長江、漢江水源水及其自來水中有機物生物毒性的比較

董小蓉,楊曉明,魯 翌,馬鯤鵬,鮑 潔,張昊天,唐 非* (.華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所,環(huán)境與健康教育部重點實驗室,湖北 武漢 430030；.武漢市水務(wù)集團(tuán)水質(zhì)監(jiān)測中心,湖北 武漢 430034)

長江、漢江水源水及其自來水中有機物生物毒性的比較

董小蓉1,楊曉明1,魯 翌1,馬鯤鵬1,鮑 潔2,張昊天2,唐 非1*(1.華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所,環(huán)境與健康教育部重點實驗室,湖北 武漢 430030；2.武漢市水務(wù)集團(tuán)水質(zhì)監(jiān)測中心,湖北 武漢 430034)

應(yīng)用XAD-2大孔樹脂對長江、漢江(武漢)水源水及其自來水水樣中的有機物進(jìn)行吸附和富集,經(jīng)洗脫、濃縮、干燥,提取其非揮發(fā)性有機物(NVOCs),通過致突變試驗(Ames test)和重組酵母雌激素測評試驗(YES)分別檢測其致突變性與類雌激素效應(yīng).結(jié)果顯示,2008年平水期,水中 NVOCs除了長江出廠水對 TA98(＋S9)的致突變性檢測結(jié)果為陰性外,其他水樣均為陽性;豐水期除長江水源水外,其他水樣對TA98的致突變性為陽性;枯水期在不加S9的條件下,僅長江出廠水、管網(wǎng)末梢水對TA98的致突變性為陽性,其余水樣均為陰性.各水樣的NVOCs對TA100(±S9)的結(jié)果均為陰性.平水期長江、漢江水源水和枯水期長江水源水中的NVOCs均可檢出類雌激素效應(yīng),豐水期水源水以及各水文期自來水中的NVOCs未顯類雌激素效應(yīng).2007～2009年不同水文期長江和漢江自來水中NVOCs的致突變比活性均高于水源水;長江、漢江各水樣中具有致突變作用的有機物主要為移碼型直接致突變物.長江水源水 NVOCs的類雌激素效應(yīng)高于漢江,經(jīng)自來水廠處理后的出廠水以及管網(wǎng)末梢水中的NVOCs未檢出類雌激素效應(yīng).

長江；漢江；水源水；自來水；非揮發(fā)性有機物；Ames試驗；重組酵母雌激素測評試驗

長江、漢江水是武漢市主要自來水廠的水源水,隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污水未經(jīng)處理或者處理不完全而排入江中,使得水中的有機物種類和含量增加,其中包括可嚴(yán)重危害人體健康的有機磷農(nóng)藥、多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯以及鄰苯二甲酸酯類等有機物;而水源水經(jīng)加氯消毒所產(chǎn)生的非揮發(fā)性消毒副產(chǎn)物鹵代乙酸類物質(zhì)已被列為可疑致癌物[1].關(guān)于長江和漢江水環(huán)境惡化及其可能對人體健康的潛在危害的研究也逐年增多[2-3].飲用水中混合有機物的生物毒性不是單一化合物的生物毒性的簡單累加,而是多種化合物的綜合作用,所產(chǎn)生的健康危害效應(yīng)也有所不同.本研究應(yīng)用固相萃取技術(shù)提取不同水文期武漢長江、漢江的水源水及其自來水(出廠水和管網(wǎng)末梢水)中的非揮發(fā)性有機污染物,結(jié)合Ames試驗、YES試驗對水中有機物的生物毒性(致突變性、類雌激素效應(yīng))強度水平的現(xiàn)狀進(jìn)行研究與評價,以闡明其在不同水文時期的變化規(guī)律以及常規(guī)水處理工藝對此規(guī)律的影響.

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗菌株 鼠傷寒沙門氏菌(Samonella typhimurium)組氨酸營養(yǎng)缺陷型菌株 TA98、TA100(美國Ames實驗室贈予),雌激素受體重組酵母菌(英國Brunel大學(xué)Sumpter教授授權(quán),由中國科學(xué)院環(huán)境生態(tài)研究中心提供).

1.1.2 化學(xué)試劑 L-天門冬氨酸,L-蘇氨酸, Chlorophenol red-β-dgalactopyranoside (CPRG)、二甲基亞砜(Fluka, Switzerland),蛋白胨(日本制藥株式會社),甲醇,乙腈,乙醚,丙酮,二氯甲烷等大孔樹脂 Amberlite XAD-2型大孔樹脂(美國),為非極性樹脂.

1.1.3 主要儀器 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(Heidolph德國);超凈工作臺(SW-CJ-2F,蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司);空氣恒溫?fù)u床(THZ-100,上海一恒科技儀器廠);722型分光光度計(上海第三分析儀器廠);酶標(biāo)儀(Bio-Tek 美國).

1.2 方法

1.2.1 水樣的采集 分別于2008年3月(平水期)、7月(豐水期)及12月(枯水期),先后3次分別采集武漢市長江P自來水廠和漢江Z自來水廠的水源水及其自來水(出廠水與管網(wǎng)末梢水),每次每采樣點采集1份水樣,共計18份,每份體積約為120L.

1.2.2 水中非揮發(fā)性有機物的提取 水中非揮發(fā)性有機物(NVOCs)的提取主要參照Greenberg[4]和王家玲等[5]報道的方法進(jìn)行.水中的NVOCs經(jīng)過吸附、洗脫、濃縮和干燥后制得干品.用于Ames試驗的NVOCs干品采用二甲基亞砜(DMSO)溶解并配制成一定濃度梯度的溶液,使0.1mL溶液中分別含有從0.5,1,2L水樣中濃縮干燥獲得的NVOCs;用于YES試驗的NVOCs干品采用無水乙醇溶解并稀釋,使0.1mL溶液中含有從0.25L水樣中濃縮干燥獲得的NVOCs.

1.2.3 Ames試驗 Ames試驗主要參照《城市供水致突變物的測定(CJ/T150-2001)》[6]、《水和廢水監(jiān)測分析方法》[7]中的方法進(jìn)行.每次試驗均設(shè)陰性與陽性對照.陽性對照選用已知致癌物敵克松為直接誘變物,二乙酰基芴為間接誘變物.試驗結(jié)果以 MR(誘變菌落數(shù)/自發(fā)回變菌落數(shù))值表示,在所設(shè)的劑量范圍內(nèi),若MR≥2且呈劑量-反應(yīng)關(guān)系,則可認(rèn)為待測物Ames試驗結(jié)果陽性,具有致突變性.

1.2.4 YES試驗 將雌激素受體(hERα)基因整合到酵母菌染色體中形成重組酵母菌,若受試物具有雌激素活性則可以與此雌激素受體結(jié)合形成復(fù)合物,并由其啟動質(zhì)粒上的lacZ基因產(chǎn)生β-半乳糖苷酶,它能分解 β-D半乳糖苷氯酚紅(CPRG),使其從黃色變成紅色.出現(xiàn)紅色即說明受試物具有類雌激素活性,為陽性結(jié)果,紅色的深淺(即OD540nm的大小)可反映其類雌激素效應(yīng)的強弱程度.水中 NVOCs的類雌激素效應(yīng)檢測參照Routledge等[8]的方法進(jìn)行.以17β-雌二醇(E2)的無水乙醇溶液為陽性對照,濃度為1.0×10-5g/L,同時以無水乙醇作為溶劑陰性對照.

水樣NVOCs類雌激素活性采用EC25-E2作為評價指標(biāo),計算方法參照Rastall等[9]的方法,略有改動.將各水樣顏色分別與 E2陽性對照進(jìn)行比較,以最小二乘法進(jìn)行曲線擬合后求出各水樣所對應(yīng)的EC25-E2,它表示各水樣NVOCs的類雌激素活性相當(dāng)于E2雌激素活性最大值1/4時所需要的濃縮水樣量(mL).EC25-E2值越大,說明水樣中NVOCs的類雌激素效應(yīng)越低.

1.2.5 數(shù)據(jù)處理與分析 采用SAS、SPSS軟件包對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,顯著性檢驗水準(zhǔn)均取α=0.05.

2 結(jié)果

2.1 長江、漢江水源水及其自來水中非揮發(fā)性有機物的致突變性

2008年不同水文期長江、漢江水源水及其自來水(出廠水、管網(wǎng)末梢水)中NVOCs對TA98的致突變性檢測結(jié)果見表1.

由表1可知,在所設(shè)置的測試濃度范圍內(nèi),平水期時,除了長江出廠水的NVOCs對TA98(+S9)的致突變性檢測結(jié)果為陰性外,其他水樣對 TA98 (±S9)均為陽性;豐水期時,除長江水源水外,其他水樣的NVOCs對TA98(±S9)的致突變性檢測結(jié)果均為陽性;枯水期時,僅長江出廠水和末梢水的NVOCs對TA98(-S9)的致突變性檢測結(jié)果為陽性,其余水樣均為陰性.而同期長江和漢江各水樣NVOCs對TA100(±S9)的檢測結(jié)果均為陰性.

表1 2008年長江和漢江各水樣NVOCs的Ames試驗結(jié)果(TA98)Table 1 Results of Ames test for the NVOCs in water samples of Yangtze and Han River from different hydroperiods

2.2 長江、漢江水源水及其自來水中非揮發(fā)性有機物的類雌激素效應(yīng)

平水期長江、漢江水源水及枯水期長江水源水的 NVOCs呈現(xiàn)類雌激素效應(yīng),且有劑量－效應(yīng)關(guān)系(圖1).豐水期2種水源水以及各水文期自來水中的NVOCs未顯類雌激素效應(yīng).

平水期長江、漢江水源水中 NVOCs的EC25-E2值分別為11.0mL和27.4mL,由此可認(rèn)為平水期長江水源水中NVOCs的類雌激素效應(yīng)高于漢江水源水.

3 討論

3.1 長江、漢江水源水及其自來水中非揮發(fā)性有機物致突變性的比較

3.1.1 2007～2009年水源水及其自來水非揮發(fā)性有機物致突變性的比較 結(jié)合2007年各水文期及 2009年平水期有關(guān)水樣有機物的Ames試驗結(jié)果,可以明確2007～2009年長江和漢江的出廠水和管網(wǎng)末梢水的致突變性均大于水源水,大部分水源水及自來水中有機物的致突變比活性性由強至弱依次為出廠水＞管網(wǎng)末梢水＞水源水.而以往對武漢東湖和漢江的研究也獲類似結(jié)果[3,5].相關(guān)研究表明,水源水中的天然、污染有機物經(jīng)加氯消毒處理后可生成具有很強致突變性或遺傳毒性效應(yīng)的消毒副產(chǎn)物[10-11].

圖1 各水文期長江和漢江水源水NVOCs的類雌激素活性比較Fig.1 Estrogenic activity of NVOCs in source water of Yangtze and Han River by YES from different hydroperiods

從圖2可見,對于出廠水,除2008年枯水期外,各水文期的漢江出廠水2L水樣NVOCs的致突變性均高于長江出廠水;各水文期漢江水源水2L水樣NVOCs的MR值大于2的有4次,而長江水源水為3次;漢江管網(wǎng)末梢水2L水樣NVOCs的MR值有4次大于同期長江管網(wǎng)末梢水.經(jīng)過 2年多的連續(xù)監(jiān)測和比較可以看出,平水期長江水源水及其自來水中有機物的致突變性均高于枯水期和豐水期,而漢江水源水和出廠水的致突變性在2007年枯水期和2008年的豐水期最強.由于各水文期長江與漢江水源水及其自來水中有機物的致突變性強弱的變化受到多種因素的影響,此種變化及其相互間是否存在一定的聯(lián)系與規(guī)律,還有待進(jìn)一步研究.

圖2 不同水文期長江、漢江水源水及其自來水中有機物致突變性的變化Fig.2 Comparison of the mutagenicity of NVOCs in water samples from different hydroperiods in Yangtze and Han River

3.1.2 水源水及其自來水中非揮發(fā)性有機物致突變物作用類型 長江、漢江各水文期水樣中NVOCs的Ames試驗檢測結(jié)果表明,陽性水樣全部為對TA98(-S9)具致突變作用,對TA100(±S9)的致突變性結(jié)果均為陰性,由此可知各水樣中的NVOCs主要為移碼型直接致突變物;而在加入S9后,其對TA98菌株的致突變作用有所降低,說明此類有機致突變物可能部分被分解或轉(zhuǎn)化,但也不能完全排除水中同時存在有移碼型間接致突變物.

2007年,除個別水樣對TA100菌株具致突變性外,其他陽性水樣均為對 TA98菌株具致突變作用,這與此次結(jié)果基本一致.連續(xù) 7個水文期(2007～2009年)的檢測表明,長江、漢江水源水及其自來水中具致突變作用的有機物主要為移碼型直接致突變有機物,而堿基置換型致突變有機物相對較少.

3.2 長江、漢江水源水及其自來水中非揮發(fā)性有機物類雌激素效應(yīng)的比較

由表2可見,平水期長江、漢江水源水中的NVOCs具類雌激素效應(yīng);豐水期長江、漢江水源水的 NVOCs未呈現(xiàn)明顯類雌激素效應(yīng),可能與該水文期水量大,水中具類雌激素效應(yīng)有機物得以稀釋有關(guān);枯水期僅長江水源水的 NVOCs有類雌激素效應(yīng).而在不同水文期各自來水廠出廠水及末梢水中的NVOCs均未顯出類雌激素效應(yīng),這可能與自來水廠的水處理工藝對水源水中此類有機物效應(yīng)物質(zhì)有一定的去除或轉(zhuǎn)化作用有關(guān).有文獻(xiàn)[12]報道,采用加氯消毒的飲用水處理工藝可以有效降低水中有機物的類雌激素效應(yīng);駱堅平等[13]研究發(fā)現(xiàn),自來水廠現(xiàn)有工藝對類雌激素物質(zhì)有很好的去除效果,多數(shù)水廠出水中類雌激素都得到了很大程度的去除.

表2 不同水文期長江、漢江水源水中NVOCs的類雌激素效應(yīng)(EC25-E2值)Table 2 Estrogenic effect of NVOCs in source water of Yangtze and Han River from different hydroperiods(EC25-E2)

綜合比較2年長江、漢江水源水中NVOCs的類雌激素效應(yīng)(表2)可知,長江在5個水文期中可檢出類雌激素效應(yīng),而漢江在4個水文期中可檢出,長江水源水中NVOCs的ED25-E2值均低于同期的漢江水源水,由此可以認(rèn)為長江水源水中所含有的具類雌激素效應(yīng)的有機化合物要多于漢江水源水.不同水文期長江、漢江水中有機物類雌激素效應(yīng)強弱的差異可能與其水量或水質(zhì)的變化有關(guān),具體原因有待進(jìn)一步研究.

4 結(jié)論

4.1 長江和漢江自來水中有機物的致突變比活性強度均高于水源水.

4.2 漢江水源水及其出廠水中有機物的致突變比活性在整體趨勢上高于長江水.

4.3 水中有機物的致突變作用為陽性的長江、漢江水樣,2L水中的有機物致即可對TA98(-S9)具有致突變作用,水中的致突變有機物主要為移碼型直接致突變物.

4.4 長江和漢江水源水中有機物具有類雌激素效應(yīng),而自來水(自來水廠出廠水、末梢水)在水量為250mL時未呈現(xiàn)類雌激素效應(yīng).

4.5 通過對兩年不同水文期水樣致突變性檢測結(jié)果的比較,平水期長江水中有機物的致突變性最強,而漢江水中有機物的致突變性在枯水期和豐水期最強.

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Comparison of the biotoxicity of organic compounds in source and tap water from the Yangtze and Han River.

DONG Xiao-rong1, YANG Xiao-ming1, LU Yi1, MA Kun-peng1, BAO Jie2, ZHANG Hao-tian2, TANG Fei1*(1.Institute of Environmental Medicine, Ministry of Education, Key Laboratory of Environmental and Health, School of Public Health, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430030, China；2.Center of Water Quality Monitoring, Wuhan Water Group Company Limited, Wuhan 430034,China). China Environmental Science, 2010,30(2)：263～268

The nonvolatile organic compounds (NVOCs) in samples of the source water and tap water from the Yangtze and Han River in Wuhan were absorbed by XAD-2 resin and eluted sequentially with dichloromethane followed by acetone. After evaporation to dryness, the mutagenic and estrogenic activity of the extracts were detected and compared by Ames test and YES. The results showed in normal flow period in 2008, the NVOCs of finished water of Yangtze River was negative to TA98 with S9. The other water samples were positive whether with or without S9. In high flow period, each water sample were positive to TA98 with or without S9 except the source water of Yangtze River. In low flow period, only the finished water and the terminal tap water of Yangtze River were positive to TA98 without S9. Each water sample from different hydroperiods was negative to TA100 with or without S9. Both the NVOCs in source water of the Yangtze River and the Han River showed the estrogenic activity in normal flow period and the estrogenic activity of Yangtze River was higher than Han River. No water sample showed estrogenic activity in high flow period while in low flow period only source water of Yangtze River presented the estrogenic activity. The mutagenicity of the tap water was higher than that of source water in Yangtze and Han River. The Ames results showed that the mutagenicity of Han River was higher than that of Yangtze River and the NVOCs mainly contained frameshift mutagens. The estrogenic activity of NVOCs was only found in some source water and it became negative after treated by the routine process of water works.

Yangtze River；Han River；source water；tap water；nonvolatile organic compounds；Ames test；recombinant yeast estrogen screen

X522

A

1000-6923(2010)02-0263-06

2009-07-14

武漢市建設(shè)科研項目(200734)

* 責(zé)任作者, 教授, feitang00@126.com

致謝：本研究得到武漢市水務(wù)集團(tuán)水質(zhì)監(jiān)測中心及有關(guān)自來水廠的協(xié)助,在此謹(jǐn)致以衷心的感謝.

董小蓉(1981-),女,湖北宜昌人,碩士,主要從事環(huán)境醫(yī)學(xué)研究.