环境科学  2014, Vol. Issue (3): 1029-1034   PDF    
珠江河口水域有机磷农药水生生态系统风险评价
郭强1, 田慧1, 毛潇萱1, 黄韬1, 高宏1 , 马建民1,2, 吴军年1    
1. 兰州大学资源环境学院, 兰州 730000;
2. 加拿大环境部科学技术局, 多伦多 M3H 5T4
摘要:通过风险商法和概率风险法评价了珠江河口水域中甲拌磷、敌敌畏及乙拌磷等9种有机磷农药对硅藻、水蚤及糠虾等8种水生生物的生态风险. 风险商法评价结果表明,9种有机磷农药混合物总风险商为:糠虾处于高风险中水平,水蚤和摇蚊在中等风险水平,硅藻、牡蛎、鲤鱼、鲶鱼和鳗鱼均处于低风险水平;甲拌磷对风险值的贡献最大,且对每种生物都有影响. 概率风险法结果表明,以HC5为参考值评估总风险商时,95%置信水平下的HC5比50%置信水平的HC5保守,50%置信水平的HC5中乐果的HC5最大,毒死蜱的最小;丰水期9种有机磷农药混合物总风险比枯水期农药混合物总风险大,甲拌磷对总风险贡献最大. 单一污染物的概率风险表明,甲拌磷和乙拌磷对珠江河口水域中10%以上的生物都有危害;而9种有机磷农药混合物的概率风险表现为:丰水期大于枯水期,均大于5%,说明超过了保护95%生物的安全阈值.
关键词有机磷农药     珠江河口水域     水生生态风险评价     风险商法     概率风险评价法    
Ecological Risk Assessment of Organophosphorus Pesticides in Aquatic Ecosystems of Pearl River Estuary
GUO Qiang1, TIAN Hui1, MAO Xiao-xuan1, HUANG Tao1, GAO Hong1 , MA Jian-min1,2, WU Jun-nian1    
1. College of Resource and Environment, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;
2. Science and Technology Branch, Environment Canada, Toronto M3H 5T4, Canada
Abstract: The risk quotient method and a probabilistic risk assessment method were applied for assessing aquatic ecological risk of nine organophosphorus pesticides, including thimet, dichlorovos, disulfoton, dimethoate, dimethyl parathion, chlorpyrifos, ethoprophos, sumithion and malathion on eight aquatic organisms in the Pearl River Estuary. Results using the risk quotient method revealed that the risk level of opossum shrimp was the highest among eight aquatic organisms of the Pearl River Estuary. The risk of water flea and midge was in medium level, followed by the rest six aquatic organisms, including diatom, oyster, carp, catfish and eel, which were in the low risk by the examined organophosphorus pesticides. It was found that thimet made the largest contribution to total aquatic ecological risk among nine organophosphorus pesticides to every organism. The results from probabilistic risk assessment showed that the total ecological risk in high water period was higher than that in low water period determined by the HC5 under the 95% confidence level. The largest contribution of thimet to total aquatic ecological risk subject to the HC5 in 50% confidence level was regarded as the toxic reference value. The probabilistic risk of a single contaminant showed that thimet and disulfoton were harmful to exceeded 10% organisms in the estuarine. The probabilistic risk of nine pesticides mixture in high water period was also higher than that in low water period, and both risks were greater than 5% which exceeded safety threshold for 95% organisms in the Pearl River Estuary.
Key words: organophosphorus pesticides     Pearl River Estuary     aquatic ecological risk assessment     risk quotient method     probabilistic risk assessment method    

农药对农业生产有着很大贡献,每年全球使用的农药近250万t,但只有不到0.1%的农药停留在作物上发生效用,其余大部分则残留在环境中[1, 2],并且通过降雨、 淋溶等途径进入水体环境[3,4,5],对人和生物造成严重危害,引起各国的广泛关注[6]. 传统的有机氯农药对环境危害较大,逐渐被易降解、 毒性低有机磷农药替代,但在有机磷农药中一些种类的农药如甲胺磷,对硫磷,氧化乐果等都属于高毒性的有机污染物,而且这些高毒品种在环境中的停留时间也是比较长的; 另外,有些有机磷农药的降解产物毒性要远远高于母体,更容易在环境中进行迁移,因而会对环境造成很高的危害[7].

生态风险评价是定量研究污染物对生态环境危害的重要手段. 目前,生态风险评价的方法很多,风险商值法是风险评价中常用的一种定量评价的方法,经常用于特定生物暴露于某种环境污染物的初级筛选评价[8],但很难反映真实的复杂环境造成的生态风险[9]. 近年来,很多学者运用概率风险评价方法来进行风险评估,美国EPA也建议采纳此方法[10],王斌等[11]利用概率风险评价对淮河江苏段水体中有机氯农药进行了生态风险评价,而Solomon等[12]对农业化学品的生态风险评价也是利用的概率方法,并得到了很好的结果.

近年来,随着珠江三角洲工农业的迅速发展和人口的增长,环境质量日趋恶化,生态平衡受到严重威胁和破坏,对于该地区污染状况的报道中常见污染物有重金属、 有机氯农药、 多溴联苯醚等[13, 14],有机磷农药的污染水平却很少见,而且对于这些污染物的风险评价多集中于人体健康风险评估,对于生态风险鲜有报道. 本研究结合周慜等[15]对珠江河口有机磷农药污染水平的报道,利用风险商法和概率风险评价法两种生态风险评价方法分析有机磷农药混合物对珠江口水生生物的风险水平,以期为珠江河口水生生态系统和人体健康保护提供参考.

1 材料与方法
1.1 数据收集

本研究使用的珠江河口水体中9种常见有机磷农药的污染数据见表 1,分别于2010年丰水期与枯水期在珠江河口20个采样点采集样品,具体的样品采集及分析见文献[15]. 从表 1中可以看出,甲拌磷、 敌敌畏和乙拌磷是主要的污染物,丰水期的甲基对硫磷和枯水期的毒死蜱为未检出,杀螟硫磷和马拉硫磷在丰水期和枯水期均为未检出.

表 1 珠江河口水体中9种有机磷农药平均污染水平 /μg ·L-1 Table 1 Average concentration of nine organophosphorus pesticides in water of the Pearl River Estuary/μg ·L-1

根据戴娟[16]和高原等[17]对珠江口水体中的藻类、 浮游动物的研究表明,硅藻为珠江河口的优势藻类; 桡足类为常见浮游动物,其中水蚤为代表生物. 鲤鱼和鲶鱼是我国常见鱼种; 而摇蚊是我国广泛分布的一种昆虫,其幼虫是水质生物检测的重要物种之一[18]; 由于珠江河口是咸淡水域区,因此选择鳗鱼、 糠虾和牡蛎为咸水生物,原则上评价对象要选择当地种,但由于毒性数据的缺乏,只能选择具有代表性的生物种类. 因此,本研究中所评价的具体种属为:硅藻(Skeletonema costatum Diatom),水蚤(Daphnia magna Water Flea),糠虾(Americamysis bahia Opossum Shrimp),牡蛎(Crassostrea virginica Virginia Oyster),摇蚊(Aedes aegypti Yellow Fever Mosquito),鲤鱼(Cyprinus carpio Common Carp),鲶鱼(Clarias batrachus Walking Catfish),鳗鱼(Anguilla anguilla Common Eel). 这些生物的毒性数据来源于美国EPA ECOTOX数据库(http://cfpub.epa.gov/ecotox/quick_query.htm),搜集有机磷农药对水生生物的24~96 h的急性数据,主要为LC50值,在没有LC50值时用EC50值; 对于同一个物种或同一个终点有多个毒性值可用时,使用几何平均值[19],见表 2.

表 2 8种生物有机磷农药的毒性数据 /μg ·L-1 Table 2 Selected toxicity reference values of organophosphorus pesticides for 8 organisms/μg ·L-1
1.2 风险评价方法
1.2.1 风险商值法

本研究利用风险商值法评价9种有机磷农药混合物对每种生物的风险,先计算单一污染物对一种生物的风险,而农药混合物对一种生物的风险商为各污染物风险商的加和. 单一污染物的风险评价具体方法如下:

式中,RQi为污染物i的风险商; MECi为污染物i的环境介质浓度; TRVi为污染物i的毒性参考值,一般为LC50或EC50.
1.2.2 概率风险评价法

概率风险评价法是另一种定量评估生态风险的方法,一般的做法是由暴露浓度和毒性数据的概率密度函数重叠面积得到的结果直接反映污染物在研究区域内的风险状况,并通过联合概率曲线说明生物物种受到危害的程度. 本研究将在Kooijman[20]提出的种群敏感度模型(species sensitivity distribution,SSD)基础上结合Van Straalen等[21]的反推方法评估珠江口水体中有机磷农药的生态风险,具体做法如下,首先计算HC5,即95%保护水平下的安全阈值,并以此为参考值计算风险商,反映污染物对8种生物的危害大小, HC5计算如下:

式中,HC5为5%的危害浓度; xm为毒性数据对数转化后的平均值; sm为毒性数据对数转化后的标准差; kl为外推常数[22].

每种农药的概率风险为[23]

式中,Φ为水生生态系统的概率风险; c为污染物环境介质的浓度.

根据容斥原理并且不考虑污染物之间的拮抗与协同作用,则多种农药混合物的生态风险概率为[23]

2 结果与讨论
2.1 风险商评价

通过表 1中各种农药的污染数据和表 2中8种生物的毒性数据利用式(1)计算各种农药的风险商,并求和得到农药混合物对8种生物的生态风险,见图 1.8种生物的农药混合物风险中,最大为糠虾的风险值高达16.7,其次为水蚤为0.63,最小的为鲤鱼为0.0089,而硅藻的总风险商只比鲤鱼的稍高一些为0.0092. 根据Snchez Bayo等[24]的报道,当RQ>1时,为高风险; 当0.1≤RQ<1时,为中等风险; 当0.001≤RQ<0.1时,为低风险. 由此可知,糠虾处于高风险中; 水蚤和摇蚊在中等风险,但是水蚤的风险值接近于1,处于相对较高的风险中了; 其余生物硅藻、 牡蛎、 鲤鱼、 鲶鱼和鳗鱼都处于低风险中,而硅藻和鲤鱼的风险值都低于0.01,说明检测的农药对他们的影响很小.

图 1 基于风险商的9种农药混合物的水生生态风险 Fig. 1 Aquatic ecological risk of nine pesticides mixture

based on the risk question method

一般来说,污染物对低等生物的影响要高于其对高等生物的影响[25],但硅藻的风险值却很低,这可能是由于本研究检测的农药均为有机磷杀虫剂,这类农药的致毒机理是抑制害虫体内的胆碱酯酶的活性,破坏神经系统的正常传导,引起一系列神经系统中毒症状直到死亡[26]; 对于硅藻没有复杂的神经系统,因此有机磷杀虫剂对它影响不大,而桡足类的水蚤、 甲壳类的糠虾及昆虫类的摇蚊是有神经系统的相对较高级生物,会受到有机磷杀虫剂影响较大; 其中对糠虾的影响是所有生物中最大的,从表 2中糠虾的毒理数据也可以看出,其毒性数据基本都处于较小范围,说明糠虾对污染物较敏感. 牡蛎是生活在温带或热带各大洋沿岸水域中的软体动物,软体动物对污染物的富集能力大[27],这可能导致有机磷农药对其风险较低. 3种鱼类的风险值均较低,其中鳗鱼在三者中的风险值相对较高,是因为鳗鱼生活在水质清洁的咸淡水域中,对生活环境要求较高.

9种有机磷农药对8种生物总生态风险的贡献百分比见图 2,甲拌磷对硅藻、 水蚤、 糠虾、 牡蛎和鲶鱼生态风险商的贡献率高达80%以上,其中对硅藻的贡献率几乎是100%,而对于其他生物都有一定的贡献率,说明甲拌磷在珠江河口水生生态中的生物危害最大; 摇蚊的生态风险商中主要是甲拌磷和敌敌畏; 对鳗鱼风险商贡献率最大的是乙拌磷,是因为缺少甲拌磷的毒性数据.

图 2 各种有机磷农药对总水生生态风险的

贡献百分比 (基于毒性参考值)
Fig. 2 Contribution of different organophosphorus pesticides in total aquatic ecological risk(based on toxicant reference values)
2.2 概率风险
2.2.1 9种农药的HC5及以HC5为参考值的风险商

利用式(2)计算得到两种不同置信水平的 HC5,见表 3,对比两种结果可以看出,95%置信水平 下的HC5比50%置信水平下的HC5小1~5个数量级,尤其是马拉硫磷要相差5个数量级,而乐果的则只差1个数量级,若以95%置信水平下的HC5计算生态风险商时要保守一些,因此,用50%置信水平下的HC5评估生态风险. 在50%置信水平下的HC5中,乐果的HC5最大,达到340 μg ·L-1,说明乐果对生物的潜在危害是比较小的; 毒死蜱的HC5最小,值为3.59×10-3,其潜在危害较大.

表 3 9种有机磷农药的HC5 Table 3 HC5 of nine organophosphorus pesticides

为了进一步说明每种有机磷农药对珠江河口生态系统生物的影响,以HC5为参考值利用式(1)计算生态风险商,见表 4. 结果表明,丰水期的风险商范围为0~12.05,而枯水期的则为0~3.12,丰水期的总风险商比枯水期的总风险商大,这可能是由于丰水期使用大量的农药,导致水体的农药污染浓度丰水期的比枯水期的大. 从风险商的贡献百分比图(见图 3)可知,丰水期与枯水期的总风险商占比例较大的是甲拌磷,说明甲拌磷对生态系统中的生物危害较大. 敌敌畏、 乙拌磷和乐果在丰水期的污染水平均大于毒死蜱,但毒死蜱对生态风险的贡献要大于这3种农药,说明生态风险不仅与污染水平有关,也与污染物的毒性大小有关.

表 4 以HC5为参考值的9种有机磷农药风险商 Table 4 Risk quotient for nine organophosphorus pesticides using HC5 as the reference value

图 3 各种农药的总水生生态风险的贡献百分比 (基于HC5) Fig. 3 Contribution of different pesticides to total aquatic ecological risk(based on HC5)
2.2.2 概率风险评价

通过式(3)与式(4)计算得到的各种农药的概率风险值,由于杀螟硫磷和马拉硫磷的污染水平为未检出,在此处不做讨论. 从图 4可知,各种农药的风险概率都不超过20%,甲拌磷和乙拌磷的丰水期风险值都高于枯水期风险值且都超过了10%; 敌敌畏、 乐果、 甲基对硫磷、 毒死蜱和灭线磷的风险值都没有超过5%,说明以单一农药对珠江河口水生生态系统进行生态风险评价,这几种农药都没有超过5%的生物受到危害的安全阈值,而甲拌磷和乙拌磷对珠江河口10%以上的生物都有危害.

图 4 丰水期与枯水期单一农药的概率风险 Fig. 4 Probabilistic risk of single pesticide in high water season and low water season

对农药混合物的概率风险评价结果见图 5,丰水期的概率风险值达到了21.85%,而枯水期的达到了13.91%,均超过了5%的限值; 丰水期的风险值大可能是由于夏季在农田和水体中使用了大量的农药. 对比单一污染物的概率风险值,混合物的概率风险值均比其大,若在计算混合物的生态风险概率值时,不包括甲拌磷和乙拌磷两种风险值高的农药,则丰水期与枯水期的概率风险值分别为5.77%和11.30%,说明虽然单一污染物的生态风险可能不会超过安全阈值,但混合物的也许会超过.

图 5 丰水期与枯水期农药混合物的概率风险 Fig. 5 Probabilistic risk of pesticide mixture in high water season and low water season
3 结论

(1)商值法评价有机磷农药混合物的总风险商,糠虾处于高风险水平; 水蚤和摇蚊在中等风险水平; 其余生物硅藻、 牡蛎、 鲤鱼、 鲶鱼和鳗鱼都处于低风险水平; 甲拌磷在珠江河口水生生态中的生物危害最大.

(2) 概率风险中,单一污染物中的甲拌磷和乙拌磷及农药混合物在丰水期与枯水期的风险值均超过了5%的限值. 另外,虽然单一污染物的生态风险可能不会超过安全阈值,但混合物的也许会超过.

(3)无论是商值法还是概率风险法评价有机磷农药对珠江河口水体生物的风险,丰水期的风险值均大于枯水期的风险值.

参考文献
[1] Pimentel D. Amounts of pesticides reaching target pests-Environmental impacts and ethics[J]. Journal of Agricultural and Environmental Ethics, 1995, 8 (1): 17-29.
[2] Thwih M. Current status of pesticides residue analysis of food in relation with food safety.[EB/OL]. 2002-01-28.
[3] Vryzas Z, Vassiliou G, Alexoudis C, et al. Spatial and temporal distribution of pesticide residues in surface waters in northeastern Greece[J]. Water Research, 2009, 43 (1): 1-10.
[4] Willis G H, McDowell L L. Pesticides in agricultural runoff and their effects on downstream water quality[J]. Environmental Toxicology and Chemistry, 1982, 1 (4): 267-279.
[5] 宋宁慧, 卜元卿, 单正军. 农药对地表水污染状况研究概述[J]. 生态与农村环境学报, 2010, 26 (Z1): 49-57.
[6] 程燕, 周军英, 单正军. 美国农药水生生态风险评价研究进展[J]. 农药学学报, 2005, 7 (4): 293-298.
[7] 杨璇. 珠江河口水体常见有机磷农药污染现状及风险评价[D]. 广州: 暨南大学, 2011. 6-7.
[8] Newsted J L, Nakanishi J, Cousins I, et al. Predicted distribution and ecological risk assessment of a "segregated" hydrofluoroether in the Japanese environment[J]. Environmental Science and Technology, 2002, 36 (22): 4761-4769.
[9] Hernando M D, Mezcua M, Fernandez A R, et al. Environmental risk assessment of pharmaceutical residues in wastewater effluents, surface waters and sediments[J]. Talanta, 2006, 69 (2): 334-342.
[10] EPA/630/R-97/001, Guiding Principles for Monte Carlo Analysis[S].
[11] 王斌, 余刚, 郁亚娟, 等. 淮河江苏段水体有机氯农药生态风险评价[A]. 见: 余刚. 持久性有机污染物论坛2006暨第一届持久性有机污染物全国学术研讨会论文集[C]. 北京: 清华大学出版社, 2006.424-428.
[12] Solomon K, Giesy J, Jones P. Probabilistic risk assessment of agrochemicals in the environment[J]. Crop Protection, 2000, 19 (8): 649-655.
[13] Xiao R, Bai J H, Gao H F, et al. Distribution and contamination assessment of heavy metals in water and soils from the college town in the Pearl River Delta, China[J]. Clean-Soil, Air, Water, 2012, 40 (10): 1167-1173.
[14] Guan Y F, Wang J Z, Ni H G, et al. Organochlorine pesticides and polychlorinated biphenyls in riverine runoff of the Pearl River Delta, China: assessment of mass loading, input source and environmental fate[J]. Environmental Pollution, 2009, 157 (2): 618-624.
[15] 周慜, 石雷, 李取生, 等. 珠江河口水体有机磷农药的含量与季节变化[J]. 中国环境科学, 2013, 33 (2): 32-318.
[16] 戴娟. 珠江河口浮游植物群落特征研究[D]. 广州: 广州海洋大学, 2008. 47-48.
[17] 高原, 赖子尼, 王超, 等. 珠江口浮游动物分布特征研究[J]. 中国水产科学, 2008, 15 (2): 260-268.
[18] 王俊才, 方志刚, 鞠复华, 等. 摇蚊幼虫分布及其与水质的关系[J]. 生态学杂志, 2000, 19 (4): 27-37.
[19] Wang B, Yu G, Huang J, et al. Development of species sensitivity distributions and estimation of HC5 of organochlorine pesticides with five statistical approaches[J]. Ecotoxicology, 2008, 17 (8): 716-724.
[20] Kooijman S A L M. A safety factor for LC50 values allowing for differences in sensitivity among species[J]. Water Research, 1987, 21 (3): 269-276.
[21] Van Straalen N M, Denneman C A J. Ecotoxicological evaluation of soil quality criteria[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 1989, 18 (3): 241-251.
[22] Aldenberg T, Slob W. Confidence limits for hazardous concentrations based on logistically distributed NOEC toxicity data[J]. Environmental Toxicology and Chemistry, 1993, 25 (1): 48-63.
[23] Steen R J C A, Leonards P E G, Brinkman U A T, et al. Ecological risk assessment of agrochemicals in European estuaries[J]. Environmental Toxicology and Chemistry, 1999, 18 (7): 1574-1581.
[24] Sánchez-Bayo F, Baskaran S, Kennedy I R. Ecological relative risk (EcoRR): another approach for risk assessment of pesticides in agriculture[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2002, 91 (1-3): 37-57.
[25] Qu C S, Chen W, Bi J, et al. Ecological risk assessment of pesticide residues in Taihu Lake wetland, China[J]. Ecological Modelling, 2011, 222 (2): 287-292.
[26] 杨先乐, 湛嘉, 黄艳平. 有机磷农药对水生生物毒性影响的研究进展[J]. 上海水产大学学报, 2002, 11 (4): 378-382.
[27] 张少娜. 经济贝类对重金属的生物富集动力学特性的研究[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2003.8-9.