胡習邦，曾東，王俊能，賀德春，許振成

環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣東 廣州 510655

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應用物種敏感性分布評估苯胺的水生生態(tài)風險

胡習邦，曾東，王俊能，賀德春，許振成*

環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣東 廣州 510655

摘要：應用物種敏感性分布（Species Sensitivity Distribution，SSD）方法構建了淡水生物對苯胺（Aniline）的敏感性分布曲線，計算了苯胺對不同生物的5%危害濃度（HC5），分析比較不同類別生物對苯胺的毒性敏感性差異及特征，并在不同污染物質量濃度下，評價了中國部分水體和突發(fā)環(huán)境事件中苯胺對不同生物類別所產生的生態(tài)風險。結果表明，不同物種對苯胺污染物的耐受范圍存在差異，表現為：軟體動物<節(jié)肢動物<藻類<甲殼動物<兩棲動物<蠕蟲類<魚類<纖毛動物<環(huán)節(jié)動物，耐受范圍越大表示隨著污染物質量濃度增加，風險增大的趨勢較緩慢；苯胺對不同物種的HC5表現為：甲殼動物<蠕蟲類<魚類<纖毛動物<藻類<環(huán)節(jié)動物<節(jié)肢動物<軟體動物<兩棲動物。HC5越小，表明苯胺對該物種的生態(tài)風險越大，其中甲殼動物對苯胺最敏感，其HC5為2.29 μg·L-1，從總體上看，苯胺對淡水生物系統(tǒng)的HC5為4.72 μg·L-1；由不同質量濃度值得出的潛在影響比例（Potential affected fraction，PAF）的大小，反映不同類別生物的損害程度。中國部分水體水生態(tài)風險評估表明其水生態(tài)風險極低，PAF接近于0；但在山西苯胺突發(fā)環(huán)境事件中，苯胺對甲殼類、扁平類動物的影響比較明顯。

關鍵詞：苯胺；水生態(tài)風險；物種敏感性分布；Bootstrap；地表水；突發(fā)環(huán)境事件

引用格式：胡習邦， 曾東， 王俊能， 賀德春， 許振成. 應用物種敏感性分布評估苯胺的水生生態(tài)風險［J］. 生態(tài)環(huán)境學報， 2016，25（3）: 471-476.

HU Xibang， ZENG Dong， WANG Junneng， HE Dechun， XU Zhencheng. Assessing Aquatic Ecological Risk of Aniline by Species Sensitivity Distributions ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（3）: 471-476.

苯胺（Aniline）是芳香胺類最具代表性的物質，是染料工業(yè)最重要的合成中間體之一，被廣泛應用于農藥、獸藥、橡膠與香料的生產。苯胺屬高毒性物質，可以通過皮膚吸收、消化道和呼吸道等途徑進入人體，導致高鐵血紅蛋白含量升高，損害人體血液循環(huán)系統(tǒng)；可直接作用于肝細胞，引起中毒性損害；進入肌體后易通過血腦屏障與含大量類脂質的神經系統(tǒng)發(fā)生作用，引起神經系統(tǒng)的損害，長期接觸還可引起肝癌或膀胱癌（Dom et al.，2010；張圣虎等，2015）。由于苯胺具有致癌特性，世界各國均將其列為重點監(jiān)測污染物，例如美國環(huán)境保護署（USEPA）將其列為129種優(yōu)先控制污染物之一，中國也將其列入優(yōu)先控制污染物黑名單（周文敏等，1990）。盡管已有研究對苯胺在水體、魚類等環(huán)境介質中的分布進行了分析監(jiān)測（賀德春等，2014）927，且中國制定了苯胺在地表水環(huán)境中的質量標準（GB3838─2002）（國家環(huán)境保護總局，2002），但仍缺乏基于水生態(tài)風險的水質基準研究。苯胺等毒害污染物可通過水體進入生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)中，對水生生態(tài)環(huán)境產生潛在的風險，并通過食物鏈傳遞影響人體健康，因此，開展苯胺對人體的健康風險評價和水生態(tài)風險評價等研究顯得非常必要。

物種敏感性分布法（Species Sensitivity Distribution，SSD）是一種應用統(tǒng)計學外推生態(tài)風險方法，可用于生物風險評價的效應評價和環(huán)境基準等工作，如美國環(huán)境保護署（USEPA）等將其應用于生物的保護工作，國內外已開展了基于SSD的水生生態(tài)風險評價和土壤環(huán)境生態(tài)風險評價（Jensen et al.，2007；Raimondo et al.，2008；吳豐昌等，2011；胡習邦等，2012）。本研究通過構建苯胺的急性物種敏感性分布曲線，分析比較不同生物類別對苯胺的的毒性敏感性差異及特征，并針對中國已有文獻報道的地區(qū)水體苯胺分布情況，評估水體中苯胺對不同水體生物的生態(tài)風險，以期為中國水體苯胺類污染物的生態(tài)風險評價與管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究方法

SSD是20世紀70年代末興起的一種生態(tài)風險評價新方法（Kooijman，1987）。該理論認為：不同門類的生物由于生活史、生理構造、行為特征和地理分布等不同而產生了差異性，其在毒理學上反映為不同的物種對污染物有不同的劑量-效應響應關系，即在結構復雜的生態(tài)系統(tǒng)中，不同的物種對某一脅迫因素（如有毒化學品）的敏感程度服從一定的（累積）概率分布（Posthumal et al.，2002；Wheeler et al.，2002）。SSD的用法一般分為正向（Forward use）和反向（Inverse use）兩種（Straalen，2002）。正向方法主要用于生態(tài)風險評價，即已知污染物濃度水平，通過SSD曲線計算潛在影響比例（Potential affected fraction，PAF），用以表征生態(tài)系統(tǒng)或者不同類別生物的生態(tài)風險；而反向方法則通過確定保護一個生態(tài)系統(tǒng)中大部分物種的污染物濃度水平來制定環(huán)境質量基準，一般定為5%危害濃度（Hazardous Concentration 5%，HC5），即在95%以上的物種受保護時所對應的急性或慢性濃度。

1.2 毒理數據獲取

表1 毒理數據篩選標準Table 1 Criteria for selecting toxicity data

SSD的構建可以使用LC50（或EC50）或NOEC值等急性或慢性數據，本研究使用急性毒性數據構建SSD。利用美國環(huán)境保護署ECOTOX數據庫（http://www.epa.gov/ecotox/）和相關文獻，搜集苯胺對水生生物的毒理數據。根據已有研究（Duboudin et al.，2004）所采用的標準篩選毒理數據，見表1。由于苯胺的毒性數據量較少，在分析時僅考慮兩種情況：（1）全部物種不進行歸類；（2）把全部物種歸為藻類（Algae）、無脊椎動物（Invertebrates）和脊椎動物（Vertebrates）3門。全部物種包含藻類、無脊椎動物和脊椎動物，無脊椎動物中包含甲殼類、昆蟲和蜘蛛類、環(huán)節(jié)動物、蠕蟲類、節(jié)肢動物以及其他無脊椎動物類等，脊椎動物中包含魚類和兩棲動物，不再對脊椎動物和無脊椎動物進行細分類別。獲得苯胺的數據量、毒性數據范圍及包含的物種數見表2。

1.3 SSD擬合

將毒理數據（濃度值）進行對數變換，然后利用參數方法或非參數方法進行擬合，就可以得到SSD曲線。參數擬合形式主要有波爾Ⅲ模型（Burr Type Ⅲ）、邏輯斯蒂累積密度模型（Logistic CDF）、對數正態(tài)累積密度模型（Lognormal CDF）、韋布爾累積密度模型（Weibull CDF）、蒙特卡羅模型（Monte Carlo）、高斯模型（Gaussian）、龔珀資模型（Gompertz）、指數增長模型（Exponential Growth）和S型模型（Sigmoid）等（陳波宇等，2010）。目前，還沒有理論研究證明SSD屬于某一特定曲線形式，因此可選擇不同的擬合方法。本研究嘗試多種模型擬合后，最終認為采用BurrIII型分布進行SSD的擬合，其效果比較好。

Burr III型分布是一種靈活的分布函數，對物種敏感性數據擬合特性較好，在澳大利亞和新西蘭的環(huán)境風險評價和環(huán)境質量標準制定中被推薦使用（Hunt et al.，2010）。Burr III型函數的參數方程為：

式中，x為環(huán)境濃度，μg·L-1；b、c、k為函數的3個參數（下同）。

1.4 數據處理

本研究將從生態(tài)系統(tǒng)的不同生態(tài)位研究苯胺對淡水生物種內、種間以及整個群落的影響。對于同一物種有多個數據的情況，采用其所有濃度數據的幾何均值。

SSD對于毒理數據量的最小要求沒有統(tǒng)一的規(guī)定，OECD 2000年和澳大利亞分別于1992年和2000年發(fā)表的水質標準中推薦的最小數量為5個（Hose et al.，2004）。本研究采用Bootstrap非參數方法對小樣本進行統(tǒng)計模擬，從而獲得未知分布和未知參數的統(tǒng)計估計（孔丹莉等，2006）。

表2 苯胺的毒理數據量（LC50或EC50，μg·L-1）Table 2 Statistics of toxicity data （LC50or EC50）of aniline

1.5 HC5和PAF計算

在SSD擬合曲線上對應5%累積概率的污染物質量濃度為HC5。應用Burr III分布計算HC（q）的公式為：

PAF表示環(huán)境濃度超過生物毒理終點值的物種比例，即給定的污染物濃度在SSD曲線上對應的累積概率。Burr III分布計算PAF的公式為：

2 結果與分析

2.1 參數計算結果

表3是使用Burr III分布模型計算得到的SSD曲線的擬合參數結果。從表3可知，Burr III分布模型擬合度，除了環(huán)節(jié)動物類為0.97、纖毛動物為0.98之外，其余均大于0.99，擬合效果較好。

表3 不同物種對苯胺的急性物種敏感度分布擬合結果和HC5值Table 3 The results of aniline's acute species sensitivity distribution models

2.2 不同物種對苯胺的敏感性

不同物種對苯胺的耐受范圍和HC5分別見表2和表3。從圖1和表2可以看出，不同物種的耐受范圍存在差異，表現為：軟體動物<節(jié)肢動物<藻類<甲殼動物<兩棲動物<蠕蟲類<魚類<纖毛動物<環(huán)節(jié)動物，這可能與各物種的組別多樣性有關，同時還與生物體內的脂肪含量以及本身的自凈化能力相關，例如環(huán)節(jié)類動物的耐污染負荷的范圍遠大于其他各不同種群的水生物。不同的耐受范圍可間接看出該物種抵抗苯胺污染的能力，耐受范圍越大，表示隨著濃度增加，風險增大的趨勢較緩慢。從研究的數據上看，藻類、無脊椎動物、脊椎動物3門9類（甲殼動物、蠕蟲類、魚類、藻類、纖毛動物、節(jié)肢動物、環(huán)節(jié)動物、軟體動物、兩棲動物）物種的幾何均值分別為689、10550、27352、90440、122228、232961、324595、431230、494375，這表明甲殼動物極易受到苯胺污染的損害，相比較而言環(huán)節(jié)動物、軟體動物和兩棲動物的耐受性相對要高。

從圖1和表3可以看出，苯胺對不同物種的HC5表現為：甲殼動物<蠕蟲類<魚類<纖毛動物<藻類<環(huán)節(jié)動物<節(jié)肢動物<軟體動物<兩棲動物，其HC5值分別為2.29、3.19、4.17、4.52、4.64、5.08、5.23、5.26、5.54 μg·L-1，其中甲殼動物類最敏感，兩棲動物類敏感性最低。HC5是該物種存在生態(tài)風險的閾值，HC5越小，即是保護該物種95%的生物組別的苯胺濃度水平越低，說明苯胺對該物種的生態(tài)風險越大。盡管蠕蟲類、魚類在淡水生態(tài)系統(tǒng)中毒性耐受范圍較寬，但從總體上看，保護95%水生物系統(tǒng)生物安全的苯胺HC5僅為4.72 μg·L-1，總體毒性水平較低。由于蠕蟲類、魚類是淡水生態(tài)系統(tǒng)中是不可或缺的生態(tài)位，并且苯胺具有脂溶性，經食物鏈逐級傳遞，極易造成整個淡水生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)風險和人體健康風險。

2.3 苯胺的水生生態(tài)風險評估

水體中苯胺的質量濃度數據主要來源于本課題前期研究與文獻報道，數據的選取遵循以下四點原則：一是盡量選擇近年的報道數據，二是盡量選擇地表水體，三是計算時采用平均值，四是分析監(jiān)測方法基本一致。由于有關水體苯胺的監(jiān)控報道較少，尚不能全面反映不同區(qū)域水體中苯胺的環(huán)境質量狀況，目前僅報道了珠江水系、椒江（入?？冢┑乇硭斜桨返馁|量濃度，分別為3.64～72.72、9.3～105.1 μg·L-1，平均濃度分別為37.6、43.9 μg·L-1（何百寅等，2011；江錦花等，2006），其平均質量濃度監(jiān)測值與中國地表水環(huán)境質量標準（GB3838─2002）中集中式生活飲用水地表水源地苯胺限值100 μg·L-1相比，均未超過標準限值。然而，2012年12月31日山西長治發(fā)生的8.7 t苯胺泄漏事件，導致進入濁漳河中的苯胺最大質量濃度為8430 μg·L-1，高出《地表水環(huán)境質量標準》中苯胺質量濃度標準限值83倍（曲建華等，2015），嚴重威脅了邯鄲、安陽等市的飲用水安全。然而，中國目前尚未公開過水生態(tài)保護的基準值，現有的地表水質標準并未明確規(guī)定保護對象，如水生態(tài)系統(tǒng)、人體健康等，所以苯胺對中國水生生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)風險有待進一步評估。

圖1 不同物種對苯胺的SSD曲線Fig. 1 SSD curves of aniline to different species

本文根據上述擬合的SDD分布模型，對已有報道地區(qū)水體中的苯胺進行水生生態(tài)風險評估。盡管收集到的苯胺對水生生物的生態(tài)毒性參數不全為本土生物，但多數為代表性物種，因此這些資料可用于對本案例的初步估評。利用公式（3）計算了中國不同地區(qū)水體中和5種假設情形的不同苯胺暴露濃度下的PAF值，見表4。表4顯示了不同濃度的苯胺污染下得出的PAF值的大小，反映不同類別生物的損害程度。從表4可知，在100 μg·L-1以下，全部物種的PAF值幾乎為0；在質量濃度為1000 μg·L-1時，甲殼動物和蠕蟲類的PAF值分別為96%和2.4%，生態(tài)風險逐步顯露；在質量濃度為10000 μg·L-1時，甲殼動物、蠕蟲類、魚類和纖毛動物的PAF值分別為100%、54.6%、0.5%和0.3%；而當質量濃度為100000 μg·L-1時，全部物種的PAF值達到了46.8%，除兩棲動物外其他水生物物種分別受到不同的生態(tài)損害。

表4 苯胺在不同暴露濃度（μg·L-1）下的PAF預測值Table 4 Predicted PAF values under various Aniline concentration

從SDD分布模型分析水生生態(tài)風險的結果來看（詳見表4），苯胺對珠江、椒江的水體的水生物種基本不存在生態(tài)風險。然而，2012年山西的苯胺泄露事件中，監(jiān)測的最大質量濃度苯胺對甲殼類、扁平類動物的影響比較明顯，PAF值分別為100%和47.7%，對魚類的影響比較微弱，其PAF值為0.2%。本課題組賀德春等（2014）929報道的漳河苯胺泄露事件水體和魚類樣品的苯胺殘留情況，其中9個水樣中苯胺的含量范圍為1.2～1943.6 μg·L-1（詳見表4），12份魚樣品中僅2份有苯胺殘留量，分別為60.8 μg·kg-1和4.3 μg·kg-1；進一步表明由于該事件發(fā)生在冬季，對魚類造成的生態(tài)損害相對較小。從以上綜合分析表明，中國部分水域中苯胺對水生生物的風險非常小，但在突發(fā)環(huán)境事件中苯胺對甲殼動物、蠕蟲類造成的生態(tài)風險相對較大，對魚類亦存在一定的生態(tài)風險。

3 結論

本文采用物種敏感度分布曲線法計算了苯胺污染對淡水生物的生態(tài)風險閾值，得出苯胺對淡水生物系統(tǒng)的HC5為4.72 μg·L-1，同時對中國部分河流和湖庫水體中苯胺的生態(tài)風險進行評估，評估結果表明，大部分水域中水生生態(tài)風險較低，但在2012年山西的苯胺泄露突發(fā)事件中，最大質量濃度的苯胺對甲殼類、扁平類動物的影響比較明顯，對魚類的影響比較微弱。

將SSD方法應用于飲用水源地水與突發(fā)環(huán)境事件的水生態(tài)風險評估中具有一定的意義，但水生態(tài)風險評估過程中存在眾多不確定性因素，如僅以苯胺為研究對象，直接搜集國外毒理數據庫數據，加上水體中可能存在的苯胺類毒害化學品類型眾多，及中國區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)差異大，可能無法客觀反映水生生物的生態(tài)風險。因此，亟需進一步開展苯胺類眾多毒害化學品及其聯合毒性作用對能代表本地特色的物種的生態(tài)毒理研究和水生生物風險調查研究，以便為水生生態(tài)風險評價和管理提供參考。

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Assessing Aquatic Ecological Risk of Aniline by Species Sensitivity Distributions

HU Xibang， ZENG Dong， WANG Junneng， HE Dechun， XU Zhencheng*
South China Institute of Environmental Sciences， Ministry of Environmental Protection， Guangzhou 510655， China

Abstract:Species sensitivity distributions （SSD） method was used to assess the ecological risk of aniline for freshwater organisms. The hazardous concentration for 5% of the species （HC5） was calculated， and the distinguished character of hazardous concentrations of aniline to different species was analyzed. The acute ecological risks of the aniline and the sensitivity of different freshwater species were assessed in the different surface water body in China， including environmental accident water. The results showed that different organisms have different tolerance range of aniline. That was in the order of Molluscas < Arthropod < Algae < Crustacean < Amphibia < Worms < Fishes < Ciliophora < Annelida. The wider tolerance range of aniline for organisms indicated that the increasing trend of ecological risk would slow down when the aniline's concentration increased. The HC5for all the species from low to high was in the order of Crustacean < Worms < Fishes < Molluscas < Arthropod < Algae < Amphibia < Ciliophora < Algae < Annelida < Arthropod < Molluscas < Amphibia. The lower HC5is， the higher ecological risk of aniline for species is. Crustacean was the most sensitive specie among all the freshwater species with the HC5of 2.29 μg·L-1. Meanwhile， the HC5for all of the freshwater species came up to 4.72 μg·L-1. The value of Potential affected fraction （PAF） reflected the different damage degree in different pollution scenario. There was very low aquatic ecological riskby using SSD to assess the acute ecological risk assessment of aniline from several surface water body in China， which the PAF value was close to 0. It was obviously posed ecological damage to crustacean and worms during the aniline spilling accident in Shanxi Province.

Key words:Aniline pollution； aquatic ecological risks； Bootstrap； species sensitivity distributions （SSD）； surface water body

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.03.015

中圖分類號：X171.5； X820.4

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）03-0471-06

基金項目：國家科技重大專項水專項（2012ZX07211）

作者簡介：胡習邦（1981年生），男，博士，主要從事水環(huán)境風險研究。E-mail: hooyan@126.com

*通信作者：許振成（1953年生），男，研究員，主要從事環(huán)境科學與工程研究。E-mail: xuzhencheng@scies.org

收稿日期：2015-11-12