發布時間：2020-05-18所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:水質基準是制定水質標準、評價水生態風險和進行水質管理的科學依據與理論基
摘要:水質基準是制定水質標準、評價水生態風險和進行水質管理的科學依據與理論基礎。重金屬鎳是具有致癌毒性的環境污染物，對水生生物和人體健康的影響極大，但目前國內對于鎳的水生生物水質基準研究卻較為缺乏。文章收集并篩選了中國淡水水生生物物種的鎳的毒性數據，建立了急慢性毒性數據庫，采用物種敏感度分布法推導了我國鎳的急性淡水水生生物水質基準為180.29μg/L，慢性淡水水生生物水質基準為3.08μg/L。另外，文章探究了不同硬度條件對鎳淡水水生生物慢性毒性濃度的影響，結果發現鎳的水生生物毒性與硬度相關關系的斜率為0.96，慢性毒性隨硬度增加而減小。研究成果將為我國鎳的水生生物水質基準制定提供參考，為鎳的生態風險評估提供數據支持，為我國水質基準體系的完善提供科學依據。
關鍵詞:鎳;水質基準;物種敏感度分布;水生生物;水體硬度
水質基準(waterqualitycriteria，WQC)是指在一定的外界條件下，特定環境要素對特定對象不產生有害影響的最大可接受濃度水平或限度，水質基準中環境要素主要包括重金屬、非金屬無機物及有機物等，而如pH、硬度等水體條件也會影響水質基準的確定[1]。水質基準是制定水質標準、評價水質和進行水質管理的科學依據與理論基礎。目前，國際上大部分國家采用雙基準體系，即一個污染物有兩個不同的基準值:急性基準值和慢性基準值。美國的水質基準設定包括基準最大濃度(criteriamaximumconcentration，CMC)和基準連續濃度(criteriacontinuousconcentration，CCC)，分別對應急性基準值和慢性基準值[2]。急性基準值用于短期內(或突發事件)污染物的水生生物的毒性和水體的安全管理，慢性基準值用于日常水體的管理以及污染物長期條件下對水生生物的毒性。
鎳是一種銀白色的過渡金屬，具有良好的延展性和機械強度，耐高溫，化學穩定性強，在空氣中不易被氧化。鎳在地球中的含量為0.018%，我國擁有估計總量約為900萬噸的鎳礦資源，鎳礦開采前景巨大。但是，眾所周知，鎳是一種具有潛在毒性危害的環境污染物，它能在生物體內蓄積，從而誘發癌癥、胚胎死亡和畸形[3]，例如林愛薇等[4]發現鎳對唐魚、大黃魚幼魚等物種具有極強的急性毒性。根據我國環境保護部和國土資源部聯合發布的全國土壤污染狀況調查表明，鎳是我國第二大土壤重金屬污染物，土壤污染中鎳的超標率最高達到了8%。同時，鎳引起的毒性事故頻發，例如2003年到2015年青海共發生72例急性羰基鎳中毒事件等。
2001年，美國發布了針對湖泊和水庫、河流和溪流以及濕地等17個生態區域的營養物基準文件中有完備的鎳水生生物水質基準[5]。澳大利亞、加拿大等國家也多次發布并更新了鎳水生生物水質基準[6-7]。歐盟于2002年開始進行鎳和鎳化合物的風險評估，2009年發布了鎳和鎳化合物風險評估的最終報告。目前中國暫未發布權威的鎳淡水水生生物水質基準及生態風險評估報告，相關研究也較有限。杜東陽[8]和Wang[9]等對鎳的中國水生生物水質基準進行了初步研究，但存在年限較久或僅關注了急性毒性的問題。
因此，本文擬對我國鎳的淡水水生生物急慢性水質基準進行研究，同時探討硬度對鎳的水生生物毒性的影響，為未來我國鎳的水質基準和標準制修訂提供參考，為鎳的生態風險評估提供數據支持和理論依據。
1數據篩選與研究方法
1.1數據篩選
淡水水生生物物種的選擇決定了基準研究的結果，因此本文中毒性數據的篩選主要依據為《淡水水生生物水質基準制定技術指南》[10]，同時結合國外水質基準推導時對物種的選擇因素，考慮鎳的物質特點，從以下幾個方面進行數據篩選:①盡量選擇具有生態代表性的物種，這樣更能代表鎳對整個生態系統的影響;②至少涵蓋3個不同營養級的物種，水生植物(/初級生產者)、無脊椎動物(/初級消費者)及脊椎動物(/次級消費者)，以保證研究的生命形式多樣性;③選取高敏感性的物種，以用于表征復雜的生態系統;④由于制定的是我國的鎳淡水水生生物水質基準，選取研究物種時要注重本土生態區系的特點;⑤選取流水實驗數據;⑥急性毒性終點選取LC50/EC50，慢性毒性終點選取LOEC/NOEC;⑦當同一物種有多個毒性值，計算得出該物種的幾何平均值作為該物種的毒性值進行分析。根據以上規則，本文從知網文獻及美國ECOTOX數據庫(http://www.epa.gov/ecotox/)中收集和篩選相關數據。
1.2物種敏感度方法
目前，國際上較為成熟的水質基準推導方法主要分為三大類:毒性百分比排序法、物種敏感度分布法(speciessensitivitydistribution，SSD)和評價因子法[11]。毒性百分數排序法是目前美國USEPA推導水質基準的標準方法，自1985年開始使用至今。而物種敏感度分布法是目前應用較廣的水質基準推導方法，歐盟、加拿大、澳大利亞等國家均使用它進行水質基準推導和研究。物種敏感度方法主要分為參數方法和非參數方法。常用的參數累積概率分布函數包括正態分布、邏輯斯諦分布、三角分布、均勻分布、指數分布或韋伯分布等。此外，一些非參數方法例如蒙特卡羅模擬(MonteCarlo)、自舉模擬(bootstrap)或非參數核密度[9]的方法也可用于物種敏感度分布法的模型構建。通過擬合出的物種敏感度分布曲線，可以計算可接受污染物濃度并進行基準外推，或估計相關風險。一些國家和地區建立了專門進行SSD分析的模擬模型，例如，ETX2.0模型、BurrliOZ模型，SSD-Generator-V1程序，CHINA-WQC等。本研究根據《淡水水生生物水質基準制定技術指南》，采用物種敏感度分布法推導鎳的急慢性水質基準，分別用CMC和CCC來表示急性和慢性水質基準推薦值。采用的數據處理軟件為指南配套基準推導軟件CHINA-WQC。采用Kolmogorov-Smirnov(K-S)檢驗與擬合優度檢驗對模型進行檢驗。檢驗中若通過K-S檢驗(p>0.05)，說明使用了合適的模型;若決定系數(coefficientofdetermination，R2)越大，均方根誤差(rootmeansquareerrors，RMSE)以及誤差平方和(SumofSquaresforError，SSE)越小，說明數據擬合程度越高。
1.3HC5及水質基準推導
將收集到的不同物種的物種值(毒性濃度值的幾何平均值)按從小到大升序排列，計算其累積概率密度，進行數據擬合，得到物種敏感度分布曲線，可以用于推導出保護一定比例物種的可接受污染物濃度(hazardousconcentration，HC)。如果受保護水生生物物種的比例為95%，可接受污染物濃度對剩余5%的物種就存在危險性，此時的可接受污染物濃度稱之為HC5，即累積概率為5%時的值。評價因子表示與推導HC5相關的不確定性，一般取值在1到5之間，但是，由于目前尚不存在科學上可靠的方法來量化這些不確定性，因此無法估算真實評價因子的大小，常常取2[12]，則水質基準值為
急性水質基準推導公式
CMC=急性HC5/2(1)
慢性水質基準推導公式
CCC=慢性HC5/2(2)
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2結果與討論
2.1鎳的急性水質基準
收集并整理中國知網及ECOTOX數據庫中鎳的相關急性毒性數據，經篩選，共獲得急性毒性數據148個，共47個物種，其中含植物4種，魚類20種，毒性濃度范圍為0.10～185mg/L，均值為21.29mg/L，標準差為30.55mg/L。具體數據參見表1。
使用CHINA-WQC軟件對47個物種的急性毒性值進行SSD模型擬合，得到邏輯斯諦分布、對數邏輯斯諦分布、正態分布、對數正態分布、極值分布五種模型(圖1)，根據K-S檢驗結果，除極值分布沒有通過檢驗外，其余4種模型均可推導鎳的急性水質基準;其中，正態分布的決定系數R2最大，均方根誤差和誤差平方和最小。因此，采用正態分布推導得到鎳的急性HC5為360.58μg/L(表2)。
根據公式(1)，計算得到鎳的中國淡水水生生物急性水質基準為180.29μg/L，將本研究得到的急性基準值同相關的研究結果及其他國家或地區的急性水質基準推薦值進行比較，結果發現，本研究與杜東陽[8]的研究結果較為一致，但低于美國頒布的基準值，這可能是因為本研究主要選取的是代表中國廣大水體環境中的淡水物種區系，而不同生態系統中物種組成和物種敏感度與生物區密切相關[12]，例如中國的魚類代表種大多屬于鯉科，而北美大多數魚類屬于鮭科。但是，本研究與Wang等[9]鎳的中國淡水水生生物的研究結果差異較大，說明非參數核密度估計模型與參數模型間確實存在較大差異，亟需對于物種敏感度分布曲線進行不確定分析研究。
2.2鎳的慢性水質基準
收集并整理中國知網及ECOTOX數據庫中鎳的相關慢性毒性數據，經篩選，共獲得慢性毒性數據45個，共17個物種，其中水生植物2種，魚類4種。毒性濃度范圍為2.50到1400μg/L，毒性濃度均值為166.63μg/L，標準差為278.74μg/L。具體數據參見表4。
使用CHINA-WQC軟件對17個物種的慢性毒性值進行SSD模型擬合，得到邏輯斯諦分布、對數邏輯斯諦分布、正態分布、對數正態分布、極值分布五種模型(圖2)，根據K-S檢驗結果，5種模型均可推導鎳的慢性水質基準;其中，對數正態分布的決定系數R2最大，均方根誤差和誤差平方和最小。因此，采用對數正態分布推導得到的鎳的慢性HC5值，為6.15μg/L(表5)。
根據公式(2)，計算得到鎳的中國淡水水生生物慢性水質基準為3.08μg/L，將本研究得到的基準值同相關的研究結果及其他國家或地區的慢性水質基準推薦值進行比較發現(表6)，同急性基準值一樣，本研究與杜東陽[8]的研究結果較為一致，但低于美國頒布的基準值，因此，說明由于各地區的生態區系不同，其急性和慢性基準值確實都存在差異，基準值是具有地區適用性的，亟需針對不同地區給出其特定的基準推薦值。另外，由于慢性毒性數據普遍偏小，不同方法和模型導致的數據差異較小。
2.3硬度條件對鎳的水生生物毒性影響
金屬對水生生物的毒性受多種因素的影響，如pH值可以通過影響金屬的化學形態從而影響金屬對水生生物的毒性;而水體硬度也會影響水生生物的毒性，以魚為例，原本Ca2+與魚鰓之間存在一個影響離子交換系統平衡的結合點，當水體硬度小時，Ca2+減少，其他金屬離子或H+可能和這個結合點具有更強的親密性，會取代Ca2+和這個位點結合，從而導致細胞內電解質的流失，繼而表現為毒性效應[29]。同時，石慧[30]和馬燕等[31]在研究我國淡水鋁和銀的水質基準時也發現硬度對金屬的毒性效應影響極大。因此，鎳的水生生物水質基準可能也受到水體硬度條件的影響。
經過收集篩選，沒有得到足夠建模的基于硬度參數的鎳的急性毒性數據，但得到相關的慢性毒性數據共31個，其中14個物種，毒性濃度范圍為2.5到715.3μg/L，硬度范圍為6.3到308mg/L。其中有7個物種(大型蚤、方形網紋蚤、虹鱒、鋸截異緣蚤、老年低額蚤、美麗網紋蚤和搖蚊)具備合適的硬度數據可以進行分析，經分析發現鎳對7個物種的慢性毒性都隨著水體硬度的增加而降低(表6)。
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