發(fā)光菌法檢測(cè)雨源型河道水及工業(yè)廢水的生物毒性

劉蕓，易皓，丘錦榮，陳思莉，張政科

(環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東廣州510655)

摘要：采用Microtox Model 500綜合毒性檢測(cè)儀對(duì)廣東某工業(yè)區(qū)下游雨源型河道豐水期、枯水期20個(gè)樣品及流域內(nèi)典型工業(yè)廢水、生活污水處理前后10個(gè)樣品的急性毒性效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)定和分析。結(jié)果表明，有4個(gè)樣品產(chǎn)生了明顯急性毒性效應(yīng)，其余26個(gè)樣品無(wú)毒；河道干流及支流豐水期、枯水期20個(gè)水體樣品均未表現(xiàn)出明顯光抑制效應(yīng)，枯水期10個(gè)樣品光抑制率整體較豐水期10個(gè)樣品高；部分工業(yè)及生活廢水具高毒性效應(yīng)，但經(jīng)工藝處理后出水光抑制率顯著低于處理前廢水，表明處理工藝對(duì)具有發(fā)光菌光抑制率污染物有良好的去除效果。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)許多流域范圍內(nèi)存在較多的漂染、電子電鍍、化工等產(chǎn)業(yè)，導(dǎo)致環(huán)境水體中污染物的種類和數(shù)量繁多，而傳統(tǒng)的理化分析方法能定量分析污染物中主要成分的含量，但不能直接、全面地反映各種有毒物質(zhì)對(duì)環(huán)境的綜合影響，特別是針對(duì)季節(jié)性變化明顯的工業(yè)區(qū)雨源型河道，常規(guī)的理化分析方法無(wú)法判定有毒物質(zhì)的質(zhì)量濃度和生物效應(yīng)之間的直接關(guān)系，無(wú)法對(duì)工業(yè)區(qū)下游雨源型河道提供水體環(huán)境污染預(yù)警作用。

發(fā)光菌從20世紀(jì)30年代開始應(yīng)用于快速評(píng)價(jià)藥物毒性作用，后在測(cè)定重金屬、有機(jī)化合物、農(nóng)藥的毒性中得到大量應(yīng)用，并開始應(yīng)用于地表水及工業(yè)廢水的毒性評(píng)價(jià)�，F(xiàn)在認(rèn)可發(fā)光菌的發(fā)光機(jī)理是發(fā)光酶催化還原態(tài)的黃素單核苷酸發(fā)生氧化，并伴隨光的釋放，加之這個(gè)過(guò)程與微生物代謝過(guò)程有關(guān)，因此通過(guò)發(fā)光率的改變來(lái)顯示有毒物質(zhì)對(duì)生物體的毒性作用。筆者采用Microtox Model 500綜合毒性檢測(cè)儀檢測(cè)法對(duì)廣東深圳某工業(yè)區(qū)下游雨源型河道豐水期、枯水期水體及5種工藝處理前后的廢水生物毒性進(jìn)行了快速測(cè)定，為我國(guó)雨源型河流的毒性監(jiān)測(cè)與管理提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

① 菌種。實(shí)驗(yàn)用菌種為費(fèi)希爾弧菌(Microtox Acute Reagent)凍干粉，由MicroTox公司提供，-20 ℃保存。開蓋后24 h內(nèi)水合，水合后室溫下3 h內(nèi)使用（放入恒溫的“REAGENT WELL”中貯備可延長(zhǎng)使用時(shí)間，但不能超過(guò)當(dāng)天使用）。水合后等待時(shí)間為15 min。

② 儀器及試劑。綜合毒性檢測(cè)儀（Microtox Model 500，美國(guó)，SDI）；全自動(dòng)熒光及化學(xué)發(fā)光酶標(biāo)儀（Synergy HT，Biotek）；移液器（1 000、200、10 μL，德國(guó)，Eppendorf）；檢測(cè)試劑盒（補(bǔ)充液、稀釋液、滲透調(diào)節(jié)液，美國(guó)，SDI）；發(fā)光管（5 mL，美國(guó)，SDI）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品采集和前處理

樣品采集瓶采用棕色帶塞細(xì)口玻璃瓶，樣品瓶經(jīng)重鉻酸鉀洗液潤(rùn)洗浸泡過(guò)夜，用自來(lái)水、蒸餾水洗凈后倒置晾干待用。河道及市政污水處理廠樣品分豐水期（5月份）和枯水期（11月份）進(jìn)行采集，流域內(nèi)工業(yè)廢水、生活污水在5月份進(jìn)行一次采集。采集的樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后立即于4 ℃下保存，不添加任何溶劑及藥品。河流水樣一般不需要做特殊準(zhǔn)備，但樣本的pH值會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。對(duì)于采集到的樣本，pH值用NaOH或HCl調(diào)節(jié)至6.0~8.0之間。保證測(cè)試的準(zhǔn)確性和樣本完整性。

1.2.2 發(fā)光抑制檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法按照儀器說(shuō)明書進(jìn)行，需提前開機(jī)預(yù)熱15~30 min，本實(shí)驗(yàn)采用兩種檢測(cè)模式：一是“81.9% Screening Test”檢測(cè)模式，即所檢測(cè)樣品的實(shí)際濃度為進(jìn)樣濃度的81.9%，包含暴露5 min與暴露15 min結(jié)果。二是“EC50 Test”模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通常為原水抑制率較高樣品，需要進(jìn)行濃度稀釋后計(jì)算其EC50值。

每個(gè)檢測(cè)樣品采用3個(gè)平行，實(shí)驗(yàn)同時(shí)添加3個(gè)平行的對(duì)照（蒸餾水，自行準(zhǔn)備）保證實(shí)驗(yàn)的有效性并以此為基礎(chǔ)計(jì)算發(fā)光抑制率。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析及處理

根據(jù)儀器檢測(cè)方法，發(fā)光抑制率與發(fā)光抑制EC50值均由程序自動(dòng)得出，數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 東江河流水體發(fā)光菌抑制毒性效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

2.1.1 豐水期樣品急性毒性效應(yīng)檢測(cè)結(jié)果及分析

利用發(fā)光菌快速檢測(cè)法，對(duì)豐水期采集于河道干流、支流的6個(gè)水體（樣品1~6）及2個(gè)市政污水處理廠進(jìn)出水樣品（樣品7~10）進(jìn)行發(fā)光菌急性毒性試驗(yàn)，結(jié)果見表1。該10個(gè)樣品pH值均處于6~8之間，因此不需調(diào)節(jié)pH值。

表1 河流及市政污水處理廠水體豐水期發(fā)光抑制率檢測(cè)結(jié)果

由表1可知，樣品1、樣品4暴露5 min與15 min表現(xiàn)出光抑制作用，但抑制率均小于12%。樣品9與樣品10暴露5 min表現(xiàn)出光抑制作用，15 min表現(xiàn)出光誘導(dǎo)作用，但抑制與誘導(dǎo)率小于12%。根據(jù)該儀器使用說(shuō)明中提到的“Microtox Model 500對(duì)常見干擾毒性物質(zhì)測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差≤12%（USEPA檢測(cè)報(bào)告為依據(jù)）”。因此，樣品1、樣品4、樣品9及樣品10均未表現(xiàn)出明顯光抑制效應(yīng)，即未檢出明顯毒性作用。樣品2、樣品3、樣品5、樣品6、樣品7及樣品8發(fā)光率高于對(duì)照樣品，表現(xiàn)出誘導(dǎo)發(fā)光率作用，說(shuō)明樣品中的污染物質(zhì)與樣品1及樣品4中具有不同的性質(zhì)。特別是樣品2與樣品8，誘導(dǎo)發(fā)光強(qiáng)度更為明顯，里面存著的污染物質(zhì)還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)論證。

10個(gè)樣品的5 min與15 min測(cè)試結(jié)果基本一致，未有明顯變化，這也說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)所選用的測(cè)試時(shí)間段內(nèi)發(fā)光菌的發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)定，適宜進(jìn)行外源物質(zhì)的光抑制效應(yīng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 枯水期樣品急性毒性效應(yīng)檢測(cè)結(jié)果及分析

利用發(fā)光菌快速檢測(cè)法，對(duì)枯水期采集于河道干流、支流及2個(gè)市政污水處理廠進(jìn)出水樣品進(jìn)行發(fā)光菌急性毒性試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 河流及市政污水處理廠水體枯水期發(fā)光抑制率檢測(cè)結(jié)果

由表2可知，枯水期樣品均表現(xiàn)出無(wú)明顯急性生物毒性。其中，樣品1、4、5、7、10暴露5 min與10 min表現(xiàn)出光抑制效應(yīng)，但均小于12%，在儀器標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)，但樣品1暴露5 min的光抑制為11.92%，非常接近12%，存在一定的生物毒性風(fēng)險(xiǎn)；樣品2、3、6、8表現(xiàn)出誘導(dǎo)發(fā)光率效應(yīng)，暴露5 min和10 min檢測(cè)發(fā)光菌發(fā)光率明顯增強(qiáng)，表明這類樣品中存在能夠刺激菌體活性，使其發(fā)光度增高的物質(zhì)。樣品9在暴露5 min時(shí)表現(xiàn)出光抑制效應(yīng)，而暴露15 min時(shí)則表現(xiàn)出誘導(dǎo)發(fā)光率效應(yīng)，表明發(fā)光菌在一段時(shí)間后適應(yīng)了樣品9中的環(huán)境，并且菌體活性得到增強(qiáng)。

對(duì)比豐水期與枯水期河道及市政污水處理廠樣品毒性效應(yīng)結(jié)果可知，河道與市政污水處理廠豐、枯水期均表現(xiàn)為“無(wú)毒”，但大部分枯水期樣品的光抑制率較豐水期高。這可能是工業(yè)區(qū)下游雨源型河道的特點(diǎn)所致，在豐水期，河道集雨區(qū)降雨量大，河道的水源補(bǔ)給主要來(lái)自雨水，在枯水期，缺少了降雨的補(bǔ)給河道水源主要為排放的工業(yè)生產(chǎn)廢水及生活污水，因此，枯水期污染物濃度較高，樣品的光抑制率較高。

2.2 廢水的發(fā)光菌光抑制毒性效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

利用發(fā)光菌快速檢測(cè)方法檢測(cè)了5種工藝處理前后廢水(包括工廠廢水、生活污水)，共計(jì)10個(gè)樣品（經(jīng)檢測(cè)常規(guī)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)）的急性毒性效應(yīng)，結(jié)果見表3。

表3 工藝處理前后廢水發(fā)光抑制率檢測(cè)結(jié)果

本研究所采集工業(yè)及生活廢水樣品中有4個(gè)樣品表現(xiàn)出了明顯的光抑制效應(yīng)。根據(jù)《行業(yè)廢水毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)/發(fā)光菌》（見表4），廢水樣品表現(xiàn)出不同的毒性等級(jí)，下面取5 min和10 min光抑制率結(jié)果的平均值進(jìn)行分析，并按照毒性等級(jí)的大小來(lái)說(shuō)明檢測(cè)結(jié)果，如圖1所示。

表4 行業(yè)廢水毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)/發(fā)光菌

圖1 流域內(nèi)5種工藝進(jìn)出水急性毒性檢測(cè)結(jié)果分級(jí)

高毒：工藝2、工藝5處理前廢水，未稀釋樣品的“81.9% Screening Test”抑光率達(dá)到90%以上，“EC50值”檢測(cè)得到半數(shù)抑制率濃度分別為6.616%和45.72%，按照行業(yè)廢水相對(duì)抑光率分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到高毒水平，占樣品總數(shù)的20%。

低毒：工藝4處理前廢水與工藝5處理后出水的原水抑光率處于12%至30%之間，抑光率分級(jí)為低毒水平，占樣品總數(shù)的20%。

無(wú)毒：其余的樣品包括工藝1處理前后廢水、工藝2處理后出水、工藝3處理前后廢水及工藝4處理后出水，6個(gè)水體樣品均未表現(xiàn)出明顯的光抑制效應(yīng)，屬于無(wú)毒水平，占樣品總數(shù)的60%。

結(jié)合水樣來(lái)源與處理工藝進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，在本研究所涉及樣品中，制藥廠的綜合廢水與污泥焚燒吸收液廢水毒性最高，制藥廠廢水屬于高濃度難降解有機(jī)廢水，已有研究表明其對(duì)蠶豆根尖生長(zhǎng)具有顯著毒性效應(yīng)，對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)也能產(chǎn)生顯著危害，在經(jīng)過(guò)工藝處理后毒性明顯降低，與本研究結(jié)論一致；目前關(guān)于污泥焚燒吸收液毒性研究較少，但污泥焚燒灰渣中重金屬如Hg、As、Cd、Pb等含量較高，且浸出風(fēng)險(xiǎn)較大，因此在污泥焚燒廢水中的毒性物質(zhì)應(yīng)該主要來(lái)源于這些重金屬類污染物。

工藝4的市政廢水中包含了居民生活污水及部分工業(yè)廢水，成分較為復(fù)雜，在經(jīng)MSL+BAF工藝處理后毒性降低到未檢出的水平，說(shuō)明所用處理工藝對(duì)該廢水毒性物質(zhì)能產(chǎn)生良好的去除作用。

電鍍廠綜合廢水與納污河道廢水均未表現(xiàn)出顯著發(fā)光抑制效應(yīng)，表明其廢水中不含或者僅含有微量產(chǎn)生毒性的污染物；電鍍廠工藝廢水量較少，其綜合廢水主要由生活污水等構(gòu)成，毒性較小，納污河道廢水急性毒性較低也與現(xiàn)有研究報(bào)道一致。

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)所用測(cè)試方法能對(duì)不同類型廢水及處理后出水的毒性進(jìn)行定性定量表征，可以作為一種快速篩查方法在工業(yè)區(qū)下游河道及工業(yè)廢水中進(jìn)行推廣應(yīng)用，成為現(xiàn)有常規(guī)分析指標(biāo)的一種補(bǔ)充。

3 結(jié)論與展望

① 河道及2個(gè)市政污水處理廠在豐水期、枯水期的20個(gè)樣品發(fā)光抑制率均小于12%，急性毒性效應(yīng)不明顯，表明河流與市政污水處理廠水體受到的急性毒性物質(zhì)污染較��；河道及2個(gè)市政污水處理廠枯水期樣品光抑制率整體較豐水期高，工業(yè)區(qū)下游雨源型河道枯水期水體存在生物毒性效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。

② 流域內(nèi)典型工業(yè)廢水大部分具有明顯急性生物毒性，但經(jīng)過(guò)處理后急性毒性效應(yīng)明顯降低，表明廢水處理工藝能夠有效去除廢水中的急性毒性污染物。

③ 發(fā)光菌快速檢測(cè)法適用于工業(yè)區(qū)下游河道及部分工業(yè)廢水處理前后水體的急性生物毒性，彌補(bǔ)了水體常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的不足，如部分高毒廢水經(jīng)工藝處理后出水常規(guī)指標(biāo)達(dá)標(biāo)，而發(fā)光菌檢測(cè)法檢測(cè)結(jié)果顯示為“低毒”。

當(dāng)前我國(guó)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)中生物毒性指標(biāo)還未全面納入監(jiān)測(cè)范圍，本文生物毒性監(jiān)測(cè)的結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)常規(guī)污水處理工藝后的出水常規(guī)指標(biāo)雖已達(dá)標(biāo)，但仍然存在污染風(fēng)險(xiǎn)，特別是在南方，雨源型河道水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)需要引起重視，因此，有必要將生物毒性效應(yīng)指標(biāo)納入日常監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系中，以保障飲用水源水質(zhì)安全。

（本文發(fā)表于《中國(guó)給水排水》雜志2015年第10期“分析與監(jiān)測(cè)”欄目）

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