五氯酚群落水平水生态风险评价和健康风险评价研究
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第20卷 第2期
口岸卫生控制
实验研究
五氯酚群落水平水生态 风险评价和健康风险评价研究
佟玉洁 聂 云 天津职业大学( 天津,300410) 丁 侃 中海油实验中心渤海实验中心( 天津,300452)
摘要 本研究通过案例提出群落水平水生态风险评价方法,以初步筛选出对环境有高风险的污染 物。首先依据逸度模型预测出五氯酚在水体的浓度为0. 092μg / L,选择代表食物链关系的多物种以 表示群落水平的生物效应,包括: 初级生产者( 藻类) 、初级消费者( 浮游动物) 和捕食者( 鱼) ,应用 欧盟评价因子风险评价方法计算风险商值为1. 642,表明五氯酚对水生生态系统的风险值为高风 险。流行病学资料表明五氯酚对人体正常的内分泌功能有着一定的影响,应用健康风险度法评价五 氯酚对人群的健康风险,人群超额危风险度分别为2. 30 × 10 - 7 / a,此风险是可接受的。 关键词 生态风险评价 健康风险评价 水生生态系统 五氯酚 中图分类号 R759. 1 文献标识码 B doi 10. 3969 / j. issn. 1008 - 5777. 2015. 02. 009
沉积物中的水
子相
子相3 气溶胶颗粒物
悬浮颗粒物 颗粒物
固体颗粒物
子相4 无 鱼
水果蔬菜谷物 无
1. 2. 2 剂量效应分析
物种包括: 初级生产者( 藻类) 、初级消费者( 浮游动
仅用单种生物的毒性试验来评价化学品对水环 物) 和捕食者( 鱼) [9]。五氯酚对水生生物代表物种
境的风险是不足够的,所选择的物种需代表水生态 系统的食物链关系,以在群落水平的生物效应。这些
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第20卷 第2期
佟玉洁,等. 五氯酚群落水平水生态风险评价和健康风险评价研究
依据建立 的 逸 度 模 型,计 算 出 五 氯 酚 在 大 气、 水、土壤和沉积物的平衡浓度分别为: 0. 0075 纳克 / 升( ng / L) 、0. 092 微克 / 升( μg / L) 、25. 30 微克 / 千克 ( μg / kg) 、25. 30微克 / 千克( μg / kg) 。结果表明五氯 酚绝大部分存在于土壤和沉积物中( 其在土壤和沉 积物的质量百分比97. 7% ) ,污染物在水环境的浓 度( EEC) 为0. 092微克 / 升( μg / L) 。 1. 3. 2 风险表征
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口岸卫生控制
第20卷 第2期
多种模型被应用于生态风险评价,评价对象多 放量为200. 5摩尔 / 小时( mol / h) 。
为有机污染物、农药和重金属。暴露评价模型较多, 1. 2. 1 暴露评价
效应模型较少,而且效应模型中主要是个体和种群 水平,群落水平和生态水平的模型较少[7]。水生态模
依据上述生态风险评价中逸度模型预测结果, 五氯酚在大 气、水、土 壤 和 沉 积 物 的 平 衡 浓 度 分 别 为: 0. 0075 ng / l、0. 092μg / l、25. 30μg / kg、25. 30μg / kg。五氯酚绝大部分存在于土壤和沉积物中,污染区 人体对五氯酚的暴露主要是通过食物和饮水。
采用人群终生超额风险度和人群年超额风险度
表征健康风险。超额风险度( R) 即致癌危险度( 人一
生中得癌的超额危险度) ,指暴露的某一段时间( 一
般是指一生) 由评价因子致癌的概率。人群年均超
额风险 度 ( R ( py ) ) 表 示 人 群 在 一 年 中 致 癌 的 概 率[19]。
R = LADD·10 - 6 RfD
应用逸度模型Ⅲ,假定所有反应为一级过程,包 括: 相内反应、相间的扩散迁移和平流迁移,并且假
型按模拟对象分为: 水动力模型、水质模型、生态模 定物质在相间处于非平衡状态。将所研究对象环境
型、水质 - 生态 - 水动力耦合模型,按空间模拟能力 系统分为气相( 1) 、水相( 2) 、土壤相( 3) 和沉积物相
五氯酚( Pentachlorophenol,PCP) 通常被用作杀 虫剂、除草剂,及防腐剂、杀菌消毒剂等,同时是一种 重要的化工原料。《有毒化学品的健康与安全指南》 中将其列为剧毒品,美国环保局将五氯酚列为潜在 致癌物和优先检测污染物,也是我国的优先控制污 染物。自二十世纪八十年代起,五氯酚在世界范围开 始被禁止生产和使用,但是现在依然存在五氯酚引 起的环境污染问题。五氯酚作为农药和杀虫剂,曾在 我国大量使用。另外,也有来源于油漆业和皮革业的 工业废水五氯酚进入环境。五氯酚在我国水体和沉 积物( 如太湖[1]、海河和渤海湾[2]) 中的含量有所不 同。国内关于五氯酚的研究大多集中在其毒性作用、 监测和人体接触量研究,还没有五氯酚生态风险评 价的实例。
本研究首先综述了生态风险评价的标准和模型, 再通过案例在群落水平进行水生态风险评价。旨在探 讨一简易的初级生态风险评价方法,以初步筛选出对 环境有高风险的污染物,为建立符合我国水生态系统 特征的风险评价方法提供基础。并进一步进行五氯酚 健康风险评价,使生态风险评价有了新的发展。 1 五氯酚水生态风险评价
LC50 / EC50 EC50 = 56μg / L[10] EC50 = 5440μg / L ( 6d) [11] LC50 = 245μg / L ( 48h) [12] LC50 = 337μg / L ( 48h) [10] LC50 = 210μg / L ( 48h) [13]
1. 2. 3 风险表征方法
作为初级生态风险评价,风险商( risk quotient,
RQ) 法是表征生态风险程度的最常用方法。RQ 为
污染物 环 境 暴 露 浓 度 ( EEC) 与 预 测 无 效 应 浓 度
( PNEC) 的比值( 公式1) 。若 RQ≥1,表明污染物对
水生生物具有高生态风险; 若 RQ < 1,表明其对水 生生物具有低生态风险[14]。风险商值计算公式为:
进行分类: 零维模型、一维模型、二维模型和三维模 ( 4) 四个环境主相。各主相的子相组成如表1 所示。
型。国外模拟水生态模型的软件主要有: AQUATOX、 污染物输入方式为点源排放,输出方式有5 种: ①沿
PAMOLARE、CAEDYM、WASP、OOMAS[8]。
河道排出; ②大气平流扩散; ③PCP 在水相、土壤相
( 2)
R( risk) : 人群终生超额风险度
LADD( lifetime average daily dose) : 人群终生日
均暴露量,mg / kg·day
RfD( reference dose) : 参考剂量,即最高日摄入
量( ADI,allowable daily intake?) ,μg / kg·d 10 - 6 : 可接受风险,与参考剂量对应的风险水
RQ
=
EEC PNEC
( 1)
RQ: 风险商值
EEC: 污染物 环 境 暴 露 浓 度,为 预 测 环 境 浓 度
( PEC) 或测定环境浓度( MEC) ,μg / L
PNEC: 预测无效应浓度,μg / L
该评价采用的欧盟风险评价技术指南评价因子 法,预测无效应浓( PNEC) 的推导方法与环境污染 物的毒性数据有关。预测无效应浓度( predicted no effect concentration,PNEC) ,是污染物对环境中的生 物无影响的浓度阈值。欧盟风险评价Байду номын сангаас术指南采用 评价因子( assessment factor,AF) 法推导 PNEC,它 等于最低的 LC50 / EC50 或 无 观 察 效 应 浓 度 ( NOEC, no observed effect concentration) 除以 AF。AF 与选择 的生物种类有关,如果依据代表3个营养级( 藻、溞、 鱼) 的至少1 种生物的急性毒性数据 L( E) C50 ,评 价因子取1 000[14]。 1. 3 评价结果 1. 3. 1 暴露浓度预测结果
健康风险评价最初被应用于环境辐射标准。七 十年代,随着人类对致癌物质的不断重视,它被广泛 应用于有毒 化 学 品 的 风 险 评 价。《可 疑 致 癌 物 风 险 评价准则》( 1976,USEPA 美国国家环保局) 提出了 致癌风险评价方法。《风险评价的研究报告》( 1983, NAS 美国国家科学院) 中风险评价的程序包括: 危 害鉴定、剂量反应评估、接触评估、风险评定四个阶 段,即健 康 危 险 度 评 价 方 法 ( Health Risk Assessment,HRA) 。目前国内多采用该方法进行饮用水中 污染物的 健 康 风 险 评 价。如 李 本 云 等 某 水 库 重 金 属[15]、杨金锁等 青 岛 市 水 源 地[16]、王 秋 莲 等 天 津 市 水源地[17]、刘新 等 中 国 饮 用 水 中 多 环 芳 烃[18]。目 前 还没有将污染物的健康风险评价与生态风险评价结 合,系统、全面地评价污染物的风险。本研究在上述 五氯酚水环境生态风险评价的基础上,借用其暴露 评价的预测结果,进一步进行人群的健康风险评价。 2. 1 评价方法
的毒性数据来自相关文献 ( 表2 ) 。LC50 和 EC50 分别 为半致死浓度和半效应浓度。
表2 五氯酚对水生生物代表物种的毒性数据
种类 浮游植物
浮游动物
鱼类
试验生物 栅藻 Scelenastrum sprinosus 蛋白核小球藻 Chlorella yrenoidosa 大型溞 Daphnia magna 长臂轮虫 Tisbe longicornis 鲤科金鱼 Carassias auratus
依据欧盟农药生态风险评价指南,选择代表三 层营养级食物链关系的水生生物中,毒性数据最低 的半效应浓度( 栅藻的 EC50 = 56μg / L) 。用半效应浓 度除 以 评 价 因 子 ( 1 000 ) 得 到 预 测 无 效 应 浓 度 ( PNEC ) 为 0. 056μg / L。依 据 公 式 ( 1 ) : 环 境 浓 度 ( EEC) 为0. 092μg / L,则风险值 RQ 为1. 642 > 1。依 据该指南,表明五氯酚对水生态系统具有高风险。如 依据美国农药风险评价标准,RQ > 0. 5时,表明污染 物为急性高风险,表明应限制五氯酚的使用、加强风 险管理。 2 五氯酚健康风险评价
1. 2 研究方法
和沉积物相的生物降解; ④生物富集包括鱼、植物和
被评价区域面积为天津市污灌区45. 3 平方公 蔬菜; ⑤PCP 在水相的光降解。
里,依据生产厂家资料,有一点源排放的污染源,排
表1 各主相的子相组成
主相
1,气相 2,水相 3,土壤相 4,沉积物相
子相1 空气
无 无 无
子相2 无 水 水
美国环保局( USEPA) 于1992 年提出了生态风 险评价框架,其后,于1998 年 提 出《生 态 风 险 评 价 技 术指南》( 63FR26845 - 269241998) 。另外,规定了包 括农药对水生生物、陆生生物以及地表水地下水的 农药风险评价技术[4]。2003 年欧盟颁布了现有物质、 新物质和生物农药的人体和环境风险评价技术指 南。这些风险评价技术在世界范围得到了广泛应用。 2013年,欧盟食品安全局( EFSA) 发布《关于农药水 生生物风险 评 估 的 指 南 》,该 指 南 的 主 要 目 的 是 在 种群水平保 护 水 生 生 物[5]。我 国 目 前 没 有 生 态 风 险 评价标准,现行的水体和沉积物环境质量标准多是 参照发达国家的数据,并不适合我国的环境状况。如 赵建亮建立生态风险评价的方法体系以评价水体和 沉积物中的污染物[6]。
生态风险评价( Ecological Risk Assessment,ERA)
始于美国二 十 世 纪 七 十 年 代,它 是 涉 及 化 学、生 态 学、化学、毒理学、数学等理论科学和计算机应用技 术的综合研究领域。在 USEPA1992a 中定义为: “研 究一种或多种压力形成的、或可能形成的不利生态 效应的可能性的过程。”[3]生态风险评价预测污染物 对生态系统的有害影响,其程序包括: 问题形成、暴 露评价、危害评价、风险表征。 1. 1 水生态风险评价标准和模型
口岸卫生控制
实验研究
五氯酚群落水平水生态 风险评价和健康风险评价研究
佟玉洁 聂 云 天津职业大学( 天津,300410) 丁 侃 中海油实验中心渤海实验中心( 天津,300452)
摘要 本研究通过案例提出群落水平水生态风险评价方法,以初步筛选出对环境有高风险的污染 物。首先依据逸度模型预测出五氯酚在水体的浓度为0. 092μg / L,选择代表食物链关系的多物种以 表示群落水平的生物效应,包括: 初级生产者( 藻类) 、初级消费者( 浮游动物) 和捕食者( 鱼) ,应用 欧盟评价因子风险评价方法计算风险商值为1. 642,表明五氯酚对水生生态系统的风险值为高风 险。流行病学资料表明五氯酚对人体正常的内分泌功能有着一定的影响,应用健康风险度法评价五 氯酚对人群的健康风险,人群超额危风险度分别为2. 30 × 10 - 7 / a,此风险是可接受的。 关键词 生态风险评价 健康风险评价 水生生态系统 五氯酚 中图分类号 R759. 1 文献标识码 B doi 10. 3969 / j. issn. 1008 - 5777. 2015. 02. 009
沉积物中的水
子相
子相3 气溶胶颗粒物
悬浮颗粒物 颗粒物
固体颗粒物
子相4 无 鱼
水果蔬菜谷物 无
1. 2. 2 剂量效应分析
物种包括: 初级生产者( 藻类) 、初级消费者( 浮游动
仅用单种生物的毒性试验来评价化学品对水环 物) 和捕食者( 鱼) [9]。五氯酚对水生生物代表物种
境的风险是不足够的,所选择的物种需代表水生态 系统的食物链关系,以在群落水平的生物效应。这些
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第20卷 第2期
佟玉洁,等. 五氯酚群落水平水生态风险评价和健康风险评价研究
依据建立 的 逸 度 模 型,计 算 出 五 氯 酚 在 大 气、 水、土壤和沉积物的平衡浓度分别为: 0. 0075 纳克 / 升( ng / L) 、0. 092 微克 / 升( μg / L) 、25. 30 微克 / 千克 ( μg / kg) 、25. 30微克 / 千克( μg / kg) 。结果表明五氯 酚绝大部分存在于土壤和沉积物中( 其在土壤和沉 积物的质量百分比97. 7% ) ,污染物在水环境的浓 度( EEC) 为0. 092微克 / 升( μg / L) 。 1. 3. 2 风险表征
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口岸卫生控制
第20卷 第2期
多种模型被应用于生态风险评价,评价对象多 放量为200. 5摩尔 / 小时( mol / h) 。
为有机污染物、农药和重金属。暴露评价模型较多, 1. 2. 1 暴露评价
效应模型较少,而且效应模型中主要是个体和种群 水平,群落水平和生态水平的模型较少[7]。水生态模
依据上述生态风险评价中逸度模型预测结果, 五氯酚在大 气、水、土 壤 和 沉 积 物 的 平 衡 浓 度 分 别 为: 0. 0075 ng / l、0. 092μg / l、25. 30μg / kg、25. 30μg / kg。五氯酚绝大部分存在于土壤和沉积物中,污染区 人体对五氯酚的暴露主要是通过食物和饮水。
采用人群终生超额风险度和人群年超额风险度
表征健康风险。超额风险度( R) 即致癌危险度( 人一
生中得癌的超额危险度) ,指暴露的某一段时间( 一
般是指一生) 由评价因子致癌的概率。人群年均超
额风险 度 ( R ( py ) ) 表 示 人 群 在 一 年 中 致 癌 的 概 率[19]。
R = LADD·10 - 6 RfD
应用逸度模型Ⅲ,假定所有反应为一级过程,包 括: 相内反应、相间的扩散迁移和平流迁移,并且假
型按模拟对象分为: 水动力模型、水质模型、生态模 定物质在相间处于非平衡状态。将所研究对象环境
型、水质 - 生态 - 水动力耦合模型,按空间模拟能力 系统分为气相( 1) 、水相( 2) 、土壤相( 3) 和沉积物相
五氯酚( Pentachlorophenol,PCP) 通常被用作杀 虫剂、除草剂,及防腐剂、杀菌消毒剂等,同时是一种 重要的化工原料。《有毒化学品的健康与安全指南》 中将其列为剧毒品,美国环保局将五氯酚列为潜在 致癌物和优先检测污染物,也是我国的优先控制污 染物。自二十世纪八十年代起,五氯酚在世界范围开 始被禁止生产和使用,但是现在依然存在五氯酚引 起的环境污染问题。五氯酚作为农药和杀虫剂,曾在 我国大量使用。另外,也有来源于油漆业和皮革业的 工业废水五氯酚进入环境。五氯酚在我国水体和沉 积物( 如太湖[1]、海河和渤海湾[2]) 中的含量有所不 同。国内关于五氯酚的研究大多集中在其毒性作用、 监测和人体接触量研究,还没有五氯酚生态风险评 价的实例。
本研究首先综述了生态风险评价的标准和模型, 再通过案例在群落水平进行水生态风险评价。旨在探 讨一简易的初级生态风险评价方法,以初步筛选出对 环境有高风险的污染物,为建立符合我国水生态系统 特征的风险评价方法提供基础。并进一步进行五氯酚 健康风险评价,使生态风险评价有了新的发展。 1 五氯酚水生态风险评价
LC50 / EC50 EC50 = 56μg / L[10] EC50 = 5440μg / L ( 6d) [11] LC50 = 245μg / L ( 48h) [12] LC50 = 337μg / L ( 48h) [10] LC50 = 210μg / L ( 48h) [13]
1. 2. 3 风险表征方法
作为初级生态风险评价,风险商( risk quotient,
RQ) 法是表征生态风险程度的最常用方法。RQ 为
污染物 环 境 暴 露 浓 度 ( EEC) 与 预 测 无 效 应 浓 度
( PNEC) 的比值( 公式1) 。若 RQ≥1,表明污染物对
水生生物具有高生态风险; 若 RQ < 1,表明其对水 生生物具有低生态风险[14]。风险商值计算公式为:
进行分类: 零维模型、一维模型、二维模型和三维模 ( 4) 四个环境主相。各主相的子相组成如表1 所示。
型。国外模拟水生态模型的软件主要有: AQUATOX、 污染物输入方式为点源排放,输出方式有5 种: ①沿
PAMOLARE、CAEDYM、WASP、OOMAS[8]。
河道排出; ②大气平流扩散; ③PCP 在水相、土壤相
( 2)
R( risk) : 人群终生超额风险度
LADD( lifetime average daily dose) : 人群终生日
均暴露量,mg / kg·day
RfD( reference dose) : 参考剂量,即最高日摄入
量( ADI,allowable daily intake?) ,μg / kg·d 10 - 6 : 可接受风险,与参考剂量对应的风险水
RQ
=
EEC PNEC
( 1)
RQ: 风险商值
EEC: 污染物 环 境 暴 露 浓 度,为 预 测 环 境 浓 度
( PEC) 或测定环境浓度( MEC) ,μg / L
PNEC: 预测无效应浓度,μg / L
该评价采用的欧盟风险评价技术指南评价因子 法,预测无效应浓( PNEC) 的推导方法与环境污染 物的毒性数据有关。预测无效应浓度( predicted no effect concentration,PNEC) ,是污染物对环境中的生 物无影响的浓度阈值。欧盟风险评价Байду номын сангаас术指南采用 评价因子( assessment factor,AF) 法推导 PNEC,它 等于最低的 LC50 / EC50 或 无 观 察 效 应 浓 度 ( NOEC, no observed effect concentration) 除以 AF。AF 与选择 的生物种类有关,如果依据代表3个营养级( 藻、溞、 鱼) 的至少1 种生物的急性毒性数据 L( E) C50 ,评 价因子取1 000[14]。 1. 3 评价结果 1. 3. 1 暴露浓度预测结果
健康风险评价最初被应用于环境辐射标准。七 十年代,随着人类对致癌物质的不断重视,它被广泛 应用于有毒 化 学 品 的 风 险 评 价。《可 疑 致 癌 物 风 险 评价准则》( 1976,USEPA 美国国家环保局) 提出了 致癌风险评价方法。《风险评价的研究报告》( 1983, NAS 美国国家科学院) 中风险评价的程序包括: 危 害鉴定、剂量反应评估、接触评估、风险评定四个阶 段,即健 康 危 险 度 评 价 方 法 ( Health Risk Assessment,HRA) 。目前国内多采用该方法进行饮用水中 污染物的 健 康 风 险 评 价。如 李 本 云 等 某 水 库 重 金 属[15]、杨金锁等 青 岛 市 水 源 地[16]、王 秋 莲 等 天 津 市 水源地[17]、刘新 等 中 国 饮 用 水 中 多 环 芳 烃[18]。目 前 还没有将污染物的健康风险评价与生态风险评价结 合,系统、全面地评价污染物的风险。本研究在上述 五氯酚水环境生态风险评价的基础上,借用其暴露 评价的预测结果,进一步进行人群的健康风险评价。 2. 1 评价方法
的毒性数据来自相关文献 ( 表2 ) 。LC50 和 EC50 分别 为半致死浓度和半效应浓度。
表2 五氯酚对水生生物代表物种的毒性数据
种类 浮游植物
浮游动物
鱼类
试验生物 栅藻 Scelenastrum sprinosus 蛋白核小球藻 Chlorella yrenoidosa 大型溞 Daphnia magna 长臂轮虫 Tisbe longicornis 鲤科金鱼 Carassias auratus
依据欧盟农药生态风险评价指南,选择代表三 层营养级食物链关系的水生生物中,毒性数据最低 的半效应浓度( 栅藻的 EC50 = 56μg / L) 。用半效应浓 度除 以 评 价 因 子 ( 1 000 ) 得 到 预 测 无 效 应 浓 度 ( PNEC ) 为 0. 056μg / L。依 据 公 式 ( 1 ) : 环 境 浓 度 ( EEC) 为0. 092μg / L,则风险值 RQ 为1. 642 > 1。依 据该指南,表明五氯酚对水生态系统具有高风险。如 依据美国农药风险评价标准,RQ > 0. 5时,表明污染 物为急性高风险,表明应限制五氯酚的使用、加强风 险管理。 2 五氯酚健康风险评价
1. 2 研究方法
和沉积物相的生物降解; ④生物富集包括鱼、植物和
被评价区域面积为天津市污灌区45. 3 平方公 蔬菜; ⑤PCP 在水相的光降解。
里,依据生产厂家资料,有一点源排放的污染源,排
表1 各主相的子相组成
主相
1,气相 2,水相 3,土壤相 4,沉积物相
子相1 空气
无 无 无
子相2 无 水 水
美国环保局( USEPA) 于1992 年提出了生态风 险评价框架,其后,于1998 年 提 出《生 态 风 险 评 价 技 术指南》( 63FR26845 - 269241998) 。另外,规定了包 括农药对水生生物、陆生生物以及地表水地下水的 农药风险评价技术[4]。2003 年欧盟颁布了现有物质、 新物质和生物农药的人体和环境风险评价技术指 南。这些风险评价技术在世界范围得到了广泛应用。 2013年,欧盟食品安全局( EFSA) 发布《关于农药水 生生物风险 评 估 的 指 南 》,该 指 南 的 主 要 目 的 是 在 种群水平保 护 水 生 生 物[5]。我 国 目 前 没 有 生 态 风 险 评价标准,现行的水体和沉积物环境质量标准多是 参照发达国家的数据,并不适合我国的环境状况。如 赵建亮建立生态风险评价的方法体系以评价水体和 沉积物中的污染物[6]。
生态风险评价( Ecological Risk Assessment,ERA)
始于美国二 十 世 纪 七 十 年 代,它 是 涉 及 化 学、生 态 学、化学、毒理学、数学等理论科学和计算机应用技 术的综合研究领域。在 USEPA1992a 中定义为: “研 究一种或多种压力形成的、或可能形成的不利生态 效应的可能性的过程。”[3]生态风险评价预测污染物 对生态系统的有害影响,其程序包括: 问题形成、暴 露评价、危害评价、风险表征。 1. 1 水生态风险评价标准和模型