廈門飲用水源地水質(zhì)毒性調(diào)查及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

沈奇奇蔡惠文(浙江海洋大學(xué)海洋科學(xué)院,浙江 舟山 316000)李青松(廈門理工學(xué)院水資源環(huán)境研究所,福建 廈門 361024)陸保松(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)駱靖宇(蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215009)陳國元,廖杰(廈門理工學(xué)院水資源環(huán)境研究所,福建 廈門 361024)

水作為基礎(chǔ)性資源其安全問題一直受到人們廣泛的關(guān)注[1]。新型水體污染物往往突破傳統(tǒng)單一性污染物風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)通過交互作用對(duì)人體產(chǎn)生協(xié)同毒理效應(yīng)[2]。研究表明地表水中存在著遺傳毒性物質(zhì),長期低劑量暴露于這些物質(zhì)中可增加致癌風(fēng)險(xiǎn)[3]。因此,水源地水質(zhì)毒性效應(yīng)評(píng)估對(duì)于保障飲水安全具有重要意義。

生物毒性測(cè)試方法可反映多種毒性的整體作用,有效檢測(cè)共存污染物的綜合生物效應(yīng),評(píng)價(jià)水質(zhì)的安全性,廣泛應(yīng)用于飲用水、工業(yè)廢水和生活污水等環(huán)境水體的檢測(cè)[4,5]。發(fā)光細(xì)菌檢測(cè)法(Luminescent Bacteria Test,LBT)根據(jù)測(cè)定有毒物質(zhì)抑制的發(fā)光強(qiáng)度變化實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的急性毒性檢測(cè)[6],該方法1995年被列為水質(zhì)急性毒性檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)[7]。SOS/umu測(cè)試方法通過測(cè)定β-半乳糖苷所產(chǎn)生的黃色可溶性色素進(jìn)行遺傳毒性定量分析[4],目前已成為ISO中用于環(huán)境水樣遺傳毒性的標(biāo)準(zhǔn)方法[8]。但SOS/umu測(cè)試只代表部分生物毒性數(shù)據(jù)[9],許多具有其他毒性的物質(zhì)不一定會(huì)呈現(xiàn)出遺傳毒性,因此水樣評(píng)估需要結(jié)合更多的生物毒性試驗(yàn)綜合分析。

筆者利用發(fā)光細(xì)菌試驗(yàn)和SOS/umu測(cè)試法等生物毒性檢測(cè)法對(duì)廈門市6個(gè)飲用水源地水質(zhì)進(jìn)行調(diào)查,定量分析相對(duì)發(fā)光率和遺傳毒性誘導(dǎo)率,對(duì)比考察了不同洗脫劑對(duì)遺傳毒性效果的影響,探討了水樣點(diǎn)IR擬合系數(shù)與4-NQO的當(dāng)量濃度的關(guān)系,并對(duì)基于SOS/umu遺傳毒性效應(yīng)的致癌風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估,以期為居民飲用水水質(zhì)安全提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試劑和儀器

1.1.1主要試劑

Ampicillin Trihydrate(≥98%,CNW);顯色劑2-nitrophenol-β-D-galactopyrano-side(OPNG,≥98%,東京化合);二甲基亞砜(DMSO,ACS級(jí),安普);4-nitroquinoline-1-oxide(4-NQO,99%,安普);二氯甲烷,甲醇(均為HPLC級(jí),Merck);丙酮(LC,≥99.5%,Merck);十二烷基磺酸鈉(SDS,ACS級(jí),CNW);胰蛋白胨(LP0042,OXOID);三氯甲烷(AR,Merck);2-巰基乙醇(AR,99%,Merck);乙酸乙酯,正己烷(農(nóng)殘級(jí),CNW)。

1.1.2主要儀器

生物毒性監(jiān)測(cè)儀(BioFix?Lumi-10,德國);恒溫振蕩器(IKA,德國);氮吹儀(N-EVAPTM111,美國);固相萃取器(VISIPREPTMDL,美國);酶標(biāo)儀(Spectramax M2e,美國)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1急毒性試驗(yàn)

試驗(yàn)使用的是費(fèi)希爾弧菌“BioFix?Lumi Milti-Shot”發(fā)光細(xì)菌。加入激活溶液復(fù)蘇凍干細(xì)菌,測(cè)試初始發(fā)光強(qiáng)度;含有2%NaCl的樣品與菌液接觸反應(yīng),測(cè)試最終發(fā)光強(qiáng)度,測(cè)試結(jié)果為負(fù)值時(shí)表示為發(fā)光強(qiáng)度的抑制百分比Inhibition(IN%)，測(cè)試結(jié)果為正值時(shí)表示為發(fā)光強(qiáng)度的增強(qiáng)百分比Stimulation (ST%)。

表1 發(fā)光細(xì)菌急性毒性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由相對(duì)發(fā)光率L評(píng)估水質(zhì)急性毒性：

L(%)=100%+I(%)

(1)

(2)

式中，I是相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度；Isample代表樣品的發(fā)光強(qiáng)度；I0是空白對(duì)照的發(fā)光強(qiáng)度。

綜合采用歐盟頒布的發(fā)光細(xì)菌標(biāo)準(zhǔn)(LBT)[10]和南京土壤研究所推薦的百分?jǐn)?shù)等級(jí)分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)[11]，得出急毒性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) (見表1)。

1.2.2SOS/umu測(cè)試

SOS/umu測(cè)試[12]方法改進(jìn)如下:取40μl冷凍Salmonella typhimurium TA1535/PSK1002菌液于50mg/L氨比西林的L-B培養(yǎng)基(10g胰蛋白胨,10g氯化鈉,5g酵母提取物)中,在37℃的條件下振蕩(175r/min)隔夜培養(yǎng)13h。13h后用TGA(10g胰蛋白胨,5g氯化鈉,高壓滅菌后加入0.2g葡萄糖)培養(yǎng)液稀釋100倍后放在敞口錐形瓶中,37℃的條件下振蕩(175r/min)培養(yǎng)2.5h(前培養(yǎng))。取前培養(yǎng)菌液300μl加入3ml試管中,再添加3μl樣品的DMSO溶液振蕩搖勻,37℃的條件下振蕩(175r/min)培養(yǎng)2h,移取200μl上述培養(yǎng)液于96孔酶標(biāo)板,在595nm波長下測(cè)定菌液的吸光度值。取100μl反應(yīng)菌液(上述培養(yǎng)溶液)加入1ml z-buffer溶液(0.06mol/L的Na2HPO4·12H2O,0.04mol/L的NaH2PO4·1H2O,0.01mol/L的KCl,0.001mol/L的MgSO4及2-巰基乙醇),50μl SDS溶液,10μl三氯甲烷,振蕩搖勻,再加入200μl 含6mg/ml的ONPG緩沖溶液,于30℃下靜置酶促反應(yīng)20min。加入500μl含1mol/L的Na2CO3溶液停止反應(yīng),吸取200μl于96孔酶標(biāo)板中,分別于415nm和570nm波長下測(cè)定吸光度值,計(jì)算β-半乳糖苷酶活性Unitβ-半乳糖苷酶:

(3)

式中，t為加入ONPG后的反應(yīng)時(shí)間(該試驗(yàn)中為20min)；v為反應(yīng)菌液在顯色過程中的稀釋倍率(該試驗(yàn)中為0.09)；A415、A570和A595為各相應(yīng)波長下的吸光度值。

試驗(yàn)取DMSO為空白對(duì)照,4-NQO作為陽性對(duì)照物。試驗(yàn)結(jié)果β-半乳糖苷酶活性為原始計(jì)算值減去本底參照。遺傳毒性效應(yīng)由誘導(dǎo)率R表示：

(4)

式中，Unitsample表示水樣酶活性；Unitblank control表示空白對(duì)照酶活性。當(dāng)R≥2時(shí),則表示結(jié)果呈陽性,具有致突變性;當(dāng)1.5

2 樣品采集與前處理

2.1 采樣水源地的分布

2017年對(duì)廈門九龍江北引干渠的江東泵站和北溪水閥、汀溪水庫、蓮花水庫、坂頭水庫和石兜水庫共6個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行采樣調(diào)查,水源地取樣地點(diǎn)分布見圖1。

A：北溪水閥 24°33′13.34″N,117°45′39.86″E；B：江東泵站 24°29′27.11″N,117°47′12.11″E；C：石兜水庫 24°41′6.61″N,118°0′53.27″E；D：坂頭水庫 24°40′12.72″N,118°1′37.49″E；E：蓮花水庫 24°46′47.48″N,118°2′38.15″E；F：汀溪水庫 24°49′38.48″N,118°8′19.70″E。圖1 廈門周邊水源地采樣點(diǎn)

2.2 樣品前處理

試驗(yàn)水樣經(jīng)0.45μm的玻璃纖維膜過濾后,一部分直接用來進(jìn)行急毒性測(cè)試;一部分經(jīng)固相萃取氮?dú)獯蹈珊?采用二甲基亞砜置換溶液定容到200μl,-20℃下保存用于SOS/umu測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 發(fā)光細(xì)菌急毒性

水樣急毒性試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可知，2017年4月和6月北溪水閥的水質(zhì)生物急毒性測(cè)試結(jié)果是IN12%和IN13%,相對(duì)發(fā)光率為88%和87%；江東泵站為ST2%,相對(duì)發(fā)光率是102%,兩者同屬于九龍江急性毒性差15%。坂頭水庫急性毒性測(cè)試結(jié)果是ST14%和ST12%,相對(duì)發(fā)光率為114%和112%；石兜水庫和汀溪水庫生物急毒性與坂頭水庫相近。蓮花水庫水質(zhì)急毒性測(cè)定結(jié)果ST2%和IN2%,平均相對(duì)發(fā)光率100%。

圖2 廈門水源地發(fā)光細(xì)菌相對(duì)發(fā)光率

圖3 不同洗脫劑對(duì)遺傳毒性誘導(dǎo)效果的影響

3.2 SOS/umu遺傳毒性

3.2.1洗脫劑篩選

以坂頭水庫水樣為例,考察不同洗脫劑對(duì)遺傳毒性誘導(dǎo)效果的影響(見圖3)。

由圖3可知,4組不同洗脫劑在富集水樣量為20～40ml時(shí)β-半乳糖苷酶活性呈小幅增加,在水樣量達(dá)到40ml時(shí)活性達(dá)到第1個(gè)峰值;增大富集水樣量,β-半乳糖苷酶活性呈下降趨勢(shì)。除丙酮洗脫水樣量在350ml時(shí)活性降至最低值255.28外,其他3種方式洗脫時(shí)水樣量至80ml左右酶活性降低至最低值,分別為350.16、369.6和265.35;持續(xù)增加水樣量,則β-半乳糖苷酶活性有明顯上升趨勢(shì)。這與石健等[17]試驗(yàn)中不同的洗脫劑對(duì)遺傳毒性誘導(dǎo)效果的影響趨勢(shì)相似?？傮w上β-半乳糖苷酶活性隨富集水樣量的增加呈先增加至第1個(gè)峰值,然后降低至最低后再上升至第2個(gè)峰值的雙峰模式。試驗(yàn)中富集水樣為40～80ml時(shí)酶活性有小幅度降低,其原因可能是部分急毒性物質(zhì)被洗脫出阻礙了SOS反應(yīng)中部分酶的合成[12]。

甲醇洗脫時(shí)水樣量為253μl時(shí)β-半乳糖苷酶出現(xiàn)活性,隨著水樣量的增加毒性在40ml時(shí)到達(dá)第1個(gè)峰值430.39,隨后降低再上升,在較高的水樣體積2L(或大于2L時(shí))時(shí),酶活性可達(dá)1053.79,但在低于300ml時(shí)對(duì)遺傳毒性物質(zhì)的洗脫效果并不理想。丙酮洗脫時(shí)酶活性變化趨勢(shì)基本與甲醇洗脫時(shí)相似。試驗(yàn)中采取了不同極性洗脫劑(組合):正己烷+二氯甲烷+甲醇和正已烷+乙酸乙酯+甲醇(體積比皆為1∶3∶1) ,前者水樣量至1L時(shí)活性才明顯增加,洗脫效果不明顯,后者在41ml時(shí)β-半乳糖苷酶活性為空白對(duì)照的1.75倍。綜上對(duì)比單一的洗脫劑,組合型的極性洗脫劑可以更好地洗脫吸附在萃取柱上的有機(jī)物質(zhì)。故試驗(yàn)中選取了正乙烷+乙酸乙酯+甲醇(體積比為1∶3∶1)為洗脫劑。

3.2.2水樣SOS/umu遺傳毒性

SOS/umu測(cè)試水源地水樣遺傳毒性劑量-效應(yīng)曲線見圖4。由圖4可知，富集水樣量在40ml以下β-半乳糖甘酶活性相差較小,隨著水樣量增加遺傳毒性效應(yīng)不斷增加。β-半乳糖甘酶活性依次增加了276.82、387.25、341.60、360.18、100.89和169.09。其中江東泵站變化范圍最大;汀溪水庫變化幅度最小,在較低水樣量2ml就表現(xiàn)出遺傳毒性,這與急毒性測(cè)試結(jié)果相似;而蓮花水庫酶活性增量較大且在2ml時(shí)β-半乳糖甘酶活性為493.95，是空白對(duì)照的2倍,表現(xiàn)出較高的遺傳毒性。蓮花水庫雖然在急毒性試驗(yàn)中沒有表現(xiàn)出明顯的急性毒性,但是遺傳毒性效應(yīng)較為明顯。這可能是由于上游庫區(qū)有旅游度假區(qū),人為活動(dòng)對(duì)遺傳毒性影響較大。

表2 SOS/umu測(cè)試法誘導(dǎo)率R計(jì)算結(jié)果

表2為廈門市6個(gè)調(diào)查點(diǎn)的誘導(dǎo)率R值。由表2可知,北溪水閥和江東泵站同屬九龍江,在水樣量10ml時(shí)誘導(dǎo)率R值>1.5,呈疑陽性；水樣量在41ml和20ml時(shí)水樣呈現(xiàn)陽性。坂頭水庫、汀溪水庫和石兜水庫在水樣量超過20ml時(shí)R>2,呈陽性。在較少水樣量時(shí)蓮花水庫水樣R>2,誘導(dǎo)率在81ml時(shí)達(dá)到3.713,遺傳毒性效應(yīng)較為明顯。以水樣量20ml為例,其誘導(dǎo)率R值大小比較為坂頭水庫>汀溪水庫>石兜水庫>江東水閥>蓮花水庫>北溪泵站。誘導(dǎo)率R值隨水樣量的增加而增大,呈現(xiàn)劑量-效應(yīng)關(guān)系。

20日00時(shí),低渦中心移至河北東北部,與其相伴的西南暖濕氣流在遼寧地區(qū)與副高西側(cè)的偏南暖濕氣流匯合。相應(yīng)時(shí)段的地面上,隨著地面氣旋的北上加強(qiáng),氣旋頂部的倒槽影響東北和山東地區(qū)。綜上所述,500 hPa冷暖空氣交匯以及江淮氣旋的北上發(fā)展共同造成了此次暴雨過程。

邵鵬等[13]對(duì)太湖水體研究表明，在水樣量大于150ml后誘導(dǎo)率R值可高達(dá)6;豆捷雄等[14]對(duì)北方原水有機(jī)提取物的遺傳毒性研究表明，在暴露體積200ml時(shí)誘導(dǎo)率R>2;太湖水體遺傳毒性效應(yīng)要高于該次調(diào)查水源地,對(duì)比北方原水在較低水樣量時(shí)出現(xiàn)了較高的遺傳毒性。同時(shí)，兩者研究都表明水樣暴露體積與誘導(dǎo)率呈劑量-效應(yīng)關(guān)系,這與該次試驗(yàn)結(jié)果相似。

4 基于SOS/umu遺傳毒性效應(yīng)的致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

針對(duì)2017年6月份水源地的SOS/umu測(cè)試結(jié)果,計(jì)算水樣的致癌風(fēng)險(xiǎn)：

P=q×D

(5)

式中，P為化學(xué)致癌風(fēng)險(xiǎn);D為致癌物質(zhì)的單位體重日均暴露劑量,mg/(kg·d);q為致癌強(qiáng)度,(kg·d)/mg,根據(jù)文獻(xiàn)[18],q=0.369( kg·d)/mg。

以4-NQO作為陽性對(duì)照,擬合水樣的遺傳毒性強(qiáng)度IR值和4-NQO標(biāo)準(zhǔn)樣的IR值,可以得出水樣中所含有的4-NQO的當(dāng)量濃度(TEQ4-NQO,μg/L):

(6)

式中，IRsample為測(cè)試樣品斜率,unit/L；IR4-NQO為同時(shí)測(cè)定的4-NQO標(biāo)準(zhǔn)樣的斜率,unit/μg。

利用上述公式,以成年人體重為65kg,每日飲水量2L/d計(jì)算,則基于SOS/umu測(cè)試遺傳毒性效應(yīng)的飲用水致癌風(fēng)險(xiǎn)P為:

(7)

以江東泵站水樣為例，圖5是利用origin軟件的線性擬合結(jié)果。線性擬合后斜率為IRsample=2356.6unit/L,標(biāo)準(zhǔn)品4-NQO的斜率為IR4-NQO=23121unit/μg。利用公式(6)得出TEQ4-NQO=0.102μg/L,由式(7)得出P=0.79×10-6。

基于以上SOS/umu遺傳毒性效應(yīng)的致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法,調(diào)查其余水樣點(diǎn)TEQ4-NQO和SOS/umu遺傳毒性效應(yīng)的致癌風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果見表3。

圖5 環(huán)境樣品的4-NQO等當(dāng)量計(jì)算

表3 廈門水源地的TEQ4-NQO及其風(fēng)險(xiǎn)值

廈門市4-NQO當(dāng)量濃度平均值0.094μg/L,致癌風(fēng)險(xiǎn)平均值是0.894×10-6,6個(gè)水源地的致癌風(fēng)險(xiǎn)均在10-7到10-6范圍之內(nèi)。汀溪水庫的致癌風(fēng)險(xiǎn)的最高為1.23×10-6,石兜水庫的致癌風(fēng)險(xiǎn)值最低為0.454×10-6。

針對(duì)該調(diào)查的水源地水樣TEQ4-NQO和致癌風(fēng)險(xiǎn)分別是潘立波[19]等對(duì)北方流域調(diào)查結(jié)果的4/5(TEQ4-NQO:0.113μg/L)和3/4(P:1.19×10-6)。調(diào)查水樣致癌風(fēng)險(xiǎn)范圍低于國際EPA規(guī)定的致癌風(fēng)險(xiǎn)10-6到10-4的標(biāo)準(zhǔn),其中北溪泵站、坂頭和石兜水庫的致癌風(fēng)險(xiǎn)更是低于10-6飲用水致癌風(fēng)險(xiǎn)的安全標(biāo)準(zhǔn)[20]。廈門水源地略高于水庫型水源地[21]中對(duì)環(huán)境水體的致癌風(fēng)險(xiǎn)值,低于北方某水廠[18]平均致癌風(fēng)險(xiǎn)10倍。

5 結(jié)論

試驗(yàn)對(duì)廈門6個(gè)水源地進(jìn)行了急毒性和遺傳毒性調(diào)查并評(píng)估了其致癌風(fēng)險(xiǎn)。

1)急毒性試驗(yàn)中水源地水樣的相對(duì)發(fā)光率在88%～113%,毒性級(jí)別小于Ⅰ,水質(zhì)是低毒安全的。

2)SOS/umu測(cè)試中洗脫劑用正乙烷+乙酸乙酯+甲醇(體積比為1∶3∶1)進(jìn)行混合洗脫效果更為明顯。

3)遺傳毒性效應(yīng)與富集量有關(guān),誘導(dǎo)率R值與酶活性的變化趨勢(shì)一致,呈現(xiàn)劑量-效應(yīng)關(guān)系。

4)調(diào)查水源地遺傳毒性在富集水量200ml時(shí)誘導(dǎo)率R值是空白對(duì)照的2～2.5倍,呈陽性,具有致突變性物質(zhì)。而基于SOS/umu遺傳毒性效應(yīng)的致癌風(fēng)險(xiǎn)均在10-7到10-6范圍之間,廈門市6個(gè)飲用水水源地水質(zhì)處在較為安全的水平。

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