发光菌法检测雨源型河道水及工业废水的生物毒性
发光菌法检测雨源型河道水及工业废水的生物毒性
刘芸，易皓，丘锦荣，陈思莉，张政科
(环境保护部华南环境科学研究所，广东广州510655)
摘要：采用Microtox Model 500综合毒性检测仪对广东某工业区下游雨源型河道丰水期、枯水期20个样品及流域内典型工业废水、生活污水处理前后10个样品的急性毒性效应进行了测定和分析。结果表明，有4个样品产生了明显急性毒性效应，其余26个样品无毒；河道干流及支流丰水期、枯水期20个水体样品均未表现出明显光抑制效应，枯水期10个样品光抑制率整体较丰水期10个样品高；部分工业及生活废水具高毒性效应，但经工艺处理后出水光抑制率显著低于处理前废水，表明处理工艺对具有发光菌光抑制率污染物有良好的去除效果。
随着经济发展，我国许多流域范围内存在较多的漂染、电子电镀、化工等产业，导致环境水体中污染物的种类和数量繁多，而传统的理化分析方法能定量分析污染物中主要成分的含量，但不能直接、全面地反映各种有毒物质对环境的综合影响，特别是针对季节性变化明显的工业区雨源型河道，常规的理化分析方法无法判定有毒物质的质量浓度和生物效应之间的直接关系，无法对工业区下游雨源型河道提供水体环境污染预警作用。
发光菌从20世纪30年代开始应用于快速评价药物毒性作用，后在测定重金属、有机化合物、农药的毒性中得到大量应用，并开始应用于地表水及工业废水的毒性评价。现在认可发光菌的发光机理是发光酶催化还原态的黄素单核苷酸发生氧化，并伴随光的释放，加之这个过程与微生物代谢过程有关，因此通过发光率的改变来显示有毒物质对生物体的毒性作用。笔者采用Microtox Model 500综合毒性检测仪检测法对广东深圳某工业区下游雨源型河道丰水期、枯水期水体及5种工艺处理前后的废水生物毒性进行了快速测定，为我国雨源型河流的毒性监测与管理提供技术支持。
1 材料与方法
1.1 实验材料
① 菌种。实验用菌种为费希尔弧菌(Microtox Acute Reagent)冻干粉，由MicroTox公司提供，-20 ℃保存。开盖后24 h内水合，水合后室温下3 h内使用（放入恒温的“REAGENT WELL”中贮备可延长使用时间，但不能超过当天使用）。水合后等待时间为15 min。
② 仪器及试剂。综合毒性检测仪（Microtox Model 500，美国，SDI）；全自动荧光及化学发光酶标仪（Synergy HT，Biotek）；移液器（1 000、200、10 μL，德国，Eppendorf）；检测试剂盒（补充液、稀释液、渗透调节液，美国，SDI）；发光管（5 mL，美国，SDI）。
1.2 实验方法
1.2.1 样品采集和前处理
样品采集瓶采用棕色带塞细口玻璃瓶，样品瓶经重铬酸钾洗液润洗浸泡过夜，用自来水、蒸馏水洗净后倒置晾干待用。河道及市政污水处理厂样品分丰水期（5月份）和枯水期（11月份）进行采集，流域内工业废水、生活污水在5月份进行一次采集。采集的样品运回实验室后立即于4 ℃下保存，不添加任何溶剂及药品。河流水样一般不需要做特殊准备，但样本的pH值会对测试结果产生影响。对于采集到的样本，pH值用NaOH或HCl调节至6.0~8.0之间。保证测试的准确性和样本完整性。
1.2.2 发光抑制检测实验
实验方法按照仪器说明书进行，需提前开机预热15~30 min，本实验采用两种检测模式：一是“81.9% Screening Test”检测模式，即所检测样品的实际浓度为进样浓度的81.9%，包含暴露5 min与暴露15 min结果。二是“EC50 Test”模式进行实验，通常为原水抑制率较高样品，需要进行浓度稀释后计算其EC50值。
每个检测样品采用3个平行，实验同时添加3个平行的对照（蒸馏水，自行准备）保证实验的有效性并以此为基础计算发光抑制率。
1.2.3 数据分析及处理
根据仪器检测方法，发光抑制率与发光抑制EC50值均由程序自动得出，数据采用Excel进行分析。
2 结果与分析
2.1 东江河流水体发光菌抑制毒性效应实验
2.1.1 丰水期样品急性毒性效应检测结果及分析
利用发光菌快速检测法，对丰水期采集于河道干流、支流的6个水体（样品1~6）及2个市政污水处理厂进出水样品（样品7~10）进行发光菌急性毒性试验，结果见表1。该10个样品pH值均处于6~8之间，因此不需调节pH值。
表1 河流及市政污水处理厂水体丰水期发光抑制率检测结果
由表1可知，样品1、样品4暴露5 min与15 min表现出光抑制作用，但抑制率均小于12%。样品9与样品10暴露5 min表现出光抑制作用，15 min表现出光诱导作用，但抑制与诱导率小于12%。根据该仪器使用说明中提到的“Microtox Model 500对常见干扰毒性物质测定结果的标准偏差≤12%（USEPA检测报告为依据）”。因此，样品1、样品4、样品9及样品10均未表现出明显光抑制效应，即未检出明显毒性作用。样品2、样品3、样品5、样品6、样品7及样品8发光率高于对照样品，表现出诱导发光率作用，说明样品中的污染物质与样品1及样品4中具有不同的性质。特别是样品2与样品8，诱导发光强度更为明显，里面存着的污染物质还需要进一步的实验论证。
10个样品的5 min与15 min测试结果基本一致，未有明显变化，这也说明本实验所选用的测试时间段内发光菌的发光强度稳定，适宜进行外源物质的光抑制效应检测实验。
2.1.2 枯水期样品急性毒性效应检测结果及分析
利用发光菌快速检测法，对枯水期采集于河道干流、支流及2个市政污水处理厂进出水样品进行发光菌急性毒性试验，结果见表2。
表2 河流及市政污水处理厂水体枯水期发光抑制率检测结果
由表2可知，枯水期样品均表现出无明显急性生物毒性。其中，样品1、4、5、7、10暴露5 min与10 min表现出光抑制效应，但均小于12%，在仪器标准偏差范围内，但样品1暴露5 min的光抑制为11.92%，非常接近12%，存在一定的生物毒性风险；样品2、3、6、8表现出诱导发光率效应，暴露5 min和10 min检测发光菌发光率明显增强，表明这类样品中存在能够刺激菌体活性，使其发光度增高的物质。样品9在暴露5 min时表现出光抑制效应，而暴露15 min时则表现出诱导发光率效应，表明发光菌在一段时间后适应了样品9中的环境，并且菌体活性得到增强。
对比丰水期与枯水期河道及市政污水处理厂样品毒性效应结果可知，河道与市政污水处理厂丰、枯水期均表现为“无毒”，但大部分枯水期样品的光抑制率较丰水期高。这可能是工业区下游雨源型河道的特点所致，在丰水期，河道集雨区降雨量大，河道的水源补给主要来自雨水，在枯水期，缺少了降雨的补给河道水源主要为排放的工业生产废水及生活污水，因此，枯水期污染物浓度较高，样品的光抑制率较高。
2.2 废水的发光菌光抑制毒性效应实验
利用发光菌快速检测方法检测了5种工艺处理前后废水(包括工厂废水、生活污水)，共计10个样品（经检测常规指标均达标）的急性毒性效应，结果见表3。
表3 工艺处理前后废水发光抑制率检测结果
本研究所采集工业及生活废水样品中有4个样品表现出了明显的光抑制效应。根据《行业废水毒性分级标准/发光菌》（见表4），废水样品表现出不同的毒性等级，下面取5 min和10 min光抑制率结果的平均值进行分析，并按照毒性等级的大小来说明检测结果，如图1所示。
表4 行业废水毒性分级标准/发光菌
图1 流域内5种工艺进出水急性毒性检测结果分级
高毒：工艺2、工艺5处理前废水，未稀释样品的“81.9% Screening Test”抑光率达到90%以上，“EC50值”检测得到半数抑制率浓度分别为6.616%和45.72%，按照行业废水相对抑光率分级标准达到高毒水平，占样品总数的20%。
低毒：工艺4处理前废水与工艺5处理后出水的原水抑光率处于12%至30%之间，抑光率分级为低毒水平，占样品总数的20%。
无毒：其余的样品包括工艺1处理前后废水、工艺2处理后出水、工艺3处理前后废水及工艺4处理后出水，6个水体样品均未表现出明显的光抑制效应，属于无毒水平，占样品总数的60%。
结合水样来源与处理工艺进行分析，可以发现，在本研究所涉及样品中，制药厂的综合废水与污泥焚烧吸收液废水毒性最高，制药厂废水属于高浓度难降解有机废水，已有研究表明其对蚕豆根尖生长具有显著毒性效应，对湿地生态系统也能产生显著危害，在经过工艺处理后毒性明显降低，与本研究结论一致；目前关于污泥焚烧吸收液毒性研究较少，但污泥焚烧灰渣中重金属如Hg、As、Cd、Pb等含量较高，且浸出风险较大，因此在污泥焚烧废水中的毒性物质应该主要来源于这些重金属类污染物。
工艺4的市政废水中包含了居民生活污水及部分工业废水，成分较为复杂，在经MSL+BAF工艺处理后毒性降低到未检出的水平，说明所用处理工艺对该废水毒性物质能产生良好的去除作用。
电镀厂综合废水与纳污河道废水均未表现出显著发光抑制效应，表明其废水中不含或者仅含有微量产生毒性的污染物；电镀厂工艺废水量较少，其综合废水主要由生活污水等构成，毒性较小，纳污河道废水急性毒性较低也与现有研究报道一致。
综上所述，本实验所用测试方法能对不同类型废水及处理后出水的毒性进行定性定量表征，可以作为一种快速筛查方法在工业区下游河道及工业废水中进行推广应用，成为现有常规分析指标的一种补充。
3 结论与展望
① 河道及2个市政污水处理厂在丰水期、枯水期的20个样品发光抑制率均小于12%，急性毒性效应不明显，表明河流与市政污水处理厂水体受到的急性毒性物质污染较小；河道及2个市政污水处理厂枯水期样品光抑制率整体较丰水期高，工业区下游雨源型河道枯水期水体存在生物毒性效应的风险。
② 流域内典型工业废水大部分具有明显急性生物毒性，但经过处理后急性毒性效应明显降低，表明废水处理工艺能够有效去除废水中的急性毒性污染物。
③ 发光菌快速检测法适用于工业区下游河道及部分工业废水处理前后水体的急性生物毒性，弥补了水体常规监测指标的不足，如部分高毒废水经工艺处理后出水常规指标达标，而发光菌检测法检测结果显示为“低毒”。
当前我国的水质监测中生物毒性指标还未全面纳入监测范围，本文生物毒性监测的结果显示，经过常规污水处理工艺后的出水常规指标虽已达标，但仍然存在污染风险，特别是在南方，雨源型河道水质风险需要引起重视，因此，有必要将生物毒性效应指标纳入日常监测指标体系中，以保障饮用水源水质安全。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第10期“分析与监测”栏目）
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