2種典型家用消毒劑對水生生物的急性毒性影響及生態(tài)效應(yīng)閾值研究

朱英，胡雙慶，沈根祥,*，張洪昌，楊燦

1. 上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233 2. 華東理工大學(xué)，上海 200237

隨著人們防病意識的增強(qiáng)，越來越多的家用消毒劑用于人們的生活，其品種繁多、用量非常大，雖然大部分地區(qū)家用消毒劑會隨著生活污水進(jìn)入城鎮(zhèn)污水處理廠，經(jīng)過處理后再排放到受納水體中，但也有部分環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施較差的地方，會將家用消毒劑連同生活污水直排進(jìn)入周邊河道，對水生生物的生長、發(fā)育和繁殖構(gòu)成危害，破壞水生生態(tài)系統(tǒng)平衡，且對人體健康具有潛在威脅。有研究表明，常見的氯酚類家用消毒劑對氯間二甲苯酚、三氯生、三氯卡班等，難以采用常規(guī)污水處理方式完全去除，出水仍然可以被檢出，趙高峰等[1]對北京某污水處理廠調(diào)查中發(fā)現(xiàn)水樣中三氯卡班的去除率為73.8%；Yu等[2]在美國馬里蘭州巴爾的摩一家污水處理廠的進(jìn)出水調(diào)查中發(fā)現(xiàn)對氯間二甲苯酚去除率為80%，三氯生去除率為69%；此外，Zhao等[3]研究發(fā)現(xiàn)，我國珠江、海河、遼河等地表水中三氯生和三氯卡班的濃度高達(dá)478 ng·L-1和338 ng·L-1。而次氯酸鈉等含氯消毒劑與水中存在的有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)可產(chǎn)生三氯甲烷等有毒有害的副產(chǎn)物，李雪春等[4]研究發(fā)現(xiàn)，貴州省市政水廠出水中三氯甲烷檢出濃度為0.1 μg·L-1～96.3 μg·L-1；劉偉等[5]研究發(fā)現(xiàn)長江斷面中三氯甲烷濃度為2.56 μg·L-1。在眾多家用消毒劑中，含氯消毒劑(如次氯酸鈉)和氯酚類消毒劑(如對氯間二甲苯酚)目前應(yīng)用最為廣泛，對水生生物具有一定的毒性作用[6-9]，排入水環(huán)境后會對水生生態(tài)系統(tǒng)造成潛在的風(fēng)險。

目前，尚缺乏對水生生物保護(hù)的安全效應(yīng)閾值或風(fēng)險值。生態(tài)效應(yīng)安全閾值的計(jì)算方法多采用物種敏感度分布(species sensitivity distribution，SSD) 曲線方法，該方法是基于不同物種對同一污染物敏感性的差異，以多個有代表性敏感物種的急性或慢性毒性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建統(tǒng)計(jì)分布模型來評估環(huán)境濃度下污染物對生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險[10-11]。該方法常被用于生態(tài)風(fēng)險評估的效應(yīng)評估和水質(zhì)基準(zhǔn)推導(dǎo)。20世紀(jì)70年代末，美國環(huán)境保護(hù)署(US EPA)首次提出將SSD方法用于水質(zhì)基準(zhǔn)制定[12]，隨后SSD方法在歐洲各國也得到廣泛的應(yīng)用[13-14]。近年來國內(nèi)也逐漸開始將SSD方法應(yīng)用于重金屬、農(nóng)藥、抗生素等污染物環(huán)境水質(zhì)基準(zhǔn)推導(dǎo)和生態(tài)風(fēng)險評估中，趙佳懿等[15]應(yīng)用SSD法評估九龍江口水體7種重金屬的生態(tài)風(fēng)險；肖鵬飛等[16]采用SSD法開展了毒死蜱對稻田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)風(fēng)險評價研究；汪濤等[17]應(yīng)用SSD法開展了地表水中磺胺類抗生素的生態(tài)風(fēng)險評價。隨著SSD法在我國各研究領(lǐng)域的不斷應(yīng)用和發(fā)展，一些問題也逐漸呈現(xiàn)出來，如我國目前SSD曲線擬合所需數(shù)據(jù)通常借鑒國外數(shù)據(jù)庫或文獻(xiàn)報(bào)道的毒性數(shù)據(jù)[18-20]，而很少源于實(shí)驗(yàn)室毒性試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，考慮到國內(nèi)外物種分布地域性差異，因此相關(guān)風(fēng)險評估結(jié)果對本地的適用性還有待進(jìn)一步探討[21]。

為了探討典型家用消毒劑的急性生態(tài)效應(yīng)閾值，本研究根據(jù)水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，選擇了8種不同營養(yǎng)級水平的水生生物作為受試生物，同時選取了2種典型家用消毒劑(有效成分分別為對氯間二甲苯酚和次氯酸鈉)為目標(biāo)物，開展了這2種目標(biāo)物對8種水生生物的急性毒性效應(yīng)研究，并根據(jù)毒性測試結(jié)果構(gòu)建 SSD 曲線，推導(dǎo)相應(yīng)的急性預(yù)測無效應(yīng)濃度(predicted no effect concentration，PNEC)，以期為我國短期淡水生態(tài)基準(zhǔn)的制定和水環(huán)境風(fēng)險管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法(Materials and methods)

1.1 2種消毒劑有效成分測定的材料與方法

本研究選取了2種典型家用消毒劑作為目標(biāo)物，分別為消毒劑A(有效成分為對氯間二甲苯酚)和消毒劑B(有效成分為次氯酸鈉)，從本市大型超市購得。對氯間二甲苯酚標(biāo)準(zhǔn)品(純度99.0%)購自上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司；次氯酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.1000 mol·L-1)購自天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所。硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液(0.1004 mol·L-1)、碘化鉀(分析純)、鹽酸(分析純)、甲醇(色譜純)等均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

參考張向兵等[22]的方法，消毒劑A的測定采用Waters Alliance 2695高效液相色譜儀建立的HPLC分析法，準(zhǔn)確稱取對氯間二甲苯酚標(biāo)品，采用甲醇作溶劑，配制了濃度為92.03 mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液，并逐步稀釋得到濃度為30.68、10.23、3.41和1.14 mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液，具體色譜條件見表1，建立HPLC分析方法后，稱取1 g消毒劑A加入至1 L曝氣自來水中，攪拌15 min，配制成濃度為1 000 mg·L-1的溶液，取樣測定分析有效成分對氯間二甲苯酚實(shí)際濃度；消毒劑B采用GB 19106—2013“次氯酸鈉”中的碘量法測定，稱取消毒劑B樣品10 g，置于內(nèi)裝20 mL水并已稱量的100 mL燒杯中，稱量然后全部移入100 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻待用，吸取容量瓶中的試樣10 mL，置于內(nèi)裝50 mL水的250 mL碘量瓶中，加4 mL鹽酸溶液，迅速加入10 mL碘化鉀溶液蓋緊瓶塞后加水封，于暗處靜置5 min后，用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定至淺黃色，加入2 mL淀粉溶液繼續(xù)滴定，至藍(lán)色消失即為終點(diǎn)，具體見表1。

1.2 水生生物毒性實(shí)驗(yàn)的材料與測試方法

為了表征一個完整的水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征，本研究選取了8種國標(biāo)推薦水生模式生物或本土生物作為受試生物，其中浮游植物3種、浮游動物1種、魚類3種，底棲生物1種，基本包括了整個淡水生態(tài)系統(tǒng)的不同營養(yǎng)級水平，可一定程度上表征一個良性完整的生態(tài)系統(tǒng)[23]。

表1 實(shí)驗(yàn)材料與方法Table 1 Test materials and methods

水生生物在實(shí)驗(yàn)開始前進(jìn)行馴養(yǎng)，且與實(shí)驗(yàn)條件一致。藻類和溞類引入實(shí)驗(yàn)室后，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行長期保種培養(yǎng)，并在實(shí)驗(yàn)開始前7～10 d進(jìn)行馴養(yǎng)，其中藻類的馴養(yǎng)條件為溫度(23±2) ℃，連續(xù)均勻光照，光質(zhì)為冷白熒光燈燈光，光譜范圍為400～700 nm，光強(qiáng)為 4 440～5 550 lux，且早晚人工搖動各一次；母溞馴養(yǎng)條件為水溫19～21C，溶解氧大于3.0 mg·L-1，光暗比為 8 h：16 h，光照強(qiáng)度為1 000～1 500 lux，選取溞齡不超過24 h的非頭胎幼溞進(jìn)行暴露實(shí)驗(yàn)；魚類和環(huán)棱螺實(shí)驗(yàn)前馴養(yǎng)12 d，馴養(yǎng)條件為水溫22 ～ 24 ℃，光暗比為 12 h：12 h，每天投食，實(shí)驗(yàn)開始前24 h終止。

藻類生長抑制試驗(yàn)采用靜態(tài)方法；魚類急性毒性試驗(yàn)、溞類急性活動抑制試驗(yàn)及底棲生物的急性毒性試驗(yàn)采用半靜態(tài)方法，48 h更新試驗(yàn)溶液，實(shí)驗(yàn)用水為曝氣自來水，其水質(zhì)參數(shù)pH為7.0～8.5，溶解氧為7.5～9.0 mg·L-1，硬度為150～250 mg·L-1(以CaCO3計(jì))。具體的物種來源和毒性測試方法見表2。

1.3 數(shù)據(jù)處理1.3.1 消毒劑B碘量法測定結(jié)果計(jì)算

有效氯含量X=c·V·0.03545/(m·10/100)

式中：X—以質(zhì)量百分含量表示；c—硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的實(shí)際濃度，mol·L-1；V—硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的用量，mL；m—試樣的質(zhì)量，g。

1.3.2 水生生物急性毒性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用SPSS 16.0軟件計(jì)算其LC50值和EC50值，獲得所需的急性毒性數(shù)據(jù)結(jié)果。

1.3.3 SSD曲線構(gòu)建及PNEC推導(dǎo)

本研究采用荷蘭國家公共衛(wèi)生和環(huán)境研究院(RIVM)開發(fā)的軟件 ETX 2.0 程序[28]建立SSD曲線，計(jì)算HC5值，即保護(hù)95%的物種不受影響時所對應(yīng)的污染物濃度[29]，同時對毒性數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)-正態(tài)分布檢驗(yàn)擬合，采用A-D擬合優(yōu)度檢驗(yàn)(Anderson-Darling goodness of fit test)，判斷其合理性，根據(jù)HC5值，結(jié)合評價因子法，即HC5/ AF，AF推薦值為1～5[30-32]，本研究為保守評估風(fēng)險閾值大小選用其中最大值5，推導(dǎo)出PNEC。

2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

2.1 2種消毒劑的有效成分測定

本研究建立了消毒劑A的有效成分對氯間二甲苯酚HPLC檢測方法，標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y = 25436.55159x，R2= 0.99997，線性范圍1.14 mg·L-1～90.3 mg·L-1。配制成濃度為1 000 mg·L-1的消毒劑A溶液，取樣測定分析有效成分對氯間二甲苯酚實(shí)際濃度，結(jié)果見表3，對于消毒劑A樣品對氯間二甲苯酚理論濃度為25 mg·L-1，其平均實(shí)測濃度為25.43 mg·L-1，即其實(shí)際測定含量為2.54%。消毒劑B的有效成分為次氯酸鈉，采用碘量法測定，有效氯含量為1.48%，見表4。綜上，如表5所示，2種消毒劑的測定結(jié)果表明其實(shí)際測定結(jié)果與廠家標(biāo)識基本一致。

2.2 2種消毒劑對不同水生生物的毒性效應(yīng)

開展風(fēng)險閾值研究，受試生物物種應(yīng)至少涵蓋生

表2 急性毒性實(shí)驗(yàn)材料與測試方法Table 2 Materials and methods of acute toxicity test

態(tài)系統(tǒng)的3個營養(yǎng)級(如藻類、無脊椎動物、脊椎動物)，物種的毒性數(shù)據(jù)一般不少于5個[33]。因此本研究對2種典型消毒劑分別開展了浮游藻類、浮游動物、魚類及底棲動物共計(jì)8種不同淡水水生物種的毒性實(shí)驗(yàn)。不同急性毒性實(shí)驗(yàn)暴露時間及毒性終點(diǎn)表示分別為藻類72 h-EC50、溞類48 h-EC50、魚類和螺類96 h-LC50，分析2種消毒劑對水生生物的毒性效應(yīng)。

2種消毒劑對8種水生生物的急性毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6，總體上來看，隨著暴露時間的延長，受試生物的死亡率或抑制率成增長趨勢，消毒劑B對8種水生生物的LC50或EC50值變化范圍較寬，其最終毒性結(jié)果LC50或EC50值變化范圍為7.86 mg·L-1～387.65 mg·L-1。從毒性危害來看，消毒劑A對近頭狀偽蹄形藻、斜生柵藻72 h-EC50和稀有鮈鯽96 h-LC50處于10 mg·L-1～100 mg·L-1之間，根據(jù)生態(tài)毒理學(xué)危害性分級標(biāo)準(zhǔn)[34]，屬于中危害水平，其余5種水生生物96 h-LC50或EC50均>100 mg·L-1，屬于低危害水平；消毒劑B對對近頭狀偽蹄形藻、斜生柵藻的72 h-EC50在1 mg·L-1～10 mg·L-1之間，為高危害水平，且除對方形環(huán)棱螺的毒性等級為低危害水平外，對于其余5種生物的毒性等級為中危害水平。除底棲動物環(huán)棱螺外，消毒劑B對藻類、溞類和魚類的急性毒性均高于消毒劑A。根據(jù)美國毒理學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)(TOXNET)中HSDB數(shù)據(jù)庫毒性數(shù)據(jù)，對氯間二甲苯酚對大型溞的48 h-EC50為7.7 mg·L-1，對虹鱒魚和藍(lán)鰓魚96 h-LC50分別為0.76 mg·L-1和1.6 mg·L-1，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果中消毒劑A有效成分對氯間二甲苯酚對大型溞和3種魚的結(jié)果相當(dāng)(對大型溞的48 h-EC50為2.28 mg·L-1，對斑馬魚、日本青鳉及稀有鮈鯽的96 h-LC50分別為3.19、3.15、2.09 mg·L-1)，且危害級別均處于高危害水平；Ebenezer等[35]的研究表明，次氯酸鈉對多環(huán)旋溝藻(Cochlodinium polykrikoides)72 h-EC50為0.58 mg·L-1，美國EPA發(fā)布的生態(tài)毒性數(shù)據(jù)庫( ECOTOX database)數(shù)據(jù)顯示，次氯酸鈉對藍(lán)鰓魚(Lepomis macrochirus)96 h-LC50為0.39 mg·L-1，虹鱒魚(Oncorhynchus mykiss)96 h-LC50為0.38 mg·L-1，黑頭軟口鰷(Pimephales promelas)96 h-LC50為0.3 mg·L-1，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果消毒劑B有效成分次氯酸鈉對3種藻類的72 h-EC50(近頭狀偽蹄形藻：0.12 mg·L-1，蛋白核小球藻：0.32 mg ·L-1，斜生柵藻：0.12 mg·L-1)和3種魚類96 h-LC50(斑馬魚：1.1 mg·L-1，日本青鳉：0.65 mg·L-1，稀

表3 消毒劑A有效成分對氯間二甲苯酚測定結(jié)果Table 3 The measured concentration result of PCMX

表4 消毒劑B有效成分次氯酸鈉測定結(jié)果Table 4 The effective chlorine content of sodium hypochlorite

表5 2種消毒劑有效成分實(shí)際含量測定結(jié)果Table 5 Actual content determination results of two disinfectants

有鮈鯽：0.33 mg·L-1)相當(dāng)，次氯酸鈉對幾種不同藻種和魚類的危害級別也均處于高危害水平。從物種類別來看，魚類中稀有鮈鯽為我國本土種，其對2種消毒劑的敏感性高于其他2種魚類。藻類中，2種消毒劑對3種藻類的毒性高低均為近頭狀偽蹄形藻>斜生柵藻>蛋白核小球藻。從物種敏感性來看，對消毒劑A和消毒劑B的最敏感物種均為近頭狀偽蹄形藻，其72 h-EC50分別為74.18 mg·L-1和7.86 mg·L-1。

2.3 2種消毒劑的急性生態(tài)效應(yīng)閾值研究

預(yù)測無效應(yīng)濃度(PNEC)是進(jìn)行風(fēng)險污染物水生態(tài)安全管理的重要依據(jù)。一般對于慢性暴露情況下HC5值可直接作為長期暴露中的安全效應(yīng)閾值[36]，而對于短期高劑量暴露情況下，則采用PNEC值作為急性生態(tài)效應(yīng)閾值[37]。

基于上述研究得到的8種水生生物急性毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表6)，選取標(biāo)準(zhǔn)的急性毒性結(jié)果，即3種藻類生長抑制實(shí)驗(yàn)采用72 h-EC50數(shù)據(jù)、大型溞急性活動抑制實(shí)驗(yàn)采用48 h-EC50數(shù)據(jù)、3種魚類和1種螺類的急性毒性實(shí)驗(yàn)采用96 h-LC50數(shù)據(jù)用于2種消毒劑的SSD 曲線擬合，SSD擬合結(jié)果和HCx見圖1、圖2和

表6 2種消毒劑對8種水生生物的毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 The toxicity test results for two disinfectants to eight aquatic organism species

注： LC50表示半數(shù)致死濃度；EC50表示半數(shù)效應(yīng)濃度。

Note: LC50means 50% of lethal concerntration; EC50means 50% of effective concerntration.

表7。對2種消毒劑的毒性數(shù)據(jù)進(jìn)行了A-D擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，A-D 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值均低于0.05水平的臨界值0.752，符合正態(tài)分布，說明SSD法的分布模型適用。

根據(jù)SSD 曲線計(jì)算HC5，再結(jié)合評價因子法推導(dǎo)出了2種消毒劑的急性生態(tài)效應(yīng)閾值PNEC，見表7，2種消毒劑的PNEC值分別為13.16 mg·L-1和0.71 mg·L-1。2種消毒劑相應(yīng)的有效成分對氯間二甲苯酚和次氯酸鈉的PNEC通過實(shí)際有效成分含量轉(zhuǎn)換，分別為0.33 mg·L-1和0.01 mg·L-1。消毒劑A及其有效成分對淡水生物的PNEC比消毒劑B的PNEC大了一個數(shù)量級，表明相較于消毒劑B，消毒劑A對水生態(tài)環(huán)境更為友好。

圖1 消毒劑A的急性SSD曲線Fig. 1 SSD curve of disinfectant A

近年來，我國水污染事件頻頻發(fā)生，因此保護(hù)水生生態(tài)系統(tǒng)和水生生物免受突發(fā)性水污染事件中高濃度污染物短期內(nèi)急性毒性危害逐漸受到人們的關(guān)注[37-38]，本研究中2種消毒劑及有效成分的急性生態(tài)效應(yīng)閾值研究方法和結(jié)果可為保護(hù)水生生物急性毒性基準(zhǔn)的制訂提供科學(xué)依據(jù)。由于本研究只開展了8種水生生物的毒性測試，所獲得的毒性數(shù)據(jù)還相對較少，需進(jìn)一步選擇更多的水生生物，特別是本土水生生物進(jìn)行毒性測試，以獲得更多的毒性數(shù)據(jù)，推導(dǎo)這2種典型家用消毒劑更可靠的急性PNEC。

圖2 消毒劑B的急性SSD曲線Fig. 2 SSD curve of disinfectant B

名稱NameHC5PNEC消毒劑產(chǎn)品/(mg·L-1)Disinfectant/(mg·L-1)有效成分/(mg·L-1)Active component/(mg·L-1)A-D正態(tài)分布檢驗(yàn)A-D test for normality消毒劑產(chǎn)品/(mg·L-1)Disinfectant/(mg·L-1)有效成分/(mg·L-1)Active component/(mg·L-1)消毒劑A Disinfectant A65.781.670.33513.160.33消毒劑B Disinfectant B3.540.050.4230.710.01