發光菌法檢測雨源型河道水及工業廢水的生物毒性

劉蕓，易皓，丘錦榮，陳思莉，張政科

(環境保護部華南環境科學研究所，廣東廣州510655)

摘要：采用Microtox Model 500綜合毒性檢測儀對廣東某工業區下游雨源型河道豐水期、枯水期20個樣品及流域內典型工業廢水、生活污水處理前后10個樣品的急性毒性效應進行了測定和分析。結果表明，有4個樣品產生了明顯急性毒性效應，其余26個樣品無毒；河道干流及支流豐水期、枯水期20個水體樣品均未表現出明顯光抑制效應，枯水期10個樣品光抑制率整體較豐水期10個樣品高；部分工業及生活廢水具高毒性效應，但經工藝處理后出水光抑制率顯著低于處理前廢水，表明處理工藝對具有發光菌光抑制率污染物有良好的去除效果。

隨著經濟發展，我國許多流域范圍內存在較多的漂染、電子電鍍、化工等產業，導致環境水體中污染物的種類和數量繁多，而傳統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、全面地反映各種有毒物質對環境的綜合影響，特別是針對季節性變化明顯的工業區雨源型河道，常規的理化分析方法無法判定有毒物質的質量濃度和生物效應之間的直接關系，無法對工業區下游雨源型河道提供水體環境污染預警作用。

發光菌從20世紀30年代開始應用于快速評價藥物毒性作用，后在測定重金屬、有機化合物、農藥的毒性中得到大量應用，并開始應用于地表水及工業廢水的毒性評價。現在認可發光菌的發光機理是發光酶催化還原態的黃素單核苷酸發生氧化，并伴隨光的釋放，加之這個過程與微生物代謝過程有關，因此通過發光率的改變來顯示有毒物質對生物體的毒性作用。筆者采用Microtox Model 500綜合毒性檢測儀檢測法對廣東深圳某工業區下游雨源型河道豐水期、枯水期水體及5種工藝處理前后的廢水生物毒性進行了快速測定，為我國雨源型河流的毒性監測與管理提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

① 菌種。實驗用菌種為費希爾弧菌(Microtox Acute Reagent)凍干粉，由MicroTox公司提供，-20 ℃保存。開蓋后24 h內水合，水合后室溫下3 h內使用（放入恒溫的“REAGENT WELL”中貯備可延長使用時間，但不能超過當天使用）。水合后等待時間為15 min。

② 儀器及試劑。綜合毒性檢測儀（Microtox Model 500，美國，SDI）；全自動熒光及化學發光酶標儀（Synergy HT，Biotek）；移液器（1 000、200、10 μL，德國，Eppendorf）；檢測試劑盒（補充液、稀釋液、滲透調節液，美國，SDI）；發光管（5 mL，美國，SDI）。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品采集和前處理

樣品采集瓶采用棕色帶塞細口玻璃瓶，樣品瓶經重鉻酸鉀洗液潤洗浸泡過夜，用自來水、蒸餾水洗凈后倒置晾干待用。河道及市政污水處理廠樣品分豐水期（5月份）和枯水期（11月份）進行采集，流域內工業廢水、生活污水在5月份進行一次采集。采集的樣品運回實驗室后立即于4 ℃下保存，不添加任何溶劑及藥品。河流水樣一般不需要做特殊準備，但樣本的pH值會對測試結果產生影響。對于采集到的樣本，pH值用NaOH或HCl調節至6.0~8.0之間。保證測試的準確性和樣本完整性。

1.2.2 發光抑制檢測實驗

實驗方法按照儀器說明書進行，需提前開機預熱15~30 min，本實驗采用兩種檢測模式：一是“81.9% Screening Test”檢測模式，即所檢測樣品的實際濃度為進樣濃度的81.9%，包含暴露5 min與暴露15 min結果。二是“EC50 Test”模式進行實驗，通常為原水抑制率較高樣品，需要進行濃度稀釋后計算其EC50值。

每個檢測樣品采用3個平行，實驗同時添加3個平行的對照（蒸餾水，自行準備）保證實驗的有效性并以此為基礎計算發光抑制率。

1.2.3 數據分析及處理

根據儀器檢測方法，發光抑制率與發光抑制EC50值均由程序自動得出，數據采用Excel進行分析。

2 結果與分析

2.1 東江河流水體發光菌抑制毒性效應實驗

2.1.1 豐水期樣品急性毒性效應檢測結果及分析

利用發光菌快速檢測法，對豐水期采集于河道干流、支流的6個水體（樣品1~6）及2個市政污水處理廠進出水樣品（樣品7~10）進行發光菌急性毒性試驗，結果見表1。該10個樣品pH值均處于6~8之間，因此不需調節pH值。

表1 河流及市政污水處理廠水體豐水期發光抑制率檢測結果

由表1可知，樣品1、樣品4暴露5 min與15 min表現出光抑制作用，但抑制率均小于12%。樣品9與樣品10暴露5 min表現出光抑制作用，15 min表現出光誘導作用，但抑制與誘導率小于12%。根據該儀器使用說明中提到的“Microtox Model 500對常見干擾毒性物質測定結果的標準偏差≤12%（USEPA檢測報告為依據）”。因此，樣品1、樣品4、樣品9及樣品10均未表現出明顯光抑制效應，即未檢出明顯毒性作用。樣品2、樣品3、樣品5、樣品6、樣品7及樣品8發光率高于對照樣品，表現出誘導發光率作用，說明樣品中的污染物質與樣品1及樣品4中具有不同的性質。特別是樣品2與樣品8，誘導發光強度更為明顯，里面存著的污染物質還需要進一步的實驗論證。

10個樣品的5 min與15 min測試結果基本一致，未有明顯變化，這也說明本實驗所選用的測試時間段內發光菌的發光強度穩定，適宜進行外源物質的光抑制效應檢測實驗。

2.1.2 枯水期樣品急性毒性效應檢測結果及分析

利用發光菌快速檢測法，對枯水期采集于河道干流、支流及2個市政污水處理廠進出水樣品進行發光菌急性毒性試驗，結果見表2。

表2 河流及市政污水處理廠水體枯水期發光抑制率檢測結果

由表2可知，枯水期樣品均表現出無明顯急性生物毒性。其中，樣品1、4、5、7、10暴露5 min與10 min表現出光抑制效應，但均小于12%，在儀器標準偏差范圍內，但樣品1暴露5 min的光抑制為11.92%，非常接近12%，存在一定的生物毒性風險；樣品2、3、6、8表現出誘導發光率效應，暴露5 min和10 min檢測發光菌發光率明顯增強，表明這類樣品中存在能夠刺激菌體活性，使其發光度增高的物質。樣品9在暴露5 min時表現出光抑制效應，而暴露15 min時則表現出誘導發光率效應，表明發光菌在一段時間后適應了樣品9中的環境，并且菌體活性得到增強。

對比豐水期與枯水期河道及市政污水處理廠樣品毒性效應結果可知，河道與市政污水處理廠豐、枯水期均表現為“無毒”，但大部分枯水期樣品的光抑制率較豐水期高。這可能是工業區下游雨源型河道的特點所致，在豐水期，河道集雨區降雨量大，河道的水源補給主要來自雨水，在枯水期，缺少了降雨的補給河道水源主要為排放的工業生產廢水及生活污水，因此，枯水期污染物濃度較高，樣品的光抑制率較高。

2.2 廢水的發光菌光抑制毒性效應實驗

利用發光菌快速檢測方法檢測了5種工藝處理前后廢水(包括工廠廢水、生活污水)，共計10個樣品（經檢測常規指標均達標）的急性毒性效應，結果見表3。

表3 工藝處理前后廢水發光抑制率檢測結果

本研究所采集工業及生活廢水樣品中有4個樣品表現出了明顯的光抑制效應。根據《行業廢水毒性分級標準/發光菌》（見表4），廢水樣品表現出不同的毒性等級，下面取5 min和10 min光抑制率結果的平均值進行分析，并按照毒性等級的大小來說明檢測結果，如圖1所示。

表4 行業廢水毒性分級標準/發光菌

圖1 流域內5種工藝進出水急性毒性檢測結果分級

高毒：工藝2、工藝5處理前廢水，未稀釋樣品的“81.9% Screening Test”抑光率達到90%以上，“EC50值”檢測得到半數抑制率濃度分別為6.616%和45.72%，按照行業廢水相對抑光率分級標準達到高毒水平，占樣品總數的20%。

低毒：工藝4處理前廢水與工藝5處理后出水的原水抑光率處于12%至30%之間，抑光率分級為低毒水平，占樣品總數的20%。

無毒：其余的樣品包括工藝1處理前后廢水、工藝2處理后出水、工藝3處理前后廢水及工藝4處理后出水，6個水體樣品均未表現出明顯的光抑制效應，屬于無毒水平，占樣品總數的60%。

結合水樣來源與處理工藝進行分析，可以發現，在本研究所涉及樣品中，制藥廠的綜合廢水與污泥焚燒吸收液廢水毒性最高，制藥廠廢水屬于高濃度難降解有機廢水，已有研究表明其對蠶豆根尖生長具有顯著毒性效應，對濕地生態系統也能產生顯著危害，在經過工藝處理后毒性明顯降低，與本研究結論一致；目前關于污泥焚燒吸收液毒性研究較少，但污泥焚燒灰渣中重金屬如Hg、As、Cd、Pb等含量較高，且浸出風險較大，因此在污泥焚燒廢水中的毒性物質應該主要來源于這些重金屬類污染物。

工藝4的市政廢水中包含了居民生活污水及部分工業廢水，成分較為復雜，在經MSL+BAF工藝處理后毒性降低到未檢出的水平，說明所用處理工藝對該廢水毒性物質能產生良好的去除作用。

電鍍廠綜合廢水與納污河道廢水均未表現出顯著發光抑制效應，表明其廢水中不含或者僅含有微量產生毒性的污染物；電鍍廠工藝廢水量較少，其綜合廢水主要由生活污水等構成，毒性較小，納污河道廢水急性毒性較低也與現有研究報道一致。

綜上所述，本實驗所用測試方法能對不同類型廢水及處理后出水的毒性進行定性定量表征，可以作為一種快速篩查方法在工業區下游河道及工業廢水中進行推廣應用，成為現有常規分析指標的一種補充。

3 結論與展望

① 河道及2個市政污水處理廠在豐水期、枯水期的20個樣品發光抑制率均小于12%，急性毒性效應不明顯，表明河流與市政污水處理廠水體受到的急性毒性物質污染較小；河道及2個市政污水處理廠枯水期樣品光抑制率整體較豐水期高，工業區下游雨源型河道枯水期水體存在生物毒性效應的風險。

② 流域內典型工業廢水大部分具有明顯急性生物毒性，但經過處理后急性毒性效應明顯降低，表明廢水處理工藝能夠有效去除廢水中的急性毒性污染物。

③ 發光菌快速檢測法適用于工業區下游河道及部分工業廢水處理前后水體的急性生物毒性，彌補了水體常規監測指標的不足，如部分高毒廢水經工藝處理后出水常規指標達標，而發光菌檢測法檢測結果顯示為“低毒”。

當前我國的水質監測中生物毒性指標還未全面納入監測范圍，本文生物毒性監測的結果顯示，經過常規污水處理工藝后的出水常規指標雖已達標，但仍然存在污染風險，特別是在南方，雨源型河道水質風險需要引起重視，因此，有必要將生物毒性效應指標納入日常監測指標體系中，以保障飲用水源水質安全。

（本文發表于《中國給水排水》雜志2015年第10期“分析與監測”欄目）

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