建立水体沉积物重金属质量基准的方法研究进展

2003年7月内蒙古大学学报(自然科学版)Jul.2003第34卷第4期A cta Scientiarum N aturalium U niversitatis N ei M ongo l V o l.34N o.4

文章编号:1000-1638(2003)0420472206

建立水体沉积物重金属质量基准的方法研究进展①

王立新1,陈静生2

(1.内蒙古大学生态与环境科学系,呼和浩特010021;

2.北京大学城市与环境学系,北京100871)

摘要:利用20世纪90年代以来加拿大、美国佛罗里达、澳大利亚、新西兰、英国、荷兰及中国

香港等国家和地区水体沉积物质量基准研究的最新资料,综述了建立水体沉积物重金属质量

基准的方法研究新进展,重点介绍了目前国际上广泛采用的用于制定沉积物质量基准的两种

方法—基于生物效应数据库的响应型阈值法(生物效应数据库法)和基于分配模型的相平衡分

配法.

关键词:沉积物质量基准;重金属;生物效应数据库法;相平衡分配法;方法

中图分类号:X142 文献标识码:A

大量研究表明,水体沉积物既是微量污染物(如重金属和持久性有毒有机物)的汇,又可能是对水质具有潜在影响的次生污染源,而目前各国的水质基准只关注上覆水(w ater co lum n)的水质评价和管理,却忽视了水体沉积物对水质的重要影响〔1〕.为了有效保护水环境质量和水生态系统健康,需要建立与水质基准相应的水体沉积物的质量基准(Sedi m en t Q uality C riteria Gu ideline,SQ C或SQ G),包括重金属质量基准和有机物质量基准〔2〕.但由于沉积物中污染物化学行为和生物效应的复杂性,对沉积物质量基准的研究直到80年代中后期才开始取得有意义的进展,目前正成为水环境管理、水环境化学和生态毒理学研究的热点问题之一.尤其近10多年来,随着沉积物中重金属污染问题的日益严重,以及底泥疏浚工作的需要,在研究和制定沉积物质量基准方面取得了长足的进展,部分国家和地区都已经或正在制定适合本国或本地区的重金属SQ C.

与国际上相比,我国在此领域尚无系统研究工作.国内学者曾分别从不同角度撰文介绍国际上对此问题的研究进展〔3,4〕.中科院生态环境中心结合鄱阳湖水系乐安江河沉积物质量评价工作,探讨了应用平衡分配法建立河流沉积物重金属质量基准的问题〔5〕.黄河水源保护研究所的张曙光等结合鱼体实验应用平衡分配法研究了黄河部分河段沉积物重金属质量基准的建立问题〔6〕.陈静生亦曾以北京和唐山的实际土壤为例,研究了建立以保护地下水为目标的土壤重金属质量基准的理论和方法〔7〕.但从总体上来说,我国在此领域的研究工作十分薄弱,急待对这一问题开展研究.

目前制定SQ C的方法很多,如:背景值法、水质参数法、相平衡分配法、整体沉积物毒性法、间隙水法、生物组织残余法、生物检测法、水平筛选法、表观效应阈值法、生物效应数据库法和沉积物质量三合一法等〔8〕.但对各国用于制定重金属SQ C的方法总结起来,只有两种制定方法占据着主导地位:一种是经验的方法,即基于生物效应数据库的响应型阈值法(生物效应数据库法);另一种是基于平衡分配模型的相平衡分配法〔9〕.其中,加拿大、美国佛罗里达、澳大利亚、新西兰和中国香港等国家和地区重金属SQ C的制定主要利用生物效应数据库法,而荷兰和英国等则利用平衡分配法.所以本文作者在查阅国内外最新资料的基础上,对建立水体沉积物重金属质量基准的方法研究进展情况作一综

①收稿日期:2001211209

基金项目:国家自然科学基金(49971018);内蒙古大学青年基金(ND0109)

作者简介:王立新(1975～),男,内蒙古赤峰人,硕士,讲师.

述,重点是介绍当前国际上流行的两种制定重金属SQ C 的方法—基于生物效应数据库的生物效应数据库法和基于分配模型的相平衡分配法.

1　生物效应数据库法制定重金属SQ C 研究新进展

生物效应数据库法是目前国际上最被广泛接受的制定重金属SQ C 的方法〔10〕.1990年美国国家海洋与大气局开展国家状况与发展趋势课题(the N ati onal Statu s and T rends P rogram ,N ST P )研究,作为该课题的一部分成果,L ong 和M o rgan 首先提出了基于生物效应数据库的响应型阈值法,亦称N ST P 法〔11〕.该方法通过整理和分析大量的水体沉积物重金属含量及其生物效应数据,以确定沉积物中引起生物毒性与其它负面生物效应的重金属浓度阈值.该方法假定,随着沉积物中重金属浓度的升高,其潜在生物毒性也在升高〔12〕.目前加拿大〔13〕、美国佛罗里达〔14〕、澳大利亚和新西兰〔15〕、中国香港〔8〕等国家和地区分别制定了淡水和(或)海水中重金属的沉积物临时质量基准(in teri m sedi m en t quality gu idelines ,ISQ G ).

应用生物效应数据库法建立水体沉积物重金属质量基准的基本步骤如图1.

其具体步骤包括:沉积物生物效应数据库(the B i o logical Effects D atabase fo r Sedi m en ts ,B ED S )的建立;水体重金属SQ C 的建立,即确定可能产生效应阈值(T h resho ld Effect L evel ,T EL )和必然产生效应阈值(P robab le Effect L evel ,PEL )(T EL 和PEL 均指表层沉积物中某种重金属的总浓度,并以干重形式表达(m g kg ).如果沉积物中某一重金属浓度低于其T EL 值,意味着负面生物效应几乎不会发生;高于其PEL 值,意味着负面生物效应经常发生;如介于两者之间,则意味着负面生物效应偶尔发生.);最后对T EL 和PEL 值进行可比性、可靠性和可预测性检验.本文作者曾作为方法学探讨的角度,应用该方法初步建立了锦州湾沉积物重金属质量基准〔16〕.所以,利用该方法建立水体重金属质量基准的具体步骤在此不再赘述.本文着重介绍一下应用该方法所制定的重金属质量基准在中国香港底泥疏浚中的应用.

在香港,由于大规模底泥疏浚和泥沙倾废工程的开展、圈定的倾废区设备供应日益昂贵以及倾废空间的限制,这就需要管理部门制定沉积物质量基准以对污染沉积物的危害程度进行分类,从而决定采用最佳途径进行处理〔17〕.为此,香港特别行政区市政工程署委托加拿大EV S 环境咨询委员会利用生物效应数据库法建立了包括8种重金属及类金属A s 的临时沉积物质量值(In teri m Sedi m en t Q uality V alues ,ISQV )(包括临时沉积物质量值低值(ISQV 2low )和临时沉积物质量值高值(ISQV 2

h igh ))〔9〕.同时,EV S 还应用这些制定的ISQV 值为香港底泥疏浚物质的管理提供了一种分步检测系统(图2)〔18〕.该系统主要包括:收集现有数据,分析沉积物是否受污染.如果没有受污染,即可以将疏浚沉积物直接向公海倾倒;如果已受污染,则进行“化学筛选”和“生物筛选”,从而将疏浚沉积物依污染程度分为三类,针对不同类的沉积物采用不同的方法来处理.此外,香港初步的水体沉积物质量基准不仅仅用于沉积物的疏浚管理,还应用于确定沉积物重金属污染区域和程度以及鉴别特定区域的重金属污染物种类〔19〕.

2　相平衡分配法制定重金属SQ C 研究新进展

建立沉积物质量基准的相平衡分配法是由美国环保局(U SEPA )于1985年提出的.此后,荷兰和英国环境管理部门分别利用该方法建立了水体沉积物重金属质量基准〔20,21〕.该方法基于3个经验依据之上:1)化学物质在沉积物和间隙水相间的交换快速而可逆,处于热力学的平衡,因而可用分配系数KP 描述这种平衡;2)沉积物中化学物质的生物有效性与间隙水中该物质的游离态浓度呈良好的相关性,而与总浓度无关;3)底栖生物和上覆水生物对化学物质具有相近的敏感性,因而可以将已有的水质基准(W ater Q uality C riteria ,W Q C )应用于沉积物质量基准的建立〔22〕.因此,当与沉积物处于平衡的水相中的化学物质浓度达到水质基准时,此时沉积物中化学物质的浓度可视为该物质在沉积物中的质量基准,即:

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