（环境工程专业论文）基于三种水生生物的我国水环境btex基准研究.pdf

摘要 摘要 环境质量基准是制定环境质量标准的依据，而我国是一个“只有环境质量 标准，而没有环境质量基准 的国家。我国的水环境基准研究刚刚起步，当前 的水环境标准不能满足环境保护的要求，容易造成搿过保护 或“欠保护 ，因 此研究适合我国的水环境基准方法学体系具有重要意义。 苯系物，包括苯、甲苯、乙苯和二甲苯，属于单环芳烃类物质，主要存在 于原油和石油产品( 如天然气) 中，也作为工业原料广泛应用于农药、塑料和 纤维合成等行业中。近年来，由于此类物质的广泛使用，我国水环境中苯系物 的污染问题日益严重，其含量逐年升高，对水生生态系统和人体健康产生了重 大危害。鉴于此开展苯系物的水环境基准研究符合国家中长期科学和技术发 展规划纲要( 2 0 0 6 - 2 0 2 0 年) 。 首先，本论文在对国内外水环境基准相关研究进行总结的基础上分析了水 环境质量基准的制定方法。 其次，本论文选择水环境中典型有毒污染物苯系物作为研究对象，选择中 华新米虾、青鲻和食蚊鱼三种水生生物作为受试生物，对其进行了急性毒性试 验。通过急性毒性试验研究发现水环境中苯系物对水生生物都有很大的毒性作 用，呈明显的剂量一效应关系。实验得到甲苯对中华新米虾、青鲻和食蚊鱼三种 生物的半数致死浓度分别为：1 3 8 、3 9 和4 5 5 r a g l , 乙苯对中华新米虾、青鲻 和食蚊鱼三种生物的半数致死浓度分别为：1 0 4 、2 7 6 和3 0 7 m g l ；二甲苯对 中华新米虾、青鳙和食蚊鱼三种生物的半数致死浓度分别为：1 1 3 、2 8 6 和 3 4 5 m g j l 。 该研究可为今后在我国系统开展b t e x 的水环境基准研究提供方法学借鉴 和理论参考。 关键词：水环境质量基准苯系物生态毒理 a b s t r a c t a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r di sb a s e d0 1 1e n v i r o n m e n t a lq u a l i t yc r i t e r i ab u t ， t h e r ea r eo n l ye n v i r o n m e n t a lq u a l i t yc r i t e r i o n s ，n oc r i t e r i af o rm a n a g i n gc o n t a m i n a t e d s i t e st ov a l u et h ee t 五c i e n c yo ft h er c m e d i a t i o ni nc h i n a r e s e a r c ho fw a t e rq u a l i t y c r i t e r i ai no u rc o u n t r yh a sb e e ns t a r e do n l yf o ras h o r tt i m e t h ec u r r e n tw a t e rq u a l i t y s t a n d a r dc a nn o tm e e tt h en e e d so fe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n i tm a yc a b s e u n d e r - p r o t e c t i o n o r o v e r - p r o t e c t i o n ”o fs o m ep o l l u t e ds i t e s s os t u d yo fm c t h o d o l - o g ys y s t e mf o rw a t e rq u a l i t yc r i t e r i aw h i c hc a nm e e tt h en e e d so fe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o no fc h i n ai sv e r yi m p o r t a n t m o n o c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n ss u c ha sb e n z e n e ，t o l u e n e ，e t h y l b e n z e n ea n d x y e n e s ( b t e a r ec o m m o n l yu s e di nt h eb l e n d i n go fp e t r o la n da l s ou s e da sa s o l v e n ta n dr a wm a t e r i a li nc h e m i c a lp r o d u c t i o ns u c ha sp a i n t s ，p o l y m e r sa n d p h a r m a c e u t i c a l s a sac o n s e q u e n c eo ft h e i rw i d eu s a g e ，m e ya r ec o m m o nw a s t e m a t e r i a l s a n dh i g hl e v e l so fb t e xc o m p o u n d si na q u a t i ce n v i r o n m e n th a v eo f t e n b e e nd e t e c t e d1 臣e q u e n t l y , a n dw h i c hl e a dt oh e a v e ne f f e c t st ot h ea q u a t i cs y s t e m sa n d h u m a n t h e r e f o r e , t h er e s e a r c ho fw a t e rq u a l i t yc r i t e r i ao fb t e xm e e t st h en e e do f c h i n a f i r s t ，w ea n a l y z et h ed e r i v a t i o nm e t h o do ft h ew a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t y c r i t e r i aa f t e rt h es u m m a r yo fr e l a t e dr e s e a r c ho fw a t e rq u a l i t yc r i t e r i aa th o m ea n d a b r o a d a l s o ，w ei n v e s t i g a t et h ea c u t et o x i ce f f e c t so fb t e xt ot h r e ea q u a t i co r g a n i s m s ， n e o c a r i d i n ad e n t i c u l a t as i n e n s i s , o r y z i a sl a t i p e s , a n dg a m b u s 肠a 妒n i s a c u t er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h e9 6 hl c mv a l u e so ft o l u e n eo nn e o c a r i d i n ad e n t i c u l a t as i n e n s 纽 o r y z i a sl a 印e s , a n dg a m b u s h 2a f f i n i sw e r e1 3 8 ，3 9a n d4 5 5 m g lr e s p e c t i v e l y ；t h e 9 6 hl c s ov a l u e so fe t h y l b e n z e n eo nn e o c a r i d i n ad e n t i c u l a t as i n e n s i s ，o r y z i a sl a t i p e s , a n dg a m b u s i aa j 萨n i sw e r e1 0 4 ，2 7 6a n d3 0 7 m g lr e s p e c t i v e l y ：t h e9 6 hl c s 0v a l u e s o fx y l e n eo nn e o c a r i d i n ad e n t i c u l a t as i n e n s i s ，o r y z i a sl a n p e sa n dg a m b u s i aa f f i n i s a b s t r a c t w e r e1 1 3 ，2 8 6a n d3 4 5 m 班r e s p e g t i v e l y t h i ss t u d yc a np r o v i d er e f e r e n c eo fm e t h o d o l o g ya n dt h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o r t h es y s t e m a t i cs t u d yo fw a t e rq u a l i t yc r i t e r i ai nc h i n ai nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：w a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t yc r i t e r i ab t e x t o x i c o l o g ye x p e r i m e n t i l l 第一章引言 第一章引言 第一节环境质量基准的内涵 1 1 1 环境基准的内涵及其与环境标准的关系 环境基准( e n v i r o n m e n t a lc r i t e r i a ) 即环境质量基准。对于环境基准的概念， 近年来国内多位学者对此进行了讨论【1 2 一一5 】。一般认为，环境基准是指环境 中污染物对特定保护对象( 人或其他生物) 不产生不良或有害影响的最大剂量 或浓度，或者超过这个剂量或浓度就对特定保护对象产生不良或有害的效应。 事实上，多方面的资料和研究则表明，环境基准并不是所谓的不产生不良或有 害影响的最大单一浓度或单一的无作用剂量，也不是超过该剂量或浓度就导致 不良或有害的效应，而是一个基于不同保护对象的多目标函数或一个范围值 5 1 。 环境基准是为了保障人类生存活动及维持生态平衡的基本水准。环境标准 ( e n v i r o n m e n t a ls t a n d a r d ) 是国家权力机构为保障人群健康和适宜生存条件，为 保护生物资源、维持生态平衡，对环境中有害因素在限定的时空范围内容许阈 值所作的强制性的法规。环境基准和环境标准是两个不同的概念，环境基准是 污染物同特定对象之间的剂量一反应关系确定的，不考虑社会、经济、技术等 人为因素，不具有法律效力。环境标推是以环境基准为依据，并且考虑到社会、 经济、技术等因素，经过综合分析制定的，其具有法律意义，体现国家环境保 护政策和要求 6 1 。一般情况下，标准的制定是从基准出发的，具有严格的科学性， 但和基准不同，基准没有实现的时间和应用的空间的具体规定，而标准则要规 定在一定时间和一定地理区域内污染物不得超过的范卧7 】。原则上，环境质量标 准规定的环境中污染物的容许浓度或数量应小于或等于其相应的基准值【2 】。 1 1 2 环境质量基准的分类及研究特点 环境基准是一个复杂的系统。按环境要素分类，环境质量基准可分为大气 环境质量基准、水环境质量基准、土壤环境质量基准、沉积物质量基准和地下 第一章引言 水质量基准等。 根据基准的制定方法，可将环境基准分为两大类，毒理学基准和生态学基 准。毒理学基准值主要是在大量科学研究和实验的基础上，采用生态毒理学和 调查统计分析方法确定的，如人体健康基准、水生生物基准等；生态学基准是 在大量现场调查的基础上通过统计学分析制定的，如营养物基准等。其中，生 态分区是制定生态学基准的区域单元【2 。3 1 。 根据基准的表达形式，可将基准分为数值型、描述型。数值型基准值主要 是用质量分数等数字来表示水质基准浓度，是最普遍最常用的形式。当用数字 形式不能表达时，通常用后两种形式。描述型基准值是用描述性的语言来表达 基准的浓度，如在有害浓度下污染物不能存在【8 】。 周启星教授根据基准的内涵，将环境基准分为环境质量基准和污染环境修 复基准两大类。其中，环境质量基准应该遵循环境质量长期自身演变的规律， 反映污染物或有害物质长期的胁迫和慢性的影响或作用，一般是指当环境中某 一有害物质的含量为一阈值范围时对人或者生物长期生活在其中不会发生不良 或有害的影响；而对于污染环境修复基准来说，是指反映环境系统受到严重污 染或发生突发事件后恢复其自然生态功能的过程中，污染物急性、亚急性毒性 的危害与作用，一般是指当污染物超过一定阈值范围导致人或生物产生不良或 有害的反应【纠。 环境基准研究一般具有以下几个特剧l 】： 1 ) 属于自然科学研究的范畴，研究成果( 环境基准资料) 具有社会共享性； 2 ) 研究一般耗资大、费时长，一种环境基准资料的获得需要较长时间做大 量而细致的研究工作； 3 ) 结果具有不确定性。环境基准研究结果与其它学科研究资料不一样，虽 然也经过一套严格的科学实验程序方法获得，但由于研究的介质和对象的自然 可变性，再加上技术的不规范，都可能使最后的结果不能以确定的数值来表示； 4 ) 环境基准是一个复杂系统，按照环境介质来分，包括水环境质量基准、 大气质量基准和土壤质量基准；按照保护的特定对象( 或目标) 可分卫生基准、 生态基准( 或生物基准) 和物理基准。生态基准又可以进一步分为若干种( 例 如作物、动物、水生生物等) 。因此，对环境中某一污染物，完整的环境基准资 料应该是各种环境基准组成的体系，而在一般情况下往往只需研究其中主要的 环境基准。 2 第一章引言 1 1 3 水质基准及其特点 水质基准( w a t e rq u a l i t yc r i t e r i a ) 全称为水环境质量基准，美国环保局认为， 水质基准是指期望能使水体适合其指定用途的水质水平，基准的依据是污染物 的特定水平，这些污染物可能导致饮用水、娱乐用水、农业用水、鱼类生产或 工业用水变的有害【1 0 】。 可以从以下几个方面来理解水质基准【l l l ： 首先，基准有数值型和叙述型2 种表达形式。数值型基准大部分是以水体 中污染物的浓度表示，或者以生物组织中浓度表示( 如甲基汞) ：而对于那些无 法给出具体数值的污染物，就采用叙述型基准( 如浊度等) 。 其次，水质基准总是与特定的水体功能相互联系。制定水质基准的意义就 在于保护水体的指定用途，不同的水体功能要求有不同的水质基准与其相对应。 再次，水质基准是在考虑了各种相关限制因素的基础上而推导得出的数值。 在推导保护人体健康的水质基准中，除了要采用毒性试验所获得的无可见有害 效应水平或最低可见有害效应水平外，还要考虑人的体重、人对水和鱼类的平 均摄入量以及生物累积效应等，所以最终的水质基准值并不是直接采用实验所 得的结果。 最后，污染物的水质基准受许多环境要素的影响，包括水体硬度、温度以 及地理气候等。 根据基准的制定方法，可以将水质基准分为两大类，毒理学基准和生态学 基准。毒理学基准值主要是在大量科学研究和实验的基础上，采用生态毒理学 和调查统计分析方法确定的，如人体健康基准、水生生物基准等：生态学基准 是在大量现场调查的基础上通过统计学分析制定的，如营养物基准等。其中， 水生态分区是制定生态学基准的区域单元【2 捌。 根据基准制定的目的，一般把水质基准分为保护水生态生物的水生生态基 准和保护人类健康的卫生基准以及相应的沉积物基型1 2 】。水生生态基准主要针 对淡水和海水两种水体。 水环境基准具有3 个显著特点【1 2 】： 1 ) 科学性：水环境基准是“以人( 生物) 为本 ，是在研究污染物在环境中的 行为和生态毒理效应等基础上确定的，涉及环境化学、毒理学、生态学和生物 学等前沿学科领域；水环境基准研究实际上体现了国际环境科学领域的最新进 3 第一章引言 展。 2 ) 基础性：水环境质量基准是制定水环境质量标准体系和环境管理的科学 基础，是整个环境保护工作的基石。 3 ) 区域性g 世界各国的水质基准的研究是在各自国家或区域水环境质量演 变和自然背景基础上建立的，其结果不一定全部适合其它国家；各国关注的特 征污染物不完全相同；同一污染物在不同国家或地区的环境行为和毒理学效应 可能也不完全相同，所以说基准具有明显的区域性。 第二节水环境质量基准研究现状 1 2 1 美国水环境质量基准研究现状 美国对于环境基准的研究从上个世纪5 0 年代就开始了，其水质基准是建立 在“确定水质基准的方法学 的基础上。目前已建立了完善的基准推导方法学 体系，形成了较为完整的环境基准体系，并且在其环境标准中得到了广泛的运 用。其水环境质量基准有一个系统的框架，以保护水生生物和人体健康的水质 基准为核心，还包括感观基准、营养物基准、微生物基准、底泥基准、细菌基 准等【4 1 3 1 。 1 9 5 2 年，加利福尼亚州发布了一本“水质基准，包含了1 3 6 9 篇参考文献； 随后，美国相继发表了绿皮书【14 1 、蓝皮书 1 5 1 、红皮书【1 6 】和金皮书 【1 7 】等水质基准文献。1 9 8 0 年，美国环境保护局初步制定了“推导保护水生生物 及其用途的数值型国家水质基准的技术指南 ( 简称“指南 ) 【l 引，1 9 8 3 和1 9 8 5 年又进行了两次修订【s 】。1 9 9 8 年，美国开始制定区域性营养物基准【1 9 】，2 0 0 0 年 发布了河流和湖库营养物基准制定导则【2 0 1 。此外，美国环境保护局分别于1 9 9 9 、 2 0 0 2 、2 0 0 4 、2 0 0 6 和2 0 0 9 年针对人体健康和水生生物发布了水质基准推荐值。 2 0 0 9 年美国环境保护局发布的国家推荐水质基准【2 l 】是针对保护人体健 康以及水生生物的最新水质基准值文件。该文件囊括了1 2 0 种优先污染物、4 7 种非优先污染物以及2 3 个感官效应基准。保护水生生物的水质基准分为淡水和 海水两类，并分别给出了基准连续浓度和基准最大浓度，保护人体健康的基准 值分为消费水和生物与仅消费生物两类。 根据水环境中的污染物( 或其它有害物质) 种类，水质基准还包括重金属、 4 第一章引言 有毒有害有机物、营养盐、激素和病原菌基准等。2 0 0 4 年，美国环保总署颁布 和修订了1 6 7 种污染物基准，其中涉及了合成有机物1 0 7 项、农药3 1 项、金属 1 7 项和无机物7 项。但是，目前已经确定基准的污染物仅为人类所使用的化合 物中很小的部分【1 2 】。 美国最早制定出的水质基准只有一个值，是用水生生物的急性毒性值乘以 相应的应用系数所得到的浓度，作为不允许超过的浓度值。然而，废水排放的 浓度是随着生产和处理过程中的变化而波动的。考虑到生态系统对有毒污染物 具有一定的耐受能力和修复能力，所以水生生物在不超过一定限度的较高浓度 毒物中的短期暴露，并不会使其产生不可逆转的毒性效应。所以如果在任何时 间都将毒物浓度控制在较低浓度，那就会造成“过保护 ，而给企业增加处理费 用瞄】。之后，在绿皮书中开始对某些物质规定用两个值作为其水质基准， 一个是任何时刻内不允许超过的最大值，另一个是2 4 h 内不得超过的平均值【1 4 】。 1 9 8 0 年制定的环境水质基准中，美国环保局明确的规定任何一个完整 的新水质基准都必须要包括两个值，要求通过水生生物急性毒性试验来得出最 大值，推导平均值时要考虑污染物对水生生物的慢性毒性、对水生植物的毒性 和生物积累毒性【l o 】。 经过多年的研究和不断的修订，美国环保局在1 9 8 5 年发表的“推导保护水 生生物及其用途的国家水质基准的技术指南”，要求通过试验模拟和实地验证相 结合的方法来推导水质基准，这样可以提供与现场试验相同水平的保护。“指南 计算的是双值基准，分为基准最大浓度( c r i t e r i am a x i m u mc o n c e n t r a t i o n ，c m c ) ( 急性) 和基准连续浓度( c r i t e r i ac o n t i n u o u sc o n c e n t r a t i o n ，c c c ) ( 慢性) ， 其表述为：“除非有重要的本地物种特别敏感，如果某化学物质的4 d 平均浓度 超过c c c 的频率不多于平均每三年一次，并且1h 平均浓度超过c m c 的频率不 多于平均每三年一次，淡水( 或海水) 水生生物及其用途不会受到不可接受的 影响。该表述与最初绿皮书对双值基准的表述已经不同，这里“4 d 和“1 h 是分别考虑了慢性毒性试验和急性毒性试验的结果而提出的，“三年 是大部分 生态系统恢复需要的时间。双值基准概念的提出使得不会因为在任何时间内都 将毒物控制在较低浓度而造成“过保护 ，受到了环境保护界和企业界的欢迎。 “指南”规定，推导保护淡水生物及其用途的水质基准所需受试生物必须至少 来自三个门八个不同科，且需满足以下要求：在急性毒性试验中，每个科中至 少要使用一个种，分别是：a 硬骨鱼纲中的鲑科；b 硬骨鱼纲中的另外一个科， 5 第一章引言 最好是经济上娱乐活动中重要的温水种；c 脊索门中的第三科( 可属于硬骨鱼纲 也可属于两栖纲) ；d 甲壳纲浮游动物；e 昆虫；f 节肢动物门和脊索动物门之外 的一个门中的一个科；g 尚未划入任何目的昆虫或任何门的一科。 “指南主要介绍了试验数据的收集与评价以及水生动物的最终急性毒性 值( f 砌a c u t ev a l u e ，f a v ) 、最终慢性毒性值( f i n a lc h r o n i cv a l u e ，f c v ) 、 最终残留毒性值( f i n a lr e s i d u ev a l u e ，f r v ) 、最终植物毒性值( f i n a lp l a n tv a l u e ， f p v ) 和水质基准的计算方法，其计算水质基准的技术路线见图1 1 。另外，“指 南规定只能用北美地区的物种作为试验生物来计算水质基准，以保护美国的 水生态系统，并在附录中列出了北美地区的水生生物物种名录以帮助选择试验 生物【引。 收集 评价 数据 动物急 u 最终急性毒性值f 州 动物慢 性毒性 最终慢性毒性值f c v 植物毒性 u 最终植物毒性值f p v 生物累积 u 最终残留毒性值f r v 其他数据u最低重要效应值 图1 1 美国指导数值型水质基准技术路线 基准最大 浓度c m c 基准连续 浓度c c c 结果和数 据评估 国家 基准 美国水质基准值计算方法有以下优点： 1 ) 采用双值基准，考虑到了生态系统对有毒污染物有一定的耐受能力和修 复能力，水生生物在不超过一定限度的较高浓度毒物中的短期暴露，并不会对 其产生不可逆转的毒性效应，避免造成“过保护，以致增加环境保护费用； 2 ) 充分考虑了生物多样性，用于推导c m c 的急性毒性数据至少要涉及三 个门、八个科的生物，使其能有较好的代表性，能为大多数生物( 9 5 以上) 提 供适当的保护，避免了“欠保护竹； 3 ) 引入频率的概念，将水质基准最终表述为：“如果某化学物质的4 d 平均 浓度超过c c c 的频率不多于平均每三年一次，并且m 平均浓度超过c m c 的频 6 第一章引言 率不多于平均每三年一次，则淡水( 或海水) 水生生物及其用途就不会受到不 容许的影响，除非是一种重要的本地物种特别敏感。 这样也充分考虑了水生态 系统对偶然暴露的污染物的耐受能力和恢复能力，防止了“过保护一。 研究表明由于不同区域的自然环境、生物结构、污染物来源以及种类等多 种因素的影响导致其水生态基准存在差异。因此要保证水质基准的科学性，以 便更好的指导水质标准的制定，必须要做好系统的水生态功能区划工作。随着 水环境质量基准体系的逐步成熟，大量的研究表明，水生态系统的区域特征不 是由单一的地表要素所决定的，而是由许多种地表要素共同作用的结果，并且 这些要素在各区域所发挥的作用也不尽相同。 u se p a 在1 9 8 7 年提出了美国水生态区划方案，以四个区域性特征指标为 基础进行三级生态区划，主要包括土地利用、土壤、自然植被和地形；在三级 区划的基础上，各州开始利用更大精度的数据来划分四级区，以反映水体的环 境特性 2 3 - 2 4 。其在2 0 0 0 年发布的河流、湖库、河口、湿地等四种自然生态类型 的水环境( 营养物) 基准就基于生态学原理并结合了实际水环境功能特征。 经过多年的探索和发展，美国对水环境质量基准的研究取得了很大进展， 首先在于其水生生态毒理学研究方面的进步。例如，鉴于地表水和地下水中甲 基叔丁基醚( m t b e ) 的大量检出及其对水生生态系统不良效应的日趋严重【2 5 1 ，美 国环保局se p a ) 和工业企业联合开展了水生生态毒性以及m t b e 水环境质量 基准的推导和研究。在美国等发达国家，由于各种基础数据的逐渐积累，使水 环境质量基准的推导更加准确和更有针对性。例如，h o h r ei t e r 和r i g g t 2 6 】 根据u se p a 有关保护水生生物及其用途的国家水质基准数值推导准则，对甲醛 的水生生物水质基准进行了研究和推导。 1 2 2 国外其他国家对水质基准的研究 除美国对水生生物水质基准研究较早且较为系统外，法国、澳大利亚、加 拿大、欧盟和荷兰等国家也建立了较完善的水生生物水质基准体系。 法国虽然没有明确区分环境标准和环境基准，但其环境标准是由标准的毒 理学实验得到为依据得到的，与环境基准的研究方法相似。法国环境与水政府 机构参考已有的s e c - - e a u 框架得到了水政策框架指令中列出的2 8 种农药和7 种优先污染物的环境质量标准。s e c - - e a u 依赖于标准的毒性试验结果和评价因 7 第一章引言 子。这种方法使得到理想的质量基准成为可能，但慢性毒性数据不足，很多标 准值都是暂定的。另外，一些新型的重要问题如内分泌干扰也要考虑到框架中。 s e c m e a u 将对生态系统的破坏分为5 个等级，用多样性和物种丰富度来描 述。对于农药、金属或其他人工合成化合物这种描述就归结为了生态毒理学终 点。收集的数据按营养级分类：藻类、无脊椎动物、鱼类。慢性毒性终点用来 得到描述对水生生态系统不产生或产生轻微有害影响的浓度范围的两个最低的 水质限值。急性毒性终点用来得到剩余的两个水质限值，用来描述增加对环境 干扰时的浓度范围。a f ( a s s e s sf a c t o r ，评价因子) 的应用是为了考虑各种各样 的不确定因素：种内异质性、种间差异、急性与慢性间的差异、实验室与野外 条件的差异等等。当慢性数据缺乏时，急性数据就要用更高的a f 值【2 7 1 。 澳大利亚和新西兰2 0 0 0 年颁布的“淡水和海洋水质指南中，采用了“指 导性触发值( 慢性暴露) 对水生生物进行保护。 1 9 9 9 年加拿大环境部发布了推导保护水生生物水质基准草案，详细论 述了使用评价因子法推导水质基准值。按照数据量和质量以及保护水平可将触 发值分为高可靠触发值、中度可靠触发值和低可靠触发值。2 0 0 7 年加拿大环境 部将水质基准分为短期暴露基准和长期暴露基准，短期暴露基准主要防止在突 发性事件中大多数物种发生的致死效应；长期暴露基准主要防止在非限制性暴 露( 慢性暴露) 中所产生的有害效应。 欧盟采用预测无效应浓度作为污染物水质基准的主要依据，保护水生生态 系统中绝大多数物种。 荷兰于2 0 0 7 年颁布了最新的“环境风险限值推导指南 ，按照保护水平将 环境风险限值分为4 个等级：无效应浓度、最大允许浓度、严重风险浓度和生 态系统最大可接受浓度。 澳大利亚、加拿大、欧盟和荷兰水生生物水质基准的推导均使用评价因子 法和物种敏感度分布曲线法。评价因子法主要依据敏感生物的毒性数据结合适 当的评价因子推导水质基准，不同国家的水质基准体系对数据和评价因子有不 同的选择原则。物种敏感度分布曲线法最初是由k o o i j m a n 提出的，后来很多学 者对其进行了改进。方法假设所获物种的毒性数据为从整个生态系统中所有物 种中随机选取的，并且假设生态系统中不同物种的毒性数据符合某概率函数， 即“物种敏感度分布 【1 1 】。 8 第一章引言 1 2 3 我国水环境质量基准研究现状 我国水环境管理体系在过去2 0 多年的时间里有了长足的进步，建立了一系 列相关的法规和水质标准，然而相对于严峻的水体污染现状，在实际应用方面 还存在很大的差距，现有水环境质量标准不适应当前水体污染的趋势和经济发 展，已成为水体污染控制的瓶颈之一。我国的水质标准体系与某些发达国家相 比，在基准与标准体系等方面存在明显差距，难以满足我国面向流域区域水生 态安全保护的水污染总量控制战略实施的要求。因此完善已有的水环境质量标 准，建立一套科学的，适合我国社会、经济和人文特征的水环境质量基准与标 准的方法学体系是当务之急【4 】。 迄今为止，我国水环境质量基准的基础研究也还不是很完善，这将在较大 程度上影响我国水环境质量标准制定的科学性。我国对于环境基准的研究，由 于各种因素的限制，起步较晚，发展也很缓慢。 从时间上讲，我国对基准的研究始于2 0 世纪8 0 年代，起初只是对国外特 别是美国水质基准资料的整理，1 9 8 1 年，王明俊对水质基准和标准的概念及其 相互关系，由基准向标准的转变及其制定方法作了介绍，并分析了美国1 9 7 2 年水质基准中淡水和海洋水生生物部分建议的7 5 个基准值【2 s 】；1 9 9 6 年，张彤 和金洪钧介绍了水生态基准( w a t e re c o l o 西c a lc r i t e r i a ) 的概念以及美国水生态基准 的研究概况和美国环保局推荐的“推导保护水生生物及其用途的国家水质基准 技术指南的内容：同时阐明了根据我国水生生物区系的特征，开展水生态基 准研究的必要性。1 9 9 7 年，张彤和金洪钧参照美国环保局制定的“推导保护水 生生物及其用途的国家水质基准的技术指南 ，结合我国水生生物区系的特点， 通过水生生物毒性试验，分别研究和推导了优先污染物丙烯腈【2 9 1 、制定腈纶废 水中重要污染物硫氰酸钠【3 0 】以及石油化工废水中重要污染物一乙腈【3 1 】的水 生生态基准。2 0 0 3 年，尹大强和金洪钧参照“指南研究了我国的2 ，4 ，6 - 三 氯苯酚的水环境基准 3 2 】。2 0 0 5 年，周忻等基于美国环保局发表的环境水质基准 ( a m b i e n tw a t e rq u a l i t yc r i t e r i a ，a w q c ) 推导方法，从理论上研究并讨论了非致 癌有机物环境水质基准的推导过程 3 3 】。吴丰昌等针对湖泊水环境质量阐述了我 国开展区域性水质基准研究的重要性和迫切性，并提出建立适合我国区域特点 的湖泊水质基准理论、技术和方法体系是目前我国环境管理的重大科技任务【1 2 。 近年来，多数研究集中在结合我国大量的水生生物毒性试验数据推导适合 9 第一章引言 我国的水质基准。2 0 0 9 年王子建、雷炳莉等发表了太湖流域3 种氯酚类化合物 水环境基准，其在计算水环境基准时考虑了研究水域自身的生物组成特征，且 研究水环境基准的时候运用了三种方法，分别为u se p a “指南 推荐的毒性 百分数排序法、2 0 世纪7 0 年代末就被美国和欧洲国家建议用来推出环境质量标 准的蒙特卡罗构建物种敏感度分布曲线法以及能表征水质特征、在生态风险评 价中广泛应用的生态毒理模型法【3 4 1 。同年孟伟、刘征涛参考美国“指南给出 了我国淡水水生生物的镉的基准【3 5 1 ，为我国镉的水质标准制定提供了参考依据。 2 0 1 0 年，通过查阅数据库，吴丰昌等研究了重金属镉对我国淡水水生生物的毒 性效应。在借鉴美国环境保护局提出的毒性百分数排序法的基础上，结合我国 的生物区系特点和实际情况，得出了淡水镉的基准值【3 6 1 。2 0 1 1 年，吴丰昌，孟 伟等以硝基苯为研究对象，在分析美国和中国两种类型水生态系统和生物区系 特征的基础上，分别筛选两国水生生物物种的毒性数据，运用物种敏感度分布 曲线法、毒性百分数排序法和评价因子法分别推导了两个国家保护淡水水生生 物水质基准p7 1 。 总体上看，由于我国水生态分区不明确、缺少流域丰富种、特有种的水生 生物急性和慢性毒理数据，我国对于水质基准的研究还十分局限；并且，在确 定某种污染物水质基准时，要充分考虑各种因素( 水质特征，生物种类等) 的 影响，如p h 值，硬度，酸碱度等；同时，基准推导的方法学研究很匮乏，用某 一种方法难以建立可靠的基准。因此，建立适合我国国情的水质基准理论体系 任重而道远。 第三节苯系物的环境污染及其生态毒理效应 1 3 1 苯系物的物理化学性质 苯系物( b t e x ) ，包括苯( b e n z e n e ) 、甲苯( t o l u e n e ) 、乙苯( e t h y l b e n z e n e ) 和二甲苯( x y l e n e ) ，属于单环芳烃类物质，主要存在于原油和石油产品( 如天 然气) 中，也作为工业原料广泛应用于农药、塑料和纤维合成等行业中。 苯在常温下为一种无色、有甜味的透明液体，并具有强烈的芳香气味。苯 可燃，有毒，也是一种致癌物质。苯是一种碳氢化合物，也是最简单的芳烃。 它难溶于水，易溶于有机溶剂，本身也可作为有机溶剂。苯是一种石油化工基 l o 第一章引言 本原料，苯的产量和生产的技术水平是一个国家石油化工发展水平的标志之一。 表1 1b t e x 的物理化学性质 物质 苯甲苯乙苯 二甲苯 邻位间位对位 分子式 c 6 h 6c 7 h 8 c s h l oc 8 h l o 分子量 7 8 1 2 9 2 1 31 0 6 1 61 0 6 1 61 0 6 1 6 1 0 6 1 6 甲苯是最简单，最重要的芳烃化合物之一。甲苯与苯的性质很相似，在空 气中，甲苯只能不完全燃烧，火焰呈黄色。甲苯带有一种特殊的芳香味( 与苯 的气味类似) ，在常温常压下是一种无色透明，清澈如水的液体，甲苯几乎不溶 于水，但可以和二硫化碳，酒精，乙醚等以任意比例混溶，在氯仿，丙酮和大 呱 龇 c mm c 第一章引言 多数其他常用有机溶剂中也有很好的溶解性。甲苯是一种常用的化工原料，可 用于制造炸药、农药、苯甲酸、染料、合成树脂及涤纶等。 乙苯也是一个芳香族的有机化合物，为无色液体，有芳香气味；不溶于水， 可混溶于乙醇、醚等多数有机溶剂。其主要的用途是在石油化学工业作为生产 苯乙烯的中间体，所制成的苯乙烯一般被用来制备常用的塑料制品聚苯乙 烯。尽管在原油里存在少量的乙苯，但大批量生产仍然是靠在酸催化下苯与乙 烯反应。乙苯经过催化脱氢，生成氢气和聚苯乙烯。乙苯也存在与某些颜料中。 二甲苯为无色透明液体，是苯环上两个氢被甲基取代的产物，存在邻、间、 对三种异构体，在工业上，二甲苯即指上述异构体的混合物。二甲苯具特臭、 易燃，与乙醇、氯仿或乙醚能任意混合，在水中不溶。二甲苯毒性中等，也有 一定致癌性。二甲苯广泛用于涂料、树脂、染料、油墨等行业做溶剂；用于医 药、炸药、农药等行业做合成单体或溶剂；也可作为高辛烷值汽油组分，是有 机化工的重要原料。 b t e x 化合物在生产、储存和运输过程中，容易释放到环境中，造成环境的 污染以及生态系统和人体健康的危害。由于这类化合物具有挥发性，容易进入 大气中，参与光化学反应，促进臭氧的生成，进一步加剧了光化学烟雾的形成。 b t e x 化合物不仅可以对大气环境造成严重污染，而且由于地下油罐和输油管线 腐蚀渗漏等原因污染土壤和地下水源【3 8 - 3 9 。土壤和地下饮用水受到b t e x 的污 染，直接危害人类健康。而人类暴露于b t e x 的途径很多，会产生各种危害健 康的效应。如人类急性暴露于污染物b t e x 中会刺激中枢神经系统，出现抽搐、 麻木和恶心等症状】。我国地表水环境质量标准( g b3 8 3 8 2 0 0 2 ) 、污水综 合排放标准( c b8 9 7 8 1 9 9 6 ) 和室内空气质量标准( g b t1 8 8 8 3 2 0 0 2 ) 也都把 b t e x 列为污染参数和环境监测项目。其中，b t e x 的理化性质如表1 1 所示。 1 3 2 环境中苯系物的污染来源、分布及残留 大气中的苯系物来源很广泛，在城市中，石油化工行业和交通运输是其最 主要的污染源，其次是煤炭行业；在乡村，大气中苯系物最主要的来源是汽车 尾气排放以及木材燃烧和垃圾填埋等。值得注意的是，苯系物在大气环境中的 分布具有时空特点，并且受气象条件的影响很大。徐新等对北京大气中的苯系 物进行了长期连续观测，结果表明苯系物浓度日变化有双峰和三峰变化。在春、 1 2 第一章引言 冬季呈现与交通高峰期吻合的双峰变化，即8 ：0 0 1 0 ：0 0 和1 7 - 0 0 前后各出 现一个峰值；秋季日变化中2 2 ：0 0 出现第三峰值；夏季由于汽油的挥发，日变 化呈现三峰变化，最大峰值出现在正午前后。在逆温和风速较低的情况下，大 气中苯系物浓度较高【4 1 1 。 人类平均有8 0 的时间是在室内度过的，因此，室内环境质量的好坏会直 接影响到人体的健康。一般而言，室内空气中苯系物的来源主要是烹饪、烟气、 建筑原料、油漆、涂料、粘合剂和杀虫剂等，同时其浓度也受附近室外污染源 ( 如交通尾气) 的影响。大多数情况下，室内苯系物的浓度高于室外，主要污 染物是甲苯，但二甲苯和乙苯在有些情况下也很高。在无烟室内，苯的浓度一 般低于室外，而且苯也主要是来自室外污染空气的渗入。 地表水中的苯系物主要来自汽油或其他石油产品泄露、化工厂的废水排放 以及含有苯系物的大气污染物的沉降。石油产品一旦与水体接触，由于b t e x 具有较高的水溶性，会迅速与其他燃料分离而进入水体。进入水体后，由于其 具有较低的辛醇一水分配系数，会迅速迁移而不会吸附在沉积物或其他有机物 上。土壤和地下水中存在的苯系物主要是由于石油事故性泄露、老填埋场的渗 透、地下储油罐受到腐蚀引起的泄漏及污灌残留等。由于长期的石油污水灌溉， 土壤中矿物油存在低浓度积累并且土壤具有较明显的生态毒性。苯系物引起的 地下水污染问题日益严重，在局部地区饮用水中苯系物的污染水平已经超过了 国家规定的饮用水中苯系物的最大污染值【3 8 】。 1 3 3 苯系物在环境中的迁移转化 由于苯系物具有挥发性，地表水中的苯系物会由于挥发作用进入大气，残 留的小部分苯系物可被生物降解，其中苯的生物降解的半衰期大约为几天到几 周。进入大气环境中的苯系物，以气溶胶形式或以气体形式存在。我们一般用 辛醇一空气系数( k o a ) 来表示其在气溶胶和气体间的分配。大气环境中存在的苯 系物，还可以通过干湿沉降和光化学反应等途径转化 4 2 1 。 地下水中和土壤中的苯系物是从泄露点通过土层向下移动，在地下水位之 上形成高质量分数区，并沿地下水面侧向迁移。地下水流动使得苯系物顺水迁 移，导致其横向污染范围扩大，下游污染物浓度增加而上游略有降低【4 3 】。 苯系物在迁移过程中能够自然衰减，影响因素主要有挥发、吸附、溶解和 1 3 第一章引言 生物降解等，其中生物降解是最主要的影响因素。挥发作用主要是由于苯系物 分子能量较低且具有较高的蒸汽压，容易从土壤或地表水表面蒸发进入大气中， 其中以苯的挥发性最强。吸附作用主要是b t e x 吸附到土壤颗粒表面，但由于 b t e x 不像脂肪族物质那样牢固地吸附到土壤基质中，容易溶解到地下水中， 从而污染地下水。苯系物的生物降解既可以在有氧的条件下进行，也可以在无 氧的条件下进行。并且，降解苯系物的微生物群落比较复杂。 图1 2 描述了苯系物在各环境介质中的迁移转化过程。其中，干湿沉降、蒸 发或挥发作用、吸附或解吸作用、溶解或沉积作用以及生物降解作用等，带动 了这类污染物的迁移转化。 图1 2b t e x 在环境中的迁移 1 3 4 苯系物的生态毒理效应及人体健康危害 目前苯系物的生态毒理效应的已有研究主要是通过对苯系物暴露人群的调 查研究和对哺乳动物小鼠的毒理学实验。人体暴露于b t e x 混合物最普遍的途 径有居住区或城市周边地区含有苯系物污染地表土壤的挥发，苯系物污染地下 水的饮用，苯系物污染水体进行农业灌溉经食物链到达人体，以及某些生产苯 系物的工厂等。苯系物进入人体的主要途径是呼吸系统，也有小部分可以通过 与皮肤接触或通过饮食进入人体。 苯会对中枢神经系统产生麻痹作用，引起急性中毒。重者会出现头痛、恶 心、呕吐、神志模糊、知觉丧失、昏迷、抽搐等，严重者会因为中枢系统麻痹 而死亡。少量苯也能使人产生睡意、头昏、心率加快、头痛、颤抖、意识混乱、 1 4 第一章引言 神志不清等现象。摄入含苯过多的食物会导致呕吐、胃痛、头昏、失眠、抽搐、 心率加快等症状，甚至死亡。吸入2 0 0 0 0 p p m 的苯蒸汽5 1 0 分钟会有致命危险。 长期接触苯会对血液造成极大伤害，引起慢性中毒。引起神经衰弱综合症。苯 可以损害骨髓，使红血球、白细胞、血小板数量减少，并使染色体畸变，从而 导致白血病，甚至出现再生障碍性贫血。苯可以导致大量出血，从而抑制免疫 系统的功用，使疾病有机可乘。苯在人体内的潜伏期可长达1 2 1 5 年。妇女吸入 过量苯后，会导致月经不调达数月，卵巢会缩小。孕期动物吸入苯后，会导致 幼体的重量不足、骨骼延迟发育、骨髓损害。苯对皮肤、粘膜也有刺激作用。 甲苯对皮肤、粘膜有刺激性，对中枢神经系统有麻醉作用。短时间内吸入 较高浓度本品可出现眼睛及上呼吸道明显的刺激症状、眼结膜及咽部充血、头 晕、头痛