美国水环境质量基准体系，本文主要内容关键词为：美国论文,基准论文,水环境论文,体系论文,质量论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
美国较早开展了水环境质量基准的研究和制定工作，目前已经形成了一整套较为完善的水环境质量基准体系，其主要包括8个类别的基准，建立了(或正在建立)各类基准的技术指南以规范各类基准的制订与推导程序，并不断发布基准研究成果。目前，世界上只有少数国家(如加拿大等)开展了水环境基准研究，但到目前为止，只在某类基准上开展了一些工作，尚未形成较为完整的水环境基准体系。我国在这方面的研究刚刚起步[1-3]。
美国水环境基准对世界各国的基准研究影响较深。自20世纪60年代，美国相继发表了《绿皮书》、《蓝皮书》、《红皮书》和《金皮书》[4-7]等水环境基准文献，形成了以保护水生生物和人体健康的水质基准为主，辅以营养物基准、沉积物基准、细菌基准、生物学基准、野生生物基准和物理基准等较为完整的水环境基准体系。这些基准一般用数值或描述方式来表达，为美国各州制订水质标准提供了科学依据。
美国最新的水质基准于2009年由美国国家环境保护局(US EPA)发布，共有167项污染物的淡水急性、淡水慢性、海水急性、海水慢性和人体健康基准值以及23项感官基准。167项污染物包括合成有机化合物107种、农药31种、金属和无机化合物24种、基本的物化指标4种、细菌1种，其中有120种是优先控制有毒污染物[8]。笔者系统研究了美国水环境质量基准体系、基准制定方法和研究现状，提出了结合我国国情开展水环境基准研究的建议。
1 水生生物基准
美国最早制定的水环境基准是保护水生生物的水质基准(简称水生生物基准)，起初该基准只用一个值来表示，一般是用水生生物的急性毒性值乘上相应的应用系数所得到的浓度，作为不允许超过的基准值。在综合考虑了急性、慢性不同毒性效应的基础上，US EPA对水生生物基准制订原则和方法进行了修正。1985年US EPA颁布了《推导保护水生生物及其用途的水质基准技术指南》[9]，对双值水质基准的思想有更为明晰地表述，并为双值水质基准的推导提出了较完善的技术路线(见图1)。该指南规定了试验数据的收集范围及质量要求，最终急性值、最终慢性值、最终植物值和最终残留值的计算方法，以及利用上述4个最终值推导水生生物基准的程序和方法[10-11]。
US EPA颁布水质基准的目标在于防止污染物对重要的具有商业和娱乐价值的水生生物以及其他重要物种(如河流湖泊中的鱼类、底栖无脊椎动物和浮游生物)造成不可接受的长期和短期的影响。指南中规定为每个化合物制定的水生生物基准值分别用基准最大浓度(CMC)和基准连续浓度(CCC)表示，这2个浓度是为了防止高浓度污染物短期和长期作用对水生生物造成的急性和慢性毒性效应而设，其值分别为水生生物短期或长期暴露在有毒物质中，没有产生不可接受的影响时，有毒物质在环境水体中的最大浓度。
该指南充分考虑了生物多样性，用于推导CMC的急性毒性数据至少涉及3门8科的生物，有较好的代表性，能为大多数生物(95％以上)提供适当的保护。由于分类上相近的生物对化学品的反应相似，为此，指南对试验生物分类进行了规定，其中选择受试物种时以科为分类单位，最终计算时以属为分类单位，避免了过多采用同一属(或科)的试验生物而影响数据的代表性。
图1 水生生物基准制订技术路线
Fig.1 Technology roadmap of derivation for aquatic life criteria
指南规定水生生物基准由数值、持续时间和频率三部分组成。其中数值指污染物的可接受浓度；持续时间是指一段时间的长度，在这段时间内环境浓度与基准浓度进行比较；频率是指有毒物质的浓度不得超过基准值的频率，以保证水生生态系统有足够的时间从偏离水生生物基准的水体中恢复并兴旺。指南中规定，CMC和CCC在3年周期中被超过的频率不得多于1次。
指南规定，水质基准的表述应为如下方式：如果某化学品的30 d平均浓度超过CCC的频率不得超过每3年1次，并且1 h平均浓度超过CMC的频率不得大于每3年1次，则淡水(或海水)水生生物及其用途就不会受到不可接受的影响，这样就充分考虑了水生生态系统对偶然暴露的耐受能力和恢复能力，防止了过保护。
对于毒性受水体硬度影响的污染物质(如重金属)，US EPA提出了根据硬度与毒性的关系计算基准值的公式；此外，水温和pH等因素对某些污染物(如氨氮和五氯苯酚)的基准值也有一定的影响，US EPA也提出了相关的修正计算公式[8，12]。
指南允许基准采用几种表达形式，其中数值是最常用的表达形式。在无法推导出数值时，也可以使用描述形式。某种物质基准数值可以看作其在水中的最高允许浓度。US EPA力图提供既经济、又充分的保护，避免过保护和保护不足2种极端情况的出现。
除了注意制定全国的水生生物基准外，US EPA还十分重视各州根据各自水化学和生物区系特点对国家基准进行修正，以便得出区域性特别基准，并为此推荐了3种修正方法[13]：①重新计算法(Recalculation Procedure)。用配制水和本地物种进行毒性试验，按照指南分析毒性数据，获得保护本地物种的基准，该法主要关注的是物种差异。②水效应比值法(Water-Effect Ratio Procedure)。利用北美地区的物种在本地原水和配制水中进行毒性暴露平行试验，污染物在原水中的毒性终点值与配制水中的同一毒性终点值之比为WER，即区域基准等于国家基准与WER的乘积，该法主要关注水质差异。③本地物种法(Resident Species Procedure)。利用本地原水与本地物种进行毒性试验得出基准值，该法同时关注物种差异和水质差异。
上述3种方法究竟如何选择，需按照下列步骤进行考虑：①确定特定水体的水域范围；②确定特定水体的物理化学特性是否会影响所关心物质的生物可利用性或毒性；③选择的本地生物对所关心物质的敏感范围不同于国家基准中规定的该种生物的敏感范围，且特定水体的物理化学特性不是影响因素，则使用重新计算法；④如果国家基准或其他文献表明，特定水体的物理化学特性会影响所关心物质的生物可利用性或毒性，且本地生物对所关心物质的敏感范围类似于国家基准文件中的敏感范围，则使用水效应比值法；⑤如果国家基准或其他文献表明，特定水体的物理化学特性会影响所关心物质的生物可利用性或毒性，且本地生物对所关心物质的敏感范围不同于国家基准中的敏感范围，则使用本地物种法。
为了克服推导水质基准方法中的持续时间和频率的限制，US EPA正在开发新的风险评价方法，该方法将毒性动力学模型与种群反应模型相结合，以更好地评价水中污染物浓度的变化[14]。
2 人体健康基准
保护人体健康的水质基准(简称人体健康基准)是由US EPA或州制定的，用来保护人体健康免受致癌物和非致癌物的毒性作用，它考虑了人群摄入水生生物以及饮水带来的健康影响。2000年起，US EPA陆续颁布了《推导保护人体健康的水质基准技术指南》及其技术支持文件[15-18]，规定了推导人体健康基准的4个步骤，即暴露分析、污染物动态分析、毒性效应分析和基准推导方法。对于可疑的或已证实的致癌物，需估算各种浓度下人群致癌风险概率的增量；对于非致癌物，则估算不对人体健康产生有害影响的水环境浓度[15，19]。
该指南规定，暴露分析要总结有关暴露途径的资料。暴露途径包括直接从水中摄取、通过摄食水生生物的间接来源、其他摄食来源、吸入以及皮肤接触。人体健康基准主要依据以下假设推导：暴露仅来自饮用含有污染物的水和摄食从水中富集污染物的水生生物。这2种暴露途径的相对贡献随污染物生物富集的倾向性而变化。当生物富集系数增大时，食用水生生物的暴露途径变得更为重要。对于绝大多数污染物，由于缺乏数据，在基准推导时，未考虑其他多种暴露途径(如经空气、皮肤的暴露)。
需确定的暴露因子主要包括人体体质量、饮水量和鱼类摄取量。美国在制定人体健康基准时，一般采用标准暴露条件：接受暴露的个体是体质量为70kg的男子，淡水与近海鱼类和贝类的日均消费量为17.5g，日均饮水量为2L。根据这些假设推导的基准能保护一个经受平均暴露条件的男子。如果证实暴露方式显著不同，各州可以确定地方特定场所的水质基准。
污染物动态分析需要研究污染物的吸收、分布、代谢和排泄情况，以评价其在人体和动物体内的归宿。污染物在人体内代谢研究应按照标准操作采集污染物暴露人群及对照人群的生物样本(包括体液、排泄物、组织细胞、毛发和指甲等)，以进行污染物的接触生物标志物和效应生物标志物的检测。根据可疑环境因素在机体内的代谢特点及样本分析目的选择样本及测定指标。若无法进行体内试验，可选择动物试验模拟。采用生物标记法，利用原子衰变仪器测定该元素的位置，并进行追踪。对污染物在水生生物体内的代谢研究需对体内化学物质代谢数据、生物富集和生物积累数据、化学物质在目标水生生物中的残留数据、体外化学物质代谢数据等进行评估。可选择不同地区、不同环境下采集的生物样本及生物周围的环境样本，测定污染物在水生生物体内含量，计算生物富集和生物积累数据；也可通过试验模拟水生生物的生态环境，计算体内化学物质代谢数据及体外化学物质代谢数据。
毒性效应分析要收集污染物的急性毒性、亚急性毒性和慢性毒性，协同和拮抗效应的数据，以及致癌、致畸、致突变性的资料。当资料不全时，应进行毒理学试验。根据收集的资料，考虑数据的质量、数量和权重，识别出需要重点控制的毒性效应。只有在大量数据表明存在毒性效应并且存在剂量—反应关系时才能推导基准。
人体健康基准推导主要基于致癌性、毒性或感官性质(味觉和嗅觉)，不同性质污染物的基准推导方法不同，基准值的意义和用途也不同。
致癌物水质基准推导基于暴露、致癌潜力以及风险水平。暴露需考虑多种影响因素，包括鱼类和饮水消费量、暴露个体体质量以及化学物质在鱼类组织中生物富集的估算。致癌潜力系数指化学物质的致癌风险值，通常是由动物试验得出。致癌风险水平指暴露于化学物质后导致的癌症发生率增量，该指南规定范围为10[-7]，10[-6]和10[-5]，而大部分州选择10[-6]或10[-5]。US EPA建议以10[-6]作为保护所有暴露人群的致癌风险水平。
由于致癌反应不存在阈值，因此，US EPA认为估算致癌物的安全水平没有科学依据。致癌物的基准是在特定致癌物浓度下对人群致癌风险增量的反映。风险从动物试验结果外推或根据流行病学研究结果估算。US EPA采用线性和非线性模型从动物试验结果外推人类的致癌反应，并估算致癌风险[15，20]。模型引入了几种参数，足以适合所有剂量—反应关系。模型为无阈模型，一般不会低估环境中低剂量暴露的风险。慎重估算致癌风险主要是基于：①剂量反应关系从动物外推到人类时存在不确定性；②使用了平均消费量的假设；③如果风险被低估，可能导致严重的公众健康危害。
应当注意到，由于引入了许多假设，外推模型目前只能提供风险估计值。使用不同的假设会导致风险估值出现几个数量级的差别。至今还无法证明模型的科学性，所以使用风险外推模型在科学界存在争议。然而，风险外推一般被认为是目前估算无阈毒物风险性的唯一工具，并被US EPA致癌物评价组和美国国家科学院等机构和组织认可。
非致癌物基准的推导是估算其不对人体健康产生有害影响的水环境浓度。该基准推导主要基于污染物的毒性效应，根据参考剂量(RfD)[指每天每kg体质量能耐受的污染物质量(mg)]和标准暴露条件计算[15，20]。RfD可采用动物试验结果，并以安全系数校正得到。安全系数代表从动物外推到人类的过程中固有的不确定性。根据试验数据的质量和数量，安全系数可采用10，100或1000。在某些情况下，可用吸入试验或Stockinger Woodward模型模拟人体反应推导出基准值。
在少数情况下，感官性质也可构成水质基准的数据基础。这种类型的基准不是直接影响人体健康的阈值，而是防止由于饮水或食用水生生物而产生不愉快的嗅觉或味觉的阈值度。感官基准与其他类型的水质基准在保护水体指定功能方面同样有效。在数据充分时，对已制定感官基准的污染物也可制定基于致癌性或毒性的基准。
US EPA规定，在制定水质标准时，选择哪一项基准作为标准的科学依据主要取决于要保护的水体功能，如是作为饮用水源还是渔业用水。在指定为多功能水体的情况下，应采用保护最敏感功能的基准。
3 营养物基准
1994年美国发布的《国家水质清单报告》[21]指出，营养物(氮和磷)是河流、湖泊和河口水质污染的主要因素。过多的营养负荷会导致水生杂草和藻类的疯长，引起溶解氧损耗，增加鱼类和大型无脊椎动物的死亡率。为了评价和控制水体中的营养物，US EPA制定了《国家营养物基准战略》[22]，该战略认为，营养物基准应建立在生态区的基础上，并提出了制定湖库、河流、湿地和河口近海水域营养物基准指南的计划。2000年，US EPA发布了这4类水体的营养物基准制定方法指南[23-27]，建立了评价水体营养状态和制定生态区营养物基准的技术方法，以指导各生态区建立营养物基准。
根据各种影响营养物负荷因素(如日照、气候、物理扰动、沉积物负荷、基岩类型和海拔高度等)，US EPA将全国划分为14个生态区，按区域制定营养物基准值。以湖库为例，根据《湖库营养物基准技术指南》[23]，每个生态区可筛选一系列参照湖泊，一般以75％参照湖泊中的氮、磷等营养物水平对应的数值作为基准值；或者以该生态区25％湖泊中对应的数值作为基准值。US EPA陆续颁布了控制湖库、河流和湿地富营养化的营养物基准[28-31]，主要控制总磷、总氮、叶绿素a和透明度等指标；同时，要求各州或部落在制定水质标准的过程中采纳营养物基准，目前这方面的工作正在进行中。
4 沉积物质量基准
沉积物是水生生态系统中不可忽视的理化环境组成部分，是许多污染物的最终归宿，同时也是各种水生生物的生存基质。由于化学品直接从沉积物传递给生物是生物接触污染物的主要途径，因此，保护沉积物质量已成为水质保护的必要延伸，而沉积物质量基准正是为了保护底栖生物免受沉积物中污染物所造成的慢性影响。美国沉积物质量基准的制订和实施主要是为了促进各州建立特定污染物的质量标准和国家污染物排放削减许可证(NPDES)的许可限值；同时，该基准也在建立沉积物修复目标和水道疏浚评价项目中发挥了重要作用。
US EPA建立了平衡分配法[32]，已为二氢苊、狄氏剂、异狄氏剂、荧蒽和菲[33-37]5种非离子性有机化合物制定了沉积物质量基准。目前，正致力于制订金属沉积物质量基准，及建立沉积物质量基准的生物鉴定试验标准化方法。
5 细菌基准
1986年US EPA发布了《细菌环境水质基准》[38]，提供了指示生物、采样频率和基准风险的信息，主要用于州和部落制定娱乐性水体的水质标准。该基准采用的指示生物为肠道球菌和大肠杆菌，并建立了这2种菌的测定方法[39]。
用肠道球菌与大肠杆菌基准确定是否存在急性胃肠疾病风险，就可以确定来自肠道病毒和致病性肠道原生生物如贾第鞭毛虫和隐担孢子的风险是否可以接受，因为这些病原体具有更强的环境抵抗力，能耐受多种处理技术。
US EPA正考虑建立非肠道病原体的指示方法，这类病原体能引起皮肤、呼吸道、眼睛、耳朵和喉咙感染，且该类感染是现有指示方法所不能检测的。US EPA计划改进细菌监测方案，以便各州和部落采用该方案评价多雨天气情况下细菌污染的真实影响；测试可预测流域和娱乐区由暴雨引起的细菌污染模型，并通过细菌监测数据进行验证。
6 生物学基准
《清洁水法》规定US EPA与州和部落共同致力于恢复和维持地表水体的生物完整性[40]。生物完整性是指具有平衡的、适应的、物种多样性的水生生物群落，并与自然环境相协调。为了更充分地保护水生资源，US EPA规定，州和部落应明确水体的水生生物用途，并建立生物学基准进行保护。
生物学基准可定性或定量表述，其基于参照水生群落组成、生物多样性等指标，描述水生生物理想状态。生物学基准主要关注污染物对水生动植物群落的种类和丰度等的影响[41]。俄亥俄州为底栖大型无脊椎动物(底栖昆虫等)和鱼类制定了数值型生物学基准[42]。
生物学基准是流域管理项目的重要组成部分。如北卡罗来纳州在鱼类和大型无脊椎动物群落的数据收集和分析中采用了描述型生物学基准。生物学基准可满足国家污染物排放削减系统(NPDES)的评价功能，将生物学评价与污染物浓度及毒性数据相结合，可发现以前没有发现的化学水质问题，并评价污染控制效果。生物学基准在评价变化极大的或扩散性污染源(如暴雨径流)的过程中非常有用。
7 野生生物基准
野生生物基准可保护哺乳动物和鸟类免受由饮水或摄食而引起的有害影响。美国野生生物基准主要适用于五大湖流域，《五大湖指南》[43]中发布了4种化合物[即DDT及其代谢物、汞、多氯联苯和二
英(2，3，7，8-TCDD)]的野生生物基准。但目前US EPA还没有建立野生生物基准的制订方法指南。
8 物理基准
物理基准主要考虑水环境物理参数的影响。《清洁水法》的目的之一是保护和恢复水体的物理完整性[40]。US EPA认为，物理参数(包括流量)虽重要但经常被忽视，可直接影响水环境功能的达标，其对于制订水质标准是十分必要的。但到目前为止，美国还没有建立国家物理基准指南。
9 启示与借鉴
美国水环境基准体系是较为完善、科学的基准体系。与美国相比，我国在基准研究方面存在较大差距，水环境基准研究基础极为薄弱。随着水环境问题的不断出现、保护生物多样性和环境管理工作的强化，根据我国的实际情况，建立符合我国国情的水环境基准体系势在必行。借鉴国外已有的经验和技术成果，根据我国水生生物区系的特点和污染控制的需要，开展水环境基准理论和方法的基础研究，将为我国水质基准的制订，进而为水质标准的制订提供科学依据。根据我国目前的状况，应从以下几方面加强水质基准研究：
a.提高对我国开展水环境基准研究的迫切性和重要性的认识。目前，水环境基准在环境保护的许多领域如水质标准制订、水质规划、水质评价以及为保护人体健康和生态平衡所进行的各项环境管理工作中被广泛采用[31，44]。随着我国社会经济不断发展和人们生活水平不断提高，人们对改善水体质量的要求愈来愈高。加强监督管理是改善水环境质量的重要途径之一，而水环境标准是加强环境监督管理的基础，是水环境规划的依据和执法的尺度。我国水环境标准体系的建立和完善，需要大量的水环境基准研究作为基础，特别是目前我国要逐步变行政管理为依法管理。为此，迫切需要制订一整套水环境管理标准、法规体系，而作为水环境标准重要依据的水环境基准研究必须先行一步。
b.建立一套适合我国国情的水环境基准体系。水环境基准受多种因素的影响，如水生生物基准主要受生物区系和水质状况等因素的影响，人体健康基准受社会经济和饮食结构等因素的影响，而影响湖泊营养物基准的主要因素则是自然条件、地域气候、日照和海拔高度等，这些影响因素在不同国家间差别显著。如从生态学的观点来看，不同的生态区域具有不同的生物区系，对一个生物区系无害的浓度，也许会对其他区系的生物产生不可逆转的毒性效应。因此，US EPA规定，推导保护水生生态系统的水质基准值时只能用北美分布的野生生物作为试验物种。从鱼类区系讲，美国鱼类主要是鲑科，而我国淡水鱼类资源中一半以上属鲤科，其中在我国渔业生产中占重要地位的四大家鱼、鲫鱼和鲤鱼都属鲤科鱼类，这2科鱼类在对生活环境的适应性及对毒物的耐受性上有很大差异[10，45]。因此，必须建立一套适合我国国情的水环境基准体系。
c.建立我国水环境基准制订工作指南。水环境基准值是通过一系列科学研究得出的结果，采用不同的试验生物、不同的研究方法或不同的毒性指标得出的基准值不同。因此，应针对不同类别的基准，建立基准制订工作指南，规范基准研究工作的程序和方法。根据我国目前环境管理工作的需要，应首先建立水生生物基准、人体健康基准和营养物基准的制订工作指南，对水中优先控制污染物的筛选、受试生物物种的选择与驯养、分析测试及毒理学试验方法的标准化、暴露参数和毒性数据的选择与处理、基准推导模型的应用以及湖泊生态区的划分、参照湖泊的确定、营养物指标的选择等[1-3，46]做出明确规定。
d.做好国外水环境基准的采用与验证工作。在目前情况下，完全依靠我国从头开始研究制订水质基准是不现实的。以美国为代表的发达国家已经积累了大量的基准资料，因而参考和借鉴美国水环境基准的研究成果，验证并确定我国等效采用的基准值，健全充实我国的水环境基准资料库十分必要且经济可行。美国国土幅员与我国相近，有相同的气候带，水环境保护目标都是以维护水生态系统平衡为目的。但根据美国国情获得的基准不经验证直接引入我国可能产生谬误。因此，开展美国水质基准采用与验证方法研究是非常有意义的。需要说明的是，验证并不是简单地重复别人的基准试验工作，而是在大量掌握基准资料的基础上进行分析研究，建立国外基准在我国采用的程序和方法。验证结果若完全适用则采用，如不完全适用则校正后等效采用，若完全不适用则不能采用。因此，在加强验证工作的同时，应加速等效采用美国水环境基准的研究成果。