我国水生生物的二甲苯基准阈值探讨及其在风险评估中的初步应用

刘婷婷，郑欣，闫振广，刘征涛

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 国家环境保护化学品生态效应与风险评估重点实验室，北京 100012

我国水生生物的二甲苯基准阈值探讨及其在风险评估中的初步应用

刘婷婷，郑欣，闫振广*，刘征涛

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 国家环境保护化学品生态效应与风险评估重点实验室，北京 100012

搜集筛选了二甲苯对我国淡水生物的急、慢性毒性数据。物种涵盖了昆虫类、甲壳动物类、鱼类、两栖动物类、环节动物类、软体动物类、轮虫类和浮游植物类。数据分析表明，甲壳类生物对二甲苯最为敏感。采用美国水生生物基准技术对二甲苯水质基准进行推算，得出保护我国淡水生物的二甲苯急性基准域值为1.41 mg·L-1，慢性基准为0.57 mg·L-1。基于获得的二甲苯基准值对我国部分流域二甲苯的暴露生态风险进行初步评估，结果表明二甲苯并未对这些水体中的水生生物造成潜在风险。本研究将为二甲苯水质标准的制修订和流域水环境管理提供技术支持。

水生态系统；水质基准；物种敏感度分布；生态风险评估；二甲苯

二甲苯(xylene)为无色透明、有芳香气味的挥发性液体，具有3种同分异构体：邻-二甲苯、间-二甲苯和对-二甲苯。由于3种异构体的毒性差异不明显，因此国际上常用“(总)二甲苯”进行该物质环境质量基准的研究。参照国际惯例，本文中的二甲苯指总二甲苯。

二甲苯是重要的石油化工产品，存在于汽油和航空燃料中；也是一种重要的溶剂，广泛应用于涂料、油漆、染料等产业。由于二甲苯具有挥发性，在生产、储存和运输过程中容易释放到环境中造成污染。二甲苯的污染主要来自于原油泄露、填埋场渗透、农药和化工行业的废物排放及汽车尾气排放等。释放到环境中的二甲苯，不仅对自然环境造成污染，也对人类健康和生态系统构成危害，已被列入我国水环境优先控制污染物黑名单[1]。研究显示人类急性暴露于二甲苯中会引发头晕、头痛、意识模糊、肝肾功能受损等症状[2]。孕鼠的经口染毒实验表明，二甲苯可造成妊娠小鼠外周血有核细胞DNA的损伤并导致流产，可对胚胎产生毒性和致畸性[3-4]。二甲苯的水生生物生态毒理研究较少，Verschueren[5]研究得到其对大型溞的LC50为100 mg·L-1；Ferrando和Andreu-Moliner[6]研究发现二甲苯对2种轮虫(Braclubnus calyciflorusa, Braclubnus plicatilis)可产生毒性效应，其24 h-LC50分别为252.7 mg·L-1和552.6 mg·L-1；范亚维等[7-8]研究显示二甲苯可对斑马鱼、大型溞和霍普水丝蚓产生较大的毒性效应，并根据试验结果预测水体中二甲苯的安全浓度为5.0 mg·L-1。周彤[9]检测了3种苯系物(BTEX)对中华新米虾、青鳉和食蚊鱼的生物毒性，发现二甲苯的毒性高于甲苯。

鉴于二甲苯的毒性，许多国家对其水环境安全含量做了规定，如世界卫生组织(WHO)在饮用水质量标准中，规定二甲苯基于人类健康保护的标准限值为0.5 mg·L-1及基于人类感官(嗅觉)的标准限值为0.02 mg·L-1[10]。我国现行地表水水质标准参照了WHO公布的标准值，规定集中式生活饮用水源地的二甲苯标准限值为0.5 mg·L-1[11]。上述限值主要是基于对人体健康的保护，而对基于水生生物保护的二甲苯基准研究较少。目前我国邻二甲苯(PX)化工项目设立较多，部分工程甚至引发了社会稳定问题，如厦门、大连和宁波的PX事件[12-13]。因此，根据我国水环境特征探讨二甲苯的水生生物基准，对于全面保护我国水生态系统，科学评估PX工程项目的设立和实施都具有参考价值。

对于水质基准的研究，欧美的一些国家拥有比较完善的技术体系和理论研究方法[14-16]。近年来，我国借鉴发达国家的水质基准技术方法探讨了适用于我国水域环境的水质基准方法，并取得了一些进展[17-19]。一些学者也相继推导出了我国部分污染物的水质基准阈值，如Yin[20-21]等推导了2,4-二氯苯酚和2,4,6-三氯苯酚的基准，吴丰昌等[22-26]对我国镉、锌、铜、铬(VI)、苯和硝基苯等污染物的水质基准进行了研究。目前，国际上推算水质基准的主流方法为物种敏感度分布法(species sensitivity distribution, SSD)。发达国家在技术指南中推荐使用的SSD方法模型主要有3种：对数-三角函数分布模型、对数-正态分布模型和对数-逻辑斯蒂函数分布模型。3种方法各有优缺点，其中，美国的SSD方法以对数-三角函数分布模型为基础，并且加入了非参数计算方法，又称为物种敏感度排序法(species sensitivity rank, SSR)[27]。SSR是由美国环境保护局(1985)提出的水质基准制定方法，即基于SSD原理，结合暴露时间和暴露频率，对具体的目标物质(污染物)经SSD排序数理推导，可制定2个值：基准最大浓度(criteria maximum concentration, CMC)和基准连续浓度(criteria continuous concentration, CCC)，为充分考虑生物多样性，用于推导CMC和CCC的急慢性毒性数据至少涉及3个门、6～8个科的生物，需有较好的代表性，即要为大多数(95%以上)生物提供适当的保护。该方法主要关注低值的敏感物种，在基准推算过程中可以降低高值区间拟合背离产生的误差[28]，并且将基准分为急性基准CMC和慢性基准CCC，分别应对了突发性污染事故和长期暴露污染，比较适合我国的国情。

本研究基于二甲苯对水生生物的急、慢性毒性数据的分析，识别了对二甲苯最敏感的生物类别；依据美国SSR基准技术方法，推算得到保护水生生物的二甲苯急性和慢性基准阈值，并对我国一些流域水环境二甲苯暴露的生态风险进行了初步评估。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 毒性数据收集筛选与SSR分析

搜集二甲苯对我国淡水水生生物的急、慢性毒性数据，数据来源为美国环境保护局(US EPA)毒性数据库ECOTOX(http://cfpub.epa.gov/ecotox/)、公开发表的中、英文文献以及科研项目研究报告等，具体可见下文。参照美国水生生物基准毒性数据筛选原则，对所获得的数据进行筛选，原则如下：1)所选择的物种在我国境内有分布、栖息或较大范围内养殖；所选物种要求基本覆盖我国的水生态系统，代表不同的营养级、生物类群、营养类型和生命形式；2)针对同一种受试生物的多组毒性值，采用这些数据的几何平均值，即种平均急性值(species mean acute values, SMAVs)作为该生物的毒性值；3)针对同一受试生物在不同生命阶段的多组毒性值，采用相对敏感期的毒性数据；4)针对苯系物这类易挥发的污染物，以流水式试验为宜，但考虑到实验的可操作性和数据量积累过少，因此本文也搜集了符合试验要求的半静止和静止试验的数据。

数据搜集与筛选完成后，对于同属生物可计算其属平均急性值(genus mean acute values, GMAVs)作为该属的毒性值。计算出SMAV或GMAV后，按照数值大小对物种敏感性进行排序及分析。

1.2 水生生物基准推导方法

采用SSR方法进行二甲苯的水生生物基准推算，大致步骤如下：

1)将GMAV从低到高排序，并按公式(1)计算生物属的累积概率(P)。

P=R/(N+1)

(1)

式中，R为不同GMAV的分配等级，最小值的等级为1；N为属的个数。

2)计算最终急性毒性值FAV(final acute value)：选取4个累积概率接近0.05的GMAV按照公式(2)～(5)计算FAV。

(2)

(3)

(4)

FAV=eA

(5)

式中，S、L、A分别为计算过程中采用的符号，没有特殊的含义。

3)计算最终慢性毒性值FCV(final chronic value)：若可以获得3门8科物种的慢性毒性数据，FCV可以参考FAV的计算方法推算；数据不充足时，利用公式(6)计算：

FCV= FAV/FACR

(6)

式中FACR为最终急性慢性毒性比(final acute/chronic ratio)。

4)计算最终植物值FPV(final plant value)：FPV等于水生植物毒性试验(通常是用藻类所做的96 h试验或者是用水生维管束植物所做的慢性试验)结果中的最小值。

5)最终残留值FRV(final residue value)：计算最终残留值需要获得该物质的最大允许组织浓度(它是有关部门对鱼油、鱼类和贝类的可食用部分的管理水平)和生物富集系数(通常采用获得数据中的最大值)，然后按式(7)计算：

FRV=MPTC/BCF

(7)

式中，MPTC为最大允许组织浓度，mg·kg-1；BCF为生物富集系数，L·kg-1。

6)计算CMC和CCC:

CMC=FAV/2

(8)

CCC=MIN (FCV, FPV,FRV)

(9)

1.3 生态风险评估

搜集二甲苯在不同地表水体中的暴露浓度数据，利用风险商值法(RQ, risk quotient)对其暴露风险进行初步评估，将二甲苯暴露浓度除以获得的二甲苯水生生物基准值得到风险商值RQ，若RQ>l，则具有高风险，RQ<1则判断基本没有风险[29]。

2 结果(Results)

2.1 二甲苯的急性基准阈值CMC

搜集筛选二甲苯对水生生物的毒性数据(表1)，水生生物包含24属24种，涉及昆虫类(2种)、甲壳动物类(7种)、鱼类(10种)、两栖动物类(1种)、环节动物类(1种)、软体动物类(2种)和轮虫类(1种)，基本覆盖了水生态系统的各生物群落，代表了不同的营养级、营养类型和生命形态。计算物种的SMAV和GMAV，并根据GMAV从低到高排序。由表1可见，对二甲苯最敏感的物种为模糊网纹溞(Ceriodaphnia dubia)，最不敏感的物种为栉水虱(Asellus aquaticus)，两者的GMAV相差近600倍。

根据1.2的计算方法，将对二甲苯最敏感的4种生物(模糊网纹溞、细足米虾、虹鳟和大型溞)的相关数据代入公式(2)～(5)，得出二甲苯的水生生物最终急性毒性值FAV为2.81 mg·L-1，根据公式(8)得出二甲苯的急性基准阈值(CMC)为1.41 mg·L-1。

2.2 二甲苯的慢性基准阈值CCC

二甲苯的水生生物慢性毒性数据较少，满足条件的只有4个物种(表2)，不符合基准推算的毒性数据要求，因此利用FACR法计算最终慢性毒性值FCV。根据物种的急慢性毒性值可分别求得其急慢性比率ACR(表2)，计算得出鲫鱼、斑马鱼和霍普水丝蚓3种生物ACR的几何平均值为4.9，以该值做为二甲苯的FACR。通过公式(6)计算得出二甲苯的FCV值为0.57 mg·L-1。

表1 二甲苯的水生生物的急性毒性数据

注：SMAVs为种平均急性值，GMAVs为属平均急性值。

Note: SMAVs stands for species mean acute values; GMAVs stands for genus mean acute values.

最终植物值FPV是植物毒性试验结果中的最小值。筛选得到的植物毒性数据如表3所示，其中羊角月牙藻(Pseudokirchneriella subcapitata)的毒性值最小，可将其做为二甲苯的最终植物值，FPV= 4.17 mg·L-1。

很多研究表明，有机物的生物累积效应与其辛醇-水分配系数Kow密切相关，Kow越大，有机物的生物富集效应就越显著。二甲苯的辛醇-水分配系数较低，其3种异构体的logKow分别为3.12、3.20和3.15，说明二甲苯在生物体内残留较小。已有研究显示，二甲苯在鳗鱼体内的BCFs为21.4～23.6，在金鱼体内的BCFs为14.1～14.8，在虾体内的BCF为9，表明二甲苯的生物富集效应较低[34-36]。此外，我国相关部门并没有制定二甲苯在水产品中的标准限值，因此在推导最终慢性值时不考虑最终残留值FRV。综上，二甲苯的最终慢性基准阈值取FCV值，为0.57 mg·L-1。

2.3 流域水体中二甲苯暴露生态风险分析

共搜集到6个水域的二甲苯暴露浓度数据，对其进行生态风险评估(表4)，结果显示6个水域中二甲苯暴露浓度均小于其水生生物基准值，风险商值均小于1，表明所选流域均无明显的二甲苯的暴露风险。

表2 二甲苯的最终急性慢性毒性比率

表3 二甲苯的最终植物值

表4 不同流域地表水中二甲苯的暴露浓度及其风险评估

3 讨论(Discussion)

根据水质基准技术惯例[43-44]，能保护95%生物的污染物浓度为水质基准值，因此如果生物的敏感性排序小于5%，可将该生物界定为非常敏感。已有研究显示，当受胁迫的生物分别超过15%和30%时，污染物引起的生态风险可定义为具有明显风险和一定风险，因此可将物种敏感性排序达到此限值的生物分类为敏感和较敏感[45]。对二甲苯敏感(P<30%)的水生生物有7种，其中4种为甲壳类生物，包括水生饵料生物和虾类(表1)，说明二甲苯对水生甲壳类毒性较大，需注意防范二甲苯对虾蟹养殖业的风险。一般认为水生植物对于污染物的敏感性要低于水生动物，以水生植物的为材料进行的毒理学实验较少，导致其毒理学数据远少于水生动物。羊角月牙藻是淡水水体中常见的绿藻，因其对水环境污染的敏感性，被选为环境毒理试验的标准藻种[46]。本研究中，羊角月牙藻(Pseudokirchneriella subcapitata)的毒性数据较低，其对二甲苯的敏感性仅低于模糊网纹溞(Ceriodaphnia dubia)，但高于所有其他水生动植物。以羊角月牙藻为材料进行的生态毒理研究已有较多，但关于二甲苯对其的毒性机理还不清楚，有待于进一步研究。

对于二甲苯慢性基准的推算，由于符合基准推算要求的数据量不足，因此使用最终急性慢性比FACR进行计算。计算FACR一般要求至少3种生物，脊椎、无脊椎和1种敏感物种的慢性数据[31]。本文用于计算FACR的3种生物包括2种鱼类和1种底栖无脊椎动物，其中鲫鱼属于相对敏感的物种，基本符合计算要求[47]。由表2可看出，筛选出的4个物种中，鲤鱼的ACR较高，是其他3个物种ACR的十几倍。根据US EPA的基准文件“对于急慢性比率差别较大的物种，选择SMAVs与FAV接近的物种来计算FACR”[47]，表2中鲫鱼、斑马鱼和霍普水丝蚓3种生物的SMAVs与计算得出的FAV值2.81 mg·L-1相差较小，而鲤鱼的SMAVs则与FAV相差100多倍。因此，在计算FACR时不考虑鲤鱼的急慢性数据。此外，US EPA、经济合作与发展组织和澳大利亚等国家和组织推荐使用的急性慢性比率默认值为10[48-50]，与本文推算出的FACR(4.9)相差近2倍，若直接使用默认值会使得出的基准值偏小，导致环境管理过程中的“过保护”状况。

不同国家对于水体中二甲苯的安全浓度阈值有不同的规定，将本研究得出的二甲苯的水生生物基准值与荷兰等国设定的二甲苯安全阈值进行比较(表5)。结果显示，中国(本研究)的二甲苯基准阈值低于美国设定的相应值，且低于中国和澳大利亚的水质标准，但高于其他国家制定的浓度阈值，并且不同国家的浓度阈值之间也有较大差别，这种差异主要来自于不同国家水环境特征和生物区系特征的差异。进一步说明我国不该照搬国外的基准标准，应该以我国生物区系生物的毒理学数据为基础进行基准推算。为了提高水生生物基准的科学性和可靠性，用于推导水生生物基准的毒性数据获取的原则为：系统的本土物种试验数据优先原则。优先采用我国具备完善的质量保证体系的优质实验室(如CMA、CNAS、GLP)出具的以本土基准制定受试物种为试验生物的毒性数据。

表5 二甲苯的相关浓度限值

我国现行的二甲苯地表水水质标准是基于人体健康效应的标准，将其与本文推导的二甲苯的水生生物基准值进行比较，发现二甲苯的水生生物基准阈值>健康基准阈值。这表明我国现行的地表水标准可以对人体健康和水生生物均起到保护作用，对水生生物存在“过保护”状况。

文献数据分析表明，中国几大水体中，二甲苯的含量均较低，且远低于本文推导出的二甲苯的慢性基准值0.57 mg·L-1，表明二甲苯对上述水域中的水生生物不存在潜在的生态风险。本结果能在一定程度上反映中国流域水体中二甲苯的总体暴露风险状况，具有一定的参考价值。但由于数据有限，评估结果也有一定的不确定性。

综上所述，本研究得出了保护我国淡水水生生物的二甲苯急性和慢性基准值，分别为1.40 mg·L-1和0.57 mg·L-1；且二甲苯对水生甲壳类生物毒性较大，需注意防范二甲苯对虾蟹养殖业的风险；二甲苯的水生生物基准阈值(0.57 mg·L-1)>现行的二甲苯标准限值(健康) (0.5 mg·L-1)>感官(嗅觉)基准值(0.02 mg·L-1)，表明我国现行的二甲苯地表水水质标准人体健康和水生生物均起到保护作用，但对水生生物存在“过保护”状况。

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Derivation of Freshwater Aquatic Life Water Quality Criteria for Xylene and Their Preliminary Application in Risk Assessment in China

LiuTingting, ZhengXin, Yan Zhenguang*, Liu Zhengtao

State Key Laboratory for Environmental Criteria and Risk Assessment, State Environment Protection Key Laboratory of Ecological Effects and Risk Assessment of Chemicals, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

27 October 2014 accepted 21 November 2014

Ecotoxicity data of xylene to resident freshwater organisms in China were collected and screened. The freshwater organisms covered insect, crustacean, fish, amphibian, annelids, mollusk, rotifer and phytoplankton. Analysis of the ecotoxicity data showed that crustacean species were the most sensitive to xylene. The freshwater aquatic life criteria for xylene were calculated according to the technical guidelines of the US. The acute and chronic criteria threshold values of xylene were determined at 1.41 mg·L-1and 0.57 mg·L-1, respectively. These values were then adopted to perform preliminary ecological risk assessment on the exposure levels of xylene in some freshwater ecosystems in China. The results of risk assessment showed that xylene didn't pose potential risk to aquatic organism in these waterbodies. This study will provide valuable information for the revision of the water quality standard of xylene and management of ambient water environment.

freshwater ecosystem; water quality criteria; species sensitivity distribution; ecological risk assessment; xylene

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07501-003-06)；科技部科技基础性工作专项(2014FY120600)

刘婷婷(1988-)，女，硕士，研究方向为环境基准，E-mail: tingting1308@163.com；

*通讯作者(Corresponding author)，E-mail: zgyan@craes.org.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20141027001

2014-10-27 录用日期：2014-11-21

1673-5897(2015)1-130-09

X171.5

A

闫振广(1972—)，男，博士，副研究员，研究方向为水质基准与生态毒理学，发表论文50余篇。

刘婷婷, 郑欣, 闫振广, 等. 我国水生生物的二甲苯基准阈值探讨及其在风险评估中的初步应用[J]. 生态毒理学报, 2015, 10(1): 130-138

Liu T T, Zheng X, Yan Z G, et al. Derivation of freshwater aquatic life water quality criteria for xylene and their preliminary application in risk assessment in China [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2015, 10(1): 130-138 (in Chinese)