致突變性有機物在常規水處理工藝中的去除

趙友恒

(山東省環科院環境工程有限公司，山東 濟南250101)

1 引言

在我國飲用水處理依然沿用歷史悠久的絮凝、沉淀、砂濾、加氯消毒處理工藝。這一工藝處理能去除水中大部分污染物達到凈化目的[1]。但當前飲用水水源的污染日益變化，進入水中污染物的種類隨著工業的發展日益變化著，現給水處理工藝雖然仍能使水中污染物的濃度降到法定要求，但是在處理工程中產生的有毒有害物質的多樣化卻是飲用水對長期飲用者具有了慢性毒性，甚至是“三致”毒性。

當前，國內外已有研究針對不同的水處理工藝和不同消毒劑對水中致突變性有機物的去除規律進行了探索[2，3]，這些研究采用不同的生物手段從生物毒性去除的角度對處理工藝進行評價，但很少研究針對每一處理單元的去除效率進行系統研究。本文以國內常見工藝組合為研究對象，采集每一段工藝出水，應用彗星試驗對每一水樣有機提取物的致突變毒性進行研究，并采用GC/MS檢測技術進一步確定產生致突變性的具體物質。

2 材料

2.1 試劑

XAD－2大孔樹脂、XAD－7大孔樹脂、正常熔點瓊脂糖、低熔點瓊脂糖、肌氨酸鈉等均購于Sigma公司；淋巴細胞分離液購于中國醫學科學研究院生物工程研究所，環磷酰胺購于江蘇恒瑞醫藥有限公司。甲醇、丙酮、乙腈、二甲基亞砜(色譜純)均購于天津化學試劑有限公司。

2.2 儀器

BX41－熒光顯微鏡和Mettler－ToledoZ－383－離心機均購于日本奧林巴斯，DYY－6C電泳儀和0931DN－水平式凝膠電泳槽購于北京市六一儀器廠，DC－12氮吹儀購于上海安譜科學儀器有限公司，Aglient 7890A/7000B QQQ串聯質譜儀購于Aglient公司。

2.3 水樣采集與前處理

根據Q水廠的工藝流程，設定4個水樣：進廠水、加混凝劑經沉淀之后的沉后水、經過砂濾池處理之后的濾后水以及液氯消毒之后的出長水。2017年8月份采集水樣。每個水樣至少采集110 L，在采樣過程中應避免水樣受到有機物污染。

將100 L水樣經裝有預處理過的大孔樹脂XAD－2和XAD－7[5]的層析柱安裝在富集裝置上進行有機物富集，流速控制在40 m L/min。水樣過柱完畢后，取下層析柱用乙酸乙酯洗脫液分3次浸泡洗脫(時間分別為60 min、30 min、15 min)，收集洗脫液，加入無水硫酸鈉進行脫水處理。采用氮吹法在40℃水浴環境下對洗脫液進行濃縮，當濃縮至10 m L其濃度為10 L/m L，即1 m L乙酸乙酯中的物質相當于10 L水中的有機物，取1 m L進行氣質監測。

3 實驗方法

3.1 化學分析

3.1.1 常規理化檢測

在開展生物實驗之前，分別依據《地表水環境質量標準》(GB3838－2002)和《飲用水環境質量標準》(GB5749－2006)對進水和出水進行常規理化監測。對濁度高的原水樣，靜置后取上清液進行試驗。

3.1.2 GC/MS成分分析

色譜實驗條件：色譜柱HP－5MS；升溫程序起始溫度為40℃，保持2 min，再以10℃/min升溫至300℃，恒溫15 min；進樣為自動，不分流進樣；恒壓模式；進樣體積：1μL；載氣：氦氣，純度99.999%；流量為1 m L/min；

質譜實驗條件：電離方式EI，電離電壓為70 eV；掃描范圍40～400 amu，掃描方式為全掃描；傳輸線溫度280℃；離子源溫度230℃；四極桿溫度150℃。

定性和定量分析：通過NIST08譜庫檢索，將水樣總離子圖與工作站里貯存的譜庫中的譜圖相比較，選出匹配分數最高的對應譜圖來確定該化合物。

3.2 毒性試驗

3.2.1 染毒動物及其染毒方式

前期通過預實驗得出，性別對于本實驗的影響并不顯著，因此本實驗只選用SPF級昆明種雌性小白鼠為實驗動物，SPF級昆明種雌性小白鼠，年齡為5周，體重分別為18～22 g左右，小白鼠由山東大學提供。

染毒劑量為0.01 m L/(g·d)，并以環磷酰胺為陽性對照組，二甲基亞砜為陰性對照組。每一組喂養老鼠3只，每天經口給予各組小鼠飲用水有機提取物，連續染毒5 d后，斷頸處死小鼠，取脾臟進行試驗。

3.2.2 淋巴細胞的提取

將用專用眼科剪脾臟樣做剪碎處理，放入PBS緩沖液中進行懸浮后混勻，過200目篩得到均勻的細胞懸浮液。取1.5 m L的淋巴細胞分離液(放至室溫溫度)放入5 m L的離心管中，再吸取1.5 m L的細胞懸浮液，慢慢將細胞懸浮液放入離心管內，由于細胞分離液的比重大于PBS的比重，離心管中有明顯的分層現象。室溫下，在1500 r/min的條件下離心(水平轉子)15 min。離心后分為四層依次從上到下：PBS液、淋巴細胞層、淋巴細胞分離液、碎片層(紅細胞與一些死細胞)。

3.2.3 彗星試驗

采用目前最常用的“三明治”三層凝膠結構[6]制成凝膠片，依次進行裂解、解旋、電泳、中和以及脫水對膠片進行處理。每片用20μg/m L的溴化乙錠染色，4℃避光放置20 min。用熒光顯微鏡觀察，用隨機軟件在自動曝光條件下拍照獲取彗星圖像后，用CASP軟件分析測量DNA遷移的各種參數[7]，每一樣本拍取30～40個細胞。

4 結果與討論

4.1 化學分析結果

4.1.1 常規理化監測

根據國內《地表水環境質量標準》(GB3838－2002)和《飲用水環境質量標準》(GB5749－2006)，本實驗中除了進水的總氮和總磷分別為2.05 mg/L和0.022 mg/L顯示該水處于中營養狀態，其它水質常規理化指標均未有明顯的超標。

4.1.2 有機提取物成分

表1顯示了水樣有機濃縮物的成分，共定性出有機物13種，進水中檢測出44種有機物。其中單環放芳烴類和多環芳烴類化學物這兩類有機物占首位。且在每一水樣中均檢測出有機農藥成分，如：1，4－二氯苯。生產中，1，4－二氯苯常用作殺蟲劑、防腐劑、分析試劑，在一些對人類重要食物鏈中，特別是在水生生物中可發生生物蓄積。另外，在出水水樣有機提取物中檢測出消毒副產物CHClBr2和CHBr3，其濃度分別為0.0247和0.00419 mg/L。其余的消毒副產物均未檢測出。

表1 水樣濃縮物中的有機成分分析

4.2 水樣有機提取物的遺傳毒性

圖1顯示了所有水樣的有機提取物導致的DNA損傷，顯示出彗星指標值(尾部DNA含量和Olive尾矩)隨著小鼠染藥濃度的增大，均呈現明顯的增長趨勢，這表明DNA損傷程度與濃度之間存在明顯的劑量－效應關系。且每一個濃度的相應值與陰性對照相比均具有顯著性差異。另外，同一個濃度的4個水樣的指標值大小變化趨勢均為：進水＞沉后水＞出水＞濾后水。這與馬梅[1]和張淑琪等[8]采用Ames實驗得出的加氯消毒增加出水的致突變性的結論是一致的。

圖1 有機提取物對淋巴細胞造成的DNA損傷程度

從圖1可以看出，從進水到沉后水再到濾后水DNA損傷程度呈現降低趨勢，但濾后水經液氯消毒后，出水的DNA損傷程度又再度上升。表1中雖然濾后水的有機物數量最多，但是濾后水DNA損傷程度卻是最低的。出水與濾后水相比較雖然有機物數量相差甚微，但出水的“三致”有機物種類卻比濾后水的多出兩種鹵代烴即消毒副產物，這與出水DNA損傷程度再次增高有很大關系。因此，在同樣條件下對消毒副產物的遺傳毒性進行了研究。

4.3 DBPs

4.3.1 DBPs藥物濃度

根據有機提取液的GC/MS成分分析結果選定CHClBr2和CHBr3為代表物質進行消毒副產物毒性研究。將豐水期有機提取物中的CHClBr2和CHBr3的濃度設為高濃度組，同樣設定中濃度、低濃度組和陰性對照組。以國家標準物質為溶質，二甲基亞砜為溶劑按表2中濃度配制CHClBr2和CHBr3的混標溶液。

表2 CHClBr2和CHBr3的濃度設定

4.3.2 DBPs的遺傳毒性

圖2顯示了DBPs混標溶液所導致的DNA損傷，圖中顯示出彗星指標值(尾部DNA含量和Olive尾矩)隨著小鼠染藥濃度的增大，均呈現明顯的增長趨勢，這表明DNA損傷程度與混標溶液濃度之間存在明顯的劑量－效應關系。且各濃度組與陰性對照組相比具有差異顯著性。由此結果證明，出水中DBPs本身存在的致突變性是導致出水遺傳毒性增大的原因。

圖2 DBPs導致的DNA損傷程度

5 結論

水中致突變有機物的去除主要取決于飲用水處理流程的所有處理單元，本實驗結果顯示，4個水樣的遺傳毒性變化趨勢如：進水＞ 沉后水＞出水＞ 濾后水。這表明進水經絮凝、沉淀、過濾之后，水中的遺傳毒性是逐漸降低的。但濾后水經液氯消毒后，其遺傳毒性再次增加，而經試驗證明是消毒副產物的產生增加了出水的遺傳毒性。

因此，首先，國內普遍采用的給水處理工藝已不再適用處理如今的飲用水水源。尤其是當前水質污染越來越多樣化，越來越復雜化。其次，僅用常規理化指標來指示水質的風險性是不可信的。實驗顯示，常規理化指標未超標的水質對飲用者仍有潛在的毒性。因此，去除有機物本身和去除與其有關的潛在毒性同樣重要。對水質風險的評價甚至對處理工藝的評價不能單方面采用理化手段，生物手段也應該成為監測主力。再次，消除消毒副產物的產生應該成為研究重點。一方面要尋找更廉價有效的消毒劑，阻止副產物的產生。另一方面，尋找更有效的消毒前處理阻止消毒前質體的存在或產生也是阻止消毒副產物產生的有效方法。