改进生物配体模型预测河口水体中铜和锌的水生毒性

It is now a trend to consider the effects of water chemistry on metal toxicity when establishing ambient water criteria. The biotic ligand model (BLM) is a powerful tool for predicting the effects of water chemistry, and has been applied in the establishment of freshwater criteria. However, BLM cannot be used for estuarine waters due to the following reason. Salinity has double effects on metal toxicity: (1) affecting metal bioavailability by complexation and competition; (2) causing osmoregulatory stress which alters the intrinsic sensitivity of organisms to metal exposure. Currently, the later effect is not considered in BLM. In this project, we propose to improve BLM by integrating the toxicokinetic-toxicodynamic model into it. The improved model could consider the double effects of salinity by translating both of them into "hazard rates". Moreover, the improved BLM could avoid the shortcoming of being static of the current BLM, and could be used for dynamic exposures, e.g., exposures of fluctuating concentrations and unspecified durations. The two improvements will make the BLM applicable to esturine waters. It will also be tested whether different versions of BLM are needed for different combinations of metal and organism by conducting comparative studies on organisms (i.e., Perna viridis and Oryzias melastigma) of different osmoregulatory strategies and metals (i.e., Cu and Zn) of different toxicity mechanisms. The improved BLM could help make ecological risk assessments of metals in estuarine ecosystems more scientifically-based and could be further extended to other water bodies for establishing site-specific criteria.

在制定水质基准时，定量考虑水化学对重金属毒性的影响是目前的发展趋势。生物配体模型（BLM）是预测水化学如何影响重金属毒性的有力工具，已被用于制定淡水水质基准。然而现有的BLM无法直接用于河口水体，因为BLM虽可预测盐度组分对重金属的络合、竞争作用，却无法考虑盐度对生理的影响，即渗透压胁迫对生物内在敏感性的改变。本项目拟引入毒代动力学-毒效动力学模型改进BLM，将盐度的双重作用都量化为"风险率"。另外，改进的BLM还可避免现有模型只能预测静态暴露的缺陷，可用于预测浓度波动、暴露时间变化等动态暴露，使BLM进一步适用于河口水体。通过对比研究两种不同渗透压调节策略的河口生物- - 翡翠贻贝、黑点青鳉，以及两种不同致毒机理的重金属- - 铜、锌，验证是否需要为不同生物和重金属的组合设计不同形式的BLM。改进的BLM可提高河口水体重金属生态风险评价的科学性，还可为河口及其它水体建立宽严适度、差异化的基准。

河口水体水化学条件复杂多变，不仅影响重金属的生物累积，还影响生物的生理及其内在敏感性。定量模拟水化学条件的影响是评估重金属生态风险和制定水质基准的需求。本项目结合毒代-毒效动力学模型对生物配体模型进行了改进，综合定量模拟水化学的多重作用。对比研究了不同致毒机理的重金属（Cu和Cd），不同渗透压调节策略的生物（光滑河蓝蛤、蒙古裸腹蚤、黑点青鳉），建立了相应的定量模型，主要研究结果如下：.盐度对光滑河蓝蛤Cu毒性有双重作用，包括地球化学作用和生理作用，其中后者占主导。Cu的生物累积随盐度升高单调降低，Cu毒性却随盐度先降再升。其机制是盐度影响了光滑河蓝蛤对Cu的内在敏感性，内在敏感性在中间盐度最低。偏离光滑河蓝蛤最适盐度范围所造成的渗透压胁迫增加了生物的内在敏感性。毒代-毒效动力学模型可将盐度的双重作用区分并定量。.盐度对光滑河蓝蛤的Cd毒性亦有双重作用，但地球化学作用占主导。Cd的生物累积随盐度递减的幅度较Cu更大。虽然生物对Cd的内在敏感性亦在中间盐度达到最低，但是盐度的地球化学作用掩盖了这一趋势，总体仍呈现Cd毒性随盐度降低的结果。建立了模型参数与盐度之间的定量关系，可用于计算任意盐度、任意暴露时长条件下Cd的无效应浓度和半致死浓度。.盐度对蒙古裸腹蚤Cu毒性的影响与光滑河蓝蛤的结果类似，中间盐度毒性最低，高盐度时毒性最高。盐度对蒙古裸腹蚤生理的影响较之光滑河蓝蛤更为强烈。虽然黑点青鳉（调渗生物）的Cu毒性亦在中间盐度最低，但较之两种等渗生物，其对低盐度所造成的渗透压胁迫更为敏感。在毒代-毒效动力学框架下，对比不同渗透压调节策略的三种生物可知不同生物均存在中间盐度达到最适，不同生物的最适范围略有区别，Cu毒性随盐度变化的趋势受盐度的生理影响主导。.将以上建立的模型框架拓展用于模拟连续波动盐度对重金属生物效应的影响，重金属混合物生物效应，真实河口水体重金属生物累积，以及简化生物配体模型的建立方法。