典型消毒劑及與紫外聯(lián)合與再生水消毒副產(chǎn)物生物毒性效應(yīng)的關(guān)系

熊張東+唐文浩+唐天樂+白娟娟+余芬芳

摘要：用次氯酸鈉、二氧化氯、氯胺、臭氧等4種典型消毒劑及與紫外聯(lián)合消毒處理沉淀池出水，以模式生物斑馬魚的胚胎為研究模型，對(duì)斑馬魚胚胎進(jìn)行暴露試驗(yàn)，以心率、成活率、孵化率、畸形率來表征生物毒性和生態(tài)毒理效應(yīng)，研究分析各典型消毒劑及與紫外聯(lián)合消毒對(duì)胚胎發(fā)育的影響。結(jié)果表明，各種消毒劑消毒后的水樣均對(duì)斑馬魚胚胎有減緩心跳和致畸作用，無明顯的致死性;紫外聯(lián)合方式優(yōu)于單一消毒;二氧化氯消毒致畸性最弱，次氯酸鈉和氯胺消毒對(duì)胚胎有一定影響，臭氧消毒生態(tài)安全性存在很大問題。

關(guān)鍵詞：消毒劑;紫外聯(lián)合消毒;胚胎發(fā)育;毒理效應(yīng);再生水

中圖分類號(hào)： X131.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）04-0363-03

收稿日期：2014-12-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863計(jì)劃”（編號(hào)：2013AA102802）;國(guó)家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2012BAC18B04）。

作者簡(jiǎn)介：熊張東，男，安徽安慶人，碩士，從事環(huán)境工程水處理研究。E-mail：xzd8256863@126.com。

次氯酸鈉、二氧化氯、氯胺是典型的含氯消毒劑，臭氧有著強(qiáng)氧化性和二次污染小的特性，均為目前最常用的典型消毒劑[1]，在再生水的回用處理中應(yīng)用廣泛，這4種消毒劑在殺滅細(xì)菌的同時(shí)，會(huì)與污水中前提有機(jī)物發(fā)生取代反應(yīng)，形成不同種類的DBPs，其中，次氯酸鈉消毒副產(chǎn)物主要有三氯甲烷（THMs）和鹵代乙酸（HAAs）;二氧化氯與前驅(qū)物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成ClO2-和ClO3-等致癌產(chǎn)物;氯胺主要依靠一氯胺和二氯胺的氧化性消毒，其副產(chǎn)物與次氯酸鈉類似，由于不是游離氯，使得副產(chǎn)物含量降低;臭氧消毒副產(chǎn)物較少，當(dāng)水樣中含有Br-時(shí)會(huì)產(chǎn)生溴酸鹽。紫外消毒法主要利用紫外線破壞細(xì)胞DNA達(dá)到滅菌的效果，操作簡(jiǎn)便、消毒副產(chǎn)物少，正逐步代替氯消毒工藝[2]。

斑馬魚為熱帶淡水魚，成長(zhǎng)周期短，實(shí)驗(yàn)室條件飼養(yǎng)方便、易于操作，體型較小，身體上斑馬紋線條間隔，胚胎透明度較大，易于觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分化過程，并且作為魚類生物鏈的高級(jí)群體，其生態(tài)毒理效應(yīng)能直觀反映水環(huán)境的情況，是非常典型胚胎發(fā)育研究的模式生物，作為胚胎發(fā)育生物學(xué)和遺傳學(xué)的試驗(yàn)動(dòng)物，被廣泛運(yùn)用于早期胚胎發(fā)育基因表達(dá)控制研究，后被用于化學(xué)混合物的急、慢性毒性檢測(cè)及重金屬生物累積效應(yīng)研究等[3]。 目前，城市污水成分復(fù)雜，有害物質(zhì)種類多、濃度低，消毒劑消毒的同時(shí)會(huì)伴隨消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生，已知的副產(chǎn)物種類就有幾百種，采用化學(xué)分析方法成本高，對(duì)已知的副產(chǎn)物分析不全面，未知成分也無法定量分析，不能真實(shí)有效地反映其環(huán)境危害性，而采用生物方法則具有明顯優(yōu)勢(shì)，可從毒理學(xué)的響應(yīng)反映其生態(tài)安全性。本試驗(yàn)以斑馬魚胚胎作為模式生物，采用污水廠進(jìn)行實(shí)際水樣模擬，研究4種典型消毒劑及聯(lián)合紫外消毒與再生水消毒副產(chǎn)物生態(tài)毒理效應(yīng)的關(guān)系，通過分析比較來評(píng)價(jià)所采用技術(shù)方法的生態(tài)安全性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 水樣預(yù)處理 采集海南省海口市美蘭區(qū)白沙門某污水處理廠的沉淀池出水及紫外消毒后的出水，混凝處理取上清液，用0.45 μm濾膜抽濾，得到含有復(fù)合溶解性有機(jī)物的水樣，低溫保存?zhèn)溆谩Ｋ畼泳谑褂们叭〉茫４鏁r(shí)間不超過1周，以防止溶解性有機(jī)物因外界條件變化不穩(wěn)定造成誤差。

1.1.2 消毒劑 次氯酸鈉0.3 mg/L，原試劑活性氯≥55%，使用前標(biāo)定;氯胺1 mg/L，原試劑活性氯≥24.0%，試劑為氯胺T，分子式為C7H7ClNNaO2S·3H2O;二氧化氯2.4 mg/L，原試劑含量99%，分析純;臭氧發(fā)生器制備臭氧 20 mg/L，5 g/h消毒時(shí)間30 s;紫外劑量為白沙門某污水處理廠標(biāo)準(zhǔn)處理劑量，≥300 J/m2。試驗(yàn)過程均采用超純水以排除其他雜質(zhì)干擾，含氯消毒劑棕色試劑瓶貯存，低溫保存。參照文獻(xiàn)[4-8]配制不同濃度梯度的消毒劑，對(duì)消毒后水樣微生物和余氯量進(jìn)行測(cè)定，均以加入水樣后有效氯計(jì);聯(lián)合紫外消毒試驗(yàn)各消毒劑的量不變，臭氧消毒濃度按照儀器的制備規(guī)格確定消毒時(shí)間。

1.1.3 斑馬魚胚胎的培養(yǎng) 在實(shí)驗(yàn)室條件下，從幼魚階段開始飼養(yǎng)斑馬魚，魚缸采用惰性塑料及鋼化玻璃材質(zhì)。為保證魚體本身不受外界條件污染，飼養(yǎng)用水為曝氣水（自來水經(jīng)過曝氣光照去除氯），溫度恒定為26 ℃左右，pH值保持為8左右，以飼料和幼蟲為食物喂養(yǎng)2～3個(gè)月;嚴(yán)格按照光照比 14 ∶ 10 誘導(dǎo)產(chǎn)卵;收集魚卵，用超純水清洗去除雜物。由于長(zhǎng)期試驗(yàn)用魚卵質(zhì)量會(huì)有所下降，成活率降低，需要經(jīng)過12 h的自身發(fā)育來進(jìn)行篩選，正常胚胎呈透明狀，觀察剔除胚胎出現(xiàn)明顯白斑、卵核出現(xiàn)凝結(jié)等本身發(fā)育不良的胚胎。

1.1.4 試劑和儀器 次氯酸鈉、二氧化氯、氯胺、臭氧發(fā)生器;棕色試劑瓶、移液管若干、移液槍（一次性槍頭）、8×6的孔板;熒光電子顯微鏡、恒溫培養(yǎng)箱等。

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)水樣共9組，沉淀池出水及紫外消毒出水的預(yù)處理水樣分別加4種消毒劑進(jìn)行消毒，以曝氣水作為空白對(duì)照。用移液槍吸取選取的魚卵至孔板內(nèi)，每孔1粒，共48粒;盡量吸盡培養(yǎng)魚卵的用水，以減小試驗(yàn)誤差;每個(gè)孔板加1種消毒劑消毒水樣，放置恒溫培養(yǎng)箱中27 ℃培養(yǎng)，每隔24 h依次取出魚卵于熒光電子顯微鏡下觀察1次所有魚卵的發(fā)育成活情況，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象。每次觀察完畢，更換孔板水樣以保持魚卵暴露狀態(tài)的持續(xù)性。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

1.3.1 特征觀察 根據(jù)斑馬魚胚胎發(fā)育的時(shí)間進(jìn)行觀察（表1）。細(xì)胞分化初期，無心跳特征，未到達(dá)孵化時(shí)間，畸形特征還不能觀察;48 h記錄未孵化胚胎心跳，72 h記錄孵化后心跳，48 h已經(jīng)孵化和72 h未孵化的不計(jì)入觀察。

表1 各個(gè)時(shí)間段魚卵的觀察要求

染毒時(shí)間endprint

（h）

魚卵特征

心跳 孵化率 致畸率 成活率

24 - √ - √

48 ▲ √ √ √

72 ▲ √ √ √

注：-，不能觀察;√，可觀察;▲，部分觀察。

1.3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 心率比值=染毒胚胎心跳次數(shù)/空白正常胚胎心跳次數(shù);孵化率=孵化胚胎數(shù)量/當(dāng)前孔板總孔數(shù)×100%;成活率=成活數(shù)量/當(dāng)前孔板總孔數(shù)×100%;致畸率=致畸數(shù)量/當(dāng)前孔板總孔數(shù)×100%。采用系統(tǒng)取樣法選取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 毒理學(xué)特征表現(xiàn)

試驗(yàn)魚卵成活率為100%，未出現(xiàn)死亡。消毒劑處理過的水樣會(huì)使斑馬魚胚胎發(fā)育延緩，同等時(shí)間下細(xì)胞分化速度降低，無卵凝結(jié)出現(xiàn)，未完全孵化及孵化后的胚胎都出現(xiàn)心胞囊腫，造成部分魚卵發(fā)育畸形，孵化完全的斑馬魚出現(xiàn)脊柱彎曲、卷尾（圖1、圖2）。根據(jù)OECD制定的《關(guān)于斑馬魚胚胎檢測(cè)單一化學(xué)毒性詳細(xì)指南》，本試驗(yàn)斑馬魚胚胎均為Ⅱ類非致死形態(tài)學(xué)指標(biāo)，無卵凝結(jié)、心跳停止等致死性類型[9]。

2.2 消毒劑及與紫外聯(lián)合對(duì)斑馬魚心率比值的影響

心率比值越大，試驗(yàn)斑馬魚的胚胎心跳越接近正常水平。由圖3可見，紫外聯(lián)合4種消毒劑消毒相比單一消毒，心率比值都有所增加;二氧化氯消毒副產(chǎn)物對(duì)胚胎心跳的影響相對(duì)最小，臭氧消毒副產(chǎn)物對(duì)斑馬魚胚胎的心跳降低最為明顯。由此可推斷：二氧化氯相比其他2種含氯消毒劑，以ClO-2和ClO-3 為主要致癌物質(zhì)的副產(chǎn)物對(duì)斑馬魚胚胎發(fā)育過程心跳

的影響較大，在完全孵化后則不及THMs和鹵代乙酸HAAs對(duì)魚體心跳的影響;臭氧消毒副產(chǎn)物對(duì)孵化出的斑馬魚心跳影響更大，當(dāng)臭氧消毒方式與水樣接觸時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生更多量的THMs和鹵代乙酸HAAs，目前對(duì)臭氧消毒產(chǎn)生副產(chǎn)物的研究還不充分[10]。

2.3 消毒劑及與紫外聯(lián)合對(duì)斑馬魚孵化率的影響

由圖4、圖5可見，各種消毒方式均對(duì)胚胎的發(fā)育有延緩作用，但無發(fā)育停止現(xiàn)象;不同單一消毒劑影響斑馬魚胚胎發(fā)育的時(shí)間不同，臭氧消毒水樣染毒48 h的斑馬魚胚胎孵化率相對(duì)最高，為29.17%，以氯胺組水樣染毒72 h的斑馬魚胚胎孵化率相對(duì)最高，但基本無影響，可達(dá)到正常發(fā)育水平;紫外聯(lián)合各消毒劑，48、72 h基本趨勢(shì)不變，紫外聯(lián)合含氯消毒劑進(jìn)行消毒，對(duì)斑馬魚胚胎孵化率的影響減小，與不同消毒劑副產(chǎn)物的生成機(jī)制相吻合。這是因?yàn)橛绊懽贤庀镜氖撬|(zhì)透明度，劑量變化讓滅菌效果出現(xiàn)峰值，紫外聯(lián)合氯消毒不僅能

提高再生水滅菌效果，更能在部分種類上減少THMs等副產(chǎn)物的量[11]。二氧化氯消毒產(chǎn)物對(duì)斑馬魚胚胎發(fā)育的延緩最明顯，氯胺和次氯酸鈉影響較小。

2.4 消毒劑及與紫外聯(lián)合對(duì)斑馬魚畸形率的影響

由圖6、圖7可見，不同消毒水樣對(duì)斑馬魚胚胎均有致畸

性影響，單一消毒和紫外聯(lián)合消毒均以臭氧組水樣致畸性最為明顯，二氧化氯的影響最小，次氯酸鈉和氯胺次之;消毒劑二氧化氯有效氯2.4 mg/L達(dá)到消毒效果的同時(shí)，得到的副產(chǎn)物致畸性相對(duì)最小，生態(tài)安全性最高;4種消毒劑聯(lián)合紫外消毒，次氯酸鈉和氯胺的致畸性明顯降低，這與紫外聯(lián)合消毒控制再生水消毒副產(chǎn)物的機(jī)制相符;臭氧消毒致畸性在單一消毒和紫外聯(lián)合消毒均有很強(qiáng)的致畸性，這可能是由于臭氧氧化水樣中的有機(jī)物，生成少量消毒副產(chǎn)物，同時(shí)，污水水樣本身可能含有Br-，臭氧條件下溴化物轉(zhuǎn)化為次溴酸鹽，繼而生成溴酸鹽和溴代有機(jī)物，而溴酸鹽可以導(dǎo)致染色體變異和DNA損傷，且具有一定的遺傳毒性[10，12]。

3 結(jié)論與討論

次氯酸鈉0.3 mg/L、氯胺1 mg/L、二氧化氯2.4 mg/L、臭氧消毒時(shí)間30 s這4種典型的消毒劑及與紫外聯(lián)合消毒，對(duì)再生水都有一定的生物毒性作用，表現(xiàn)在試驗(yàn)斑馬魚心率減緩、有較高的致畸性和發(fā)育受到抑制，無明顯的致死現(xiàn)象，存在一定的生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。

紫外聯(lián)合消毒效果明顯優(yōu)于單一消毒方式，水處理消毒環(huán)節(jié)可以考慮聯(lián)合紫外消毒方式，優(yōu)化出水水質(zhì)，降低對(duì)環(huán)境安全的影響。二氧化氯消毒水樣染毒胚胎的孵化率相對(duì)較高，致畸率較低，并且胚胎染毒對(duì)形態(tài)發(fā)育完全的斑馬魚心率影響最小;有研究表明，二氧化氯聯(lián)合液氯消毒相比單一消毒更能降低副產(chǎn)物的產(chǎn)生[13]。因此，從生態(tài)毒理效應(yīng)方面評(píng)價(jià)，二氧化氯是較為有前景的消毒劑，可聯(lián)合紫外或者液氯消毒劑應(yīng)用于消毒工藝。臭氧消毒目前大多數(shù)認(rèn)定副產(chǎn)物較少，但有研究表明，其仍然會(huì)產(chǎn)生THMs和鹵代乙酸HAAs，會(huì)有致癌物質(zhì)溴酸鹽產(chǎn)生，在實(shí)際應(yīng)用中還存在一定生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)，需要做進(jìn)一步研究。

針對(duì)污水處理廠的出水，目前普遍使用各種消毒劑后BOD、COD、重金屬離子及特定物質(zhì)等重要指標(biāo)都能夠達(dá)標(biāo)，但由于一些微量、痕量污染物的指標(biāo)體系不完善，具體檢測(cè)方法也無法全面系統(tǒng)、逐一實(shí)施，仍存在生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。生物學(xué)檢測(cè)可以從毒理學(xué)角度考量污水的生態(tài)安全性，科學(xué)模擬污水排放后對(duì)環(huán)境的影響，進(jìn)行進(jìn)一步研究，可以為污水的消毒工藝提供更加科學(xué)有力的理論基礎(chǔ)。

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