潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算

第３１卷第２期２００８年Ｚ月

“吨尉粕敢求

ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ＶｏＬ３１Ｆｅｂ．

Ｎ０．２２００８

潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算

徐争启，

倪师军，

庹先国，

张成江

（成都理工大学地球化学系，四川成都６１００５９）

摘要：在众多用潜在生态危害指数法评价重金属污染的文章中，只采用了７个重金属元素的毒性系数，但有的重金属仍是环境污染的重要组成部分。针对此情况，文章根据Ｈａｋａｎｓｏｎ的计算原则，结合陈静生的计算方法，重新计算了十种重金属元素的毒性系数，最后给出了１２种重金属的毒性系数，它们分别是Ｔｉ＝Ｍｎ＝Ｚｎ＝Ｉ＜Ｖ－－Ｃｒ＝－２＜Ｃｕ＝Ｎｉ－－Ｃｏ＝Ｐｂ＝５＜Ａｓ＝ＩＯ＜Ｃｄ＝３０＜Ｈｇ－－４０。

关键词：潜在生态指数法；重金属；毒性系数中图分类号：Ｘ８２０

文献标识码：Ａ

文章编号：１００３－６５０４（２００８）０２－－０１１２－０４

ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＨｅａｖｙＭｅｔａｌｓ’Ｔｏｘｉｃｉｔｙ

Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｎｔｈｅ

ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＰｏｔｅｎｔｉａｌＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＲｉｓｋＩｎｄｅｘ

ＸｕＺｈｅｎｇ－ｑｉ，

Ｎｉ

Ｓｈｉ－ｊｕｎ，Ｔｕｏ

Ｘｉａｎ—ｇｕｏ，Ｚｈａｎｇ

ｏｆ

Ｃｈｅｎｇ－ｊｉａｎｇ

６１００５９，Ｃｈｉｎａ）

（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ＣｈｅｎｇｄｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ

Ａｂｓｔｒａｃｔｓ：Ｏｎｌｙ７ｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓ’ｔｏｘｉｃｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ

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ｏｎ

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ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆＣｈｅｎＪｉｎｇｓｈｅｎｇ，ｗｉｔｈ１２ｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓ’ｔｏｘｉｃｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓＣｏ＝Ｐｂ＝５＜Ａｓ＝１０＜Ｃｄ＝３０＜Ｈｇ－－４０．

Ｔｉ＝Ｍｎ＝Ｚｎ＝ｌ＜Ｖ＝Ｃｒ－－２＜Ｃｕ＝Ｎｉ＝

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｉｓｋｉｎｄｅｘ（ＲＩ）；ｈｅａｖｙｍｅｔａｌ；ｔｏｘｉｃｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ

重金属是有潜在危害的重要污染物，它在生物体内富集，成为持久污染物，造成严重的环境问题【１＿踟。经各种方式进入环境中的重金属污染物不易溶解，通过各种方式在生态系统中迁移循环，最终可能进入人体之中，产生严重危害‘删。对环境中重金属的污染必须进行评价，才能对环境质量进行监控。目前对重金属的评价，国内外学者从不同角度提出了许多评价方法，德国、英国、美国、瑞典等国的科学家从沉积学角

但由于没有给出它们的毒性系数，往往不能用潜在生态危害指数法全面评价环境的污染状况。针对此种情况，本文根据Ｈａｋａｎｓｏｎ的计算原则，结合陈静生的计算方法，重新计算了Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｖ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｓ、Ｃｄ、

Ｈｇ

１０种重金属元素的毒性系数，并给出了包括Ｔｉ和

Ｍｎ在内的１２种重金属元素的毒性系数。

１潜在生态危害指数法（脚）简介

１．１潜在生态危害指数法的影响因素

・

度提出了多种重金属的污染评价方法ｆ１嗍。瑞典著名

地球化学家Ｈａｋａｎｓｏｎ（１９８０）提出的潜在生态指数法（Ｔｈｅ

ＰｏｔｅｎｔｉａｌＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＲｉｓｋ

Ｈａｋａｎｓｏｎ认为，潜在生态危害指数以以下四个条件为基础“３１：

（１）含量条件：表层沉积物的金属浓度。彤值应随表层金属污染程度的加重而增大。

（２）数量条件：金属污染物的种类数。受多种金属污染的沉积物的肼值应高于只受少数几种金属污染

Ｉｎｄｅｘ）（ＲＩ）是目前最为

常用的评价重金属污染程度的方法之一，该方法的重点之一是确定重金属的毒性系数。我国著名学者陈静生曾于１９８９年根据Ｈａｋａｎｓｏｎ的关于潜在生态危害指数评价方法介绍了７个重金属元素的毒性系数的计算方法，并给出了毒性系数１８）。随后，我国众多学者在研究河流水系沉积物重金属污染评价中，也大量使用了潜在生态危害指数法吟ｍ。但是在众多环境污染评价中，有的重金属仍是环境污染的重要组成部分，

收稿Ｅｔ期：２（Ｍ）６－０９－３０；修回２００７－－０２—１５

的沉积物的彤值。

（３）毒性条件：金属的毒性水平。毒性条件是根据“丰度原则”来区分各种污染物，由于重金属的沉积作用及对固体的亲合作用使得毒性和稀有性之间存在着一种比例关系。毒性高的金属应比毒性低的金属对

。

基金项目：国家科技攻关项（２００５ＢＡ９０１Ａ０３）；国际合作项目（２００５ＤＦＡ２０９００）；成都理工大学青年基金（２（）０６．ＱＪ０２）

作者简介：徐争启（１９７５－－），男，在职博士生，地球化学专业，环境地球化学方向，（乳］１．）１３４３８２４８７３７（电子信箨Ｄｘｕｚｈｅｎｇｑ＠１６３．ｃｏｍ。

万方数据

第２期一徐争启，等潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数的计算

１１３

ＲＩ值有较大贡献。

（４）敏感性条件ｉ水体对金属污染的敏感性。对金属污染敏感性大的水体应比敏感性小的水体有较高的尺，值。

１．２潜在生态危害指数的计算

（１）单个元素的污染系数（ｃｒｆ）由ａ＝Ｃ玺测／ａ确

定，式中：ｄ为某一重金属的污染系数，Ｃ妥测为表层

沉积物重金属元素的实测含量，“为该元素的评价

标准。

（２）某取样点的沉积物重金属污染度（Ｇ）由公式

Ｇ＝∑ａ确定，是多种重金属污染系数之和。

（３）各重金属的毒性响应系数∥，反映重金属的毒性强度及水体对重金属的敏感程度，通过计算可以得出。

（４）某一重金属的潜在生态危害系数Ｅ／＝ＴｊｘＣ／。（５）某一点沉积物多种重金属综合潜在生态危害

指数ＲＬ＝∑耐。

ｌ＝Ｊ

由上式可以推出月，＝∑巧ｃ净∑Ｆｃ妊／ｃ‘。

ｉ＝ｌ

ｊ＝ｌ

潜在生态危害系数（Ｅｒｆ）描述某一污染物（元素）的污染程度，从低到高分为５个等级；而潜在生态危害指数（Ｒ，）描述某一点多个污染物潜在生态危害系数的综合值，此值分为４个等级，见表１。

表１潜在生态危害系数和危害指数与污染程度的关系

ＴａｂｌｅＩ

Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎ

Ｅｊ，Ｒ／ａｎｄ

ｄｅｇｒｅｅ

曰与污染程度魁与污染程度

２金属毒性系数的确定

在Ｒ，指数应用中，按照Ｈａｋａｎｓｏｎ的观点，金属毒性系数应包含两方面的信息：金属对人体的危害和金属对水生生态系统的危害，应从“丰度原则”和“释

放效应”角度来讨论此问题。并认为：某—金属元素的

潜在生物毒性与其丰度成反比。本文按照Ｈａｋａｎｓｏｎ提出的金属毒性系数计算方法１１３１，重新计算出了ｚｎ、

ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｖ、Ｃｏ、ｃｒ、Ａｓ、ｃｄ、Ｈｇ１０种元素的毒性系

数。表２列举了１０种重金属元素在火成岩、土壤、淡水、陆生植物和陆生动物中的丰度。

首先将金属元素在火成岩、土壤、淡水、陆生植物和陆生动物中具最高丰度值的金属赋值为１．０。在岩石中，镉的丰度比钒小６７５倍，汞的丰度比钒的丰度小１６８７．５倍，则６７８、１６８７．５等数值被定义为“丰度

万方数据

表２不同物质中元素的丰度ｉ１３１

Ｔａｂｌｅ２

Ｔｈｅａｂｕｎｄａｎｃｅｏｆｅｌｅｍｅｎｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

ｍａｔｔｅｒｓ（ｘｌ舻）

元素

火成岩

土壤

淡水

陆生植物陆生动物

Ａｓ１．８

６．０

０．０００４０．２

０．２

Ｃｄ０．２０．０６０．Ｏ００３ｌ

Ｏ．６

０．５

Ｃｏ２５５．ＯＯ．００（）９Ｏ．５Ｏ．０３Ｃｒｌｏｏ

１００Ｏ．ｏ（Ｊ【）１８

Ｏ．２３

０．０７５Ｃｕ

５Ｓ２００．０ｌ

１４

２．４

Ｈｇ

０．０８

０．４１５０．００００８０．０１５０．０４６Ｎｉ７５

４０

０．Ｏｌ３．ＯＯ．８Ｐｂ

１２．５

１０Ｏ．００６２．７２．Ｏ

Ｖ

１３５１００

Ｏ．００ｌ

１．６０．１５

Ｚｎ

７０

５０

Ｏ．Ｏｌ

１００

１６０

数”。表３中列举了本指数计算所需的ｌＯ种金属元素在各环境物质（岩石、土壤、淡水、陆生植物与陆生动物）中的丰度数。

表３不同物质中元素的相对丰度数

Ｔａｂｌｅ

３

Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅａｂｕｎｄａｎｃｅｏｆ

ｅｌｅｍｅｎｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｔｔｅｒｓ

４艺为火成岩、土壤、淡水、陆生植物与陆生动物五项中去掉最大值的

四项之和。

再将这些值横向加和，得到元素的总丰度数，为防止不适当的权重进入总丰度数，把横行中各最高值略去得４项之和，再除以４．９３（和为最小者），得各类环境物质中金属的平均丰度数，其大小顺序为：Ｚｎ＜

Ｃｕ＜Ｎｉ＜Ｐｂ＜Ｖ＜Ｃｏ＜Ｃｒ＜Ａｓ＜Ｃｄ＜Ｈｇ。

Ｈａｋａｎｓｏｎ指出，金属元素的丰度数与该元素的毒

性系数有关，但并不简单地等于毒性系数，求丰度数是为了讨论元素的“释放效应”，以此来表示不同金属在沉积物中沉积的趋势。

金属的释放系数＝工亚死斋裴裴暂掌冀錾甏甏‰

按照上述方法，计算出了金属元素的释放系数，

见表４，其中Ｖ、Ｎｉ、Ｃｏ３种元素的湖相沉积物工业化前的含量用全球页岩平均值代替。从表４中可见，铬的释放系数最低，汞的释放系数较高。按此法计算的１０种重金属在沉积物中的释放系数顺序为：

Ｈｇ＜Ｃｄ＝Ｃｕ＜Ｎｉ＜Ｐｂ＜Ｚｎ＜Ｃｏ＜Ａｓ＜Ｖ＜Ｃｒ

将每一重金属的平均丰度数乘以释放系数得到校正丰度数如下：

Ｚｎ＝５７，Ｖ＝１１５．５，Ｃｒ＝２００，Ｃｕ－－６４０，Ｐｂ－－８５２，Ｎｉ＝１１４６．６，Ｃｏ＝２１８１，Ａｓ＝３３７５，Ｃｄ＝４８４１００，Ｈｇ＝３５９０４０，

１１４

Ｉ量诧．纣粕矗幕

第３１卷

注：＋为全球页岩平均值。据文献【墙】，其它值据文献【１３】ｏ

用上述金属元素的校正丰度数来表示沉积物中这１０种金属元素的毒性系数。这样所求出的元素的

其次，将上述各值开平方，得：Ｚｎ＝１．０，Ｖ＝Ｉ．４２，

Ｃｒ＝１．８７，Ｃｕ－－３．３５，Ｐｂ＝３．８７，Ｎｉ－－４．４８，Ｃｏ酌．２，Ａｓ＝

７．７，Ｃｄ＝２９．１，Ｈｇ＝７９．４０

毒性系数是元素丰度原则与释放效应原理的共同体

现。即元素在环境物质中的丰度数越大，毒性愈大，沉积物中元素的释放系数越大，毒性越大。两者相乘得校正丰度数，并用此数值来表示沉积物的毒性系数值。由此可以看出，丰度数与释放系数的作用效果是相关的。

按照Ｈａｋａｎｓｏｎ的方法，为正规化和方便起见，在实际使用中，对校正丰度数（即毒性系数）作如下处理：

首先，将各元素的毒性系数均除以５７（锌的校正丰度数值，为１０个元素中最小者），得：Ｚｎ＝１．０，Ｖ＝

２．０３，Ｃｒ＝３．５１，Ｃｕ＝１１．２３，Ｐｂ＝１４．９５，Ｎｉ＝２０．１，Ｃｏ＝３８．３，Ａｓ＝５９．２，Ｃｄ＝８４９，Ｈｇ＝６２９９。

Ｔａｂｌｅ５

最后，将上述各值规正化，得：Ｚｎ＝ｌ，Ｖ＝２，Ｃｒ－－２，

Ｃｕ＝５，Ｐｂ＝５，Ｎｉ－－５，Ｃｏ＝５，Ａｓ＝１０，Ｃｄ－－３０，Ｈｇ＝８０。

比较上述数值可知，汞的毒性系数最高，镉其次，砷再次。但Ｈａｋａｎｓｏｎ认为，与镉相比，汞的毒性系数偏高，因此在实际应用中将其值减半，改为４０。将本文所计算的１０种重金属元素的毒性系数与Ｈａｋａｎｓｏｎ的７种重金属元素的毒性系数比较，结果一致，见表５。另外，Ｈａｋａｎｓｏｎ认为，一些重金属元素如Ｔｉ和Ｍｎ的毒性较小，一般来说小于ｚｎ，故它们的毒性系数取值为１。由此得到如表５所列举的１２种元素的沉积物毒性系数。

表５各重金属的毒性系数

ＴｈｅｔｏｘｉｃｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＶ２

一

ｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓ

Ｐｂ

５

元素毒性系数（本文）毒性系数（Ｈａｋａｎｓｏｎ）

Ｔｉ１

Ｍｎｌ

Ｚｎｌｌ

Ｃｒ２

２

Ｃｕ

５

堡

５

一

垡

５

一

坐

ｌＯ

型

３０３０

坐

４０４０

５５

１０

需要说明的是，本文所计算的毒性系数与

Ｃｒ＝－２＜Ｃｕ＝Ｎｉ＝Ｃｏ＝Ｐｂ＝５＜Ａｓ＝ｌＯ＜Ｃｄ－＝３０＜Ｈｇ＝４０。

Ｈａｋａｎｓｏｎ所给出的肼计算公式中的毒性响应系数

是两个概念，如果真正要计算值，必须求出生物生产指数（ＢｉｏｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎｄｅｘ，ＢＰＤ闼。在目前采用潜在生态危害指数法进行计算时，众多学者一般直接用毒性系数替代毒性响应系数，这一点需要在应用时加以明确。３结论

潜在生态危害指数法将重点放在了重金属对环境的生态效应方面，考虑了不同重金属具有不同的生物毒性，从而对环境造成的生态危害不同。在不分析重金属元素形态的情况下，通过研究重金属的沉积学特征、生物学特征和毒理学、病理学特征就可以研究某一沉积物中重金属的污染程度，即潜在生态危害程度。本文通过重新计算重金属的毒性系数为利用潜在生态危害指数法全面评价沉积物中重金属的污染程度具有重要的意义，计算结果为：Ｔｉ＝Ｍｎ＝Ｚｎ＝１＜Ｖ＝

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