重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價

重金屬是具有潛在毒性的重要污染物。它集中在生物體中，成為永久性污染物，導致嚴重的環(huán)境問題。經(jīng)各種方式進入環(huán)境中的重金屬污染物不易溶解,通過各種方式在生態(tài)系統(tǒng)中遷移循環(huán),最終可能進入人體之中,產(chǎn)生嚴重危害。對環(huán)境中重金屬的污染必須進行評價,才能對環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)控。目前對重金屬的評價,國內(nèi)外學者從不同角度提出了許多評價方法,德國、英國、美國、瑞典等國的科學家從沉積學角度提出了多種重金屬的污染評價方法。瑞典著名地球化學家Hakanson(1980)提出的潛在生態(tài)指數(shù)法(ThePotentialEcologicalRiskIndex)(RI)是目前最為常用的評價重金屬污染程度的方法之一,該方法的重點之一是確定重金屬的毒性系數(shù)。我國著名學者陳靜生曾于1989年根據(jù)Hakanson的關于潛在生態(tài)危害指數(shù)評價方法介紹了7個重金屬元素的毒性系數(shù)的計算方法,并給出了毒性系數(shù)。隨后,我國眾多學者在研究河流水系沉積物重金屬污染評價中,也大量使用了潛在生態(tài)危害指數(shù)法。但是在眾多環(huán)境污染評價中,有的重金屬仍是環(huán)境污染的重要組成部分,但由于沒有給出它們的毒性系數(shù),往往不能用潛在生態(tài)危害指數(shù)法全面評價環(huán)境的污染狀況。針對此種情況,本文根據(jù)Hakanson的計算原則,結(jié)合陳靜生的計算方法,重新計算了Zn、Cu、Ni、Pb、V、Co、Cr、As、Cd、Hg10種重金屬元素的毒性系數(shù),并給出了包括Ti和Mn在內(nèi)的12種重金屬元素的毒性系數(shù)。1ri關于潛在生態(tài)效應指數(shù)的描述1.1重金屬污染的安全性評價Hakanson認為,潛在生態(tài)危害指數(shù)以以下四個條件為基礎:(1)含量條件:表層沉積物的金屬濃度。RI值應隨表層金屬污染程度的加重而增大。(2)數(shù)量條件:金屬污染物的種類數(shù)。受多種金屬污染的沉積物的RI值應高于只受少數(shù)幾種金屬污染的沉積物的RI值。(3)毒性條件:金屬的毒性水平。毒性條件是根據(jù)“豐度原則”來區(qū)分各種污染物,由于重金屬的沉積作用及對固體的親合作用使得毒性和稀有性之間存在著一種比例關系。毒性高的金屬應比毒性低的金屬對RI值有較大貢獻。(4)敏感性條件:水體對金屬污染的敏感性。對金屬污染敏感性大的水體應比敏感性小的水體有較高的RI值。1.2重金屬的危害評價(1)單個元素的污染系數(shù)(Cri)由Cri=Ci實測/Cni確定,式中:Cri為某一重金屬的污染系數(shù),Ci實測為表層沉積物重金屬元素的實測含量,Cni為該元素的評價標準。(2)某取樣點的沉積物重金屬污染度(Cd)由公式Cd=∑Cri確定,是多種重金屬污染系數(shù)之和。(3)各重金屬的毒性響應系數(shù)Tri,反映重金屬的毒性強度及水體對重金屬的敏感程度,通過計算可以得出。(4)某一重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)Eri=Tri×Cri。(5)某一點沉積物多種重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)。潛在生態(tài)危害系數(shù)(Eri)描述某一污染物(元素)的污染程度,從低到高分為5個等級;而潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)描述某一點多個污染物潛在生態(tài)危害系數(shù)的綜合值,此值分為4個等級,見表1。2重金屬的釋放系數(shù)在RI指數(shù)應用中,按照Hakanson的觀點,金屬毒性系數(shù)應包含兩方面的信息:金屬對人體的危害和金屬對水生生態(tài)系統(tǒng)的危害,應從“豐度原則”和“釋放效應”角度來討論此問題。并認為:某—金屬元素的潛在生物毒性與其豐度成反比。本文按照Hakanson提出的金屬毒性系數(shù)計算方法,重新計算出了Zn、Cu、Ni、Pb、V、Co、Cr、As、Cd、Hg10種元素的毒性系數(shù)。表2列舉了10種重金屬元素在火成巖、土壤、淡水、陸生植物和陸生動物中的豐度。首先將金屬元素在火成巖、土壤、淡水、陸生植物和陸生動物中具最高豐度值的金屬賦值為1.0。在巖石中,鎘的豐度比釩小675倍,汞的豐度比釩的豐度小1687.5倍,則678、1687.5等數(shù)值被定義為“豐度數(shù)”。表3中列舉了本指數(shù)計算所需的10種金屬元素在各環(huán)境物質(zhì)(巖石、土壤、淡水、陸生植物與陸生動物)中的豐度數(shù)。再將這些值橫向加和,得到元素的總豐度數(shù),為防止不適當?shù)臋?quán)重進入總豐度數(shù),把橫行中各最高值略去得4項之和,再除以4.93(和為最小者),得各類環(huán)境物質(zhì)中金屬的平均豐度數(shù),其大小順序為:Zn<Cu<Ni<Pb<V<Co<Cr<As<Cd<Hg。Hakanson指出,金屬元素的豐度數(shù)與該元素的毒性系數(shù)有關,但并不簡單地等于毒性系數(shù),求豐度數(shù)是為了討論元素的“釋放效應”,以此來表示不同金屬在沉積物中沉積的趨勢。按照上述方法,計算出了金屬元素的釋放系數(shù),見表4,其中V、Ni、Co3種元素的湖相沉積物工業(yè)化前的含量用全球頁巖平均值代替。從表4中可見,鉻的釋放系數(shù)最低,汞的釋放系數(shù)較高。按此法計算的10種重金屬在沉積物中的釋放系數(shù)順序為:將每一重金屬的平均豐度數(shù)乘以釋放系數(shù)得到校正豐度數(shù)如下:用上述金屬元素的校正豐度數(shù)來表示沉積物中這10種金屬元素的毒性系數(shù)。這樣所求出的元素的毒性系數(shù)是元素豐度原則與釋放效應原理的共同體現(xiàn)。即元素在環(huán)境物質(zhì)中的豐度數(shù)越大,毒性愈大,沉積物中元素的釋放系數(shù)越大,毒性越大。兩者相乘得校正豐度數(shù),并用此數(shù)值來表示沉積物的毒性系數(shù)值。由此可以看出,豐度數(shù)與釋放系數(shù)的作用效果是相關的。按照Hakanson的方法,為正規(guī)化和方便起見,在實際使用中,對校正豐度數(shù)(即毒性系數(shù))作如下處理:首先,將各元素的毒性系數(shù)均除以57(鋅的校正豐度數(shù)值,為10個元素中最小者),得:Zn=1.0,V=2.03,Cr=3.51,Cu=1l.23,Pb=14.95,Ni=20.1,Co=38.3,As=59.2,Cd=849,Hg=6299。其次,將上述各值開平方,得:Zn=1.0,V=1.42,Cr=1.87,Cu=3.35,Pb=3.87,Ni=4.48,Co=6.2,As=7.7,Cd=29.1,Hg=79.4。最后,將上述各值規(guī)正化,得:Zn=1,V=2,Cr=2,Cu=5,Pb=5,Ni=5,Co=5,As=10,Cd=30,Hg=80。比較上述數(shù)值可知,汞的毒性系數(shù)最高,鎘其次,砷再次。但Hakanson認為,與鎘相比,汞的毒性系數(shù)偏高,因此在實際應用中將其值減半,改為40。將本文所計算的10種重金屬元素的毒性系數(shù)與Hakanson的7種重金屬元素的毒性系數(shù)比較,結(jié)果一致,見表5。另外,Hakanson認為,一些重金屬元素如Ti和Mn的毒性較小,一般來說小于Zn,故它們的毒性系數(shù)取值為1。由此得到如表5所列舉的12種元素的沉積物毒性系數(shù)。需要說明的是,本文所計算的毒性系數(shù)與Hakanson所給出的RI計算公式中的毒性響應系數(shù)是兩個概念,如果真正要計算值,必須求出生物生產(chǎn)指數(shù)(BioproductionIndex,BPI)。在目前采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法進行計算時,眾多學者一般直接用毒性系數(shù)替代毒性響應系數(shù),這一點需要在應用時加以明確。3研究重金屬的污染程度潛在生態(tài)危害指數(shù)法將重點放在了重金屬對環(huán)境的生態(tài)效應方面,考慮了不同重金屬具有不同的生物毒性,從而對環(huán)境造成的生態(tài)危害不同。在不分析重金屬元素形態(tài)的情況下,通過研究重金屬的沉積學特