黃燦克，劉婷婷，湯曉畏

(1．溫州市環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江 溫州 325000；2．同濟大學(xué)浙江學(xué)院環(huán)境工程教研室，浙江 嘉興 314051；3.浙江省通信產(chǎn)業(yè)服務(wù)有限公司咨詢設(shè)計院，浙江 杭州 310000)

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·環(huán)境預(yù)警·

發(fā)光細(xì)菌毒性法在飲用水水質(zhì)評估與預(yù)警中的應(yīng)用

黃燦克1，劉婷婷2，湯曉畏3

(1．溫州市環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江 溫州 325000；2．同濟大學(xué)浙江學(xué)院環(huán)境工程教研室，浙江 嘉興 314051；3.浙江省通信產(chǎn)業(yè)服務(wù)有限公司咨詢設(shè)計院，浙江 杭州 310000)

通過對溫州地區(qū)水源地、自來水等水質(zhì)指標(biāo)的研究，評估發(fā)光細(xì)菌(費氏弧菌)生物預(yù)警毒性監(jiān)測的有效性，并結(jié)合實際案例，探討以發(fā)光細(xì)菌生物毒性指標(biāo)評估、預(yù)警水質(zhì)的可行性。在正常情況下，飲用水水源地水質(zhì)在低發(fā)光抑制率區(qū)間(±18%)，如果水質(zhì)遭遇農(nóng)藥污染等非正常情況，發(fā)光抑制率明顯升高。在自來水凈水過程中的各個處理階段，發(fā)光細(xì)菌的水質(zhì)毒性檢測表現(xiàn)出敏感性，可以用于水質(zhì)安全在線實時監(jiān)控。

發(fā)光細(xì)菌；急性毒性；水源地；自來水；預(yù)警；評估

飲用水水質(zhì)安全是最基本的民生問題。常規(guī)理化參數(shù)不能反映水質(zhì)的綜合指標(biāo)，尤其是水質(zhì)生物毒性指標(biāo)欠缺。美國研究機構(gòu)提出了在線自動監(jiān)測站的優(yōu)化架構(gòu)，由多參數(shù)、特征污染和生物毒性3類參數(shù)構(gòu)成[1]。目前，常見的生物毒性檢測方法有通過魚類、生物燃料電池[2-3]、發(fā)光細(xì)菌[4]、水蚤[5-7]、藻類[8]等為指示物進(jìn)行檢測。GIROTTI等[9]研究報道，基于費氏弧菌的發(fā)光細(xì)菌法最先運用于化學(xué)毒性物質(zhì)的檢測，相比較于其他細(xì)菌實驗法，該方法最敏感，檢測范圍也很寬。

對于突發(fā)事件，采用發(fā)光細(xì)菌進(jìn)行在線監(jiān)測逐步得到廣泛應(yīng)用[10]。在歐美發(fā)達(dá)國家，采用大量的在線發(fā)光細(xì)菌生物毒性檢測儀對歐洲萊茵河[11]等重要河流以及庫區(qū)水質(zhì)進(jìn)行實時在線監(jiān)控，該方法目前也在中國北京[12]、廣東[13]等地水域逐步得到應(yīng)用。現(xiàn)以溫州地區(qū)飲用水水源和自來水等為例，采用發(fā)光細(xì)菌法進(jìn)行預(yù)警和風(fēng)險評估研究，為該技術(shù)今后在中國環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域更廣泛的應(yīng)用提供參考。

1 研究方法

1.1 試驗材料和監(jiān)測地點

(1)在線發(fā)光細(xì)菌毒性儀(MicroLAN，荷蘭)，儀器配套美國進(jìn)口細(xì)菌凍干粉試劑和美國進(jìn)口細(xì)菌營養(yǎng)液，配置質(zhì)量濃度為20%的鹽溶液1L；(2)便攜式發(fā)光細(xì)菌毒性儀(SDI，美國)、1 000 μL移液槍、100 μL移液槍、固定支架、配套試劑檢測管、滲透壓調(diào)節(jié)液(OAS)、稀釋液(Diluent)；(3)對水源地進(jìn)行在線式監(jiān)測，對水廠和水井進(jìn)行便攜式監(jiān)測。

1.2 試驗測試方法和過程

以在線毒性儀為例，整個測試過程分為5個部分，采用30 min的連續(xù)運行模式，見表1。

表1 發(fā)光細(xì)菌測試分析流程 min

1.3 試驗數(shù)據(jù)處理及評價方法

(1)儀器的修正系數(shù)為0.6～1.3(根據(jù)ISO11348)；(2)細(xì)菌的發(fā)光量必須>50 000(光子數(shù))，過低的發(fā)光量，會使誤差變大；(3)和ZnSO4·7H2O(11 mg/L)進(jìn)行控制樣比對時，毒性測試值≥60%；(4)參考水樣毒性值為-5%～ 5%。

物質(zhì)毒性通常用EC50來表示，即指示生物死亡一半時的毒性物質(zhì)濃度，現(xiàn)用發(fā)光細(xì)菌相對發(fā)光抑制率表示，50%的抑制率對于發(fā)光細(xì)菌其意義等同于EC50。在數(shù)據(jù)處理過程中，如果樣品毒性太大，則用對細(xì)菌抑制率100%來表示；如果沒有達(dá)到50%的抑制率，則直接用抑制率來表示。

發(fā)光細(xì)菌的光強抑制由抑制率(I%)以及相對發(fā)光強度(RBL)來表示，主要參數(shù)為EC50。I%=[1-(樣品光強/對照光強)]×100[14-15]，相對發(fā)光強度=樣品光強/對照光強。

2 結(jié)果與分析

2.1 飲用水水源地發(fā)光細(xì)菌綜合毒性預(yù)警

2009年，永嘉縣建成浙江省第一個飲用水水源地水質(zhì)在線預(yù)警系統(tǒng)——楠溪江水質(zhì)自動站。從2011年10月開始，澤雅、趙山渡、淡溪水庫3個飲用水水源地自動監(jiān)測站的在線水質(zhì)毒性測定儀投入運行。經(jīng)過2 a多的運行使用，儀器運行基本正常，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，溫州各水源地的生物綜合毒性抑制率基本上在±18%的安全警戒線內(nèi)。根據(jù)各個站點2 a的運行數(shù)據(jù)來看，可以實時掌握目前溫州主要飲用水水源地水質(zhì)的大部分指標(biāo)(為便于采集和分析數(shù)據(jù)，這里都采用4 h平均值)。見圖1(a)(b)(c)(d)。

圖1 4個站點 2011年10月—2013年10月均值散點圖

由圖1(a)(b)(c)(d)可見，各個站點水質(zhì)在低毒安全范圍內(nèi)，水質(zhì)毒性抑制率在“0”水平線震蕩分布。也反映出這2 a來每個站點的數(shù)據(jù)量都不一樣，而且差別比較大。每個站點由于運行期間有效數(shù)據(jù)不同和數(shù)值的偏離區(qū)間不同，而顯示出不同的排列緊密度。2011—2013年每4 h平均值有效數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 2011—2013年每4 h平均值有效數(shù)據(jù)分布

由圖2可知4個站點的有效數(shù)據(jù)分布情況，正常運行的情況下，有效數(shù)據(jù)應(yīng)為4 320個，扣除不確定因素，按照80%比例也應(yīng)該是3 456個。每個站點有效數(shù)據(jù)獲取率偏低，其中存在系統(tǒng)管理不規(guī)范和儀器故障等因素。有效數(shù)據(jù)反映了不同的維護管理質(zhì)量對生物在線監(jiān)測毒性儀的影響非常大，如果不能確保儀器穩(wěn)定連續(xù)運行，會嚴(yán)重影響預(yù)警效果。

根據(jù)4個站點2011—2013年的數(shù)據(jù)，把平均毒性值分為 -18%～-10%、-9%～0%、0%～9%、10%～18% 4個檔，見圖3。通過比較可明顯地反映出4個站點水質(zhì)低毒，數(shù)據(jù)比較集中且均勻平穩(wěn)的趨勢。

圖3 2011—2013年站點數(shù)據(jù)分布區(qū)間

4個站點的DO、NH3-N、TP等常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測顯示，它們均屬于Ⅱ類水質(zhì)。以淡溪水庫為例，其2012—2013年24個月常規(guī)監(jiān)測參數(shù)質(zhì)量情況及變化趨勢和水質(zhì)的低毒性特征基本吻合，見圖4。

圖4 淡溪水庫2012—2013年24個月常規(guī)監(jiān)測參數(shù)月均值趨勢

TOXcontrol在線水質(zhì)毒性測定儀在4個水質(zhì)監(jiān)測站正式投入使用以來，數(shù)據(jù)達(dá)到了一定的準(zhǔn)確度。根據(jù)儀器日常運行數(shù)據(jù)建立綜合毒性基準(zhǔn)線，可以作為水源地突發(fā)毒性事件快速應(yīng)急反應(yīng)的參考手段之一。通過一年或者幾年的監(jiān)測數(shù)據(jù)建立基準(zhǔn)數(shù)據(jù)線，水質(zhì)毒性在±10之間的屬于正常毒性范圍。在儀器性能正常的情況下，如果連續(xù)出現(xiàn)>10的數(shù)據(jù)，可以判斷水質(zhì)出現(xiàn)異常。

由于4個站點的水體自身環(huán)境有所區(qū)別，影響水質(zhì)的環(huán)境因素也不一樣，因此采用的生物綜合毒性也應(yīng)該有所區(qū)別，或者采用多種儀器綜合監(jiān)測。楠溪江自動監(jiān)測站處在水流相對湍急且開放的地段，設(shè)立發(fā)光細(xì)菌綜合生物毒性檢測儀的主要目的是對諸永高速或國道線上的車輛突發(fā)化學(xué)物質(zhì)傾倒事件而產(chǎn)生的污染進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測。淡溪水庫等其他3個站點，所處相對封閉的水體環(huán)境，主要的環(huán)境毒性污染因子是農(nóng)藥和除草劑，最好采用藻類和蚤類檢測儀。不過，在條件成熟的時候，可以適當(dāng)增加其他儀器進(jìn)行交叉立體監(jiān)測，這樣可以拓寬檢測領(lǐng)域。

2.2 發(fā)光細(xì)菌綜合毒性監(jiān)測在飲用水水源突發(fā)事件中的評估

2009年1月25日(除夕)，浙江永嘉縣城中堂村發(fā)生水井投毒事件。收到報告后，馬上作出響應(yīng)，從現(xiàn)場的刺鼻氣味判斷，毒性物質(zhì)是農(nóng)藥。水井投毒事件發(fā)光細(xì)菌抑制率走勢見圖5。

圖5 水井投毒事件發(fā)光細(xì)菌抑制率走勢

由圖5可見，在投毒中心點，發(fā)光細(xì)菌綜合毒性抑制率逐漸降低至無毒；在投毒點下游5 m處，發(fā)光細(xì)菌抑制率先隨著農(nóng)藥的擴散而上升，然后隨著污染中心的到來達(dá)到最高值，最后由于大量井水的稀釋而降至無毒。該抑制率數(shù)據(jù)曲線走勢符合污染源擴散濃度的時空走勢特征，比較準(zhǔn)確客觀地反映了污染物擴散衰減的綜合毒性指標(biāo)。

2.3 自來水廠各凈水單元對發(fā)光細(xì)菌的生物急性毒性評價

自來水水質(zhì)安全防范也不容忽視。對溫州某自來水廠進(jìn)行生物綜合毒性的安全性評估。制水工藝流程見圖6。

圖6 制水工藝流程

由圖6可見，在進(jìn)廠之前，在泵站用NaOH調(diào)節(jié)水庫原水的pH值，進(jìn)廠水加入聚合氯化鋁去除水中的懸浮雜質(zhì)，沉淀出水經(jīng)過石英砂簡單過濾處理之后再用液氯殺菌消毒，最后出廠到城市自來水管網(wǎng)。每個處理過程單元要對藥劑進(jìn)行嚴(yán)格控制，否則有可能使水質(zhì)產(chǎn)生毒性作用。水廠各凈水單元對水質(zhì)的生物綜合毒性的影響見圖7。

圖7 水廠各凈水單元水質(zhì)生物綜合毒性變化情況

由圖7可見，庫區(qū)原水的急性毒性值處于低位，經(jīng)過NaOH預(yù)處理之后略有升高；經(jīng)過聚合氯化鋁絮凝沉淀之后，急性毒性升高；然后經(jīng)過石英砂的自然過濾吸附作用，毒性略微降低，由于石英砂的過濾吸附效果沒有活性炭那樣明顯，所以毒性只是略微降低；出水再經(jīng)過液氯殺菌消毒之后，急性毒性明顯升高，充分驗證了氯對發(fā)光細(xì)菌的殺傷作用；最后水從自來水廠到用戶終端之后毒性降低，因為余氯經(jīng)過長距離傳輸而逐步分解，水質(zhì)毒性又降低到低毒安全狀態(tài)。由此可見，聚合氯化鋁以及次氯酸等凈水物質(zhì)是對生物有毒害的，要控制用量。另一方面，采用液氯或次氯酸殺菌消毒是自來水廠的常規(guī)工藝單元，發(fā)光細(xì)菌對余氯較為敏感，若單純采用發(fā)光細(xì)菌法評估出廠水水質(zhì)顯然有失偏頗，但針對終端自來水，將理化檢測與毒性檢測相結(jié)合，建立合理評估標(biāo)準(zhǔn)則具有一定的實際意義。

3 結(jié)語

通過飲用水水源地預(yù)警系統(tǒng)2 a的運行監(jiān)測，為有效預(yù)警溫州飲用水水源地水質(zhì)安全積累了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對溫州4個飲用水水源地進(jìn)行監(jiān)測，其水質(zhì)生物毒性抑制率均在低毒安全范圍之內(nèi)；在存有農(nóng)藥等非正常情況下，系統(tǒng)能夠有效評估有毒物質(zhì)的危害情況；在自來水廠處理各凈水單元的發(fā)光細(xì)菌毒性測試中，各個流程中添加的藥劑除了具有凈水功能外，還對發(fā)光細(xì)菌有不同程度的抑制作用，液氯消毒環(huán)節(jié)對發(fā)光細(xì)菌的抑制作用最明顯。

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Application of the Photobacteria Toxicity Detection Method in Water Quality Assessment and Early Warning of Drinking Water

HUANG Can-ke1,LIU Ting-ting2,TANG Xiao-wei3

(1.WenzhouEnvironmentalMonitoringCentralStation,Wenzhou,Zhejiang325000,China;2.InstituteofEnvironmentalEngineering,TongjiZhejiangCollege,Jiaxing,Zhejiang314051,China;3.ConsultingandDesignInstituteofZhejiangCommunicationServicesCo.Ltd.,Hangzhou,Zhejiang310000,China)

This study employed the photobacteria (Vibriofischeri),to evaluate the effectiveness of early biological toxicity warning detection in various water source sites and tap water in Wenzhou area,and also explored the feasibility of using the biological toxicity index to early warn and assess the water quality in real cases. The results indicated that under normal conditions,the water quality of drinking water sources fell into a safe interval (±18%) of the luminescent inhibitory rate,and water under abnormal conditions,such as that polluted by pesticides,showed significant increase in the luminescent inhibitory rate. The photobacteria showed sensitivity to the toxicity of organic and inorganic pollutants during each phase of tap water purification process and therefore it could be used to indicate the safeness of water on line in real time.

Photobacteria; Acute toxicity; Water source site; Tap water; Early warning; Assessment

2015-02-10；

2015-04-21

黃燦克(1979—)，男，工程師，碩士，從事環(huán)境自動監(jiān)測工作。

X832

B

1674-6732(2015)03-0004-04