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学科评估标志性成果:初步建立了适合中国特点的保护水生生物水质基准理论方法学

国家重点实验室、总工办 | 2019-11-07 15:51:00

 

保护水生生物的水质基准是保护水环境安全的基石和前提,是制定相关水质标准的科学依据。发达国家开展保护水生生物水质基准研究已有近百年的历史,建立了较为完善的基准技术与管理体系,在水环境保护中发挥了重要作用。我国水质基准研究基础薄弱,通过长期科研积累和与国际同行深度交流合作,在保护水生生物水质基准理论方法方面取得突破,在国内率先针对国际上普遍认可的水质基准研究方法开展系列研究,在本土水生生物筛选与测试、污染物物种敏感度分布差异以及重金属毒性预测模型等方面取得了重要进展。

(1)吸收借鉴国际先进成果,初步形成适合中国特点的保护水生生物基准理论和方法

理论和方法学是促进水质基准研究质的飞跃的根本动力,长期以来,我国在水质基准理论方法学方面的研究基本是空白状态,这也是我国水质基准研究过程中首当其冲,迫切需要解决的难题。研究建立了代表性本土水生生物毒性驯养与测试方法,制定我国水环境基准数据规范,开展了麦穗鱼、河蚬、中华圆田螺等一批本土生物毒性测试;依据我国水生生物分布区系特征,提出不同于美国“3门8科”的我国“3门6科”最少受试生物原则;提出“生物效应比”基准外推技术方法,制定了“水效应比”技术在我国水环境基准研究中的适用规范;提出水环境基准阈值的野外校验技术方法,开展了太湖、辽河等典型流域水生生物的基准野外校验;批量获取本土水生生物毒性数据,初步构建了我国水环境基准数据库系统系统;获得了20余种典型污染物的急性与慢性基准建议值,形成一系列标准技术文件和导则,初步形成我国保护水生生物基准理论与方法学。

(2)建立受试生物筛选方法,提出“10类54种”本土受试水生生物名单

本土水生生物及其用途是保护水生生物水质基准的主要保护目标,筛选敏感性本土水生生物是水质基准方法学的重要内容。美国EPA曾提出过北美地区受试水生生物名单,但未见其对受试生物的敏感性进行分析,其他国家则未见类似研究。本团队基于我国本土水生生物区系特征,采用物种敏感度分布(SSD)技术原理,建立受试生物筛选技术方法,系统筛选了我国敏感的本土水生生物,从数百种我国代表性本土水生生物中,筛选出适用于基准研究的本土受试生物,共有“10类54种”,包括10种鱼类、5种两栖类、10种甲壳类、4种环节动物、3种水生昆虫、3种软体动物、3种轮虫、3种水螅、1种涡虫、12种水生植物,见图1。为我国保护水生生物基准研究提供了良好借鉴。

图1 “10类54种”我国本土受试水生生物

(3)率先发现了金属理化要素与生物毒性的定量关系,构建了构建了定量离子特征-毒性模型(QICAR)和水质基准预测模型,为珍稀水生生物毒性数据获取和水质基准推导提供了新途径

金属的定量离子特征急、慢性毒性预测方法是国际传统水质基准理论方法的有益补充。群体首次发现金属软指数(δp)与8种国际通用模式生物的毒性效应存在不同程度的显著定量关系(r2=0.76, P=7.02×10-9),通过构建的定量离子特征-毒性模型(QICAR)和物种敏感度分析,可以较好地预测25种金属或类金属的急性毒性值和相应的水质基准值(CMCs)。

图2  34种金属或类金属的慢性毒性QICAR模型构建与物种敏感度分析获得的log-HC5预测值

研究还发现通过金属软指数(δp),最大配合物稳定常数(log-βn),电化学势(∆E0)和共价指数(Xm2r)四个理化参数就能够预测8种国际通用模式生物的毒性值,其中金属软指数和最大配合物稳定常数与金属水质基准值最相关。构建了金属软指数(δp)与八科水生模式生物的慢性毒性(log-NOEC)的定量构效关系模型,并结合物种敏感度分布分析成功预测34种金属的基准连续浓度(CCCs)。实现了从筛选典型污染物和敏感物种,到基于已有毒理效应数据推导水生生物基准值,并最终据此评价污染物环境风险的全过程研究。

图3 金属软指数σp与log-HC5预测值具有显著相关性

成果应用:淡水水生物水质基准、人体健康水质基准等相关成果成为《淡水水生生物基准制定技术指南》(HJ831-2017)、《人体健康水质基准制定技术指南》 (HJ837-2017) ,正支撑我国地表水标准修订和水环境应急事故的处理处置。

国家重点实验室、总工办联合供稿

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