污染生态风险评价.ppt

1,第十章污染生态风险评价,2,生态风险评价是生态毒理学的前沿领域之一，是一个预测人类活动对不同水平的生态系统产生有害影响可能性的过程。美国EPA(1992)定义为：生态风险评价是研究一种或多种压力形成或可能形成的不利生态效应的可能性的过程。它应用数学、计算机等技术手段，结合生态毒理学等多学科研究结果，预测污染物对生态系统的有害影响。,3,第一节环境污染与生态风险,一、环境激素与其他化学品污染问题1.环境激素最近几年，环境激素问题开始引起世界关注，西方国家将其与臭氧层破坏及温室效应相提并论。环境激素的污染范围广、影响大，直接威胁人类和动物的生存、生长和发育。关于环境激素的影响不断有新的发现和报道，特别是针对于某种生物，但是很少有对其进行综合的生态风险评价。,4,引发生态风险的重要源头是化学品的环境危害。化学品广泛应用于工业、农业和人们生活中，而其中被研究的只有几百种，仅局限于致畸、致癌方面，有关内分泌、代谢和遗传的方面不多。在人们日常所接触的大量化学品中，如抗氧化剂、洗涤剂、塑料制品等，它们含有环境激素，对生物体内的正常激素功能产生影响。,2.化学品,5,生态风险就是生态系统及其组分所承受的风险。是指在一定区域内，具有不确定性的事故或灾害对生态系统及其组分可能产生的作用。这些作用的结果可能导致生态系统结构和功能的损伤，从而危及生态系统的安全和健康。,二、生态风险及其特点,6,生态风险除了具有一般意义上“风险”的涵义外，还具有如下特点：,不确定性；危害性；内在价值性；客观性。,7,第二节风险评价的生态毒理学基础,一、概述生态风险评价是一门多学科交叉的知识与技术，它包括环境化学、生物学和生态毒理学。其目的是使用有效的毒理学与生态学信息，估计有害的生态事件发生的可能性。生态风险评价不仅仅局限于对化学物质影响的评价，还包括其他内容。目前有关化学品的生态风险评价工作占主要地位。,8,化学品生态风险评价的过程实际上就是对毒性试验结果以及环境污染状况的比较和解释。某种化学物质在环境中要产生危害，必须具备两个条件：它本身具有对生物产生伤害的性质，也就是属于“有毒”或“有害”的特性；它在环境中的量必须达到一定水平，而且与生物发生接触并被吸收，而导致生物的不良效应。,二、毒理学数据的作用,9,图1.化学品对水生生物生态风险评价决策树,污染源排放,利用模型预测化学品水环境暴露浓度（EEC）,进行鱼（f）、浮游动物（c）、藻类（a）的毒性试验，获得LC50或EC50,研究长期毒性,风险指数（Q）=EEC/LC50(EC50),Q(f,c)0.1,Q(a)0.3,Q(f,c)0.001,Q(a)0.003,0.001Q(f,c)0.1,0.0030.1,Q0.001,0.001Q0.001,高风险,低风险,中等风险,10,第三节生态风险评价及其程序,一、生态风险评价的发展史生态风险评价是近十几年逐渐兴起并得到发展的一个研究新领域。在20世纪70年代，各工业化国家的环境管理政策是“零风险”的环境管理。在进入80年代后，产生了风险管理。风险管理观念着重权衡风险级别与减少风险的成本，着重解决风险级别与一般社会所能接受的风险之间的关系。生态风险评价为风险管理提供科学依据和技术支持，因而得到了迅速发展。,11,（1）环境影响评价环境影响评价(environmentalimpactassessment，EIA)是对某项人类活动将来所可能产生的环境影响(环境质量变化)进行的预测和评估。目的：为全面规划、合理布局、防治污染和其他公害提供科学依据。目前在进行项目开发或工程建设时，都要求进行环境影响评价。,(一)环境影响评价与环境风险评价,12,环境风险评价，是对某建设项目或区域开发行为诱发的灾害以及自然灾害，对人体健康、经济发展、工程设施、生态系统等可能带来的损失进行识别、度量和管理。这些灾害具有一个重要的特点不确定性。环境风险评价就是要对这些具有不确定性的灾害事件可能造成的环境后果，及可能给人类造成的损失进行度量和评价。根据环境风险评价中的风险承受者(即风险受体)的不同，可以分为对人的健康风险评价(healthriskassessment)和对生态系统的生态风险评价(ecologicalriskassessment)。,（2）环境风险评价,13,生态风险评价(ecologicalriskassessment，ERA)是评价所有人类活动对生态系统可能带来的影响，它主要研究各种灾害(包括环境污染)对生态系统及其组分的可能影响。这一研究从关注人类本身扩展到生态系统，对环境整治、自然保护和生物多样性保护等都具有重要意义。,(二)生态风险评价,14,二、生态风险评价的程序,受体分析建立评价目标（终点），确定存在问题,危害分析即接触-效应分析，就是根据危害识别确定的主要有害物质、评价受体、评价终点，研究在不同暴露水平下，受体影响或暴露的危害效应,暴露分析暴露分析主要包括两方面的内容：一方面是分析进入环境的有害物质的迁移转化过程，以及在不同环境介质中的分布和归趋；另一方面是受体的暴露途径、暴露方式和暴露量,风险表征风险表征是危害分析和暴露分析的综合，它表示有毒有害化学品对生物个体、种群、群落或生态系统是否存在不利影响(危害)，以及这种不利影响(危害)出现的可能性判断和大小的表达,风险管理综合其他标准（经济、法律和社会的），制定防止或减少环境危害的措施,图2生态风险评价程序图,15,(一)问题的提出(受体分析)ERA要考虑个体、种群、群落和生态系统等若干层次的不良效应。ERA的关键问题是确定要保护的目标和对象，即评价终点。ERA的终点分为评价终点和度量终点。,16,评价终点是环境价值，指要保护的对象及ERA的目标或焦点。评价终点的样本包括濒危物种的保护(如大熊猫、白鳍豚)、有经济价值的资源保护(如各类渔场)，或水质(特别是饮用水水源)的保护。在选择评价终点时，Suter建议遵循以下标准：社会重要意义；生物重要意义；意义明确的可操作性定义；预测和度量的可评价性；危险的可疑性。,17,度量终点是生态学效应的表征过程中实际用到的终点。在某些情况下，评价和度量终点可能是相同的。如果评价终点是某一濒危物种，那么，度量它们可能是不切实际的，因此可选取与这个物种密切相关或相似的物种作为替代种和度量终点。Suter推荐下列条件作为终点的标准：可预测性和响应；易度量；适当的干扰尺度；适当的接触途径；适当的短暂动态；较低的自然变异；所度量效应的表征；可广泛的应用；标准的度量；包括现存的数据。,18,接触-效应分析，是根据危害识别确定的主要有害物质、评价受体、评价终点，研究在不同的暴露水平下，受体响应或暴露的危害效应。有许多评价危害的度量方法，首先进行的往往是对死亡影响的实验，主要是通过急性毒性实验。单个种的测定并不能用于评价生态系统的影响，因此要选择适当的替代种，鉴别出直接和间接的影响，再通过外推方法进行进一步的评价。选择的替代种应是自然界存在物种的代表，替代种的选择首先考虑的是这些种易于培养、敏感、容易获得，并且有现成的数据库。,(二)危害分析(接触-效应分析、危害评价、生态危险),19,1)资料调研，调查、收集与所研究内容有关的暴露剂量-效应方面的资料。2)方案设计，根据评价终点设计实验方案。3)进行实验。4)结果分析，要求提供与某种可接受的生态效应相应的有害物质的剂量或浓度阈值，或提供剂量-效应、浓度-效应、时间-剂量-效应、或时间-浓度-效应等关系。5)外推分析，有三种不同性质的外推：一种是根据同类有害物质已有的实验资料和已建立的外推关系；一种是把实验室分析建立的关系外推到自然环境或生态系统中；还有一种是由一类终点的分析结果外推到另一类终点。,接触-效应分析的主要程序包括：,20,暴露分析主要包括两方面的内容：一方面是分析进入环境的有害物质的迁移转化过程，以及在不同环境介质中的分布和归趋；另一方面是受体的暴露途径、暴露方式和暴露量。最主要的信息是受体接触量的大小、时间选择和持续时间。对于还没有释放到环境中的物质，用模型模拟方法进行预测。对环境中已存在的物质，用环境分析方法进行监测，理想的方法是模拟和监测结合起来。,(三)暴露分析,21,1)有害物质生态过程分析。了解化学物质在环境中的迁移、转化和归宿的主要过程和机制。2)建立模型。首先，选择或建立模拟有害物质在环境中的转归过程的数学模型或其他物理模型，并确定模型参数的种类和估算方法；其次，借助计算机研究模型方程的计算方法；最后，校验模型，选择独立于模型参数估算使用过的资料和其他实例资料进行验证。3)转归分析。利用计算机数学模型和污染源强资料，分析有害物质在环境中的转归过程和时空分布结果。4)暴露分析。包括暴露途径分析、暴露方式分析和暴露量计算。,暴露分析包括以下几个步骤：,22,风险表征是危害分析和暴露分析的综合，它表示有毒有害化学物质对生物个体、种群、群落或生态系统是否存在不利影响(危害)和这种不利影响(危害)出现的可能性判断和大小的表达。1风险表征内容确定表征方法：根据评价项目的性质、目的和要求，确定风险表征的方法。综合分析：主要比较暴露与剂量-效应、浓度-效应关系，分析暴露量相应的生态效应，即风险的大小。不确定性分析：分析整个评价过程中产生不确定性的环节，不确定性的性质及其在评价过程中的传播，如有可能，对不确定性的大小进行定量的评价。风险评价结果描述：对评价进行文字、图表的陈述。,(四)风险表征,23,风险表征的方法分为定性风险表征和定量风险表征两种。定性风险表征要回答的问题是有无不可接受的风险，以及风险属于什么性质，便于管理和决策者做出进一步的决定，一般不需要复杂的数学模型。定量风险表征不但有无不可接受的风险及风险的性质，而且要从定量角度给出风险值的大小。,2风险表征方法,24,定性的风险表征只是定性地描述风险，用“高”、“中”、“低”等描述性语言表达，或者说明有无不可接受的风险。主要方法:专家判断法风险分级法敏感环境距离法比较评价法,(1)定性风险表征,25,定量风险表征要给出不利影响的概率，它是受体暴露于有害环境，造成不利后果的可能性的度量。常用不利事件出现的后果的数学期望值来估算，风险(R)等于事件出现的概率(P)和事件后果或严重性(S)的乘积：R=PS。在实际评价时，常用的方法有商值法、连续法、外推误差法、错误树法、层次分析法和系统不确定性分析等。其中，最普遍、最广泛应用的风险表征方法为商值法。,(2)定量风险表征,26,第四节生态风险评价的发展,一、生态风险评价展望美国环保局1996年制定出生态风险评估准则，指出了ERA的研究方向从传统的人类健康风险评估扩展到包括气候变化、生物多样性丧失、多种化学品对生物影响的风险评估。现在，ERA的研究重点主要放在生态系统对环境干扰的敏感性上。分子生态学能从本质上说明生物在自然界的变化，今后必将在生态风险评估研究中发挥重要作用。航空遥感、卫星数据和GIS等技术的应用，为生态风险评价提供了更为科学和精确的手段。,27,生态风险评价的未来发展方向将主要集中在以下几个方面：1)评价终点的选择取向群落和生态系统水平。这种评价终点更复杂，但是在生态学上更真实，因为它反映了群落之间、生物与环境之间相互作用的复杂性。2)生物物种的选择集中于濒危和较敏感物种。3)模拟生态系统的毒性试验是野外群落毒性试验和单种室内毒性试验的过渡，模拟生态系统的空间尺度、生物数量、多样性和物理控制是需要解决的问题。,28,4)各种模型被用于生态风险研究，生物效应模型与迁移、转化模型和暴露模型的衔接。污染毒性效应预测模型有很大的发展，尤其是在数据的获取和验证方面。5)系统的弹性(恢复能力)和耐受性是污染影响评价的合适指标。6)如何减少不确定性因素，加强对群落生态系统水平风险预测模型(包括模拟模型和数值模型)的研究和改进。,29,区域生态风险评价是在区域尺度上描述和评估环境污染、人为活动或自然灾害对生态系统及其组分产生不利作用的可能性和大小的过程。目的在于为区域风险管理提供理论和技术支持。与单一地点的生态风险评价相比，区域生态风险评价所涉及的环境问题(包括自然和人为灾害)的成因以及结果都具有区域性。区域生态风险评价主要研究较大范围的区域中各生态系统所承受的风险。,(一)区域生态风险评价,30,比较风险评价就是将健康风险评价与生态风险评价结合起来评估环境问题及其对人类健康和生态系统的影响，适用于对与污染源相关的风险进行分类。广义上，比较风险评价是通过参与方式将公众意见融入决策，让公众更深刻地了解环境问题。比较风险评价已在美国使用。在比较风险评价过程中，政府、企业、环境部门的代表及普通公众和科学家、技术专家协同工作，确定最重要的环境问题、评价风险、开发污染控制和预防的优先战略。,(二)比较风险评价,31,1)范围。广义的比较风险评价范围针对三个方面：人类健康、生态系统和生命质量，分析对象从某一特定的有毒有害化学品到全球性问题(如气候变化、破坏臭氧层物质的排放等)或环境部门业务范围外的内容，如食品安全、发展模式等。2)效益。比较风险评价影响数据编辑、数据分析、环境风险分类和环境管理战略，促使各地区出台新的立法处理高风险问题。促使政府机构重新分配内部预算。比较风险评价可使基金保管人更透彻地了解项目。总体来说，与国家级相比，比较风险评价的作用在地方上对环境行动计划的制定更有效。,32,3)程序。比较风险评价分风险比较和分类、战略分析和优先性确定两个阶段。组成人员一般分为3个委员会：技术工作组或负责研究和风险分析的咨询专家、负责政府和公众联络的公众咨询委员会代表(职责为确定和分析风险问题，对最终风险分类并制定战略)、监督指导委员会。4)公众参与。公众参与是比较风险评价程序最重要和最有价值的一个特点。公众意见分三个层次：参与评价程序、接受信息源和信息、支持项目。,33,(一)外推方法生态风险评价是一个外推过程，已提出的外推法主要有：美国EPA法和Log-Logistic概率统计外推模型。1.美国EPA法美国EPA法采用最早提出的Sloff方法，该方法是利用大量急性数据进行回归分析，推测对环境有害影响的浓度。,二、计算生态风险的新方法,34,Kooijman(1987)提出了一种新的外推法，用单一毒物暴露于多种生物种间的模型，并将不确定性归于试验种族的数目限制，而且给出了一个安全评价因子。此模型假定生态系列中生物种的LC50值的概率分布为一连续对称的Log-Logistic分布，并认为最敏感种具有最低的LC50值。方法是首先设置保护水平，然后利用概率分布模型来计算在此种保护水平下的安全浓度。由于此方法用最敏感种族作为保护水平，因而给出了一个偏小的安全评价因子，计算结果偏低、过保护。,2Log-Logistic比概率统计外推模型,35,个体水平、种群水平或生态系统水平的毒理学终点被用于各种污染物效应的评估。目前，广泛采纳的是低浓度水平的终点，因为测定的技术方法相对简单、迅速和廉价。种群以上水平的终点检测过程复杂、解释较困难；但生态真实性较高，它包括了生物与生物之间、生物与非生物之间的相互作用。以低浓度水平的生物终点来预测高浓度水平污染变化是一个难以解决的问题,(二)终点的确定,36,生态系统组成上的终点能提供重要的数据用于风险分析，受到胁迫的群落结构的变化反映了环境条件的改变，常用的指标有丰度、生物量等。多变量分析是生态系统中强有力的工具，它得到迅速发展并被成功应用于各类环境污染问题。多变量分析把生物学与环境条件结合在一起，得出与环境因子相适应的生物群落结构，揭示群落变异的环境梯度，使得对生态数据的解释提高到因果分析的水平。多变量分析技术分为分类和排序两大类。,1生态系统结构终点,37,分类是较常用的多变量分析技术。首先，产生一个相似矩阵，大多数生物研究有这样的数据结构，然后，根据相似性将样本聚类。广泛使用的相似性指数是Bary-curti指数(D)：,式中：X1和X2为样本1和2的第j个物种的丰度；S为物种数。根据相似矩阵编绘分支图，寻找环境控制因子。,38,排序的原理是将数据集合中的方差分解成导出因子，沿2个以上的因子轴线排列样本。现在已有将环境因子和生物数据放在同一空间来定位的排序技术，如对应分析等。群落的相似性及排序研究是对结构-污染关系的高级分析技术，它可以解析污染的群落效应，十分适于风险评价，但技术方法较复杂。分类与排序都使人们对生态系统中的生物群落产生一个识别模式，排序的主观性低于分类，但有时无生态学解释。一般认为排序适于处理连续性分布的群落数据，而分类适于刚性群落。有时候，将分类与排序组合起来使用会产生更好的结果。,39,生态系统的功能是指能流通过系统的类型和数量在风险分析中较有前途的功能终点是代谢和物种聚集速率。对控制群落代谢的关键因子，目前认为主要是水中的可生物降解物质和温度。,2生态系统功能终点,40,在种群水平的污染胁迫反应主要考虑物种的存活、分布、年龄结构、生理、行为和遗传适应等。一般在此营养水平上，选择某几个物种作为目标终点。在物种的选择上，经济价值和人文价值均为参考的要素。尤其要注意生态系统的功能集合中关键的物种，它们对稳定系统的结构与功能都有决定性作用。,3种群水平的终点,41,急性毒性试验广泛地用于估计排放废水对种群的毒性。根据试验污染物的性质，急性毒性试验分为静态、半静态和直流式，时间为48h或96h，用LC50(半数致死浓度)表达。为了估计低浓度长期毒作用，亚急性毒性试验和慢性毒性试验是备选的程序。终点可以是生长率、致畸率、产卵率、孵化时间等。血相分析和行为异常也可作为亚急性终点。在这些指标中，生长率(r)是最普遍的终点。,42,生物化学指标如酶、血液分析等可以提供反映毒作用机理的终点，与呼吸等生理指标一样，可以成为早期报警的指标。行为改变是另一类亚急性终点，它对生物栖息地的保护有特殊的意义，同时能够发现一些生物偏爱问题，即生物行为变得迟钝、逃避捕食的能力下降。遗传变异可作为污染胁迫的报警终点。已经有证据表明：生物对污染胁迫的反应有时并不表现在存活、生长、繁殖等常用的指标中，而是以遗传变异来适应污染胁迫的改变。这方面的终点有动物细胞微核千分率、姐妹染色体交换试验及近年来发展的DNA损伤检测等。,43,使用任何一种评价技术都会产生一些不确定性，绝大部分技术不能依靠技术本身来修正、消除这种不确定性。不确定性的来源有污染排放、暴露变异性和物种敏感性三个方面。解决的方法有修正系数、统计概率和MenteCarlo模拟技术，其中目前广泛使用的是修正系数；而对于复杂的不确定性，数模方法及MenteCarlo技术更有前途。,(三)不确定性,44,1污染排放变化这种变化可由适当的取样和试验方法进行处理，不同的采样技术用于不同的毒物反应测定。2暴露变异性这类变异性是由废水和受纳水体两者流速变化引起的，也存在于独立参数中。背景毒物水平、pH值、悬浮物、硬度和温度都对暴露评估产生影响。有两种方法处理这类问题：一种是简单地估计一个最坏条件，它产生于受纳水体典型的最低流量；另一种是现场测试和采用室内模拟的方法。目前在室内对潮汐、温度、盐的模拟已经实现，为后一种方法的采用提供了技术。,45,3敏感种的差异当物种暴露于特定毒物时，敏感种与不敏感种之间存在几个数量级的毒性反应差距。由于测试种未必是最敏感种，所以排放物毒件试验需要在不同物种间进行。在平衡实验费用和减少不确定性的条件下，确定试验生物种数。,46,化学品的生态风险评价，就是确定某种化学品从生产、运输、消耗，直至最终进入环境的整个过程中，对生态系统造成危害的可能性和严重性。化学品的ERA主要是以化学品毒性的风险评价为主，即研究化学品正常排放和暴露(通过大气、饮水、食物、接触等途径)所引起的环境污染对生态系统引起的危害。在化学品的评估中，政治、经济、法律因素极大地影响着化学品的立法。不同国家或国际组织根据其具体条件，对化学品的风险管理可能制定不同的措施和标准。低剂量长期暴露化学品的生态效应问题比过去更为受到重视。,三、化学品的生态风险评价,47,第五节五氯酚对水生生态系统的风险评价研究,五氯酚(pentachlorophenol，PCP)是一种重要的有机化工原料，常用作防腐剂、杀虫剂、除草剂和杀菌消毒剂等。有毒化学品的健康与安全指南中将其列为剧毒品，被美国EPA列为优先检测污染物和潜在致癌物，也是我国的优先监测污染物。国内关于五氯酚的研究大多集中在其毒性作用，在环境介质中的检测和人体接触研究，还没有五氯酚环境激素作用的报道，也没有进行生态风险评价的系统研究。,48,水体中天然存在的微生物可以降解有机污染物，有机污染物在水体中的生物降解过程与水中溶解氧的变化存在一定的关系，应用溶解氧法测定五氯酚在天然水体的生物降解速率，时间(t)与BOD的关系为：,由上式计算出的生物降解速率为0.012/h。,一、五氯酚的暴露评价,49,由于水体中微生物的降解作用，污染物在水中的浓度随时间而下降。应用基质浓度法，得出污染物浓度与时间的关系为：,由上式计算出的生物降解速率为0.016h。结果表明，五氯酚在该水体中在一定程度上可以被生物降解。,50,通过五氯酚对大型蚤蜕皮影响的试验，可以认为五氯酚具有干扰大型溞内分泌的作用，也就是环境激素的作用。五氯酚对大型蚤蜕皮的抑制作用表现为蜕皮时间的延迟。用前人的毒性数据作为参考。五氯酚对水生生物具有高毒性，1mg/L以下的五氯酚就可以对无脊椎动物和鱼产生不利影响，藻类对五氯酚也非常敏感。,二、五氯酚的危害评价,51,(一)单种生物风险表征鱼Odonthestesregia的Q值在0.0010.1之间，需要进一步评价。通过外推法获得NOEC。采用美国EPA安全因子法，NOEC的外推值为实测的LC50除以1000，得出：,为高风险,三、五氯酚对水生生态系统的风险表征,52,仅仅用单种生物评价化学品对水环境的毒性是不足够的，需选择代表食物链关系的多物种来表示群落水平的生物效应。这些物种包括：初级生产者(藻类)、初级消费者(水浮游动物)和捕食者(鱼)。在95置信限下，Kooijman提出外推公式：,式中：Xm为不同物种的平均lnLC50或lnEC50；Sm为Xm的标准偏差；HCS为95物种的安全阈值；Kk为常量，由物种数量决定。m20时，为2.06。,(二)水生生物群落风险评价,53,应用综合水生生物系统模型(comprehensiveaquaticsystemmodel,CASM)，选择10种浮游植物、5种浮游动物、3种杂食鱼和2种肉食鱼，它们的毒性数据(LC50/EC50)源自Miyamoto(1998)。计算结果：Xm=5.231,Sm=0.636；lnHCS=5.23l-2.180.636=3.85;HCS=46.76g/L；Q=EEC/HCS=0.092/47.00=0.0019。依据欧盟评价现存化合物技术指南，在两个营养层次获得数据。安全因子取50，则：Q=0.001950=0.095，0Q01，为潜在风险。结果表明，水中的五氯酚对水生生物群落有潜在风险。,54,利用商值法在个体水平评价对单种水生生物的风险，五氯酚对栅藻、蛋白核小球藻、大型溞、轮虫、鲤科金鱼的风险为低风险，对Odonthestesregia(鱼)的风险为高风险。以群落和生态系统为受体的风险评价才是最终的研究目标，应用水生生物群落模型，选择代表食物链关系的初级生产者(