嵇志遠，孟 炯，黃允河

(杭州市水務(wù)控股集團有限公司，浙江杭州 310014)

近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，化學物質(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)境污染事故時有發(fā)生[1-2]。供水企業(yè)要快速地應(yīng)對各種突發(fā)性環(huán)境污染事故，盡量地減少突發(fā)污染對城市供水體系的影響[3]。

傳統(tǒng)的實驗室水質(zhì)分析，從采樣到報告結(jié)果大多耗時數(shù)小時到幾天不等。而在這段時間里，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，勢必會影響到?jīng)Q策者采取下一步措施的決斷。同時，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，對單項水質(zhì)理化指標進行評價是否符合國標限值要求并不能完全保證飲用水的安全。而需要對水質(zhì)的綜合毒性進一步測試和說明。

該研究的主要內(nèi)容是采用便攜式快速毒性測定儀，對某市城區(qū)各個水廠的原水、出廠水以及一定數(shù)量的管網(wǎng)水的進行水質(zhì)毒性測試調(diào)查，對測試得到的數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計，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，對一些毒性較強的化學物質(zhì)進行毒性加標測試，以驗證在國標限值附近，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(含化學發(fā)光毒性檢測和發(fā)光細菌毒性檢測兩個模塊)，化學發(fā)光毒性檢測試劑盒(含試劑1、試劑2和試劑3)，發(fā)光細菌凍菌粉(費式弧菌，Vibrio fischeri，北京金達清創(chuàng))，細菌快速復(fù)蘇液(北京金達清創(chuàng))，細菌稀釋液(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有機玻璃試管。

1.2 實驗步驟

1.2.1 化學發(fā)光毒性檢測原理及步驟

化學發(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)生化學反應(yīng)，在反應(yīng)過程中會發(fā)生閃光(化學發(fā)光)。當樣品中存在有毒物質(zhì)時，便會影響該反應(yīng)的進行，進而影響發(fā)光強度?；瘜W發(fā)光法即通過發(fā)光強度的變化確定樣品毒性強度，以發(fā)光強度的抑制率(%)表示[5]。

HACH Eclox化學發(fā)光法操作步驟簡述如下：

(1)開機并進入化學發(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行照度測試。運行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試劑進行消氯預(yù)處理。

1.2.2 發(fā)光細菌毒性檢測原理及步驟

細菌發(fā)光反應(yīng)是由分子氧作用，細胞內(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，同時釋放出發(fā)光強度在490 nm左右的藍綠光[6]。其反應(yīng)機理如式(1)。

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

(1)

《水樣對弧菌類光發(fā)射抑制影響的測定(發(fā)光細菌試驗)》(ISO 11348—3—2017)的檢測原理是：在15 ℃溫度下，以無毒參比溶液做對比，樣品或其稀釋溶液與Vibrio Fischeri(費氏弧菌)接觸5 min/15 min/30 min后，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學引子計算出實際樣品對發(fā)光細菌的抑制率(%)[7]。水質(zhì)的毒性水平以LID(當抑制率降低到20%時樣品的稀釋倍數(shù))、EC20或EC50(造成20%或50%抑制率時樣品的濃度)表示。LID越高，EC越低，表明樣品的毒性越強。而我國的國家標準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?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ISO 11348標準的流程進行了優(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)光細菌法操作步驟簡述如下：

(1)水樣測試前，先將發(fā)光細菌試劑參照說明進行復(fù)蘇處理；

(2)對水樣進行調(diào)整pH和消氯等預(yù)處理；

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

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

(4)開機并進入發(fā)光細菌法程序。按照順序，依次將1～4號管放入毒性儀中進行照度測量，顯示并記錄3個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的配比進行稀釋的三個水樣的檢測結(jié)果，可對照表2進行判定是否在安全限值內(nèi)。

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

2 試驗結(jié)果

2.1 實際水樣測試結(jié)果

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

2.1.1 使用化學發(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，進行化學發(fā)光毒性檢測，結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 化學發(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。除極個別樣品，原水的抑制率普遍沒有超過20%。

圖2 化學發(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月有一個常規(guī)處理水廠出廠水毒性抑制率超過了10%，其他各個樣品結(jié)果均小于10%，特別是兩個深度處理水廠的結(jié)果在圖中呈現(xiàn)明顯的低點，普遍都只有1%～3%的極低抑制率。

圖3 化學發(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)光細菌毒性檢測結(jié)果

采集10個相對應(yīng)的水源水、出廠水和管網(wǎng)水進行毒性檢測比較，結(jié)果如圖4所示。

圖4 發(fā)光細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

分別使用化學發(fā)光法和發(fā)光細菌法對14種毒性物質(zhì)進行地表水和出廠水的加標測試(以標樣的毒性達到EC50的濃度的臨界值為依據(jù)，在同一個數(shù)量級內(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。所有加標物均使用相關(guān)指標的國家標準物質(zhì)，絕大多數(shù)加標物質(zhì)都是目前公認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物質(zhì)。其中金屬混標中含有相同質(zhì)量濃度的鉻(六價)、鋅、鉛、銅、鐵、錳等標準物質(zhì)。加標測試結(jié)果如表3所示。

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

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

汞、砷、氰化物為目前公認的劇毒類元素，能導致急性致死性毒性反應(yīng)。事實上，采用化學發(fā)光法和發(fā)光細菌法兩種毒性檢測手段都驗證了上述觀點，只需要極低的濃度就會使毒性抑制率超過50%。汞、砷、氰化物的EC50無論是化學發(fā)光法還是細菌發(fā)光法都低于或者接近了國標的限值標準[9]，特別是使用發(fā)光細菌法檢測汞的EC50甚至達到了0.1 μg/L，低于國標一個數(shù)量級，方法的靈敏度非常高。

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

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

發(fā)光細菌法的檢測原理依靠費氏弧菌的活性來體現(xiàn)水體的綜合毒性。對于費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，水體的毒性會隨著余氯的增加而增強[13]，為了驗證水中余氯含量對發(fā)光細菌的影響，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間，配制成多個不同濃度的投加劑量，對地表水進行消毒試驗后，再使用發(fā)光細菌法進行毒性測試(以20%的樣品濃度為例)，結(jié)果如圖7所示。

圖5 對地表水使用氯胺消毒或單氯消毒后的發(fā)光細菌毒性測試結(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，抑制率增加較小；而加入量提高到0.3～0.6 mg/L時，水樣的抑制率會發(fā)生大的突躍；加入量提高到0.8 mg/L以上時，抑制率幾乎都接近或者達到了100%。說明含氯消毒劑對發(fā)光細菌具有很強的毒性。

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百分數(shù)等級毒性劃分標準(表4)[10]，該水司各個水廠的原水、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百分數(shù)等級毒性劃分標準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

從化學發(fā)光法的檢測結(jié)果來看，兩個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[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

使用化學發(fā)光法和發(fā)光細菌法兩種方法的檢測結(jié)果具有一定的差異?；瘜W發(fā)光法對水源水毒性的敏感度要普遍高于自來水，而發(fā)光細菌法的檢測結(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)光細菌法受到余氯殘留量的影響更大[12]。

雖然，在試驗中，對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，仍然可能會對費氏弧菌產(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，對自來水的毒性檢測，目前使用化學發(fā)光法更為合適。

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

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

3.4 對該毒性儀的性能評價

對毒性儀采用標準毒性物質(zhì)加標的測試結(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，無論是化學發(fā)光法還是發(fā)光細菌法，對幾種劇毒類的物質(zhì)，如：汞、砷、氰化物的響應(yīng)水平都十分滿意。對幾種重金屬指標，兩種毒性檢測方法的響應(yīng)水平有差異，在實際檢測中可針對不同污染源選擇使用。該毒性儀的缺點是對農(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)測的主要對象，故在實際檢測中使用色譜類的大型儀器更為有效。

3.5 對毒性物質(zhì)的研究需進一步深入

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]。建議可進一步對不同種類毒性物質(zhì)的進行混合試驗，以了解其互相作用情況。

4 結(jié)論

(1)對某市城區(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)綜合毒性處于一個較為安全的水平。

(2)使用HACH Eclox毒性檢測儀能滿足對各類應(yīng)急事件的水質(zhì)毒性檢測要求。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)化學發(fā)光法和發(fā)光細菌法的各自特點，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。