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生物配体模型预测中国典型河流水体铜毒性及其水质基准指标应用研究

作　者: 王春艳
导　师: 郑丙辉
学　校: 武汉大学
专　业: 环境科学
关键词: 生物配体模型中国典型河流水生生物铜毒性水质基准指标
分类号: X824
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着中国社会经济和城市化进程快速发展,人类活动改变了自然环境中重金属的赋存状态,使得水体中重金属含量升高。进入水体中各种形态的重金属,自然状态下不易分解或降解,只能发生迁移、转化、富集在生物体内或随水中沉降物沉积到底泥。低浓度存在时,重金属不会对水生生物造成危害。但当水体中重金属浓度升高,富集在生物体内的重金属浓度超过一定限量时,便会对水生生物造成危害,甚至死亡。富集在生物体内的重金属又会通过食物链浓缩,危害生态系统更高级别的生物,甚至损害人体健康。生物配体模型(The Biotic Ligand Model, BLM)以水体水化学和生物敏感性为基础,是定量评价金属生物有效性和评估特定点金属毒性的有效工具。近几年来,中国重金属污染事件呈高发态势。研究生物配体模型对于中国典型河流水体和水生生物的适用性,对于发展中国地表水(淡水)中重金属毒性评估技术,制定科学合理的重金属水质基准,加强重金属污染防治,保护河流水生态系统和人体健康均具有十分重要的意义。本论文主要研究内容如下：(1)根据国内外生物配体模型研究现状及其开发原理,确定生物配体模型在中国应用需要解决的问题。一是扩展生物配体模型适用的生物种类,使其能够应用于中国河流中水生生物,二是研究生物配体模型对中国河流水体的适用性。(2)根据生物配体模型基本理论,提出一种确定生物LA50的新方法以扩展生物配体模型适用的生物种类,即通过生物急性毒性实验测定一定水质条件下金属对某一生物的LC50,利用生物配体模型的形态分析功能计算达到生物50%致死率时生物配体上的金属积累量,将各种有毒形态的金属累积量求和即是该生物的LA50。通过实验室配置标准稀释水做铜对青鳉的96h急性毒性试验,得到水中铜对青鳉的LA50为12.43nmol/gw。(3)在对中国大型河流水体调查研究的基础上,采集长江、黄河、湘江、大辽河等典型河流水质样品,测定水质参数,应用生物配体模型预测LC50。同步进行生物急性毒性实验得到水样中铜对青鳉的LC50。研究结果表明,采集的典型河流淡水环境中实验观测的和生物配体模型预测的LC50差异倍数小于2,一致性较好,可以应用生物配体模型进行中国典型河流淡水环境中铜毒性的预测。同时表明,本研究确定的铜对青鳉的LA50是准确的,生物配体模型关于校正模型中关键参数生物的LA50来扩展其预测生物种类的方法是科学的。(4)通过3组不同浓度条件下黄腐酸(FA)、腐殖酸(HA)及它们混合物的标准稀释水中铜对青鳉的急性毒性试验,研究结果表明,在其它水化学条件相同下,随着溶液中FA或HA含量的增加,铜对青鳉的LC50均增加；相同浓度时,HA溶液中铜对青鳉的毒性效应小于FA,说明HA对铜的配合作用要强于FA; FA、HA总浓度不变,其它水化学条件相同时,随着HA百分含量的升高,铜对青鳉的LCso增加；FA、 HA共存时对铜毒性还有一定的促进作用；在天然水中DOC的组成不确定时,如果DOC主要来自HA和FA,假设HA和FA的组成比是0.5时,生物配体模型预测的LC5o的偏差将是最“安全”的。(5)生物配体模型在湘江及其支流和三峡库区及其上游水体中的应用研究结果表明,两个敏感水体中铜对几种生物LC5o的大小顺序依次是：青鳉>虹鳟鱼>大型蚤>模糊网纹蚤>蚤状蚤；就单一评价研究范围内铜而言,湘江松柏大桥、舂陵水、舂陵水入湘江上游和下游采样点以及湘潭到长沙段水体水质较好；从衡阳未水入湘江上游采样点到株洲段水体中,铜对水生态系统具有明显的环境风险,尤其是株洲采样点；在全部采样断面中,只有株洲断面的TU>1,水中溶解性铜含量超过预测CMC指标的0.48倍、CCC指标的1.38倍,表明株洲采样点的水生态环境必然受到破坏,引起生物从种类到数量上的减少；采集的三峡库区及其上游52个水质断面中,各采样点TU<1,说明三峡库区及其上游断面水中溶解性铜含量均未超过该断面水中铜的CMC指标。在52个采样点中,TU>0.1的有19个点位,表明其溶解性铜含量值得关注；调查的16条支流中,对三峡库区及其上游水体中溶解性铜含量影响显著的是大宁河和沱江。三峡库区及其上游水质状况总体较好,但随着三峡水库蓄水水位升高,水体中溶解性铜含量上升。这些研究结果与其它相关报道是一致的,表明生物配体模型在中国两个敏感水体的应用结果是科学的。

全文目录

论文创新点  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-13
第一章绪论  13-37
  1.1 重金属污染  13-15
    1.1.1 重金属污染的危害  13-15
    1.1.2 重金属污染的特性  15
  1.2 水体中重金属生物有效性影响因素  15-22
    1.2.1 重金属元素类别  16-18
    1.2.2 水体水化学性质  18-21
    1.2.3 生物物种  21-22
  1.3 生物配体模型研究进展  22-35
    1.3.1 生物配体模型研究现状  22-30
    1.3.2 生物配体模型的应用  30-35
  1.4 研究内容和技术路线  35-37
    1.4.1 研究内容  35
    1.4.2 技术路线  35-37
第二章生物配体模型理论基础  37-42
  2.1 生物配体模型理论框架  37
  2.2 生物配体模型  37-41
    2.2.1 化学平衡方程  37-39
    2.2.2 无机物质化学形态计算模式  39-40
    2.2.3 有机物质化学形态计算模式  40-41
  2.3 本章小结  41-42
第三章利用生物配体模型确定生物的LA_(50)  42-51
  3.1 研究方法  42-43
  3.2 实验部分------以铜和青鳉为例确定生物的LA_(50)  43-46
    3.2.1 物质和材料  43-44
    3.2.2 生物急性毒性实验  44-45
    3.2.3 水质参数的测定及质量控制措施  45-46
    3.2.4 数据处理  46
  3.3 结果与讨论  46-49
  3.4 本章小结  49-51
第四章生物配体模型的典型河流水体适用性研究  51-63
  4.1 研究方法  51
  4.2 典型河流的确定  51-53
    4.2.1 长江  52-53
    4.2.2 湘江  53
    4.2.3 黄河  53
    4.2.4 大辽河  53
  4.3 实验部分  53-56
    4.3.1 样品采集、运输和预处理  53-55
    4.3.2 水质参数的测定及质量控制措施  55
    4.3.3 生物急性毒性实验  55-56
  4.4 数据处理  56
  4.5 结果与讨论  56-61
    4.5.1 生物配体模型对长江水体的适用性  56
    4.5.2 生物配体模型对黄河水体的适用性  56-58
    4.5.3 生物配体模型对湘江水体的适用性  58-59
    4.5.4 生物配体模型对大辽河水体的适用性  59-61
  4.6 本章小结  61-63
第五章 DOC对生物配体模型预测结果影响研究  63-70
  5.1 实验部分  63-67
    5.1.1 实验设计  63
    5.1.2 物质和材料  63-64
    5.1.3 生物急性毒性实验  64
    5.1.4 数据处理  64-67
  5.2 结果与讨论  67-69
    5.2.1 水中黄腐酸对铜生物急性毒性的影响  67
    5.2.2 水中腐殖酸对铜生物急性毒性的影响  67
    5.2.3 水中DOC组成不同对铜生物急性毒性的影响  67-69
  5.3 本章小结  69-70
第六章生物配体模型的应用研究  70-102
  6.1 生物配体模型在湘江及其支流水体的应用研究  70-73
    6.1.1 湘江概况  70-71
    6.1.2 采样断面的布设  71-72
    6.1.3 样品采集、运输和预处理  72
    6.1.4 水质参数的测定及质量控制措施  72-73
  6.2 生物配体模型在三峡库区及其上游水体的应用研究  73-76
    6.2.1 三峡库区及其上游水域概况  73-76
    6.2.2 采样断面的布设  76
    6.2.3 样品采集、运输和预处理  76
    6.2.4 水质参数的测定及质量控制措施  76
  6.3 数据处理  76-77
  6.4 结果与讨论  77-99
    6.4.1 湘江及其支流水体铜毒性及其水质基准指标  77-95
    6.4.2 三峡库区及其上游水体铜毒性及其水质基准指标  95-98
    6.4.3 应用生物配体模型制定中国河流金属水质基准的初步探索  98-99
  6.5 本章小结  99-102
第七章结论与展望  102-105
  7.1 结论  102-103
  7.2 发展与展望  103-105
参考文献  105-118
攻读博士学位期间发表论文  118-119
致谢  119

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