中国钒的生态相关性和pH值依赖性淡水质量标准

《Environmental Pollution》：Ecologically Relevant and pH-dependent Freshwater Quality Criteria for Vanadium in China

　　

摘要

钒是一种新兴的污染物，由于其工业用途的增加以及在淡水环境中的相关生态风险而受到关注。本研究利用实验数据和文献资料，建立了一个基于物种信息的经验性框架，用于分析淡水环境中pH值依赖性的钒毒性。对已发表的毒性数据进行线性混合效应建模后发现，钒的毒性随pH值的升高而增加。在pH 6.0–9.0范围内进行的急性毒性测试显示，不同物种的毒性反应普遍依赖于pH值。基于V物种的对数比率模型将观察到的毒性模式与水中V(V)物种相对丰度的pH驱动变化联系起来。利用经pH校正的毒性数据集，构建了物种敏感性分布，以确定能够保护95%物种的安全浓度阈值。据此，得出了pH依赖性的急性毒性标准和临时性的pH调整后的慢性毒性标准。结果表明，这些pH依赖性标准的最大浓度（急性）和连续浓度（慢性）分别为4022e^-0.332pH μg/L和788e^-0.373pH μg/L，并利用汇编的地表水记录来量化非零生态风险及相关不确定性。这种基于物种信息的方法得出的慢性毒性标准更为保守。

引言

钒（V）是一种全球分布广泛的元素（Zhang等人，2023年），其储量超过6300万吨（Kelley等人，2017年）。随着钒作为战略资源的重要性日益增加，中国的钒矿产产量显著上升。美国地质调查局（USGS）的数据显示，从1994年到2025年，钒的年产量平均增加了约250万吨。工业开采和使用的增加促进了钒进入水环境的流动（W?llstedt等人，2010年）。在中国受工业影响的地表水中，钒的浓度有所升高，甚至达到610 μg/L（Zhang等人，2019年）。钒的环境迁移性和已记录的生态效应凸显了制定生态保护性淡水基准的必要性（Imtiaz等人，2015年）。

在淡水系统中，钒主要以五价形式（V(V)）存在，这种形式具有高溶解度、化学稳定性和相对较高的生物可利用性（Zhang等人，2023年）。因此，V(V)是淡水生态系统中最具环境相关性和生态毒理学意义的形式（Wang等人，2020年）。尽管人们对地表水中钒的生态暴露问题越来越关注，但中国的现行监管框架主要依赖于饮用水标准，其指导值为0.01 mg/L（GB 5749-2022）。然而，这种以健康为基础的阈值并不是为了保护水生生物或支持生态风险评估而设定的，因此无法充分反映淡水生态系统对钒暴露的敏感性和风险水平（Albarano等人，2025年；Feng等人，2019年）。从风险管理的角度来看，水质标准（WQC）通常需要履行两个关键功能：首先，确保风险降低到可接受的水平；其次，向监管机构和公众透明准确地传达剩余的非零风险及相关不确定性（Nations和Swain，2006年）。包括加拿大、澳大利亚和新西兰在内的多个国家和地区已经提出了保护水生生物的钒水质指南或标准（ANZECC，2000年；ECCC，2016年），这表明建立基于生态学的阈值在技术和制度上是可行的。然而，毒理学研究表明，在不同的环境pH范围内，钒的急性毒性可能有很大差异（Giles等人，1979年；Gillio Meina等人，2020年；Stendahl和Sprague，1982年），这强调了在制定和应用水质标准时明确考虑pH效应的必要性。现有的钒标准通常以固定数值表示，通常不考虑pH作为调节因素，从而限制了它们的跨水体适用性及其对生态风险精确解释的效用。

章节片段

毒理学数据的收集和预处理

本研究中的急性毒性值（ATV）和慢性毒性值（CTV）数据来源包括实验测量结果和文献数据库，如ECOTOX、PesticideInfo Database和Web of Science。筛选和分析淡水环境中钒的ATV和CTV的数据要求及原则遵循HJ 831-2022标准。选定的物种涵盖了关键的营养级，包括藻类、无脊椎动物和鱼类，以确保跨物种的代表性。

毒性数据汇总在表S2–S3中。图1展示了线性混合效应（LMM）的结果。在考虑了研究者和物种水平的变异后，pH值仍然是毒性的显著预测因子（σ₁ = -0.19 ± 0.08，p = 0.016）。pH值每增加一个单位，ATV大约减少17%（95%置信区间：4%-29%），表明在更碱性的条件下钒的毒性会增加。模型诊断结果表明，数据没有严重违反正态性、同方差性或显著影响。

本研究通过整合毒性实验、钒的物种建模以及物种敏感性分布（SSD）的建立，得出了基于pH值的钒水质标准（WQC）。结果表明，钒的毒性随pH值的升高而增加，这一模式与模拟的水中V(V)物种变化一致。基于这些关系，建立了描述CMC和临时CCC随pH变化的指数模型，为制定环境相关的WQC提供了定量框架。

魏赫：验证工作。张伟：撰写初稿。张宝刚：审稿与编辑，概念构思。宗颖：研究工作。沈飞阳：验证工作。

ECCC 2016年加拿大钒环境质量指南。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

本工作得到了国家自然科学基金（NSFC，项目编号42525704）的财政支持。我们感谢Jon Petter Gustafsson教授及其同事开发和维护Visual MINTEQ 4.0软件。同时，也感谢北京中国地质大学的高性能计算平台提供的支持。

作者：魏伟 | 魏赫 | 沈飞阳 | 宗颖 | 张宝刚中国地质大学水资源与环境学院，地质微生物学与环境变化国家重点实验室，地下水循环与环境演化国家重点实验室，北京100083，中国