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《湖泊水环境质量演变与水环境质量基准研究》可供湖泊科学、环境科学、生物学、生态学、毒理学、环境基准、风险评估等领域的科研人员、管理人员和高等院校师生阅读和参考。
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| 內容簡介： |
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《湖泊水环境质量演变与水环境质量基准研究》针对湖泊水环境质量演变和水环境基准科学问题，通过系统的多学科综合调查与研究，全面分析了太湖等湖泊水体污染、水动力、水生态系统结构及演变、人群暴露参数和社会经济特征，系统总结近几十年来湖泊水化学、生态系统结构及典型污染物的区域差异和演变规律；提出了水环境基准测试生物名录；探索了水动力对湖泊污染物输移转化作用机理和营养盐基准的影响，研究了水动力对水环境质量演变及水质基准的关系模型；提出了湖泊饮用水体中的优控污染物清单，并建立重点污染物和新型污染物的健康毒性效应及风险评估模型；系统揭示了富营养化水体中有机质与多种污染物的相互作用机理，以及特征污染物的生物有效性和复合污染的生态毒理效应；初步构建一套适合我国国情的水环境基准理论体系框架和基准制订技术规范，并获得了几种典型污染物水质基准推导的综合技术文件，为科学制定湖泊水环境标准和风险评估提供了理论依据。
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| 目錄：
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目录
序
前言
1湖泊水环境质量演变与区域差异特征1
1.1太湖水环境质量演变1
1.1.1湖水化学演变1
1.1.2氮营养盐赋存特征6
1.1.3营养盐状态13
1.2太湖水生态系统特征与演变规律17
1.2.1水生态系统特征17
1.2.2水生态系统演变规律30
1.3湖泊水生态系统区域差异38
1.3.1中国与北美湖泊生物区系比较38
1.3.2中国五大湖区生态系统特征与演变42
1.4水质基准测试候选生物50
1.4.1水质基准测试生物筛选范围50
1.4.2物种辨识——关键种、珍稀种、经济娱乐种51
1.4.3生物学敏感性分析55
1.4.4可培养性分析66
1.4.5水质基准测试候选生物名录66
1.4.6重金属对水质基准测试生物（摇蚊幼虫、大型溞）的毒性试验67
2水动力条件对污染物输移及其与基准的作用关系76
2.1太湖水动力与水质历史演变过程76
2.1.1不同时期水动力特征的变化对比76
2.1.2水质的历史演变过程86
2.2不同水动力湖区污染物输移转化过程90
2.2.1不同水动力湖区水文、水质、沉积物原位采样观测91
2.2.2太湖不同湖区水动力差异性93
2.2.3不同水动力湖区污染物的输移转化97
2.2.4湖泊不同湖区CODMn降解特性及降解系数的混合级数模型98
2.2.5不同湖区水动力对铜绿微囊藻生长影响机制104
2.3动力特征对湖区沉积物 水界面污染物迁移转化作用机理109
2.3.1不同水动力扰动作用下有水生植物情况下沉积物磷迁移转化规律109
2.3.2长时间动水条件下水生植物对上覆水及沉积物各形态磷的影响124
2.3.3湖泊沉积物输运通量与切应力关系131
2.4入湖河口污染物对湖泊水体环境质量的驱动作用机制137
2.4.1典型入湖河口野外采样观测137
2.4.2河口污染物通量对湖泊水体环境质量的驱动作用机制148
2.4.3河口污染物通量反演控制151
2.5不同水动力湖区营养盐参照浓度的确定162
2.5.1确定太湖不同水动力湖区总磷参照浓度的改进MEI模型162
2.5.2一种确定湖泊水质基准参照状态浓度的新方法168
3富营养化湖泊复合污染机理与生态毒理效应174
3.1太湖典型污染物的污染特征174
3.1.1典型重金属的污染特征174
3.1.2三嗪类农药的污染特征176
3.1.3含氮有机污染物的污染特征177
3.1.4PAHs、OCPs和合成麝香的污染特征179
3.1.5有机磷酸酯的污染特征187
3.1.6杀菌剂三氯生和三氯卡班的污染特征194
3.1.7Parabens的污染特征196
3.1.8表层沉积物中PCDDFs和PBDDFs的污染特征197
3.1.9表层沉积物中PBDEs的污染特征201
3.1.10表层沉积物中HBCD的污染特征202
3.1.11表层沉积物中防晒剂的污染特征204
3.1.12石油污染物的污染特征206
3.1.13不同功能水域藻毒素污染状况调查208
3.2湖泊水环境中有机质的表征212
3.2.1太湖水体溶解有机质特征212
3.2.2水体中溶解有机质的分离富集和表征技术216
3.2.3不同环境介质中腐殖酸物质标准样品217
3.2.4水生植物可溶性有机质的化学表征224
3.3有机质 污染物复合污染特征及形成机理224
3.3.1天然溶解有机质与痕量金属离子相互作用224
3.3.2天然溶解有机质与医学药品类新型污染物相互作用226
3.3.3湖泊水环境中有机质与多环芳烃相互作用关系228
3.3.4沉积物中210Pbex活度与TOC的关系232
3.3.5有机质与纳米材料之间的相互作用234
3.4典型污染物生态毒理效应240
3.4.1铵对铜绿微囊藻的毒理效应241
3.4.2产毒铜绿微囊藻和不产毒铜绿微囊藻与小球衣藻间的竞争243
3.4.3蓝藻神经毒素对淡水环棱螺的毒性及毒理学效应245
3.4.4蓝藻毒素对秀丽线虫自噬基因的调控作用246
3.4.5纳米颗粒对藻类的毒性效应及致毒机理247
3.4.6有机质对典型纳米颗粒藻类毒性的影响及作用机制248
4饮用水水源地生态安全效应与健康风险评估252
4.1新型毒害污染物定性定量筛查分析方法252
4.1.1含卤有机污染物及其转化产物的非定向筛查方法253
4.1.2生物体内PBDEs代谢物的分析方法254
4.1.3新型污染物有机磷酸酯分析方法255
4.1.4新型污染物防晒剂的分析方法257
4.2典型污染物的生物有效性及其影响因素258
4.2.1鱼体中PBDEs生物有效性的影响因素259
4.2.2食品成分对持久性有机污染物生物有效性的影响264
4.3太湖生物样品中毒害污染物的污染特征267
4.3.1鱼体样品稳定碳、氮同位素测定267
4.3.2生物样中的PBDEs、PCBs、OCPs和PAHs268
4.3.3生物样中的合成麝香280
4.4太湖沉积物中有机污染物的毒性效应285
4.4.1雌激素受体效应285
4.4.2甲状腺激素受体效应287
4.4.3芳烃受体效应287
4.4.4遗传毒性效应288
4.5典型污染物及其代谢物的健康毒性效应289
4.5.1PBDEs代谢物的细胞毒性效应289
4.5.2BDE47的细胞生物学效应298
4.5.3HBCDs的细胞生物学效应305
4.5.4PCBs对成骨细胞的生物学效应310
4.5.5全氟辛烷磺酸的健康毒性313
4.5.6TBBPA基于动物模型的健康毒性效应326
4.6饮用水水源地毒害污染物健康风险评估338
4.6.1太湖地区重点污染物名单338
4.6.2太湖地区人群暴露参数调查338
4.6.3太湖居民饮水暴露量计算345
4.6.4太湖居民鱼类摄入暴露量及风险评估350
4.6.5太湖居民鱼类摄入暴露风险评估的生物可利用性校正351
4.6.6高风险污染物筛选358
4.6.7风险评估的不确定性分析361
5湖泊水环境质量基准理论与方法框架362
5.1湖泊水环境基准框架与指标362
5.1.1湖泊水环境基准框架362
5.1.2我国湖泊水环境基准指标365
5.2保护水生生物的水质基准367
5.2.1保护水生生物的水质基准制定方法367
5.2.2我国保护水生生物基准理论与方法框架378
5.3保护人体健康的水质基准385
5.3.1污染物环境暴露分析386
5.3.2污染物体内代谢动态分析387
5.3.3污染物毒性效应分析387
5.3.4保护人体健康的水质基准推导方法框架387
5.3.5基准推导关键参数识别390
5.3.6基准推导所需部分关键参数定值391
5.3.7相关毒理参数的确定方法395
5.4湖泊营养物基准407
5.4.1营养物基准制订的技术框架和思路408
5.4.2营养物基准指标体系构建409
5.4.3我国湖泊营养物基准参照状态确定技术方法411
5.4.4我国湖泊参照状态向基准转化技术框架419
6案例421
6.1保护水生生物水质基准制定案例——银基准值的推导421
6.1.1银的保护水生生物基准的推导421
6.1.2我国典型污染物的物种敏感度分布特征与水质基准429
6.2保护人体健康水质基准制定案例——硝基苯基准值的推导438
6.2.1推导方法438
6.2.2推导水质基准所需参数439
6.2.3数据来源439
6.2.4推导参数确定441
6.2.5其他参数：非水源暴露的相对源贡献、不确定性系数442
6.2.6硝基苯保护人体健康水质基准443
6.3湖泊营养物基准制定案例——巢湖营养物基准值的推导443
6.3.1巢湖营养物基准指标确定444
6.3.2统计学方法确定巢湖营养物基准值444
6.3.3沉积物反演法建立巢湖营养物基准值449
6.3.4巢湖历史营养物浓度变化470
6.3.5巢湖营养物基准值476
参考文献477
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1湖泊水环境质量演变与区域差异特征
湖泊水环境质量演变规律与区域差异性是湖泊污染综合治理和环境保护的基础，水环境基准的深入研究有赖于对区域水环境质量特征和演变规律的理解和认识。污染物在水环境中的输移演替、生物吸收和富集过程受区域性特征如地质、气候、物理和化学条件、生态系统结构及污染程度等多种因素的影响，因而有不同的生态毒理和健康效应。太湖、滇池和巢湖是三大国控重点湖泊，也是全球范围内独具区域特色的大型富营养化湖泊。这些湖泊流域人口密集、社会经济活跃、富营养化和有毒有害污染问题严重，发达国家上百年工业化过程中不同历史阶段逐渐出现的污染物在这些湖泊同时出现，水环境演变过程具有明显的地域特色。因此，本章以太湖为例，开展我国重点湖泊水环境质量演变过程、驱动机制和区域差异特征研究，以期阐明水环境差异特征，及其对构建水环境质量基准的影响。
1.1太湖水环境质量演变
受自然因素和人为因素的影响，生态环境在漫长的历史过程中不断地发展和演变。水环境介质的理化特性、物质组成和污染程度、生态系统结构与功能在不同时期和不同区域均呈现出不同的特点；这些区域特征对污染物在水环境介质中的迁移转化、生物吸收和富集过程都有影响。在水环境历史资料收集和现状调查的基础上，剖析太湖水环境质量（如氮磷营养盐、叶绿素）的演变过程，揭示太湖水环境质量演化的区域差异特征。
1.1.1湖水化学演变
天然水化学成分在水体营养物质循环和维持生态系统平衡方面起着重要的作用。通过对长系列数据的统计发现，太湖水体中钙离子和镁离子含量从20世纪50年代到21世纪前10年有显著增加趋势（图1-1）。尤其从20世纪90年代开始，这种增加趋势加剧。此外，硫酸根离子和总离子（TDS）也有显著升高趋势（图1-2）。
图1-1太湖水体中钙离子和镁离子变化特征图
1-2太湖水体中硫酸根离子和TDS变化特征
从图1-1和图1-2可以看出，太湖水体中的大多数离子都有显著上升的趋势，但重碳酸盐的含量没有显著变化，从而使太湖水体从重碳酸盐钙型水向氯化物-硫酸盐钠型水转变（图1-3）。太湖水体盐度的升高对太湖水环境质量演变和生态系统稳定都将产生影响。
图1-3太湖天然水化学演变趋势
水体中的天然水化学离子一般与水体所处的自然地理环境有关系，在自然状态下取决于流域的岩石类型、土壤状况等（陈静生，2006）。根据长江流域岩石类型的分布发现（Chetelat et al.， 2008），太湖流域主要分布碳酸盐型岩石（图1-4），在岩石风化和侵蚀过程中，会释放出重碳酸根离子和钙镁离子。结合太湖流域岩石类型和目前太湖水体化学组成的变化特征，认为硫酸根离子和氯离子的显著增加是人为因素引起的（Yu et al.， 2013）。
图1-4太湖流域岩石类型（Chetelat et al.， 2008）
为了更好地说明太湖水体中硫酸根离子和氯离子的升高是由人为因素影响的，分析了硫酸根离子和氯离子与人类活动因素的相关关系（图1-5）。通过分析氯离子和人口以及生活污水排放量的关系发现，氯离子与这两个指标有显著的相关性。分段拟合显示，氯离子升高的转折点在1990年左右。
硫酸根离子的增加一般认为与燃煤导致的大气沉降有关（Karl et al.， 2003），煤在燃烧的过程中释放出大量的二氧化硫，二氧化硫通过氧化作用，*终变为硫酸根离子。通过分析太湖硫酸根离子和太湖流域二氧化硫排放量以及煤消费量发现（图1-6），硫酸根离子与这两个指标也有显著的相关性，说明燃煤排放的二氧化硫是导致硫酸根离子增加的重要因素。
图1-5Cl-含量与太湖流域人口和生活污水排放量关系
图1-6SO2-4离子与SO2排放量和煤消费量关系
1.1.2氮营养盐赋存特征
选择太湖典型湖区（竺山湾、梅梁湾、贡湖湾、西部沿岸带、北部湖区、湖心区、东部沿岸带、南部湖区、东太湖）及主要入湖河口作为研究对象，分别于2009年4月和9月对太湖进行了两次系统的样品采集工作。2009年4月共布设采样点30个，采集水样30个，柱状沉积物10根（1 cm分层，同时获得沉积物样和孔隙水样），2009年9月布设采样点125个，采集水样250个，柱状沉积物35根（1 cm分层，同时获得沉积物样和孔隙水样）。水样测试指标有温度、pH、透明度、溶解氧、总氮、总磷、氨氮、硝态氮、溶解态有机碳、溶解态有机氮、颗粒态氮、总溶解性碳、总有机碳、无机碳、溶解态有机质等。孔隙水样测试总氮、总磷、氨氮、硝态氮、溶解性有机氮、颗粒态氮等。沉积物样测试总氮、有机质、总有机碳、总磷、氨氮、硝态氮、碳、氮稳定同位素。
1.1.2.1上覆水体中的氮
通过对太湖春季水体中氮营养盐的形态组成、含量分析可知（图1-7），太湖春季水体中总氮的含量介于2.19~6.36 mgL之间，其平均含量为4.18 mgL，按照国家《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）规定的Ⅴ类水质标准（以N计），属于劣Ⅴ类水质。春季水体中硝态氮（NO-3-N）和氨氮（NH+4-N）的含量分别介于0.88~4.63 mgL和0.05~0.47 mgL，其平均含量分别为2.59 mgL和0.19 mgL。秋季，太湖水体中总氮（TN）含量介于2.14~11.36 mgL之间，平均值为4.78 mgL，较春季有所上升，硝态氮和氨氮的含量分别介于0.031~1.535 mgL和0.027~1.709 mgL，其平均含量分别为0.52 mgL和 0.28 mgL。
图1-7太湖春季（左）和秋季（右）表层水体中各形态氮含量
太湖春秋两季水体中氮的形态及其所占比例见表1-1。
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