徐杰明，何席偉，周嘉偉，張徐祥，任洪強(qiáng)

1. 江蘇省生產(chǎn)力促進(jìn)中心，南京 210042 2. 南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023

當(dāng)前，水資源危機(jī)在數(shù)量和質(zhì)量上都已成為全球性的緊迫問(wèn)題，越來(lái)越受到政府、行業(yè)和學(xué)術(shù)界的關(guān)注[1]。將城市污水進(jìn)行回收和再利用，是緩解水資源危機(jī)的一種重要途徑[2-3]。然而城市污水中含有種類(lèi)繁多的有害化學(xué)物質(zhì)，大量研究表明，污水處理過(guò)程對(duì)有害物質(zhì)的去除不足[4-7]。這些化學(xué)物質(zhì)在排放或隨再生水長(zhǎng)期回用過(guò)程中對(duì)生態(tài)安全及人類(lèi)健康造成潛在風(fēng)險(xiǎn)。盡管分析化學(xué)發(fā)展迅速，但由于成本和時(shí)間的限制，無(wú)法對(duì)污水中的所有污染物進(jìn)行分析和鑒定。此外，單純化學(xué)分析數(shù)據(jù)不能判斷污水中復(fù)雜化學(xué)混合物的累積生物效應(yīng)及可能產(chǎn)生的環(huán)境影響。因此，為了更全面地評(píng)估城市污水在排放和回用過(guò)程中的安全性，需要采用基于生物效應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法為化學(xué)分析方法提供重要的補(bǔ)充信息[1,8-9]。

大量生物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，城市污水處理廠出水能在細(xì)胞和個(gè)體水平上產(chǎn)生各種不良生物效應(yīng)，包括內(nèi)分泌干擾毒性、遺傳毒性、發(fā)育毒性和急性毒性等[10-12]。其中，多種毒性效應(yīng)只在出水經(jīng)過(guò)高倍濃縮下才能產(chǎn)生，如遺傳毒性和急性毒性等[13]，而污水在排放或作為生態(tài)補(bǔ)給水回用過(guò)程中往往會(huì)被稀釋?zhuān)瑢?duì)于其在該狀態(tài)下是否仍能產(chǎn)生相應(yīng)的毒性效應(yīng)目前尚缺乏充足的野外生態(tài)毒理學(xué)證據(jù)。相比之下，城市污水的內(nèi)分泌干擾毒性，尤其是雌激素效應(yīng)則較為明確。1978年，一位英國(guó)魚(yú)類(lèi)生物學(xué)家在利亞河(泰晤士河的一條支流)的2處污水處理廠下游發(fā)現(xiàn)魚(yú)類(lèi)雌雄同體化比例顯著高于正常水平，隨后的大規(guī)模采樣調(diào)研進(jìn)一步證實(shí)了這一異?，F(xiàn)象。當(dāng)時(shí)科學(xué)家們意識(shí)到排入河流的城市污水是導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)性別轉(zhuǎn)變的主要原因，而污水中具有雌激素活性的化學(xué)成分很可能是致病因素[14]。由此，科學(xué)界圍繞城市污水及其受納水體雌激素活性檢測(cè)與評(píng)估、致毒物解析及風(fēng)險(xiǎn)控制等展開(kāi)了一系列研究，在多學(xué)科交叉和融合的基礎(chǔ)上取得了諸多進(jìn)展。本文圍繞這一條研究主線，以城市污水為研究對(duì)象，對(duì)污水雌激素活性表征方法、雌激素活性關(guān)鍵致毒物解析以及污水處理過(guò)程中雌激素活性削減的相關(guān)研究成果進(jìn)行回顧和總結(jié)，為今后城市污水安全排放和回用提供參考。

1 城市污水雌激素活性(Estrogenic activity of municipal wastewater)

1.1 城市污水雌激素活性的概念

動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生的雌激素，包括雌酮(E1)、17β-雌二醇(E2)和雌三醇(E3)，通過(guò)調(diào)節(jié)各種組織細(xì)胞的代謝活動(dòng)來(lái)影響機(jī)體的生理活動(dòng)[15]。有些物質(zhì)由于分子結(jié)構(gòu)上與體內(nèi)的雌激素相似，能與機(jī)體各器官組織細(xì)胞表面的雌激素受體(ER)結(jié)合，發(fā)揮效應(yīng)，而表現(xiàn)出雌激素樣的作用。城市污水中不僅含有人類(lèi)和動(dòng)物排出的天然雌激素，也含有多種具有雌激素活性的物質(zhì)，以及能與雌激素類(lèi)物質(zhì)產(chǎn)生拮抗作用的化學(xué)物質(zhì)[16]，這些物質(zhì)共同作用產(chǎn)生的雌激素效應(yīng)可反映城市污水的雌激素活性。

1.2 雌激素活性檢測(cè)方法與原理

1.2.1 卵黃蛋白原(VTG)生物標(biāo)志物

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，暴露于污水中的雄性鱒魚(yú)體內(nèi)會(huì)大量合成VTG，這是一種本應(yīng)只在雌魚(yú)體內(nèi)才會(huì)大量存在的物質(zhì)[14]。由于魚(yú)類(lèi)體內(nèi)VTG的合成嚴(yán)格受內(nèi)源性雌激素控制，雌激素含量越高，則VTG合成量越高。早期研究者利用這一生理反應(yīng)，將VTG作為生物標(biāo)志物，檢測(cè)了城市污水及其受納水體的雌激素活性。通常的操作方法是將雄魚(yú)(虹鱒魚(yú)、斑點(diǎn)叉尾鮰和黑頭軟口鰷等)直接放置于污水或污水處理廠下游河流中(置于籠中)2～3周，而后測(cè)定魚(yú)血漿中VTG的含量[17-19]或肝臟中VTG基因的表達(dá)[20-21]；或?qū)⒎蛛x的魚(yú)原代肝臟細(xì)胞暴露于水樣提取物中(如采用固相萃取法獲得的水樣濃縮液)，檢測(cè)細(xì)胞培養(yǎng)液中的VTG含量[22-23]。

1.2.2 體外報(bào)告基因細(xì)胞測(cè)試法

為快速對(duì)城市污水及相關(guān)環(huán)境樣品的雌激素活性進(jìn)行定性和定量評(píng)估，研究者開(kāi)發(fā)了一系列基于配體結(jié)合的體外報(bào)告基因的生物測(cè)試方法，其中，以酵母菌為載體的報(bào)告基因法，如以Saccharomycescerevisiae為載體的重組酵母雌激素篩檢法(YES)和以Arxulaadeninivorans為載體的重組酵母雌激素篩檢法(A-YES)，以及以人源細(xì)胞為載體的報(bào)告基因法，如以人骨肉瘤細(xì)胞U2OS為載體的雌激素受體報(bào)告基因法(ERα-CALUX)、以人乳腺癌細(xì)胞T47D為載體的雌激素受體報(bào)告基因法(T47D-KBluc)和以人乳腺癌細(xì)胞MCF-7為載體的雌激素受體報(bào)告基因法(MELN)等最為常見(jiàn)(表1)。其原理在于ER介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，即具有雌激素活性的物質(zhì)(配體)進(jìn)入細(xì)胞后可與ER蛋白結(jié)合使其發(fā)生構(gòu)象改變，進(jìn)而轉(zhuǎn)移至核內(nèi)與雌激素響應(yīng)原件(ERE)結(jié)合誘導(dǎo)相關(guān)基因(如ERα或ERβ)表達(dá)。將一段報(bào)告基因序列融入ERE啟動(dòng)子后，被配體激活的ER可啟動(dòng)ERE中報(bào)告基因的表達(dá)，隨著配體濃度的增加，報(bào)告基因蛋白呈劑量依賴(lài)性增加，通過(guò)檢測(cè)報(bào)告基因蛋白即可對(duì)配體進(jìn)行定量測(cè)定(圖1)。常見(jiàn)的報(bào)告基因有β-半乳糖苷酶基因(lacZ)、螢火蟲(chóng)熒光素酶基因(luc)、β-內(nèi)酰胺酶基因(bla)、肌醇六磷酸酶基因(phyK)和細(xì)菌生物發(fā)光基因(lux)等，其中l(wèi)acZ、luc、bla和phyK的信號(hào)檢測(cè)需要添加相應(yīng)的底物，而lux的信號(hào)則可直接檢測(cè)，方便快捷。在評(píng)估城市污水及其受納水體的雌激素活性時(shí)，通常將樣品進(jìn)行固相萃取后進(jìn)行體外測(cè)試。相比于傳統(tǒng)方法，報(bào)告基因法的優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度高、定量準(zhǔn)確和操作簡(jiǎn)便，結(jié)合微孔板使用可實(shí)現(xiàn)高通量篩選。然而，這些方法的局限性是其只能確定配體與受體的結(jié)合，但這并不一定意味著內(nèi)分泌干擾在體內(nèi)發(fā)生，或生物體受到不利影響[24]。

圖1 報(bào)告基因細(xì)胞測(cè)試原理圖Fig. 1 Scheme of the cell-based in vitro reporter gene assay

表1 雌激素活性體外報(bào)告基因測(cè)試方法Table 1 In vitro reporter gene assay for determining estrogenic activity

值得注意的是，由于不同細(xì)胞載體對(duì)具有雌激素活性的物質(zhì)敏感性不一，會(huì)導(dǎo)致不同測(cè)試方法的靈敏度存在差異。通常情況下人源細(xì)胞對(duì)E2的敏感度更高，相應(yīng)的檢測(cè)限較酵母細(xì)胞可低約一個(gè)數(shù)量級(jí)[34]。但由于酵母法在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)無(wú)菌環(huán)境的要求以及檢測(cè)成本較低，其操作性?xún)?yōu)于人源細(xì)胞法[35]。此外，不同測(cè)試方法對(duì)樣品檢測(cè)的準(zhǔn)確度和重復(fù)性也有所差異。Kunz等[34]比較了5種常用雌激素活性檢測(cè)方法YES、ERα-CALUX、MELN、T47D-KBluc和ERα-GeneBLAzer在同日和日間測(cè)試中的準(zhǔn)確度和重復(fù)性，發(fā)現(xiàn)5種方法檢測(cè)結(jié)果的平均變異系數(shù)(CV)為32%，同日試驗(yàn)的變異系數(shù)(30%)低于日間試驗(yàn)(37%)。5種方法中，ERα-CALUX的準(zhǔn)確度和重復(fù)性最好(總CV為13%)。Leusch等[35]在類(lèi)似的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中同樣發(fā)現(xiàn)ERα-CALUX有優(yōu)良的表現(xiàn)。但由于該方法的使用需要支付高昂的授權(quán)費(fèi)用，在一定程度上限制了其推廣應(yīng)用。

1.2.3 其他方法

除了報(bào)告基因測(cè)試法外，常用的雌激素活性體外試驗(yàn)法還包括乳腺癌細(xì)胞MCF-7細(xì)胞增殖法(E-Screen)[36-37]。此外，生物傳感器[38-40]和轉(zhuǎn)基因斑馬魚(yú)[41-42]等工具的開(kāi)發(fā)使得污水雌激素活性的在線和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能。生物傳感器是一種結(jié)合了生物識(shí)別原件(如細(xì)胞和蛋白質(zhì)等)和物理傳感器(如電化學(xué)和光學(xué)傳感器等)的獨(dú)立集成裝置，可將生物反應(yīng)事件成比例地轉(zhuǎn)換成電化學(xué)或光學(xué)信號(hào)，以此確定樣品中目標(biāo)配體的有效濃度。如Liu等[40]開(kāi)發(fā)了一種基于ER的倏逝波熒光生物傳感器，其利用三功能小分子-蛋白質(zhì)偶聯(lián)物作為信號(hào)探針，同時(shí)充當(dāng)信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)識(shí)別和信號(hào)報(bào)告元件，用于直接測(cè)定水樣中的雌激素活性，檢測(cè)限可達(dá)1.05 μg·L-1E2；而Pham等[39]基于轉(zhuǎn)基因酵母Arxulaadeninivorans開(kāi)發(fā)的生物傳感器利用phyK酶還原底物產(chǎn)生的電化學(xué)信號(hào)進(jìn)行定量，可在無(wú)需對(duì)污水進(jìn)行滅菌和濃縮的情況下對(duì)其雌激素活性進(jìn)行在線測(cè)定，不同鹽度下的檢測(cè)限低至3.7～9.8 ng·L-1E2。相比之下，轉(zhuǎn)基因斑馬魚(yú)結(jié)合了體內(nèi)模型的生物學(xué)相關(guān)性，考慮了全身效應(yīng)和活性物質(zhì)的生化代謝，能夠更真實(shí)地反映污染物產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)。Bakos等[42]開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)基因斑馬魚(yú)Tg(vtg1:mCherry)在接觸雌激素活性物質(zhì)后能表達(dá)體內(nèi)的紅色熒光蛋白基因，通過(guò)影像系統(tǒng)捕捉熒光信號(hào)的形式可直接對(duì)污水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在成魚(yú)階段的檢測(cè)限可達(dá)5 ng·L-1E2。

1.3 城市污水雌激素活性水平

隨著城市污水處理廠下游魚(yú)類(lèi)性別轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象在全球范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注，各國(guó)也陸續(xù)對(duì)其城市污水的雌激素效應(yīng)開(kāi)展了調(diào)研工作(表2)。在評(píng)估城市污水雌激素活性時(shí)，通常將樣品中所有化學(xué)物產(chǎn)生的雌激素活性總和表征為E2當(dāng)量(EEQ)，方法如式(1)所示：

表2 不同地區(qū)城市污水雌激素活性水平Table 2 Estrogenic activity of municipal wastewater in different geographical locations

EEQ=E2-EC50/sample-EC50

(1)

式中：E2-EC50為E2的50%最大效應(yīng)濃度，sample-EC50為樣品產(chǎn)生E2 50%最大效應(yīng)時(shí)的濃縮系數(shù)。

大量研究結(jié)果表明，在全球范圍內(nèi)，城市污水中普遍檢測(cè)出雌激素活性。早期此類(lèi)研究主要集中在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，如2002年，Kirk等[43]采用YES法對(duì)英國(guó)5座污水處理廠進(jìn)出水樣進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，總體約70%以上的雌激素活性在污水處理過(guò)程中可被去除，出水的EEQ范圍從低于檢測(cè)限至17 ng·L-1；2003年，Svenson等[44]對(duì)瑞典20座污水處理廠進(jìn)行了采樣調(diào)研，YES法檢測(cè)結(jié)果顯示，進(jìn)水和出水的EEQ范圍分別為1.6～30 ng·L-1和<0.1～15 ng·L-1；2007年，F(xiàn)ernandez等[45]利用YES法檢測(cè)發(fā)現(xiàn)加拿大4座污水處理廠進(jìn)水的EEQ范圍為30～106 ng·L-1，出水的為9～98 ng·L-1；近期，V?litalo等[13]利用ERα-CALUX法檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，芬蘭7座污水處理廠進(jìn)水的EEQ范圍為0.45～32 ng·L-1，出水的為0.61～3.1 ng·L-1。

其他國(guó)家也有類(lèi)似的檢測(cè)結(jié)果。如Kibambe等[46]利用T47D-KBluc法對(duì)南非的3座污水處理廠進(jìn)行采樣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水的EEQ范圍為1.4～50.7 ng·L-1，出水的為0.3～12.2 ng·L-1。中國(guó)的相關(guān)研究主要集中在一些發(fā)達(dá)城市(如北京市、上海市和武漢市等)的污水處理廠[47-52]。檢測(cè)結(jié)果顯示這些地區(qū)污水廠進(jìn)水的EEQ范圍為15.6～159.5 ng·L-1，出水的為3.37～41.1 ng·L-1，檢測(cè)方法以YES法為主。

總體來(lái)說(shuō)，城市污水雌激素活性的波動(dòng)范圍很大，EEQ值從零點(diǎn)幾到幾百ng·L-1?？赡艿脑蚴遣煌鬯幚韽S接納的污水來(lái)源有所差異，如含有不同比例的工業(yè)廢水或納污管道是否雨污分流等；此外，不同檢測(cè)方法的選擇以及不同實(shí)驗(yàn)室在操作過(guò)程中的誤差也可能造成檢測(cè)結(jié)果的差異性。從地理分布上看，各國(guó)城市污水的雌激素活性水平并不存在明顯的地區(qū)差異性，提示在英國(guó)河流中發(fā)現(xiàn)的魚(yú)類(lèi)性別轉(zhuǎn)變現(xiàn)象應(yīng)作為一個(gè)全球性問(wèn)題引起廣泛關(guān)注。

2 城市污水雌激素活性關(guān)鍵致毒物解析(Identification of key toxicants of estrogenic activity in municipal wastewater)

城市污水中存在各種各樣能夠干擾內(nèi)源性雌激素調(diào)節(jié)的物質(zhì)，識(shí)別該體系中雌激素活性的主要貢獻(xiàn)者，對(duì)于精準(zhǔn)實(shí)施污水雌激素效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制至關(guān)重要。混合體系中單一化學(xué)物對(duì)總體生物活性的貢獻(xiàn)不僅取決于物質(zhì)的濃度，也取決于物質(zhì)的活性效力[8]。盡管在城市污水中多數(shù)物質(zhì)的濃度相對(duì)較高，但由于其類(lèi)雌激素效力太小，無(wú)法對(duì)城市污水的總體雌激素活性產(chǎn)生顯著貢獻(xiàn)。

大量基于效應(yīng)導(dǎo)向分析(effect-directed analysis, EDA)的研究表明，城市污水中內(nèi)源性和合成類(lèi)固醇雌激素是污水總體雌激素活性的主要貢獻(xiàn)者[62,68-71]。EDA的研究思路是將樣品分餾與生物篩選相結(jié)合，在不斷篩檢活性組分的過(guò)程中逐步使復(fù)雜樣品單一化，再輔以化學(xué)分析，最終甄別活性物質(zhì)。1998年，Desbrow等[68]基于EDA方法甄別英國(guó)城市污水中雌激素活性物質(zhì)，在分離的活性提取物中發(fā)現(xiàn)存在內(nèi)源性雌激素E1、E2和合成類(lèi)固醇雌激素17α-乙炔基雌二醇(EE2)，濃度范圍為0.2～80 ng·L-1，該濃度下的雌激素類(lèi)物質(zhì)被證明能夠引起魚(yú)類(lèi)血漿VTG水平升高[72]。Snyder等[73]對(duì)美國(guó)密西根州3個(gè)污水處理廠水樣進(jìn)行分餾分析，發(fā)現(xiàn)E2和EE2是樣品雌激素活性的主要貢獻(xiàn)者(占總EEQ的88%～99%)；相似地，Sonavane等[69]使用EDA法將瑞士1個(gè)污水處理廠出水樣品分成40個(gè)組分，在其中3個(gè)活性組分中發(fā)現(xiàn)E2和EE2對(duì)雌激素活性的貢獻(xiàn)率為41%～67%。此外，在法國(guó)巴黎[70]、日本東京[62]和中國(guó)南京[71]的污水處理廠中，類(lèi)固醇雌激素物質(zhì)被確定為導(dǎo)致污水產(chǎn)生雌激素效應(yīng)的主要活性物質(zhì)。有研究者將分餾鑒定方法運(yùn)用到生物體樣品中發(fā)現(xiàn)，類(lèi)固醇雌激素同樣是污水處理廠下游魚(yú)類(lèi)膽汁和腸道中雌激素活性的主要貢獻(xiàn)者[74-75]。

大量研究通過(guò)計(jì)算化合物雌激素當(dāng)量(chemEEQ)與體外試驗(yàn)測(cè)定的樣品雌激素當(dāng)量(bioEEQ)的比值來(lái)評(píng)估樣品中已知化合物對(duì)樣品雌激素活性的貢獻(xiàn)率(式(2))。chemEEQ的計(jì)算方法為化合物在樣品中的濃度乘以其相應(yīng)的E2雌激素效力(REP)，而多種化合物的chemEEQsum為各單獨(dú)化合物的chemEEQ之和(式(3))。這些研究的主要結(jié)論同樣是類(lèi)固醇雌激素對(duì)污水的雌激素活性起主要貢獻(xiàn)[58,64-65,76-77]。如在澳大利亞5座污水處理廠沿程采集的水樣中，由化學(xué)檢測(cè)結(jié)果計(jì)算得到的E1、E2、E3和EE2的chemEEQsum對(duì)水樣bioEEQ的貢獻(xiàn)比例為60%～100%[64]；德國(guó)16座污水處理廠出水中E1、E2和EE2的chemEEQsum占水樣bioEEQ比例的90%以上[58]。產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因是內(nèi)源性和合成類(lèi)雌激素的REP通常比其他化合物高數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。在這些研究中，已知化合物的chemEEQsum通常與樣品bioEEQ間存在良好的線性相關(guān)性，表明通過(guò)這種計(jì)算得到的chemEEQ能在一定程度上對(duì)水樣實(shí)際雌激素活性有良好的解釋。但是，有研究表明，在一些樣品中已知類(lèi)固醇雌激素的chemEEQsum與bioEEQ存在明顯差異[18,52]，可能的原因包括化學(xué)分析和生物分析準(zhǔn)確度的綜合不確定性，以及水樣中其他擬/抗雌激素活性物質(zhì)的干擾。

貢獻(xiàn)率=chemEEQ/bioEEQ×100%

(2)

chemEEQsum=ΣchemEEQi=ΣREPi×ci

(3)

式中：REPi為化合物i的雌激素效力；ci為化合物i的濃度。

雖然，目前普遍認(rèn)為類(lèi)固醇雌激素為引起城市污水雌激素活性的關(guān)鍵物質(zhì)，在一些特定情況下，如城市污水中混入較高比例工業(yè)廢水時(shí)，烷基酚和雙酚A(BPA)等化合物也可貢獻(xiàn)相當(dāng)比例的雌激素活性。這些化合物本身具有較高的REP，且相較于類(lèi)固醇雌激素通常為ng·L-1水平的濃度，這些物質(zhì)在城市污水中的濃度可達(dá)μg·L-1級(jí)別[78]。其中，壬基酚(NP)和辛基酚(OP)是2種最重要的烷基酚聚氧乙烯醚轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，它們作為非離子表面活性劑被廣泛用于印染、洗滌和化工等行業(yè)[79]。研究發(fā)現(xiàn)印染廢水的EEQ可達(dá)4.12 ng·L-1，而NP的貢獻(xiàn)為70%以上[80]。對(duì)于混雜一定比例印染廢水的城市污水而言，NP對(duì)雌激素活性的貢獻(xiàn)不可忽視。類(lèi)似地，V?litalo等[81]發(fā)現(xiàn)在一座接納造紙廢水的城市污水處理廠，BPA對(duì)出水雌激素活性的貢獻(xiàn)率高達(dá)37%。此外，當(dāng)城市污水中植物雌激素濃度較高時(shí)，其雌激素活性貢獻(xiàn)率也不可忽視。例如，Liu等[82]通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)了一個(gè)城市污水處理廠出水中6種植物雌激素的chemEEQ占chemEEQsum(包括E1、E2、E3和EE2在內(nèi))的4.5%以上[83]；此外，在2座城市污水處理廠的12個(gè)進(jìn)水樣品中，大豆苷元的貢獻(xiàn)率占chemEEQsum的3.0%～14.8%[84]。總的來(lái)說(shuō)，在植物產(chǎn)品制造商附近或大豆消費(fèi)量較高地區(qū)，城市污水中存在的多種植物雌激素可能對(duì)污水總體雌激素活性具有一定貢獻(xiàn)[82]。

3 污水處理對(duì)城市污水雌激素活性的削減(Reduction of estrogenic activity in municipal wastewater treatments)

3.1 常規(guī)生化處理

眾所周知，城市污水處理廠在設(shè)計(jì)之初是為了去除污水中的化學(xué)需氧量(COD)及氮、磷等常規(guī)污染物，其對(duì)污水毒性，尤其是雌激素活性的削減性能并不在工藝設(shè)計(jì)的考量范圍內(nèi)。由于雌激素物質(zhì)及具有類(lèi)似分子結(jié)構(gòu)的化合物在自然界中能夠發(fā)生微生物降解[85]，而城市污水處理廠主要通過(guò)微生物作用去除污染物，這使得城市污水在處理過(guò)程中雌激素活性得以削減或去除成為可能。由表1可知各國(guó)污水處理廠運(yùn)行效果，其中，常規(guī)生化處理對(duì)實(shí)際污水雌激素活性削減率的變化范圍雖然較大(16%～99%)，但低削減效率的情況只占少數(shù)，總體來(lái)說(shuō)，常規(guī)生化處理能夠較好地削減污水的雌激素活性(80%～90%)。相似地，V?lker等[86]整理了22篇相關(guān)報(bào)道的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)常規(guī)生化處理對(duì)污水雌激素活性的平均削減率高達(dá)91.8%。

常見(jiàn)的生化處理工藝包括以活性污泥為主體的傳統(tǒng)活性污泥法(CAS)、氧化溝法和厭氧/缺氧/好氧法(A/A/O)等，以及以生物膜為主體的移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器法(MBBR)和滴流生物濾池法等。在一些對(duì)比研究中發(fā)現(xiàn)，不同工藝在實(shí)際處理過(guò)程中對(duì)雌激素活性的削減性能有所差異。如Kibambe等[46]評(píng)估了南非2座污水處理廠處理效果發(fā)現(xiàn)，采用活性污泥法對(duì)雌激素活性的削減率為85%，而采用厭氧塘+滴流生物濾池工藝的削減率則為67%。在另一項(xiàng)研究中，單獨(dú)滴流生物濾池工藝對(duì)污水雌激素活性的去除率僅為25%，顯著低于普遍報(bào)道的活性污泥法工藝[45]。但目前此類(lèi)工程案例的對(duì)比數(shù)據(jù)仍較少，這種差異是否在實(shí)際污水處理過(guò)程中普遍存在尚不清楚。近期有研究通過(guò)在懸浮污泥池中添加懸浮填料的方式將活性污泥法與生物膜法相結(jié)合，此法能夠增加緩慢生長(zhǎng)微生物的生物量，并可提升污水中微污染物的去除率，在雌激素活性削減方面有較高潛力[87]。

基于微生物降解污染物的特性，常規(guī)生化處理過(guò)程中一些運(yùn)行參數(shù)的變化會(huì)對(duì)污水雌激素活性的削減效率產(chǎn)生影響。如增加污泥停留時(shí)間(SRT)和水力停留時(shí)間(HRT)能有效提高雌激素、BPA和NP等物質(zhì)的去除率[80,88-89]。此外，自然因素如溫度和pH等的變化也可能通過(guò)影響微生物活性而改變其對(duì)污水雌激素活性的削減性能。Manickum和John[76]對(duì)比了同一污水處理廠不同季節(jié)的處理效率，發(fā)現(xiàn)相比于秋季(平均溫度19.8 ℃)，冬季(平均溫度14.2 ℃)的雌激素去除率會(huì)降低10%。

除上述影響因素外，生化處理過(guò)程中硝化程度的高低也會(huì)影響污水雌激素活性的削減。Margot等[90]發(fā)現(xiàn)在移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)運(yùn)行過(guò)程中，污水雌激素活性的削減率隨硝化程度升高而增加?？赡艿脑蚴前毖趸?xì)菌(AOB)通過(guò)共代謝作用促進(jìn)了雌激素類(lèi)物質(zhì)的降解[91]。

3.2 深度處理

常規(guī)生化處理雖然能大幅削減城市污水的雌激素活性，但生化出水的EEQ值通常仍較高，為確保污水在排放和回用過(guò)程中的安全性，需要進(jìn)一步對(duì)生化出水進(jìn)行深度處理。目前，深度處理主要以物化處理方式為主，常見(jiàn)的包括以高級(jí)氧化為作用形式的臭氧處理技術(shù)，以及以物理吸附作用為主的活性炭處理技術(shù)等。

3.2.1 臭氧處理

臭氧可作用于生化出水中殘留的有機(jī)物，使其發(fā)生降解轉(zhuǎn)化。臭氧的作用形式一般包括臭氧直接反應(yīng)和臭氧反應(yīng)生成的羥基自由基(HO·)間接反應(yīng)2種反應(yīng)機(jī)理，產(chǎn)生的HO·主要來(lái)源于污水中特定的有機(jī)物基團(tuán)(如酚類(lèi)或胺類(lèi))[92]。由于污水中的有機(jī)物具有較高的HO·生成潛力，污水臭氧氧化可被視為高級(jí)氧化。

由于雌激素類(lèi)物質(zhì)以及具有雌激素活性的酚類(lèi)等化合物容易受到臭氧作用的攻擊[92]，臭氧處理被認(rèn)為具有較高的雌激素活性削減潛能。在臭氧處理過(guò)程中，污水中的溶解性有機(jī)物(DOC)和亞硝酸鹽(N-NO2)對(duì)臭氧和HO·消耗起主導(dǎo)作用[90]，因此，臭氧使用劑量往往根據(jù)污水中的DOC或N-NO2含量而定。通常情況下，臭氧劑量在0.4～0.8 mg O3·mg-1DOC時(shí)，污水雌激素活性的削減率>90%(表3)。在一些報(bào)道中，更低劑量(0.2～0.3 mg O3·mg-1DOC)的臭氧也有高達(dá)85%以上的雌激素活性削減效果[93]。Reungoat等[94]對(duì)比了臭氧處理前后的生化出水，發(fā)現(xiàn)0.5 mg O3·mg-1DOC劑量的臭氧氧化使污水EEQ降低了95%，而DOC卻沒(méi)有受到影響，可知，此劑量下的臭氧和HO·氧化并非通過(guò)礦化作用降低污水雌激素活性，而是將雌激素類(lèi)化合物轉(zhuǎn)化成雌激素活性更低的副產(chǎn)物。

研究表明，當(dāng)臭氧劑量被清除劑當(dāng)量濃度標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)，更高劑量(以mg O3·mg-1清除劑當(dāng)量為單位)臭氧往往可使污水中大多數(shù)微污染物的去除率更高[90]。然而值得注意的是，在污水臭氧氧化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有毒氧化副產(chǎn)物，如致癌的溴酸鹽、亞硝胺或甲醛等[90]。為減少產(chǎn)生此類(lèi)物質(zhì)的危害，通常在臭氧處理后端增加具有生物活性的砂濾處理，此過(guò)程也可進(jìn)一步削減污水殘留的雌激素活性[90,95]。

3.2.2 活性炭處理

活性炭因其高孔隙率、大表面積和高度的表面相互作用而被普遍認(rèn)為具有對(duì)廣譜微污染物的吸附能力。研究發(fā)現(xiàn)，孔徑為2～50 nm的活性炭對(duì)污染物的吸附性能最佳[96]。活性炭通常以粉狀(PAC)漿液加入接觸式反應(yīng)器中，或在填充床過(guò)濾器中以顆粒形式(GAC)應(yīng)用。吸附過(guò)程的基本原理是將污染物從液相轉(zhuǎn)移到固相。

活性炭吸附過(guò)程的有效性受被吸附化合物的性質(zhì)(如疏水性、化學(xué)結(jié)構(gòu)和電荷)影響[92]。污水中的雌激素類(lèi)物質(zhì)對(duì)活性炭的吸附位點(diǎn)有較高的競(jìng)爭(zhēng)力[92]，使得活性炭處理能很好地削減污水的雌激素活性。通常情況下，濃度為10～20 mg·L-1的活性炭能夠削減污水70%～80%的雌激素活性(表3)。更高濃度的活性炭理論上具有更高的吸附效能，但與臭氧類(lèi)似，活性炭的吸附受污水中有機(jī)物含量的限制，在競(jìng)爭(zhēng)性有機(jī)物(如DOC)含量較高的水中，活性炭去除目標(biāo)污染物的吸附能力比DOC負(fù)荷低的水中更弱[97]。此外，DOC的性質(zhì)，如分子量、疏水性和酸堿性等也是重要的影響因素，低分子量化合物的存在對(duì)目標(biāo)污染物的吸附容量有不利影響[98]。由于污水生化處理方法的不同(如硝化程度)會(huì)使得出水DOC濃度和組成發(fā)生變化，進(jìn)而可能導(dǎo)致相同活性炭劑量下的雌激素活性去除率不同。目前有關(guān)生化處理方式影響活性炭削減雌激素活性的相關(guān)研究較少，但Margot等[90]通過(guò)批次試驗(yàn)對(duì)不同生化處理水平(無(wú)硝化法和完全硝化)的污水中的5種微污染物進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在完全硝化的生化出水中觀察到更高的活性炭吸附效率。在DOC為5～10 mg·L-1的污水中，通常10～20 mg·L-1活性炭劑量可實(shí)現(xiàn)80%以上的總微污染物去除率[90]。

表3 深度處理削減城市污水雌激素活性效果Table 3 Effects of advanced treatment for reducing estrogenic activity of municipal wastewater

4 總結(jié)與展望(Conclusions and perspectives)

雌激素活性作為城市污水的特征毒性之一，在全球范圍內(nèi)的城市污水中普遍檢出。雖然城市污水雌激素活性的危害已受到了廣泛關(guān)注，但不同地區(qū)的研究程度仍存在差異。目前我國(guó)關(guān)于城市污水雌激素活性的研究多集中在部分發(fā)達(dá)城市，而欠發(fā)達(dá)地區(qū)的相關(guān)研究較少。基于報(bào)告基因的體外測(cè)試法因其快速、準(zhǔn)確、靈敏和高通量的優(yōu)點(diǎn)在城市污水雌激素活性檢測(cè)中廣泛使用，尤其是以酵母菌為載體的YES方法。而生物傳感器和轉(zhuǎn)基因斑馬魚(yú)等工具的開(kāi)發(fā)使得污水雌激素活性的在線和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能。這些生物檢測(cè)方法的不斷開(kāi)發(fā)和優(yōu)化為后續(xù)污水及其受納水體雌激素活性監(jiān)測(cè)的常態(tài)化提供了有力工具。

目前普遍認(rèn)為城市污水雌激素活性的致毒物主要為內(nèi)源性和合成類(lèi)固醇雌激素，包括E1、E2、E3和EE2。在工業(yè)廢水含量較高的污水廠，烷基酚、BPA或植物雌激素等物質(zhì)也可能貢獻(xiàn)部分雌激素活性。關(guān)鍵致毒物解析對(duì)于精準(zhǔn)實(shí)施污水雌激素效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制至關(guān)重要，同時(shí)也為開(kāi)展污水中復(fù)合污染的生態(tài)毒理學(xué)研究，闡釋污水毒害效應(yīng)的致毒機(jī)理提供依據(jù)。針對(duì)特定污水，后續(xù)研究可進(jìn)一步關(guān)注化學(xué)分析與生物測(cè)試結(jié)果之間的相關(guān)性，結(jié)合非靶向篩查技術(shù)精準(zhǔn)識(shí)別潛在致毒物質(zhì)。

在城市污水處理過(guò)程中，常規(guī)生化處理能夠大幅削減其雌激素活性，但生化出水的EEQ通常仍較高，為保障污水在排放或回用時(shí)的安全性，深度處理往往必不可少。臭氧氧化和活性炭吸附作為常用的深度處理手段，對(duì)削減污水雌激素活性有良好的效果，但目前觀測(cè)到的數(shù)據(jù)多基于小試或中試運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，其實(shí)際效果仍需進(jìn)一步在污水處理廠的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于城市污水雌激素活性的強(qiáng)化削減，在生化處理過(guò)程中可重點(diǎn)關(guān)注主導(dǎo)雌激素類(lèi)物質(zhì)降解的關(guān)鍵功能菌和功能基因的動(dòng)態(tài)演變及影響因素；而對(duì)于末端處理，在控制經(jīng)濟(jì)成本情況下，可引入新興的深度處理工藝，如紫外-過(guò)氧化物高級(jí)氧化工藝等，或采用組合工藝法以實(shí)現(xiàn)污水的無(wú)害化處理。

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