pH对沉积物中五氯酚毒性的影响及其质量基准值推导

王园圆， 张彦峰， 祝凌燕

南开大学环境科学与工程学院， 环境污染过程与基准教育部重点实验室， 天津 300350

PCP(pentachlorophenol, 五氯酚)曾被普遍用作杀虫剂、除草剂、消毒剂和木材防腐剂[1-2]，具有生物累积性、生物毒性、持久性等特点[3-6]，已经被列入优先控制污染物的名单[7]. 虽已禁止生产和使用，但PCP在环境介质及生物体、人体内仍有一定残留[8-12]，对自然生态环境和人体生命健康构成潜在的危害. 沉积物是自然水体中污染物的蓄积库，研究[13]表明PCP能够长期稳定存在于沉积物中. 沉积物质量基准(sediment quality criteria, SQC)是污染物对底栖生物或其他水生生物不产生有害影响的最大允许浓度值，其推导方法主要包括相平衡分配法(equilibrium partitioning approach, EqPA)和生物效应数据库法(biological effect database for sediment, BEDS)[14]. 相平衡分配法主要应用于“非离子有机污染物”沉积物质量基准值的推导[15]，不适用于PCP等可电离有机污染物，且生物效应数据库法需要丰富的沉积物毒性数据，PCP沉积物毒性数据尚未满足要求. 在毒性数据符合要求的情况下，基于生物效应的SSD (species sensitivity distributions, 物种敏感度分布法)是较为科学合理的沉积物质量基准推导方法[16-19].

PCP的解离常数pKa为4.75，在自然水体中以中性分子态(C6Cl5OH)和阴离子态(C6Cl5O-)的形式存在[20]. pH会改变PCP的形态比例，且分子态PCP能通过细胞膜扩散进入生物体内，其毒性高于离子态PCP，从而pH对PCP生物毒性有较大的影响[21-23]. 如XING等[24]研究发现随着水体pH升高，PCP对大型溞(Daphniamagna)的毒性降低. 相关研究推导的PCP水质基准是关于pH的函数[8,24-25]，因此PCP等可电离有机物沉积物基准值的推导要充分考虑环境要素pH的影响.

关于有机物沉积物质量基准值的研究主要集中在非离子有机污染物[16-17,26]，对于可电离有机污染物质量基准值研究鲜见报道. 该文拟进行PCP沉积物质量基准值的研究，但目前关于不同pH下沉积物中PCP对底栖生物的毒性效应研究相对较少，PCP沉积物质量基准值研究缺乏有效数据. 因此以底栖生物河蚬、泥鳅、伸展摇蚊为受试生物，研究不同pH下沉积物中PCP对生物急性、慢性毒性效应的影响，探讨沉积物中PCP毒性效应值与pH的关系. 从而应用SSD法推导PCP关于pH的沉积物质量基准，并对我国重点水系、湖泊沉积物中的PCP进行生态风险评价，以期为我国淡水生态环境的污染控制提供科学理论依据.

1 材料与方法

1.1 不同pH下沉积物中PCP的毒性效应

1.1.1试验材料

PCP(纯度98%, Sigma-Aldrich公司)；3-(N-吗啡啉)丙磺酸MOPS、2-环己胺基乙磺酸CHES(纯度99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；其余试剂为色谱纯或分析纯.

伸展摇蚊(Chironomusriparius)是实验室长期驯养的底栖生物；河蚬(Corbiculafluminea)、泥鳅(Misgurnusanguillicaudatus)购自花鸟鱼虫市场，于实验室驯养1个月，期间死亡率小于5%.

采用Pasteris等[27]的方法，将无污染沉积物风干后去除杂物并磨碎过40目(450 μm)筛，室温放置待用. 沉积物的pH为7.8，含水率为2.06%，TOC质量分数为3.75%，PCP未检出. 沉积物加标染毒参考OECD 225[28]推荐的方法，将溶于甲醇的PCP溶液加到少量沉积物中，避光放置24 h后将剩余干净沉积物分多次加入混匀，得到PCP加标土样. 加入曝气水后室温下避光平衡1周，平衡期间隔天搅拌1次，试验开始前测定沉积物中w(PCP).

1.1.2主要仪器

多功能参数测量仪(Multi 3620 IDS，德国WTW公司)；TOC分析仪(Multi NC 3100，德国耶拿公司)；冷冻干燥机(FD-1A-50，北京博医康科技有限公司)；高速离心机(SORVALL ST 16，美国赛默飞世尔科技公司)；超声波萃取仪(KQ-5200，昆山市超声仪器有限公司)；氮吹仪(NV-15G，天津博纳艾杰尔科技有限公司)；气相色谱仪(7890A，安捷伦科技有限公司).

1.1.3试验设计

底栖生物沉积物毒性测试参考OECD 218[29]及Ristola等[30]方法进行，毒性试验均设置4个平行，同时设有完全空白对照组和溶剂空白组. 伸展摇蚊毒性试验容器为250 mL玻璃烧杯，每个烧杯中约50 g沉积物；河蚬和泥鳅毒性试验容器为 1 000 mL玻璃烧杯，每个烧杯中约150 g沉积物. 沉积物与上覆水体积比约为1∶4，每个容器中河蚬、泥鳅、伸展摇蚊放置个数分别为7、6、12只.

我国淡水水体沉积物pH一般为6.3～8.5[31-32]，因此该试验设计3个pH梯度，分别为6.5、7.5、8.5. 上覆水为曝气自来水配置的5 mmolL MOPS (pH分别为6.5和7.5)和5 mmolL CHES (pH为8.5)pH缓冲液[33]，在沉积物-水系统平衡期间每隔1 d用0.1 molL HCl和NaOH调节pH，直至pH稳定. 沉积物毒性测试均采用静态试验系统，试验过程中维持上覆水温度、ρ(DO)、电导率等水质参数稳定. 试验期间每天定时观察生物行为特征变化，试验结束时将沉积物过筛，记录生物存活个数.

试验开始时沉积物pH实测值与理论设定值有一定的偏差，试验结果以实测pH为准. 急性和慢性毒性试验结束时沉积物pH较试验开始时波动范围均小于0.2. 不同pH毒性试验中完全空白和试剂空白组底栖生物死亡率均小于10%.

采用Excel 2016软件处理数据;采用SPSS 19.0统计软件概率单位分析法计算沉积物毒性效应值;试验结果均用Origin 8.0软件作图.

1.1.4测定方法

1.1.4.1沉积物pH的测定

沉积物冷冻干燥后过100目(0.15 mm)筛，称量10 g沉积物样品，加入25 mL无CO2蒸馏水，搅匀后静置30 min，使用多功能参数测量仪进行沉积物pH测定.

1.1.4.2样品中w(PCP)的测定

沉积物样品冷冻干燥后，取0.5 g土样加0.1 mL硫酸溶液(9 molL)酸化，用10 mL正己烷丙酮混合液(体积比为1∶1)超声萃取1 h，萃取2次后合并上清液. 再用10 mL 0.1 molL碳酸钾溶液振荡提取2次合并下层水溶液. 水相中加入1 mL乙酸酐振摇后加5 mL正己烷，振荡后取上层正己烷相. 经无水硫酸钠脱水后氮吹，正己烷定容至1 mL待测. 沉积物中PCP加标回收率为95.5%～100.0%.

PCP衍生物分析测定在Agilent 7890A气相色谱仪上进行，采用30 m×0.25 mm×0.25 μm DB-5毛细管柱，具体色谱分析条件参考水质中PCP测定的国家标准方法[34].

1.2 PCP沉积物质量基准的推导

1.2.1毒性数据的搜集、筛选和转化

通过检索Web of Science、CNKI及美国环境保护局的ECOTOX数据库获得PCP沉积物毒性数据和水生生物毒性数据，毒性数据筛选原则参考文献[17,35-36]，记录试验体系的pH. 利用相平衡分配法并且考虑pH影响因子将水生生物毒性数据转化为对应的沉积物毒性数据，再根据沉积物中PCP毒性与pH的定量关系，将不同pH下生物毒性效应值统一转化为pH为7.0下的毒性效应值[8,24].

Csed=KOC×fOC×Cwater1 000

(1)

式中：Csed为转化后的沉积物中PCP生物毒性数据，μgg；KOC为PCP固相有机碳分配系数，该研究中lgKOC=-0.37pH+5.18[37]；fOC为沉积物中有机碳质量分数，通常取1%[15];Cwater为淡水水体中PCP生物毒性数据，μgL.

1.2.2SSD曲线拟合与基准值计算

将筛选转化后pH为7.0的沉积物PCP生物毒性效应数据从小到大进行排序并编号，计算每个生物物种毒性效应数据的累计频率，即数据编号(数据总数+1)×100%. 以生物毒性数据对数值为横坐标，累积百分比为纵坐标作图，使用Origin 8.0软件进行曲线拟合，模型种类参考文献[38]，选取拟合优度最高的模型计算HC5[39-40]，CMCsed(急性基准值)和CCCsed(慢性基准值)计算公式[41]：

CMCsed=HC5, acuteAF

(2)

CCCsed=HC5, chronicAF

(3)

式中：HC5, acute、HC5, chronic分别为能够保护95%的生物物种不受危害的急性、慢性浓度，μgg；AF为评估因子，取值1～5，评价因子的选择需考虑毒性数据质量、包含物种的种类数和代表性、毒性终点选择、统计过程不确定性等.

1.3 沉积物中w(PCP)数据的搜集

在Web of Science和CNKI数据库中搜集我国淡水水系干流、主要支流及湖泊(舍弃近海口)表层沉积物中w(PCP)，筛选得到最近年份沉积物中w(PCP)(以干质量计)，并记录文献报道相应采样点沉积物pH.

将不同pH下沉积物中w(PCP)数据转化为pH为7.0时的w(PCP)数据，与pH为7.0时的沉积物质量基准值比较，评估其生态风险. 当w(PCP)≥CMCsed时，代表较高风险；当w(PCP)介于CCCsed与CMCsed之间时，代表中等风险；当w(PCP)

2 结果与讨论

2.1 沉积物pH对PCP毒性的影响

沉积物中PCP急性毒性试验结果如表1所示，在沉积物pH为6.6～8.6时，随着pH升高，96 h-LC50值也升高，PCP对河蚬、泥鳅、伸展摇蚊的96 h-LC50值范围分别为2.99～7.64、8.05～8.76、10.50～22.30 μgg. 沉积物中PCP慢性毒性试验结果如表2所示，在pH为6.6～8.4时，PCP对泥鳅的30 d-LC10值为0.26～0.80 μgg，对伸展摇蚊的21 d-EC10值为0.28～0.54 μgg，同样沉积物中PCP对底栖生物的慢性毒性效应值随着pH升高而升高. 对于这3种底栖生物，不同pH下PCP对河蚬的96 h-LC50值最小，对伸展摇蚊96 h-LC50值最大，故河蚬对PCP的毒性比较敏感，伸展摇蚊的耐受性更强.

表1 不同pH下沉积物中PCP的急性毒性效应值

表2 不同pH下沉积物中PCP的慢性毒性效应值

将沉积物中PCP对数生物毒性效应值与pH做线性回归分析，结果见表3. 在沉积物pH为6.5～8.5时，PCP对底栖生物毒性效应的对数值随着pH升高而增加，并呈现良好的线性关系(R2>0.8)，表明沉积物中PCP的生物毒性随pH升高而降低，与文献[42]研究结果相似.

表3 沉积物中PCP毒性效应值与pH的关系

沉积物对PCP的吸附机理较非离子有机化合物更加复杂，在该研究中沉积物pH设定值为6.5～8.5，即PCP同时以分子态和离子态两种形式存在. 随着沉积物pH升高，离子态PCP比例增加，与带负电荷的沉积物颗粒间静电排斥作用力增大，从而减少PCP在沉积物上的吸附量. 相关研究均证明土壤沉积物对PCP吸附量随着pH升高而降低[43-44], 且分子态PCP对生物毒性大小起主要作用. 因此随着pH升高，沉积物中PCP对底栖生物毒性降低.

2.2 PCP沉积物质量基准

2.2.1PCP沉积物毒性数据汇总

3种底栖生物(伸展摇蚊、河蚬、泥鳅)的ln LC50与pH回归方程的斜率值分别为0.375、0.494和0.046(见表3)，采用其几何平均值(0.204)作为沉积物中PCP急性毒性值与pH的关系方程的斜率值. 目前不同pH下沉积物中PCP慢性毒性效应数据有限，因此沉积物中PCP慢性毒性效应值与pH的关系方程采用与急性毒性相同的斜率[8,24-25].

Csed, 7.0=Csed, pH×e0.204×(7.0-pH)

(4)

式中：Csed, pH为原始pH时沉积物中w(PCP)毒性数据，μgg；Csed, 7.0为转化后pH为7.0时沉积物中w(PCP)毒性数据，μgg.

根据PCP毒性值与沉积物pH间的定量关系〔见式(4)〕，将收集到不同pH下的沉积物毒性值转化为pH为7.0下的毒性值，总计得到PCP急性毒性生物效应数据26个，慢性毒性生物效应数据18个，生物种类满足“三门六科”的要求[45]，结果见表4、5.

2.2.2SSD推导PCP沉积物质量基准

SSD曲线模型拟合结果如图1所示，S-Gompertz 模型对PCP沉积物急性和慢性毒性数据拟合效果最佳，HC5, acute值为0.217 μgg，HC5, chronic值为0.012 μgg. 从表4、5可以看出，筛选得到的PCP毒性数据量比较充足，急性毒性数据来自5门13科水生生物，慢性毒性数据来自4门11科水生生物，因此AF取1，并且pH为7.0时，CMCsed和CCCsed分别为0.217、0.012 μgg. 结合毒性效应值与pH的定量关系，推导得到PCP以pH为变量的沉积物质量基准〔见式(5)(6)〕. 在沉积物pH为6.0～9.0时，CMCsed和CCCsed分别为0.176～0.325、0.010～0.018 μgg.

CMCsed=e0.204pH-2.96

(5)

表4 用于计算PCP沉积物质量基准的急性毒性数据

CCCsed=e0.204pH-5.85

(6)

该研究参考非离子有机污染物沉积物质量基准的研究[68]，同时考虑环境要素pH对PCP毒性的影响，推导了不同pH(6.5～8.5)下可电离有机污染物PCP的沉积物质量基准值. 但目前不同pH沉积物中PCP对底栖生物毒性效应数据有限，故需补充相关方面研究工作，丰富本土沉积物底栖生物毒性数据，优化基准值推导方法，以期获得更为准确的PCP沉积物质量基准值.

2.3 我国主要河流、湖泊沉积物中PCP的风险评估

搜集近年来有关我国淡水水体表层沉积物中w(PCP)数据，共计98个采样点(见表6)，w(PCP)范围为ND(未检出)～65.10 ngg. 仅有1.0%的采样点沉积物中w(PCP)介于CCCsed与CMCsed之间，其余99.0%的采样点沉积物中w(PCP)均低于该研究推导的CCCsed. 其中沉积物中w(PCP)最高(65.10 ngg)采样点位于海河，w(PCP)较高的原因可能是该采样点位于曾经的PCP生产化工厂附近[69]. 总体上我国大部分河流湖泊沉积物中PCP风险较低，但个别地区可能存在潜在的生态风险，需要引起广泛的关注.

表5 用于计算PCP沉积物质量基准的慢性毒性数据

图1 模型拟合PCP急性、慢性毒性数据SSD曲线Fig.1 Models for fitting SSD curve with acute and chronic toxicity data of PCP

表6 我国主要河流、湖泊沉积物中PCP的生态风险评估

3 结论

a) pH影响沉积物中PCP对底栖生物毒性，沉积物pH越低，PCP毒性越高. 在沉积物pH为6.5～8.5时，PCP对河蚬、泥鳅、伸展摇蚊的96 h-LC50值分别为2.99～7.64、8.05～8.76、10.50～22.30 μgg；PCP对泥鳅的30 d-LC10值为0.26～0.80 μgg，对伸展摇蚊的21 d-EC10值为0.28～0.54 μgg. 3种生物中河蚬对PCP毒性最为敏感.

b) PCP沉积物质量基准值与pH的关系函数为CMCsed=e0.204pH-2.96、CCCsed=e0.204pH-5.85. 沉积物pH为7.0时，CMCsed和CCCsed分别为0.217、0.012 μgg.

c) 我国主要淡水河流、湖泊沉积物中PCP风险较低，个别地点沉积物中残留的PCP存在潜在的生态风险，对水生生物可能造成危害.