应用不同毒理学终点评估酚类物质的生态危害和风险

张怡婷，王　蕾，刘济宁①，石利利

(1.南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏 南京　210044；2.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京　210042)



应用不同毒理学终点评估酚类物质的生态危害和风险

张怡婷1,2，王蕾2，刘济宁2①，石利利1

(1.南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏 南京210044；2.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京210042)

摘要：以我国典型湖泊、河流中检出率较高的五氯酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚、4-硝基酚、2,4-二硝基酚以及列入美国优先监测污染物的2-甲基-4,6-二硝基酚为研究对象，分别应用急性毒性终点、慢性致死效应终点和/或慢性非致死效应终点开展基于物种敏感度分布法和评估因子法的生态危害评估；在此基础上结合我国典型湖泊、河流中酚类物质实测浓度计算五氯酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚和4-硝基酚的长期风险商。结果表明，应用繁殖发育等慢性非致死效应终点得到的五氯酚、2,4-二硝基酚的5%物种危害浓度(HC5)明显低于其应用慢性致死效应终点得到的HC5。太湖、三江(松花江、长江、珠江)四河(辽河、海河、黄河、淮河)以及钱塘江水系中五氯酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚和4-硝基酚的水生态风险是可接受的。但五氯酚对我国三江四河的长期危害风险亟需引起关注，特别是对水生生物繁殖、发育和生长等的非致死性危害。

关键词：酚类化学品；水生生物；物种敏感度分布；评估因子；风险商

酚类化学品因其具有一定的水溶解性、较强的反应活性和难生物降解性而对水生生物产生显著危害。相对于致死效应,非致死效应一般触发于低浓度长期暴露作用条件下,且其致毒效应往往对生物种群的繁衍造成严重损伤。因此酚类化学品的生态危害,特别是长期危害,已受到广泛关注[1-3]。

五氯酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚等氯酚类和4-硝基酚、2,4-二硝基酚、2-甲基-4,6-二硝基酚等硝基酚类化学品属于美国优先监测的水环境污染物[4],在我国典型湖泊、河流中也频繁检出[5-10]。GB 3838—2002《地表水环境质量标准》虽明确了五氯酚、2,4-二氯酚和2,4,6-三氯酚的标准限值,但其目的并非是保护水生生物,而是保护饮用水地表水源地的安全[11]。因此评估氯酚类和硝基酚类化学品的水生态危害及其风险,对于明确我国优控化学品类别、制定保护水生生物的地表水标准具有实际意义。

物种敏感度分布法(SSD)是以生物毒性数据为基础的化学品生态危害评估法,用以推导危害5%物种(即保护95%物种)的化学品长期连续浓度(HC5,慢性)和短期瞬时浓度(HC5,急性)[12]。根据美国、欧盟等发达国家和地区的SSD法危害评估导则文件,HC5,慢性可根据慢性毒性数据拟合的累积概率模型计算,也可通过最终急性慢性毒性比(FACR)外推得到[13-14]。然而在慢性毒性数据累积概率模型的拟合过程中,该导则对慢性致死毒性终点和慢性非致死毒性终点却未加以区分。因此,研究以慢性致死毒性终点和慢性非致死毒性终点为基础的HC5,慢性(分别表示为HC5,慢性致死和HC5,慢性非致死)的差异性,以及FACR法从HC5,急性外推HC5,慢性致死或HC5,慢性非致死的适用性,对于完善SSD危害评估法、揭示化学品致毒特点具有指导意义。

为此,以我国典型湖泊、河流检出率较高的五氯酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚、4-硝基酚、2,4-二硝基酚以及列入美国优先监测污染物的2-甲基-4,6-二硝基酚为研究对象,分别构建基于急性毒性终点、慢性致死效应终点和慢性非致死效应终点的累积概率分布模型,并分析模型之间的差异,在开展生态危害评估的基础上对五氯酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚、4-硝基酚在我国典型湖泊、河流的生态风险进行评价和分析。

1材料与方法

1.1暴露数据的收集

从近年公开发表的文献中获取我国典型湖泊、河流中五氯酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚和4-硝基酚浓度的检测数据。太湖中2,4-二氯酚和2,4,6-三氯酚浓度选取太湖8个区域58个采样点检测数据的最高值,三江(松花江、长江、珠江)四河(辽河、海河、黄河、淮河)中五氯酚、2,4-二氯酚和2,4,6-三氯酚浓度选取遍布该区域的623个采样点检测数据的第90百分位数检测数据的最高值,钱塘江水系中2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚和4-硝基酚浓度选取金华江、兰江、富春江和钱塘江杭州段35个采样点检测数据的平均值。

1.2生物毒性数据的收集

6种酚类物质对多种水生生物的急性和慢性毒性数据来自ECOTOX[15]和eChemPortal[16]毒性数据库,急性毒性数据的毒性效应终点为半数效应浓度(EC50)或半数致死浓度(LC50),慢性毒性数据的毒性效应终点为最大无效应浓度(NOEC)。其中以死亡为终点的慢性毒性数据归类为慢性致死效应组,以生长率、繁殖率和发育率等非致死效应为终点的慢性毒性数据归类为慢性非致死效应组。慢性致死效应和非致死效应终点分别标记为NOEC致死和NOEC非致死。6种酚类化学品的急性和慢性毒性数据统计值见表1。

表16种酚类化学品的急性和慢性毒性数据统计值

Table 1Statistics of acute and chronic toxicity data of six phenolic compounds

化学品名称EC50或LC50NOEC致死NOEC非致死物种数ρ/(mg·L-1)均值标准偏差物种数ρ/(mg·L-1)均值标准偏差物种数ρ/(mg·L-1)均值标准偏差五氯酚142.540.75120.190.27150.110.122,4-二氯酚143.640.3230.280.1960.480.302,4,6-三氯酚193.330.3040.740.2861.130.594-硝基酚234.130.3278.539.1853.914.042,4-二硝基酚173.890.4053.293.9351.901.992-甲基-4,6-二硝基酚83.190.5282.073.25152.583.81

EC50为半数效应浓度;LC50为半数致死浓度;NOEC致死为以死亡为终点的最大无效应浓度;NOEC非致死为以非致死效应为终点的最大无效应浓度。

进行数据筛选的条件包括:(1)毒性试验采用国际标准方法;(2)鉴于基因和蛋白等微观指标的不确定性较大,排除微观指标的测试数据;(3)使用同一受试物种所做的急性(或慢性)毒性试验,如果得出的急性(或慢性)值相差10倍以上,则将边界外的值剔除,如果无法确定哪个值是边界外值,则该物种的所有数据均不予采纳[17];(4)如果一个物种有多个符合要求的数据,采用这些值的几何平均值[18]。

1.3HC5值的计算

采用SSD法综合评估酚类物质对多种生物的综合危害。SSD法的基本内涵是指在结构复杂的生态系统中,不同物种对某一胁迫因素的敏感度服从一定的(累积)概率分布,可以通过概率或者经验分布函数来描述不同物种样本对胁迫因素的敏感度差异[19]。该研究在拟合物种敏感度分布曲线时按照以下步骤进行:(1)首先按照浓度值大小对经过筛选的物种毒性数据从小到大排序;(2)以物种毒性数据的自然对数值为横坐标,以每个数据的编号除以数据总数加1为纵坐标;(3)应用SigmaPlot 12.5软件中内置的Sigmoid、Weibull、Gompertz和Hill等多种函数拟合构建物种敏感度分布曲线;(4)使用校正决定系数(R2)判断模型的拟合优度,最终选择拟合优度高、参数少的模型作为该物质的物种敏感度分布模型(SSD模型)。

为了验证不同毒性终点对SSD法危害评估结果的影响,分别以急性毒性数据、慢性致死效应数据和慢性非致死效应数据构建SSD模型,进而分别得到3个5%物种危害浓度(即保护95%物种的化学品浓度),即HC5,急性、HC5,慢性致死和HC5,慢性非致死。此外,采用FACR除HC5,急性外推得到保护95%物种长期不受危害的浓度,以HCFACR5，慢性表示。以此对比基于急性毒性数据的FACR外推法和基于慢性毒性数据的直接评估法的差异。FACR为3个或以上物种的急性慢性毒性比的几何平均值,要求最少包含鱼类、无脊椎动物类和敏感淡水类生物中的1种[20]。

1.4预测无效应浓度(PNEC)的预测

采用评估因子法预测PNEC,评估因子的选择参照欧盟《化学品的注册、评估、授权和限制》(REACH)法规对危害评估因子的选择方法(表2):对于具备3个营养级物种长期试验数据的待评估物质,采用10为评估因子;对于具备3个营养级物种短期试验数据的待评估物质,采用1 000为评估因子,将HC5除以评估因子,得到短期PNEC。

表2推导水环境系统PNEC的数据要求和评估因子

Table 2Assessment factors and data requirements for derivation of PNEC of water environment systems

数据要求评估因子3个营养级别生物每级至少有1项短期LC50(EC50)10001项长期试验的NOEC1002个营养级别生物2个物种的长期NOEC503个营养级别生物至少3个物种的长期NOEC10野外数据或模拟生态系统视情况而定(1～5)

EC50为半数效应浓度;LC50为半数致死浓度;NOEC为最大无效应浓度。

1.5风险商的计算

采用风险商法表征酚类物质的生态风险。风险商(RQ，QR)为环境暴露浓度(PEC)除以预测短期无效应浓度或长期无效应浓度(PNEC)的商。风险商法提供了一种相对简明的方式来决定需要进一步进行详细评估的潜在化学品,可对筛选出的需要详细分析的潜在风险化学品进行排序。当QR为0.1～1.0 时,表明化学品对环境存在一定风险,需要对相关风险源展开跟踪观察;当QR超过1.0 时,表明化学品对环境存在比较严重的风险,需要采取相应的风险削减措施。尽管只有QR大于1.0的化学品被确定为具有风险,但实际情况是任何商值大于0.3的化学品都需开展更严格的风险评估[21]。

2结果与分析

2.1基于急慢性毒性的HC5值计算

对6种酚类化学品的急性毒性数据进行检验,结果显示其数据符合对数正态分布。利用Sigmoid模型对6种酚类化学品的相关数据进行拟合和分析,得到基于急性毒性的物种敏感度分布曲线(图1)。根据图1所对应的拟合模型,计算得到累积概率为0.05时所对应的6种酚类物质浓度,即HC5,急性(表3)。由表3可知,五氯酚的HC5,急性明显低于其他几种酚类;2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚和2-甲基-4,6-二硝基酚的ρ(HC5,急性)为355～756 μg·L-1;4-硝基酚和2,4-二硝基酚的ρ(HC5,急性)较高,分别为2 445和2 550 μg·L-1。从急性毒性的累积分布曲线也可以看出,五氯酚的拟合曲线显著偏左,说明五氯酚对大部分物种的急性EC50值明显低于其他几种物质。

图1　6种酚类化学品的急性毒性累积分布曲线

在验证数据符合对数正态分布的基础上,对慢性毒性数据量≥5的五氯酚、4-硝基酚、2,4-二硝基酚和2-甲基-4,6-二硝基酚这4种酚类进行基于NOEC致死和NOEC非致死的慢性毒性累积分布曲线拟合,对慢性非致死效应数据≥5的2,4-二氯酚和2,4,6-三氯酚进行基于NOEC非致死的慢性毒性累积分布曲线拟合,结果见图2。由表3可知,五氯酚的HC5,慢性致死和HC5,慢性非致死仍相对较低。就HC5,慢性非致死值而言,由低到高依次为五氯酚、2-甲基-4,6-二硝基酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚、2,4-二硝基酚和4-硝基酚;就HC5,慢性致死而言,由低到高依次为五氯酚、2-甲基-4,6-二硝基酚、4-硝基酚和2,4-二硝基酚。

图2　4种酚类化学品的慢性毒性累积分布曲线

表3基于急慢性毒性物种敏感度分布模型的HC5值

Table 3HC5derived based on the acute and chronic toxicity SSD models

化学品名称ρ/(μg·L-1)HC5,急性HC5,慢性致死HC5,慢性非致死FACRHCFACR5,慢性五氯酚38.816.32.597.585.122,4-二氯酚756—1201.654582,4,6-三氯酚593—1862.772144-硝基酚244510244712.549632,4-二硝基酚255014602082.649662-甲基-4,6-二硝基酚35513162.652.98119

HC5,急性为危害5%物种的化学品短期瞬时浓度;HC5,慢性致死和HC5,慢性非致死分别为以慢性致死毒性终点和慢性非致死毒性终点为基础的危害5%物种的化学品长期连续浓度;FACR为最终急性慢性毒性比;HCFACR5，慢性为保护95%物种长期不受危害的化学品浓度;“—”表示因数据不足而未计算该值。

对比发现,五氯酚、4-硝基酚、2,4-二硝基酚和2-甲基-4,6-二硝基酚的HC5,慢性非致死均低于HC5,慢性致死,其中五氯酚的HC5,慢性致死是HC5,慢性非致死的6.29倍。从慢性毒性的累积分布曲线也可以看出,与基于NOEC致死的拟合曲线相比,五氯酚的NOEC非致死拟合曲线明显偏左,且2条曲线累积概率值的偏差随着浓度降低而增大。4-硝基酚和2,4-二硝基酚的NOEC非致死拟合曲线在低浓度范围内处于NOEC致死拟合曲线的上方,浓度升高后两者有所重叠。这说明对五氯酚、4-硝基酚和2,4-二硝基酚的慢性无效应浓度较低的敏感生物,其长期暴露于这些物质的致死效应阈值和繁殖、发育等非致死效应阈值相差较大,且非致死效应响应更加敏感;而对于这些物质暴露不敏感的物种,其长期暴露于这些物质的致死效应阈值和非致死效应阈值差异较小,甚至交叠。而2-甲基-4,6-二硝基酚的NOEC致死和NOEC非致死拟合曲线比较接近,差异不如其他3种酚类物质明显。这说明2-甲基-4,6-二硝基酚对大多数物种的致死效应阈值和非致死效应阈值均比较接近。

由表3可知,五氯酚、4-硝基酚、2,4-二硝基酚和2-甲基-4,6-二硝基酚这4种酚类的HCFACR5，慢性均介于HC5,慢性非致死与HC5,慢性致死之间;2,4-二氯酚和2,4,6-三氯酚的HCFACR5，慢性和HC5,慢性非致死虽存在一定差异,但处于同一数量级。

2.2PNEC预测

用基于急性毒性和慢性毒性的HC5值分别除以评估因子1 000和10,得到基于SSD法和评估因子法的酚类PNEC值(表4)。

表46种酚类化学品的PNEC评估结果

Table 4PNEC assessment of the six phenolic compounds

μg·L-1

PNEC为预测无效应浓度;HC5,急性为危害5%物种的化学品短期瞬时浓度;HC5,慢性致死和HC5,慢性非致死分别为以慢性致死毒性终点和慢性非致死毒性终点为基础的危害5%物种的化学品长期连续浓度;“—”表示因数据不足而未计算该值。

由表4可知,由于采用的评估因子较大(1 000),基于HC5,急性的PNEC值比基于HC5,慢性的PNEC值低1～2个数量级;由于HC5,慢性非致死和HC5,慢性致死之间存在一定差异,因此在采用相同评估因子10的前提下,基于HC5,慢性致死的PNEC值仍是基于HC5,慢性非致死的PNEC值的2～6倍。

2.3基于商值法的长期生态风险评估

根据我国典型湖泊、河流中五氯酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚和4-硝基酚浓度的检测数据,利用商值法计算得到4种酚类化学品的长期危害风险因子(表5)。其中,风险评估因子QR，致死和QR，非致死分别为基于HC5,慢性致死和HC5,慢性非致死的PNEC值除环境暴露浓度的商值。由表4可知,太湖、三江四河以及钱塘江水系中,QR，致死和QR，非致死值普遍小于0.3。这说明我国现有报道实际检测浓度的主要河流、湖泊中五氯酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚和4-硝基酚的水生态风险是可接受的。虽然在三江四河中平均检出率在50%以上的五氯酚的QR，致死值仅为0.147,但其QR，非致死值却高达0.924。这说明目前三江四河中五氯酚虽未对水生生物生存造成显著影响,但其对生物的繁殖、发育和生长造成的危害已接近风险触发值。4-硝基酚、2,4-二氯酚和2,4,6-三氯酚在太湖、三江四河和钱塘江水系中的QR，非致死值为0.002～0.059,相对风险较低。

表54种酚类化学品的长期生态风险评估结果

Table 5 Chronic ecological risk assessment of four phenolic compounds

化学品名称太湖[5]三江四河[6]钱塘江水系[7]ρ1)/(ng·L-1)QR,非致死ρ2)/(ng·L-1)QR,致死QR,非致死ρ3)/(ng·L-1)QR,致死QR,非致死五氯酚——239.40.1470.924———2,4-二氯酚19.60.00283.2—0.007712—0.0592,4,6-三氯酚35.90.002178.0—0.010225—0.0124-硝基酚—————8630.0080.018

三江四河指松花江、长江、珠江、辽河、海河、黄河和淮河;QR，致死为致死评估因子;QR，非致死为非致死评估因子;“—”表示因数据不足而未计算该值。1)检出浓度最高值;2)第90百分位数检出浓度最高值；3)检出浓度平均值。

3讨论

对于五氯酚、4-硝基酚、2,4-二硝基酚和2-甲基-4,6-二硝基酚而言,利用SSD法计算得到的基于慢性致死效应终点和繁殖发育等非致死效应终点的5%物种危害浓度HC5有一定差异。其中五氯酚、2,4-二硝基酚差异较大,2-甲基-4,6-二硝基酚差异最小。结合这些物质的物种敏感度分布曲线可知,该结果说明不同物质对敏感水生生物的致死效应阈值和非致死效应阈值差距不同。两者差距是造成HC5,慢性非致死低于HC5,慢性致死的重要原因。由此可见,对于低浓度下致死效应阈值与非致死效应阈值相差较大的物质,应更加关注其低浓度长期致毒作用;进行危害评估时,应分别对其建立基于致死效应终点和非致死效应终点的评估模型,否则将导致危害评估结果存在显著偏差。

如何利用有限的数据科学外推其长期危害,具有重要的实际意义。笔者利用FACR除HC5,急性得到HC5,慢性的结果证实,基于该方法得到的氯酚类和硝基酚类物质危害评估结果与基于慢性毒性数据得到的危害评估结果相近。在慢性毒性数据缺失的情况下,FACR法可以较准确地实现HC5,急性到HC5,慢性的外推。需注意的是,在利用此结果计算PNEC时应考虑由此外推过程中产生的不确定性,适当增大评估因子。

氯酚和硝基酚均属于美国环境保护署高度关注的水环境优先污染物类别,五氯酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚、4-硝基酚和2,4-二硝基酚在我国典型湖泊、河流也有频繁检出[5-10]。该研究结果表明,五氯酚对我国三江四河的长期危害风险亟需引起关注,特别是对水生生物的繁殖、发育和生长等非致死性危害。此外,对照笔者计算的五氯酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚的HC5值和GB 3838—2002中3者在集中式生活饮用水地表水源地中的标准限值(五氯酚:9 μg·L-1;2,4-二氯酚:93 μg·L-1;2,4,6-三氯酚:200 μg·L-1),该标准值低于HC5,急性,却接近HC5,慢性非致死。在不考虑推导过程中由物种差异、实验室内部和外部数据差异、实验室数据向野外试验数据外推等产生不确定性的前提下,GB 3838—2002中针对集中式生活饮用水地表水源地所建立的五氯酚、2,4-二氯酚和2,4,6-三氯酚标准限值尚可保护水生生物的安全。但鉴于上述不确定性因素的客观存在,建议进一步研究计算针对保护水生生物的五氯酚、2,4-二氯酚和2,4,6-三氯酚标准限值。

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(责任编辑： 许素)

Using Different Toxicological End Points to Evaluate Phenolic Compounds for Ecological Hazard and Risk.

ZHANGYi-ting,WANGLei,LIUJi-ning,SHILi-li

(1.School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;2.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environment Protection, Nanjing 210042, China)

Abstract:As phenolic compounds such as pentachlorophenol(PCP), 2,4-dichlorophenol(2,4-DCP), 2,4,6-trichlorophenol(2,4,6-TCP), 4-nitrophenol(4-NiP), 2,4-dinitrophenol(2,4-DNP) and 2-methyl-4,6-dinitrophenol are frequently detected in the surface water of China and 2-methyl-4,6-dinitrophenol is also listed as a priority pollutant for monitoring in the USA, evaluation was performed of those compounds for ecological hazards, using the species sensitive distribution (SSD) approach and the assessment factor (AF) approach, based on the acute toxicity endpoints, the chronic lethal endpoints and the chronic non-lethal endpoints. On the basis of concentrations of these compounds measured in the lakes and rivers typical of China, chronic ecological risk quotients (RQ) of PCP, 2,4-DCP, 2,4,6-TCP and 4-NiP were worked out. Results show that the HC5(hazardous concentration for 5% of the species) of PCP and 2,4-DCP derived by the chronic non-lethal endpoints was obviously lower than that derived by the chronic lethal endpoint. Furthermore, the ecological risks of PCP, 2,4-DCP, 2,4,6-TCP and 4-NiP in the Taihu lake, Songhua River, Yangtze River, Pearl River, Liaohe River, Haihe River, Yellow River, Huaihe River, and the Qiantang River system, were all at acceptable level. However the long-term hazardous risk of PCP in these waterbodies should arouse close attention, especially to its chronic non-lethal hazard to reproduction, development and growth of the aquatic organisms as its RQ is very close to 1.

Key words:phenolic compound;aquatic organism;species sensitivity distribution;assessment factor;risk quotient

作者简介：张怡婷(1991—),女,宁夏固原人,硕士生,主要从事化学品生态危害研究。E-mail: fei1991124@163.com

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.02.024

中图分类号：X826

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)02-0326-06

通信作者①E-mail: ljn@nies.org

基金项目：国家高技术研究发展计划(2013AA06A308)

收稿日期：2015-03-26