采用快速毒性測定儀測定水源水和自來水的綜合毒性

嵇志遠(yuǎn)，孟 炯，黃允河

(杭州市水務(wù)控股集團(tuán)有限公司，浙江杭州 310014)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，化學(xué)物質(zhì)使用的日益增多，使供水企業(yè)的水源受到污染的可能性大增。而且突發(fā)性環(huán)境污染事故時(shí)有發(fā)生[1-2]。供水企業(yè)要快速地應(yīng)對(duì)各種突發(fā)性環(huán)境污染事故，盡量地減少突發(fā)污染對(duì)城市供水體系的影響[3]。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)分析，從采樣到報(bào)告結(jié)果大多耗時(shí)數(shù)小時(shí)到幾天不等。而在這段時(shí)間里，突發(fā)性的水源污染，可能已經(jīng)影響到供水企業(yè)的制水系統(tǒng)甚至輸水管網(wǎng)。若不能快速提供有效的水質(zhì)毒性檢測結(jié)果，勢必會(huì)影響到?jīng)Q策者采取下一步措施的決斷。同時(shí)，水體的污染常常是各組分污染物質(zhì)的拮抗、疊加、協(xié)同的綜合結(jié)果[4]。也就是說，對(duì)單項(xiàng)水質(zhì)理化指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)是否符合國標(biāo)限值要求并不能完全保證飲用水的安全。而需要對(duì)水質(zhì)的綜合毒性進(jìn)一步測試和說明。

該研究的主要內(nèi)容是采用便攜式快速毒性測定儀，對(duì)某市城區(qū)各個(gè)水廠的原水、出廠水以及一定數(shù)量的管網(wǎng)水的進(jìn)行水質(zhì)毒性測試調(diào)查，對(duì)測試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，得出目前該地區(qū)原水、出廠水和管網(wǎng)水的毒性水平是否處于正常水平。同時(shí)，對(duì)一些毒性較強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行毒性加標(biāo)測試，以驗(yàn)證在國標(biāo)限值附近，采用該毒性儀是否有足夠敏銳的響應(yīng)。

1 方法與步驟

1.1 設(shè)備與試劑

HACH Eclox毒性測定儀(含化學(xué)發(fā)光毒性檢測和發(fā)光細(xì)菌毒性檢測兩個(gè)模塊)，化學(xué)發(fā)光毒性檢測試劑盒(含試劑1、試劑2和試劑3)，發(fā)光細(xì)菌凍菌粉(費(fèi)式弧菌，Vibrio fischeri，北京金達(dá)清創(chuàng))，細(xì)菌快速復(fù)蘇液(北京金達(dá)清創(chuàng))，細(xì)菌稀釋液(HACH)，2%的NaCl溶液(HACH)，NaCl固體粉末(HACH)，10 mL帶塑料蓋玻璃試管，2 mL有機(jī)玻璃試管。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 化學(xué)發(fā)光毒性檢測原理及步驟

化學(xué)發(fā)光法的原理是基于在辣根過氧化物酶的催化下，發(fā)光試劑與氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在反應(yīng)過程中會(huì)發(fā)生閃光(化學(xué)發(fā)光)。當(dāng)樣品中存在有毒物質(zhì)時(shí)，便會(huì)影響該反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)而影響發(fā)光強(qiáng)度。化學(xué)發(fā)光法即通過發(fā)光強(qiáng)度的變化確定樣品毒性強(qiáng)度，以發(fā)光強(qiáng)度的抑制率(%)表示[5]。

HACH Eclox化學(xué)發(fā)光法操作步驟簡述如下：

(1)開機(jī)并進(jìn)入化學(xué)發(fā)光法程序；

(2)移取1 mL水樣至比色試管中，再加入CT試劑1、2、3各100 μL，混合樣品；

(3)將試管放入毒性儀中進(jìn)行照度測試。運(yùn)行4 min后顯示抑制率測試結(jié)果。如果是含氯水樣，可事先滴加Preconditioner試劑進(jìn)行消氯預(yù)處理。

1.2.2 發(fā)光細(xì)菌毒性檢測原理及步驟

細(xì)菌發(fā)光反應(yīng)是由分子氧作用，細(xì)胞內(nèi)熒光酶催化，將還原態(tài)的黃素單核苷酸(FMNH2)、長鏈脂肪醛氧化為FMN及長鏈脂肪酸，同時(shí)釋放出發(fā)光強(qiáng)度在490 nm左右的藍(lán)綠光[6]。其反應(yīng)機(jī)理如式(1)。

FMNH2+O2+ R-CHO → FMN + R-COOH + H2O + Light

(1)

《水樣對(duì)弧菌類光發(fā)射抑制影響的測定(發(fā)光細(xì)菌試驗(yàn))》(ISO 11348—3—2017)的檢測原理是：在15 ℃溫度下，以無毒參比溶液做對(duì)比，樣品或其稀釋溶液與Vibrio Fischeri(費(fèi)氏弧菌)接觸5 min/15 min/30 min后，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)引子計(jì)算出實(shí)際樣品對(duì)發(fā)光細(xì)菌的抑制率(%)[7]。水質(zhì)的毒性水平以LID(當(dāng)抑制率降低到20%時(shí)樣品的稀釋倍數(shù))、EC20或EC50(造成20%或50%抑制率時(shí)樣品的濃度)表示。LID越高，EC越低，表明樣品的毒性越強(qiáng)。而我國的國家標(biāo)準(zhǔn)采用的菌種是明亮發(fā)光桿菌T3小種，水質(zhì)的毒性水平是以相當(dāng)?shù)穆然瘽舛然蜻x用EC50來表征[8]。

Eclox毒性分析儀自帶篩檢測量法，該方法對(duì)ISO 11348標(biāo)準(zhǔn)的流程進(jìn)行了優(yōu)化，使用的試劑與ISO 11348指定的試劑完全相同，適合在現(xiàn)場環(huán)境下使用。

HACH Eclox發(fā)光細(xì)菌法操作步驟簡述如下：

(1)水樣測試前，先將發(fā)光細(xì)菌試劑參照說明進(jìn)行復(fù)蘇處理；

(2)對(duì)水樣進(jìn)行調(diào)整pH和消氯等預(yù)處理；

(3)按照細(xì)菌稀釋液、NaCl溶液、水樣的順序，精確移取到4個(gè)試管中，混合樣品并接觸15 min，如表1所示；

表1 發(fā)光細(xì)菌法測試步驟表Tab.1 Test Steps of Luminescent Bacteria

(4)開機(jī)并進(jìn)入發(fā)光細(xì)菌法程序。按照順序，依次將1～4號(hào)管放入毒性儀中進(jìn)行照度測量，顯示并記錄3個(gè)稀釋度水樣的抑制率讀數(shù)；

(5)根據(jù)Eclox篩檢測量法，按照表1的配比進(jìn)行稀釋的三個(gè)水樣的檢測結(jié)果，可對(duì)照表2進(jìn)行判定是否在安全限值內(nèi)。

表2 發(fā)光細(xì)菌法結(jié)果限值表Tab.2 Value Limit by the Method of Luminescent Bacteria

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)際水樣測試結(jié)果

使用Eclox毒性測定儀對(duì)某水司的水源水、出廠水、管網(wǎng)水的全分析樣品進(jìn)行了毒性測試。

2.1.1 使用化學(xué)發(fā)光法毒性測試結(jié)果

采集了一定數(shù)量的水源水、出廠水和管網(wǎng)水樣品，進(jìn)行化學(xué)發(fā)光毒性檢測，結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 化學(xué)發(fā)光法檢測水源水結(jié)果Fig.1 Detection Results of Source Water by the Method of Chemiluminescence

由圖1可知，7月和8月水源水的水質(zhì)毒性要總體低于6月和10月。除極個(gè)別樣品，原水的抑制率普遍沒有超過20%。

圖2 化學(xué)發(fā)光法檢測出廠水結(jié)果Fig.2 Detection Results of Treated Water by the Method of Chemiluminescence

由圖2可知，各個(gè)水廠全分析水樣毒性結(jié)果具有逐月一致性，除了7月有一個(gè)常規(guī)處理水廠出廠水毒性抑制率超過了10%，其他各個(gè)樣品結(jié)果均小于10%，特別是兩個(gè)深度處理水廠的結(jié)果在圖中呈現(xiàn)明顯的低點(diǎn)，普遍都只有1%～3%的極低抑制率。

圖3 化學(xué)發(fā)光法檢測水源水、出廠水和管網(wǎng)水檢測結(jié)果比較Fig.3 Results Comparison of Source Water, Treated Water and Tapwater by the Method of Chemiluminescence

由圖3可知，在大多數(shù)情況下，管網(wǎng)水的毒性介于水源水和出廠水之間。

2.1.2 發(fā)光細(xì)菌毒性檢測結(jié)果

采集10個(gè)相對(duì)應(yīng)的水源水、出廠水和管網(wǎng)水進(jìn)行毒性檢測比較，結(jié)果如圖4所示。

圖4 發(fā)光細(xì)菌法檢測原水和出廠水結(jié)果比較Fig.4 Results Comparison of Source Water, Treated Water and Tapwater by the Method of Luminescent Bacteria

由圖4可知，在絕大多數(shù)情況下，出廠水的毒性抑制率要普遍高于原水的毒性抑制率，而管網(wǎng)水的的生物毒性則介于出廠水和水源水之間。

2.2 毒性儀性能測試結(jié)果

分別使用化學(xué)發(fā)光法和發(fā)光細(xì)菌法對(duì)14種毒性物質(zhì)進(jìn)行地表水和出廠水的加標(biāo)測試(以標(biāo)樣的毒性達(dá)到EC50的濃度的臨界值為依據(jù)，在同一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)，測試濃度均以2的倍數(shù)遞增)，求得每種毒性物質(zhì)的EC50。所有加標(biāo)物均使用相關(guān)指標(biāo)的國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，絕大多數(shù)加標(biāo)物質(zhì)都是目前公認(rèn)的劇毒或者具有致癌致畸作用的，或?qū)θ梭w具有累積性生理作用的代表性化學(xué)物質(zhì)。其中金屬混標(biāo)中含有相同質(zhì)量濃度的鉻(六價(jià))、鋅、鉛、銅、鐵、錳等標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。加標(biāo)測試結(jié)果如表3所示。

由表3可知，地表水和出廠水的加標(biāo)結(jié)果沒有太大差異。而使用化學(xué)發(fā)光法和發(fā)光細(xì)菌法兩種方法檢測部分指標(biāo)的EC50顯示了較大的差異，特別是六價(jià)鉻、鋅、鉛、銅、錳和甲醛等。

表3 毒性物質(zhì)加標(biāo)測試結(jié)果Tab.3 Results of Standard Addition Test for Pure Toxicant

汞、砷、氰化物為目前公認(rèn)的劇毒類元素，能導(dǎo)致急性致死性毒性反應(yīng)。事實(shí)上，采用化學(xué)發(fā)光法和發(fā)光細(xì)菌法兩種毒性檢測手段都驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)，只需要極低的濃度就會(huì)使毒性抑制率超過50%。汞、砷、氰化物的EC50無論是化學(xué)發(fā)光法還是細(xì)菌發(fā)光法都低于或者接近了國標(biāo)的限值標(biāo)準(zhǔn)[9]，特別是使用發(fā)光細(xì)菌法檢測汞的EC50甚至達(dá)到了0.1 μg/L，低于國標(biāo)一個(gè)數(shù)量級(jí)，方法的靈敏度非常高。

另外，對(duì)金屬類物質(zhì)的加標(biāo)檢測可知，只有使用了化學(xué)發(fā)光法檢測銅和錳的EC50小于了國標(biāo)限值，其他金屬類指標(biāo)的EC50都明顯高于國標(biāo)限值，檢測靈敏度不佳。使用金屬混標(biāo)的EC50和檢測靈敏度最高的錳或者鉛指標(biāo)在一個(gè)數(shù)量級(jí)，說明幾個(gè)金屬的毒性加成作用并不明顯。

對(duì)于農(nóng)藥類和消毒副產(chǎn)物指標(biāo)，兩種毒性檢測手段均不是十分靈敏，均高于國標(biāo)限值幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

發(fā)光細(xì)菌法的檢測原理依靠費(fèi)氏弧菌的活性來體現(xiàn)水體的綜合毒性。對(duì)于費(fèi)氏弧菌這種非常敏感脆弱的菌種來說，水中的含氯消毒劑對(duì)其具有非常大的影響。有研究表明，在水處理過程中使用含氯消毒劑，水體的毒性會(huì)隨著余氯的增加而增強(qiáng)[13]，為了驗(yàn)證水中余氯含量對(duì)發(fā)光細(xì)菌的影響，模擬水廠氯胺消毒(氯∶氨=1.7∶0.5)和單氯消毒的加藥量和接觸時(shí)間，配制成多個(gè)不同濃度的投加劑量，對(duì)地表水進(jìn)行消毒試驗(yàn)后，再使用發(fā)光細(xì)菌法進(jìn)行毒性測試(以20%的樣品濃度為例)，結(jié)果如圖7所示。

圖5 對(duì)地表水使用氯胺消毒或單氯消毒后的發(fā)光細(xì)菌毒性測試結(jié)果Fig.5 Results of Disinfection Test by Chloramine or Chlorine by the Method of Luminescent Bacteria in Surface Water

圖7的結(jié)果顯示，使用單氯消毒的抑制率要整體高于使用氯胺消毒的抑制率，但兩者趨勢基本相同。消毒劑加入量在0.2 mg/L以下時(shí)，抑制率增加較小；而加入量提高到0.3～0.6 mg/L時(shí)，水樣的抑制率會(huì)發(fā)生大的突躍；加入量提高到0.8 mg/L以上時(shí)，抑制率幾乎都接近或者達(dá)到了100%。說明含氯消毒劑對(duì)發(fā)光細(xì)菌具有很強(qiáng)的毒性。

3 討論

3.1 該地區(qū)水源水、出廠水和管網(wǎng)水的綜合毒性水平

從以上毒性檢測結(jié)果來看，化學(xué)毒性抑制率控制在25%以內(nèi)，生物毒性抑制率控制在50%以內(nèi)(80%的樣品濃度水平)。根據(jù)Bolich百分?jǐn)?shù)等級(jí)毒性劃分標(biāo)準(zhǔn)(表4)[10]，該水司各個(gè)水廠的原水、出廠水以及管網(wǎng)水的毒性水平維持在較低的水平。

表4 Bolich百分?jǐn)?shù)等級(jí)毒性劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Bolich Percent Criterion of Toxicity

3.2 水廠深度處理更有利于去除水體的毒性

從化學(xué)發(fā)光法的檢測結(jié)果來看，兩個(gè)深度處理的水廠的水樣毒性要明顯低于常規(guī)處理水廠的水樣。說明深度處理的優(yōu)勢不僅僅體現(xiàn)在其他水質(zhì)指標(biāo)[11]，水質(zhì)的綜合毒性也能夠大幅度降低。

3.3 兩種毒性檢測手段的比較

使用化學(xué)發(fā)光法和發(fā)光細(xì)菌法兩種方法的檢測結(jié)果具有一定的差異。化學(xué)發(fā)光法對(duì)水源水毒性的敏感度要普遍高于自來水，而發(fā)光細(xì)菌法的檢測結(jié)果卻剛好相反。分析原因：未受到污染的地表水的整體物質(zhì)環(huán)境更適合于生物的生存，而自來水中的余氯殘留量反倒不利于微生物的存活。發(fā)光細(xì)菌法受到余氯殘留量的影響更大[12]。

雖然，在試驗(yàn)中，對(duì)出廠水采取了添加硫代硫酸鈉的脫氯手段，但存在多種氧化性物質(zhì)的出廠水較水源水，仍然可能會(huì)對(duì)費(fèi)氏弧菌產(chǎn)生其他潛在的和未知的毒害作用。同理，由于管網(wǎng)水的余氯含量一般都小于出廠水，故管網(wǎng)水的生物毒性要明顯低于出廠水，對(duì)自來水的毒性檢測，目前使用化學(xué)發(fā)光法更為合適。

根據(jù)兩種毒性檢測方法的特點(diǎn)，可對(duì)其方法性能、成本控制及適用范圍進(jìn)行如下歸納，如表5所示。

表5 化學(xué)發(fā)光法和發(fā)光細(xì)菌法比較Tab.5 Comparison of the Methods of Chemiluminescence and Luminescent Bacteria

3.4 對(duì)該毒性儀的性能評(píng)價(jià)

對(duì)毒性儀采用標(biāo)準(zhǔn)毒性物質(zhì)加標(biāo)的測試結(jié)果來看，該毒性儀的性能基本滿足應(yīng)急檢測需求。在測試中，無論是化學(xué)發(fā)光法還是發(fā)光細(xì)菌法，對(duì)幾種劇毒類的物質(zhì)，如：汞、砷、氰化物的響應(yīng)水平都十分滿意。對(duì)幾種重金屬指標(biāo)，兩種毒性檢測方法的響應(yīng)水平有差異，在實(shí)際檢測中可針對(duì)不同污染源選擇使用。該毒性儀的缺點(diǎn)是對(duì)農(nóng)藥類和消毒副產(chǎn)物的毒性響應(yīng)水平較低，無論是殺蟲劑呋喃丹，還是除草劑草甘膦，以及酚類和甲醛等。但考慮到農(nóng)藥類和消毒副產(chǎn)物一般對(duì)人體的影響以累積性毒害作用為主[14-15]，且污染物一般都以痕量存在，并非應(yīng)急監(jiān)測的主要對(duì)象，故在實(shí)際檢測中使用色譜類的大型儀器更為有效。

3.5 對(duì)毒性物質(zhì)的研究需進(jìn)一步深入

水體的綜合毒性是多種物質(zhì)共同作用的結(jié)果，本研究所測試的毒性物質(zhì)種類仍然有限，而且不同種類的毒性物質(zhì)也可能存在著加成、拮抗等作用[16]。建議可進(jìn)一步對(duì)不同種類毒性物質(zhì)的進(jìn)行混合試驗(yàn)，以了解其互相作用情況。

4 結(jié)論

(1)對(duì)某市城區(qū)水源水、出廠水、管網(wǎng)水水質(zhì)綜合毒性的調(diào)查研究表明，其各類水質(zhì)綜合毒性處于一個(gè)較為安全的水平。

(2)使用HACH Eclox毒性檢測儀能滿足對(duì)各類應(yīng)急事件的水質(zhì)毒性檢測要求。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)化學(xué)發(fā)光法和發(fā)光細(xì)菌法的各自特點(diǎn)，因地制宜，選擇性或相結(jié)合使用，綜合判斷各種水體的毒性。