苯系物对我国典型鱼类和水生植物的毒害效应及其水质基准的研究

苯系物对我国典型鱼类和水生植物的毒害效应及其水质基准的研究 苯系物对我国典型鱼类和水生植物的毒害效应及其水 质基准的研究 南开大学 博士学位论文 苯系物对我国典型鱼类和水生植物的毒害效应及其水质基准的 研究 姓名:严莎 申请学位级别:博士 专业:环境科学 指导教师:周启星 2012-05中文摘要 中文摘要 近年来,我国水环境中苯系物的污染问题日益严重,其含量逐年升高,对 水生生态系统和人体健康产生了重大危害。本论文选择苯系物为研究对象, 探 讨了甲苯、乙苯和二甲苯污染物对典型水生生物的毒害效应,同时搜集苯、 甲 苯、乙苯和二甲苯相关的毒性数据,对我国水环境苯系物的水质基准展开了 尝 试性研究。 研究选取泥鳅 为受试鱼类,探讨了甲苯、乙苯和 二甲苯三种污染物对典型鱼类的毒害效应。急性毒性试验研究发现,甲苯、乙 苯和二甲苯对泥鳅具有明显的剂量一效应关系。甲苯、乙苯和二甲苯对泥鳅的 分别为.、.和. /。本研究还研究了天长期暴露对泥 鳅脑部乙酰胆碱酯酶.、肝脏部位超氧化物岐化酶、过氧化物酶 、过氧化氢酶、谷胱甘肽转移酶和脂质过氧化生理生化指标的 变化情况。研究结果表明:种生理指标对三种污染物的胁迫的灵敏度各不相同。 总体上看,对乙苯和二甲苯的污染指示能力要比甲苯好,而抗氧化酶对甲 苯,乙苯的指示能力比较好,这其中和较适合指示甲苯和乙苯短时间 的氧化胁迫,而对天的二甲苯胁迫也有较好的敏感性,脂质过氧化对三 种污染物的胁迫都比较敏感。综合考虑,基于甲苯、乙苯和二甲苯生态毒理指 标的天最低有影响浓度.. ,分别为: 、和 /。 化合物对水生植物的毒性试验在生态风险评价中长期处于次要地位,远远 不及对鱼类和无脊椎动物的毒性研究,资料的积累极为欠缺,因此也极少应用 于水质管理质量基准等保护政策的制定中。因此本文选取了黑藻? 、苦草 、水芹、黄 菖蒲千屈菜勋腩耐幻?甜州廖五种典型水生植物,研究了三 种污染物对植物色素含量、超氧化物岐化酶、过氧化物酶、过氧化 氢酶和脂质过氧化的影响情况。结果显示,不同的生理指标的灵敏程度各 不相同。总体来说,本实验中所选取的生理标志物对短时间天甲苯、乙苯和 二甲苯的暴露有较好的指示作用,这可能是由于时间延长,生物体内已受到一中文摘要 定程度的破坏,生理指标的灵敏性已不如初期;也有可能是生物体在逐渐适应 污染物胁迫的环境,因此生物体内机能有一定的恢复。其毒害机制还有待于在 以后的工作中进一步的研究和探讨。另外根据结果可知,沉水植物更适合指示 污染物的毒害效应,挺水植物对污染物的耐性更强。综合比较不同生物标志物 对三种污染物不同的响应程度,得到甲苯对黑藻、苦草、水芹和千屈菜的天 分别为.、.、.和. /;乙苯对黑藻、苦草、水芹和千屈菜 的天分别为.、.、.和./:二甲苯对黑藻、苦草、水芹和 千屈菜的天分别为.、.、.和. /。 为了制定符合我国水生态系统特征的水质基准,本研究还搜集了四种苯系 物相关的毒理数据,采用国际上普遍使用的种方法分别推导了我国苯、甲苯、 乙苯和二甲苯的淡水水生生物基准。采用毒性百分数排序法得出四种污染物 基 准最大浓度分别为.、.、.和. /,基准连续浓度分别为 、.、.和. /:采用物种敏感度分布法得出的三种污染物的短期 危险浓度分别为.、.、.和. /,长期危险浓度分别为、.、 .和. /;采用评价因子法得出的我国四种污染物的淡水水生生物基准 是单值,分别为.、.、.和. /。比较种方法得出的基准值认 为,毒性百分数排序法较另种方法更为恰当,得到的基准值可以保护更大范 围的水生生物。根据以上结果,最终确定苯、甲苯、乙苯和二甲苯的基准最 大 浓度分别为.、.和. /:基准连续浓度分别为、.、 .和. /。可以看出,由于苯缺少慢性毒性试验数据,因此无法推导其 慢性基准值,有待于在以后的试验中进一步探讨和完善。该研究将为科学制 订 地表水环境质量 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 以及排放标准提供重要的理论依据,也为我国今后系 统开展水质基准的科学研究提供示范。 关键词:苯系物:毒害效应;水生生物:水质基准 ,, , , . . . ,, ,, . , . ? .,.. , 儿. ,, ,, . 也 访 .,; ,;; 削既, . .., /,. , .,, . ,, , . . , 笛. , ; . , . , , .? , , ,. .,.,. /,; . .,.,. /,; . .,.,.,, . . .,,, . .,.,. / , ... . / ; , 气 .,.,. ./, . , .,. 叽,;, ,, . .,.,. . / ,,. . ., , ,,. .,.,. / ,. ’~.,. ., . :; ; ; 第一章绪论 第一章绪论 第一节苯系物的生态毒理效应及污染现状 ..苯系物的理化性质 苯,甲苯,乙苯和二甲苯统称为苯 系物简称为,都属于单环芳香类烃,容易挥发并且可溶于水,它们是 石油类物质中常见的烷基苯类化合物,其在石油中的含量高达%甚至更高, 广泛存在于化工行业或石油相关行业中【】,也作为工业原料广泛应用于农 药,塑 料和纤维合成。表.列出了苯,甲苯,乙苯和二甲苯的主要理化性质。 表. 化合物的物理化学性质?】 注:为有机碳一水分配系数;‰为辛醇一水分配系数;为生物富集系数 ..苯系物的生态毒理效应 随着全球各国对石油产品需求量的剧增,石油工业迅速发展。然而,在采油, 炼油,石油运输及石油产品利用过程中,会造成许多环境污染问题【。甲苯, 乙 苯和二甲苯容易污染饮用水源,进而危害水生生物和人类健康。苯系物主要的 污染来源及健康危害列于表.中。第一章绪论 苯系物对人体和水生生物可产生不同程度的急性或者慢性毒性效应,例如 苯,还可产生致癌效应。因此,苯系物己列入我国水环境优先控制污染物“黑名 单”中。我国《地表水环境质量标准》 .,《污水综合排放标准》 .和《室内空气质量标准》/ 也都把列为污 染参数和环境监测项卧。 表. 的来源,健康危害嗍 目前已有的关于苯系物的生态毒理效应的研究主要是通过对苯系物暴露人 群的调查研究和对哺乳动物小鼠的毒理学实验。进入人体的主要途径是呼 吸系统【】’也有部分是通过与皮肤接触或通过饮食进入人体。根据研究发现,当 居住区或城市周边地区中土壤存在的污染,其挥发性会使污染物进入大气 中,使人体暴露于污染物中;当地下水遭遇到的污染,人体经过饮 用也会受到一定的毒害或者是由于采用污染水体农业灌溉而经食物链到 达人体【。苯具有“三致”作用,急性苯暴露能够通过呼吸道吸入和皮肤吸收 导致中毒,累积中枢神经系统,产生麻醉作用,慢性则可导致造血机能及神经 系统的损伤,对皮肤有强烈的刺激作用:甲苯和乙苯具有致突变和致畸作用, 对泌尿系统骨骼发育也有损害:同时对皮肤黏膜有较大刺激性,可经呼吸道 及 皮肤侵入机体;二甲苯则有致畸作用,影响肌肉和骨骼的发育,主要是对中枢 神经和植物神经系统产生麻醉和刺激作用,其毒性作主要表现为血小板和白 细 胞减少?。进入人体的迅速在体内扩散并在人体各组织器官分布,主要蓄 积在脂肪组织部位,且在肝脏组织通过细胞色素 进行迅速代谢。 化合物对水生生物生态毒性的报道并不是很多。和】研 究得到甲苯对大型蚤的半数致死浓度为 /;撇?甜”研究得到二甲苯 第一章绪论 对大型蚤的半数致死浓度为 /;和.】研究了集中 烃类化合物对两种轮虫 和 的急性毒性 效应,得到甲苯对两种轮虫的.为. /和. /:二甲苯对两种 轮虫的为. 】研究了水体中甲 /和. /。范亚维和周启星【 苯,乙苯和二甲苯对斑马鱼 的毒性效应,得至半致死浓 度分别为.,.和. /。范亚维等人【】又研究了甲苯,乙苯和二甲 苯对大型溢 和霍普水丝蚓? 为受试生物 的水生生态毒性效应,分别得到了水体中甲苯,乙苯和二甲苯污染对大型泾和 霍普水丝蚓的半数致死浓度。根据受试生物的毒性试验结果,预测水体中甲苯, 乙苯和二甲苯的安全浓度分别为.,.和. /,最大允许浓度分别为., .和. 。通常情况下,当污染物的浓度在水体中超过 /的,就会对水 生生物产生急性毒性效应,如藻类,水蚤和鱼。由于这类污染物在水体中的背 景值比较值,迅速挥发,降解过程及其中度毒性,因此认为在对水体环境的总 体风险较低。但是,由于事故的频频发生,这类污染物在污染场地的含量很高【】。 ..苯系物的相关标准 由于苯系物对水生生物和人体健康都有毒害效应,很多国家和国际组织都对 其在水体中的含量限值有所 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 。表. 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了目前澳大利亚和其它国际组织对 饮用水和环境水体中的相关限值规定。我国最新修订的《地表水环境质量 标准》中对集中式生活饮用水地表水源中甲苯,乙苯和二甲苯规 定了限值,分别为.,.和. ,同时对饮用水和农田灌溉水也有相关的标 准。可以看出,我国地表水中的限值和世界卫生组织的限值是一致的表 .。虽然的标准在一些发展中国家是普遍适用的,这种借鉴对我国环境保 护起到了一定的作用,但可能缺乏对我国国情的具体认识,也容易在环境管 理 中造成“欠保护和“过保护”的状况。第一章绪论 表各个国家和国际组织关于在饮用水和环境水体的指导值/】: : : ; : : 【捌:: . 木甲苯。乙苯和二甲苯的感官准则比健康准则要低,因为这些化合物在成为 健康风险之前会 有明显的气味或者味道。 表.我国对于水体中所制定的限值/ ..我国水环境苯系物的污染现状 在生产,储存和运输过程中,很容易释放到环境内,造成环境污染,并 对生态系统和人体健康构成危害。另外由于石油事故性泄露,老填埋场的渗 透, 储油罐的泄漏和石油工业废物的排放,使地下水遭受’污染【】。由于苯系物 第一章绪论 是油脂,橡胶,树脂,油漆等的溶剂和基本化工原料,因此目前,在很多石油 化工,农药,有机化工,炼焦化工等行业的排放废水中含有较多的苯系物,这 也是河流,空气和地下饮用水中有机污染物的重要来源一。。具有较高的 水溶性,因此,一旦石油产品与水体接触,该污染物会迅速与其他燃料分离而 进 入水体。由于苯系物具有较低的辛醇一水分配系数,又会从水体中迅速迁移而不 会吸附在沉积物或其他有机物上‘。。在所有的有机污染物中,苯系物因为在环境 中分布广,对人类健康威胁大而受到人们越来越多的关注。目前,水环境中存 在的甲苯,乙苯和二甲苯日益增多。例如,等【】调查了塞浦路斯个地表 水体受污染状况,发现甲苯是水体污染中最为常见的污染物质。国外报导的 在水体中的污染情况如表.所示。 在我国水体中,苯系物的污染情况也是越来越严重。已有研究结果表明, 黄河等部分河流等地表水体已经受到的严重影响,同时还发现在长江三角 洲等地区的浅层地下水中有存在【。年吉化双苯厂爆炸事件,造 成在地下水环境中有超标的现象,同时以其代表的一些化工厂区的地下 水环境也已经受到污染。我国石油资源集中分布在渤东海,,准格尔,松辽,海 湾,珠江口,陆架塔里木,鄂尔多斯和柴达木八大盆地,由于西气东输工程, 导致我国石油管线遍布全国各地,石油及其加工品的传输,存储设备布及东西 南北。石油和原油产品在生产,储存,运输过程中,容易释放到环境中,造成 环境危害。近些年,人们对苯乙烯和苯酚下游产品酚醛树脂等的需求不断增加, 导致对石油产品中纯苯的需求与日俱增,造成了对环境的污染越发突出 的问题。年地质调查项目“全国首轮地下水污染调查评价”重点启动珠江 三角洲地区,结果显示该区地下水中单环芳烃,多环芳烃和综合类指标均有检 出,检出率达%。 表.国外报导的在水体中的污染情况【第一章绪论 第二节水生生物生态毒理学试验方法 ..水生生物毒性试验方法 毒性试验方法在是探讨污染物对水生生物毒害效应的最要手段,同时也在 水质基准制定和验证中具有重要的作用。目前,世界经济合作组织, ,,欧猾,, ,美国测试和材料委员会美国环保部和加拿大已经发展了适合于鱼类,无脊椎动物和植物的标 准毒理试验方法。总体来说,所有的毒性方法都是期望得到在特定条件下对污 染物的浓度和受试生物之间的剂量一效应关系,以此反应污染物对生物体的毒害 效应。毒性试验方法总体上可以分为急性和慢性毒性试验。 急性毒性试验是指在水中毒物的浓度较高时,短期暴露一般是?所引 起的毒害效应,致死率是常用的受试终点。例如,的急性毒性试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 包 括鱼类急性毒性试验【】,大型蚤急性毒性试验和藻类抑制试验【】。 一般用半数致死浓度或者半数抑制浓度表示。通常采用分析或 者.法计算得到。 慢性毒性试验是指受试生物在污染物中暴露更长的时间通常天而得到 的污染物浓度和受试生物之间的剂量一效应关系。例如,天鱼类长期毒性试验, 天大型蚤繁殖抑制试验,天水生维管束植物生长试验。慢性毒性试验结果通常使用无明显影响效应浓度 和最低可观察影响效应浓度 ,表示。 表示的是污染物对受试生物无毒害应的最高浓度,则是污染物对受试生物 表现出有毒害效应的最低浓度【。通常根据慢性毒性试验非致死浓度效应而得到,计算方法包括,’,’ 等等。同时针对某些生物终点,还可以采用回归模型分析污染物浓度和受 试生物生长抑制效应之间的关系,得到%抑制生长浓度。.. 。”】偏向于使用定义淡水生态系统的短期暴露,长期暴露的可 接受的生物终点排序为:低浓度效应。胛/ /非致死/。 目前,科研工作者普遍认为由于致死率变异性和不稳定性较大,并且生物 第一章绪论 体暴露于低于致死浓度的污染物下就已经产生了毒害效应,因此致死终点并不 适合用于环境保护工作中【。因此,他们更期望得到能够保护生物免受污染物 的毒害的效应浓度,而不是致死浓度。敏感的非致死效应也随之得到了更多的 关注?。例如,研究者们利用鱼类脑部所受到的抑制,可以从分子水平上 了解污染物对生物体的毒性影响,再例如一些抗氧化剂酶也是很有效的监测生 物体在低浓度长期暴露下所受到的毒害效应。 ..生物标志物的概念 传统的生态毒理学诊断方法虽然能对生态系统的损害进行一定程度的评估, 但却缺乏早期预警功能。在水生态毒理研究中,为了评估化学物质的亚致死效 应,就需要发展用于生物亚致死效应的指示参数来更为准确地评估和预测外来 化合物对环境生物的毒害情况。在此背景下,生物标志物在生态毒理研究中的应 用得到了广泛的应用并正逐渐受到重视。 所谓生物标志物,一个比较完整的定义为异型生物质药物,杀虫剂,致癌 物等引起的,可以测量到的细胞,生物化学结构或在生物系统或样品的过程, 结构和功能的变化】。生物标志物是一种敏感的监测工具,它可以用来测定污染 物对生物的亚致死效应,而不是最终的毒理效应。近年来,细胞或分子水平上 的生物标志物具有三个特点,包括其广泛性,特异性及预警性,有关生物标志 物作为污染物暴露和毒性效应的早期预警指标已成为国内外生态毒理学研究的 热点之一,并且逐渐广泛应用于水环境生态风险评价【】。 ..水生态毒理试验中常用的生物标志物 ...常规生理标志物 生理标志物包括一些特异的生理反应终点。鱼类毒性试验中常用的生理指 标包括呼吸速率,活动能力,对氧的消耗能力等,另外生长速度也可以作为化 学污染物对水生毒性的一个重要指标。乙酰胆碱酯酶是监测有机磷和氨 基甲酸盐杀虫剂的特异性指标,也是用于评价水生生物对于神经毒剂化合物暴 露效应中一种重要生物标志物,它是对有机磷和氨基甲酸酯类农药污染的有效 诊断工具。越来越多的研究发现,重金属,醚类,酯类等污染物,都对其活性 有重要影响】。在这些污染物的胁迫下,对乙酰胆碱的降解过程受到干第一章绪论 扰,致使乙酰胆碱与神经后膜的乙酰胆碱受体的作用无法正常终止,造成生物 长期处于神经兴奋状态,生理生化过程失调,最终导致死亡【。 对于水生植物的毒性,常规的生理指标通常包括两类:一类是形态指标, 常用的指标有生长抑制情况,叶片颜色变化,叶状体的面积还包括发芽率,植 株数,根长和根数量:二类是光合作用指标,通过测定叶绿素,和类胡萝卜 素来测定污染物对植物光合作用的影响情况除此之外,有时候还会采用总凯氏 氮,含量,培养基电极电位,摄入速度和摄取总量等参数【删。浮萍科植 .被认为是一种现实,有效的环境检测类型植物【】,在国外已 物 经有较多研究,并且已经建立了以浮萍植物体数,鲜重和叶绿素为反应终点的 生长抑制试验对有毒化学品进行毒性评价的标准化测试方法;张莉等人 利用浮萍检测及其复合污染的植物学毒性,并建议使用植物体数和重复 间的偏差作为衡量浮萍试验质量的指标【】:钱湛等人还研究了铜,镉和砷对浮 萍的毒性效应并表明,叶绿素是较好的毒理指标,能较灵敏,准确地指示植物 的受毒害程度【引。 ...抗氧化防御酶标志物 已有研究表明,抗氧化防御系统的成分可由于氧污染物的胁迫而发生改变 】。许多学者已提出将机体抗氧化系统酶活力作为一类敏感的生态污染监测指 标,尝试以这些抗氧化防御系统成分的变化作为氧化胁迫的生物指标的研究正 在成为毒理学研究的新的热点。 当生物体受到外来污染物的胁迫时,体内会产生对细胞有毒害效应的活性 氧 ,。当生物体内活性氧的积累超过了细胞的抗氧 化清除能力时,就会导致氧化胁迫,氧化机体的脂类,蛋白质,酶和,最 终可造成生物膜损伤,蛋白质变性,酶失活甚至复制错误。为了保护生物 体能够保持正常的生命活动,抗氧化酶防御系统包括超氧化歧化酶,过氧 化氢酶和过氧化物酶等能通过清除细胞内过多的超氧阴离子自由基, 以保护细胞膜的结构完整来抵御外来胁迫。首先能将.歧化成, 和接着通过氧化作用将分解成和。因此在逆境条件下,这种酶的 协同作用是生物体耐受逆境胁迫的重要物质基础之一【】。谷胱甘肽硫转移酶 作为第二阶段解毒酶,可催化污染物与结合,生成极性小分子物质,从 而减轻污染物的毒性。第一章绪论 第三节水质基准的方法学研究 ..水质基准的相关概念 水质基准 全称为水环境质量基准,是指环境中污染物 对特定对象人或其他生物不产生有害影响的最大剂量无作用剂量或浓度【】。 水质基准在不同的国家和机构中有不同的表达方式表.。美国,澳大利亚和 新西兰用水质基准的概念,而在其它一些国家有特定的名词表达。例如,荷兰【】 使用环境风险限值 ,,其主要强调污染物在食物 链中的传递。和水质基准类似,环境风险限值也是用来制定水质标准的基础【。 另外,澳大利亚,新西兰,荷兰和加拿大也采用水质导则或目标,其目的是保 护特定场地的有特殊用途的水资源。中国和南非等发展中国家在近几年的研究 中都采用水质基准的概念【。 制定水质基准的意义就在于保护水体的指定用途,因此不同的水体功能要 求有不同的水质基准与其相对应。水质基准有两种表现形式:数值型,即以 具体的数值来定义水质基准,主要是以水体中污染物的浓度表示,或者得到生 物富集数据后以生物组织中浓度表示;叙述型,当无法给出具体数值时,可 采用描述性的语言来表示,即叙述型基准,例如,气味,浊度等等【】。 与水质标准不同的是,水质基准仅仅是依据污染物和生物体之间的浓度一效 应关系进行科学判断而得到的科研数值,它并不考虑任何达到此水体浓度的经 济效应或者技术可行性,是不具备法律效力的。水质标推是以水质基准为依据, 并考虑社会,经济,技术等因素,经过综合分析制定的,具有法律意义,体现 国家环境保护政策和要求,且要规定在一定时间和一定地理区域内污染物不得 超过的浓度范引】。因此,水质基准是水质标准的制定基础,同时也是保护水 生态的环境保护项目和可持续发展及评估管理决策的重要依据。 第一章绪论 美国,澳大利亚,新西兰, 主要基于不同门类的毒理数据,以美国的发展最为完 刚开始发展水质基准的国家 包括南非,中国等 整和深入。 该概念更强调食物链暴露荷兰 即二次暴露对生态系统 的影响。 强调特定场地的保护 ?。 澳大利亚,。篓产。兰’荷兰’ 一?‘~。 加拿大 / ..水质基准在国外的发展历程及进展 美国是最早开展环境基准研究的国家,同时对其它各国基准的研究影响较 深。经过近年的发展,美国环保部目前已建立了完善的基准推导方法学,形 成了较为完整的环境基准体系。在世纪年代,美国相继发表了《绿皮书》, 《蓝皮书》, 《红皮书》和《金皮书》等水质基准文献。年,美国环境保 护局通过对原水生生物基准制定的原则和方法进行修改,颁布了《推导保护 水 生生物及其用途的数值型国家水质基准的技术指南》简称“指南,该指南至 今仍是美国及其它国家水质制定的主要参考性文件。年,美国开始制定区 域性营养物基准,年发布了河流和湖库的营养物基准制定导则。其完善的 水质基准体系在其环境标准中得到了广泛的运用。 美国水环境质量基准的系统的框架中主要是以保护水生生物和人体健康的 水质基准为核心,还包括感观基准,营养物基准,微生物基准,底泥基准,细 菌基准等。年,美国环保总署颁布和修订了种污染物基准俐,包括 项优先控制污染物基准,项非优先控制污染物基准和项感官基准。各州可 以直接采用国家基准值作为本州基准,也可以根据本州情况对国家基准进行 修 订,经认可后作为本州基准,区域基准通过对州基准修订而产生。 除美国对水生生物水质基准研究较早且较为系统外,世界卫生组织,法国, 加拿大,和荷兰等国家也建立了较完善的水生生物水质基准体系。 世界卫生组织在年发布了第一版《饮用水水质指南》,在 第一章绪论 ?年经过一次修订。最新版为年发布的《饮用水水质准则:卷一》。 文件中水质指标涉及水源性疾病病原体项;具有健康意义的化学指标项, 其中包括建立准则值的指标项,确定了准则值的指标项;放射性指标 项:另有项为饮用水中能引起人体不满的感官推荐阈值。该指南解释了确保 引用水安全的一些条件,包括最小化程序,一些特定的指南值,以及如何使用 这些条件。同时也描述了指导指南值使用的方法【?。 年,加拿大环境部制定了《加拿大水质指南》。该指南提供了水质参数 对加拿大水体用途影响的基础科学信息,同时还提出了评价水质问题的方法, 并且协助地方建立特定区域的水质目标,报导了许多无机化合物,有机化合物, 放射性化学物以及生物学参数的耐受浓度。年加拿大环境部又发布了《推 导保护水生生物水质基准草案》,该草案详细论述了推导水质基准值的方法和过 程。目前加拿大也已经形成自己的体系并发布了一系列的指南文件,包括《休 闲用水水质指南和感官性质》, 《加拿大保护农业用水水质指南》和《加拿大 保护水生生物水质指南》【。 法国采用框架评价不同类型水体的水质。根据生态系统的破坏程度可以 分为个等级,等级之间的阈值称为 。法国环境部 和水务局根据现有的.法国框架,已经推导和制定了水框架指令中列出的 种农药和种优先污染物。与其他现有的水质基准推导方案相类似,. 主要也是依靠标准毒性试验结果,应用评价因子法推导其符合该国的基准 值。 同时也为其质量标准制定提供了数据基础和理论依据。但是由于缺乏慢性毒 性 数据,其中的许多标准只是暂时的。 荷兰于年颁布了“关于推导环境风险限值的指导方针”,目的是保护 水生态系统中所有的生物免受不利影响。环境质量标准 ,由环境风险限值 ,得到,即我 们所说的环境质量基准。所制定的环境风险限值包括最大允许浓度 ,,可忽视浓度 ,, 严重风险浓度 ,和生态最大可接受浓度 ,。经过十几年的研究 和发展,荷兰已经制定了约种化合物的环境风险限值,包括重金属,多环 芳烃和农药。荷兰政府采用其中的大部分数值制定了适合该国水生态特征的 水 质标准。第一苹绪论 ..我国水质基准的发展现状 目前我国颁布的众多污染物的水质标准主要是参照国外的特别是国际卫生 组织的水质标准而制定的,没有开展针对我国物种系统的水质基准研究, 已有的少量研究也都是基于美国的“指南”,没有形成自己的方法体系。但是, 我国的理化条件和物种分布与国外有较大差异,完全按照美国和的方法来 开展基于水生生物毒性实验的水质基准研究,很可能存在“过保护”或“欠保 护的问题【。因此完善已有的水环境质量标准,建立一套科学的,适合我国 社会,经济和人文特征的水环境质量基准与标准的方法学体系是当务之急咿’】 从水环境标准开始制定的时间上,我国较美国晚了年。自世纪年代 至今,美国修订标准至少次,我国自年《地表水环境质量标准》 .首次发布后,年进行第一次修订,年第二次修订, 年进行第三次修订。在美国没有全国统一的水质标准,只是由国家颁布水质基 准,各州根据实际情况制定相应的水质标准。我国幅员辽阔,各地域存在鲜明 特色的生态区系,制定全国统一的地表水水质标准显然是一个难题。从水环境 标准体系来看,美国不仅颁布了水质标准,并制定了有关水环境标准相应的技 术规范包括方法学和相应的支撑技术,在一些州还提出了污染水体修复/清洁 标准/ 。而我国目前只颁布了水质标准,而且还不是 真正意义上的水质标准。当前我国地表水环境质量标准和饮用水质量标准主要 是参考,美国各州,日本,前苏联和欧州等国家及地区的水质标准来确定 的,没有考虑我国水生态系统的区域性特征;而且,我国目前尚缺少相关的技 术规范包括方法学和相应的支撑技术。在我国水质标准中,绝大多数为无机物, 其中以重金属离子为主,有机物指标较少;而美国水质标准则以有机物为主, 多达项。与欧盟相比,我国的水质标准指标分类与其基本一致,而且在水质 参数均以无机物指标为主,但在数量方面,欧盟多达项,其水质参数仍然比 我国全面得多。可见,我国水环境标准比国际发达国家有很大差距。特别是针 对苯系物包括苯,甲苯,乙苯,二甲苯在我国仅有相应的集中式生活饮用水 地表水源地标准限值,尚没有相应以保护水生生物为目标的地表水环境质量标 准。 我国对水质基准的研究起步较晚,大多是对国外资料的收集和整理。例如,, 王明俊在年发表的文献中对水质基准和标准的概念及其相互关系进行了介 第一章绪论 绍,同时还总结了由基准向标准的转变制定方法,并对美国在《年水质基 准》中淡水和海洋水生生物部分建议的个基准值进行了分析【】;年,张 彤和金洪钧介绍了水生态基准 的概念以及美国水生态基 准的研究概况和推荐的“推导保护水生生物及其用途的国家水质基准技 术指南”的内容;同时阐明了根据我国水生生物区系的特征,开展水生态基准 研究的必要性。年,周忻等基于美国环保局发表的环境水质基准 推导方法,从理论上研究讨论了非致癌有机物环境水质基准的推导过程【。吴 丰昌等【 针对我国目前湖泊污染形式严峻,阐述了开展我国区域性水质基准研 究的重要性和科学意义,对水环境基准的研究方向和发展趋势做出了展望,同 时提出目前我国环境管理的重要科技任务就是尽快建立我国区域特点的湖泊水 质基准理论,技术和方法体系,为我国建立区域特点的湖泊水环境基准提供支 撑。这些理论研究和方法学的探讨都为我国水质基准的研究奠定了坚实的基础。 同时,我国学者也逐渐开展了针对特定污染物的水质基准的研究。张彤和 金洪钧就参照美国环保局制定的“推导保护水生生物及其用途的国家水质基准 的技术指南’’,结合我国水生生物区系的特点,研究和推导丙烯,硫氰酸 钠以及乙腈【】的水生态基准:尹大强和金洪钧参照“指南”研究了我国的, ,.三氯苯酚的水环境基准【】;王子建,雷炳莉筛选了太湖流域的优势物种以 及相应的毒性数据,探讨了五氯酚,,二氯酚和,,.三氯酚的水环境基 准,该研究还同时采用了毒性百分数排序法,蒙特卡罗构建物种敏感度分布曲 线法以及生态毒理模型法进行了对比研究【】:孟伟和刘征涛参考美国“指南 给出了我国淡水水生生物镉基准,为我国的镉水质标准研究提供了参考依据【‘】; 吴丰昌等人研究了重金属镉对我国淡水水生生物的毒性效应,并结合我国的生 物区系特点和实际情况,推导了淡水系统中镉的基准值【.卅;同时在另一研究中, 吴丰昌等以硝基苯为研究对象,采用三种不同的推导方法分析了美国和中国水 质基准的差异性【巧】。 但是,国内的这些已有的研究都是零散的,无法形成系统。另外,由于地 域和国情的差异,水生生物种群以及不同水生态系统的代表性物种具有很大差 异,已经制定的水环境标准很可能无法真实反映其客观规律,导致我国的环境 保护工作一直存在着“欠保护”和“过保护”的矛盾。固然,“欠保护”不能保 证人体健康和生态系统的持续安全。“过保护’’的问题一般来说虽然对生态系统 有益而无害,但为一个渴求经济腾飞的发展中大国所造成的重大经济损失来说,’ 第一章绪论 无疑是一件迫切需要解决的大事。近年来,特别在应对一些重大环境污染事件 时,己暴露出我国在水环境基准研究方面薄弱的现状,亟需从国家层面上开展 相关的科学研究,为我国中长期环境战略目标提供支持。 第四节研究目的,意义,内容,技术路线及创新点 ..研究目的及意义 ...研究目的 近年来,我国水环境中的污染问题日益严重,如年中石油吉林石 化公司双苯厂发生爆炸事故所引起的重大松花江水污染事件,导致大量有机物 进去水体中,造成了严重的污染问题。类似的例如汽油或其他石油产品泄 露以及各种相关污染事件的发生和化工厂的废水排放等都成为了我国水环境的 严重污染来源,且含量也是逐渐升高。根据研究显示,我国水环境中广泛存在 污染,已经对人体健康已经产生了重大威胁,对水生态系统健康构成潜在 危害。然而目前,国内对研究主要集中在人体健康毒性,环境行为和降解 修复个方面,而关于删水生生态系统影响的研究几乎没有。在我国仅有 相应的集中式生活饮用水地表水源地标准限值,由于饮用水标准是将人体 健康作为最终保护目标,与保护水生生物和水生态系统健康为目标有很大不同, 如果仅参照饮用水标准作为地表水环境质量标准难免会出现“过保护”。因此本 研究探讨苯系物对典型水生生物的毒害效应,并搜集相关毒害效应数据资料, 建立符合我国水生态系统特征的基准值,以期为科学制订地表水环境质量 标准以及排放标准提供重要的理论依据。 ...研究意义 探讨苯系物对典型水生生物的毒害效应; 为我国制定地表水水质标准提供科学依据,特别是为我国今后系统开 展水质基准的科学研究提供示范; 为我国环境保护法律法规中有关水环境排放标准的制定提供依据,为 完善我国水环境标准技术体系打下基础,从而从根本上保证水生生物的安全和 水生态系统健康。 第一章绪论 ..研究内容及技术路线 ...研究内容 本研究选取苯系物中的甲苯,乙苯和二甲苯为毒害效应研究对象,同时搜集 苯的相关毒性数据。重点开展以下个方面的研究: 对水生生物典型鱼类和水生植物开展基于生态毒理效应研究: 基于生态毒理学数据,建立苯系物的水质基准,初步制定水环境 基准推荐值。 ...技术路线 本课题研究以我国典型的种鱼类和种水生植物为研究对象,分析甲苯, 乙苯和二甲苯对水生生物的毒害效应。在科学合理的试验基础上,同时搜集 相 关的毒理数据,用水质基准定值学推荐方法推导苯系物苯,甲苯,乙苯和二 甲苯水生态系统的基准限值。图.列出了本项研究拟采用的技术路线。 ..课题创新点 前沿性 国内对研究过去主要集中在人体健康毒性,环境行为和降解机理等 个方面关于对不同水生生态系统影响的研究几乎没有。另外,我国水质 基准的研究刚处于起步阶段。 急需性 我国水域有机污染日益严重,“欠保护”和“过保护”矛盾日益突出,国内 缺乏对水环境基准的系统研究,目前制定的水环境标准缺乏科学依据,易造 成 “过保护”或“欠保护”急需相关基准和标准防止污染的日益扩大和严重化。 通过对苯系物水环境基准的研究,为苯系物水环境标准的修订提供科学依 据。 应用性 国内缺乏对水基准的系统研究。通过对水基准及其限值的研 究,为我国水环境标准的制订提供科学依据,为今后类似研究提供参考。第一章绪论 图.本研究技术路线 第二章苯系物对典型鱼类的毒性效应 第二章苯系物对典型鱼类的毒性效应 第一节前言 鱼类毒性试验常常用来监测废水和河流的污染情况,测定化学物质和工业 废水的毒性,评价污染物对水生生物的影响等等,鱼类毒性试验的应用要比其 它水生生物毒性试验更为普遍。这主要是由于鱼类是人类日常生活中极为重要 的食物和观赏生物,与人类的关系相比其它水生生物更为密切,研究也显示鱼 类对化学物质一般都比较敏感。因此,鱼作为监测水环境污染的一种生物毒性 检验手段己经被广泛采用【?。试验生物泥鳅 属鲤形 目,鳅科,花鳅亚科。在中国除青藏高原外,全国各地天然淡水水域中均有分 布,尤其在长江和珠江流域,分布极广,群体数量大,是一种小型淡水经济鱼 类,尤其在南方地区,是经常食用的鱼种之一。同时由于泥鳅具有底栖习性, 繁殖能力强,对于核异常的诱变具有较高的敏感性,因此常用于水环境污染监 测和环境评价,也是毒理研究中的适宜指示物种【】。 第二节苯系物对典型鱼类的毒性效应实验 ..受试生物 试验生物泥鳅 购于天津花鸟鱼虫市场,其平均体 长. ,平均体重. 。在水族缸内驯养天,实验室温度控制在士, 每天喂食并清理缸底粪便和残余饵料,驯养期间未出现鱼体死亡情况。试验 前 停止喂食。驯养结束后,选择身体健康体表无损大小一致的泥鳅随机分组 ..试验药品与仪器 试验药剂:甲苯,乙苯,二甲苯,二甲基亚砜和吐温,均为分析纯,购 于天津市津东天正精细化学试剂厂。 母液配制:受试污染物均不易溶于水。因此,试验使用助溶剂二甲基二砜 和乳化剂吐温配制母液。移取配制所需试剂到容量瓶中,依次移取一定量二 第二章苯系物对典型鱼类的毒性效应 甲基亚砜和吐温.,混匀,用蒸馏水定容到所需刻度。母液每次试验前配制, 其中助溶剂和乳化剂不超过/。 ..苯系物挥发试验 试验法规定,毒性试验过程中每~个处理组中的有毒物质的浓度不得 低于其初始浓度的%。苯系物本身难溶于水且易挥发,而本研究采用半静态 法,因此通过挥发试验确定多长时间更新污染物溶液能够保持溶液中苯系物 浓 度维持在初始浓度的%以上。 根据课题组成员周彤对苯系物挥发率的研究发现,毒性试验采用的玻璃器 皿装置采用保鲜膜和锡箔纸密封,随着时间的推移,三种苯系物的含量均随 之 下降,乙苯的挥发量最小,各浓度组中乙苯含量在小时内能维持在初始浓度 的%以上,甲苯和二甲苯的含量只能在小时之内保持在总量的%以上。 因此可以看出,采用相同的试验手段,甲苯和二甲苯需要在小时内更换污染 物溶液,而乙苯在小时内更换污染物溶液即可。 ..急性毒性试验 急性毒性试验参照鱼类进行毒性试验标准【,采用半静态法, 试验条件和驯养条件保持一致。正式实验前进行预备试验,观察泥鳅在 内对污染物的反应情况,得到泥鳅全部存活和全部死亡的浓度范围,然后在 此 范围内按照几何级数梯度。分别设置个浓度,每个浓度重复次,同时设空 白对照和最高溶剂对照。试验在水缸中进行,每个烧杯放尾鱼,换一 , 次水,以维持试液浓度同时保证试液溶解氧含量,光暗比:,温度: 试验期间禁止喂食。每次换水记录泥鳅死亡情况及其中毒症状,并及时捞出 死 鱼。 .. 慢性毒性实验 ...试验药品与仪器 。 试验药品: 考马斯亮蓝,牛血清蛋白 ,吐温.购于 美国;,购于美国试剂公司;,’ 第二章苯系物对典型鱼类的毒性效应购于化学试剂公司日本: ,, , , 购于 美国。 实验仪器: 双光束紫外分光光度计:恒温水浴锅天津市中环实验电炉有限公 司:.帕尔贴恒温控制器北京普析通用仪器有限责任公司: 冰冻离心机德国公司;. 计:.溶解氧测定仪溶 解氧测定仪:电子天平北京赛多利斯仪器有限公司。 ...慢性毒理试验方法 根据甲苯,乙苯和二甲苯三种物质对泥鳅的急性毒性效应,计算出每种物 质对泥鳅暴露的半数致死浓度.。根据.,设定组能够保证 泥鳅存活的低浓度水平进行长期污染暴露实验。试验在水缸中进行,每个 水缸中随机放入条大小无显著差异的泥鳅,试验期间每更新试液,以维 持试液浓度及溶解氧浓度。泥鳅暴露天和天,分别取样,测定其体内的各 项生理指标,同时设定空白对照和最高浓度溶剂对照。 ...粗酶液的提取方法 脑组织粗酶液提取:泥鳅染毒完成后,将头部与身体剪断,取脑部脑干组 织,置于玻璃匀浆器中,用预冷的缓冲液 .的冰浴条件下制备匀浆。 讲匀浆液在 ,得离心上清液,即为粗酶提取液,. 离一巴 / 下保存,备用。 肝组织粗酶液提取:解剖泥鳅,取其肝脏部位,置于玻璃匀浆器中,用预冷 /条件下低温离心 , 的缓冲液 .匀浆,将匀浆液于, 上清液即为粗酶提取液,低温保存,各项生理指标待测。 ...蛋白质含量测定 蛋白含量测定采用】方法测定。以牛血清白蛋白为标准蛋白 配制标准溶液,分别测定各标准样品的吸光值绘制标准曲线。测定样品的吸 光 值,在标准曲线上读出样品中的蛋白含量。 第二章苯系物对典型鱼类的毒性效应 ...乙酰胆碱脂酶活活性测定 限 活性的测定采用”。方法并稍作修改。测定原理是碘化硫代乙酰 胆碱被分解的产物硫代胆碱与结合生成黄色络合物,在 处有 最大吸收,通过酶促反应的初速度来确定酶的活性。反应体系为.?磷酸缓冲 液./,.,肛碘化硫代乙酰胆碱/,溶液 /,以上溶液依次加入试管中,混合后加入此酶液,反应总体积为 下比色测定,每隔. 读数次,连续 皿。于 比色皿中,在波长 测定。酶活力定义为每毫克脑组织蛋白水解底物的数。 ...抗氧化酶活性的测定 ....超氧化歧化酶活性测定 活性的测定,采用改进的邻苯三酚自氧化法‘。。首先测定邻苯三酚的 自氧化速率:取试管,加入 %..缓冲液,?保 石英比 邻苯三酚,迅速摇匀,倒入 温分钟后加入预热的此 /的代替邻苯三酚, 色杯中,放在一号样品池,空白管用. 波长下测定邻苯三酚的自氧化速率。每隔秒测值一次。计算线性范围内每分 钟的增值,此即为邻苯三酚的自氧化速率。邻苯三酚的自氧化速率要求控制 在. /左右。酶活测定:样品池加入邻苯三酚前加入?待测 酶液,参比池同邻苯三酚自氧化速率测定。在波长下,每隔测定一 次吸光度,持续测定。个酶活单位定义为下每毫升反应液中,每分 钟抑制邻苯三酚自氧化速率%的酶量,并用蛋白进行矫正。 ....过氧化氢酶活性测定 活性的测定采用徐镜波等【的方法。样品池体系为为酶样. 磷酸盐缓冲液。分光光 磷酸盐缓冲液;参比池为此酶样. 度计设置为时间扫描,在波长下,每隔测吸光度一次,连续一分钟。 个酶活单位定义为:在。 内使分解一半时的酶蛋白量。第二苹苯系物对典型 鱼类的毒性效应 ....过氧化物酶活性测定. 参考赵亚华【酬的方法,略有改进。活性测定反应体系:. .. 的磷酸缓冲液, %的,础 的愈创木酚溶液伊,以 上溶液加入试管中摇匀后再加入酶液,迅速摇匀后倒入比色皿中, 放入分光光度计内,对照管中以缓冲液代替酶液,在 波长下间隔秒 记录,连续记录分钟,求出每分钟值的变化为?~。 ....谷胱甘肽硫转移酶活性测定 磷酸缓冲液.,. 活性测定采用。。的方法。反应体系为. 皿 还原型谷胱甘肽水溶液和 酶样。以上溶液混匀后,在? 预热分钟,然后加入卜氯一,二硝基苯的乙醇溶液浓度为 / ,?反应分钟后,加入. %三氯乙酸终止反应。 转速下离心分钟,取上清液, 处比色测定读取吸光度值。参照管先加 入%三氯乙酸,其他操作同上。个酶活力单位定义为:每蛋 。 白,扣除非酶反应,每分钟使浓度下降 ...鹰质过氯化活性测定 测定方法采用硫代巴比妥酸法,略有改进。把. 酶液%的三氯乙酸 都加入一个试管内,混匀,塞上脱脂棉,在沸水浴中 内含.% 煮沸分钟,自然冷却,然后把反应液在 /,离心分钟,取上清液, 量其体积,并以三氯乙酸内含.%和酶液等体积的缓冲液为对照, 分别在, 波长下,测其吸光度值,。 ..数据处理 实验结果采用软件进行分析,对其进行相关分析判断剂量效 应相关性,然后进行概率回归分析,求得及其%置信区间和回归方程: 显著性分析用独立样本检验。泥鳅半数致死浓度采用单位概率回归分析 法对对照与 法得出。在酶活数据处理中,采用.中的 处理组进行差异显著性分析,.表示差异显著,.表示差异性极显著。 第二章苯系物对典型鱼类的毒性效应 第三节实验结果与讨论 ..苯系物对泥鳅的急性毒性效应 在试验过程中,溶解氧浓度始终大于. /,水质维持在..之间, 电导率为? /,温度保持在.之间。 举 酪 蓉 餐 图.甲苯,乙苯和二甲苯对泥鳅的急性毒性效应曲线 根据预实验的结果,甲苯正式试验浓度设置为.,.,。,,. /。在甲苯对泥鳅的急性毒性试验过程中,空白组及最高浓度溶剂对照组均 未出现死亡或其他中毒症状等异常情况。随着甲苯浓度的升高,泥鳅的死亡率 在不断增大图..,当其浓度增加到 /时,泥鳅全部死亡。试验开始 几分钟后,污染暴露较高浓度组中的泥鳅开始出现中毒症状,游动速率加快, 身体失去平衡并且无序地游动。观察高浓度组发现,泥鳅腮部有明显充血症状,第二章苯系物对典型鱼类的毒性效应 体表发白。 在乙苯对泥鳅的急性毒性试验过程中,空白组及最高浓度溶剂对照组均未 出现死亡或其他中毒症状等异常情况。污染物浓度和泥鳅的死亡率呈现明显的 剂量一效应关系如图..所示。泥鳅投入含二甲苯的水中,反应为活动活跃, 游动迅速,有强烈的应激反应。大约分钟后,即沉入水底,静卧,活动量减 小。随着乙苯浓度的升高,泥鳅的死亡率在不断增大。高浓度试验组泥鳅粘液 增多,有明显的充血和体表发白现象。 在二甲苯对泥鳅的急性毒性试验过程中,空白组及最高浓度溶剂对照组均 未出现死亡或其他中毒症状等异常情况。随着乙苯浓度的升高,泥鳅的死亡率 在不断增大。泥鳅在高浓度表现出明显的异常反应,泥鳅表现出局促不安,并 开始剧烈地上下游动,同时还出现侧游和打转的现象,其在水体中的平衡能力 也明显受到了影响;大约分钟,泥鳅运动速度开始减慢,反应迟钝。低浓度 处理组中泥鳅出现中毒症状的时间较迟,中毒症状没有高浓度组的泥鳅明显。 表.甲苯,乙苯和二甲苯对泥鳅的急性毒性效应分析 为相关系数,为死亡概率;为污染物浓度对数。 甲苯,乙苯和二甲苯对泥鳅有毒性作用,呈显著的剂量一效应相关性,且毒 性作用随暴露时间延长而增大。泥鳅死亡率经单样本检验,属于正态分布。 同时,对三种污染物的浓度和泥鳅致死率进行剂量一效应相关性分析表.,得 到相关系数。可见,甲苯,乙苯和二甲苯对泥鳅毒性作用存在明显的剂第二章苯系物对典型鱼类的毒性效应 量一效应相关关系。数据结果分析得到半致死浓度及毒性回归方程,如表 .所示。由表可知,甲苯对泥鳅半致死浓度 为. /,其%置 信区间为... 为. /,其 /;乙苯对泥鳅的半致死浓度 %置信区间为... 为. /, /:二甲苯对半致死浓度 其%置信区间为... /。 ..苯系物对泥鳅的亚慢性毒性效应 ...甲苯对泥鳅的亚慢性毒性效应 ....甲苯对泥鳅乙酰胆碱醅酶的影响 泥鳅脑体内乙酰胆碱酯酶的活性随着甲苯浓度的变化如图.所示。 在甲苯污染水体暴露天下,的活性在 /和 /的浓度水平上 高于对照组,在 /浓度下,的活性达到最大,但是与溶剂对照组水 平相比,.并无显著性差异.。在甲苯污染水体暴露天下,的活性 均低于对照组水平,而且随着甲苯浓度的增加一直呈现下降的趋势。经单 因素方差检验,各浓度处理组活性与溶剂对照组水平并无显著性差异。 乱 ? ’、 图.甲苯污染对泥鳅脑部乙酰胆碱酯酶活性的影响,结果表示为平均值?标 准偏 差,表示不加污染物的空白,表示培养溶液中仅加入不超过.%的 的溶剂空白叩.;?.. ....甲苯对泥鳅抗氧化酶,,的影响 第二章苯系物对典型鱼类的毒性效应 图.甲苯污染对泥鳅肝脏,,和活性的影响,结果表示为平 均值?标准偏差,表示不加污染物的空白,表示培养溶液中仅加入不超过.% 的的溶剂空白叩.:??.. 甲苯对泥鳅肝脏抗氧化酶,,和的影响情况如图.所示。 由图可见,在甲苯暴露条件下,,和均呈现先上升后下降的趋势, 表明抗氧化酶先受到诱导,后受到污染物的抑制。暴露七天后,和在 /下活性达到最大,且与对照组之间存在极显著差异.,随着浓 度增加,和均开始下降,在浓度最大/的暴露条件下,其活性 低于对照组。在/条件下活性达到最大,随着浓度的增加。其活性随 之下降,而且均低于对照组的活性。而在 /和 /浓度下, 活性与对照组对比呈现极显著的上升,其活性是对照组的.和