發(fā)光菌法檢測雨源型河道水及工業(yè)廢水的生物毒性
發(fā)光菌法檢測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綜合毒性檢測儀對廣東某工業(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)對環(huán)境的綜合影響,特別是針對季節(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,無法對工業(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)用于快速評價(jià)藥物毒性作用,后在測定重金屬、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)過程與微生物代謝過程有關(guān),因此通過發(fā)光率的改變來顯示有毒物質(zhì)對生物體的毒性作用。筆者采用Microtox Model 500綜合毒性檢測儀檢測法對廣東深圳某工業(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)行了快速測定,為我國雨源型河流的毒性監(jiān)測與管理提供技術(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”中貯備可延長使用時(shí)間,但不能超過當(dāng)天使用)。水合后等待時(shí)間為15 min。
② 儀器及試劑。綜合毒性檢測儀(Microtox Model 500,美國,SDI);全自動熒光及化學(xué)發(fā)光酶標(biāo)儀(Synergy HT,Biotek);移液器(1 000、200、10 μL,德國,Eppendorf);檢測試劑盒(補(bǔ)充液、稀釋液、滲透調(diào)節(jié)液,美國,SDI);發(fā)光管(5 mL,美國,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)重鉻酸鉀洗液潤洗浸泡過夜,用自來水、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值會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。對于采集到的樣本,pH值用NaOH或HCl調(diào)節(jié)至6.0~8.0之間。保證測試的準(zhǔn)確性和樣本完整性。
1.2.2 發(fā)光抑制檢測實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)方法按照儀器說明書進(jìn)行,需提前開機(jī)預(yù)熱15~30 min,本實(shí)驗(yàn)采用兩種檢測模式:一是“81.9% Screening Test”檢測模式,即所檢測樣品的實(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)儀器檢測方法,發(fā)光抑制率與發(fā)光抑制EC50值均由程序自動得出,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)檢測結(jié)果及分析
利用發(fā)光菌快速檢測法,對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)該儀器使用說明中提到的“Microtox Model 500對常見干擾毒性物質(zhì)測定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差≤12%(USEPA檢測報(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)光率高于對照樣品,表現(xiàn)出誘導(dǎo)發(fā)光率作用,說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測試結(jié)果基本一致,未有明顯變化,這也說明本實(shí)驗(yàn)所選用的測試時(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)檢測實(shí)驗(yàn)。
2.1.2 枯水期樣品急性毒性效應(yīng)檢測結(jié)果及分析
利用發(fā)光菌快速檢測法,對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)光抑制率檢測結(jié)果
由表2可知,枯水期樣品均表現(xiàn)出無明顯急性生物毒性。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)光菌快速檢測方法檢測了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,下面取5 min和10 min光抑制率結(jié)果的平均值進(jìn)行分析,并按照毒性等級的大小來說明檢測結(jié)果,如圖1所示。
表4 行業(yè)廢水毒性分級標(biāo)準(zhǔn)/發(fā)光菌
圖1 流域內(nèi)5種工藝進(jìn)出水急性毒性檢測結(jié)果分級
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)廢水相對抑光率分級標(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,抑光率分級為低毒水平,占樣品總數(shù)的20%。
無毒: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),屬于無毒水平,占樣品總數(shù)的60%。
結(jié)合水樣來源與處理工藝進(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,已有研究表明其對蠶豆根尖生長具有顯著毒性效應(yīng),對濕地生態(tài)系統(tǒng)也能產(chǎn)生顯著危害,在經(jīng)過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,說明所用處理工藝對該廢水毒性物質(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)所用測試方法能對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)光菌檢測法檢測結(jié)果顯示為“低毒”。
當(dāng)前我國的水質(zhì)監(jiān)測中生物毒性指標(biāo)還未全面納入監(jiān)測范圍,本文生物毒性監(jiān)測的結(jié)果顯示,經(jīng)過常規(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《中國給水排水》雜志2015年第10期“分析與監(jiān)測”欄目)
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