Biotic Ligand Model - colowqforum.org

Biotic Ligand Model
Introduction

Standards Framework Work Group
October 15, 2008

National 304a WQ Critera

• CWA section 304a provides that EPA shall 
develop (and revise) WQ criteria based on the 
latest scientific knowledge regarding the 
relationship between the pollutant 
concentration and environmental/human 
health effects.

Limitations of 1986 copper WQC

• Hardness alone is not adequate to explain variation 
in copper toxicity

• The 1986 hardness‐based WQC is potentially 
underprotective at low pH and overprotective at 
higher dissolved organic carbon (DOC)

• Does not reflect the effects of other water 
chemistry factors that are also known to effect 
metal toxicity (such as pH, and organic matter)

New Copper Criteria

• In 2007, EPA published revised national 
recommended 304(a) freshwater criterion for 
copper.

• Based on  the Biotic Ligand Model

Biotic Ligand Model

• A model that calculates an instantaneous 
water quality criteria that takes into account 
the actual bioavailability of the toxicant.

• (The “biotic ligand” is the site on the gill where the 

metal ion attaches and enters the organism’s sytem.)

Biotic Ligand Model

• Takes into account:

– Concentration (how much there is) 
– Complexation (what else is happening to the metal ion)
– Competition (what else is trying to bind to the gill site)

• Recognizes far more complexity than the 
hardness‐based equations

Why is the BLM an improvement to the 
hardness‐based WQC?

• Using the BLM allows regulators and dischargers 
to account for the effect of water chemistry 
parameters (e.g., DOC, pH, major ions, and 
alkalinity) on metal toxicity to aquatic organisms

• Using the BLM provides more accurate WQC 
without the expense or time required for deriving 
a water effect ratio (WER)

Generalized BLM framework 

BLM input parameters

• The BLM requires a description of water chemical 
parameters that can influence metal toxicity.  These 
parameters include:

– pH 
– DOC (a convenient measure of NOM)
– Major ions (necessary to calculate ionic strength) Some major ions 

also have specific effects on copper toxicity including:

• Calcium, Magnesium, and Sodium (which can all reduce copper 
toxicity)

• Either alkalinity or dissolved inorganic carbon (used by the BLM to 
estimate copper‐bicarbonate complexation)

BLM  sensitivities

• DOC and pH are frequently the most 
important input variables to the BLM

• (hardness is not a good surrogate measure of 
the complexing and competing  processes)

Model Sensitivity

History of use in Colorado

• 2004 – Denver Metro area dischargers developed 
BLM‐based copper site‐specific standards as water‐
effects ratios  (WER)

• WER are a multiplier to the hardness‐based 
equation.

• 2004 standards based on early version of BLM 
(required “lifting the hood”)

History ‐ Continued

• Tri‐lakes, Security, Boulder and Fort Collins 
embarked on a similar path in 2006 

• Newer version of BLM

• Better understanding of issues

• Resulted in Temp Mods, rather than site‐specific 
standards.

If a WER worked…

What the data really showed…

Results of the 2007 work

• A straight ratio with TVS is inappropriate

• There were instances where the BLM resulted in 
instantaneous WQC that were MORE stringent than 
TVS. (Boulder = about 20%)

• How to pick a single value that will be protective and 
can be used in a predictive sense