中国环境基准理论与方法学研究进展及主要科学问题

环境基准是指环境介质中的环境要素对特定保护对象不产生不良或有害效应的最大限值,是环境标准制修订的科学依据。环境基准理论与方法学一直是国际环境科学和环境保护科学研究领域的前沿,也是国家环境管理的重大科技需求。本文在总结国际和我国环境基准研究成果的基础上,较为系统地阐述了环境基准的基本概况、理论方法学及重要进展。同时,结合学科特点和环境基准科技需求,综合分析了与环境基准理论方法学密切相关的系列关键科学问题。

美国场地土壤筛选值研究及其对中国土壤环境基准研究的启示

土壤环境基准是土壤环境标准和土壤环境保护的基础。美国是世界上最早关注污染场地保护并开展土壤污染风险管控的国家之一,并形成了较为完善的体系,但我国在这方面还处于起步阶段。为此,本文以美国为例,综述其在土壤筛选值(SSLs)方面的研究,通过分析美国在土壤污染防治方面的法律法规和技术规范,系统梳理美国在SSLs方面的研究成果,从直接摄入、皮肤吸收、摄入污染地下水、吸入室外挥发物与颗粒物和蒸汽侵入5个方面阐述美国基于人体健康风险的SSLs制定的理论方法。在此基础上,为我国土壤环境基准研究提出了几点建议:进一步加强我国土壤环境基准研究工作,立足我国国情开展土壤环境基准研究,加强本土化参数研究和土壤环境基准研究规范化,以及协同开展土壤地下水环境基准研究,以期为我国土壤环境基准研究与制定提供参考。

中国环境基准研究重点方向探讨

环境基准是环境标准的科学依据,在国家环境质量评价和风险管理体系中处于基础地位。它主要是依据特定对象在环境介质中的暴露数据,以及与环境要素的剂量效应关系数据,通过科学判断得出的,涉及环境化学、毒理学、生态学、流行病学、生物学和风险评估等前沿学科领域。国家环境基准研究是一个长期的系统工程,本文基于环境基准研究的学科特点和国际前沿,结合国家科技需求和相关领域的研究现状,综合分析并提出了未来中国环境基准研究的重点研究方向:1)环境基准的理论与方法学;2)环境基准基础数据库;3)基准目标污染物的筛选甄别和优先排序技术;4)水体营养物基准;5)生物测试与毒性评价技术;6)人体暴露评价理论与相关技术;7)环境基准的审核和校对;8)环境基准与标准转化理论及其对环境管理支撑技术。本文从环境基准学科发展的角度,阐述了与环境基准研究紧密相关的8个重点研究方面的国内外研究进展、关键科学问题以及未来重点研究内容。同时指出,这些重要的研究方向是环境基准研究的根本,未来环境基准的长期战略发展必将是建立在各个重要方向长足发展的基础之上,环境基准研究也必带动这些方向的共同蓬勃发展,为环境地球化学、毒理学、生态学等学科领域发展注入活力。

基于生态风险的土壤短链氯化石蜡环境基准研究

短链氯化石蜡(Short Chain Chlorinated Paraffins,SCCPs)是一种持久性有机污染物,广泛应用于电缆、人造革等工业生产中,具有很强的生物毒性,并可以通过多种途径进入土壤环境,威胁着土壤生态环境安全。针对新污染物之一的SCCPs,已经有相关研究做出了基于淡水环境的基准,而目前关于SCCPs的土壤生态环境基准和风险的研究仍旧缺乏。鉴于此,本研究分别采用物种敏感度分布法和分配系数法推导了土壤中SCCPs的生态环境基准阈值,并对我国典型土壤中的生态风险进行了评价。结果表明:采用物种敏感度分布法得出土壤的无效应浓度为71.46mg/kg;采用分配系数法得到土壤的无效应浓度为10.1mg/kg。经过与相关研究对比,最终选择利用分配系数法得到的基准值作为SCCPs的土壤生态环境基准值。由于物种选择和研究方法的差异性等,本研究获得的SCCPs土壤生态环境基准与其他国家存在一定差异。另外,运用风险商值法对土壤中的SCCPs环境风险进行评价,结果表明,目前我国主要地区的不同土壤类型中SCCPs的HQ值为7.23×10^(-5)~0.5017,为低风险。本研究的结果可为土壤SCCPs环境质量标准的制定与环境风险管理提供参考依据。

中国淡水环境锰的水质基准及其生态风险评估

锰(Mn)是生物必需微量元素,但近年来地表水锰超标现象时有发生,威胁水生态安全。鉴于目前尚缺乏中国锰的淡水水生生物水质基准,本研究通过筛选中国淡水生物锰的急慢性毒性数据,利用水体硬度和pH参数归一化的毒性数据,建立物种敏感度分布曲线获得了锰的短期和长期水质基准,并采用商值法评价我国部分水体锰的生态风险。本研究建立了基于水体硬度修正的锰的短期水质基准模型,推导了不同硬度和pH值水平下中国淡水环境锰的短期和长期水质基准。研究结果表明当水质硬度标准化到150 mg·L^(-1)CaCO_(3)和pH标准化到7.8时,锰的短期基准值和长期基准值分别为2 625μg·L^(-1)和231μg·L^(-1)。锰的短期水质基准值以硬度的函数表示:短期水质基准=e([1.0304ln(硬度)+2.7099])。生态风险评价表明山西汾河、贵州松桃河流域和湖南酉水流域存在较高生态风险。研究结果可为锰水质标准制定、水生生物保护和水生态环境管理提供科学依据。

中国3种非甾体抗炎药的淡水水质基准与生态风险研究

非甾体抗炎药应用广泛,已在自然水体中频繁检出,对水生生物具有潜在生态风险。通过收集布洛芬、双氯芬酸和对乙酰氨基酚3种典型非甾体抗炎药的毒性数据推导出淡水水质基准,并结合中国地表水中检出浓度评估生态风险。结果表明:(1)布洛芬急性毒性数据涉及5门8种生物,毒性数据范围在1.65~1 381 mg/L;慢性毒性数据涉及7门15种生物,毒性数据范围在0.001~70.0 mg/L。双氯芬酸急性毒性数据涉及4门8种生物,毒性数据范围在4.2~1 776 mg/L;慢性毒性数据涉及6门15种生物,毒性数据范围在0.000 4~20.0 mg/L。对乙酰氨基酚急性毒性数据涉及6门9种生物,毒性数据范围在2~5 308.89 mg/L;慢性毒性数据涉及7门10种生物,毒性数据范围在0.001~17.17 mg/L。(2)使用物种敏感度分布曲线推导出布洛芬、双氯芬酸和对乙酰氨基酚的短期淡水水质基准分别为786.29、1 034.52、798.15μg/L,长期淡水水质基准分别为4.58、0.52、6.37μg/L。(3)使用风险商法评估中国7个流域中布洛芬、双氯芬酸和对乙酰氨基酚的生态风险,结果表明3种NSAIDs的生态风险总体较低。

南非矿山环境管理制度研究及启示

完善的矿山环境管理体制对保障矿山绿色可持续发展具有重要意义。概述了南非矿山环境保护监管体系、法律法规,及典型的环境保护制度,以此为样本对比分析了我国矿山环境管理存在的问题,提出了在矿山监管中强化多部门协同、在政策制定中强化科技创新、完善矿山闭矿程序和要求的建议。

中国部分城市空气环境铅含量及分布研究

为描述我国城市空气环境铅含量的水平和分布特征.通过计算机在CNKI、万方、维普、Science Direct、Google Scholar和PubMed 等数据库检索和搜集2000～2012年间发表的关于空气颗粒物中重金属含量的文献,剔除重复后,按照拟定的标准进行筛选,共有69篇文献纳入分析研究,涉及30个省/市共42个城市,有效样本数大于5489个.空气环境铅含量均以PM10的监测结果计（以下同,包括我国环境空气质量标准限值）,其加权平均值为（256.5±192.0）ng/m3,其中,18个城市（占42.96％）空气中的铅含量超过我国环境空气质量标准（GB3095-2012）的年均限值（272.5ng/m3）,其平均值为（551.0±350.3）ng/m3;湖南长沙、广东韶关、辽宁沈阳、江西永修、陕西西安和辽宁葫芦岛6个城市（占14.3％）的空气环境铅含量超过季均限值（545.0ng/m3）,其铅含量分别为554.4,637.0,638.8,764.1,1018.6,1721.2ng/m3.我国经济较发达的京津唐、环渤海圈以及珠江三角洲地区的空气环境铅含量较高;我国北方城市空气环境铅含量在冬春季相对较高,是夏秋季节的1.2～1.9倍,东南沿海城市空气环境铅含量的季节性变化不明显;广州、上海、北京和成都的数据分析显示自2003年以来,空气中的铅含量呈明显的下降趋势.上述分析结果表明,我国空气环境铅含量较高,总体呈现下降趋势.

基于物种敏感度分布法建立中国土壤中锑的环境基准

基于Sb(锑)的植物及动物毒理学数据缺乏以及保护生态受体的土壤Sb的环境基准尚未建立的现状,通过收集和筛选文献中Sb的毒理学数据并补充开展不同土壤类型的跳虫和植物的毒理学试验,建立了Sb的生物毒性预测模型,并以此为依据对收集及试验毒理学数据进行归一化处理,以消除土壤性质的影响.此外,进一步利用SSD(species sensitivity distribution,物种敏感度分布法)推导我国4种典型情景土壤中Sb的HC5(hazardous concentration,能够保护95%物种的生态安全阈值),最终建立基于土壤性质参数的环境基准计算模型.结果表明:(1)不同土壤中Sb对跳虫的毒性差异较大,跳虫毒性阈值EC10(effect concentration,10%抑制效应浓度)与土壤p H呈负相关,与w(SOC)(SOC为土壤有机碳)呈正相关,即随着土壤p H增加或w(SOC)降低,Sb对跳虫的生物有效性随之增加,进而导致EC10降低.(2)通过毒性阈值与土壤性质之间的多元回归分析可知,土壤p H和SOC可较好地预测Sb的生物毒性,植物和无脊椎动物的R2(决定系数)分别为0.778和0.867.(3)利用SSD得到11个物种在4种典型情景土壤中的HC5分别为55.12、28.28、28.08及14.55 mg/kg,推导出PNECtotal(predicted no effect concentration,预测无效应浓度)分别为28.96、15.54、15.44及8.68 mg/kg,计算模型为PNECtotal=-5.811p H+0.587[SOC]+55.480+Cb([SOC]为土壤有机碳含量,Cb土壤Sb背景浓度).鉴于此,建议以中性土壤中Sb的环境基准值作为我国农用地土壤Sb污染风险筛选值制订的参考依据,即农用地土壤w(Sb)限值定为15 mg/kg.

黄河流域水环境问题研究现状、挑战与展望

黄河流域生态保护和高质量发展是国家重大发展战略,保护黄河是事关中华民族伟大复兴和永续发展的千秋大计.近年来,黄河流域水环境质量明显改善,但有限的水资源和脆弱的生态系统使得黄河流域水环境保护仍面临巨大的挑战.科学诊断黄河流域重大水环境问题是新时期治理黄河的前提和关键.本文围绕黄河流域水环境问题诊断这一主题,聚焦黄河流域断面水质改善的核心需求,首先分析黄河流域水环境现状,发现黄河流域整体水质持续向好,但干支流水质改善不同步,流域主要污染指标时空差异显著,中下游和部分支流污染严重;其次梳理国内外相关研究进展和主要挑战,总结断面水质提升所需的核心理论与技术,如水环境承载力评价、污染排放清单构建与水环境模型模拟等方面的应用与发展趋势,发现黄河流域存在气候变化影响下水沙变化大、现有排放清单分辨率不足、水环境模拟缺乏多尺度污染排放-断面水质响应关系研究等问题,难以支撑未来精细化水环境管理.对黄河流域水环境研究的未来发展进行了展望,建议未来在以下几个方面开展进一步研究,包括气候变化下黄河流域水环境承载力研究、黄河流域高分辨率排放清单构建、多尺度污染排放与断面水质响应关系.

我国水环境风险管理进展、挑战与战略对策研究

近年来我国水环境质量持续改善,但水环境风险及管控形势仍然严峻,化工厂爆炸和尾矿泄漏等突发性水环境事故频发,有毒有害污染物超标等累积性污染风险突出.该文着眼于水环境污染风险,对影响推进我国水环境风险管理的突出问题进行梳理,发现部分法律法规内容可操作性和防控力度有待完善提升、管理体系制度间衔接亟需加强、基础研究及支撑技术规范化不足、企业责任主体对风险防控的主动性不够、流域风险底数不清等问题,提出针对性的战略对策建议,包括加强顶层设计、统筹管理体系和制度的3个衔接、加强环境基准标准风险评估监测应急处置4个方面的科学研究、构建以环境责任险和损害评估为核心的主动防控风险倒逼机制、开展重点水域风险普查摸清底数,提出水环境风险管理战略路线思路,强调环境风险防控关口前移、与现有环境管理体系相结合,统筹推进水环境风险管理.

我国环境空气颗粒物质量基准研究框架及研究体系的构建

空气颗粒物来源广泛、组成复杂,我国目前尚未有一套基于完整科学理论和足量实测数据支持的颗粒物基准体系,导致其来源、暴露水平、健康和环境风险信息量不足,相关标准制、修订的依据不足.解析了美国环境空气质量管理的模式,并追踪了美国基准文件的发布历程和世界卫生组织导则值的发布和修订历程.辨析了环境空气颗粒物质量基准与标准的内涵,分析了空气颗粒物质量基准研究对环境空气质量标准制修订的支撑作用.综合国外环境基准体系框架构成和已有研究成果,结合国内空气颗粒物质量基准研究现状和存在的问题,基于"污染源—环境空气浓度—暴露水平与剂量—健康环境效应与风险"的各环节研究方法与目标,提出了"2-4-4"基准研究框架体系,即颗粒物质量基准研究包括空气颗粒物人体健康基准和空气颗粒物环境效应基准两部分,其中人体健康基准包括颗粒物污染特征与来源解析、个体暴露、剂量-效应关系及人体健康效应四部分,空气颗粒物环境效应基准包括颗粒物对生态系统、能见度、建筑物和材料、气候的影响四部分.建议我国应开展大气污染健康影响前瞻性队列研究和对生态环境影响研究,采用多种方法,包括近期发展的暴露组学方法,系统研究空气颗粒物特别是PM2.5载带的有毒有害组分对公众健康的危害和风险;基于我国人群或区域调查结果,建立我国空气颗粒物特别是PM2.5环境质量基准体系,定期发布质量基准文件.

化学工业园区重大环境风险源监控技术研究与应用

基于监控系统综合集成的思想,以重大环境污染事件风险源监控技术规范、重大危险源控制规章、污染源在线监测为基础,从监控指标体系、监控布点范围及监控技术筛选三方面建立化学工业园区中重大环境风险源监控技术体系.结果表明:重大环境风险源监控指标体系主要从企业内部及企业周边敏感受体两方面进行构建;监控范围从重大环境风险源本体、缓冲区及环境敏感受体三方面确定;监控技术筛选时考虑了环境风险源的状态、监控技术方法的实用性和环境风险源受体属性.以上海闵行区化学工业园区为例,经调研统计,该化学工业园区共有重大风险源87个,其中罐区60个、排放口12个,其余分散在库房、生产场所等处.根据化学工业园区企业内部风险设施及周围敏感受体的监控指标、监控范围及常用监控技术,制定了以罐区、排放口的特征风险物质为指标,以储罐的温度、压力、图像视频、液位及排放口特征风险物质浓度的传感器监控技术为主的监控方案.

大气挥发性有机化合物环境基准研究进展与展望

挥发性有机化合物(VOCs)中的许多物种对人体具有危害性,同时,VOCs对大气环境产生着重要的影响。目前我国部分区域大气VOCs污染已经十分严重,控制大气VOCs污染对于改善环境空气质量,保护人体健康具有重要意义。国际上许多国家或国际组织制定了大气VOCs环境基准或者发布了大气VOCs环境基准指导值,这对于加强VOCs污染控制及环境管理可以起到重要作用。我国尚未制定大气VOCs环境基准,亟待开展系统的研究工作。在综述国际大气VOCs环境基准研究进展,介绍当前我国大气VOCs环境基准研究情况的基础上,分析了我国大气VOCs环境基准的研究需求,并对今后的系统研究提出了建议。

基于非靶向物种保护的农药水环境基准及排放限值研究

我国农药行业的水污染排放管理长期以来缺乏对特征污染物的控制要求,特征污染物产生、处理和排放的数据基础也非常薄弱.鉴于农药活性成分对作用对象极其敏感但又具有高选择性的特点,可以立足于对敏感作用对象以外的水生生物加以充分保护的思路,建立基于非靶向物种保护的农药水环境急性基准,作为我国现阶段农药排放限值的推导基础.基于对几十种农药活性成分毒性数据的分析,将物种毒性数据敏感度变化最显著的位序点(累积概率在5%～30%之间)作为"靶向物种"与"非靶向物种"累积概率的分割点,提出保护非靶向物种目标的水质基准计算方法,并以毒死蜱为例,应用物种敏感度分布曲线法对特征污染物毒死蜱水质基准值进行示例推导.筛选出无脊椎动物、脊椎动物和植物等9门39科59种共109个急性毒性数据,经计算得出,毒死蜱对我国水生生物的HCt(靶向物种的危害浓度)为4. 35μg/L,基于HCt得到的毒死蜱排放限值为20μg/L,与美国农药工业水污染物排放指南与排放标准中毒死蜱对现源的日最大排放限值(经换算为8μg/L)较为接近.研究显示,基于非靶向物种保护的农药水环境基准方法推导的排放限值与发达国家排放控制要求接近,通过有效的污染控制技术可以实现,具有可达性.

水环境中滥用药物的环境学研究进展

滥用药物是一类非医用并被法律明令禁止使用的药物,近年来在世界各地的不同水环境中,包括污水、地表水、地下水甚至饮用水中均有检出,被视为一类新型污染物,逐渐成为环境领域的研究热点之一.本文在总结了国内外滥用药物相关环境学研究进展的基础上,对水环境中滥用药物的生态毒性、污染来源和途径、不同水体中的污染现状、环境行为及风险评估等进行了综述,总结了当前水环境中滥用药物分析检测方法和污水流行病学研究进展,并进一步分析了我国目前在滥用药物研究方面的现状,提出了该领域今后的研究方向和重点.

PFOS和PFOA的水生生物基准探讨及对中国部分水体生态风险的初步评估

全氟辛基磺酸盐(PFOS)和全氟辛酸盐(PFOA)是中国淡水环境中广泛存在的两种典型全氟类污染物,中国目前尚缺乏PFOS和PFOA的淡水水生生物基准值。收集PFOS和PFOA对中国本土水生生物的毒性数据,利用美国环境保护局推荐的物种敏感度排序法推算了这两种物质的水生生物基准,获得PFOS的急性和慢性基准阈值分别为32.9μg·L^(-1)和1.97μg·L^(-1),PFOA的急性和慢性基准阈值分别为46.1 mg·L^(-1)和5.46 mg·L^(-1),两者的基准阈值表现出数量级的差异。针对中国部分淡水水体中PFOS和PFOA的污染水平,采用商值法(RQ)评价了两种污染物的生态风险,结果表明,PFOS和PFOA尚未对中国淡水环境中水生生物产生风险,处于可以接受的程度。

甲基汞水环境安全阈值研究及生态风险分析

甲基汞是影响水生生物的毒性物质,其在淡水环境中的安全阈值研究非常少。查阅国内外数据库,搜集筛选了中国淡水水生生物藻类、溞类、鱼类的12种生物甲基汞急性毒性数据、5种生物慢性数据,采用加拿大开发的评估因子法推算淡水水生生物的甲基汞的安全阈值。结合甲基汞典型易生物富集的特点,搜集甲基汞生物富集因子数据,引入最终残留值综合比较,得出甲基汞水生生态系统安全阈值为1.22 ng/L。基于此数据,利用生态风险评估商值法对目前报道的主要流域地表水溶解态甲基汞检出值做出风险评估,结果表明,大部分水域不存在甲基汞带来的风险,只有贵州的乌江渡水库和阿哈水库存在甲基汞带来的食用鱼风险。

北京市环境空气过氧乙酰基硝酸酯污染特征及其影响因素研究

过氧乙酰基硝酸酯(PAN)是大气光化学污染指示物之一,研究PAN的污染特征及其影响因素对大气污染防治至关重要。本研究于2019年4-11月在北京市典型城区开展了PAN及其影响因素的综合观测,分析了PAN的污染特征以及各影响因素与PAN的相关关系,利用多元线性回归法构建了PAN浓度的经验方程并进行了验证。结果表明:①观测期间,PAN浓度平均值为15.86μg/m^(3);在光化学反应较为活跃的6月、7月和9月,PAN浓度高于其他月份;昼间PAN浓度高于夜间。②在光化学污染期间,PAN浓度与同时刻的O_(3)浓度、8 h前的NO浓度、8 h后的NO_(2)浓度、3 h后的NO与NO_(2)浓度之比、5 h前的丙烷浓度、同时刻的丙酮浓度、2h前的太阳辐射、2h前的紫外辐射、同时刻的相对湿度和同时刻的温度均具有较好的线性相关关系,这与“丙烷-丙酮-PAN”反应机理较为相符。③基于上述参数构建PAN浓度多元线性回归方程,并利用6月22-24日的观测结果进行验证,绝对误差范围为0.36~9.72μg/m^(3),为PAN浓度估算提供了一种可行的计算方法。研究显示,通过降低NO、丙烷和丙酮浓度以及削弱辐射强度、增湿、降温等手段能够降低若干小时后的PAN浓度,从而缓解大气光化学污染。

红霉素对蔬菜萌发的胁迫效应及土壤环境风险表征

为健全红霉素的陆生生物毒性数据并对红霉素在土壤环境中的风险进行表征,本研究选用生菜、油菜、油麦菜和白菜为供试蔬菜进行红霉素不同浓度下的水培试验和盆栽实验,探究了红霉素对蔬菜种子萌发的胁迫效应和机制,通过ECOTOX数据库搜集相关数据,得出红霉素在淡水环境和土壤环境中的预测无效应浓度(PNEC),并根据盆栽实验结果对红霉素进入土壤后的环境风险进行了表征。结果表明:在红霉素胁迫下,供试4种蔬菜种子的发芽率无明显变化,根长均受到显著抑制;红霉素胁迫抑制了蔬菜种子的相对吸水量,促进了膜渗透性和幼苗体内的过氧化氢酶活性;供试4种蔬菜对红霉素的敏感程度为油菜>生菜>油麦菜>白菜,半抑制浓度依次为29.387、64.075、69.255 mg·L^(-1)和127.681 mg·L^(-1),红霉素在淡水和土壤中的PNEC分别为0.2μg·L^(-1)和0.11 mg·kg^(-1),当盆栽土壤中的红霉素含量超过250 mg·kg^(-1)时土壤环境风险较高。研究表明,根长可作为红霉素的毒性敏感指标,油菜可作为红霉素毒性指示作物,红霉素影响蔬菜种子萌发的主要机制为渗透胁迫,红霉素菌渣肥料化产物进入土壤环境中的最高红霉素含量应控制在250 mg·kg^(-1)以内。