徐柔柔，裴舟韜，高月香，張萌，張李凌，張靜，王文強(qiáng)，王仁，張毅敏，孫麗偉*

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210018;2.東南大學(xué)無(wú)錫分校，江蘇 無(wú)錫 214028；3.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；4.山東大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 即墨 266237)

黑臭水體，以令人不悅的顏色和氣味，影響著人居環(huán)境。早在2015年初，國(guó)務(wù)院頒布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[1]提出，“到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體得到消除”?！督K省“兩減六治三提升”專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案》里也指出，“治理太湖水環(huán)境、生活垃圾、黑臭水體、禽畜養(yǎng)殖污染、揮發(fā)性有機(jī)物污染和環(huán)境隱患”[2]，黑臭水體的整治已刻不容緩。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)黑臭水體尚無(wú)明確的評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)[3]。國(guó)內(nèi)評(píng)價(jià)黑臭水體常用的指標(biāo)是物理化學(xué)指標(biāo)和感官指標(biāo)，如透明度、溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)和氧化還原電位(ORP)[4]。除此之外，還有臭閾值、色度等感官指標(biāo)，有機(jī)污染綜合指標(biāo)，無(wú)機(jī)金屬離子等水質(zhì)指標(biāo)[5-6]。一些國(guó)外學(xué)者則通過(guò)模型方法評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)水體黑臭[7-8]，Canfield等[9]通過(guò)葉綠素a、總磷(TP)、總氮(TN)等指標(biāo)建立用于評(píng)價(jià)水體黑臭的多元線性回歸方程，Sugiura等[10]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(ANN)預(yù)測(cè)水體黑臭。這些方法的依據(jù)都是感官性物理指標(biāo)和水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)，缺乏生物毒性指標(biāo)[11]，不能反映黑臭水體對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的毒性效應(yīng)。

生物毒性實(shí)驗(yàn)已被證明是水生生態(tài)毒理學(xué)中評(píng)估混合污染物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的有用工具。美國(guó)環(huán)保總署(U.S.EPA)提出的全排水毒性測(cè)試[12](Whole Effluent Toxicity Test,WET)建議在評(píng)估排放廢水毒性時(shí)，使用不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的代表性生物，如淡水的標(biāo)準(zhǔn)化植物和無(wú)脊椎動(dòng)物，可對(duì)廢水中所有污染物毒性進(jìn)行總體評(píng)價(jià)。這種成組生物毒性測(cè)試用于評(píng)估自然水體的潛在風(fēng)險(xiǎn)被證明是可行的。陳瑞瑞等[13]在研究溫州市典型城市黑臭河道水體的生物毒性時(shí)，發(fā)現(xiàn)其對(duì)發(fā)光細(xì)菌、魚(yú)類和爪蟾胚胎具有不同程度的生物毒性效應(yīng)。蔣宇霞[14]選取發(fā)光菌、綠藻和斑馬魚(yú)胚胎，分析了東江流域20個(gè)采樣點(diǎn)的孔隙水和全沉積物對(duì)水生生物的毒性效應(yīng)。魏錚[15]利用成組生物(斑馬魚(yú)胚胎、發(fā)光細(xì)菌、大型溞)毒性測(cè)試方法測(cè)試了西苕溪流域內(nèi)典型工業(yè)廢水及地表水的生物毒性。

現(xiàn)以常州市典型城市黑臭水體神童浜為研究對(duì)象，采用標(biāo)準(zhǔn)化小球藻(Chlorellavulgaris)和大型溞(Daphniamagna)為急性毒性測(cè)試生物，對(duì)整治前、后神童浜上覆水(沉積物表層至接近空氣的那層水體)和孔隙水(沉積物顆粒之間及巖石顆粒之間孔隙的水溶液)的毒性進(jìn)行對(duì)比和評(píng)價(jià)，為有效進(jìn)行城市黑臭水體的整治和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)生物

小球藻(Chlorellavulgaris)，購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院(武漢)水生生物研究所。以BG 11培養(yǎng)基(Blue-Green Medium)進(jìn)行培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)用藻為在本實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)3代后的小球藻。培養(yǎng)條件：溫度(23±2) ℃，pH值=7.1，t(光)∶t(暗)=12 h∶12 h，光照強(qiáng)度為4 000～6 000 lx。

大型溞(Daphniamagna)，購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院(武漢)水生生物研究所，用曝氣自來(lái)水進(jìn)行培養(yǎng)，喂食新鮮的普通小球藻，實(shí)驗(yàn)用溞取同齡同母體培養(yǎng)3代后，出生6～24 h內(nèi)的幼溞。培養(yǎng)條件：溫度(19±1)℃，pH值=7.0～8.0，t(光)∶t(暗)=16 h∶8 h，光照強(qiáng)度<1 000 lx。正式實(shí)驗(yàn)前使用重鉻酸鉀測(cè)試大型溞的敏感性，結(jié)果顯示，20 ℃時(shí)重鉻酸鉀對(duì)大型溞的24 h EC50(在24 h內(nèi)暴露在實(shí)驗(yàn)液中50%的大型溞活動(dòng)受抑制甚至死亡時(shí)實(shí)驗(yàn)液的濃度)為1.05 mg/L(95%置信區(qū)間為0.717～1.594 mg/L)，符合文獻(xiàn)[16]的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 儀器和試劑

1.2.1 儀器

7600-1CRT紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海高致精密公司)；GZX-300BS恒溫光照培養(yǎng)箱(上海新苗公司)；HQ-30d pH計(jì)/溶氧儀(美國(guó)哈希公司)；nai-t4-50真空冷凍干燥機(jī)(上海那艾公司)。

1.2.2 試劑

(1)BG11培養(yǎng)基：根據(jù)文獻(xiàn)[16]的標(biāo)準(zhǔn)方法配備，所用藥劑碳酸鈉(Na2CO3)、乙二胺四乙酸二鈉(EDTANa2)、二水合氯化鈣(CaCl2·2H2O)、七水合硫酸錳(MgSO4·7H2O)、磷酸氫二鉀(K2HPO4)、硝酸鈉(NaNO3)均購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司，純度>99%。

(2)標(biāo)準(zhǔn)稀釋液：根據(jù)文獻(xiàn)[16]的標(biāo)準(zhǔn)方法配備，所用藥劑CaCl2·2H2O、MgSO4·7H2O、碳酸氫鈉(NaHCO3)、氯化鉀(KCl)、氫氧化鈉(NaOH)、鹽酸(HCl)均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純。

1.3 樣品采集和保存

根據(jù)水質(zhì)調(diào)查結(jié)果，影響神童浜水質(zhì)的主要因素是水體富營(yíng)養(yǎng)化和從底泥釋放出的有機(jī)污染物。水樣采集地點(diǎn)為3#、4#、5#和7#(根據(jù)神童浜整治工程編號(hào)命名)。根據(jù)文獻(xiàn)[18-19]，在24 h內(nèi)采集上覆水和沉積物，并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定上覆水溶解氧(DO)、溫度和pH值。所有樣品采集后立即送實(shí)驗(yàn)室，上覆水在0～4 °C下保存，一周內(nèi)完成水質(zhì)的常規(guī)指標(biāo)測(cè)定?？紫端闹苽洳扇±鋬龈稍锓╗20]。

1.4 水質(zhì)的常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)

水樣在4 ℃靜置后，使用0.45 μm濾膜過(guò)濾，根據(jù)文獻(xiàn)[18]，測(cè)定化學(xué)需氧量(COD)、TN、TP和NH3-N。

1.5 生物毒性測(cè)試方法

毒性測(cè)試方法和質(zhì)量控制根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]。毒性實(shí)驗(yàn)的受試水體采用稀釋液與上覆水或孔隙水按一定比例混合配制。隨后將小球藻和大型溞暴露在受試水體中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算小球藻的96 h EC50(96 h使小球藻生長(zhǎng)抑制率達(dá)到50%時(shí)的受試物濃度)和大型溞的48 h LC50(48 h使大型溞致死率達(dá)到50%的受試物濃度)，判斷上覆水和孔隙水的急性毒性效應(yīng)。

1.6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和評(píng)價(jià)方法

1.6.1 小球藻急性毒性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

繪制680 nm下的藻密度-吸光度相關(guān)曲線，實(shí)驗(yàn)中定時(shí)測(cè)定小球藻的吸光度，帶入曲線方程計(jì)算出藻密度，最后根據(jù)藻密度計(jì)算小球藻的比生長(zhǎng)率μ，即實(shí)驗(yàn)期間小球藻每天的生長(zhǎng)量，實(shí)驗(yàn)期間比生長(zhǎng)率μi-j的計(jì)算見(jiàn)公式(1)。

(1)

式中：μi-j——從i時(shí)間到j(luò)時(shí)間的比生長(zhǎng)率；xi——i時(shí)間的藻密度，106/L；xj—j時(shí)間的藻密度，106/L。

若水樣對(duì)小球藻產(chǎn)生抑制作用，則以比生長(zhǎng)率為基礎(chǔ)的生長(zhǎng)抑制率I的計(jì)算見(jiàn)公式(2)。

(2)

式中：μc——對(duì)照組平均比生長(zhǎng)率；μt——實(shí)驗(yàn)組平均比生長(zhǎng)率。

數(shù)據(jù)分析采用IBM SPSS Statistics 25軟件完成，差異性分析方法應(yīng)用單因素方差分析(ANOVA)和Dunnett-t檢驗(yàn)，P<0.05認(rèn)為有顯著性差異。

1.6.2 大型溞急性毒性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

用origin 2018軟件，繪制致死率-稀釋比關(guān)系圖，再利用IBM SPSS Statistics 25軟件計(jì)算大型溞48 h LC50值和95%的置信區(qū)間，差異性分析方法同小球藻。

1.6.3 毒性等級(jí)評(píng)價(jià)

以受測(cè)生物半數(shù)毒性效應(yīng)為終點(diǎn)，計(jì)算上覆水和孔隙水的毒性單位，判斷其毒性等級(jí)。毒性評(píng)價(jià)利用環(huán)境樣品毒性單位(TU)[21]計(jì)算，見(jiàn)公式(3)。

(3)

式中：LC50(或EC50)——受測(cè)生物半數(shù)出現(xiàn)毒性效應(yīng)(死亡或生長(zhǎng)抑制)時(shí)，環(huán)境樣品的稀釋倍數(shù)或濃縮倍數(shù)。對(duì)大型溞而言，如果原水樣的死亡率為10%～49%，則TU=0.02×死亡率；如果原水樣的死亡率為0～10%，則TU=0[22]。

參照Persoone等[23]提出的毒性分級(jí)體系(表1)，判斷上覆水和孔隙水的毒性等級(jí)。

表1 毒性分級(jí)體系

1.7 神童浜整治措施

(1)控源截污。包括分散式生活污水集中處理，以初期雨水為主的工業(yè)區(qū)低污染污水處理，沿岸排放口污染控制，支流污染攔截。(2)內(nèi)源治理。包括底泥清淤和建設(shè)底泥生態(tài)化護(hù)坡。(3)水動(dòng)力優(yōu)化。進(jìn)行水閘調(diào)控和推流。(4)生態(tài)修復(fù)。設(shè)置生態(tài)浮床，栽培水生植物，引入微生物凈化技術(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 上覆水水質(zhì)分析

表2是神童浜整治前后上覆水的水質(zhì)分析結(jié)果。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[24]，整治前4個(gè)點(diǎn)位的COD、TN、TP、NH3-N和DO全部嚴(yán)重超標(biāo)，屬于劣V類水體。整治后，水體中的所有指標(biāo)都得到明顯改善，尤其是DO值，除了7#點(diǎn)位，其他點(diǎn)位都達(dá)到Ⅳ類甚至Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《城市黑臭水體整治工作指南》[4]中關(guān)于黑臭水體的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，ρ(DO)<2 mg/L可以促進(jìn)厭氧菌繁殖，水體易形成黑臭，故整治前所有點(diǎn)位的水體達(dá)到輕度黑臭級(jí)別。整治后，3#、4#、5#點(diǎn)位的上覆水已不屬于黑臭水體，只有7#點(diǎn)位的上覆水ρ(DO)接近2 mg/L，說(shuō)明對(duì)黑臭水體的整治取得良好效果。

整治后，神童浜上覆水的COD、TP、NH3-N和DO都顯著改善，TN質(zhì)量濃度相對(duì)整治前只略微下降，但4#、5#、7#點(diǎn)位的TP質(zhì)量濃度仍高于河道水體Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明水體仍存在磷污染，這可能由于附近生活污水的直接排放，農(nóng)田肥料中磷酸鹽流失，以及水底沉積物中動(dòng)植物殘骸的分解導(dǎo)致[25]。除此之外，7#點(diǎn)位的COD、NH3-N和DO質(zhì)量濃度在整治后略超V類標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明該點(diǎn)位仍然污染嚴(yán)重。7#點(diǎn)位附近有一個(gè)冷庫(kù)制造廠，平常排出的廢水中污染物以COD、揮發(fā)酚和NH3-N為主，加之附近農(nóng)田和居民較多，存在生活污水直接排放和農(nóng)田排水的現(xiàn)象，導(dǎo)致7#點(diǎn)位污染難以在短時(shí)間內(nèi)得到改善。

表2 神童浜整治前后各點(diǎn)位水質(zhì)指標(biāo) mg/L

2.2 上覆水對(duì)小球藻的急性毒性評(píng)價(jià)

表3是神童浜整治前后上覆水對(duì)小球藻的急性毒性測(cè)試結(jié)果。單因素方差分析結(jié)果表明，各點(diǎn)位上覆水中小球藻的96 h 比生長(zhǎng)率在整治前后沒(méi)有顯著性差異(P>0.05)，部分點(diǎn)位與BG 11培養(yǎng)基對(duì)照組的差異性顯著(P<0.05)，且所有點(diǎn)位上覆水中的小球藻生長(zhǎng)速度均高于對(duì)照組，說(shuō)明上覆水對(duì)小球藻的生長(zhǎng)起促進(jìn)作用。

根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，整治后上覆水的TP質(zhì)量濃度大部分都超過(guò)《GB 3838—2002》V類標(biāo)準(zhǔn)，且TN質(zhì)量濃度也很高。結(jié)合蔣宇霞[13]研究污染流域沉積物孔隙水對(duì)綠藻的生物毒性結(jié)果，研究區(qū)域部分點(diǎn)位的孔隙水對(duì)綠藻生長(zhǎng)顯示促進(jìn)作用，這是因?yàn)樗w中氮(N)、磷(P)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度較高而有毒物質(zhì)濃度較低。故可判斷上覆水中N、P元素濃度較高，對(duì)藻類生長(zhǎng)起到促進(jìn)效果，并可能高于水體中有害物質(zhì)對(duì)藻類生長(zhǎng)的抑制作用，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)組比生長(zhǎng)率高于對(duì)照組。而神童浜內(nèi)所有點(diǎn)位上覆水對(duì)小球藻的生長(zhǎng)都呈現(xiàn)促進(jìn)作用，說(shuō)明黑臭水體上覆水的主要問(wèn)題是TN、TP質(zhì)量濃度過(guò)高導(dǎo)致的水體富營(yíng)養(yǎng)化。結(jié)果說(shuō)明，將藻類生長(zhǎng)測(cè)試應(yīng)用于黑臭水體的毒性效應(yīng)測(cè)試，不僅可以測(cè)試黑臭水體整治前后來(lái)自化學(xué)污染物的毒性變化，而且通過(guò)浮游藻類的生長(zhǎng)率變化，還可以測(cè)試黑臭河體中營(yíng)養(yǎng)元素的效應(yīng)。

表3 整治前后上覆水對(duì)小球藻的急性毒性結(jié)果

2.3 上覆水對(duì)大型溞的急性毒性評(píng)價(jià)

表4是神童浜整治前后上覆水對(duì)大型溞的急性毒性測(cè)試結(jié)果。從48 h LC50值可以看出，神童浜整治前后，所有點(diǎn)位上覆水在原水所占比例為100%時(shí)，其死亡率也均未超過(guò)50%，可根據(jù)公式TU=0.02×死亡率[22]計(jì)算毒性等級(jí)。

表4 整治前后上覆水對(duì)大型溞的急性毒性評(píng)價(jià)

根據(jù)Persoone等[23]提出的毒性分級(jí)，該黑臭河體整治前，上覆水3#點(diǎn)位對(duì)大型溞的急性毒性表現(xiàn)為微毒，其余點(diǎn)位為無(wú)毒，各點(diǎn)位上覆水對(duì)大型溞的毒性由強(qiáng)到弱依次為3#、7#、5#、4#。整治后，所有點(diǎn)位上覆水對(duì)大型溞都沒(méi)有急性毒性作用，且大部分點(diǎn)位的TU相對(duì)于整治前都有所下降，證明對(duì)黑臭河體的整治改善了上覆水的水質(zhì)。

根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，7#點(diǎn)位污染最嚴(yán)重，但是對(duì)大型溞的毒性反而低于3#點(diǎn)位，說(shuō)明化學(xué)指標(biāo)不能反映水體中污染物對(duì)生物的實(shí)際毒性效應(yīng)。這和高小輝等[26]的研究結(jié)果一致，即混合物體系中的單一組分處于無(wú)毒性效應(yīng)濃度，但對(duì)混合物體系的總毒性效應(yīng)仍有一定的貢獻(xiàn)。進(jìn)一步證明傳統(tǒng)理化分析方法得出的各組分的濃度信息不能完整反映總體污染物對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的影響，生物毒性檢測(cè)是評(píng)價(jià)水環(huán)境安全性的必要手段。

2.4 孔隙水對(duì)大型溞的急性毒性評(píng)價(jià)

對(duì)大型溞死亡率>50%的原水(未經(jīng)稀釋的孔隙水)按照方法1.5進(jìn)行稀釋，直至大型溞48 h后的死亡率<50%，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出孔隙水對(duì)大型溞的48h LC50值，從而得出整治前后不同點(diǎn)位孔隙水對(duì)大型溞的急性毒性。原水所占比例為100%時(shí)，大型溞死亡率未超過(guò)50%的孔隙水，可根據(jù)公式TU=0.02×死亡率[22]計(jì)算毒性等級(jí)。

整治前，3#點(diǎn)位孔隙水對(duì)大型溞的48 h LC50為20.4%(95%置信區(qū)間為6.00%～30.3%)，為中毒；4#點(diǎn)位孔隙水原水對(duì)大型溞的死亡率只有3.33%(<50%)，為無(wú)毒；5#點(diǎn)位孔隙水對(duì)大型溞的48h LC50為67.52%(95%置信區(qū)間為60.98%～74.55%)，為中毒；7#點(diǎn)位孔隙水對(duì)大型溞的48 h LC50為39.59%(95%置信區(qū)間為31.07%～46.15%)，為中毒。

整治后，3#點(diǎn)位孔隙水對(duì)大型溞的48 h LC50為44.08%(95%置信區(qū)間為38.03%～49.01%)，為中毒；4#點(diǎn)位孔隙水原水對(duì)大型溞的死亡率只有36.67%(<50%)，為微毒；5#點(diǎn)位孔隙水原水對(duì)大型溞的死亡率只有35.00%(<50%)，也為微毒；7#點(diǎn)位孔隙水原水對(duì)大型溞的死亡率只有33.33%(<50%)，為微毒。

根據(jù)神童浜整治前后4個(gè)點(diǎn)位孔隙水對(duì)大型溞的急性毒性評(píng)價(jià)結(jié)果(表5)。由表5可知，整治前，除4#點(diǎn)位孔隙水對(duì)大型溞表現(xiàn)為無(wú)毒，其他點(diǎn)位都為中毒。整治后，5#和7#點(diǎn)位的孔隙水降為微毒，3#點(diǎn)位的孔隙水仍為中毒，而4#點(diǎn)位孔隙水毒性有所上升，表現(xiàn)為微毒。

表5 整治前后孔隙水對(duì)大型溞的急性毒性評(píng)價(jià)①

有研究表明，沉積物中富集了大量水體中的污染物，在一定條件下可重新釋放到水體中，產(chǎn)生二次污染[29]，因此推測(cè)整治后4#點(diǎn)位孔隙水的毒性上升可能是沉積物中污染物釋放引起的。3#、5#和7#點(diǎn)位毒性顯著下降證明了對(duì)黑臭河體的整治有助于改善沉積物中孔隙水的污染狀況。不同于上覆水的急性毒性結(jié)果，整治后的上覆水全都顯示無(wú)毒，整治后的孔隙水卻仍具有一定毒性，且不論是整治前還是整治后，孔隙水對(duì)大型溞的急性毒性等級(jí)都遠(yuǎn)高于上覆水。此結(jié)果說(shuō)明，沉積物中富集的污染物濃度比上覆水高得多，因此，對(duì)黑臭水體進(jìn)行整治效果評(píng)價(jià)，既要檢測(cè)上覆水的毒性，也要對(duì)孔隙水的毒性進(jìn)行檢測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

神童浜經(jīng)過(guò)整治，上覆水和孔隙水的生物毒性有所下降，但仍對(duì)水生生物具有一定的的毒性風(fēng)險(xiǎn)。這是利用物理化學(xué)指標(biāo)不能監(jiān)測(cè)到的，因此，在理化分析的基礎(chǔ)上結(jié)合生物毒性測(cè)試，能夠使得黑臭水體整治后的生態(tài)安全性得到全面評(píng)價(jià)。同時(shí)，鑒于任何物種都不可能對(duì)所有污染物敏感并適用于所有暴露途徑，因此在今后的研究中，需要增加多個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)別的受試生物種類，對(duì)上覆水和孔隙水進(jìn)行毒性測(cè)試，以期得到更全面的黑臭水體整治前后的生物毒性評(píng)價(jià)，為城市黑臭水體的整治效果評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。