垃圾滲瀝液的生物毒性研究進展*

鐘 輝，高 星，李 平，吳錦華

（1.中山市名城環境服務有限公司，廣東 中山 528403；2.華南理工大學環境與能源學院，廣東 廣州 510640）

垃圾滲瀝液是一種污染物種類繁多、水質構成復雜的高濃度毒性/難降解有機廢水，迄今為止并未找到切實有效的處理工藝。在垃圾滲瀝液的各種處理工藝中，生物處理法是去除有機污染物的最佳工藝［1］。研究表明［2］，垃圾滲瀝液中污染物的生物毒性是影響滲瀝液生物處理系統正常運行的關鍵因素之一。毒性污染物存在于滲瀝液中將對生物處理系統中的微生物活性造成極大的影響，毒性抑制作用導致生物體最大比生長速率降低、半飽和系數升高，或者導致微生物菌群的不利轉變，從而使生物降解速率大幅度降低，甚至使體系內微生物迅速死亡，導致處理系統徹底失效［3］。而滲瀝液的生物毒性很難從物理化學指標上得到體現，近年來發展起來的各種生物毒性測試手段則能給我們提供更多的常規分析所不能提供的信息。它不僅可以核定未知化學物質的影響，也可以反映化學物質間的相互作用和聯合作用以及化學物質的生物可利用性［4-6］。研究分析組分復雜的垃圾滲瀝液中典型組分的生物毒性對有針對性地開發毒性削減技術，實現垃圾滲瀝液的高效生物降解及達標排放具有重要的意義。

1 垃圾滲瀝液中的毒性物質

垃圾滲瀝液主要來自3個方面：①填埋場內的自然降水和地表徑流；②垃圾自身含水；③微生物厭氧分解作用而產生的水。由于垃圾成分復雜，填埋后發生分解、溶出、發酵等反應，所以滲瀝液中含有大量的無機物和有機物，他們所產生的毒性不僅與其性質有關，同時也依賴于濃度和有效性［1］。通常垃圾滲瀝液主要包括無機物、重金屬和具有不同生物降解能力的有機物。

在無機物中，氨氮、重金屬離子被認為是在處理過程中最可能影響微生物正常活動的因素。垃圾滲瀝液中的氨氮主要由有機的和人工合成的化合物降解產生［7］。在水中氨氮溶解性很高，并且在氨態氮和銨鹽之間建立平衡，這種平衡取決于pH［7］。一般來講垃圾滲瀝液中的氨氮濃度隨著垃圾填埋場年齡的增長而逐漸增加。滲瀝液中的高氨氮能在一定程度上抑制微生物的生長，但不致于達到產生毒性的水平。

研究表明，垃圾滲瀝液中通常含有10多種金屬離子，其中重金屬離子的濃度通常比較低［8］，一般來說，輕金屬離子很少能達到毒性濃度，但很少量的重金屬離子卻能產生極高的毒性。當在某個極限濃度以下，重金屬離子對菌體的生長起促進作用，一旦超過這個濃度則會漸漸產生抑制作用甚至立刻導致菌體死亡。由于垃圾填埋場中的重金屬容易被DOC吸附或與硫酸鹽、碳酸鹽生成沉淀，因此少于0.02%的重金屬會在填埋后30 a內滲入垃圾滲瀝液中［9-10］，所以垃圾滲瀝液中檢出的重金屬濃度較低，例如T.Vasiliki等［11］在阿爾及利亞的填埋場中檢出的重金屬濃度范圍分別為Cd 50～138 μg/L、Zn 330～401 μg/L、Cu 10～408 μg/L、Cr 390～2 559 μg/L、Pb 980～2 217 μg/L。在垃圾填埋產甲烷階段，重金屬污染衰減主要由大部分可溶性重金屬離子被螯合所引起的［12］。重金屬離子通常被腐殖質和富里酸螯合，但是pH的改變會破壞這種螯合作用［13］。

迄今為止，垃圾滲瀝液中能被檢出的有機污染物已超過200種。由于人工合成的有機物質不斷進入到自然界，各種新的合成有機物在垃圾滲瀝液中被檢出，越來越多的研究者日趨關注垃圾滲瀝液中的外源有機污染物（XOCs）。垃圾滲瀝液中典型的XOCs大致可分為以下幾類：①鄰苯二甲酸類，鄰苯二甲酸應用于塑料生產中，如二（2-乙基已基） 鄰苯甲酸類（DEHP）、二乙烷鄰苯二甲酸類（DEP）、二丁基鄰苯二甲酸類（DBP）等；②酚類，酚類是各種合成有機物的基本結構單元，并且是許多農藥分解的產物；③芳香化合物，特別是BTEX化合類（苯、甲苯、乙苯、二甲苯）作為眾多產品的溶劑而在垃圾滲瀝液中以很高的濃度被檢出；④鹵代化合物；⑤殺蟲劑和除草劑；⑥藥物類；⑦其他，包括砜、磺酸鹽、萜烯醇、膦酸鹽等。其中許多物質都具有很高的生物毒性，例如，殺蟲劑Malathion和PCP對大型蚤的LC50范圍分別為0.000 9～0.052 mg/L和0.1～1.78 mg/L。有研究者認為各種化合物的混合物可能會產生協同作用，將會對微生物產生更強的毒性［14］。

2 生物毒性測試表征方法

目前常用的生物毒性檢驗手段基本是建立在細菌發光抑制、細菌生長抑制、呼吸代謝速率、脫氫酶活性檢測、降解動力學等基礎上。近年來，環境污染物的生物毒性受到越來越多研究者的關注。表1匯集了在文獻報道中運用較多的快速毒性測試、國際標準急性毒性測試以及遺傳毒性測試方法。目前，生物毒性測試方法在國外的應用非常廣泛且毒性指示生物非常豐富，國內的毒性檢測僅限于MicrotoxR、Daphnia等方法，而且應用不甚廣泛，與國外的差距較大。

其中，Microtox法采用發光細菌P.phousphoreum（或Vibrio fischeri）作為毒性測試的指示生物，通過測定發光強度的減弱程度來判斷污染物的毒性強弱，是目前應用最頻繁且最便捷的毒性篩選工具，但同時也是越來越受到爭議的方法。M.Gutierrez等［24］認為評價污染物的潛在毒性時最好是利用滲瀝液處理系統中的活性污泥作為考察對象更為恰當。其中，評價污染物對微生物的毒性的（ASRI）活性污泥呼吸抑制測試已成功應用于水處理工業。用5個普通無機污染物和6個有機污染物，在ARSI和Microtox之間做了比較性的研究，發現：Microtox太靈敏，ARSI更適合于污水處理廠反應器進水的在線監測。然而，更多的研究者傾向于依據食物鏈分級，選擇各個營養級上有代表性的或對廢水處理系統很重要的微生物種群共同組成一個生物檢測系統，測定有毒物質對該系統的毒性效應，由此更貼近地模擬滲瀝液進入到生物處理系統后對個體或者種群乃至整個生態系統的結構和功能的間接或直接的影響。

表1 毒性測試的方法

3 滲瀝液中典型污染物生物毒性的研究進展

3.1 氨氮

D.Alkalay等［1］認為大多數垃圾滲瀝液的蛋白質含量較低，在厭氧處理中氨氮的濃度很難達到產生毒性的水平，而且微生物對高濃度的氨氮有很強的適應性。同時，研究表明，即使氨氮的濃度達到10 000 mg/L，也不會產生殺菌的效果，而只是抑制微生物的生長，而當氨氮濃度降到3 000 mg/L后的7～10 d后微生物的活動恢復［26］。許多研究者對垃圾滲瀝液中氨氮的生物毒性進行了測試，C.Bernard等［25］將取自14個垃圾填埋廠的滲瀝液做不同前處理后制得的25個樣品，進行Daphnia magnaEC50s毒性測試，發現絕大部分樣品中的未離子化氨對Daphnia magna有較強毒性。在C.Bernard等［27］早先的研究中也證實了氨對duckweed的毒性。郝小鳳等［28］研究了氨氮對泥鰍的急性毒性，研究表明，水中氨氮濃度越高，泥鰍的死亡率越高，其96 h LC50總氨濃度為164.4 mg/L，非離子氨濃度為2.22 mg/L。同時，與氨氮密切相關的堿度似乎對氨的毒性起到了加強作用，在一些情況下堿度直接產生了對Daphnia的毒性。

3.2 金屬離子

對于垃圾滲瀝液中金屬離子的毒性研究相對較少，由于大多學者認為垃圾填埋場的金屬離子易于生成硫化物及碳酸鹽而很難或僅有少量的金屬離子進入滲瀝液中，所以垃圾滲瀝液中金屬離子的毒性并未引起研究者的關注。

3.3 有機污染物

由于垃圾滲瀝液有機組成的復雜性及分析測試方法的局限性，使得對垃圾滲瀝液毒性的全面解析仍具有難度。A.Baun［14］在丹麥的10個垃圾滲瀝液樣品中檢出了55種XOCs和10種已知的降解產物：芳香族化合物（18種以及1種降解產物：BSA）、鹵代脂肪烴（3種）、酚類（14種，包括1種可能的降解產物：2,5DCP）、壬基酚乙氧基羧酸鹽（1種）、苯甲酸鹽類（8種，包括5種降解產物：鄰苯對甲酸單體）、殺蟲劑（21種，包括草甘膦、莠去津和西瑪津的3種產物）。其中許多物質不但難以被降解，而且對微生物具有很強的抑制作用，降低生物系統的效率甚至引起生物系統的崩潰。對這10種垃圾滲瀝液進行了成分分析并對用SPE萃取后的組分進行了藻類和發光菌急性毒性實驗和遺傳毒性實驗，并將其與美國環保局的ECOTOX數據庫進行了對比，發現只有2%～37%的毒性結果可以找到確認的化學物質，其中在所有的樣品中，萘和四氯甲酚在滲瀝液的總毒性中占有1%～29%的毒性（毒性指示生物為藻類），遺傳毒性實驗結果顯示在10個垃圾滲瀝液樣品中僅有1個垃圾滲瀝液經過141倍濃縮能夠產生遺傳毒性。還有研究者［29］將垃圾滲瀝液經過固相萃取（SPE）柱后再通過HPLC，根據辛醇-水分配比KOW分為5級，具有高logKOW的通過GC/MS分析組成，低logKOW通過HPLC/MS進行物質鑒定。每一化學分析步驟前后，采用Microtox及Daphnia magna（48 h）進行生物毒性監測，確定毒性最高的部分進行定性定量分析，發現毒性較高的第5級中主要有鄰苯二甲酸類、BTEX化合類物質。

對于廢水的生物毒性分析，一種行之有效的方法就是美國環保局提出的毒性鑒別評價方法（toxicity identification evaluation，TIE）［30-32］。通過一定的物化分析與生物毒性測試方法結合起來評價廢水的毒性。M.Isidori等［20］將該方法運用到城市固體垃圾滲瀝液的毒性檢測中，由于采用了多種毒性指示生物，所以未能得出較為統一的結論。

4 結論與展望

垃圾滲瀝液中的毒性物質，特別是有機物對生物處理系統的運行效率具有顯著的影響，然而由于垃圾滲瀝液復雜的組成，傳統的化學分析不但很難完全檢出其成分而且分析成本極高，生物毒性檢測給我們提供未知物質對生物的毒害作用的信息，不但快捷而且成本相對低廉，對垃圾滲瀝液的脫毒處理工藝及系統的優化具有很強的指導意義。然而，各種生物對垃圾滲瀝液的毒性物質表現出千差萬別的敏感性，如何找出各種生物毒性特征的相關性以及各種生物毒性表征與實際處理系統之間的聯系將是今后的工作方向。

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