趙友恒

(山東省環(huán)科院環(huán)境工程有限公司，山東 濟(jì)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(dá)到凈化目的[1]。但當(dāng)前飲用水水源的污染日益變化，進(jìn)入水中污染物的種類隨著工業(yè)的發(fā)展日益變化著，現(xiàn)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(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)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(dāng)前，國內(nèi)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(jī)物的去除規(guī)律進(jìn)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(jìn)行評價(jià)，但很少研究針對每一處理單元的去除效率進(jìn)行系統(tǒng)研究。本文以國內(nèi)常見工藝組合為研究對象，采集每一段工藝出水，應(yīng)用彗星試驗(yàn)對每一水樣有機(jī)提取物的致突變毒性進(jìn)行研究，并采用GC/MS檢測技術(shù)進(jìn)一步確定產(chǎn)生致突變性的具體物質(zhì)。

2 材料

2.1 試劑

XAD－2大孔樹脂、XAD－7大孔樹脂、正常熔點(diǎn)瓊脂糖、低熔點(diǎn)瓊脂糖、肌氨酸鈉等均購于Sigma公司；淋巴細(xì)胞分離液購于中國醫(yī)學(xué)科學(xué)研究院生物工程研究所，環(huán)磷酰胺購于江蘇恒瑞醫(yī)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(xué)試劑有限公司。

2.2 儀器

BX41－熒光顯微鏡和Mettler－ToledoZ－383－離心機(jī)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(xué)儀器有限公司，Aglient 7890A/7000B QQQ串聯(lián)質(zhì)譜儀購于Aglient公司。

2.3 水樣采集與前處理

根據(jù)Q水廠的工藝流程，設(shè)定4個(gè)水樣：進(jìn)廠水、加混凝劑經(jīng)沉淀之后的沉后水、經(jīng)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(gè)水樣至少采集110 L，在采樣過程中應(yīng)避免水樣受到有機(jī)物污染。

將100 L水樣經(jīng)裝有預(yù)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(jìn)行有機(jī)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(shí)間分別為60 min、30 min、15 min)，收集洗脫液，加入無水硫酸鈉進(jìn)行脫水處理。采用氮吹法在40℃水浴環(huán)境下對洗脫液進(jìn)行濃縮，當(dāng)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(zhì)相當(dāng)于10 L水中的有機(jī)物，取1 m L進(jìn)行氣質(zhì)監(jiān)測。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 化學(xué)分析

3.1.1 常規(guī)理化檢測

在開展生物實(shí)驗(yàn)之前，分別依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838－2002)和《飲用水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749－2006)對進(jìn)水和出水進(jìn)行常規(guī)理化監(jiān)測。對濁度高的原水樣，靜置后取上清液進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1.2 GC/MS成分分析

色譜實(shí)驗(yàn)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(jìn)樣為自動，不分流進(jìn)樣；恒壓模式；進(jìn)樣體積：1μL；載氣：氦氣，純度99.999%；流量為1 m L/min；

質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?shù)最高的對應(yīng)譜圖來確定該化合物。

3.2 毒性試驗(yàn)

3.2.1 染毒動物及其染毒方式

前期通過預(yù)實(shí)驗(yàn)得出，性別對于本實(shí)驗(yàn)的影響并不顯著，因此本實(shí)驗(yàn)只選用SPF級昆明種雌性小白鼠為實(shí)驗(yàn)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(xué)提供。

染毒劑量為0.01 m L/(g·d)，并以環(huán)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(yǎng)老鼠3只，每天經(jīng)口給予各組小鼠飲用水有機(jī)提取物，連續(xù)染毒5 d后，斷頸處死小鼠，取脾臟進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2.2 淋巴細(xì)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(jìn)行懸浮后混勻，過200目篩得到均勻的細(xì)胞懸浮液。取1.5 m L的淋巴細(xì)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(xì)胞懸浮液，慢慢將細(xì)胞懸浮液放入離心管內(nèi)，由于細(xì)胞分離液的比重大于PBS的比重，離心管中有明顯的分層現(xiàn)象。室溫下，在1500 r/min的條件下離心(水平轉(zhuǎn)子)15 min。離心后分為四層依次從上到下：PBS液、淋巴細(xì)胞層、淋巴細(xì)胞分離液、碎片層(紅細(xì)胞與一些死細(xì)胞)。

3.2.3 彗星試驗(yàn)

采用目前最常用的“三明治”三層凝膠結(jié)構(gòu)[6]制成凝膠片，依次進(jìn)行裂解、解旋、電泳、中和以及脫水對膠片進(jìn)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(jī)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(shù)[7]，每一樣本拍取30～40個(gè)細(xì)胞。

4 結(jié)果與討論

4.1 化學(xué)分析結(jié)果

4.1.1 常規(guī)理化監(jiān)測

根據(jù)國內(nèi)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838－2002)和《飲用水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749－2006)，本實(shí)驗(yàn)中除了進(jìn)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(yǎng)狀態(tài)，其它水質(zhì)常規(guī)理化指標(biāo)均未有明顯的超標(biāo)。

4.1.2 有機(jī)提取物成分

表1顯示了水樣有機(jī)濃縮物的成分，共定性出有機(jī)物13種，進(jìn)水中檢測出44種有機(jī)物。其中單環(huán)放芳烴類和多環(huán)芳烴類化學(xué)物這兩類有機(jī)物占首位。且在每一水樣中均檢測出有機(jī)農(nóng)藥成分，如：1，4－二氯苯。生產(chǎn)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(fā)生生物蓄積。另外，在出水水樣有機(jī)提取物中檢測出消毒副產(chǎn)物CHClBr2和CHBr3，其濃度分別為0.0247和0.00419 mg/L。其余的消毒副產(chǎn)物均未檢測出。

表1 水樣濃縮物中的有機(jī)成分分析

4.2 水樣有機(jī)提取物的遺傳毒性

圖1顯示了所有水樣的有機(jī)提取物導(dǎo)致的DNA損傷，顯示出彗星指標(biāo)值(尾部DNA含量和Olive尾矩)隨著小鼠染藥濃度的增大，均呈現(xiàn)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(yīng)關(guān)系。且每一個(gè)濃度的相應(yīng)值與陰性對照相比均具有顯著性差異。另外，同一個(gè)濃度的4個(gè)水樣的指標(biāo)值大小變化趨勢均為：進(jìn)水＞沉后水＞出水＞濾后水。這與馬梅[1]和張淑琪等[8]采用Ames實(shí)驗(yàn)得出的加氯消毒增加出水的致突變性的結(jié)論是一致的。

圖1 有機(jī)提取物對淋巴細(xì)胞造成的DNA損傷程度

從圖1可以看出，從進(jìn)水到沉后水再到濾后水DNA損傷程度呈現(xiàn)降低趨勢，但濾后水經(jīng)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(jī)物數(shù)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(jī)物數(shù)量相差甚微，但出水的“三致”有機(jī)物種類卻比濾后水的多出兩種鹵代烴即消毒副產(chǎn)物，這與出水DNA損傷程度再次增高有很大關(guān)系。因此，在同樣條件下對消毒副產(chǎn)物的遺傳毒性進(jìn)行了研究。

4.3 DBPs

4.3.1 DBPs藥物濃度

根據(jù)有機(jī)提取液的GC/MS成分分析結(jié)果選定CHClBr2和CHBr3為代表物質(zhì)進(jìn)行消毒副產(chǎn)物毒性研究。將豐水期有機(jī)提取物中的CHClBr2和CHBr3的濃度設(shè)為高濃度組，同樣設(shè)定中濃度、低濃度組和陰性對照組。以國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為溶質(zhì)，二甲基亞砜為溶劑按表2中濃度配制CHClBr2和CHBr3的混標(biāo)溶液。

表2 CHClBr2和CHBr3的濃度設(shè)定

4.3.2 DBPs的遺傳毒性

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

圖2 DBPs導(dǎo)致的DNA損傷程度

5 結(jié)論

水中致突變有機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，4個(gè)水樣的遺傳毒性變化趨勢如：進(jìn)水＞ 沉后水＞出水＞ 濾后水。這表明進(jìn)水經(jīng)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(jīng)液氯消毒后，其遺傳毒性再次增加，而經(jīng)試驗(yàn)證明是消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生增加了出水的遺傳毒性。

因此，首先，國內(nèi)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(dāng)前水質(zhì)污染越來越多樣化，越來越復(fù)雜化。其次，僅用常規(guī)理化指標(biāo)來指示水質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)性是不可信的。實(shí)驗(yàn)顯示，常規(guī)理化指標(biāo)未超標(biāo)的水質(zhì)對飲用者仍有潛在的毒性。因此，去除有機(jī)物本身和去除與其有關(guān)的潛在毒性同樣重要。對水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的評價(jià)甚至對處理工藝的評價(jià)不能單方面采用理化手段，生物手段也應(yīng)該成為監(jiān)測主力。再次，消除消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生應(yīng)該成為研究重點(diǎn)。一方面要尋找更廉價(jià)有效的消毒劑，阻止副產(chǎn)物的產(chǎn)生。另一方面，尋找更有效的消毒前處理阻止消毒前質(zhì)體的存在或產(chǎn)生也是阻止消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生的有效方法。