基于毒性效應(yīng)的流域沉積物中重金屬生態(tài)風(fēng)險評估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及生態(tài)風(fēng)險的確定方法，尤其是基于毒性效應(yīng)的流域沉積物中重金屬生 態(tài)風(fēng)險評估方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 重金屬污染物與其他有機污染物不同，不少有機污染物可以通過自然界本身物理 的、化學(xué)的或生物的凈化，使有害性降低或解除，而重金屬污染物很難在環(huán)境中降解，對生 態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生較大危害和潛在環(huán)境風(fēng)險。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)活動 產(chǎn)生大量含有重金屬的廢棄物，其中的重金屬通過迀移釋放等過程進入河流和湖泊等水 體，絕大部分迅速地轉(zhuǎn)移至沉積物與懸浮物中，懸浮物在被水流搬運的過程中也會逐步轉(zhuǎn) 變?yōu)槌练e物的一部分。沉積物中的重金屬含量通常會比水體中的重金屬含量要高得多，并 會隨環(huán)境條件的變化而逐漸被釋放成為水體重金屬污染的主要內(nèi)源。此外，重金屬含量在 水體中無分布規(guī)律，卻在沉積物中有明顯的水平分布規(guī)律，對沉積物中重金屬的研究有助 于追蹤其污染源，以及了解重金屬的擴散和潛在環(huán)境風(fēng)險。沉積物區(qū)域是大量魚蝦、貝殼類 底棲動物的新稱代謝場所，沉積物中的重金屬在底棲動物體內(nèi)通過食物鏈可富集上萬倍， 對水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的危害很大。因此，對沉積物中重金屬進行生態(tài)風(fēng)險研究具有重要意義。
[0003] 沉積物中重金屬的生態(tài)風(fēng)險不僅取決于其含量，還取決于其從沉積物向水體的釋 放，更直接取決于其對生物的毒性效應(yīng)，特別是評估多種重金屬生態(tài)風(fēng)險的時候，由于每種 重金屬的毒性效應(yīng)不一樣，因此需要引入重金屬毒性系數(shù)權(quán)重，而重金屬的毒性效應(yīng)也受 生物種類的影響，且不同流域的生物種類分布存在差異。
[0004] 目前，沉積物中重金屬生態(tài)風(fēng)險評估通常是針對單一的金屬進行評估，如富集系 數(shù)法和地累積指數(shù)法等，同時綜合多種金屬的評估較少，如回歸過量分析法等。這些方法大 部分都沒有考慮重金屬的生物毒性效應(yīng)，只有瑞典科學(xué)家Hakanson于1980年提出的潛在生 態(tài)危害指數(shù)法(potential ecological risk index,RI)綜合評估了多種金屬的生態(tài)危害 并且考慮了不同重金屬對生物的毒性效應(yīng)。但是，由于當(dāng)時局限于重金屬的毒性數(shù)據(jù)的缺 乏，Hakanson只是根據(jù)重金屬在地殼中的豐度與來間接計算重金屬毒性系數(shù)，沒有直接計 算重金屬對生物的毒性效應(yīng)，更沒有考慮不同物種對重金屬毒性的敏感性差異等。
[0005] 當(dāng)前，Hakanson這一方法仍然是環(huán)境科研和實踐人員在評估重金屬的生態(tài)風(fēng)險時 運用的主要方法。發(fā)明專利申請201410137454.3公開了 "一種河湖沉積物中重金屬污染的 生態(tài)風(fēng)險確定方法"，此專利申請主要運用統(tǒng)計和抽樣計算原理確定多種重金屬的分布，其 中重金屬污染物的毒性系數(shù)仍然基于地殼豐度計算的。發(fā)明專利申請201410074703.9公開 了"河流三相空間重金屬污染綜合生態(tài)風(fēng)險評價方法"，此專利申請在計算重金屬的毒性系 數(shù)也直接運用Hakanson方法計算出的數(shù)值。
[0006] Hakanson提出的基于重金屬在地殼中的豐度而計算出的重金屬毒性系數(shù)是對當(dāng) 時重金屬的毒性數(shù)據(jù)的缺乏而妥協(xié)的產(chǎn)物。此外，現(xiàn)有的沉積物中重金屬的生態(tài)風(fēng)險評估 方法仍然缺乏重金屬對水生生物的毒性效應(yīng)的考量，更沒有考慮到不同流域生物區(qū)系分布 的不同。
[0007] 在重金屬的毒性數(shù)據(jù)越發(fā)完善的今天，對于沉積物中重金屬的生態(tài)風(fēng)險評估迫切 需要一個更加準(zhǔn)確的重金屬毒性系數(shù)的計算方法，以便于科研實踐中更準(zhǔn)確地評價沉積物 中重金屬的生態(tài)危害。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了解決以上問題，本發(fā)明提出了基于毒性效應(yīng)的流域沉積物中重金屬生態(tài)風(fēng)險 評估方法：
[0009] (1)按照生物分布廣度與數(shù)量篩選所評估的流域水環(huán)境的主要水生生物物種；
[0010] (2)對所評估流域范圍內(nèi)的沉積物采樣，確定要檢測的重金屬的種類并將其編號： 若總共有η種重金屬要檢測，金屬編號為l、2、"_、i、…、n_l、n;
[0011] (3)逐一測量每份沉積物樣品第i種重金屬的濃度，并計算出第i種重金屬的濃度 平均值，并按照公式4 = 逐一計算第i種重金屬的污染系數(shù)塢,其中， (4為未受污染沉積物中第i種重金屬含量的參比值；
[0012] (4)收集第i種重金屬的釋放系數(shù)
[0013] (5)收集第i種重金屬對步驟（1)中篩選出的水生生物物種的慢性毒性數(shù)據(jù)，對收 集到的數(shù)據(jù)進行曲線擬合處理，選取擬合優(yōu)度最高的曲線回歸方程，從而得到第i種重金屬 物種敏感度的最優(yōu)擬合方程；
[0014] (6)根據(jù)步驟(5)所得到的最優(yōu)擬合方程繪制擬合曲線(SSD)，并將這個方程y值定 為0.05，求出其對應(yīng)的X值，這個X值即為保護95%水生生物的第i種重金屬的濃度值HC|；:
[0015] (7)步驟⑷至⑹重復(fù)η次，分別得出步驟(2)中所確定檢測的每一種重金屬的釋 放系數(shù):(4和毒性濃度值HC.i，并將每一種重金屬的釋放系數(shù)C&和毒性濃度值HCl綜合并 進行歸一化校正，逐一得出第i種重金屬的毒性系數(shù)S 1;
[0016] (8)使用公式TrizS^G/BPir逐一計算出第i種重金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)1^，其 中，BPI為所評估水體的生物產(chǎn)量指數(shù)，X取值為1、1/2或0;
[0017] (9)使用公式Erj = Tr1 * ci.逐一計算出第i種重金屬的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)Er1，所得 Er1用于評價單一金屬對所評估流域的生態(tài)風(fēng)險：當(dāng)時第i種重金屬對所評價流域有 輕微的生態(tài)危害，當(dāng)30 <ΕΡ〈60時第i種重金屬對所評價流域有中等生態(tài)危害，當(dāng)60S Erk 120時第i種重金屬對所評價流域有強的生態(tài)危害，當(dāng)120 <ΕΡ〈240時第i種重金屬對所評 價流域有很強的生態(tài)危害，當(dāng)Er1〉〗^時第i種重金屬對所評價流域有極強的生態(tài)危害。
[0018] 優(yōu)選地，上述生態(tài)風(fēng)險評估方法還包括步驟（10):使用公式RI = Eri計算評 價水體中多種重金屬污染物所造成的總生態(tài)風(fēng)險綜合指數(shù)RI，通過RI來確定所評估流域的 生態(tài)風(fēng)險：當(dāng)RI〈150時流域存在輕微的生態(tài)危害，當(dāng)150SRK300時流域存在中等的生態(tài)危 害，當(dāng)300 < RK600時流域存在較強生態(tài)危害，當(dāng)RI 2 600時流域存在極強的生態(tài)危害。
[0019] 進一步地，步驟（1)中所篩選的主要水生生物物種應(yīng)具有統(tǒng)計學(xué)代表性，即所篩選 出的物種對所檢測重金屬的反應(yīng)能夠代表所評估流域的生態(tài)系統(tǒng)對所檢測重金屬的反應(yīng)。 因此，篩選需要在不同類別的生物群系中進行，并且在每一個類別的生物群中應(yīng)篩選多個 生物物種。舉例來說，所述水生生物類別可包括浮游植物、水生植物、浮游動物、魚類、和底 棲動物，篩選時在上述五個類別的生物群里分別選取三個生物物種。
[0020] 進一步地，步驟(2)所述的沉積物樣品應(yīng)具有統(tǒng)計學(xué)代表性:采集沉積物表層0-lcm處的樣品，所述樣品的采集點應(yīng)平均分布于所評估流域，所述樣品的數(shù)量應(yīng)根據(jù)實際流 域面積確定，流域面積越大樣品數(shù)越多，樣品數(shù)至少為五個，取其金屬濃度的平均值。
[0021] 進一步地，步驟(2)所述的重金屬種類根據(jù)流域主要污染源決定?；谖覈饔蛭?染現(xiàn)狀及精確測試手段的可實現(xiàn)和普及，推薦所測試的重金屬種類包括Hg、Cd、Pb、Cu、Zn、 Cr、As、Ni這八種有毒重金屬。
[0022] 進一步地，步驟(3)所述的未受污染沉積物中第i種重金屬含量的參比值&，即工 業(yè)化前全球沉積物金屬的最高背景值，可以從現(xiàn)有的文獻中獲得(例如"潛在生態(tài)危害指數(shù) 法評價中重金屬毒性系數(shù)計算"，環(huán)境科學(xué)與技術(shù)第31卷第2期）。
[0023] 進一步地，在步驟(5)中，將所收集到的不同生物物種的毒性數(shù)據(jù)的濃度值對以濃 度排列的分位數(shù)作圖，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)點分布形狀來選擇曲線方程進行擬合。擬合應(yīng)采用 多個不同的函數(shù)進行并選出最優(yōu)回歸曲線，以盡量避免由函數(shù)選擇不恰當(dāng)而引入的系統(tǒng)誤 差。當(dāng)毒性數(shù)據(jù)點的分布為常見的S型時，擬合曲線優(yōu)選使用log-Normal分布函數(shù)、log-logistic分布函數(shù)log-triangular分布函數(shù)或他們的組合。當(dāng)毒性數(shù)據(jù)點的分布不同于常 見的S型分布時，可考慮使用其他曲線或非參數(shù)方法對數(shù)據(jù)點進行擬合，如采用BurrIII型 分布函數(shù)作為重金屬毒性數(shù)據(jù)的回歸曲線方程。
[0024] 進一步地，步驟(5)所述的擬合優(yōu)度是由毒性數(shù)據(jù)點和所得的曲線回歸方程的判 斷系數(shù)R2來確定：當(dāng)曲線回歸方程的判斷系數(shù)R 2越趨近于1，此曲線回歸方程對數(shù)據(jù)的擬合 優(yōu)度越高。當(dāng)上述所得出的幾個判斷系數(shù)非常接近時，使用毒性數(shù)據(jù)點和所得的曲線回歸 方程的估計標(biāo)準(zhǔn)誤差S xy進一步判斷所選用曲線方程的擬合優(yōu)度：曲線回歸方程的估計標(biāo)準(zhǔn) 誤差Sxy越小，此曲線回歸方程對數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度越高。
[0025] 進一步地，步驟(6)所述的保護95%水生生物的第i種重金屬的濃度值是擬合 曲線上5%水生生物的累積概率對應(yīng)的毒性數(shù)據(jù)值。一般來說，重金屬濃度低于這一參考值 即可保護大多數(shù)的水生生物，使整個生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展具有可持續(xù)性。
[0026] 進一步地，步驟(7)中所述的綜合并歸一化校正包括以下計算步驟：
[0027] a.將第i種重金屬的濃度值H(d進行求倒數(shù)，得出的各個數(shù)值均保留三位有效數(shù) 字；
[0028] b.將步驟a所求出的各個倒數(shù)除以它們中最小的一個倒數(shù)，得出的各個數(shù)值均保 留三位有效數(shù)字；
[0029] c.將步驟b所求出的各個數(shù)值乘以相對應(yīng)的第i種重金屬的釋放系數(shù)
[0030] d.將步驟c所求出的各個數(shù)值除以它們中最小的一個數(shù)，得出的各個數(shù)值均保留 三位有效數(shù)字；
[0031] e.將步驟d所求出的各個數(shù)值開平方，得出的各個數(shù)值均保留兩位有效數(shù)字。
[0032] 進一步地，步驟(8)所述的BPI是生物生產(chǎn)量指數(shù)(Bioproduction Index)由沉積 物樣品的燒灼量和含氮量確定。BPI表示水體對重金屬污染的敏感度，即沉積物孔隙水的Eh 和pH以及上覆水的pH、鹽度和堿度等對各種重金屬在水體中的毒性的影響。
[0033] 進一步地，步驟(8)所述的X取值由所測重金屬的種類所決定。汞的毒性響應(yīng)系數(shù) 隨BPI的增高而降低，兩者呈線性關(guān)系，因此，當(dāng)所測重金屬為汞(Hg)時X取值為1。砷的毒性 響應(yīng)系數(shù)與BPI無關(guān)，因此，當(dāng)所測重金屬為砷(As)時X取值為0。其他重金屬的毒性響應(yīng)系 數(shù)也隨BPI的增高而降低，但不呈線性關(guān)系，因此當(dāng)所測重金屬不為汞或砷時其X取值為1/ 2〇
[0034] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的基于毒性效應(yīng)的流域沉積物中重金屬生態(tài)風(fēng)險評 估方法的優(yōu)點在于：
[0035] 1.采用金屬對水生生物實際的毒性效應(yīng)數(shù)據(jù)，而且考慮了不同物種對金屬的毒性 敏感性，并采用保護95%生物的閾值來確定金屬的毒性系數(shù)，在毒性系數(shù)的確定中引入了 風(fēng)險的概念。相比于采用地殼豐度來衡量金屬毒性效應(yīng)的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的生態(tài)風(fēng) 險評估方法能更準(zhǔn)確反映沉積物中重