新疆地表水体重金属生态风险评估

李 强,刘云庆,陈望香,王兴磊,周晓花,冯伟莹



新疆地表水体重金属生态风险评估

李 强1,刘云庆1,陈望香1,王兴磊1,周晓花1,冯伟莹2*

(1.伊犁师范学院,新疆 伊宁 835000；2.中国环境科学研究院,环境基准与风险评估国家重点实验室,北京 100012)

系统分析新疆主要地表水体中重金属暴露特征,并基于可利用的毒性数据,采用安全阈值法(MOS10)评价了水体中6种典型重金属对水生生物的生态风险.结果表明:新疆地表水重金属暴露浓度平均顺序为Ni>Zn>Cu>Cr>Cd>Pb,均值都未超过世界卫生组织(WHO)饮用水健康标准.重金属生态风险评价结果表明,短期暴露下,6种重金属的MOS10均大于1,Cr、Cd、Cu、Pb、Ni和Zn暴露浓度超过影响10%的水生生物的概率分别为9.95%、9.40%、9.40%、1.72%、6.08%和0,说明6种重金属对水生生物的短期生态风险较小;长期暴露下,Zn的MOS10大于1,Cr、Cd、Cu、Pb和Ni的MOS10均小于1,Cr、Cd、Cu、Pb、Ni和Zn暴露浓度超过影响10%的水生生物的概率分别为15.40%、12.01%、24.80%、15.70%、98.25%和0,说明Zn的生态风险较低, Cr、Cd、Cu、Pb和Ni对水生生物具有长期潜在的生态风险,且6种重金属对水生生物的生态风险大小依次为Ni>Cu>Pb >Cr>Cd>Zn.

新疆区域；水体；重金属；生态风险评价

重金属是表征环境质量的重要指标,与环境健康状况息息相关[1-3].一般天然水体中重金属原有的浓度不会对其中的水生生物构成威胁,但由于人类工农业生产活动产生的重金属废水的排放,使得天然水体中的重金属含量不断增加[4].进入水体的重金属通过絮凝或沉淀作用, 多数会进入沉积物中,但沉积物中的重金属也会在一定条件下重新释放进入水体[5-6].重金属不仅对水生生物构成威胁,而且也会通过食物链累积到较高浓度,最终危害人体健康[2].

在我国,重金属污染研究主要集中于中、东部经济发达地区[7-10],在生态环境极为脆弱的西北干旱区,近年来随着人类活动强度和范围的不断增大,人为污染物的排放正不断加剧绿洲河流、沉积物和沿岸土壤环境的重金属污染[11-13].新疆属于内陆干旱、半干旱气候,水资源相对短缺,有关研究表明,随着区域经济开发的不断深入,地表水水质因受人类污染的影响而有所下降,水安全受到威胁,如伊犁河流域地区发生过重金属污染现象[14],天山中部和东部部分地区地表水体重金属含量增高[15-16],但目前对新疆水环境质量缺乏整体性认识,有关水体重金属污染在整体上的风险程度认识不足,因此有必要加大对新疆区域水体中重金属污染与生态风险的研究.目前,评价重金属的生态风险方法有很多,本研究使用概率生态风险评价法(PERA),与普通商值法相比,其从生态系统多样性的角度出发,降低了数据的不确定性水平,综合考虑了污染物对环境中多数生物的毒性效应[17].

本研究对新疆主要地表水体中典型重金属镉(Cd),铬(Cr),铜(Cu),铅(Pb),镍(Ni)和锌(Zn)的含量和分布特征进行系统地分析和总结.基于暴露浓度和急慢性毒性数据的累积概率分布曲线,应用概率风险评价法对其水体中6种重金属的生态风险进行评价,从整体角度探明新疆区域地表水体重金属对生态环境的危害程度,同时辨识具有潜在风险的重金属,旨在为新疆区域水体重金属的风险管理和风险评价提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 数据收集

1.1.1 暴露数据分析 本研究收集了新疆主要河流和淡水湖泊中重金属的暴露浓度数据.数据的收集筛选原则为:①样品采集、保存和分析符合我国相关标准或美国EPA推荐的标准方法,并具有详细的试验方法质量保证/质量控制(QA/QC).②同一水体水样数据若个别暴露数据大于所有数据的10倍,本研究认为其为异常值,并剔除,以保证数据能代表河流总体和局部水体重金属浓度分布特征.经筛选后,系统收集了新疆19个区域的地表水体中6种重金属的暴露浓度检测数据,采样点个数为156个.

1.1.2 毒性数据分析 本研究所需的急慢性毒性数据主要来自美国环保局ECOTOX数据库(http://www. epa.gov/ecotox/)和中国知网(http: //www.cnki.net/),数据筛选原则:①受试物种主要由新疆本地物种和在新疆生殖繁衍的外来引进物种构成;②急性毒性实验数据主要选24~96h的半致死浓度(lethal concentration to 50percent of the population, LC50)和半效应浓度(median effect concentration, EC50),慢性毒性实验数据主要选取暴露时间超过14d的毒性数据,在筛选数据过程中,如果一个物种有多个符合要求的数据,取其几何均值来代表该物种的生物毒性数据[18];如果没有可用的慢性毒性数据,则使用急慢性比率(ACR)进行转化,可以有两个选择获取急慢性比率:一是使用至少3个物种的急慢性比率的几何平均值,二是如果不能计算急慢性比率,则默认急慢性比率为10[19];③剔除测试时间较早以及影响数据整体正态分布等异常数据,同时考虑生物营养级水平,构建物种敏感度分布曲线(SSD)时至少需要4个毒性数据[20].采用分析软件 Origin 9.0,选取最佳数学模型评价水体中重金属的风险程度.

1.2 重金属生态风险评价

1.2.1 数据分析 本研究基于重金属对水生生物的毒性效应以及重金属在水体中的分布服从正态分布的原理,用统计学的方法定量化其环境风险[21],对水体中典型重金属Cd、Cr、Cu、Pb、Ni和Zn的暴露数据和毒性数据首先进行正态分布检验.采用Shapiro-Wilk 法进行正态分布检验,按照浓度值大小对物种毒性数据进行排序,计算每个物种的累计概率[22]:

=/(+1) (1)

式中:为累积概率,为物种从小到大排列的秩,n为样本数.将该累积概率和对数转化后的毒性浓度值拟合构建物种敏感度分布曲线,得到累积概率为10%对应的毒性数据,这一浓度可代表保护90%的水生生物的毒性阈值[17].

暴露数据的累积概率分布参照式(1)计算,通过暴露数据拟合曲线得到累积概率为90%对应的暴露浓度,该浓度可以作为生态风险评价中暴露浓度参考值[17].本研究使用Origin 9.0对暴露数据和毒性数据进行曲线拟合.

1.2.2 风险表征 通过累积概率和对数化的暴露浓度和毒性浓度建立线性关系,利用统计图直接分析重金属对水生生物的影响程度,可以借助安全阈值法(MOS10)量化暴露浓度和毒性数据的累积概率曲线重叠程度.计算方法见式(2)[17]:

MOS10=SSD10/EXD90(2)

式中:SSD10为10%的水生生物受到影响时的污染物浓度;EXD90为污染物在水体中的累积浓度为90%对应的暴露浓度.MOS10越小,表明曲线重合程度越高,潜在风险越大.一般以MOS10为1作为界定风险程度,MOS10>1,表明风险较小.若MOS10<1,表明具有潜在风险.同时,通过该方法也可以直观地估计重金属超过影响一定比例的水生生物的概率[23].

2 结果与讨论

2.1 数据分析

2.1.1 暴露数据分析 新疆地表水补给主要来自山地降水和山脉的积雪、冰川融水,众多河川在山区形成,空间分布特征为西北部多于东南部.新疆分为北疆、东疆和南疆,北疆区域地表水占整个新疆地表水资源总量的49.4%[24].本研究收集的19个区域在空间分布为:北疆区域16个、南疆区域2个、东疆区域1个.由表1、2、3、4可知,不同区域、不同水体以及不同重金属的浓度差异性显著,北疆水资源丰富,经济发展快,与南疆和东疆相比,重金属含量差异更大,如北疆区域中博尔塔拉河,因区域经济快速发展,工农业生产及居民生活中不断增多的污染物排放,导致该区域地表水水质状况恶化,重金属含量超标[25],远高于其他18个区域的地表水体重金属含量.南疆区域中博斯腾湖作为新疆最大的湖泊,由于资源不合理开发利用及农业废水排放[26]导致的水体多种重金属含量高于北疆部分区域水体的重金属含量.所有水样中重金属浓度平均顺序为:Ni>Zn>Cu>Cr>Cd>Pb.通过将所收集的暴露数据检验,在取对数后符合正态分布模型.

表1 新疆区域地表水重金属Cr、Cd和Cu浓度分布特征

注:“_”表示数据不可获得,“ND”表示未检出,下同.

表2 新疆地表水重金属Pb、Zn和Ni浓度分布特征

表3 新疆地表水体重金属浓度范围一览表

表4 新疆地表水6种重金属含量及分布类型

与世界卫生组织(WHO)饮用水健康标准相比,6种重金属含量的平均值均未超过WHO饮用水健康标准,6种重金属含量的最大值中Cr、Cd、Pb和Ni超过WHO饮用水健康标准,表明部分水体已经受到了一定程度的污染.分析可知,高浓度重金属如Ni主要来源于沿岸及河流底部含高浓度的重金属元素的碎屑和母岩[16,27],人类活动密集地区周边的地表水受人类活动影响较大,各种重金属也会受其影响,如研究指出,由于磷酸盐肥料和杀虫剂等的大量使用,农田排水中Pb、Cd等重金属浓度偏高,通常成为水体重金属污染的重要来源[28].

2.1.2 毒性数据分析 本研究收集和筛选了6种重金属的水生生物毒性数据,并按暴露时间的长短,分为急性毒性数据组和慢性毒性数据组,表5中给出了对应的物种数量、效应浓度范围以及经对数转化后的数据,通过将收集的数据检验,这些毒性数据取对数后符合对数正态分布模型.

表5 重金属对水生生物的毒性数据分布特征

2.2 重金属生态风险评价

如上所述,6种重金属暴露浓度及相应的毒性数据均符合对数正态分布,经线性拟合后,可以直观地看出暴露浓度和毒性数据的重叠程度(图1).

暴露浓度和毒性数据的回归参数,累积概率为90%的暴露浓度,累积概率为10%的毒性数据,安全阈值和风险水体比例见表6.从表6可知,累积概率为90%对应的Cr、Cd、Cu、Pb、Ni和Zn的暴露浓度分别为33.44,3.55,21.38,15.49, 48.88,16.14μg/L;累积概率为10%对应的Cr、Cd、Cu、Pb、Ni和Zn的急性毒性数据分别为51.30,109.65,31.99,83.75,696.45,85.96μg/L;累积概率为10%对应的Cr、Cd、Cu、Pb、Ni和Zn的慢性毒性数据分别为4.40,1.06,3.92,6.35, 5.32,39.81μg/L,由此计算得到6种重金属的MOS10.急性毒性数据考察水生生物的短期暴露影响,慢性毒性数据考察水生生物的长期暴露影响.水生生物的短期暴露下,6种重金属的MOS10均大于1,且暴露浓度和急性毒性数据累积概率分布曲线重叠有限或无重叠,说明6种重金属对水生生物的短期生态风险较小.水生生物长期暴露下, Cr、Cd、Cu、Pb和Ni的MOS10均小于1,尤其Ni的暴露浓度与慢性毒性数据累积概率分布曲线重叠明显,说明Cr、Cd、Cu、Pb和Ni对水生生物具有长期潜在风险;Zn的MOS10大于1,对水生生物的长期生态风险较小.

通过图1可以表征暴露浓度超过影响一定比例的水生生物的概率,本研究以暴露浓度超过影响10%的水生生物的概率作为评价手段,将得出的结果列于表6中.水生生物的短期暴露下,Cr、Cd、Cu、Pb、Ni和Zn暴露浓度超过影响10%的水生生物的概率分别为9.95%、9.40%、9.40%、1.72%、6.08%和0,表明6种重金属发生不利影响的概率较小,生态风险较低.水生生物的长期暴露下,Cr、Cd、Cu、Pb、Ni和Zn暴露浓度超过影响10%的水生生物的概率分别为15.40%、12.01%、24.80%、15.70%、98.25%和0,表明Zn发生不利影响的概率最低,生态风险最小,而其他5种重金属会对水生生物产生不利影响.

表6 重金属的毒性数据及暴露浓度拟合曲线参数和安全阈值MOS10

注:a表示超过10%水生生物受到重金属毒性危害时的潜在风险水体比例.

总体来看,6种重金属发生短期不利影响的概率较小,生态风险较低,但在长期暴露下,Ni对水生生物的生态风险最大,Zn对水生生物的生态风险最小,其他重金属的生态风险从大到小依次为Cu、Pb、Cr和Cd.

2.3 不确定性分析

生态风险评价中的不确定性是不可避免的,主要涉及在暴露分析、效应分析和风险表征过程中.

在暴露分析中,本研究收集的采样点及采样时间并不统一导致暴露分析中的不确定性.而概率风险评价采用的是对数正态分布模型来描述暴露浓度的分布类型,量化了暴露浓度存在的不确定性.

重金属对水生生物的毒性和生物富集会受到各种环境因素的影响,如水环境介质中的pH值、盐度等会直接影响重金属的形态,同海洋水相比,港湾水的pH值和盐度经常变化,它们降低时将会增加金属的毒性[66].Moreau等[67]发现菲、锌共存时,由于菲改变了溶酶体膜的稳定性和功能,从而使溶酶体成为一种金属解毒剂,降低了锌的毒性.由于缺乏足够的信息,在重金属对水生生物的效应分析中,尚未考虑这些环境因素的影响,因而导致了生态风险评价的不确定性.

本研究反映了现有数据条件下的结果,更加符合实际环境的暴露浓度和毒性数据需进一步考虑暴露分析和效应分析中的各项影响因素,以及生物在生态系统的结构和功能等,以得到更可靠的生态风险评价结果.

3 结论

3.1 本研究系统分析和总结了新疆主要地表水体中重金属含量特征,所有水样中重金属浓度平均顺序为:Ni>Zn>Cu>Cr>Cd>Pb, 6种重金属平均含量均未超过WHO饮用水健康标准,但部分地表水体中Cr、Cd、Pb和Ni超过WHO 饮用水健康标准.

3.2 生态风险分析表明,在短期暴露下,6种重金属的MOS10均大于1,且发生不利影响的概率较小,生态风险较低;但在长期暴露下,6种重金属的生态风险从大到小依次为Ni、Cu、Pb、Cr、Cd和Zn,其中Zn的MOS10大于1,生态风险较低,而Ni、Cu、Pb、Cr和Cd的MOS10均小于1,且暴露浓度超过影响10%的水生生物的概率分别为98.25%、24.80%、15.70%、15.40%、12.01%,对水生生物具有潜在生态风险,研究结果可为水体重金属的风险控制和管理提供重要科学依据.

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Ecological risk assessment of heavy metals in water of Xinjiang Area.

LI Qiang1, LIU yun-qing1, CHEN Wang-xiang1, WANG Xing-lei1, ZHOU Xiao-hua1, FENG Wei-ying2*

(1.Yili Normal University, Yining 835000, China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)., 2018,38(5)：1913~1922

The exposure characteristics of heavy metals in surface aquatic environments of Xinjiang area were analyzed, the safety threshold method was employed to evaluate the ecological risks of 6kinds of typical heavy metals. The results showed that the average order of heavy metals exposure concentration was Ni>Zn>Cu>Cr>Cd>Pb, all heavy metals under the health standards for drinking water of WHO. The ecological risk assessment of heavy metals showed that MOS10of six heavy metals were more than one, the probability of exposure concentrations (Cr, Cd, Cu, Pb, Ni and Zn) more than the concentrations of affecting 10% aquatic organisms were 9.95%, 9.40%, 9.40%, 1.72%, 6.08% and 0, the ecological risk to aquatic organisms was negligible for a short time respectively. Nevertheless, for a long time, MOS10of Zn were more than one, MOS10of Cr, Cd, Cu, Pb and Ni were less than one, respectively. The probability of exposure concentrations (Cr, Cd, Cu, Pb, Ni and Zn) more than the concentrations of affecting 10% aquatic organisms were 15.40%, 12.01%, 24.80%, 15.70%, 98.25% and 0, which revealed that ecological risk of Zn was negligible, and ecological risks of Cr, Cd, Cu, Pb and Ni were higher on aquatic organisms, and the ecological risk of six main heavy metals was in order Ni>Cu>Pb >Cr>Cd>Zn.

Xinjiang area；water；heavy metals；ecological risk assessment

X824

A

1000-6923(2018)05-1913-10

2017-10-15

伊犁师范学院2016年度科研项目资助(2016YSYB03)

* 责任作者, 助理研究员, feng_weiying@126.com

李 强(1987-),男,山东滕州人,讲师,硕士,主要从事重金属污染与治理方向研究.发表论文5篇.