As水質毒性發光細菌及微生物燃料電池在線監測技術的比選研究

易 雯, 嚴惠華, 林秀榕, 張 琳, 韓士松, 王仕琦

廣東省環境監測中心，廣東 廣州 510308

As水質毒性發光細菌及微生物燃料電池在線監測技術的比選研究

易 雯, 嚴惠華, 林秀榕, 張 琳, 韓士松, 王仕琦

廣東省環境監測中心，廣東 廣州 510308

針對實際應用需要，對比研究了發光細菌和微生物燃料電池兩種不同毒性預警技術對典型類金屬砷離子的響應差異，并考察了豐水期、枯水期河水水質背景干擾對響應信號的影響。結果表明，發光細菌法對砷離子響應較為靈敏，微生物燃料電池法對砷離子的響應非常靈敏。發光細菌法受水體水質背景干擾大，且不同生產廠家的儀器差異顯著，推測可能是由于菌株來源不同、儀器響應靈敏度差異所造成。微生物燃料電池法對背景干擾的抗性較強，穩定性較高，河水加標與純水加標樣本的劑量-效應曲線差別不大。基于上述研究結果，分析了兩種技術監測類金屬砷的優缺點并提出實際在線運行的相關建議。

砷；發光細菌；微生物燃料電池；生物監測

Abstract:Research of the two biomonitoring technologies were conducted for the needs of their practical applications. The comparison between their response differences to arsenic ions as well as the effects of matrix interferences of the river water in the wet and dry seasons on the responses were presented. The study found that the luminescent bacteria toxicity test is sensitive to the arsenic ions; however, still being inferior to the microbial fuel cells toxicity methods. The toxicity test based on the luminescent bacteria is easy to be interfered by water background. The online instruments from the different manufacturers showed different response signals to the toxicant at the same concentration. We speculated that the difference in the sources of bacterial strain and the sensitivities of instruments led to the different response signals. In practical, the microbial fuel cells toxicity method was found with advantages such as good anti-interference ability and high stability. Based on the abovementioned results, the advantages and disadvantages of the two technologies have been concluded and some recommendations were given for their practical on-line operation.

Keywords:arsenic;luminescent bacteria;microbial fuel cell;bio-monitoring

發光細菌法是利用一類能夠發射可見熒光，且發光量的強弱程度與其活體數量和代謝活性有關的細菌建立的一種生物毒性在線監測方法。當水體受到污染時，會導致發光細菌代謝活性受到抑制甚至死亡，發光強度減弱。污染越嚴重，發光細菌代謝活性抑制越強、死亡數量越多，發光強度也越弱，從而可以判斷水質的綜合毒性。目前，國內常用的3種發光細菌為明亮發光桿菌(PhotobacteriumphosphoreumT3spp)[10]、費氏弧菌(Vibriofischeri)[11]、青海弧菌(Vibrioqinghaiensissp. nov , strain Q67)[12-14]。鑒于發光細菌法是一種快速、靈敏、經濟的監測方法，現已廣泛用于環境污染物綜合毒性監測中[15-20]。

微生物燃料電池是以微生物為陽極催化劑，將化學能轉化成電能的裝置[21-24]。其原理是微生物直接將水中有機物分解產生電子，代謝過程中的電子轉化成電流。當毒性物流入時，微生物活性降低，產生電流減少，利用電流強度與污染物濃度呈線性關系而建立生物毒性在線監測方法。該方法響應速度較快、重復性較好，國內外已有很多研究者用其開發水質毒性綜合監測的傳感器[25-30]。

本研究從實際應用需要出發，比較研究基于發光細菌和微生物燃料電池兩種不同水質生物毒性在線監測技術對典型類金屬砷的響應差異，探討水體背景干擾對響應信號的影響，為水質生物毒性在線監測技術的規范化運行提供基礎數據，服務于水質安全預警技術體系和監督檢測體系的完善和業務化運行。

1 實驗部分

1.1儀器與試劑

兩種國產發光細菌水質毒性在線監測儀和進口微生物燃料電池水質毒性在線監測儀，儀器型號及使用情況見表1。

表1 儀器型號及使用情況

試劑和材料：含1%硝酸的砷標準品；容量瓶；移液管；洗耳球；酸缸；儀器維護耗材等。

1.2實驗方法

取濃度為100 mg/L的As標準溶液10.00 mL于100 mL容量瓶，用純水稀釋定容濃度為10 mg/L的As標準中間使用液；吸取10 mg/L的As標準中間使用液5.00、10.00、30.00 mL各3組，吸取濃度為100 mg/L的As標準溶液5.00 mL 3組，分別用純水、豐水期河水、枯水期河水稀釋定容至1 000 mL，配制成As3+標準溶液濃度分別為0.05、0.1、0.3、0.5 mg/L的3種不同背景的測試樣品(其中，豐水期河水背景As3+濃度為0.3、0.5 mg/L的測試樣品按同樣方法分別換成0.15、0.2 mg/L)。

趙某散步時和劉某家的狗迎面相遇，劉某的狗突然躥至趙某身后咬了一口，事后，趙某經就醫治療共花費數千元。經過民警調解，雙方未達成一致意見，故趙某將劉某訴至法院，要求其賠償醫療費等各項費用共計3000余元。

考察兩種水質生物毒性在線監測技術(3臺儀器)對砷離子的信號響應，每種水樣測試3次，以抑制率平均值和極差表征實驗結果。

2 結果與討論

2.1純水背景下兩種在線監測技術對類金屬砷的毒性響應對比

兩種水質毒性在線監測技術對砷離子毒性效應的比較如圖1所示。以費氏弧菌為菌株的兩種生物毒性在線監測儀器數據取平均值，與微生物燃料電池法水質毒性在線監測儀器數據進行對比。

圖1 兩種水質毒性在線監測技術對不同濃度砷的毒性效應(均值-極差)Fig.1 The toxicity effects of two different toxicity on-line monitoring technologies of water quality on different concentrations of arsenic (average-range)

從圖1可以看出，在實驗室純水配水狀態下，兩種技術對砷的響應都比較靈敏。高濃度條件下(濃度大于等于0.5 mg/L)，微生物燃料電池法的響應靈敏度與發光細菌法相當，在低濃度情況下明顯優于發光細菌法(濃度小于等于0.1 mg/L)。總體上，微生物燃料電池法較發光細菌法更為靈敏。

2.2河水背景下兩種在線監測技術對類金屬砷的毒性響應對比

分別以廣東省韶關樂昌三溪水站枯水期、豐水期河水為背景基質進行兩種技術的對比，河水水質基本理化參數如表2所示。可以看出，由于該水站上游存在大量有色金屬礦，水體本底金屬離子含量較高，其中砷、銻、鎘3種金屬在豐水期接近或超過《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002) III類水質標準限值。

比較兩種在線監測技術對不同濃度砷離子河水加標樣本的信號與純水加標樣本的信號，表3、圖2為抑制率響應對比的情況。

表2 枯水期和豐水期河水水質參數

注：“*”表示《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中基本項目III類水質標準限值或特定項目標準限值; “—”表示未測試或無相關要求;“ND”表示未檢出。

表3 不同水質毒性在線監測技術在河水背景和純水背景下對不同濃度砷的毒性響應

注：“—”表示未測試。

如圖2(a)所示，H公司生產的H-2010型發光細菌法水質毒性在線監測儀在河水背景下與純水背景相比，抑制信號呈增強趨勢，增強百分比為58.7%～175.3%。圖2(b)中，Z公司生產的Z-8000型發光細菌法水質毒性在線監測儀在河水背景下則呈現出相反的抑制信號減弱趨勢，與純水背景相比，抑制信號減弱29.7%～152.0%。此外，從圖2(a)和圖2(b)中可以看出，兩種發光菌法水質毒性在線監測儀在純水背景下砷的水質毒性劑量-效應關系有較好的一致性，這是第2.1小節中以費氏弧菌為菌株的生物毒性在線監測儀器數據取平均值的基礎，也是本小節中兩種發光細菌法水質毒性在線監測儀在河水背景與純水背景下對砷水質毒性響應比較的基礎，從而進一步說明以費氏弧菌為菌株的發光細菌生物毒性在線監測儀數據在豐水期和枯水期兩種河水背景下的響應信號與純水背景樣本相比均有較大差異，不同廠家儀器靈敏度差異顯著。

圖2 不同水質毒性在線監測技術在河水背景和純水背景下對不同濃度砷的毒性響應Fig.2 The toxicity effects of different toxicity on-line monitoring technologies of water quality on different concentrations of arsenic in the background of river and pure water

圖2(c)中，國外某公司生產的S-2000型微生物燃料電池法水質毒性在線監測儀則表現出較好的穩定性，河水背景與純水背景樣本的抑制響應曲線差別不大，除在豐水期河水背景下，砷離子濃度為0.05 mg/L時與純水背景相比數據波動較大外，枯水期數據和砷離子濃度為0.1 mg/L，豐水期數據與純水背景相比波動僅在0～22.2%范圍變化。

根據文獻報道，由于河水背景中的營養物質和鹽分等因素，發光細菌的代謝加速，發光強度與純水相比會增強[31-32]，從而導致抑制信號減弱；另外，河水背景中仍然存在一些微量重金屬，加入砷后有可能會產生聯合毒性效應，從而抑制信號增強。推測圖2(a)中在河水背景下抑制信號增強是由于該公司發光細菌菌種對重金屬的毒性效應響應比較靈敏，河水中存在的其他重金屬的毒性效應也表現出來，增強了抑制信號。圖2(b)中在河水背景下抑制信號減弱推測是由于該公司發光細菌菌種對重金屬的毒性效應響應靈敏度一般，發光細菌在河水中的發光強度增強占了主導作用。綜上所述，發光細菌法受水體背景干擾大，不同生產廠家儀器測試的毒性效應差異顯著。而微生物燃料電池法抗背景干擾能力強，有較強的穩定性。

2.3對兩種生物毒性在線監測儀的運行建議

發光細菌法水質生物毒性在線監測技術受實際水樣的背景信號影響大，建議實際運行時結合靈敏度需要用河水做標線，建立該背景基質條件下的劑量-效應曲線，必要時可依此扣除背景基質影響修正報警閾值。發光細菌法的不同設備廠家在線監測儀器的信號差異顯著，推測是由于菌株來源不同、菌液濃度差異和儀器響應靈敏度不同所造成。因此，在后續規范化運行中，建議規范菌株來源，建立相應的儀器標準和方法標準，以使儀器之間數據具有可比性和參考價值。

微生物燃料電池法水質生物毒性在線監測技術的缺點是微生物中毒后修復時間較長，建議在設備中專門設置微生物培養罐，解決微生物被馴化和中毒后修復時間長的問題。

3 結論

發光細菌法水質生物毒性在線監測技術對類金屬砷較為靈敏，但發光細菌法受水體背景干擾大，且不同生產廠家儀器的毒性效應差異顯著。

微生物燃料電池法水質生物毒性在線監測技術對類金屬砷的響應靈敏度高，且響應信號受實際樣品背景干擾小，穩定性高，河水加標與純水加標樣本的毒性響應曲線差別不大。

兩種方法都有其優勢與不足，因技術方法不同或相同方法使用不同廠家的菌種和儀器，造成同一濃度有毒物質產生的毒性效應有所差異。實際應用于河流水污染毒性測試時應根據所需監測的毒性物質、時間、成本等因素綜合比選技術方法與儀器設備。

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ComparisonResearchonTwoOn-lineBio-monitoringTechnologiesBasedonLuminescentBacteriaandMicrobialFuelCellsfortheWaterQualityToxicityofAs

YI Wen, YAN Huihua, LIN Xiurong, ZHANG Lin, HAN Shisong, WANG Shiqi

Guangdong Environmental Monitoring Centre, Guangzhou 510308，China

X830.2

A

1002-6002(2017)03- 0133- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.03.20

2016-06-01;

2017-03-02

中央重金屬污染防治資金項目“北江流域飲用水源水質安全監控預警關鍵技術研究與系統平臺建設”

易 雯(1963-)，女，湖南懷化人，教授級高級工程師。