沙颍河流域硝基苯水质基准推导及生态风险评估

丁婷婷，杜士林,2，王宏亮，张亚辉,*，王一喆，何连生

1. 中国环境科学研究院，环境分析测试技术中心，北京 100012 2. 桂林理工大学环境科学与工程学院，桂林 541004

沙颍河是淮河流域最大的一条支流，西起河南省伏牛山，跨豫、皖两省，流经郑州、平顶山、漯河、周口和阜阳等市，东至安徽省颍上县沫河口入淮河。全长约620 km，流域面积39 880 km2，接近淮河流域总面积的1/7。沙颍河子流域是淮河流域上游污染问题突出、污染贡献大的流域之一，同时也是一个多闸坝、高污染和人口密集的典型流域[1]。硝基苯具有强烈的致癌性、致突变性和化学稳定性，且难以被微生物降解，已经成为国际公认的重点环境污染物之一[2]。2001年硝基苯被欧盟“巴塞尔公约”列入环境优先控制有毒有机污染物名单。硝基苯是化学工业大量使用的化工原料和反应中间体，并广泛用于染料和农药的生产[3]，因此有很多途径进入到环境当中。在中国各大水体中均有硝基苯的检出，如长江[4-5]、黄河[6]、松花江和辽河[7]。高继军[8]对我国地表水10个流域水系(包括淮河流域)的有机物污染进行研究，报道了硝基苯在我国地表水中的检出率为83.2%，污染具有普遍性。沙颍河流域重污染行业中化工、制药和印染等占有很大比例，硝基苯作为主要污染物之一不容忽视。然而目前针对沙颍河流域中硝基苯含量的报道几乎没有，因此，在沙颍河流域开展硝基苯的研究具有重要意义。

水质基准(WQC)具体是指环境中污染物对水生生物不产生不良或有害影响的最大剂量或浓度，在水环境治理中起到至关重要的作用，然而我国的水质基准还有待进一步发展，加强完善水质基准体系，尤其加强流域的水质基准具有重大意义。目前中国用于保护地表水的硝基苯标准(0.017 mg·L-1)是从美国现行的硝基苯人体健康标准中复制而来的[9]。然而，美国和中国之间有许多物理、化学和生物因素的差异，这可能会影响某种物质在水生生物中的毒性[10-11]，因此，中国现有的硝基苯标准可能对中国的水生生态系统过保护或者欠保护。目前我国对于硝基苯的水质基准已有不少研究[12-14]，但针对流域的硝基苯水质基准研究几乎没有。对于太湖、辽河等流域的污染物水质基准也有不少研究[15-17]，但都没有应用到环境暴露浓度的风险评估中，所以开展沙颍河流域硝基苯水质基准研究并开展实际暴露浓度的风险评估对于保护沙颍河流域水生生物以及流域管理具有重要意义。

本研究针对典型污染物硝基苯，开展沙颍河流域本土生物的水生生物毒性试验，推导沙颍河流域硝基苯的水环境基准值，并对沙颍河流域地表水中硝基苯的实际暴露浓度进行风险评估，为更好地治理沙颍河流域中硝基苯污染物提供依据。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 效应评估

1.1.1 数据来源

(1)沙颍河流域本土水生生物的搜集主要来自“十二五”重大水专项调研资料、淮河流域水生生物名录、图书《沙颍河常见水生生物图集》[18]以及沙颍河流域水生生物相关文献[19-22]，这为后期毒性数据的筛选提供依据。

(2)搜集迄今已发表的硝基苯的急、慢性毒性数据，数据主要来自US EPA的ECOTOX数据库、中国知网等文献数据库。数据收集后，按照生态毒理数据筛查文献[23]对数据进行筛选，剔除不合格的数据以及不属于沙颍河流域水生生物的数据。

1.1.2 室内毒性试验

1.1.2.1 实验药品

硝基苯(CAS：98-95-3，AR 99%，上海麦克林有限公司)，由于硝基苯较难溶于水，试验前用二甲基亚砜(CAS：67-68-5，AR 99.99%，上海麦克林有限公司)助溶于超纯水中，配制成高浓度母液，再根据需要稀释成相应浓度，各实验中最高浓度组中助溶剂含量不超过10‰。

1.1.2.2 受试生物与驯养条件

所选择的4种受试生物均为沙颍河流域本土物种，包括秀丽白虾(Exopalaemonmodestus)、黄颡鱼(Pelteobagrusfulvidraco)、霍甫水丝蚓(Limnodrilushoffmeistteri)以及河蚬(Corbiculafluminea)。其中，秀丽白虾、霍甫水丝蚓均购自朝来春花鸟鱼虫市场，黄颡鱼购自广东省水产养殖场，河蚬购自河南省海鲜市场。驯养及试验用水均为曝气48 h的自来水，水质参数为：pH 8.08±0.18，温度(23±1) ℃，溶解氧大于6 mg·L-1，总有机碳(0.43±0.13) mg·L-1，电导率(353±1) μS·cm-1，硬度150 mg·L-1(以CaCO3计)左右。所有生物在实验前驯养至少7 d，死亡率在5%以内。

1.1.2.3 毒性试验

毒性试验按照《化学品测试方法: 生物效应卷》[24]执行，根据预实验确定正式试验浓度范围，正式试验设置1个空白对照组，1个溶剂对照组，至少5个浓度组，每组3个平行。急慢性实验均采用半静态试验方法，每隔2天换一次溶液。其中，急性试验周期为4 d，期间不喂食；慢性试验周期为28 d，试验期间按照0.1%生物质量喂食霍甫水丝蚓，一天一次。试验期间测定溶液的温度、pH以及溶解氧等水质指标。对更换前后溶液中的硝基苯浓度进行监控，结果表明，硝基苯的浓度变化在20%以内，符合技术导则规定。硝基苯对沙颍河本土水生生物的急性、慢性毒性试验各项参数见表1。

表1 4种沙颍河本土淡水水生生物毒性试验浓度Table 1 The exposure concentration for 4 native aquatic organisms in the Shaying River

急性毒性试验数据使用SPSS 18.0软件中概率单位回归法计算半致死浓度LC50，慢性毒性试验数据通过SPSS 18.0软件中单因素方差分析(One-Way ANOVA)确定最低可见效应浓度(LOEC)(P<0.05)和无观测效应浓度(NOEC)[25]以及最大可接受毒性浓度(MATC，LOEC与NOEC的几何平均值)，将MATC作为最终慢性结果。鱼类慢性试验以成长为毒性终点，数据参照《水生生物监测手册》[26]，使用概率单位法计算20%效应浓度(EC20)。

1.1.2.4 水质基准值的推导

重新计算法为US EPA推荐方法[27]，是利用实验室的配制水和本地物种进行毒性试验，然后推算出保护本地物种的基准，主要关注物种差异，适用于制订流域基准。确定沙颍河流域水生生物的种类及毒性数据，采用物种敏感度排序法(Species Sensitivity Rank, SSR)计算硝基苯的急性基准值[28]。将搜集筛选的硝基苯数据与本研究补充的毒性数据结合起来，计算每个物种的物种平均急性值(SMAV)和每个属的属平均急性值(GMAV)，将GMAV从小到大进行排序，并且将其分配等级r，最小的属平均急性值的等级为1，最大的属平均急性值的等级为N(N为属的个数)，对每个属平均急性值的累积概率(P)，按公式P=r/(N+1)进行计算，选择累积概率最小的4个属平均急性值，用这4个属平均急性值和它们的累积概率计算最终急性值(FAV)，急性基准(CMC)即为FAV/2，计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

FAV=eA

(4)

式中：S、L和A为计算中采用的符号，没有特殊含义；GMAV为属平均急性值；P为累积概率；FAV为最终急性值。

由于慢性数据不足，慢性值(FCV)采用急慢性比值法计算，慢性基准(CCC)为最终急性值(FAV)与最终急慢性比(FACR)的比值。此外，还与物种敏感度分布法(SSD)[29]计算出的硝基苯基准值进行对比。

1.2 环境暴露浓度

1.2.1 样品采集与处理

分别于2018年平水期(3月)、丰水期(7月)和枯水期(11月)对沙颍河流域主要断面的40个点位进行地表水样品采集，使用手持GPS进行导航定位(图1)。每个采样点采集2 L表层水样，暂存于棕色玻璃瓶中，通过0.45 μm玻璃纤维滤膜过滤，过滤后的水样通过固相萃取进行富集。对C18固相萃取小柱(SPE小柱，6 mL，500 mg)依次用10 mL二氯甲烷、10 mL甲醇和10 mL超纯水活化填料，在真空压力下使2 L水样以<5 mL·min-1的流速通过小柱进行富集。富集完毕后，用封口膜封存小柱，并用铝箔纸包好，放入车载冰箱中4 ℃以下避光保存小柱，冷藏状态下运输到实验室。干燥后的SPE小柱使用二氯甲烷和正己烷(体积比为1∶1)作为洗脱剂以1 mL·min-1流速洗脱待测物，淋洗液收集于带刻度的K-D玻璃瓶中，氮吹定容至1 mL，待下一步上机检测。

图1 沙颍河流域水样采样点分布Fig. 1 Distribution of water sampling sites in the Shaying River Basin

1.2.2 样品测试与质量保证

使用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)对样品进行分析。进样模式为进样量1 μL，分流进样。色谱柱为Agilent 122-5532，柱流量为1.00 mL·min-1。柱温程序：初始温度60 ℃，保留10 min，以10 ℃·min-1的速度上升到200 ℃后，保持10 min，再以15 ℃·min-1的速度上升到250 ℃，保持20 min。离子源温度为230 ℃，传输线温度为280 ℃，溶剂延迟时间为5 min。采用SIM方法对标准样品及测试样品进行测定，选定替代物硝基苯-D5的定量离子(82.0)、定性离子对(128.0/54.0)，硝基苯的定量离子(77.0)、定性离子对(123.0/65.0)，内标1-溴-2-硝基苯的定量离子(75.0)、定性离子对(50.0/155.0)，并确定硝基苯保留时间为7.472 min。

硝基苯和替代物硝基苯-D5均采用线性校准曲线进行校准，其中硝基苯的线性校准曲线相关系数r2=0.9982，硝基苯-D5的线性校准曲线相关系数r2=0.9966。测定过程中，设置空白和平行，空白未检测出硝基苯，平行偏差<5%。替代物加标回收率为90.1%～103.2%，空白加标回收率为73.2%～91.3%。

1.3 生态风险评估方法

采用层级风险评估方法(商值法、安全阈值法和联合概率曲线法)[30-31]对沙颍河流域丰水期、枯水期和平水期地表水的硝基苯进行生态风险评估。

1.3.1 商值法

商值法(Hazardous Quotient, HQ)是污染物对生物的毒性浓度和污染物在环境中的暴露数据进行整合分析的过程。本文HQ值是将污染物的环境暴露浓度(EC)除以该物质慢性基准值(CCC)，其结果按照一定的等级分类，来表征风险大小[31]。其中，HQ<0.1，无生态风险；0.1≤HQ<1.0，生态风险较低；1.0≤HQ<10，中等生态风险；HQ>10，生态风险较高。因为使用HQ法进行风险评估时，未考虑水体中其他因素对水生生物安全的影响。所以HQ法只能用于生态风险初步评估。

1.3.2 安全阈值法

安全阈值法(Margin of Safety, MOS10)是通过使用生物毒性数据累积概率分布10%处的临界值(SSD10)与污染物环境暴露浓度累积概率分布90%处的临界值(ECD90)的比值，来分析目标污染物的生态风险程度。总体来说，安全阈值法同时使用了污染物毒性效应分布曲线与污染物环境暴露浓度曲线，是在商值法基础上的延伸。一般MOS10取值为1界定风险程度：MOS10<1表明毒性数据和暴露浓度的分布具有高重合度并且可能导致对水生生物的高风险；MOS10>1表明对水生生物几乎没有环境风险[31]。

1.3.3 联合概率曲线法

联合概率曲线法(Joint Probability Curve, JPC)是基于安全阈值法开发的联合概率曲线，JPC通过Matlab拟合获得关系曲线，曲线越靠近X轴，说明目标污染物对水生生物的生态风险越小[30]。与前2种方法相比，它能更好地描述环境风险。

2 结果与讨论(Results and discusions)

2.1 沙颍河本土生物毒性试验结果

在急性、慢性毒性试验过程中，空白对照组和助溶剂对照组的水生生物均未出现死亡。急性实验结果如表2所示，硝基苯对4种沙颍河本土生物的毒性大小为：黄颡鱼(LC50=17.397 mg·L-1)>秀丽白虾(LC50=45.436 mg·L-1)>河蚬(LC50=119.069 mg·L-1)>霍甫水丝蚓(LC50=178.299 mg·L-1)，黄颡鱼为最敏感生物，霍甫水丝蚓为最不敏感生物。有研究报道，硝基苯对于黄颡鱼的96 h-LC50为81.57 mg·L-1[16]，高于本研究，可能因为所选的黄颡鱼规格大小不同，导致其对污染物敏感性不同。杨扬等[32]的研究结果中，硝基苯对霍甫水丝蚓96 h-LC50为285. 76 mg·L-1，表现为低等毒性，与本文中霍甫水丝蚓为不敏感生物结果一致。

表2 硝基苯对4种本土水生生物的急性毒性试验结果Table 2 Acute toxicity test results of nitrobenzene on 4 native aquatic organisms

由表3可知，硝基苯对黄颡鱼的慢性试验中，秀丽白虾和黄颡鱼28 d-NOEC分别为2.858 mg·L-1和3.429 mg·L-1；28 d-LOEC分别为5.144 mg·L-1和6.173 mg·L-1；黄颡鱼以生长为毒性终点的28 d-EC20为4.538 mg·L-1。黄颡鱼以生长为毒性终点与以死亡为毒性终点的敏感度相当。硝基苯慢性毒性研究表明，硝基苯能抑制生物发育[33]，导致生物体重减轻。Zheng等[30]基于6个不同的毒性终点研究了莠去津对水生生物的毒性效应，发现繁殖是最敏感的毒性终点，其次分别为基因、行为、生化和生长，致死为最不敏感的毒性终点。这与本文结果不同，可能因为莠去津具有强烈内分泌干扰物效应，直接影响生物的繁殖，而硝基苯主要抑制生物发育，不同污染物对水生生物的毒性机理不同。

表3 硝基苯对2种本土水生生物的慢性毒性试验结果Table 3 Chronic toxicity test results of nitrobenzene on 2 native aquatic organisms

2.2 沙颍河流域硝基苯水生生物基准阈值推导

搜集筛选了硝基苯对沙颍河流域本土水生动物急性毒性数据共19个，慢性毒性数据共7个，对淡水植物的毒性数据7个。将搜集筛选的硝基苯数据与本研究的试验数据结合起来进行排序，结果见表4。

表4 本土水生生物分布与硝基苯急性毒性数据Table 4 The distribution of native aquatic organisms and acute toxicity data of nitrobenzene

整理数据得出，沙颍河流域生物硝基苯急性毒性数据共11个属，由表4得到GMAV最小的4个生物依次为日本沼虾(0.039 mg·L-1)、青鳉(1.8 mg·L-1)、鲤鱼(1.907 mg·L-1)和黄颡鱼(17.397 mg·L-1)。采用SSR法计算得到FAV，结果如表5所示。

表5 沙颍河流域硝基苯基准值的计算结果Table 5 The results of water quality criteria of nitrobenzene in Shaying River Basin

计算得到FAV为0.014 mg·L-1，CMC为0.007 mg·L-1。黄颡鱼、大型溞和秀丽白虾的急慢性比(ACR)分别为3.836、5.132和11.851，通过这3种水生生物ACR的几何平均值算出FACR为6.156。FCV为FAV/FACR，CCC为FCV和植物毒性终值两者中的最小值(FPV，3.2 mg·L-1)，得出CCC为0.002 mg·L-1。此外，采用物种敏感度分布法(SSD曲线用Log-logistic函数进行拟合)得出硝基苯的急性、慢性基准值分别为0.208 mg·L-1和0.034 mg·L-1。SSD法求得的沙颍河流域硝基苯基准值高于SSR法，主要因为SSD法更多地依赖整体毒性数据对基准的影响，不能考虑到敏感生物的毒性数据。所以SSD法与SSR法推导的硝基苯基准值有一定差异，甚至不是一个数量级，本文采用SSR法的计算结果。

Yan等[34]用SSR法推导出国家层面的硝基苯急性基准值(0.018 mg·L-1)高出沙颍河流域的基准值2倍多。闫振广等[35]在研究中报道了四大流域的镉急性基准值，其全部小于国家镉的基准值，这与本文结果相似。首先，水生生物的区系分布具有很强的地域性，这不仅体现在国内外物种差异中，在中国不同流域水环境中分布的水生生物也会存在较大差异，因而不同流域的基准值也会不同[36-37]。由于物种分布差异对流域的基准推导有直接影响，因此受试生物的筛选是水质基准推导的重点之一。本文筛选的水生生物均为沙颍河流域内的本土水生生物，补充沙颍河流域本土生物毒性数据时所选取的生物均为沙颍河流域的优势物种。在沙颍河流域中，鲫鱼(Carassiusauratus)为重要经济鱼种，黄颡鱼(Pelteobagrusfulvidraco)和长吻鮠(Leiocassislongirostris)均为重点保护物种，乌鳢(Channaargus)、萼花臂尾轮虫(Brachionuscalyciflorus)和大型溞(Daphniamagna)均为国际通用物种，霍甫水丝蚓(Limnodrilushoffmeisteri)、铜锈环棱螺(Bellamyaaeruginosa)、河蚬(Corbiculafluminea)和秀丽白虾(Exopalaemonmodestus)均为沙颍河流域的优势物种[38]，可作为基准研究的受试生物。因此，在推导沙颍河流域水质基准时，可考虑采用上述物种进行毒性试验。其次，有文献报道氨氮、镉等水质基准受到温度、pH和硬度等水质参数的影响[36,38]，但目前还未有文献报道水质因子对硝基苯基准的影响。此外，推导水质基准的方法不同也会影响基准数值的大小[39]，而污染物的毒性终点也是基准研究中需要考虑的因素[10,30]。

与中国地表水环境质量标准值(0.017 mg·L-1)[40]对比，现行的硝基苯标准对沙颍河流域水生生态系统不管是短期还是长期都欠保护。“欠保护”就不能对水生生物起到保护作用，直接危害到水生态系统的安全，因此，我国《地表水环境质量标准》中硝基苯的标准阈值应当考虑到特定流域的特征，如水生生物种类差异，以使得基于流域水环境推导得出的基准值可以为大多数生物提供适当保护。

2.3 沙颍河流域硝基苯的生态风险评估

2.3.1 商值法生态风险评估

对沙颍河流域40个点位进行硝基苯浓度检测，总体含量较低，但检出率较高，平水期、丰水期和枯水期的检出率分别为80%、100%和97.5%。硝基苯各时期含量统计结果如表6所示，沙颍河流域地表水中各时期硝基苯平均浓度顺序为枯水期>平水期>丰水期，主要原因是夏季雨水多，流域内径流量大，导致河流中硝基苯的浓度降低；反之，冬季雨水少，流域内径流量小，导致河流中硝基苯的浓度增高。计算了不同采样点间硝基苯浓度的变异系数以分析其浓度的沿程变化情况。结果显示，平水期和丰水期硝基苯浓度含量变异系数均超过100%，说明各采样点硝基苯含量存在较大差异。

表6 沙颍河流域地表水硝基苯含量统计Table 6 Statistics of nitrobenzene content in surface water of Shaying River Basin

采用商值法对沙颍河流域硝基苯进行生态风险评估，以沙颍河硝基苯的实际暴露浓度除以沙颍河流域硝基苯的慢性基准值(0.002 mg·L-1)。沙颍河流域地表水平水期、枯水期和丰水期硝基苯的HQ值空间分布如图2所示。在3个时期中，沙颍河流域硝基苯处于较低风险甚至无风险水平，表明沙颍河流域硝基苯对水生生物基本没有风险。

图2 沙颍河流域水体硝基苯危害商值(HQ)的空间分布Fig. 2 Spatial distribution of hazardous quotient (HQ) values of nitrobenzene in the Shaying River Basin

2.3.2 安全阈值法生态风险评估

采用Log-logistic函数进行曲线拟合，函数方程为y=1/{1+exp[(A-x)/b2]}，用软件Origin8.0绘制的硝基苯环境暴露浓度累积分布曲线和急性毒性数据分布曲线见图3，拟合曲线的具体参数见表7，拟合效果较好，可以使用安全阈值法进行生态风险评估。

表7 硝基苯曲线拟合参数Table 7 The curve fitting parameters of nitrobenzene

图3 沙颍河流域硝基苯暴露浓度数据和生物急性毒性数据分布Fig. 3 Distribution of exposure concentration in Shaying River Basin and acute toxicity data of nitrobenzene

运用安全阈值法评估沙颍河流域水体中硝基苯的生态风险，根据图3可以得到，硝基苯丰水期、枯水期和平水期环境暴露浓度累积分布曲线上90%处的浓度(EXD90)分别为59.024、259.507和69.407 ng·L-1，硝基苯物种敏感度分布曲线上10%处的浓度(SSD10)为6.474 mg·L-1，计算出丰水期、枯水期和平水期安全阈值(MOS10)分别为10.97×104、2.49×104和9.34×104，结果都远远大于1。由于慢性毒性数据不足，这里使用急性毒性数据进行SSD曲线拟合，后续慢性毒性数据有待补充。但从图3中可以明显看出，沙颍河流域丰水期、枯水期和平水期的硝基苯暴露浓度均低于硝基苯的慢性基准值，从而可以推断沙颍河流域中硝基苯对沙颍河水生生物基本无潜在的生态风险，这与商值法的结果一致。

2.3.3 联合概率曲线法

联合概率曲线法显示线下面积为零，表明沙颍河流域硝基苯无生态风险，这与商值法和安全阈值法评估的结果一样。

生态风险评价的目的是定性和定量评估污染物对水生生物的生态风险。目前已经开发了不同的评估方法来评估污染物的环境风险。在这些方法中，商值法(HQ)是最常用的，因为它比较简单，然而，HQ法进行风险评估时，未考虑水体中其他因素对水生生物安全的影响，所以HQ法只能用于生态风险初步评估；安全阈值法(MOS10)同时使用了污染物毒性效应分布曲线与污染物环境暴露浓度曲线，是在商值法基础上的延伸；联合概率曲线(JPC)由环境暴露浓度与毒性效应浓度通过Matlab编程拟合成一条曲线，与前2种方法相比，它能更好地描述环境风险。本文层级风险评估结果一致，即沙颍河水体中硝基苯对沙颍河水生生物基本没有风险，评估结果为沙颍河流域硝基苯的管理提供参考。

综上所述，本研究结果表明：

(1) 硝基苯对秀丽白虾、霍甫水丝蚓、黄颡鱼和河蚬的96 h-LC50分别为45.436、178.299、17.397和119.069 mg·L-1；秀丽白虾和黄颡鱼28 d-NOEC分别为2.858 mg·L-1和3.429 mg·L-1；28 d-LOEC分别为5.144 mg·L-1和6.173 mg·L-1；黄颡鱼28 d-EC20为4.538 mg·L-1。

(2) 采用SSR法得出沙颍河流域硝基苯CMC和CCC分别为0.007 mg·L-1和0.002 mg·L-1，结果低于我国现行的《地表水环境质量标准》，因此，现行的硝基苯标准阈值应当考虑到特定的流域特征，如水生生物种类差异。

(3) 使用层级风险评估方法(商值法、安全阈值法和联合概率曲线法)对沙颍河流域地表水的硝基苯进行风险评估。3种方法风险评估结果一致，沙颍河水体中硝基苯对沙颍河水生生物基本没有风险。

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