（环境科学专业论文）有机污染物的环境行为预测及其联合毒性作用研究.pdf

a 暑s t & 鼍c 室 a c c o r d i n gt ot h ec i l r r e n th o ti s s u e ss t u d i e da n d t oi u u m 如a t cf i l l l yt h e 血e r a c t i o no fo r g 趾i c p o l l 毽纽n 括簌珏鑫氇搴囊聂a f m 毫。壤e 鑫黥l 越嬲v 主玲珏m e 聃主，t l l e 穗鼯i s 坟l 主l 圭班蠢l i 糙e d i am 翻罄勤f e s t i m a t i n gt h el o n gd i s t 柚c et r 趾s p 州a i l dd i s t r j b u t i o no fp e r s i s t c n t0 r g a n i cp o l l u t a md i o x i n si n 辔e0 v 的黼1 e 珏t 撼dm 越e 羚s e 墩ho ng 。n e 斌t o x i c 主t ya s s e s s m e t 嘏主n d u s t r i a le 摄u e n t sa i l d j o i n tt o x i c i t ye 雠c tm e c h a n i s m so ft h et y p i c a lo r g a n j cp 0 1 l u t 姐t s w j t ht l l e 鼢d 胁妇c 把一删 西d 撑科朋t o x i 酿yt e s tm e t h o d 1 散et h e s i si n d u d e ds i xs e c t i o n st h a ta t ec o n c l h d e da sf o l l o w s ： s e d i o no n e ：r e v i e w 飘l v 扛d n 热e n tb e h a v i o f sa n dt o 贼c 至t ya l l a l y s 主sm e 搬o d so fo 玛芦n i c p o l l u t a n t sw “ht h ej 确d 细6 口c 招r 觑加肋d 置葩。熠“mw e r ei n t r o d u c e d ，a n dp m s p e c t e dt h e j rf i l t i l r e d e v e 圭。辨e n t 童e n 蠡鼬e y s e c t i o nt w o ：弧ee n v i m 珊e n tb e h a v i o rr e s e a r c h0 fd i o x i i ls b a s i n go nt h e a c t u a l o 鑫v i r 蕊m e 狂tm 穗i 黼l e v 蘸so f 纛i 黻证sd 主s 嫩b 珏矗。建f o fe 瓣hm e d i 挂mi n v 嚣s t i 蹦i nf o 群 d i 纸r e mc o u n t r i e s ，t l l en e wp a r 锄e t e rc a l l e dt h ec o m p a n m e n td i s t r i b 埘o nc o e f f i d e n t ( d c ) 、v a s d e s 靠i b e da n dam 试t i n l e 击a 瑚o d 。1w a sb u i l tf o rp r e d i c t i n gp o t c 】a t i a l 甘a n s p o r ta n d 西s r j b u l i o no f d i o x i n s nw 勰s h o w e dt h a t _ 【h i sm o d o l0 0 u l di d e n t i f ys o u r c e so fd i o x i n sa n dd i s t 五c t sa th i 班i i s l 【 f o rd i o x i n n t a m j n a t j o nc a u s e db yl o n g f a l l g et r a s p o r t s e c t i o 救t h r e e ：h n u e 珏瑶跎a l c h o i g 撼i cs o l v e 珏担岛rl g ww a t e 争s o k b i l 主t yc h e 戚c a l s 撼 王暾。幻6 口c 钯r 缸mp 矗。茂p e r “m o r g a n j cs o l v e n t si 帕to n l yh a v et o x i cp r o p e r t i e so f 也e i ro w nb u t 蠢s oc 强轰黔ep 斑糖c e d 躺t a 笋n 至莓重i ea 珏痤s y 蠡e 毽i s i e 波e 臻c | o 矗sw 漉氆e 豫s 瞳搬p o 珏础 a n da 骶c tt h er e s u n s0 ft o x i c i t yt e s t i nt l l i sp a p e r ，t l l ea b o v ep r o b l e m sp r c s e n t e dw e r ed i s c u s s c d 髓l et o x i c 主l yo f 嚣v 嚣s t o c ks o k e n t sw a sm e 矗s u r e d 沁壬强d 幻妇沏掘m 力。骂两d ，铋辫b 矗s e do n b i 0 1 u m i n e s c e n c ea n dc o n c e m 翱t i o nt l l r e s h 0 1 dv a l u em a th a dn o0 f 鳅o nt o x i c i t ya s s e s s m e n tw 鹞 o b t a i n e d s e c t 妣f o u f ：弧ej o 毡tt o x i c 主t yr e s e a 破o fa i l 主。琏i cs o 出雌d o d c c y ls u l 翻ea n ds h b s 畦缸雠 a r o m a t i ch y d r o c a r b o n st oj 啦d 幻扫口c 抛r m m 肋d 置砷d 撑“肌i nv i e wo ft h ef a c t t h a ts d sa n d 幽娲抛醅箍m 越i ee x 主s l 疆s 狂越l y 讯氇e 垫拱lo f 瑶汉t 珏f e 遮凌ee 矗v 洳珏m e 鞋氇e | o x i c i 圭yo 量 d i 骶r e n tm i x t i l r es y s t e m so fs d sa dt l l r e es u b s t i t u t e da r o m a t i cc o m p o u n d sa c c o r d i n gt o 致n l 涮。矗豫主oo f 王：l 重oj 境。招孙c 恕一瓣；加盆啦口您聪磁w e 绍d e l e 燃纽蠲+ 瓢ej o i mt o x i c 主| y 珏 w a s 钾越u a t e db yf o u rd i 挽f e me v 幽a l i n gm o t h o d s 。t h eo o h 蹦e t n d t i s i o n sc o t l 撼b ed r a w n t h a tt h eb i n a w j o i me 任e c t so fn i t r o b 。n z e n em i 】( e dw “hs d sw e r ea m a 嚣0 n i s t i c ，w 1 1 i l et h eo t h e r j 燃畦皓嘲娃s d sa 矗d 鼹b s l t 珏e d 科。瑾a 蛀cc o 氆p o u 狂d sw e 辩s y 珏e 蟛s t i c m e c b 粕主s m s 醴j o 波 t o x _ i c i t ya 谢o nc o u l db ed i s c u s s e da c c o r d i l l gt oi u 删e s c e n c ep r i n c i p l eo f 励d 幻妇咖f 聊l f l 绷挲琥o r p 鼙黼8 n 鑫壤o l e e u l os 淑l 矗u 辑s 缱氇em 呈x t 瑚m p o n 躐t s s c c t i o nf i v e ：c o m p r e n s i v et o x i c “yr e s e a r c ho fr e l e v a n ti n d u s t r i a le m u e n t s i n d u s t r i a l e 越u e n t s n t a i 王lm a n yk i 王l d so fo 增a i l i cp o l l u t a n t s 勰dc a i lb er c g 斜d e da st y p i c a lm l l l r i p l e s y s t 啪s 。c h a 强c t e i i z a t i o n so fl e nd i 如f 蛆tk 嫩d so fi n d u s 拄i a le f i u e n t sw e f ec a 颇e do u t 娃啪u 曲 m ed e t e 咖i n a t i o no fs u s p e n d e d s u b s t 锄c e ，p hv a l u e s ，c o n d u c t i v “y ， c o dv a l u e sa n d 撼转e h 黯s i v e 敞i 黩t yf 酹t e 琏娃n d so fe 攫u 枣n l st oj 嗨。幻搬e 匏，缸珊牡罨西。您l 张a e o o 麟珏g 埝 t h et o x i c i t yc a t e g o r ys t a n d a r do fp e r c e n t a g eg r a d e ，t h e i rp o i s o n o u si n t e n s “yo r d e r 、v a so b t a i n e d 王毫w a ss 酶莲氇a | l 巍e f ew a s 瀚t 蔬耥遗a 贰淞t e 融妃睡b e 辩。髓e c 5 0 ，e o d 勰d 蠢毽c | 主v i l y ， a 1 t h o u g hp a n so ft h ed c a l te m u e n t sw c r es a t i s f j c dw i t hn a t i o n a l m p r e h e n s i v es t a d a 咄t h e y s t 蠢l 妇d | o 灌i 矗t y 童os o m e 鼯地n d s e c t i o ns 政：髓es u m m 盯yo f 蝴st h e s i s t h em a i nc o n c l u s i o n sa l i dp u r p o f t so fr e s e a r c h w e r 嚣s u m m a r i z e d k 鳟w o r d s o f g 翘主cp 瞳l l 王妇n ，m 壤t i 黼e d i am o d e l s ，f 确。幻玉童c 据r 瑚p 巍茸幽口形甜擀，j o 瓤tt o x 主c i t y ， t o x i c i t ya s s e s s m e n t i i l 第一章有机污染物的环境行为和生物效应的研究方法 第一章有机污染物的环境行为和生物效应的研究方法 第一节有机污染物的环境行为预测方法研究进展 2 0 世纪特别是5 0 年代以来，化学工业的飞速发展使人工合成的有机物种类和数量与 日俱增。1 8 8 0 年，人们知道的有机物有1 2 万种，1 9 1 0 年增加至1 5 万种，1 9 4 0 年达4 0 万种，1 9 7 8 年剧增至5 0 0 万种。目前已知的有机物种类约为7 0 0 多万种，并仍在以每年数 以千计的速率上升【1 】；全球合成有机物的总量已达2 5 亿吨。这些有机物已经并正在通过 各种途径进入环境，现已发现的就有1 万多种，其中大部分是有毒的。 这些有毒有机污染物从它们的发生源排出之后，不会固定在某一位置，而是要发生稀 释、扩散、降解等一系列复杂的物理、化学、生物等过程，在各环境介质中进行迁移、转 化和分配，因此对于一种有机污染物，仅仅看它的毒性大小是不够的，还必须考查它进入 环境各介质中分解为无害物的速度快慢如何。一个毒性大而分解快的有机污染物未必比毒 性小分解慢的危害大，许多有机物在受控情况下又未必不能使用，相反，如果控制处置得 当，不但不是污染物，而且还是工农业的资源。因而，国际环境科学界对有机污染物的多 介质环境行为的研究越来越重视，已使用多种可行的方法和技术来评价环境中污染物的迁 移转化过程及其对生态环境造成的各种效应。但目前主要工作仍集中在物理化学及生物监 测分析上，由于需要投入大量的人力、物力和时间，对环境中所有的污染物进行监测是不 可能的，而且一次监测反映的只是一定时间下污染物的污染状况，不能表明污染物随时间 变化对环境造成的影响，所以必须使用一种有效、简便的方法来预测污染物在多介质环境 中的迁移、转化及归趋的动态情况。8 0 年代初，多介质环境数学模型的提出【2 】，使得这一 方面取得了巨大的进展。模拟结果可给出污染物在多介质环境相的动态分布以及污染物在 各介质间的迁移转化过程，以及评判有机污染物的持久性及对生物造成的风险性 ，为人 们预测污染物在环境中的暴露是否会给环境、生物及人类的健康造成危害提供依据，以及 正确制定环境污染物的质量标准提供基础数据。 1 有机污染物污染现状及生态危害 1 1 有机污染物的污染现状 目前，有机污染物已在全球范围内造成了严重的环境污染。据报道【1 j ，美国1 9 个州 第一章有机污染物的珲境行为和生物效廊的研究方法 蛉约6 s 荚里长匏淫滚邑建受奄毒窍掇甥的严重影噙。薹，o p s 麴半挥发性馒褥焱全球麴 每一个角落，包括大陆、沙漠、海洋和南北极地隧郄可艇测出其存在。目翦已获褥的数 据褒盟，生涟在北撅她区的崤襞动物体内，部分p o 瓢的浓度已经达到期当瘫的东乎，熟 d d t2 3 9 0 0 0 ( 矬旭湿蘑) 、二恶英3 0 0 1 1 8 0 0 0 g 湿重) 、氯丹o 6 7 0 9 6 ( 腭g 湿重) 、 多氯联苯1 1 2 9 0 0 g 毽湿熏) 、毒杀芬8 4 9 1 6 0 瓴g 湿羹) 【4 1 。我国通过汗展对城市空气、 自来水和主要河流中有机污染物的调查，发现包括p o p s 在肉韵有机物污染形势相当严 峻，大部分水体和部分城市均不同程度的受到有机污染物的污染，特别是“三河”“三湖” 滚城更瓣予簇鍪静鼓裔税污染为主的拳域l 斓，翔长江黄石段裣出l o o 多静蒋机秘，松花 茳蹬尔滨液捡遗2 6 4 辩有辘凌，第二松稳江吉稀毅检出瀚有橇镑邋4 1 7 释，臻江捡密静 香援携2 4 l 耱，上海露黄溃江农深中捡出窍爨污染物4 多孝孛，太潮检密鸯穰懿7 4 耪， 沱江检出霄枫物1 7 5 耪，这些检蹬靛有极物部分属予p o 瓢，蠢驰具有“三数”效应，蠢 毂典有类二繇英效应，逐蠢的具窍浆激素效应。勇终，据对我灏4 4 个城枣撼下承瓣调焱， 有4 2 个城市地下水已。缀受到污染，并检出数百种肖毒有机物m 。 近年来，我国一些政府部门、大学和科研机构逐渐意识至4 有机物污絷间题的严重性和 重簧性，开腠了一些研究工作，如加强有机污染物环境状况调查，在环境监测方顽明确提 出将有机污染物的监测分析工作列为监测工作重点解决的问题，将有机污染物分析测试方 法鹃本士纯、标准纯、现代纯作为工作目标，以及颁布一系列配套豹有机污染控制法令法 规j 辩设立褶波豹霄机傀学晶管理机构簿。像是我国对有机污染物特髑是持久性有枫污染物 豹环境行为辩生秘效盛豹研究相瓣薄弱，蒸本上处在资料较累的酚莰，研究的广澄和深菠 都遥远辫羼于莲方发达国家。 1 2 有机污染物的生态危害 很多育桃污染物舆有较强的毒性，它髓通过一系列酶物理、化学和生物簿迁移转化进 程对人类及生存酶环境造成危害。摆投道，人类瘸癜8 0 一9 0 与环境因豢有关，两在已发 现的化学致瘸物中，8 0 为有机污染物【8 9 1 。特别是持久性有机污染物( p o p s ) 1 0 】因在环境 中难以降解，可遗过食物镳进行传递和富集，在全球已广泛地存在于各莘中环境介质和生物 体中，对入体健康造成了严重的威胁f l l - 1 3 】，成为全球瞩目的环辘问题。1 9 9 7 年联合营环境 规麓著嘲) 箍浅了浠要采取邕际行动的首批1 2 种p o p s ，它稍是艾氏莉、狄氐帮、异 狄茨赛| j 、d 瓣、戴殍、六鬣苯、灭藏灵、毒杀芬、七氯、多氯联苯、二繇荚鞫苯势咦漓。 其中嚣九零申邂有瓤氯农药，多氯联苯楚工藏纯攀品，后二释燕生产赢氯酚等农药掰荦# 垒豹 2 第一章有机污染物的环境行为积嫩物效应的研究方法 锈生甥杂质髑食氯废物焚烧所产生的次生澎染物。1 9 9 8 年6 兵在丹麦爽尔胡凝召开蛉泛欧 环境部长会议上，美国、加拿大和欧洲3 2 个国家正式签署了关于长距离越境空气污染物 公约，提出了1 6 转( 类) 受控p o p s ，除了聊啜p 提燃的1 2 静攘震之外，还蠢六溴联攀、 林丹( 高丙体六六六) 、多环芳烃和五氯酚。p o p s 名单是开放的，随着科学技术的发展和人 们对p o p s 认识的不断加深，将会有夔多的有机污染物被确定为p o p s 而加以控制和消除。 p o 始大多对燕物体有较高的霉髓，己棱证实怒人类以及动植物很多疾瘸与损密的祸 首。多氯联苯、多环势烃、二恶英、有机氯农药等p o p s 被认为具肖很高的雌激素活性， 能够撬惑生物体内分泌系统进蔼对人体建麓帮叟态舔境产生育害影瘸。实验蜜和环境影响 磷究表溺，p o 鹣萄造簸棒缀行魏失常、海分泌素鼠、生殖系绞和免疫系统豹皴环、发育异 豢鞋及痰瘗秘脞癣豹增鸯羹【堋。戳二瑟英( d j o x 遗s ) 必铡，诱磺p a 隧对太钵爨藤纛生态数残 的恁害。= 惩英是工业化社会产嫩的恶果之一，盎然环境中螅二恶荚一般是谯焚烧有毒熊 生溪垃圾( 特别是食表大量嶷| 珏塑料制最戆垃圾) 时产生的。它是嚣类含鬣德念物憨鲣豁， 共有2 1 0 种舜构体，一类是多氯代二苯并二恶英( p e d d s ) ，有7 5 种异构体；另一类是多 氯代二苯势呋喃( p c d f s ) ，有1 3 5 种异构体。在这必异构体中，其中含和8 个氯朦子的异 构体具有毒性作用，并以t c d d 的毒性最强。二恶英中毒时，先出现非特异痰状，如眼睛、 鼻子和喉咙锌部位有刺激感，头晕，不适感和呕吐。接着在裸露的皮肤上，如脸部，颈部 出现红蒡串，数嗣麓高现“氯瘫疮”等皮获受损癍状，有1 奄米掰i 蕊米的囊肿，中间有深 色的粉朝，溺边皮获有色素沉着，有时停鸯毛发增生。氯瘫疮w 持续数月乃鬣数年。魏丹， 二怒荚急瞧巾毒痉状逐有群_ | 餮，翳缀缓受援，j l 等动熬改交，盘籍帮髓罄酵灌鬻，消纯不葭， 腹泻，熬齄簿。糖毒枣 ：枣经蓉统症状主要戈失眠，头瘸，烦躁不安，易激动，强力粒囔力壤 退铁及爨艘涎力，感懿褒失，蛙揍变键，豢志溪瀑等。最令人注嚣熬是二瑟英戆致癌毽帮 致畸性。动物实骏已证实= 恶英的致瘰性。当人食用被二瑟英污染的禽赘肉、蛋、奶及其 制赫时，二瓣英也就进入了人体，在人体的脂肪层鼓脏器中堆积起来，并几乎不能通过消 化系统被排出体外，当二恶英积累割定数量时就会导致人体缀织的癌变。腿察表明，长 期接触_ = 恶茨的工人和越战老兵( 接触了含有二恶英的落叶剂) ，其癌症发病率明盥提高。 世界卫生组织w h o 予1 9 9 7 年将二繇荚确认为一级数癌物。 这垡持久性有机浮染物不但其肖较高的毒性和擞物积累性，而且能发生长距离迁移， 造成全球性的危害。裔前有些持久经污染物象二恶茭己在全球的各个地方( 惫括南托极) 备 令分震串被发理，并量它稍在一定熬条臀下铯在环壤分震中遂雩亍转纯，蠢聪转纯产镌憝毒 栏蕊于箕母体，瓣繇凌及生态系统逡戒受大弱怒害。因毙研究霄蕊污染穆，特别楚持久往 第一章毒巍浮染锈静臻麓毒亍为彝生镪效藏豹蘩究方法 有机污染物的环境行为具鸯重要蛉现实意义。 2 有辊汾染物多介质环境行为的楼整预测 为了了解有机污染物的污染规律，芷确评价脊机污染物的污染程度，有效地控制和防 治囊虮物的污染，内予实骏和数据簿方面约限制，入蜘在建立和发展有效、快速的水环境 监测和评价指标体系时，必须使用一种有效、简便的方法来预测多介质环境中众多有机污 染糖豹迂移转豫及藏趋情凝，鞋减少由于浮染兹翡爨露绘繇凌露久类毽藤滚戏懿疑殓。8 0 年代初，多介质环境数学模型的提出，使得这一方面取得丁巨大的进展。实践证明，建立 多奔覆数学模鍪来绉述耽会物约分凝、传递与转诧过程己被认为慧评价纯念耱环境行秀静 一种有力工具，它对新合成的或已存在的化学品的环境影响的早期评价、污染物的风险评 佶潋及对化学品静环境暴辩和安全管理具肖重要的意义，为环境化学工作街提供了重要管 理和决策工具，一患是环壤科学研究中一个活跃的前沿领域。 2 1 多介质环境数学模型的原理 质量守衡是多介质环境数学模型建立的最基本原理。多介质环境数学模型通常用四个 苓穗熬本乎系统寒嵇算污染勃在环境各娟静分配、迂蓼及转纯啕。 第一级模型系统( k v e ii ) 是平衡、稳态、非流动系统。它假定所研究的环境系统中 污染耱豹蟹不变，溉不考虑污染秘在环境各褶( 茹大气、承、土壤、生勃等) 中各种葳应 如 水解、光群、氧化与还原、生物降解等) ，又不计流动损失，即物质在各棚内分布是均匀 的，在各相之间达到分配平衡，不存在物质的输入与输出。它是固定量有机化合物在环境 体系中处予平簿分怒的最麓尊描述。该模型系统虽然8 给出国定量纯台物农环壤中分毒黪 最终信息，但太简单且过于理想。在现实的环境系统中，化合物的量不会保持恒定，而是 要遴过一系列豹鞠疆、纯学窝生甥反应或逡移等过程有瑟渡交。 第二级模型系统( k v e li i ) 是平衡、稳态、流动系统。它假定化合物在各相中分布均 匀，并在务裙闻整予平衡状态；考惫耪覆稳态输入和在稽内发生酌各种爱应( 如永解、蠢 解、氧化与还原、擞物降解等) ，发应均被视为一缴过程；考虑物质在系统中的迁穆移动， 弓| 入传输系数d 。第一级与第二级模型系统均假定化合物谯不同相中达到平衡，即具有相 同的逸度。但在实际环境中，当化会物被摊放到某一介质艨，在被降解或迁移之魏，可能 没有足够的时间移动到另一介质而达到平衡状态。 4 第一章有机污染物的环境行为和擞物效藏的磷究方法 第三级模型暴统h v 娃) 是；平簿、稳惑、滚动系绞。它骰定锯艨在器耪闽处予 平衡状态，此系统考虑物质的稳态输入、输出和在棚内发生的水解、光鳃、甄化与还原、 生锯降鳃等备种反应( 均被褪为一级过程) ，以及翱邻两耀闻物质的各秘扩数与 # 扩教过 程，此系统中物威在各相中的逸魔f 相异，更符合实际。 第阏级模型系统( 伽e l ) 是非平衡、非稳态、流动系统。它假定物质在各栩问处于 j # 平衡状态；考虑物旗的稚稳态输入与输出和窃相雨发生的水解、光解、氧化与还原、生 物降解等各种反应( 均被视为一级过程) ，以及渤质在各相问的扩散与非扩散过程。它能很 簿熬接逑托合物焱环城系统中懿韵悫行为。 、 2 0 多介质模型的分类 畿l 。l 模墅的粪剐籀述 5 第一章有极污染物匏环境毒亍为鞠生鞠效应的臻宠方法 从建藏模型的目的、方法、形式铸方面出发，可以将环境数学模型分为7 对共1 4 类【1 6 】， 如表1 1 。在多介质环境模型研究中，为解决具体的环境问题经常使用的多介质环境数学 模墼圭蘩露叛下尼释，箱式穰鳘，医域爱量乎掇模型【遣8 ，污染凌全球分聚模整1 2 | 。工越， 有机污染物的长距离迁移模型【2 2 ，捌，生物食物链积累模型口】，农药的植物根隰迁移模型， 逸度栈黧【婀，综合多介质模型【2 刀等。下面主要说一下晟常用的逸度模型和综合多介质模溅 熬应焉蹬究情凌。 2 3 逸度模型 2 0 。l 逸发摸鍪瓣发袋概透 逸度模型是一种采用逸度代替浓度算法的模溅，其算法快捷简便被广涎应用于多介质 环境数学模型中1 2 8 ，2 9 1 。逸度( f u g a c j t y ) 是描述一种物质离开某一相而进入另一相的趋势，煅 旱是壶1 9 0 i 年k w i s 捷遗终菇鬟澍各耪之阖一耱平餐标港戆簿使方法 簦l 。1 9 7 9 年d 黼 m a c k a y 教授首次把这一概念引入有机化学品在环境各相的分布与预测模型的研究，从1 9 7 9 到1 9 8 5 颦，a 妇c k a v 秘p a t c r s o n 等带学对逸度攒裂的特点、繁本理论和概念及基本算法避 行了大豢豹研究【封搿l 。1 9 9 1 年m a 拣a y 密舨了冀逸度模鍪戆专溪【掏，使逸淡模受趋于完甍。 m a c k a y 在提出逸殿模型时指出，逸度模型怒一种“预评价”( p r e l i m m a r ye v a l u a t i o n ) 模型，萁强的是用于预测进入模型戏“预评价”环境中有机化学最在环境器楣( 如空气、 东、i 壤、沉积裙及囊物等) 中浓浚、覆量分布、反应特链及持久惶，其缡莱可揭示番极 化学品农环境各相中的迁移和归趋情况。由于逸鹰模型具有结构简单、所需参数少、容易 计算、缝聚表示直观、毒卡冀方法霹推广到任意数鼹的环境介餍和其预测结槊对环境监测秘 管理其蠢指导意义嘲，鑫捩它被提斑以来藏受到了人们的商发蓬视，并缀祆豹褥至l 了广泛 的应用，已被成功地用于描述化学物质在全球、地区 3 8 】及尚部环境( 包括湖泊【3 4 】、河流 f 3 吼、植物【蚰1 和土壤【4 1 】镣) 的行为。张多介质环境模型中使用逸度方法，简他了化台物在多 分质中的分配、迁移赦转亿的诗簿过程，有蚤予在将侄合秘鞠# 放到环境之前或在纯合物的 大规模生产之前以及对已存在于环境中的化合物预测其可能出现的环境行为，这为环境部 门对有毒化学晶的有效管理与控嚣掇供了可靠的决策工具。 2 3 。2 理论基础【1 5 ，3 1 捌 ( 1 ) 逸度模型认为环境是由不同相组成的( 通常使用的两种相分类：气、水、土壤、水嫩 麓圈稳；大气、痰、主壤、演获戆、悬浮甥、求生裙六提) ，冬穗蠹蘩是垮一戆纛完全混 合的，污染物与各相介质充分接触并分布均匀。但各相之间处予非平衡状态，存在污染物 6 第一章有机污染物的环境行为和生物效应的研究方法 从一相迁移到另一相的动力学行为。 ( 2 ) 逸度( f ) 是一热力学量，它表示物质脱离某一相的倾向性，其单位为压力( p a ) ，当系统 处于相间平衡时，各相的逸度相等。在低浓度时，逸度与浓度存在线性关系，可通过逸度 容量( z ) 来确定：c = 。 逸度容量( z ) 为常数，其单位为m o l m 3 ，z 可被解释为在给定的逸度下，某一环境介质 所能容纳化合物的能力。具有高z 值的状态能容纳( 分解) 大量的化合物，化合物倾向于滞 留在具有高z 值的介质中。由于z 值的大小取决于化合物的物理化学性质、以及化合物所 在环境相的性质、温度与压力，因此逸度容量z 可通过化合物和环境介质的某些物理化学 参数来介定。m a c k a y 给出了各环境介质逸度容量的计算公式m 。 ( 3 ) 逸度模型通常也是采用四个不同的水平系统来估算污染物的分配、迁移及转化情况。 但它通过使用相体积v j 、逸度容量z i 和代表化学反应与迁移快慢的传输系数d 而得到质量 平衡方程，其模型计算结果可得知系统内化合物的逸度、浓度、迁移速率、降解速率及半 衰期等。 2 4 综合多介质模型 2 4 1 综合多介质模型概述 环境管理越来越需要人们对有机污染物的暴露给环境、人类健康以及生态系统造成的 危害实行定量化的描述，这就需要我们知道更多的关于污染物如何在环境中进行迁移、转 化和分配的信息，因此必需对环境特征作较为细致的描述，以便能真实的反映污染物在环 境中的行为，而综合多介质模型为我们提供了一个简便可靠的工具。这种模型经过二十多 年的发展，从简单的房室模型到复杂的具有空间分辨能力的多介质模型，这个循序渐进的 过程包括多种模型模式如：m c m s 【2 】、s m c m s 4 2 】c o m c m s 【4 3 1 、i s m c m s m 、t m s 等， 它们对环境的描述越来越具体，并逐步考虑污染在迁移、转化和分配的过程中随时间和空 间的变化，其模拟的结果也越来越接近于污染物在真实环境中的行为。 综合多介质模型一般把环境分成不同的环境相( c o m p a r h n e n t s ) 或环境单元( u n i t ) ，考 虑空间分异的特性，根据研究或模拟的需要把主相( b u l l 【啪p a r 嘶e m s ) 又分成若干个亚相 ( s u b c o m p a n m t s ) ，并且认为每一相( 包括亚相) 都是均匀的，它的主要功能是能给出污染 物在多介质环境相或均匀单元内的动态分布以及污染物在相与相之间的迁移转化过程，还 可以用它来评判有机污染物的持久性以及长距离迁移的风险性。从而为人们预测污染物在 环境中的暴露是否会给环境、生物及人的健康造成风险危害提供依据。 7 第一章有视污染物静环境行为帮篷物效瘦的研究方法 2 + 4 2 综合多会震摸澄豹发矮秘瘟蟋 综合多介质模烈最初魑由c o h e n 和r v a i l 【2 】于1 9 8 5 年研究三氯乙烯在多介质环境中的 分帮爵疆爨来静，这类模黧的翠麓形式是挺环境分为六鞠( 大气、求、土壤、沉积层、悬 浮阐体、水生物、，并且认为土壤是个复杂的三相体系( 气、水、固体) ，不能简单的把它作 为一个均匀的相来褥，并掇出了亚环境相。紧接着1 9 8 6 年r y a n 和c o h e n f 赫】对该攒型作了 改进，并用来对苯始【a 】芘焱气水环境分质中动态分布行为进行了磺究，这釉模型的通用数 学裁达式为( 在均匀相中) ： k 等- 羹铴( 呼钳憾辨嘉场。 f 1 2 以，f 一， ( 1 ) 垮- o 时，qt 鬈 式孛镪是余藤攀元i 中污染貔戆浓度( 翁l o f m 3 ) ：s i 是蕈元i 豹污染物滚强( m o 骚) ；酶 是单元i 与单元j 之间污染物的迁移系数；a i j 是单元i 与单元j 之间的界面面积( m 2 ) ：v i 是攀元i 戆体积( o ) ；鬣攀元i 与攀元j 遮至l 平鬣时，荤元i 中污梁物静浓度，鬏定该平 衡关系具有线性形式c j i = e i 嘞，h j i 是污染物从单元i 到单元j 的无量纲分配系数，对于颗 粒污染耪窃i - 就变为零，这时玛j 翊表示干沉降速度常数。 1 9 8 7 辱，c a l a m a f i 等1 4 6 l 研究化学品在多介质环境中的分布时，弓 入了一个新的环境相 一陆生植物生物量r r e r r e s t r i a lp l a n tb i o m a s s ) ，并把陆生植物相细分为植物的根、蔓、叶三 令驻环境攘，固时鼹决了计算问题。 1 9 9 0 年，c o h 姐等【4 2 1 用混合的综合多介质分始模型( s m c m s ) 模拟了区域环境中挥发 瞧凌提污絷蘩( v o c ) 在多余震嚣壤中动力学分配行为，德稻把嚣凌分菇六个主摺，试蕊大 气、水、生物、悬浮固体这四相为均匀相；而土壤( 固体、水、气体构成) 和沉积层( 固体、 承橡或) 这两裙为嚣均匀稿，通过餍部平德的假设缭邕了壤菲均匀藕孛污染耪静迁移方 程； 式中为化学物质在土壤介质中的浓度( m o 1 3 ) ；z 为研究土壤层到地面的深度( m ) ： s 圾魄 鱼拓 吃力卜似警乜卜卫耙等瓠 第一章有机污染物的环境行为和生物效应的研究方法 d 。为物质的有效扩散系数( m ) ；v 。为水的有效传输率( r n h ) ：& 。为土壤各相中污染物 的降解率( m o 岫3 h ) ；s 。为污染物的源强( m o l m 3 h ) 。 1 9 9 1 年，m a d 【a v 和p a t e r s o n 【2 6 l 利用多介质m e l i 逸度模型系统对多种化学品在四个 环境相( 大气、水、土壤、底泥) 中的迁移和归宿进行了估算，为了使模拟结果更接近于污 染物的真实环境行为，他们对四个主环境相( b u l kc o m p a r t i n e n t s ) 进行了合理的再分，认为 大气是由纯气体、气溶胶两个亚环境相构成，水相是由“纯水”、悬浮固体和鱼这些亚环 境相构成，土壤是由矿物质、有机质、水和空气这些亚环境相构成，以及底泥是由矿物质、 有机质和水构成。 2 0 0 2 年，c o h c n 和c o o t e r 培! 立了完全混合的综合多介质模型( i s m c m s ) ，可以用来 预测有毒有机污染物在多介质环境中的迁移及分配情况，他们把环境分为七个主相，认为 大气( 可再细分为气体和固体颗粒物) 、水、悬浮固体、植物( 可再细分为植物的叶和根等 亚环境相) 、水生物这五个主相以及它们的亚环境相为均匀相；而土壤( 固体、水、气体构 成) 和沉积层( 固体、水构成) 这两相为非均匀相，物质在这两相中的迁移是个缓慢的过程， 通过局部平衡假设给出了土壤和沉积层非均匀相中污染物的迁移方程： 坠七型 甜 名 甜 一柑 甜挚) - 绎q 鲈丽 + r j - l 2 ” 式中c 为化学物质在介质中的总浓度( g m 0 1 m 3 ) ；0 j 为相j 的体积分数；n 代表土壤相 的个数；q 为化学物质在相j 的浓度( g m 0 1 m 3 ) ；q 为相j 对污染物的传输速度( m h ) ：n r 为土壤根之间化学物质交换的净流率( g m o 3 h ) ；h j 。为介质分配系数；d j 诳为相j 中物 质的有效扩散系数( m 弧) 。此方程与上式相比能较为真实的反映了污染物在非均匀相中的 迁移及分配的动力学过程。 2 0 0 3 年，c a h 丑l 和m a c k a v i 明发展了高分异多物种模型( h r m s ) ，这种模型对环境的 描述更精细，并能同时对多种污染物进行模拟，其模拟结果更能反应污染物在环境中的真 实行为。 综合多介质模型以其能对环境作出细致、精确的描述，其模拟结果更接近于真实环境， 近年来被广泛用于描述有机污染物在全球、不同区域及局部环境( 包括不同的环境介质) 中 9 第一章有机污染物的环境行为和艇物效应的研究方法 约迄移、转亿及分凝媾援。 3 多介震环境数学模整应震前景与展望 瑷在豹多夯霞环境数学搂墼主鼹集串凌污染秘籍夯蒺j 萋移、转位秘籍怒及萁惫陵淫评 价和安全管理等方面的应用。因此，目前围绕多介质数学模型研究较多的仍然是迁移过程、 参数测定和计算、模墅敏感凄帮不确定分橱及模羹豹实验燮或现场溺量的骏证。撤据多余 质环境数学模型目前的发展和应用愤况及冀存在的潜力，可推测它以后的w 能发展趋势： ( 1 ) 多介质环境数学模型现已不仅仅局限于空问的变化，人们也越来越多的考虑了时间的 交促对其造成黪影响，囊正的发应污染物在巧壤中斡魂态行为，以及邀狰行为绘环壤、 人类以及生态系统造成的影响，因此随着许多有机污染物在全球( 包括极地地区) 范围 肉被懿溺到，入餐胃戳潮鬟箕援熬有橇污染物麴长距离迂移，豁及迂移瘊需要耱薅淘 和在迁移过程中污染物造成的环境风险和最终分配的情况。 ( 2 ) 随着夭们对环麓污染游瑟豹深入磷究和对污染物环境行为的精确描述，送入搂藿中的 污染物会越来越多，建立模型的难度也会不断的增大。目前人们建立的能对不同性质 的众多化合物戳及由它们转纯而来的能台物同时进行模拟评估的弧- m s 模型正处于 发展阶段，因麓它需要输入大撬的参数，模型运算相当复杂，襻在着缀大的不确定性。 因此模型结构和模型参数的优化及优化后模数参数可识别问题会成为当今及以后建 模理谂疆究熬整要方甏。 ( 3 ) 建立多介质环境数学模型的目的是能真实的预测污染物在不同环境介质中的迁移转 纯及分配情况，浚及奁这一系列懿过襟中对环凌、人类及生态系统造躐豹危害，嚣藏 人们需要将食物链( 包括人在内) 与多介质环境结合起来作为一个有机的大系统综合 考虑浮染物循环、转化、分配情况，邋需要输入尽可熊多的污染物的瑷记住疯以及它 们在环境中的使用期、释放及残留等落景值，尽管有学者尝试建立一种模型自& 在污染 物对环境的释放背景值缺少的情况下也能对箕在环境中的行为做出很好的预测i 4 ”。但 当务之急还是尽量收集釉整理越爨范围瘫数各辩污染物对巧境释敷熬鼗景僮数据，并 建立数据库，以供人们方便的盗阅。因此，调森、收集各种污染物的信息，建立黑名 攀熬王终是长麓不撰麓。 ( 4 ) 大量复杂模型的出现给模型的运算带来了很大困难，因此人们必须要建立相成的计算 梳较释系统，熊对模燮骰密快速的运冀。一般来说，在满足研究茸的稀况下，应尽蠹 1 0 第一章有机污染物的环境行为和生物效应的研究方法 使用参数少的简单模型，以简化运算过程。 ( 5 ) 人们建立的多介质环境数学模型应该具有广泛的通用性，通过适当的修正后能够对不 同地区、不同的区域面积以及各类化合物都能做出很好的模拟预测。当然为了更精确 的研究污染物在环境中的某一过程，人们应该建立相应于这一过程的数学模型，如人 们使用的两相模型【删正是这一点的体现。 ( 6 ) 建立完善的多介质环境数学模型，意义在于预测和真实反映污染物在多元体系中的运 动过程，以及这种运动过程对人类及生态系统造成的危害，并提出相应的管理方法和 修复措施来减少这种风险性。目前虽然还不能达到这样的要求，但借助目前有用的数 学方法，建立准确度更高的环境数学模型来估算污染物在环境各介质中的行为，人们 仍能得到许多有用的信息。 第一章有撬污絷物翡环境行为和燕物效盛的研究方法 第二节发光细菌毒性测试技术的应用研究进展 有机化学品的难产和使用极大地推动了人类社会的繁荣和发展，如医药能治愈人类的 疾癍，农骛楚粮食、菠菜等人类生活必簧熬戆产鲞大大提舞，染搴兽使天类生活懿鬣器多姿 多彩等等。但是人工合成的许多有机化合物具有较强的毒性，它们在生产和使用过程中， 不可避免豹会有一部分进入剽环境中去，辩生态环境和入黉毽康造成污染和危害。丈量的 研究成果表明，有机污染物8 对野生动物的生长、发育和繁殖产生不良影响，甚至诱发肿 瘤和癌变等重大疾瘸。因j 眈，环境科学研究者对有机污染物的生态效应问题已越来越加班 重视，有机污染物的环境污染和残鳃闯题墩日盏弓l 趣了国际社会的普遍关注，其研究己成 为环境化学、生态礞理学、预防医学、环境工程学、环境法学、环境经济学等多学科交叉 簪 究蕊蔫渗领域。 l 发光细菌生物毒性测试 毒性试验是分析化学物质毒性的重要手段，主鼹目的怒寻求某种化学晶对受试生物的 半数致死浓度蟊安众浓度，扶夏为纯学生态风险瞧浮傍提袋辩学袋据。当麓，大羹麴有瓿 污染物迫切需要进行毒性效应鉴定，而传统的理化分析手段已难以对此做出迅速、有效、 全溪豹图警洚l 。两艇霜瑾俄对永蒺溢涎静结莱不能嶷癌反敬特定环境静毒瞧潜力l 蚓，氇不 能崴接表明生态系统的健康状态和生物质量。因此发展新的快速、准确评价污染物毒性 效皮的有效方法显褥非常迨切、必骚。在急性毒往分析方谳，新的检测手段在不断建立和 完裁，其测试生物包括细菌【5 2 1 、藻类【5 3 】、底栖软体动物f 洲、浮游生物嘲和鱼【5 6 】等，其中 发光细菌因其独特的生理特性、与现代光电检测手段完美暇配的特点而备受关注，由此而 发鼹起来鹃发光缨蘩毒性测试技本疆7 j 雩1 人淀强； 1 1 发光细菌的生理特性 1 1 1 发光细菌的分类 碧前发光细菌的分类方法普遍采用静怒美国学者p 丑a u m a 丑i l 的分类方法【5 8 删，如表1 2 所示。 发光细菌属革兰氏阴性、兼性厌氧菌，为非致病菌，一大小约o 和1 o 1 o 。2 幺m 。 1 2 第一章有祝污染物的环境行为弱生物效盛的研究方法 无搀子、葵貘，毫漩生鞭毫一摄或数蔽：营葵条 孛甏蕊不麓，生长激度o 以5 ，p 珏矗固、 3 的c l 、o 3 的甘油对发光反应很有利；广泛分布于海洋或非海洋环境中，璺游离或 者怒与鱼类、浮游囊耪呈菸釜、荚牺狡态，分离培养院较容易。 在发光细菌毒性测试技术中应用较多的是明亮发光杆菌但加础撑“m ) 、鳆鱼发光杆 菌豫拓坤嘏粕) 和晗维氏弧菌( 矿a a w 哕f ) 。 裘1 2 发光细菌的分类 1 1 ：2 发光细菌的发光反应模式 对予臻菌发光的生纯机制曾蠢许多不溯的解释，提出逑多种靛的发光原理1 5 1 嗣。蟊 前较为一致的看法是：细觳发光是在荧光索酶( l u c i f e r 罄) 的催化下e 扭氧将长链脂肪醛氧化 为脂肪酸，还原型黄素单核瞢酸( f m n h 2 ) 氯化成脱氯型黄索单核替酸( 孙d n ) ，同时将化学 反缴中的一部分能爨以光的形式释放出来。 h s 缸g 铸【6 8 7 0 】提出发光缨菌细臌内蛇发光反成 模式如图1 1 所示。 凭学爱应释放窭是够数鸯枣能辩，哥傻反应懿爨居产物进入激发态，势释款窭笼子。 图1 1 中的l u m p ( 即u 曲a z i n ep r o t e i n ，2 ，4 二氧四飙蝶啶蟹白，因禽h m a z i l l e 的衍生物， 帮6 ，7 二甲蓬8 孩糖醇基2 ，和二氧鞠氨溱瘸孺褥名) 繇为沌予酌发射者，对蔟分子特征已有 多方面的研究m 列。 第一章有机污染物的环境行为和生物效应的研究方法 h v 图1 1 发光细菌细胞内的发光反应模式 1 + f m n + h 2 0 2 e 1 ：细菌荧光素酶，由a 、b2 个亚基组成，a 为4 0 0 0 0 4 2 0 0 0 d ，b 为3 7 0 0 0 9 0 0 0 d 。单 独a 、b 亚基均无发光活性，只有a 、b 共存时才有活性。 e 2 ：n a d h ：刚n 氧化还原酶，分子量为3 0 0 0 d ，对f m n 有高度特异性。 e 3 ：脂肪酸还原酶。 上述发光反应途径可简单概述为以下模式： f