化學品快速生物降解性六種經(jīng)典測試方法的技術(shù)要點比對

劉純新，沈英娃，黃星，于麗娜，楊力，聶晶磊，周紅

環(huán)境保護部化學品登記中心，北京 100012

化學品快速生物降解性是受試物質(zhì)(有機物)在限定時間內(nèi)與接種微生物接觸，表現(xiàn)出的生物降解能力［1］，是鑒別化學物質(zhì)的環(huán)境危害性和持久性，進行分類和標簽［2］，評價和控制環(huán)境風險［3］的基本指標。若通過標準方法得到的測試結(jié)果表明該受試物質(zhì)在環(huán)境中可被迅速地生物降解，列為“易生物降解”類物質(zhì)［1］。國際上普遍等效采用經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)的六種經(jīng)典快速生物降解性測試方法［4］。歐盟2008年實施的《關于化學品注冊、評估、許可與限制(REACH)法規(guī)》和 EC:440/2008法規(guī)［5］將這六種方法作為技術(shù)法規(guī)(相當于我國的強制性國家標準)的C.4部分，要求進口到歐盟成員國的化學品提交這些測試數(shù)據(jù)。

我國將于2011年12月實施的《危險化學品安全管理條例》［6］，規(guī)定了環(huán)境保護主管部門負責組織危險化學品的環(huán)境危害性鑒定和環(huán)境風險程度評估。作為履行該職責的重要技術(shù)內(nèi)容，快速生物降解性數(shù)據(jù)的科學性、可靠性更加受到各方面的關注。

在國際貿(mào)易和環(huán)境管理的共同壓力下，我國開展化學品、新化學物質(zhì)快速生物降解性測試的需求增加。一些測試機構(gòu)和人員由于受專業(yè)背景和測試經(jīng)驗的限制，出具的測試數(shù)據(jù)質(zhì)量不高。針對審閱測試報告和現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合制訂化學品測試標準，對這六種快速生物降解性測試方法進行了比對研究，以期引起同行的關注，促進我國化學品快速生物降解性測試整體水平的提升。

1 我國采用快速生物降解性測試方法的現(xiàn)狀

OECD的六種經(jīng)典快速生物降解性測試方法在其“化學品測試導則”第三部分，具體代號:301A溶解性有機碳(DOC)消減試驗，301B二氧化碳(CO2)產(chǎn)生試驗，301C改進的MITI試驗(Ⅰ)，301D密閉瓶試驗，301E改進的OECD篩選試驗和301F呼吸計量法試驗［7］。

我國2004年實施的HJ/T 153—2004《化學品測試導則》引用了OECD的這六種方法。原國家環(huán)境保護總局2003年發(fā)布實施、環(huán)境保護部2010年修訂實施的《新化學物質(zhì)環(huán)境管理辦法》以及《新化學物質(zhì)申報登記指南》要求，在我國申報登記的新化學物質(zhì)必須提交基于這六種方法的快速生物降解性數(shù)據(jù)［8-10］。

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會于2008年將OECD的這六種方法等同轉(zhuǎn)化為六項推薦性國家標準①這六項國家標準與同系列的80項化學品安全測試方法標準一起榮獲2010年度國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會聯(lián)合頒發(fā)的“中國標準創(chuàng)新貢獻獎”二等獎，編號:2010-84-2-05。，分別為 GB/T 21803—2008《化學品快速生物降解性DOC消減試驗》，GB/T 21856—2008《化學品快速生物降解性 二氧化碳產(chǎn)生試驗》，GB/T 21802—2008《化學品快速生物降解性 改進的 MITI試驗(Ⅰ)》，GB/T 21831—2008《化學品快速生物降解性 密閉瓶法試驗》，GB/T 21857—2008《化學品快速生物降解性 改進的OECD篩選試驗》和GB/T 21801—2008《化學品快速生物降解性呼吸計量法試驗》［11-16］。概述這六種方法技術(shù)要點的《化學品快速生物降解性 通則》(國家標準制訂計劃編號:20081305-T-469)的起草工作已經(jīng)完成，即將發(fā)布實施。OECD于2006年在“301B二氧化碳(CO2)產(chǎn)生試驗”基礎上推出的新方法“310密閉瓶二氧化碳(頂空試驗)法”(該方法的特點將另文論述)［17］，尚未轉(zhuǎn)化為我國標準。

2 經(jīng)典快速生物降解性測試方法的共同點

2.1 原理

六種測試方法共同的原理是:將含受試物質(zhì)的無機培養(yǎng)基溶液或懸浮液接種微生物以后，以受試物質(zhì)作為唯一的有機碳源，在黑暗或散射光條件下好氧培養(yǎng)。通過空白對照組來校正接種微生物內(nèi)源呼吸引起的誤差。試驗通常持續(xù)28 d，以固定時間間隔測定各參數(shù)的變化，計算受試物質(zhì)快速生物降解率，繪制生物降解曲線［1，7］。如果未到 28 d，生物降解曲線已先達到穩(wěn)定期(曲線上至少連續(xù)3次測定值都保持平穩(wěn)狀態(tài))，可提前結(jié)束試驗;如果第28天生物降解曲線還未達到穩(wěn)定期，應延長試驗期，但測試結(jié)果為陰性，即該物質(zhì)不具有快速生物降解性。

若試驗DOC的去除率達到70%，或生物降解耗氧量達到理論需氧量(ThOD)的60%，或CO2產(chǎn)生量達到理論二氧化碳產(chǎn)生量(ThCO2)的60%，即認為達到快速生物降解的通過水平。28 d內(nèi)的生物降解率或10 d觀察期(觀察期窗口從DOC、ThOD的去除率達到10%，或CO2產(chǎn)生量達到ThCO2的10%開始;為減少取樣和燒瓶的數(shù)量，某些情況可采用14 d觀察期)的降解率達到通過水平，可認為受試物具備快速生物降解性;如果在28 d后達到通過水平，則不具備快速生物降解性。

2.2 受試物質(zhì)必備信息

試驗前，必須已知或測得受試物質(zhì)的溶解度、蒸汽壓和吸附性，以此選擇最合適的測試方法;若掌握受試物質(zhì)對細菌的毒性信息，有助于選擇合適的試驗濃度［18-19］;掌握受試物質(zhì)的純度或主要成分的相對比例、化學結(jié)構(gòu)式或分子式，用于計算降解參數(shù)的理論值或?qū)y定值進行驗證，如理論需氧量(ThOD)、理論二氧化碳產(chǎn)生量(ThCO2)、DOC、總有機碳(TOC)和化學需氧量(COD)。

2.3 參比物質(zhì)

苯胺(新蒸餾的)、醋酸鈉或苯甲酸鈉可以作為參比物質(zhì)，可以選其中一種作為程序?qū)φ战M和毒性對照組進行平行試驗。這三種參比物質(zhì)在以上六種方法的試驗中，均可大部分降解。

2.4 試驗用水

為減少對接種微生物的抑制，試驗用水必須是高純度去離子水或蒸餾水，不含對微生物有毒害作用的物質(zhì)(如Cu2+)。對于每組、每系列試驗，必須使用同一批水［1，7］。

3 各測試方法的適用范圍

若某受試物質(zhì)在水中的溶解濃度不低于100 mg/L，而且在水中不易揮發(fā)，不被玻璃瓶壁和連接管吸附，這六種方法都適用。對難溶于水(水中溶解濃度＜100 mg/L)、易揮發(fā)和易吸附的化學物質(zhì)，適用的測試方法見表 1［1，7］。

由表1可見，對一般的難溶于水、易揮發(fā)、易吸附的化學物質(zhì)，可以從301C、301D、301F三種方法中選一種進行試驗。301A和301E兩種方法適用范圍有限，不能用于一般的難溶于水、易吸附、易揮發(fā)的化學物質(zhì)測試。雖然對于一些中等揮發(fā)性的化學物質(zhì)，可在保證試驗容器密閉、預留足夠頂部空間并建立無菌對照組等前提條件下，采用301A和301E方法進行試驗，但由于操作復雜，干擾因素多，不如選擇其他方法。

表1 六種快速生物降解性測試方法的適用范圍Table 1 Applicability of the six test methods

4 六種測試方法的試驗要求

4.1 儀器設備和操作要點

六種方法的儀器設備、操作要求見表2［11-16］。

表2 六種快速生物降解性測試方法的儀器設備和操作要求Table 2 Apparatus and technique essentials of the six test methods

4.2 反應容器組數(shù)和瓶數(shù)

若按接種受試物質(zhì)組和空白對照組都是兩個平行操作計算(即各方法對反應容器數(shù)量的最低要求)，301A 的反應容器需要 5 ～8 組燒瓶［11］，301B需要5 ～7 組［12］，301E 需要5 ～8 組［15］，301F 需要5～7組。為確保試驗的穩(wěn)定性和復現(xiàn)性，實際操作中往往采用三個平行。這四種方法都需要增加兩組燒瓶。如果在進行301F試驗時，要測其中的DOC或受試物質(zhì)濃度，需要額外再增加一組燒瓶作為吸附對照［16］。

301C最初是日本通商產(chǎn)業(yè)省(Ministry of International Trade and Industry，MITI)開發(fā)的方法，由于具有顯著的優(yōu)點，被很多國家采用。該方法采用專用的呼吸測定儀，配備六個作為反應容器的300 mL燒瓶，其中三個作為接種受試物質(zhì)組，一個作為空白對照組［13］。

301D以BOD瓶作為反應容器，最少需要36個瓶。對于大多數(shù)受試物質(zhì)，為了繪制出生物降解曲線的各階段，保證取樣的次數(shù)和頻率，試驗至少需要60個BOD瓶。由于接種細菌數(shù)較少，為確保試驗的準確性，往往同時進行2個不同濃度(2和5 mg/L，以 ThOD 計)的試驗，至少需要100 個瓶［14］。

4.3 各測試方法對試驗水質(zhì)的要求

為防止水中雜質(zhì)、離子交換樹脂及細菌、藻類產(chǎn)生的物質(zhì)對試驗結(jié)果的干擾，301A、301B、301C、301E、301F五種方法試驗前要預先測定試驗用水的DOC濃度，測得的DOC值不得高于受試物質(zhì)濃度的10%［11-13，15-16］。301D 不需要預先測定水中 DOC濃度，但要求試驗用水的耗氧量低，含接種微生物的空白對照組在28 d的耗氧量不應超過1.5 mg/L(以DO 計)［14］。

4.4 難溶受試物質(zhì)的前處理要求

對于水中溶解濃度低于100 mg/L的受試物質(zhì)，如果能保證其均勻分散在水中，可從301B、301C、301D、301F四種方法中選擇一種。但是，采用攪拌、超聲等方式使受試物質(zhì)分散時，剪切力不能過強，要防止過熱、泡沫過多。

301C不允許使用助溶劑或乳化劑進行前處理［13］。301B、301D、301F 三種方法，如果使用助溶劑促進受試物質(zhì)溶解，或使用乳化劑使受試物質(zhì)呈穩(wěn)定的分散狀態(tài)，就必須設助溶劑/乳化劑對照組，而且要求助溶劑、乳化劑在試驗條件下不降解、不起泡，對接種微生物無毒害、無抑制作用［12，14，16］。

4.5 受試物質(zhì)和參比物質(zhì)的添加要求

根據(jù)受試物質(zhì)和參比物質(zhì)在水中溶解度的不同，采用不同的方法添加至試驗容器中。對于水中溶解濃度高于1 g/L的物質(zhì)，可事先配備合適濃度的儲備液，試驗時，再稀釋成最終受試溶液，加入試驗容器。

對于水中溶解濃度低于1 g/L的物質(zhì)，在選擇301B、301C、301D、301F 中的任一方法時，為避免稀釋培養(yǎng)基緩沖液，不能采用配儲備溶液的方式，只能直接溶于培養(yǎng)基或直接添加、分散到培養(yǎng)基中［12-14，16］。

301D特別要求用虹吸方法［14］向BOD瓶內(nèi)加試驗培養(yǎng)基、受試物質(zhì)和參比物質(zhì)，充滿瓶?？繑嚢杌旌暇鶆颍p拍瓶壁排除氣泡。

4.6 取樣要求

對于水中溶解濃度低的物質(zhì)，為了避免取樣的誤差，在取樣前，要保證受試物質(zhì)分散均勻。

301A和301E兩種方法錐形瓶中的水分會隨試驗時間的延長而蒸發(fā)，要求取樣前向錐形瓶中補充相應量的水并充分混合，而且要求將容器壁上附著物質(zhì)再次溶解或懸浮。若采用2 L錐形瓶作反應容器，每個瓶的內(nèi)容物定容至1 L，每2 d取樣一次，每組一個瓶即可滿足28 d的試驗要求。缺點是，取樣前補充水分的操作復雜且不易精確控制;隨著試驗時間的延長、取樣次數(shù)的增加，燒瓶內(nèi)容物體積變化較大。若301A、301E方法采用250 mL錐形瓶，每個瓶的內(nèi)容物定容至100 mL，那么每個瓶只能取一次樣，需要250 mL錐形瓶的個數(shù)將與取樣次數(shù)相同。

301B采用2～5 L的試驗燒瓶作反應容器，使用Ba(OH)2作吸收劑時，每組至少需要10個吸收瓶，28 d的試驗至少需要70個吸收瓶。若為降低成本、節(jié)省空間，采用半透明的塑料瓶代替玻璃瓶作吸收瓶，將不利于觀察瓶內(nèi)沉淀。若使用NaOH代替Ba(OH)2作吸收劑，將減少CO2吸收瓶個數(shù)。吸收瓶適合用膠塞;若用磨口玻璃瓶和玻璃塞，通過堿與玻璃反應可達到密封效果，但損失的堿液會引起滴定的偏差。

301C采用專用的呼吸測定儀，每個燒瓶均配有特制的CO2吸收瓶，用堿石灰作吸收劑［13］，結(jié)構(gòu)緊湊;能自動連續(xù)記錄耗氧量，不需取樣，操作簡單。但價格較高，國內(nèi)只有少數(shù)測試機構(gòu)具備。

301D要求每次每組至少取兩瓶，測定DO和pH后，將瓶棄去。如果按14 d觀察期試驗，至少每周取樣一次;如果要確定10 d觀察期，至少每周取樣2次，或每2 d取樣一次。這樣，至少需要60個BOD瓶，操作較繁瑣，勞動強度較大。

301F采用自動呼吸測定儀，自動連續(xù)記錄耗氧量，不需取樣，操作簡單。

4.7 含氮受試物質(zhì)的要求

如果選擇301C、301D或301F測含氮物質(zhì)的快速生物降解性，由于氮的硝化作用會消耗一部分溶解氧，使測定結(jié)果產(chǎn)生偏差。為消除這種干擾，應根據(jù)試驗結(jié)束時NO3-和NO2-的濃度進行校正［13-14，16］。

關于六種方法的受試物質(zhì)、接種微生物的選擇、培養(yǎng)基成分、溫度等操作要求和注意事項，將另文討論。

5 常見問題及處理措施

5.1 缺少受試物質(zhì)信息，測試方法選擇不當

由于缺少溶解度、蒸汽壓和吸附性方面的數(shù)據(jù)，或數(shù)據(jù)不準確，使選擇的測試方法不適合該受試物質(zhì)，導致試驗結(jié)果不可靠。要解決、避免類似的問題，測試機構(gòu)不但要具備熟悉各種快速生物降解性測試方法的技術(shù)人員，而且還要具備熟悉化學品常規(guī)理化性質(zhì)測試的人員和進行驗證理化參數(shù)的技術(shù)能力，對必要的參數(shù)能夠進行驗證試驗或補測。

5.2 試驗方案缺乏針對性，取樣頻次不夠

對于301B、301D等非自動取樣的試驗，方法要求如果按14 d觀察期試驗，至少每周取樣一次［12，14］。若不考慮受試物質(zhì)的性質(zhì)，試驗方案一律按每周取樣一次設計，由于數(shù)據(jù)少，某些受試物質(zhì)生物降解曲線的變化趨勢可能不明顯。應對措施是，分析受試物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，適當增加取樣頻次。

5.3 缺少水質(zhì)數(shù)據(jù)，異常結(jié)果解釋不清

試驗用水的水質(zhì)數(shù)據(jù)往往被忽視，對一些異常的試驗結(jié)果，無法判斷是由于水中雜質(zhì)干擾還是由于試驗操作不當所致。解決的措施是，定期對試驗用水進行全分析，去除抑制微生物活性的物質(zhì);在試驗前，檢測試驗用水溶解氧的消耗量或水中DOC濃度。

5.4 分散不均勻，試驗結(jié)果不可靠

一些難溶的受試物質(zhì)，在28 d的試驗期間，分散體系失穩(wěn)，或沉淀到瓶底，或上浮到液面，使試驗結(jié)果不可靠。應對措施:應細心觀察，及時發(fā)現(xiàn)異常并采取措施;對于不能恢復的，應在減少受試物質(zhì)添加量的情況下，重新進行試驗。

6 結(jié)論和建議

(1)化學品種類繁多，性質(zhì)各異，每測一個物質(zhì)的快速生物降解性，都相當于一項研究課題，絕不同于一般的檢測工作。要準確、有效地測試化學品快速生物降解性，測試機構(gòu)應具備物理化學、分析化學、環(huán)境微生物等方面的專業(yè)人員，并對六種經(jīng)典方法深入研究、融會貫通。

(2)六種經(jīng)典方法的適用范圍不同，應根據(jù)受試物質(zhì)的性質(zhì)選擇適當?shù)臏y試方法。301A和301E只適用于易溶于水、不易揮發(fā)、不易吸附的物質(zhì);301B不適用于易揮發(fā)的物質(zhì)。采用301C、301D、301F三種方法測含氮受試物質(zhì)時，需要校正硝化作用的氧消耗。

(3)六種經(jīng)典方法對設備和操作的要求各有不同，應根據(jù)受試物質(zhì)的特性和測試機構(gòu)儀器、設備、場地等條件，設計出有針對性的試驗方案，采用合適的反應裝置，減少、避免對試驗結(jié)果的干擾。

(4)試驗人員應嚴格按照各種方法的要求，認真操作，細心觀察。對試驗水質(zhì)、分散體系的變化要及時發(fā)現(xiàn)并排除干擾。

［1］國家環(huán)境保護總局.化學品測試方法［M］.北京:中國環(huán)境科學出版社，2004.

［2］United Nations.Globally harmonized system of classification and labelling of chemicals(GHS)［M］.3rd ed.New York:United Nations Publication，2009:215-240.

［3］van LEEUWEN C J，VERMERIRE T G.Risk assessment of chemicals an introduction［M］.2nd ed.Dordrecht:Springer，2007:73-409.

［4］Orgnisation for Economic Co-operation and Development.OECD guideline for testing of chemicals［M］.Paris:OECD Publications，1993.

［5］The Commission of The European Communities.Council Regulation(EC)No 440/2008［EB/OL］.［2008-05-30］.http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2008:142:0001:0739:en:pdf.

［6］中華人民共和國國務院.危險化學品安全管理條例［EB/OL］.［2011-03-11］.http://www.gov.cn/flfg/2011-03/11/content_1822902.htm.

［7］OECD.Test No.301:Ready Biodegradability［EB/OL］.［1992-07-17］.http://www.oecd-ilibrary.org/environment/test-no-301-ready-biodegradability _ 9789264070349-en;jsessionid =1816fjr8gttv3.delta.

［8］國家環(huán)境保護總局.HJ/T 153—2004 化學品測試導則［S］.北京:中國環(huán)境科學出版社，2004:6.

［9］中華人民共和國環(huán)境保護部.新化學物質(zhì)申報登記指南［EB/OL］.［2010-09-16］.http://www.mep.gov.cn/pv_obj_cache/pv_obj_id_A307C2706731EC4386428C731D210489261E0900/filename/W020100921500388885939.pdf.

［10］周紅，菅小東，聶晶磊，等.新化學物質(zhì)環(huán)境管理技術(shù)規(guī)范體系的構(gòu)建［J］.環(huán)境科學研究，2010，23(3):272-276.

［11］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 21803—2008化學品快速生物降解性 DOC消減試驗［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［12］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 21856—2008化學品快速生物降解性 二氧化碳產(chǎn)生試驗［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［13］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 21802—2008化學品快速生物降解性改進的MITI試驗(Ⅰ)［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［14］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 21831—2008化學品快速生物降解性密閉瓶法試驗［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［15］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 21857—2008化學品快速生物降解性改進的OECD篩選試驗［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［16］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 21801—2008化學品快速生物降解性呼吸計量法試驗［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［17］OECD.Test No.310:Ready Biodegradability-CO2in Sealed Vessels(Headspace Test)［EB/OL］//OECD.OECD guideline for testing of chemicals.［2006-03-23］. http://titania.sourceoecd.org/vl=8728439/cl=14/nw =1/rpsv/cgi-bin/fulltextew. pl? prpsv =/ij/oecdjournals/1607310x/v1n3/s13/p1.idx

［18］OECD.Test No.209:Activated sludge，respiration inhibition test:OECD guideline for testing of chemicals［EB/OL］.［2010-07-23］.http://www.oecd-ilibrary.org/environment/test-no-209-activated-sludge-respiration-inhibition-test_9789264070080-en.

［19］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 21796—2008化學品活性污泥呼吸抑制試驗［S］.北京:中國標準出版社，2008.?