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不同国家基于生态风险的土壤筛选值研究及启示

北极星环境修复网  来源:《生态毒理学报》  作者:郑丽萍 王国庆​ 龙涛 林玉锁 冯艳红 张亚 赵欣  2020/9/23 10:33:46  我要投稿  

北极星环境修复网讯:摘要:本文介绍了土壤生态筛选值的定义以及国外一些国家在污染土壤生态风险评估领域的相关土壤筛选值。由于地理生态、社会文化、行政法规以及标准制定的科学基础等差异使各国基于生态风险的土壤筛选值的制定方法各有特色,导致各国基于生态风险的土壤筛选值名称和筛选值之间存在较大差异。我国的生态风险评价研究起步较晚,目前还没有国家权威机构发布的诸如土壤生态筛选值、生态风险评价技术导则等文件。本文就目前国外一些权威机构推出的并得到广泛认可的相关标准、方法做简要介绍,就国际上不同国家的土壤生态筛选值的制定方法、理论体系、使用策略等进行详细描述,为我国制定相关筛选值的方法体系提供参考,旨在推动我国基于生态风险的污染土壤筛选值的建立和生态风险评估研究。

关键词:生态风险;土壤筛选值;制定方法;土地利用类型

基于风险的土壤筛选值是土壤中污染物浓度的指示值或警告值,是初步判断和识别受污染土壤环境风险的依据。由于生态受体(土壤微生物、土壤动物及植物)数量众多,且土壤属于高异质性介质,故生态风险基准的建立相对人体健康风险基准更加复杂,目前也只有为数不多的国家建立了生态基准,并基于此制定了旨在保护生态安全的土壤环境质量标准。目前,世界上已有10多个国家制定或正在制定土壤生态筛选基准值,这些筛选值的公布促进了污染土壤生态风险评估技术的发展,也给污染土壤的环境管理提供了有力支持。同时,生态风险筛选值也是生态风险评估的初步风险评价层次所依据的主要工具,初步筛选土壤中污染物的含量是否对生态环境存在风险。美国、英国、澳大利亚和荷兰等国家都为生态风险评估导则配套制定了相应的土壤生态筛选值,不同国家的土壤生态筛选值的叫法略有不同,但都是基于生态风险而制定的土壤环境指导值。

2018年6月28日,生态环境部与国家市场监督管理总局联合发布《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)。该标准的制定是为保护农用地土壤环境,保障农产品质量安全。目前,我国尚未制定主要保护目标为生态受体的土壤筛选值。我国生态风险评价研究起步较晚,目前还没有国家权威机构发布的诸如生态风险评价技术导则等文件。本文介绍了土壤生态筛选值的定义以及国外一些国家在污染土壤生态风险评估领域的相关土壤筛选值。由于地理生态、社会文化、行政法规以及标准制定的科学基础等差异使各国基于生态风险的土壤筛选值的制定方法各有特色,导致各国基于生态风险的土壤筛选值名称和筛选值之间存在较大差异。本文就目前国外一些权威机构推出的并得到广泛认可的相关标准、方法以及国内污染土壤生态风险评估的研究现状做简要介绍,对国际上不同国家的土壤生态筛选值的制定方法、理论体系、使用策略等进行详细描述,为我国制定相关筛选值的方法体系提供参考,旨在推动我国基于生态风险的污染土壤筛选值的建立和生态风险评估研究。

1 美国生态土壤筛选值与制定方法(American ecological soil screening levels and formulation method)

针对超级基金场地生态风险评估要求,美国EPA制定了生态土壤筛选值体系(Eco-SSL)。Eco-SSL是一套基于生态环境保护的土壤污染物浓度筛选值,保护目标为与土壤发生接触的,或以土壤中、土壤上生物质为食的生态受体。Eco-SSL不但给出了通用筛选值,也同时给出了筛选值的推导方法,筛选值在制定时采用偏保守的假设,用于场地生态风险的初筛。初筛确定潜在关注污染物后,有利于在随后的场地专项基线生态风险评估工作中将研究重点集中到关注的污染物上。超级基金生态风险评估程序主要包括8步:(1)初步筛选层次;(2)筛选层次;(3)问题描述;(4)研究设计与数据质量分析;(5)确定现场采样方案;(6)现场调查与数据分析;(7)风险表征;(8)风险管理。Eco-SSL主要被用于第2步,即初步筛选阶段时进行土壤污染物的筛选工作。

表1各物种在土壤中的暴露途径

Table 1 Exposure pathways of species in the soil

1.jpg

注:Eco-SSL为生态土壤筛选值体系。

Note: Eco-SSL stands for ecological soil screening levels.

Eco-SSL在启动编制时考虑了24种污染物,其中包括7类有机污染物和17种无机金属离子。保护对象主要考虑了四大类受体,即植物、土壤无脊椎动物、鸟类和哺乳动物。由于研究数据的不足,暂未纳入两栖及爬行动物。各物种的暴露途径如表1所示。

1.1 Eco-SSL毒性参数获取

EPA首先通过一系列严格的筛选程序,筛选出可信度较强的文献数据。其中必须包含土壤理化性质数据,包括土壤pH和有机质百分比(%OM)。如果土壤pH <4或> 8.5或者土壤有机质含量> 10%时,文献数据不被采纳。相关的毒性数据按照4种生态相关评估终点进行总结整理,即繁殖、数量、生长、生理。每项研究中的毒性参数,即污染物导致的不利作用的浓度-效应关系,均被记录下来。用于指定Eco-SSL的毒性参数包括EC20(即能引起20%最大效应时的浓度)、EC10和MATC(最大可接受有毒物质浓度)。其中,MATC值由NOAEC(无效应浓度)和LOAEC(最低有害浓度)的几何平均值确定。未纳入Eco-SSL制定依据的毒性指标包括LC50、EC50及ECx(x<5)。LC50与EC50被认为对生态系统的保护性不足,而ECx(x<5)被认为数据可靠程度略低。

在计算MATC时,选用的数据必须反映完整的剂量-效应关系,以同时获取NOAEC和LOAEC值。若文献只报道NOAEC和LOAEC二者之一,则认为确定毒性阈值,不能作为Eco-SSL的制定依据。

当同一组毒性试验提供了多个毒性参数时,Eco-SSL的默认选择顺序为EC20>MATC>EC10。如果试验选用了多个可采用的生态相关评估终点,则选用其中最低的浓度阈值作为制定参考。此外,仅当毒性参数与对照组存在显著差异时,该毒性参数才可被选用。对土壤无脊椎动物进行毒性测试时,EPA认可的试验方法包括国际标准化组织(ISO)、经济合作与发展组织(OECD)、美国测试与材料协会(ASTM)、以及联邦生物研究合作组织(FBRC)的一系列生物毒性测试标准方法。对植物进行毒性测试时,EPA也推荐了相应的ISO、EPA和ASTM标准方法。

1.2 Eco-SSL相关计算方法

计算植物和无脊椎动物的Eco-SSL的方法:由于美国采用打分制对所有文献的土壤生物毒性数据进行评分后筛选计算土壤生态筛选值,本文仅对该种计算方法做基本介绍,即采用土壤生物有效性最高(如4≤土壤pH<5、土壤有机质小于2%)的所有生物毒性数据(EC20、EC10和MATC)的几何平均值计算Eco-SSL,要求数据必须大于或者等于3个,如果有效数据少于3个,可从土壤生物有效性次高的土壤中(如5.5<土壤pH<7、土壤有机质小于2%)寻找生物毒性数据(EC20、EC10和MATC),寻找以上数据直到大于等于3个时可计算Eco-SSL。

计算野生生物的Eco-SSL时遵循5个基本步骤:(1)选择野生生物风险模型。建立数学模型,在考虑食物链暴露途径的前提下,定量描述土壤污染物浓度与可接受浓度阈值之间的关系。(2)选择代表物种。选择专门的指标物种,为暴露模型提供相关参数。(3)估测暴露剂量。为暴露剂量模型提供相关参数,以评估各污染物的暴露剂量。(4)推导毒性参考值(TRV),确认一个可接受的阈值。(5)计算生态风险筛选值。依据危害为1的前提条件计算生态风险筛选值。

1.3 野生生物风险模型

生态风险商的基本计算公式为:

危害商(HQ)=暴露剂量(mg·kg-1bw·d-1)/毒性参考值(mg·kg-1bw·d-1)

由上式可见,在危害商为1时,生态风险筛选值与毒性参考值相等。生态风险商的详细计算公式为:

2.jpg

其中:HQj为污染物j的危险商值;Soilj为土壤中污染物j的浓度(mg·kg-1);N为不同种野生生物数量;Bij为污染物j在生物i体内的浓度(mg·kg-1);Pi为摄食生物i的百分比;FIR为食物摄入量(kg food (dry weight)·kg-1(wet weight)·d-1);AFij为从被食用的生物i吸收的污染物j的吸收比例(用于筛选值时设置等于1);AFjs为从土壤直接吸收的污染物j的吸收比例(用于筛选值时设置等于1);TRVj表示毒性参考值(mg·kg-1bw·d-1);Ps为食物中摄入土壤的比例;AUF为面积利用率(用于筛选值设置等于1)。

在上式中,除了考虑动物通过食物摄入污染物外,还附加考虑了土壤被动物在进食时无意识直接摄入的暴露。此外,野生生物对食物和土壤中污染物的吸收率AF被设置为1,以体现筛选值的保守性。面积利用率AUF表示的是野生生物摄食过程中受到污染物影响的比例,以保守起见,在计算筛选值时AUF也设为1。

1.4 选择代表性物种

由于每个污染场地的生物物种都不同,因此EPA在推导Eco-SSL时,考虑选择有代表性的物种,并期望以代表性物种代表同一类型的(哺乳动物及鸟类)具有相似食物结构的物种。在Eco-SSL的构建中,对哺乳动物及鸟类分别考虑了3个营养类别,即草食类、食昆虫类与肉食类。在这六大类动物中,每一类选择一个专一物种作为该营养类别的代表性物种。一般来讲,体型较小的生物具有更高的代谢速率和更小的生存范围,因此在制定Eco-SSL时通常考虑采用体型较小的代表性物种,以期起到对同一营养类别中其他物种的保护性。

在选择代表性物种时,必须考虑到可以为野生生物风险评估模型提供相关的参数,即体重、食物摄入量、土壤摄入量等参数。代表性物种选择时应遵循以下原则:

(1)暴露途径与土壤直接或间接相关。直接暴露途径包括:直接摄食土壤中生长生存的生物(比如植物和土壤无脊椎动物),无意识的直接摄入土壤。在不发生食物链富集的情况下,通常认为直接暴露对生物产生的风险是生态风险最主要的来源。间接暴露包括肉食性动物食入与土壤直接接触的猎物。

(2)食物构成。代表物种必须是在陆地环境摄食的,以便只考虑来自土壤的污染物暴露途径,排除来自水生环境的暴露途径。

(3)食物构成可被用于简化分组。根据代表物种的食物构成,代表物种应可以被划分到草食类、食昆虫类及肉食类三种之一。相应的,摄取的食物类型也应可以简化为3类:植物、土壤无脊椎动物和动物。代表物种的食物类型应基本属于以上3种类型中的一种,以便对某一食物类型产生的最大潜在风险进行评估。通常认为,杂食动物的食物来源较多,而依赖较单一食物来源的动物,在其食物来源受到污染时,其受到的生态风险更大。

(4)包括哺乳动物和鸟类。对同一污染物,不同的物种会有不同的毒性反应。最终Eco-SSL选择了3种哺乳动物(meadow vole, short-tailed shrew, long-tailed weasel)及3种鸟类(mourning dove, American woodcock, red-tailed hawk)作为筛选值制定的代表性物种。

1.5 美国生态筛选值

Eco-SSL是为保护接触或生活于土壤中生物体而设定的土壤污染物浓度。Eco-SSL由4组生态受体依生态风险评价导则单独推导而来,这4种生态受体是植物、土壤无脊椎动物、鸟类和哺乳动物。假设这些Eco-SSLs可为陆地生态系统提供足够的保护。Eco-SSLs按可以保护受体的保守暴露终点和影响物种分布来推导,适合应用于生态风险的筛选阶段。这些筛选值应当用于那些特殊场地基准、根据特定导则[6-9]进行生态风险评估、需要进一步评估来确定的特定潜在污染物(COPCs)。Eco-SSLs不可用作清洁水平值,并且US EPA强调也不能将其修改后用作联邦清洁标准,目前美国已制定的生态土壤筛选值如表2所示。

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