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陳士賢教授分享專題_污染底泥生態風險評估
- 3. 關鍵議題-關切污染物從受污染底泥釋放 SEDIMENT Contaminated bed source WATER AIR UNCONTAMINATED SEDIMENT BED • Some Chemicals of Concern – Organic • Polyaromatic Hydrocarbons (PAHs) • Polychlorinated Biphenyls (PCBs) – Toxic Metals • Cd, Se, Cr, As, Hg, Pb
- 5. 關鍵議題- 底泥之移動性(Mobility) 化合物在基底的結合與遲滯作用 Binding/Retardation of Chemical on Substrate – Nature of Contaminant Chemical • Organic – Hydrophobic – Polar – Non-aqueous phase (oils) • Inorganic – Oxidation State – Nature of Substrate • Condensed – Organic/Inorganic • Dispersed – Organic/Inorganic 生物累積與生物分解 Bioaccumulation and Biodegradation 質量傳輸 Mass Transport – Diffusion Coefficient • Porous Media Characteristics (Porosity/Tortuosity) – Bioturbation – Surface Mass Transfer Coefficient – Advection • Groundwater flow, Tidal Fluctuation • Ebullition Surface Water Bed Sediment •Equilibrium Thermodynamics •Uptake •Adsorption/Desorption
- 6. 關鍵議題-底泥之移動性(Mobility) 化合物在基底的結合與遲滯 Binding/Retardation of Chemical on Substrate – Nature of Contaminant Chemical • Organic – Hydrophobic – Polar – Non-aqueous phase (oils) • Inorganic – Oxidation State – Nature of Substrate • Condensed – Organic/Inorganic • Dispersed – Organic/Inorganic 生物累積與生物分解 Bioaccumulation and Biodegradation – Microbial Population – Rates of Degradation 質量傳輸 Mass Transport – Diffusion Coefficient • Porous Media Characteristics (Porosity/Tortuosity) – Bioturbation – Surface Mass Transfer Coefficient – Advection • Groundwater flow, Tidal Fluctuation • Ebullition Surface Water Bed Sediment
- 7. 關鍵議題-底泥之移動性(Mobility) 化合物在基底的結合與遲滯作用 Binding/Retardation of Chemical on Substrate – Nature of Contaminant Chemical • Organic – Hydrophobic – Polar – Non-aqueous phase (oils) • Inorganic – Oxidation State – Nature of Substrate • Condensed – Organic/Inorganic • Dispersed – Organic/Inorganic 生物累積與生物分解 Bioaccumulation and Biodegradation – Microbial Population – Rates of Degradation 質量傳輸 Mass Transport – Diffusion Coefficient • Porous Media Characteristics (Porosity/Tortuosity) – Bioturbation – Surface Mass Transfer Coefficient – Advection • Groundwater flow, Tidal Fluctuation • Ebullition Surface Water Bed Sediment Interfacial Mass Transfer Bioturbation Advection Diffusion
- 8. 底泥中主要污染物種類 重金屬 持久性有機污染物 (POPs) 農藥 多環芳香族碳氫化合 物 (PAHs) 新興污染物? 塑化劑 、 PBDE 、 personal care products
- 9. Risk Assessment Safety risks low probability, high consequence, accidental, acute (human safety focus) Health risks high probability, low consequence, ongoing, chronic (human health focus) Ecological/environmental risks subtle changes, complex interactions, long latency, macro-impacts (habitat/ecosystem focus) Public welfare/goodwill risks perceptions, property value concerns, aesthetics (value focus) Financial risks business viability, liability, insurance, investment returns (economic focus) The major types of risk assessment and their focus • 複雜且極細微的 改變 • 複雜的交互作用 • 長潛伏期 • 對棲地及生態系 造成大型衝擊
- 10. 生態風險評估 生態風險評估屬環境風險評估之一種，生態風險評估係使用 系統分析方法(methods of system analysis)，綜合生態學、環 境化學、環境毒理學、土壤學、水文學及其他地球科學的原 則，來估計非期望性之生態事件 (undesired ecological events) ，在特定條件下發生的機率 (Bartell et al., 1992; Suter, 1992; Kolluru et al., 1996)。 就理論上而言，生態風險評估係應用在從自然及人類的觀點 上對生態資源的評估。 但事實上幾乎所有的生態風險評估均著重在因人類活動所造 成 的 生 態 衝 擊 上 (Logan and Wilson, 1995; Power and McCarty, 1998)。
- 11. 生態風險評估 生態系因受到人為活動或自然劇變，致使其生命、繁衍或棲 息環境可能產生不利反應的潛勢，稱之為「生態風險」。 生態風險評估旨在推導出生態系暴露於壓力(stressor)下所 承受的風險，因為人為壓力作用於生態中可能對其中一個物 種引發不良影響，但卻對其他物種沒有影響或產生正面的效 益。 所以在生態風險評估中所定義的生態衝擊通常指危害生態系 中重要的生物或造成生態系的結構性變化，而衝擊的容許度 則需要環境風險管理者依衝擊的性質、強度、影響範圍及生 態復原的速度來決定。
- 12. 各類型生態壓力對水生生物的風險 生物物種 生態壓力 風險 魚類 底泥淤積 懸浮物質 流量顯著改變 水利工程造成的河道改變 減少繁殖力及族群豐度及密 度 阻礙呼吸 減少棲地 微棲地的破壞 毒性物質 營養鹽 溶氧減少 影響生長及存活率 增加死亡率 外來種魚類 優勢種的改變 底棲無脊椎動物 底泥淤積 流量顯著改變 水利工程造成的河道改變 減少繁殖力 減少棲地 微棲地的破壞 毒性物質 溶氧減少 影響生長及存活率 擴大生物累積效應 增加死亡率 水棲昆蟲 底泥淤積 流量顯著改變 水利工程造成的河道改變 減少繁殖力 減少棲地 微棲地的破壞 毒性物質 溶氧減少 影響生長及存活率 擴大生物累積效應 增加死亡率 藻類 懸浮物質 流量顯著改變 減少光合作用率 毒性物質 營養鹽 影響生長及存活率 增加死亡率 優養化
- 13. 生態風險評估 生 態 風 險 評 估 可 用 於 預 測 未 來 不 良 效 應 (prospective)或評量過去暴露在生態壓力之效應其 可能性(retrospective) 。 當生態系過去及未來長期暴露於多重化學性、物理 性或生物性壓力(stressor)下，綜合預測未來不良效 應及過去暴露在生態壓力之效應
- 14. 生態風險評估建構歷程 生態風險評估架構與評析 方法建立 • 層次性評估 • 研訂估評析方法 • 研訂生態風險評估報告 撰寫指引 • 研訂審查程序與相關規 範 配套措施建置與規劃 • 生態篩選值 • 生物毒性測試 • 生態調查 • 場址試作 關鍵參數建置與使用規範 • 建議指標物種與污染場址關切物種相容性 及適用性研析 • 規劃使用之替代物種與分類方式可行性 • 選定3項污染物，進行土壤無脊椎動物之生 物毒性試驗，建立本土生態毒理資料 2012 2015 20172013 2018 完備生態風險評估方法與 工具 • 生態影響參考值建立 • 研訂生態篩選值建議值 • 指標物種與參數調查方 法建立 2016 協助生態方法公告及分析 管理決策 • 協助生態風險評估方法 公告 • 進行生態風險評估方法 試作 • 協助提出底泥生態風險 評估方法關鍵內容
- 16. 問題形成及歸納 Problem Formulation 問題形成是風險評估所需，團隊應該包括專家的專業意見 考慮有關於問題的種類和層級和可能發生的生態系統問題 。 問題形成產生三種結果： 1. 適當的反應評估終點管理目的和生態系統的描述。 2. 概念模式敘述壓力和評估終點之間或多重壓力和評估終點 之間的主要關聯。 3. 分析規劃。 問題行程及歸納的過程 1.確認評估終點 2.發展概念模式 3.分析計畫
- 17. 水生生態系生態風險評估之概念模式 Ingestion Wild life & Humans Ingestion Sediments Water 攝食無脊椎動物魚類 Invertebrate Feeders 外來性物質 Allochthonous material 食魚性魚類 Piscivore 植食性魚類 Planktivores 浮游性動物 Zooplankton Algae Bed sediments 碎食性魚類 Detritivores 底棲無脊椎動物 Benthic Invertebrate Ingestion Direct Exposure & Ingestion Detritus Settling Exchange Fishes Aquatic Biota Exposure Suspended sediments Direct Exposure Adsorption Absorption Volatilization Ingestion
- 18. 底泥污染評估
- 19. 底泥污染評估 底泥採樣 底泥分析 底泥毒性試驗
- 20. 一般採表層底泥 採樣位置以GPS標記 濕地或特殊需要可採core sample 採樣時應考量因素
- 21. 生物棲地環境品質調查 採樣頻率配合水文流量之豐枯水期，一般分春、夏、 秋、冬 四季採樣 Matrix Parameters 水質 Water 現場分析：氣溫、水溫、pH、導電度、鹽度。 一般分析：溶氧、濁度、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸 鹽氮、磷酸鹽、懸浮固體物。 重金屬：溶解性及懸浮性之鉛、鋅、銅、鎘、鉻、 鎳。 半揮發性有機污染物 底泥Sediment 現場分析：Eh、pH。 一般分析：pH、水份含量、粒度分析、總有機碳、 耗氧率。 重金屬：鉛、鋅、銅、鎘、鉻、鎳。 半揮發性有機污染物
- 22. 底泥生物採樣 監測項目 分析項目 藻類 種類鑑定、計數數量、分析 水棲昆蟲 種類鑑定、計數數量、分析 底棲無椎 動物 種類鑑定、計數數量、量測 生物量、分析 魚類 種類鑑定、計數數量、量測 生物量、分析 • 不同採樣方法及物種 • 費用較高但資訊對於生態風險 評估有助益
- 23. 暴露特性界定 Characterization of Exposure 生態衝擊特性界定 Characterization of Ecological Effects 量測暴露量 Measure of Exposure 量測生態系和受體性質 Measure of Ecosystem and Receptor Characterization 量測生態衝擊 Measure of Effects 暴露分析 Exposure Analysis 生態反應分析 Ecological Response Analysis 暴露的整體資料 Exposure Profile 壓力-生態反應的 整體資料 Stress-Response Profile 分析 Analysis
- 24. 底泥生物毒性試驗
- 25. 試驗時間較短 費用較低 敏感性高 試驗較容易進行 可檢測出所有危害物質之毒性 較能推估出生物危害 訂定水質標準之重要參考數據 生物毒性測試優點
- 26. Sediment toxicity testing intermittent renewal system (STIR) Water in Enter each chamber Water out Water tank 美國EPA及USGS標準 試驗設備 流水式生物毒性測試 適合短時間急毒性及長 時間慢性毒性測試 自動換水減少人力且不 會交叉污染 真正反映河川狀況
- 27. The chamber of the STIR system
- 28. 方 法 依 據 Ecological Effects Test Guidelines OPPTS 850.1735(USEPA., 1996) 將市售細砂先以直徑2 mm的70號篩過篩，並依照重量百 分比配置，分別為細砂77%、高嶺土17% 、泥炭土5 % 、 CaCO3 1% ，混合均勻，儲存於室溫備用。 每個燒杯包含100 g底泥，175 mL水 每個燒杯放入10隻試驗生物 實驗數據有效之判定：對照組存活率80%以上 溫度： 22.9 ±1°C 照光：8 hr 更水頻率：12 hr /次，175 mL/次 毒性試驗
- 29. 對各種污染物敏感性佳 來源方便 個體大小適當 實驗室易飼養 生態代表性高 相關研究資料充足 理想之試驗生物
- 30. 多齒新米蝦(Neocaridina denticulate) 多 齒 新 米 蝦 (Neocaridina denticulate)是和台灣黑殼蝦 (Neocaridina denticulata)很 類似的小型淡水蝦類的統稱 一般被稱為黑殼蝦，體型約 在2-3公分之間，在生物界屬 於弱勢族，所以牠們會以很 高的繁殖率來穩固其族群數 量，所以常見飼料蝦有一堆 抱卵狀態，體色表現有黑、 黃、紅、金 、綠及藍等色 多齒新米蝦(黑殼蝦) Neocaridina denticulate (neocaridina shrimp)
- 31. 河川常見底棲動物 台灣常見及分布廣之淡水蝦類 來源容易取得 實驗室易飼養 敏感性高 環保署水樣急毒性檢測方法標準試驗生物 多齒新米蝦
- 33. 絲蚯蚓(Tubifex hattai) 絲蚯蚓(Tubifex hattai)，屬 於貧毛綱(Oligochataes)近 生殖門目(Plesiopora)絲蚯 蚓科(Tubificidae)，俗稱為 紅蟲，而市面上有另一種 生物被稱為赤蟲，是搖蚊 科的幼蟲，常被搞混。 但無論是紅蟲或赤蟲皆是 常被當作底泥毒性試驗的 生物。 絲蚯蚓(紅蟲) Tubifex hattai (sewage worm)
- 34. 絲蚯蚓 絲蚯蚓多生活於有機質多而且污染之排水溝、灌 溉溝渠或河流中， 體成絲狀，長約85~100mm，淡紅色、背側有毛 狀剛毛，體節數85~100，環帶在第11~12節，於 水裡會成群聚狀，遇刺激時蟲體會捲曲成螺旋狀 。 常作為熱帶魚的活餌。
- 35. 端足蟲（ Hyalella Azteca） 端足蟲（ Hyalella Azteca ）是一種沒有 甲殼及兩側扁平的甲 殼類。 其學名的意思是「不 同的足」，是指它們 擁有不同的附屬肢形 態。當中有7000個物 種，其中5500個被分 類到鉤蝦亞目中。 美國USGS及EPA底泥 標準試驗底棲生物 端足蟲 Hyalella Azteca (amphipoda端足目)
- 36. 端足蟲 一般俗稱扁跳蝦，在水族業界常用來當作餌料，但由於體 型太小及營養價值小於豐年蝦或黑殼蝦，所以並無在市面 上販賣。通常是隨著水藻或是活石進入養殖缸中。 大小約0.5公分 溫度適應廣(10-35℃) 個體差異性小 實驗室易繁殖且省錢省力 對毒性物質敏感性高 本實驗所使用之端足蟲為Hyalella azteca，為底泥試驗的 標準生物，但並不存在於台灣的生態系中。而台灣的特有 種台灣關渡草澤扁跳蝦(Platorchestia sp.)(鄭，2010)， 由於取得不易，因此並無當作試驗生物。
- 37. Sediment toxicity test Survival rate of shrimp to 2,4-DNT Concentration (mg/kg) 100 200 300 400 500 Apparent concentration (mg/kg) 0 3.1 27.5 90.1 265.9 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 3.1 27.5 90.1 265.9 0 Concentration (mg/kg) 10 days LC50 = 25.11±12.01 mg/kg (p＜ 0.05)
- 38. Sediment toxicity test Survival rate of shrimp to TNT Concentratio n (mg/kg) 100 200 300 400 500 Apparent concentration (mg/kg) 19.55 11.07 62.31 168.3 238.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 19.55 11.07 62.31 168.3 238.5 0 Concentration (mg/kg)Concentration (mg/kg) 10 days LC50 = 76.74±22.48 mg/kg (p＜ 0.05)
- 39. Sediment toxicity test Survival rate of shrimp to RDX Concentration (mg/kg) 100 250 500 750 1000 Apparent concentration (mg/kg) 174.9 324.7 412.4 556.4 701.6 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 174.9 324.7 412.4 556.4 701.6 Concentration (mg/kg) 10 days LC50 = 358.7±52.2 mg/kg (p＜ 0.05)
- 40. Results-Sediment toxicity test Explosives Species Duration (days) End point Results 2,4-DNT Neocaridina shrimp 10 LC50 25.11 mg/L Amphipod 10 LC50 ND Sludge worm 10 NOEC 1277.5 mg/L TNT Neocaridina shrimp 10 LC50 76.74 mg/L Amphipod 10 LC50 ND Sludge worm 10 NOEC 618.3 mg/L RDX Neocaridina shrimp 10 LC50 358.7 mg/L Amphipod 10 NOEC 7835.mg/L Sludge worm 10 NOEC 8490 mg/L HMX Neocaridina shrimp 10 NOEC 893.0 mg/L Amphipod 10 NOEC 7621 mg/L Sludge worm 10 NOEC 11219 mg/L
- 41. Risk Description 風險描述 Risk Characterization 風險特性界定 Risk Estimation 估測風險 Communicating results with risk managers 與風險管理者溝通 Risk management and communicating results with interest parties 風險管理 Asnecessaryacquiredata,iterateprocess, monitorresults 補 充 資 料 、 重 複 流 程 及 監 測
- 42. 底泥生態風險評估
- 43. 計畫目的 了解擬設置於後勁溪下游之放流水專管，對於後 勁溪流域之水質及水文潛在影響 建立專管設置區域之生態基線資料及評估水體生 態系生態風險 評估放流水專管設置後，對後勁溪流域之潛在生 態風險 河段I河段II河段III河段IV河段V河段VII
- 45. 第一次底泥採樣與分析 8/19/2016 A點的鋅濃度超過底泥品質指標上限值，其他汞、銅、鎳亦高於下限值，在 採樣B、C區鎳及鋅亦高於下限值。 序號 樣 品 編 號 MDL 單位 底泥品質 指標上、 下限值 PU8004001 PU8004002 PU8004003 檢驗項目 檢驗方法 採樣A點 採樣B點 採樣C點 1 氧化還原 電位 NIEA S104.32B - mv - 286 -221 -200 2 砷 NIEA S310.64B 0.070 mg/kg 11~33 6.92 5.60 5.86 3 汞 NIEA M317.03B 0.045 mg/kg 0.23~0.87 0.374 <0.200 (0.130) <0.200 (0.098) 4 鎘 NIEA M353.01C/M104.02C 0.15 mg/kg 0.65~2.49 ND ND ND 5 鉻 NIEA M353.01C/M104.02C 1.00 mg/kg 76~233 50.2 32.1 25.1 6 銅 NIEA M353.01C/M104.02C 1.03 mg/kg 50~157 85.5 39.3 26.4 7 鎳 NIEA M353.01C/M104.02C 1.12 mg/kg 24~80 43.2 26.4 33.3 8 鉛 NIEA M353.01C/M104.02C 1.13 mg/kg 48~161 36.9 24.1 16.7 9 鋅 NIEA M353.01C/M104.02C 1.12 mg/kg 140~384 485 213 266
- 46. 第二次底泥採樣與分析 11/21/2016 序號 樣 品 編 號 MDL 單位 底泥品質 指標上、 下限值 PUB003801 PUB003802 PUB003803 檢驗項目 檢驗方法 採樣A點 採樣B點 採樣C點 1 氧化還原 電位 NIEA S104.32B - mv - -372 -196 -148 2 砷 NIEA S310.64B 0.070 mg/kg 11~33 6.66 7.77 12.0 3 汞 NIEA M317.03B 0.045 mg/kg 0.23~0.87 0.340 0.215 <0.200(0.121) 4 鎘 NIEA M353.01C/M104.02C 0.15 mg/kg 0.65~2.49 ND ND ND 5 鉻 NIEA M353.01C/M104.02C 1.00 mg/kg 76~233 44.0 38.6 31.7 6 銅 NIEA M353.01C/M104.02C 1.03 mg/kg 50~157 72.4 58.0 28.1 7 鎳 NIEA M353.01C/M104.02C 1.12 mg/kg 24~80 34.5 28.7 32.8 8 鉛 NIEA M353.01C/M104.02C 1.13 mg/kg 48~161 35.6 22.2 25.9 9 鋅 NIEA M353.01C/M104.02C 1.12 mg/kg 140~384 321 273 131 各樣點檢測到砷，其中C點感潮河段砷的濃度超過底泥品質指標下限值，而 A點的汞、銅、鎳及鋅濃度超過底泥品質指標下限值，樣點B的銅、鎳及鋅 濃度超過底泥品質指標下限值。
- 47. 第三次底泥採樣與分析 2/2/2017 序號 樣 品 編 號 MDL 單位 底泥品質 指標上、 下限值 PUB003801 PUB003802 PUB003803 檢驗項目 檢驗方法 採樣A點 採樣B點 採樣C點 1 氧化還原電位 NIEA S104.32B - mv - 115 -104 -5.8 2 砷 NIEA S310.64B 0.070 mg/kg 11~33 9.09 5.41 12.2 3 汞 NIEA M317.03B 0.045 mg/kg 0.23~0.87 0.319 <0.200(0.11 0) <0.200(0.071 1) 4 鎘 NIEA M353.01C/M104.02C 0.15 mg/kg 0.65~2.49 <0.50 (0.17) N.D. N.D. 5 鉻 NIEA M353.01C/M104.02C 1.00 mg/kg 76~233 57.6 30 28.3 6 銅 NIEA M353.01C/M104.02C 1.03 mg/kg 50~157 87.1 35.8 24.7 7 鎳 NIEA M353.01C/M104.02C 1.12 mg/kg 24~80 44 27.2 35.9 8 鉛 NIEA M353.01C/M104.02C 1.13 mg/kg 48~161 45.3 23.5 23.3 9 鋅 NIEA M353.01C/M104.02C 1.12 mg/kg 140~384 466 178 109 汞、銅、鎳及鋅濃度皆達到底泥品質指標之下限值以上，尤其是鋅更是超出 上限值之規範
- 48. 第四次底泥採樣與分析 5/2/2017 序號 樣 品 編 號 MDL 單位 底泥品質 指標上、 下限值 PU8004001 PU8004002 PU8004003 檢驗項目 檢驗方法 採樣A點 採樣B點 採樣C點 1 氧化還原電位 NIEA S104.32B - mv - 25.8 -186 -303 2 砷 NIEA S310.64B 0.070 mg/kg 11~33 7.91 9.18 8.32 3 汞 NIEA M317.03B 0.045 mg/kg 0.23~0.87 0.288 0.220 <0.200 (0.121) 4 鎘 NIEA M353.01C/M104.02C 0.15 mg/kg 0.65~2.49 ND ND ND 5 鉻 NIEA M353.01C/M104.02C 1.00 mg/kg 76~233 59.1 48.3 36.4 6 銅 NIEA M353.01C/M104.02C 1.03 mg/kg 50~157 111 66.3 41.3 7 鎳 NIEA M353.01C/M104.02C 1.12 mg/kg 24~80 50.0 35.5 31.9 8 鉛 NIEA M353.01C/M104.02C 1.13 mg/kg 48~161 50.2 30.0 23.1 9 鋅 NIEA M353.01C/M104.02C 1.12 mg/kg 140~384 738 286 285 汞、銅、鎳及鋅濃度皆達到底泥品質指標之下限值以上，尤其是鋅更是超出 上限值之規範，在乾季中超出底泥品質指標下限值以上之重金屬種類較多
- 49. Screening-level calculation Risk Estimation • EEQ: ecological effect quotient 生態效應商數 • EEC (expected environmental concentration 預期環境濃度): 污染物在底泥濃度 • ERC (ecological risk criterion 生 態 風 險 標 準 ): the lethal concentration of contaminant to affect 50% of individuals within a species (i.e., LC50) 半致死濃度 𝑅𝑖𝑠𝑘 𝑄𝑢𝑜𝑡𝑖𝑒𝑛𝑡 = 𝐸𝑥𝑝𝑜𝑠𝑢𝑟𝑒 𝐷𝑜𝑠𝑒 𝐸𝑓𝑓𝑒𝑐𝑡 𝐷𝑜𝑠𝑒 EEQ = 𝐸𝐸𝐶 𝐸𝑅𝐶
- 50. 10-14 day survival test 28 day growth and survival test Concentration (mg/kg) EEQ Copper 32.7 86 72.4-111 2.21-3.39 Nickel 15 18 34.5-50 2.3-3.33 Zinc 140 270 321-738 2.29-5.27 Hg 0.28 0.3 0.288-0.374 1.02-1.34 對測試生物造成50%生物死亡之底泥濃度
- 51. 感謝聆聽 敬請指正 國立高雄師範大學生物科技系(所) 陳士賢 教授 07-7172930 ext 7312 cschen@nknu.edu.tw