藻有機(jī)物的消毒副產(chǎn)物生成特性研究

張 強(qiáng)，劉 燕

（1.湖北省環(huán)境科學(xué)研究院，武漢 430072；2.復(fù)旦大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，上海 200433）

為了保障飲用水在流行病學(xué)上的可靠性與安全性，人們在飲用水處理過程中采用消毒的方式殺滅水源水中可能存在的各種病原微生物，以切斷介水傳染病的傳播途徑，預(yù)防傳染病的發(fā)生或流行.然而在飲用水消毒過程中，消毒劑除了起滅活微生物的作用外，還能與原水中存在的天然有機(jī)物、有機(jī)污染物等發(fā)生反應(yīng)生成消毒副產(chǎn)物（Disinfection By－products，DBPs），而大量的DBPs均被證實(shí)是致畸、致突以及致癌的［1－3］.DBPs的諸多控制途徑中，在消毒工藝前大幅削減原水中的DBPs前體物被認(rèn)為是最為經(jīng)濟(jì)可行的方法［4］.因此，為保障飲用水的化學(xué)性安全，控制飲用水DBPs的產(chǎn)生，針對DBPs前體物的研究就成為了學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn).

自七十年代中期發(fā)現(xiàn)DBPs以來，一般認(rèn)為DBPs主要的前體物是水體中所含的天然有機(jī)物—腐殖質(zhì)，即腐殖酸和富里酸.隨著對DBPs及其前體物研究的不斷深入，研究者們發(fā)現(xiàn)，天然水體中的藻類及其胞外有機(jī)物（Extracellular Organic Matters，EOMs）也是DBPs重要的前體物［5－6］.研究表明，藻類及其EOMs的主要化學(xué)成分包括蛋白質(zhì)、核酸、脂肪和多糖等［7－8］.而目前國內(nèi)外學(xué)者對于藻有機(jī)物及其各化學(xué)成分的DBPs生成特性研究尚不夠全面和深入，大量相關(guān)研究仍主要針對三鹵甲烷（Trihalomethans，THMs）類和鹵乙酸（Haloacetic Acids，HAAs）類副產(chǎn)物［9－11］，鮮有涉及到藻有機(jī)物的N－亞硝基二甲胺（N－nitrosodimethylamine，NDMA）生成特性的研究.而根據(jù)我們之前的研究可知［12］，牛血清蛋白（Bovine Serum Albumin，BSA）、淀粉、DNA 和魚油均可較好地模擬替代微生物細(xì)胞成分中的蛋白質(zhì)、多糖、核酸和脂肪.因此，本研究擬采用腐殖酸為對照樣，以銅綠微囊藻及其EOMs模擬代表通常存在于水源水體中的藻類及其EOMs，以BSA、淀粉、DNA 和魚油分別模擬藻類及其EOMs主要組成成分中的蛋白質(zhì)、多糖、核酸和脂肪，并分別全面考察這些化合物在消毒過程中的THMs，HAAs和NDMA等DBPs的生成情況.

1 材料與方法

1.1 銅綠微囊藻培養(yǎng)及EOMs提取

銅綠微囊藻購于中國科學(xué)院水生生物研究所的淡水藻種庫.培養(yǎng)基選用BG－11，其具體營養(yǎng)成分及濃度詳見表1.在溫度25℃，pH＝9.0條件下采用2 000lux的照明方式（12h 光照，12h 避光）培養(yǎng)［13］.并通過光學(xué)顯微鏡進(jìn)行日常計(jì)數(shù)以監(jiān)測其生長情況.本研究中采用經(jīng)長期培養(yǎng)后處于穩(wěn)定期的銅綠微囊藻，其一半藻溶液直接用于總有機(jī)碳（Total Organic Carbon，TOC）分析和消毒實(shí)驗(yàn)；剩余一半藻溶液參照Chandrakanth等［14］的方法進(jìn)行藻EOMs的提取，而后將提取的EOMs溶液用于TOC測定和消毒實(shí)驗(yàn).

表1 BG－11培養(yǎng)基營養(yǎng)成分及濃度Tab.1 Nutrient concentrations in BG－11culture

1.2 模擬化合物配制

分別稱量0.2g BSA（BR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、0.5g淀粉（AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、0.25g腐殖酸（BR，上海巨楓化學(xué)科技有限公司）、0.5g DNA（BR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）和1.5mL的魚油（BR，上海金拾生物科技有限公司），然后用milli－Q 純水溶解并分別定容至500mL，配制成各模擬化合物貯備液，靜置過夜.淀粉和魚油溶液在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前用定量濾紙過濾.所有模擬化合物溶液均用0.2mol／L NaH2PO4和0.2mol／L NaOH 調(diào)節(jié)pH 至7.0，并于4℃下保存用于后續(xù)的TOC濃度測定和消毒試驗(yàn).

1.3 消毒實(shí)驗(yàn)

分別準(zhǔn)確量取20mL各種模擬化合物水樣，即銅綠微囊藻溶液，EOMs，BSA，淀粉，腐殖酸，DNA 和魚油于帶聚四氟乙烯內(nèi)襯墊的安培瓶中，然后向安培瓶內(nèi)按c（Cl2）／c（TOC）＝1投加NaClO 進(jìn)行氯化消毒，以渦流震蕩器快速混勻反應(yīng)，于恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)暗處接觸反應(yīng)24h，溫度控制在25±1℃范圍，待反應(yīng)完全后用于THMs和HAAs分析.通過之前的研究可知［15－16］，臭氧消毒是產(chǎn)生NDMA 的主要原因之一.此外，楊磊［17］還深入研究了臭氧消毒過程中NDMA 的生成機(jī)理，發(fā)現(xiàn)主要有甲醛催化亞硝化、N2O4亞硝化和經(jīng)羥胺成肼等途徑.因此，在本研究中用于NDMA 分析的樣品在氯化反應(yīng)前先按c（O3）／c（TOC）＝0.1投加O3進(jìn)行預(yù)臭氧，待反應(yīng)2h后，再按與測定THMs和HAAs的樣品完全相同的條件進(jìn)行氯化消毒實(shí)驗(yàn).

1.4 DBPs分析

本研究中進(jìn)行定量分析的DBPs包括THMs，HAAs以及NDMA 三大類.其中，THMs類為CHCl3；HAAs類包括一氯乙酸（MCAA）、二氯乙酸（DCAA）和三氯乙酸（TCAA）.參照美國APHA 和EPA 的標(biāo)準(zhǔn)方法［18－19］，分別采用正戊烷和甲基叔丁基醚對氯化反應(yīng)后的藻有機(jī)物樣品中的THMs和HAAs進(jìn)行萃取，然后將萃取出來的HAAs進(jìn)行酯化反應(yīng).隨后采用GC／ECD 對直接萃取的THMs和酯化反應(yīng)后的HAAs樣品進(jìn)行定量分析，具體的氣相色譜分析條件詳見Zhang等［20］的研究論文中.采用反相高效液相色譜法測定NDMA，具體的液相色譜分析條件詳見陳忠林等［21］的研究論文中.

采用全程空白、平行分析和加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)對預(yù)處理和分析過程進(jìn)行質(zhì)量控制.全程空白即以milli－Q純水為空白樣品，與消毒后的模擬化合物樣品一起完成全部預(yù)處理和分析流程.平行分析即制備3份相同的模擬化合物樣，分別完成全部預(yù)處理和分析流程.加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)即在樣品預(yù)處理前分別加入一定量的CHCl3標(biāo)液、HAAs混合標(biāo)液以及NDMA 標(biāo)液，與本底樣品同時(shí)完成全部預(yù)處理和分析流程.

2 結(jié)果與討論

2.1 分析方法的質(zhì)量控制

在THMs、HAAs和NDMA 的分析過程中，所有的空白樣品中均未檢出目標(biāo)DBPs.樣品分析過程中，平行測定3次條件下，得到CHCl3測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）在5.3%～16.7%之間，MCAA 測定結(jié)果的RSD 在7.2%～17.7%之間，DCAA 測定結(jié)果的RSD 在2.3%～15.0%之間，TCAA 測定結(jié)果的RSD 在10.0%～18.4%之間，NDMA 測定結(jié)果的RSD 在2.7%～16.7%之間，表明采用的DBPs分析方法均具有良好的精密度.對7種模擬化合物樣品進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，5種DBPs的回收率均在68.4%～101.2%之間，方法準(zhǔn)確度高，可滿足5種DBPs的分析要求.

表2 5種DBPs的加標(biāo)回收率結(jié)果Tab.2 The recoveries of 5species of DBPs

2.2 藻有機(jī)物的THMs生成特性

圖1是7種有機(jī)物樣品經(jīng)氯化消毒后CHCl3的產(chǎn)生情況.由圖1 可知，7 種有機(jī)物在單位TOC濃度條件下，魚油的CHCl3生成勢最大，為17.57μg／mg TOC，其后依次是藻溶液（11.55μg／mg TOC），EOMs（4.01 μg／mg TOC），BSA（3.60 μg／mg TOC），DNA（3.08μg／mg TOC）、腐殖酸（2.46μg／mg TOC）和淀粉（0.75μg／mg TOC）.由此可推知，魚油模擬代表的脂肪較BSA 模擬代表的蛋白質(zhì)、淀粉模擬代表的多糖等其他藻有機(jī)物成分具有更高的CHCl3生成勢，是更為有效的CHCl3前體物.Marhaba等［22］的研究也得出相似的結(jié)論，他們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)脂肪具有遠(yuǎn)高于多糖的THMs生成勢.此外，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可知，藻溶液具有近3倍于其EOMs的CHCl3生成勢，由此可以推論得知，本實(shí)驗(yàn)中的銅綠微囊藻胞內(nèi)有機(jī)物（IOMs）較其EOMs具有更高的CHCl3生成勢.這與Graham 等［23］的研究結(jié)論相似，他們發(fā)現(xiàn)在相同實(shí)驗(yàn)條件下，藻細(xì)胞IOMs可產(chǎn)生2倍于其EOMs的THMs.而在本實(shí)驗(yàn)中，通常被認(rèn)為是DBPs重要前體物的腐殖酸卻表現(xiàn)出了較低的CHCl3生成勢，遠(yuǎn)低于藻溶液，這與此前Hoehn等［5］研究結(jié)論是一致的.

圖1 7種有機(jī)物的CHCl3生成情況Fig.1 CHCl3formation potential of seven organic matters

2.3 藻有機(jī)物的HAAs生成特性

圖2是7種有機(jī)物樣品經(jīng)氯化消毒后HAAs的產(chǎn)生情況.由圖2可知，在檢出的3類氯代HAAs中，DCAA 是7 種有機(jī)物產(chǎn)生的主要HAAs種類，其產(chǎn)生量要遠(yuǎn)高于其他兩類氯代HAAs.7種有機(jī)物在單位TOC濃度條件下，藻溶液的總HAAs生成勢最大，為14.82μg／mg TOC，其后依次是BSA（10.60μg／mg TOC），DNA（5.70μg／mg TOC），EOMs（5.28μg／mg TOC）、魚油（4.64μg／mg TOC）、腐殖酸（4.46μg／mg TOC）和淀粉（1.68μg／mg TOC）.與THMs生成情況不同的是，魚油并未表現(xiàn)出高的HAAs生成勢，其HAAs生成勢低于藻溶液、EOMs，BSA 和DNA，同時(shí)還遠(yuǎn)低于其自身的THMs生成勢，表明脂肪類物質(zhì)在本實(shí)驗(yàn)條件下更易于生成THMs而非HAAs.而與THMs生成情況相同的是，藻溶液產(chǎn)生了較其EOMs更高濃度的HAAs，表明銅綠微囊藻IOMs較其EOMs而言，不僅具有更高的THMs生成勢，同時(shí)也具有更高的HAAs生成勢.與THMs生成情況相似，腐殖酸和淀粉依舊表現(xiàn)出最低的總HAAs生成勢，表明在本實(shí)驗(yàn)條件下腐殖酸和多糖類有機(jī)物并非有效的HAAs前體物.

圖2 7種有機(jī)物的HAAs生成情況Fig.2 HAAs formation potential of seven organic matters

2.4 藻有機(jī)物的NDMA 生成特性

圖3是7 種有機(jī)物樣品經(jīng)臭氧和氯化消毒后NDMA 的產(chǎn)生情況.由圖3 可知，淀粉和魚油經(jīng)消毒反應(yīng)后并未檢出NDMA，究其原因認(rèn)為與二者自身的化學(xué)結(jié)構(gòu)與成分有關(guān).通過我們之前的研究可知［15］，NDMA 的產(chǎn)生源于含N 有機(jī)化合物與消毒劑的反應(yīng)，目前主要的NDMA前體物基本被限定為二甲胺和含有二甲胺官能團(tuán)的叔胺，而淀粉和魚油的化學(xué)結(jié)構(gòu)中并不含有二甲胺官能團(tuán)或其他的含N 官能團(tuán)，因此在二者的消毒樣品中未能檢出NDMA.由圖3可知，其余5種有機(jī)物在單位TOC濃度條件下，腐殖酸的NDMA 生成勢最大，為0.293μg／mg TOC，其后依次是藻溶液（0.216μg／mg TOC）、DNA（0.215μg／mg TOC）、BSA（0.212μg／mg TOC）和EOMs（0.054μg／mg TOC）.腐殖酸、藻溶液、DNA 和BSA 均表現(xiàn)出了相對較高的NDMA 生成勢，而毒理學(xué)研究表明NDMA 產(chǎn)生的慢性毒性作用可引起肝癌、肺癌及神經(jīng)系統(tǒng)的損傷，其致癌風(fēng)險(xiǎn)性要遠(yuǎn)高于CHCl3等鹵代DBPs［15］.因此，在采用O3或氯胺消毒工藝的水廠中尤其要注意對原水中腐殖酸和各種藻有機(jī)物的去除，以防消毒過程中NDMA 的大量產(chǎn)生.

與THMs和HAAs生成情況相同的是，藻溶液表現(xiàn)出了較其EOMs更高的NDMA 生成勢，表明銅綠微囊藻IOMs是較其EOMs更為有效的THMs、HAAs和NDMA 前體物.因此，為了有效控制飲用水的DBPs健康風(fēng)險(xiǎn)，在處理含藻原水時(shí)應(yīng)注意采取合適的預(yù)處理工藝，在有效去除水體中藻類物質(zhì)的同時(shí)還要避免對藻細(xì)胞的破壞，防止藻細(xì)胞內(nèi)包括蛋白質(zhì)、核酸等在內(nèi)的有機(jī)物泄漏，而導(dǎo)致水體中藻類DBPs前體物的激增，致使后續(xù)消毒過程中各類DBPs的大量產(chǎn)生.

（1）本研究中采用的銅綠微囊藻其IOMs較其EOMs而言，具有更高的THMs、HAAs和NDMA 生成勢，因此在處理含藻原水時(shí)應(yīng)注意采取合適的預(yù)處理工藝將藻細(xì)胞完整地去除，以防IOMs外泄導(dǎo)致DBPs前體物的大量增加.

（2）腐殖酸盡管表現(xiàn)出相對較低的THMs和HAAs生成勢，但是其具有較其他藻有機(jī)物更高的NDMA 生成勢，鑒于NDMA 的高致癌風(fēng)險(xiǎn)，在采用O3或氯胺消毒時(shí)應(yīng)尤其注意在消毒工藝前對腐殖酸進(jìn)行有效去除，以降低NDMA 生成風(fēng)險(xiǎn).

（3）脂肪類物質(zhì)具有較高的THMs生成勢，蛋白質(zhì)類物質(zhì)具有較高的HAAs和NDMA 生成勢，核酸類物質(zhì)也具有較高的NDMA 生成勢.因此，在水處理過程中也需要注意對這些已存在于原水中的藻有機(jī)物進(jìn)行有效去除.

圖3 7種有機(jī)物的NDMA 生成情況Fig.3 NDMA formation potential of seven organic matters

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