration,CCC),其中CMC表示短期暴露不會對水生生物產(chǎn)生顯著影響的最大濃度,CCC表示持續(xù)暴露不會對水生生物產(chǎn)生顯著影響的最大濃度,二者分別根據(jù)一系列水生動物的急慢性毒性試驗結(jié)果推導而得.為了使獲得的毒性數(shù)據(jù)具有較好的代表性,避免欠保護(Underprotection),“指南”中指出用于推導CMC和CCC的急慢性毒性數(shù)據(jù)至少涉及3個門、8個科的生物(U.S.EPA,1985),要為大多數(shù)生物(95%以上)提供適當?shù)谋Ｗo(雷炳莉等,2009b).對于CMC和CCC的計算,U.S.EPA推薦采用毒性百分數(shù)排序法(Toxicitypercentilerank)來推導水質(zhì)基準(U.S.EPA,1985),此外還可采用蒙特卡羅構(gòu)建物種敏感度分布曲線法和生態(tài)毒性模型法等(雷炳莉等,2009b).首先根據(jù)不同種水生生物實驗數(shù)據(jù)確定4個實驗終點值———最終急性值(Finalacutevalue,FAV)、最終慢性值(Finalchronicvalue,FCV)、最終植物值(Finalplantvalue,FPV)、最終殘留值(Finalresiduevalue,FRV),然后利用FAV值推導CMC,并取FCV、FPV和FRV中較小的值作為CCC.FAV是物質(zhì)濃度的估測值,它與所有進行急性毒性試驗物種通過累計概率分布的0.05處物種的急性毒性值相一致,CMC=FAV/2.最終慢性值(Finalchronicvalue,FCV)的計算方法有兩種:一種方法是當慢性毒性數(shù)據(jù)足夠時根據(jù)毒性百分數(shù)排序法進行計算,這種方法要求收集的毒性數(shù)據(jù)的種屬需要覆蓋一定的范圍,而這一點往往難以達到;另一種方法最終急慢性比率(FinalAcuteChronicRatio,FACR)法,它是利用公式FCV=FAV/FACR計算最終慢性值FCV.另外,為了比較水生動植物的相對敏感性,以及保護魚類作為食品的商業(yè)價值和保護以水生生物為食的野生生物,“指南”中還提出在基準制定中需要考慮FPV和FRV,最后取FCV、FPV和FRV中最小的一個作為CCC(U.S.EPA,1985).U.S.EPA在基準的表述中還引入了頻率的概念,規(guī)定某化學品的4天平均濃度超過CCC的頻率不得多于平均每3年1次,并且1小時平均濃度超過CMC的頻率不得多于平均每3年1次,從而避免了過保護(Overprotection)(U.S.EPA,1985).考慮到水質(zhì)特征(如:pH、溫度、硬度等)對基準值的影響,U.S.EPA(1984)頒布的“利用國家修改基準方法推導特定水域水質(zhì)基準的技術(shù)指南”中使用水效應比(Watereffectratio,WER)技術(shù)修正了特定水體不同理化特性而導致生物利用度的差異.這種方法多用于校正重金屬的基準值,同樣也可以用來校正有機污染物的基準(U.S.EPA,1994).2.2關(guān)于pnec值的獲得歐盟的水生態(tài)基準目的在于保護水生態(tài)系統(tǒng)中絕大多數(shù)(一般是95%)生物物種免受不利的影響(ECB,2003).2003年在歐盟頒布的“關(guān)于風險評價技術(shù)導則文件”中,提出了PNEC的推導方法.PNEC是歐盟成員國推導水生態(tài)基準的基礎(chǔ),規(guī)定要用8種不同類群生物、至少10個慢性毒性值(Noobservedeffectconcentration,NOEC)來獲得PNEC值.對于生態(tài)毒理數(shù)據(jù)的收集,“綱領(lǐng)”中依據(jù)“可靠性”和“相關(guān)性”的原則進行數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價和篩選,并且規(guī)定當一個測試物種有多個毒性數(shù)據(jù)時,應該選擇最符合歐州環(huán)境參數(shù)的一組數(shù)據(jù),而且選擇最敏感測試終點;當某一相同的測試終點有多個毒性數(shù)據(jù)時,取其幾何平均值整理(ECB,2003).對于基準的計算,“導則”中推薦使用物種敏感度分布(Speciessensitivitydistribution,SSD)和評價因子(Assessmentfactor,AF)兩種方法.當測試物種數(shù)和NOECs數(shù)據(jù)滿足導則的要求時,可以通過SSD方法在50%(或者95%)置信度時獲得保護95%以上物種的慢性基準值,即HC5;而當NOECs數(shù)據(jù)不足時,可以采用有效的急性毒性值除以一個安全因子,獲得一個環(huán)境關(guān)注水平(Environmentalconcernlevel,ECL),導則確定了安全因子的取值規(guī)則.例如,如果只有一個或兩個不同物種的急性毒性數(shù)據(jù)時,規(guī)定采用1000作為安全因子.另外,“導則”中還討論了pH對生物利用度以及有機化學品離子毒性的影響,并表明毒性試驗的pH值應控制在試驗化合物的酸解離常數(shù)(pKa)附近(ECB,2003;OECD,1995).2.3環(huán)境質(zhì)量標準荷蘭于2001年頒布了“關(guān)于推導環(huán)境風險限度的指導方針”,目的是保護水生態(tài)系統(tǒng)中所有的生物免受不利影響(RIVM,2001).基準值包括了3個不同的層次:即對生態(tài)系統(tǒng)嚴重危險濃度(Ecosystemseriousriskconcentration,SRCECO)、最大允許濃度(Maximumpermissibleconcentration,MPC)和可忽略濃度(Negligibleconcentration,NC).當環(huán)境濃度高于SPCECO時,表示生態(tài)系統(tǒng)的功能將遭到嚴重的破壞或者將有超過50%的水生物種受到威脅,需要實施有效的凈化措施;MPC是指能夠保護水生態(tài)系統(tǒng)中所有生物免受不利影響的濃度,當有害物質(zhì)的濃度超過MPC時,需要加強管理有害物質(zhì)的排放;NC是MPC除以一個安全因子(一般為100),表示某一濃度對生態(tài)系統(tǒng)所產(chǎn)生的效應可以忽略不計.RIVM(2001)對物質(zhì)生態(tài)毒性和理化數(shù)據(jù)的來源作了具體的規(guī)定,要求至少5種不同種類物種的毒性數(shù)據(jù),根據(jù)物種的生理學特征和生命周期判斷某一暴露測試屬于急性毒性還是慢性毒性(RIVM,2001).對某一物種有多個測試終點時,用幾何平均值;對不同生命階段,選擇最敏感測試終點或最敏感生命階段的毒性數(shù)據(jù)(RIVM,2001).推薦使用SSD法或AF法推導水生態(tài)基準,如果有不少于5個不同物種的毒性數(shù)據(jù)時,用正態(tài)分布擬合SSD曲線求得HCp(Hazardousconcentrationforp%ofspecies),利用50%的置信度推導MPCs和SRCECO.HC5被認為是最大污染濃度(MPC),可用來推導環(huán)境質(zhì)量標準(Environmentqualitystandard,EQS),NC=MPC/2;HC50被認為是生態(tài)系統(tǒng)嚴重風險濃度(SRCECO).當不同物種慢性毒性數(shù)據(jù)不足4個或者只有急性毒性數(shù)據(jù)的情況下,可通過“初步效應評價”的過程,利用評估因子法推導MPC和SRCECO,評估因子是根據(jù)所獲得的毒性數(shù)據(jù)的情況而確定,范圍在1~1000(RIVM,2001).2.4急性毒性基準其它國家如加拿大、澳大利亞等國分別制定了相應的水生態(tài)基準推導方法(CCME,1999;ANZECC&ARMCANZ,2000)用以保護本土水生生物及水生態(tài)系統(tǒng).加拿大1999年頒布的“保護淡水水生生物的指導綱領(lǐng)”考慮了水生態(tài)系統(tǒng)的所有組成部分,目的是保護所有水生生物的整個生命周期(CCME,1999).加拿大使用最低觀察效應濃度(Lowestobservedeffectconcentration,LOEC)和評估因子法推導水質(zhì)基準,在有效的LOEC值中選擇最小值,再除以安全因子10.當僅有急性毒性數(shù)據(jù)時,用LC50或EC50除以20(非持久性物質(zhì))或100(持久性物質(zhì))(CCME,1999)推導LOEC.澳大利亞和新西蘭于2000年頒布了“關(guān)于魚類和海洋水質(zhì)的指導文件”,其目的在于維持淡水、海洋生態(tài)系統(tǒng)的“生態(tài)完整性”(ANZECC&ARMCANZ,2000).標準文件中采用了高可靠性的觸發(fā)值(HighreliabilityTVs,HRTV)、中度可靠性觸發(fā)值(ModeratereliabilityTVs,MRTV)和低可靠性觸發(fā)值(LowreliabilityTVs,LRTV)分別對水生生物進行不同層次的保護.基準值主要通過SSD方法獲得,推導HRTV時需要至少3種以上物種的NOEC值,或者5種以上不同種類單一物種NOEC值;推導MRTV需要至少5種以上單一物種的急性毒性值;當毒性數(shù)據(jù)不足時,可以使用評估因子法推導觸發(fā)值(ANZECC&ARMCANZ,2000).3水生態(tài)系統(tǒng)的保護目標從保護目標來看,現(xiàn)有的水生態(tài)基準方法對保護哪種生態(tài)層次結(jié)構(gòu)的規(guī)定存在一定的差異.某些基準試圖通過對個體或物種的保護,從而實現(xiàn)保護整個生態(tài)系統(tǒng)的目的,如南非的水生態(tài)基準提出了通過對代表物種和關(guān)鍵物種的保護而達到“能夠可持續(xù)運行的健康的、平衡的水生態(tài)系統(tǒng)”(Rouxetal.,1996).但大部分水生態(tài)基準的保護目標是對水生態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)全面的保護,如加拿大頒布的“保護淡水水生生物的指導綱領(lǐng)”考慮了水生態(tài)系統(tǒng)的所有組成部分,并保護所有水生生物的整個生命周期(CCME,1999);英國的環(huán)境質(zhì)量標準(Environmentalqualitystandard,EQSs)以及荷蘭推導水生態(tài)基準的綱領(lǐng)中提出了保護水生態(tài)系統(tǒng)中所有的生物避免不利的影響(ECB,2003;RIVM,2001);澳大利亞和新西蘭的水生態(tài)基準其目的則在于維持整個淡水、海洋生態(tài)系統(tǒng)的“生態(tài)完整性”(ANZECC&ARMCANZ,2000).然而U.S.EPA則認為生態(tài)系統(tǒng)可以忍受一定的環(huán)境脅迫作用,沒有必要去始終保護所有的物種(U.S.EPA,1985).由于保護目標不同,其基準的推導和具體數(shù)值上存在著差異.因此,在制定我國水生態(tài)基準時,需要首先明確保護目標.各國對所需毒性數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量要求不同.歐盟依據(jù)“可靠性”和“相關(guān)性”的原則來評價數(shù)據(jù)的質(zhì)量(ECB,2003),英國、荷蘭、加拿大、澳大利亞和新西蘭采用類似原則,即依據(jù)“可靠性”和“相關(guān)性”(或者其中的一種)原則對數(shù)據(jù)的質(zhì)量進行評價和分級;U.S.EPA(1985)指出所用的數(shù)據(jù)必須來自已發(fā)表的文獻,或者其他手稿、便簽、信件(須注明日期、類型、編號等),報告中必須提供足夠的佐證資料來證明測試過程和結(jié)果的可靠性.對于毒性數(shù)據(jù)的數(shù)量,U.S.EPA(1985)要求8種以上不同物種的急性LC50值和慢性NOEC值;歐盟用8種不同類群生物的至少10個慢性NOEC值;OECD(1995)要求至少5種不同種類物種的慢性NOEC值;CCME(1999)要求至少6個物種,包括北美地區(qū)常見的水生生物物種;而ANZECC&ARMCANZ(2000)根據(jù)所推導觸發(fā)值的不同可靠性,需要的毒性數(shù)據(jù)量也不同.4水生態(tài)基準的基準值推導我國水生態(tài)基準研究工作基礎(chǔ)極為薄弱,地面水環(huán)境質(zhì)量國家標準主要是選自美國、日本、蘇聯(lián)、歐州及韓國的水質(zhì)標準限值(張彤和金洪鈞,1996).我國地域廣大,不同地區(qū)的水體無論從水質(zhì)上還是從水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征上都有著明顯的差異,因此依靠國外的標準數(shù)值,很難為我國不同水域的生物提供全面的保護.2002年修訂的中國《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)(國家環(huán)境保護總局,2002)目的是保護水資源的不同使用功能(夏青等,2004).標準中涉及到的有毒有機污染物,主要針對集中式生活飲用水地表水源地,且絕大多數(shù)是套用我國《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》(中華人民共和國衛(wèi)生部,2001)中的標準值.因此,我國尚沒有針對保護水生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性的生態(tài)標準體系.我國地域遼闊,主要流域的水文水質(zhì)特征和生物多樣性差異顯著,從維系中國水生態(tài)系統(tǒng)健康的長遠利益來看,根據(jù)我國不同流域水體水質(zhì)特性與水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征,分區(qū)制定水生態(tài)標準十分必要.可以借鑒美國制定水生態(tài)基準的模式,即采用CMC和CCC這兩套數(shù)值系統(tǒng)的方法來建立我國的水生態(tài)標準體系.這套標準中包括短期水質(zhì)基準和長期水質(zhì)基準:短期水質(zhì)基準值適用于偶發(fā)的環(huán)境污染事故(如松花江硝基苯污染事件等),通?？梢圆捎眉毙远拘詳?shù)據(jù);長期水質(zhì)基準是指有毒污染物長期持續(xù)暴露不會對水生生物產(chǎn)生顯著影響的最高濃度,主要采用慢性毒性數(shù)據(jù).短期水質(zhì)基準值可規(guī)定為3小時平均值,這一持續(xù)時間是基于“高濃度有毒污染物引起致死效應的時間為1~3小時”(U.S.EPA,1985);超標發(fā)生頻率每3年不超過1次,是考慮生態(tài)系統(tǒng)在經(jīng)歷1次突發(fā)污染事故后,在3年內(nèi)可以恢復其功能.長期水質(zhì)基準可規(guī)定為4日平均值,超標發(fā)生頻率每3年不超過1次.導致慢性中毒的主要是重金屬和疏水性有機污染物.對疏水性有機污染物,可以采用被動采樣技術(shù)來實現(xiàn)多日平均濃度的測量.通過對國外水生態(tài)基準推導方法學以及基準推導過程的比較,建議我國在推導水生態(tài)基準時可按照圖1所示的基準推導流程,包括目標污染物的篩選、毒性數(shù)據(jù)的篩選和取值方法以及得出基準值的推導方法等.目前世界上人類生活所接觸的化學品有幾十萬種,且每年都以驚人的速度遞增,因此需要明確針對哪些目標污染物制定相應的水生態(tài)基準.我們建議在篩選目標污染物時考慮以下原則:1)我國國內(nèi)生產(chǎn)或使用,且在水環(huán)境中普遍存在的污染化學品;2)有一定的毒害作用,符合BPT原則的污染物質(zhì)應該優(yōu)先考慮;3)建立一套篩選生態(tài)系統(tǒng)有潛在風險污染物的程序方法(王東紅等,2007),例如,采用商值法(Riskquotients,RQ)對風險污染物進行初步篩選,初篩中可以直接利用國內(nèi)外已有的毒性數(shù)據(jù),或采用QSAR等方法獲得預測毒性數(shù)據(jù),初篩出風險商大于1的有毒污染物(喬敏等,2007).推導科學合理的基準依賴于有足夠數(shù)量和質(zhì)量的數(shù)據(jù),包括基本理化數(shù)據(jù)、不同生物類群的生態(tài)毒性數(shù)據(jù)以及目標污染物在中國水環(huán)境中分布數(shù)據(jù)等.這些數(shù)據(jù)主要通過對現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫和文獻的搜索.用于生態(tài)風險評估的毒性數(shù)據(jù)篩選一般遵循以下3個原則:精確性、適當性、可靠性(Klimischetal.,1997;Caldwelletal.,2008;雷炳莉等,2009a).精確性主要是考慮數(shù)據(jù)的使用,對某一個測試終點當有多個測試數(shù)據(jù)時,要選擇對效應和終點描述的最精確和恰當?shù)臄?shù)據(jù);當有多個可靠毒性數(shù)據(jù)可用時,一般選用平均值(Parkhurst,1998;Scheringeretal.,2002).目前,我國可用于建立水生態(tài)基準的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)十分匱乏,涉及我國特定物種的毒性數(shù)據(jù)基本是空白的.當毒性數(shù)據(jù)很少時(n≤3),推導的基準存在較大的不確定性(AldenbergandLuttik,2002),實際應用價值較低.Wheeler等(2002)詳細地分析了數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量以及模型的選擇對SSDs統(tǒng)計結(jié)果的影響,指出對某一特殊試驗終點(如:HC5,化合物的濃度對5%的物種存在潛在危害)可靠的評估需要10個以上的毒性數(shù)據(jù).另外有研究認為5個不同物種的毒性數(shù)據(jù)足可以使用SSDs方法推導出基準,而最為理想的是能有7個不同物種的毒性數(shù)據(jù)(VanStraalenandDenneman,1989).Newman等(2000)提出使用非參數(shù)法(Bootstrapping)進行SSDs的擬合與HC5的計算時,需要的樣本數(shù)量為15~55.但考慮到生態(tài)毒性數(shù)據(jù)的普遍缺乏,目前這種非參數(shù)法并沒有用于基準的推導.充分利用現(xiàn)有的少量毒性數(shù)據(jù)推導出較合理的水生態(tài)基準值,需要采用合理的基準計算方法.通常,當毒性數(shù)據(jù)充足的條件下使用物種敏感分布曲線法;當毒性數(shù)據(jù)不足時使用評估因子法.評估因子的不確定性很大,因此僅僅是保護環(huán)境的一種手段,由其得出的值可能會對環(huán)境造成“過保護”或保護不足(Scheringeretal.,2002),因此在生態(tài)風險評價中它只能用于低層次的篩選.物種敏感度分布曲線已經(jīng)在概率生態(tài)風險評價和水生態(tài)基準或標準的制定過程中起到了非常重要的支持作用(AldenbergandSlob,1993;AldenbergandJaworska,2000;Newmanetal.,2000;Wheeleretal.,2002;雷炳莉等,2009a;喬敏等,2007),是未來一段時間制定水生態(tài)基準的主要方法.此外,利用生態(tài)毒理模型獲得的水生態(tài)基準反映了污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和食物鏈過程,因此更符合區(qū)域水生態(tài)基準的制定要求(DillonMebane,2002;Naitoetal.,2003;Parketal.,2008;Leietal.,2008;雷炳莉等,2009b).目前,全面制定我國水生態(tài)基準需要解決以下關(guān)鍵問題:1)長期以來我國針對有毒物質(zhì)的研究大多跟蹤發(fā)達國家,對有機氯、有機磷農(nóng)藥、多環(huán)芳烴等持久性有機污染物的研究數(shù)據(jù)較多,而針對我國優(yōu)先控制污染物的研究則較少.根據(jù)發(fā)達國家的經(jīng)驗,我們應該首先關(guān)注那些在我國量大、面廣、具有環(huán)境持久性、富集性和毒性的化學污染物.2)我國現(xiàn)有的標準方法中只有發(fā)光菌、大型溞、斑馬魚、柵藻的急性毒性測試方法,距離建立水生態(tài)基準尤其是長期基準所需要的方法標準有相當距離,需要逐步建立起標準化的測試體系.按照發(fā)達國家的經(jīng)驗,任何一種標準化的測試方法需要從大量備選方法中篩選,并經(jīng)過質(zhì)量認證和大量應用性檢驗,以保證方法能夠獲得具有代表性的毒性數(shù)據(jù).3)制定我國水生態(tài)基準的目標之一是保護我國珍稀物種,目前最大困難是缺少能夠代表我國水生態(tài)特點的模式生物物種.建立一個模式生物需要充分的生物學背景資料,遺傳性狀穩(wěn)定的批量繁殖和養(yǎng)