發(fā)光細(xì)菌毒性法在飲用水水質(zhì)評(píng)估與預(yù)警中的應(yīng)用

黃燦克，劉婷婷，湯曉畏

(1．溫州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，浙江 溫州 325000；2．同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院環(huán)境工程教研室，浙江 嘉興 314051；3.浙江省通信產(chǎn)業(yè)服務(wù)有限公司咨詢?cè)O(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310000)

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·環(huán)境預(yù)警·

發(fā)光細(xì)菌毒性法在飲用水水質(zhì)評(píng)估與預(yù)警中的應(yīng)用

黃燦克1，劉婷婷2，湯曉畏3

(1．溫州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，浙江 溫州 325000；2．同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院環(huán)境工程教研室，浙江 嘉興 314051；3.浙江省通信產(chǎn)業(yè)服務(wù)有限公司咨詢?cè)O(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310000)

通過(guò)對(duì)溫州地區(qū)水源地、自來(lái)水等水質(zhì)指標(biāo)的研究，評(píng)估發(fā)光細(xì)菌(費(fèi)氏弧菌)生物預(yù)警毒性監(jiān)測(cè)的有效性，并結(jié)合實(shí)際案例，探討以發(fā)光細(xì)菌生物毒性指標(biāo)評(píng)估、預(yù)警水質(zhì)的可行性。在正常情況下，飲用水水源地水質(zhì)在低發(fā)光抑制率區(qū)間(±18%)，如果水質(zhì)遭遇農(nóng)藥污染等非正常情況，發(fā)光抑制率明顯升高。在自來(lái)水凈水過(guò)程中的各個(gè)處理階段，發(fā)光細(xì)菌的水質(zhì)毒性檢測(cè)表現(xiàn)出敏感性，可以用于水質(zhì)安全在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。

發(fā)光細(xì)菌；急性毒性；水源地；自來(lái)水；預(yù)警；評(píng)估

飲用水水質(zhì)安全是最基本的民生問(wèn)題。常規(guī)理化參數(shù)不能反映水質(zhì)的綜合指標(biāo)，尤其是水質(zhì)生物毒性指標(biāo)欠缺。美國(guó)研究機(jī)構(gòu)提出了在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的優(yōu)化架構(gòu)，由多參數(shù)、特征污染和生物毒性3類參數(shù)構(gòu)成[1]。目前，常見(jiàn)的生物毒性檢測(cè)方法有通過(guò)魚(yú)類、生物燃料電池[2-3]、發(fā)光細(xì)菌[4]、水蚤[5-7]、藻類[8]等為指示物進(jìn)行檢測(cè)。GIROTTI等[9]研究報(bào)道，基于費(fèi)氏弧菌的發(fā)光細(xì)菌法最先運(yùn)用于化學(xué)毒性物質(zhì)的檢測(cè)，相比較于其他細(xì)菌實(shí)驗(yàn)法，該方法最敏感，檢測(cè)范圍也很寬。

對(duì)于突發(fā)事件，采用發(fā)光細(xì)菌進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)逐步得到廣泛應(yīng)用[10]。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，采用大量的在線發(fā)光細(xì)菌生物毒性檢測(cè)儀對(duì)歐洲萊茵河[11]等重要河流以及庫(kù)區(qū)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，該方法目前也在中國(guó)北京[12]、廣東[13]等地水域逐步得到應(yīng)用?，F(xiàn)以溫州地區(qū)飲用水水源和自來(lái)水等為例，采用發(fā)光細(xì)菌法進(jìn)行預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，為該技術(shù)今后在中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域更廣泛的應(yīng)用提供參考。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)材料和監(jiān)測(cè)地點(diǎn)

(1)在線發(fā)光細(xì)菌毒性儀(MicroLAN，荷蘭)，儀器配套美國(guó)進(jìn)口細(xì)菌凍干粉試劑和美國(guó)進(jìn)口細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)液，配置質(zhì)量濃度為20%的鹽溶液1L；(2)便攜式發(fā)光細(xì)菌毒性儀(SDI，美國(guó))、1 000 μL移液槍、100 μL移液槍、固定支架、配套試劑檢測(cè)管、滲透壓調(diào)節(jié)液(OAS)、稀釋液(Diluent)；(3)對(duì)水源地進(jìn)行在線式監(jiān)測(cè)，對(duì)水廠和水井進(jìn)行便攜式監(jiān)測(cè)。

1.2 試驗(yàn)測(cè)試方法和過(guò)程

以在線毒性儀為例，整個(gè)測(cè)試過(guò)程分為5個(gè)部分，采用30 min的連續(xù)運(yùn)行模式，見(jiàn)表1。

表1 發(fā)光細(xì)菌測(cè)試分析流程 min

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及評(píng)價(jià)方法

(1)儀器的修正系數(shù)為0.6～1.3(根據(jù)ISO11348)；(2)細(xì)菌的發(fā)光量必須>50 000(光子數(shù))，過(guò)低的發(fā)光量，會(huì)使誤差變大；(3)和ZnSO4·7H2O(11 mg/L)進(jìn)行控制樣比對(duì)時(shí)，毒性測(cè)試值≥60%；(4)參考水樣毒性值為-5%～ 5%。

物質(zhì)毒性通常用EC50來(lái)表示，即指示生物死亡一半時(shí)的毒性物質(zhì)濃度，現(xiàn)用發(fā)光細(xì)菌相對(duì)發(fā)光抑制率表示，50%的抑制率對(duì)于發(fā)光細(xì)菌其意義等同于EC50。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，如果樣品毒性太大，則用對(duì)細(xì)菌抑制率100%來(lái)表示；如果沒(méi)有達(dá)到50%的抑制率，則直接用抑制率來(lái)表示。

發(fā)光細(xì)菌的光強(qiáng)抑制由抑制率(I%)以及相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度(RBL)來(lái)表示，主要參數(shù)為EC50。I%=[1-(樣品光強(qiáng)/對(duì)照光強(qiáng))]×100[14-15]，相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度=樣品光強(qiáng)/對(duì)照光強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 飲用水水源地發(fā)光細(xì)菌綜合毒性預(yù)警

2009年，永嘉縣建成浙江省第一個(gè)飲用水水源地水質(zhì)在線預(yù)警系統(tǒng)——楠溪江水質(zhì)自動(dòng)站。從2011年10月開(kāi)始，澤雅、趙山渡、淡溪水庫(kù)3個(gè)飲用水水源地自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的在線水質(zhì)毒性測(cè)定儀投入運(yùn)行。經(jīng)過(guò)2 a多的運(yùn)行使用，儀器運(yùn)行基本正常，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，溫州各水源地的生物綜合毒性抑制率基本上在±18%的安全警戒線內(nèi)。根據(jù)各個(gè)站點(diǎn)2 a的運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，可以實(shí)時(shí)掌握目前溫州主要飲用水水源地水質(zhì)的大部分指標(biāo)(為便于采集和分析數(shù)據(jù)，這里都采用4 h平均值)。見(jiàn)圖1(a)(b)(c)(d)。

圖1 4個(gè)站點(diǎn) 2011年10月—2013年10月均值散點(diǎn)圖

由圖1(a)(b)(c)(d)可見(jiàn)，各個(gè)站點(diǎn)水質(zhì)在低毒安全范圍內(nèi)，水質(zhì)毒性抑制率在“0”水平線震蕩分布。也反映出這2 a來(lái)每個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)量都不一樣，而且差別比較大。每個(gè)站點(diǎn)由于運(yùn)行期間有效數(shù)據(jù)不同和數(shù)值的偏離區(qū)間不同，而顯示出不同的排列緊密度。2011—2013年每4 h平均值有效數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。

圖2 2011—2013年每4 h平均值有效數(shù)據(jù)分布

由圖2可知4個(gè)站點(diǎn)的有效數(shù)據(jù)分布情況，正常運(yùn)行的情況下，有效數(shù)據(jù)應(yīng)為4 320個(gè)，扣除不確定因素，按照80%比例也應(yīng)該是3 456個(gè)。每個(gè)站點(diǎn)有效數(shù)據(jù)獲取率偏低，其中存在系統(tǒng)管理不規(guī)范和儀器故障等因素。有效數(shù)據(jù)反映了不同的維護(hù)管理質(zhì)量對(duì)生物在線監(jiān)測(cè)毒性儀的影響非常大，如果不能確保儀器穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，會(huì)嚴(yán)重影響預(yù)警效果。

根據(jù)4個(gè)站點(diǎn)2011—2013年的數(shù)據(jù)，把平均毒性值分為 -18%～-10%、-9%～0%、0%～9%、10%～18% 4個(gè)檔，見(jiàn)圖3。通過(guò)比較可明顯地反映出4個(gè)站點(diǎn)水質(zhì)低毒，數(shù)據(jù)比較集中且均勻平穩(wěn)的趨勢(shì)。

圖3 2011—2013年站點(diǎn)數(shù)據(jù)分布區(qū)間

4個(gè)站點(diǎn)的DO、NH3-N、TP等常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)顯示，它們均屬于Ⅱ類水質(zhì)。以淡溪水庫(kù)為例，其2012—2013年24個(gè)月常規(guī)監(jiān)測(cè)參數(shù)質(zhì)量情況及變化趨勢(shì)和水質(zhì)的低毒性特征基本吻合，見(jiàn)圖4。

圖4 淡溪水庫(kù)2012—2013年24個(gè)月常規(guī)監(jiān)測(cè)參數(shù)月均值趨勢(shì)

TOXcontrol在線水質(zhì)毒性測(cè)定儀在4個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站正式投入使用以來(lái)，數(shù)據(jù)達(dá)到了一定的準(zhǔn)確度。根據(jù)儀器日常運(yùn)行數(shù)據(jù)建立綜合毒性基準(zhǔn)線，可以作為水源地突發(fā)毒性事件快速應(yīng)急反應(yīng)的參考手段之一。通過(guò)一年或者幾年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立基準(zhǔn)數(shù)據(jù)線，水質(zhì)毒性在±10之間的屬于正常毒性范圍。在儀器性能正常的情況下，如果連續(xù)出現(xiàn)>10的數(shù)據(jù)，可以判斷水質(zhì)出現(xiàn)異常。

由于4個(gè)站點(diǎn)的水體自身環(huán)境有所區(qū)別，影響水質(zhì)的環(huán)境因素也不一樣，因此采用的生物綜合毒性也應(yīng)該有所區(qū)別，或者采用多種儀器綜合監(jiān)測(cè)。楠溪江自動(dòng)監(jiān)測(cè)站處在水流相對(duì)湍急且開(kāi)放的地段，設(shè)立發(fā)光細(xì)菌綜合生物毒性檢測(cè)儀的主要目的是對(duì)諸永高速或國(guó)道線上的車輛突發(fā)化學(xué)物質(zhì)傾倒事件而產(chǎn)生的污染進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測(cè)。淡溪水庫(kù)等其他3個(gè)站點(diǎn)，所處相對(duì)封閉的水體環(huán)境，主要的環(huán)境毒性污染因子是農(nóng)藥和除草劑，最好采用藻類和蚤類檢測(cè)儀。不過(guò)，在條件成熟的時(shí)候，可以適當(dāng)增加其他儀器進(jìn)行交叉立體監(jiān)測(cè)，這樣可以拓寬檢測(cè)領(lǐng)域。

2.2 發(fā)光細(xì)菌綜合毒性監(jiān)測(cè)在飲用水水源突發(fā)事件中的評(píng)估

2009年1月25日(除夕)，浙江永嘉縣城中堂村發(fā)生水井投毒事件。收到報(bào)告后，馬上作出響應(yīng)，從現(xiàn)場(chǎng)的刺鼻氣味判斷，毒性物質(zhì)是農(nóng)藥。水井投毒事件發(fā)光細(xì)菌抑制率走勢(shì)見(jiàn)圖5。

圖5 水井投毒事件發(fā)光細(xì)菌抑制率走勢(shì)

由圖5可見(jiàn)，在投毒中心點(diǎn)，發(fā)光細(xì)菌綜合毒性抑制率逐漸降低至無(wú)毒；在投毒點(diǎn)下游5 m處，發(fā)光細(xì)菌抑制率先隨著農(nóng)藥的擴(kuò)散而上升，然后隨著污染中心的到來(lái)達(dá)到最高值，最后由于大量井水的稀釋而降至無(wú)毒。該抑制率數(shù)據(jù)曲線走勢(shì)符合污染源擴(kuò)散濃度的時(shí)空走勢(shì)特征，比較準(zhǔn)確客觀地反映了污染物擴(kuò)散衰減的綜合毒性指標(biāo)。

2.3 自來(lái)水廠各凈水單元對(duì)發(fā)光細(xì)菌的生物急性毒性評(píng)價(jià)

自來(lái)水水質(zhì)安全防范也不容忽視。對(duì)溫州某自來(lái)水廠進(jìn)行生物綜合毒性的安全性評(píng)估。制水工藝流程見(jiàn)圖6。

圖6 制水工藝流程

由圖6可見(jiàn)，在進(jìn)廠之前，在泵站用NaOH調(diào)節(jié)水庫(kù)原水的pH值，進(jìn)廠水加入聚合氯化鋁去除水中的懸浮雜質(zhì)，沉淀出水經(jīng)過(guò)石英砂簡(jiǎn)單過(guò)濾處理之后再用液氯殺菌消毒，最后出廠到城市自來(lái)水管網(wǎng)。每個(gè)處理過(guò)程單元要對(duì)藥劑進(jìn)行嚴(yán)格控制，否則有可能使水質(zhì)產(chǎn)生毒性作用。水廠各凈水單元對(duì)水質(zhì)的生物綜合毒性的影響見(jiàn)圖7。

圖7 水廠各凈水單元水質(zhì)生物綜合毒性變化情況

由圖7可見(jiàn)，庫(kù)區(qū)原水的急性毒性值處于低位，經(jīng)過(guò)NaOH預(yù)處理之后略有升高；經(jīng)過(guò)聚合氯化鋁絮凝沉淀之后，急性毒性升高；然后經(jīng)過(guò)石英砂的自然過(guò)濾吸附作用，毒性略微降低，由于石英砂的過(guò)濾吸附效果沒(méi)有活性炭那樣明顯，所以毒性只是略微降低；出水再經(jīng)過(guò)液氯殺菌消毒之后，急性毒性明顯升高，充分驗(yàn)證了氯對(duì)發(fā)光細(xì)菌的殺傷作用；最后水從自來(lái)水廠到用戶終端之后毒性降低，因?yàn)橛嗦冉?jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸而逐步分解，水質(zhì)毒性又降低到低毒安全狀態(tài)。由此可見(jiàn)，聚合氯化鋁以及次氯酸等凈水物質(zhì)是對(duì)生物有毒害的，要控制用量。另一方面，采用液氯或次氯酸殺菌消毒是自來(lái)水廠的常規(guī)工藝單元，發(fā)光細(xì)菌對(duì)余氯較為敏感，若單純采用發(fā)光細(xì)菌法評(píng)估出廠水水質(zhì)顯然有失偏頗，但針對(duì)終端自來(lái)水，將理化檢測(cè)與毒性檢測(cè)相結(jié)合，建立合理評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)則具有一定的實(shí)際意義。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)飲用水水源地預(yù)警系統(tǒng)2 a的運(yùn)行監(jiān)測(cè)，為有效預(yù)警溫州飲用水水源地水質(zhì)安全積累了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對(duì)溫州4個(gè)飲用水水源地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其水質(zhì)生物毒性抑制率均在低毒安全范圍之內(nèi)；在存有農(nóng)藥等非正常情況下，系統(tǒng)能夠有效評(píng)估有毒物質(zhì)的危害情況；在自來(lái)水廠處理各凈水單元的發(fā)光細(xì)菌毒性測(cè)試中，各個(gè)流程中添加的藥劑除了具有凈水功能外，還對(duì)發(fā)光細(xì)菌有不同程度的抑制作用，液氯消毒環(huán)節(jié)對(duì)發(fā)光細(xì)菌的抑制作用最明顯。

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Application of the Photobacteria Toxicity Detection Method in Water Quality Assessment and Early Warning of Drinking Water

HUANG Can-ke1,LIU Ting-ting2,TANG Xiao-wei3

(1.WenzhouEnvironmentalMonitoringCentralStation,Wenzhou,Zhejiang325000,China;2.InstituteofEnvironmentalEngineering,TongjiZhejiangCollege,Jiaxing,Zhejiang314051,China;3.ConsultingandDesignInstituteofZhejiangCommunicationServicesCo.Ltd.,Hangzhou,Zhejiang310000,China)

This study employed the photobacteria (Vibriofischeri),to evaluate the effectiveness of early biological toxicity warning detection in various water source sites and tap water in Wenzhou area,and also explored the feasibility of using the biological toxicity index to early warn and assess the water quality in real cases. The results indicated that under normal conditions,the water quality of drinking water sources fell into a safe interval (±18%) of the luminescent inhibitory rate,and water under abnormal conditions,such as that polluted by pesticides,showed significant increase in the luminescent inhibitory rate. The photobacteria showed sensitivity to the toxicity of organic and inorganic pollutants during each phase of tap water purification process and therefore it could be used to indicate the safeness of water on line in real time.

Photobacteria; Acute toxicity; Water source site; Tap water; Early warning; Assessment

2015-02-10；

2015-04-21

黃燦克(1979—)，男，工程師，碩士，從事環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作。

X832

B

1674-6732(2015)03-0004-04