我國再生水水質生物毒性監測研究進展

馬嘯飛　李洪枚

(首都經濟貿易大學安全與環境工程學院，北京　100070)

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我國再生水水質生物毒性監測研究進展

馬嘯飛李洪枚

(首都經濟貿易大學安全與環境工程學院，北京100070)

【摘要】生物毒性是再生水生態風險評估的一個重要指標。通過再生水對斑馬魚胚胎、大水蚤、發光細菌、細胞及其遺傳物質等毒性試驗表明：我國城市污水處理廠二沉池出水經過混凝沉淀、過濾、吸附、膜分離等深度處理后，生物毒性明顯減小，但再生水經過次氯酸鈉和臭氧等消毒劑處理產生毒性副產物，使再生水生物毒性顯著增強，加大了再生水利用的生態風險。進一步研究各種再生水消毒技術的潛在生態風險，再生水中多種污染物與再生水生物毒性的劑量-反應關系，為科學評估再生水利用生態風險提供依據。

【關鍵詞】再生水；水質；生物毒性；監測

1引言

由于水資源過度開發，許多城市水生生態環境惡化，影響城市可持續發展和居民生活質量[1，2]。城市再生水綜合利用(用于農田灌溉和河湖補給等)是解決城市水資源短缺重要途徑之一。再生水通常指污水處理廠二沉池出水經過絮凝、過濾和消毒等工藝處理后的水，水質達到《城市污水再生利用城市雜用水水質》(GB/T18920-2002)等水質標準。我國城市再生水利用率正逐年提高，僅北京市2014年再生水利用量就達到8.6億立方米。但因再生水來源于城市污水，未被完全去除的污染物成分復雜、不完全可知且可能存在相互作用，在利用過程中可能會帶來一定的生態風險，因此評價再生水回用的生態風險成為當務之急。

傳統理化方法能定量分析出再生水中各種污染物濃度，從超標率的角度評價再生水的利用風險[3]，但不能評價再生水中多種污染物的潛在生態風險[4]。再生水生物毒性測試可以彌補理化分析測試方法的不足。通過暴露于再生水中敏感生物的生理形態等變化或測試再生水中有害物質對細胞毒性，可以間接反映再生水中多種毒物的綜合毒性，評估其再利用的生態風險及污水處理技術的有效性，進一步完善國家有關水質標準和廢水排放標準[5]。

美國等西方發達國家已建立了比較完善的水體生物毒性測試標準和體系，并用于實際水體生物毒性的監測[6]。我國于上個世紀90年代初開始借鑒國外標準或方法，開展污水生物毒性的測試與評估工作，完善了我國水質標準和水環境質量評估方法。近年來，隨著我國城市再生水資源利用不斷推進，其潛在的環境生態風險備受關注。為此，本文就目前我國城市再生水生物毒性研究現狀進行了綜述。

2再生水水質生物毒性監測研究

2.1再生水對魚胚胎毒性

魚類處于水生生物食物鏈的頂端，對污染物比較敏感，觀察水體中敏感魚類的生理變化或靶器官的功能及形態變化，可間接反映水體生物毒性。一般將敏感魚類暴露于不同濃度廢水中，暴露時間為24～96h，測量50%的受試魚死亡所對應污染物濃度或稀釋倍數，得到半數致死濃度(LC50)，以LC50的大小判斷廢水生物毒性強弱[7，8]。

余芬芳等[9]用斑馬魚為測試生物，測試了海南某污水處理廠二沉池出水分別經過氯胺、二氧化氯、次氯酸鈉、臭氧和紫外幾種消毒處理后產生的再生水對斑馬魚胚胎的毒性。結果表明：經過幾種藥劑消毒的再生水都可使斑馬魚胚胎出現卵黃囊異常、心跳減緩、色素沉積減少、孵出延緩和卷尾等毒理反應，而暴露于未消毒的二沉池出水中的胚胎沒有出現類似毒理反應。不同消毒方式的再生水暴露引起斑馬魚胚胎最終死亡率增加的趨勢是：二氧化氯< 紫外< 紫外+次氯酸鈉= 二沉池出水(不消毒) < 氯胺= 紫外+ 氯胺< 臭氧< 次氯酸鈉。二氧化氯消毒的再生水致畸性最弱，臭氧消毒的再生水具有潛在的生態危害性[10]。可見，次氯酸鈉和臭氧等氧化劑消毒二沉池出水，會產生消毒副產物，導致再生水對敏感魚及其胚胎具有一定的毒性。

閆志明等[11]用青鳉魚胚胎暴露試驗研究了北京和天津的7個城市污水廠再生水生物毒性。7個污水處理廠的二沉池出水(即，再生水處理系統的進水)對青鳉魚的早期發育都有不利影響，其中3個再生水處理系統的進水毒性大，青鳉魚胚胎的總致死率均達到100%。 “混凝沉淀+連續微濾膜(CMF)+氯消毒”再生水處理工藝能夠顯著降低再生水生物毒性(再生水中青鳉魚胚胎的死亡率與進水存在顯著差異(p≤0.05)；單獨用臭氧氧化處理產生的再生水，會導致青鳉魚的總致死率上升，但“臭氧+ 生物濾池”再生水處理工藝也可以顯著降低再生水進水對青鳉魚胚胎的不利影響(p≤0.05)。劉翔宇[12]針對某市A、B兩個再生水廠出水中含有未被降解的多環芳烴萘、芴、菲的現狀，測試了再生水中芴對斑馬魚及其胚胎的毒性。結果表明，芴屬于高毒物質，其對成體斑馬魚96h的LC50為3.66mg/L，安全濃度為1.11mg/L；芴會在斑馬魚體內富集；斑馬魚胚胎相較于成體斑馬魚具有更高的耐受性，其對胚胎與成體48hLC50分別為6.01mg/L，4.073mg/L。

可見，次氯酸鈉和臭氧等氧化劑消毒二沉池出水，會產生消毒副產物，導致再生水對敏感魚及其胚胎具有一定的毒性。

2.2再生水對水蚤毒性

大型蚤(Daphniamagna)是生活在自然水環境中的浮游甲殼類動物，生長繁殖快，容易培養，對水體污染物敏感，已成為國際上水污染毒性指示生物[13，14]。近年來，國內有關研究人員利用大型蚤對城市再生水進行急性毒性進行評價。

劉家飛[15]利用大型蚤對我國北方某工業重鎮的5個城市污水處理廠再生水的原水(二級出水)和2個再生水處理工藝的各單元出水的急性毒性進行了分析測試。結果表明，再生水的原水對大型蚤具有不同程度的毒性效應，其中工業廢水占較大比例的K和B廠原水的大型蚤48h總抑制率分別高達90%和100%。J廠的混凝沉淀(混凝劑為聚合氯化鋁)+CMF(連續微濾膜過濾)+氯消毒和K廠的MBR(膜生物反應器)+臭氧氧化+BAC(生物活性炭)再生水工藝對原水急性毒性有不同程度的消減，但加氯消毒和臭氧氧化處理后的再生水對大型蚤的急性毒性顯著增強。楚麗梅[16]研究了河南鄭州市A廠、江蘇南京市B廠和江蘇鹽城市C廠三家有代表性的城市污水處理廠的二級出水及再生水的生物毒性。A、B、C三廠的生化處理主體工藝分別為改良A20工藝、一體化活性污泥工藝和CASS工藝。在分析城市污水二級出水基本特征與組成的基礎上，針對“磁性樹脂-混凝”(“NDMP-PAC”)與“超濾-臭氧”(“UF-03”)兩種深度處理工藝，采用大型水蚤急性毒性測試對A、B、C廠二級出水及其消毒出水的生物毒海性進行測試。結果表明：二級出水的生物毒性與有機物濃度高低關系一致，A廠最高，B廠最低，C廠居中；經氯消毒后，隨著鹵甲烷(THMs)、鹵乙酸(HAAs)等消毒副產物(DBPs)的生成，急、慢性生物毒性均有所上升。二級出水分別經過“NDMP-PAC”與“UF-O3”兩種工藝處理后，有機物濃度、DBPs生成勢以及氯消毒出水的生物毒性均得到有效的降低，大型蚤的死亡率從40%左右降低到15%左右，但相比之下，“NDMP-PAC”對毒性的去除效果優于“UF-O3”工藝。

經過氯消毒或臭氧氧化工藝單元處理的再生水對大型蚤的急性毒性顯著增強，顯然，兩種消毒方式增大了再生水毒性。

2.3再生水對藻類毒性

一些水體污染物會抑制藻類的光合作用、呼吸作用和生長，因此，可以選擇對水體污染比較敏感的藻類測試再生水的生物毒性。如丁國際等[17]用斜生柵藻和天然混合藻類測試了北京某污水處理廠再生水的生物毒性。試驗結果表明：再生水作為生態補給水所占比例不宜超過12%；再生水對針桿藻屬和微囊藻屬生長的促進作用大于抑制作用，對柵藻屬和小球藻屬生長的抑制作用大于促進作用。

2.4再生水對發光細菌毒性

發光細菌是一種對水體污染物敏感的微生物，細菌正常代謝時，發光強度穩定，且可持續較長時間；當外界環境影響到發光細菌代謝時，發光會立即受到抑制；細菌發光強弱程度與毒性物質之間存在的負相關性，因此，可以根據發光抑制率的大小，測定水體的綜合毒性[18]。

劉家飛[15]的研究結果表明各再生水的原水對發光菌具有不同程度的毒性效應，其中工業廢水占較大比例的K和B廠再生水原水的發光菌發光抑制率分別達到74.2%和46.5%。J、K2個再生水處理系統各主要工藝單元對進水急性毒性有不同程度的消減，但加氯消毒和臭氧氧化處理后發光菌的急性毒性顯著增強。王麗莎等[19]采用發光細菌毒性測試方法測定了A、B兩城市污水再生處理工藝中水體生物毒性的變化，結果顯示，示范工程A對發光菌的抑制率為：進水63%，二沉池出水降低至0%，氯消毒后增強至93%。示范工程B對發光菌的抑制率為：進水14%，SBR出水0%，氯消毒后增強至23%，說明二級生物處理能顯著降低污水的毒性效應，但氯消毒處理反而導致出水毒性升高，表明消毒處理副產物的生成增加了出水的潛在風險。劉曉靜[20]采用青海弧菌Vibrioqinghaiensissp.-Q67 對青島某城市污水處理廠的二級出水(A2O工藝)和深度處理出水(混凝—沉淀—過濾—消毒工藝)以及FeCl3混凝試驗的出水(混凝試驗原水為該污水處理廠的二級出水)，分別進行了發光細菌毒性試驗。實驗顯示：二級出水經深度處理后的再生水對發光細菌毒性明顯減小，但NaClO消毒過程中產生有生物毒害作用的三鹵甲烷等消毒副產物，對發光細菌產生抑制作用。適量FeCl3能有效降低水樣的細菌毒性，但水樣中過多殘留FeCl3對發光細菌有抑制作用。

二沉池出水對發光細菌的急性毒性明顯[15，19，20]，而對斑馬魚、青鳉魚及其胚胎和大水蚤的急性毒性比較小或無毒性[9，11]；二沉池出水經過深度處理產生的再生水的生物毒性明顯減小，但使用次氯酸鈉和臭氧等消毒劑消毒后，再生水的生物毒性明顯增強[9-20]。

2.5再生水對細胞毒性

與動物實驗或微生物實驗相比，細胞毒性試驗操作簡單，實驗時間短，且成本低，可重復。原理是在離體狀態下檢測細胞新陳代謝的功能，以此評價再生水的生物毒性。細胞毒性試驗不僅能定量分析實驗結果，而且可快速篩選批量樣品，該方法應用比較廣泛。

王志謹[21]采集鄭州市某污水處理廠二級出水、三級出水(經過混凝沉淀和過濾消毒)和混合型廢水深度凈化技術(包括水解酸化池、缺氧厭氧池、強化氧化溝和沉淀池，簡稱MSOD工藝)處理水各約200L。 以中國倉鼠卵巢(CHO)細胞為實驗對象，用四甲基偶氮唑藍(methylthiazolyltetrazolium，簡稱MTT)比色法評價細胞毒性。MTT比色法結果顯示，二級出水、三級出水和MSOD工藝出水的CHO細胞活性低于對照組(P<0.05)，組間比較結果顯示，MSOD工藝出水中有機提取物的細胞毒性最大。

陳盈盈[22]采用人乳腺癌細胞株MCF-7的中性紅實驗和大白鼠肝癌細胞株H4ⅡE的AhR受體效應(EROD)對北京某城市污水處理廠再生水進行了細胞急性毒性測試。結果表明：原水和二沉池出水具有一定的細胞毒性，幾種深度處理方法都能有效降低再生水的細胞毒性。AhR受體效應實驗結果顯示，與原水相比，幾種處理方法獲得的再生水的AhR受體效應物質的去除效果明顯，其中，活性炭對Ah受體特征物質的去除率達到了98%。 可見，經過深度處理，再生水的細胞毒性顯著減小。

2.6再生水遺傳毒性效應

測試水體遺傳毒性主要是依據水體中有害物質對DNA的損失程度。 目前測試再生水遺傳毒性方法有：Ames實驗、SOS/Umu遺傳毒性實驗、蠶豆根尖微核實驗和基于芳香經受體(AhR)效應的檢測方法等。

劉曉靜[20]用蠶豆根尖細胞微核千分率(MCN‰)遺傳毒性試驗測試了青島市某污水處理廠的二級出水和深度處理出水以及FeCl3混凝沉淀出水的遺傳毒性。結果顯示：深度處理出水的遺傳毒性比二級出水的遺傳毒性作用顯著。污水處理廠二級出水經FeCl3絮凝沉淀后遺傳毒性作用顯著，隨著FeCl3投加量的增加，再生水遺傳毒性明顯增強。王志謹[21]采用單細胞凝膠電泳試驗、胞質阻滯微核(CBMN)試驗和HPRT基因位點突變試驗測試了鄭州市某污水處理廠二級出水、三級出水和MSOD工藝深度處理出水的生物遺傳毒性。單細胞凝膠電泳試驗結果顯示，隨染毒劑量升高，拖尾細胞率升高，DNA損傷程度提高，組間比較結果顯示，三級消毒出水的細胞拖尾率高于MSOD工藝出水和二級出水(P<0.05)；CBMN試驗結果表明，隨染毒劑量加大，微核率升高，核分裂指數降低，其中三級出水和MSOD工藝出水的微核率高于二級出水；HPRT基因位點突變試驗結果表明染毒濃度越高，突變率越大，MSOD工藝出水的突變率高于二級出水和三級出水。顯然，鄭州市某污水處理廠二沉池出水經過消毒生產的再生水具有較高的遺傳毒性，再生水中存在導致染色體損傷的遺傳毒性物質。

苗婷婷[23]用SOS/Umu遺傳毒性實驗測試了某城市污水處理廠二級處理水(即混凝+砂濾出水)經氯、臭氧及二者組合工藝消毒產生的再生水生物毒性。劉曉靜[20]和王志謹[21]的研究具有一個相近的結論，即經過消毒處理的再生水遺傳毒性高于二沉池出水(臭氧消毒除外)，而苗婷婷[23]的研究結論則認為二沉池混凝過濾消毒處理后，遺傳毒性減弱，是否是水質或遺傳毒性測試方法不同的原因，還有待進一步探討。

2.7再生水對細胞氧化應激系統毒性

王志謹[21]采用檢測超氧化物歧化酶(SOD)活性改變、細胞內酶乳酸脫氫酶(LDH)的逸出和谷胱甘肽(GSH)含量的方法，評價有機提取物對CHO細胞氧化應激系統的影響。實驗結果表明：隨染毒濃度升高，GSH含量與LDH活性升高，超過一定濃度后，酶活性高于對照組，表明污染物濃度升高引起細胞抗氧化反應；SOD活性隨染毒濃度升高活性降低，三級出水和MSOD工藝出水的GSH、SOD活性升高較二級出水明顯，LDH活性低于二級出水，表明三級出水和MSOD工藝出水細胞抗氧化反應強于二級出水，毒性較高。 劉翔宇[12]的研究結果顯示：再生水中的芴會嚴重影響斑馬魚抗氧化酶系統，主要表現為斑馬魚的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(Catalase，CAT)活性隨暴露時間的延長，均呈現先激活升高后抑制降低的趨勢。

上述兩研究結果至少能夠說明經過消毒的再生水中含有引起細胞抗氧化應急反應，表明再生水具有一定毒性。

2.8再生水的內分泌干擾效應

污染水體中含有多種環境激素，即內分泌干擾物，這些外源性化學物質進入生物體內，通過影響生物體內的激素合成、運轉、作用、釋.放、結合和清除等過程，對生物體內分泌系統產生干擾，從而導致生物機體異常。有研究報道，污染處理廠排放水體中的環境激素可到雄性魚雌性化[24]。目前，我國部分研究人員主要采用雙雜交酵母法檢測再生水中內分泌干擾物的生物活性[22，25 ]。

陳盈盈[22]用重組基因酵母增殖實驗測試了北京某污水處理廠再生水的內分泌干擾效應，結果顯示超濾對類雌激素物質去除效果最好，反滲透、微濾和活性炭過濾對再生水的內分泌干擾效應去除不明顯。李博[25]通過重組基因酵母生物測試、小鼠子宮增重及形態學實驗評價再生水中有機提取物的雌激素樣作用，結果顯示鄭州市混合型城市污水處理后的再生水中含微量有機污染物，雌激素活性微弱。

顯然，再生水中微量污染物的雌激素活性很小，但如果長期在利用，導致這些微量污染物累積，其引起的內分泌干擾效應不容忽視。

3結論

(1)不同再生水生物毒性測試研究獲得比較一致的結論(除苗婷婷[23]的研究結論不同外)，即，二沉池出水經過混凝、沉淀、過濾、吸附、膜分離等深度處理后，生物毒性明顯減小，但再生水經過次氯酸鈉和臭氧等消毒劑消毒后，其生物毒性顯著增強，增加了再生水綜合利用的生態風險。因此，如何降低消毒單元所產生的生物毒性，保障后續再生水利用的安全有待進一步研究。

(2)上述部分再生水生物毒性測試研究是先對再生水的理化水質指標進行了測定，然后再進行生物毒性測試，但對再生水的理化水質指標與其生物毒性測試結果相關性的研究比較少。因此，有必要進一步深入研究再生水中有害物質的毒理及劑量-反應關系，尤其是多種有害物質的劑量-反應關系，將有助于科學評估再生水綜合利用的生態風險。

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作者簡介：馬嘯飛，在讀碩士，主要從事水環境風險評估

通訊作者：李洪枚，博士，教授，主要從事水污染控制技術與環境暴露健康風險評估

中圖分類號：X51

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)04-0067-04

Research Development on the Biological Toxicity of Reclaimed Water in China

MA XiaofeiLI Hongmei

(School of Safety and Environmental Engineering，Capital University of Economics and Business，Beijing 100070，China)

Abstract：Biological toxicity is one important index in ecological risk assessment for the reclaimed water use. Toxicity test results of reclaimed water by using zebrafish embryo，daphnia，luminescent bacteria，cell and its genetic materials as test subjects indicated that the toxicity of second effluent from municipal wastewater treatment plants was decreased after treated with coagulation sedimentation，filtration，adsorption，membrane separation and so on. But the toxicity of reclaimed water was obviously increased due to the by-products produced by sodium hypochlorite or ozone disinfection，which making the ecological risk of use of reclaimed water higher. So，it is necessary to further investigate the ecological risk of reclaimed water disinfection technology. Deliberation of relationship between the mixture of pollutants in reclaimed water and the biological toxicity of reclaimed water will provide the scientific supports for the ecological risk assessment of reclaimed water reuse.

Keywords：reclaimed water；biological toxicity；research development

項目資助：2015年北京市大學生科研訓練計劃深化項目

引用文獻格式：馬嘯飛等.我國再生水水質生物毒性監測研究進展[J].環境與可持續發展，2016，41(4)：67-70.