石家莊市飲用水源地水質(zhì)安全風(fēng)險評估研究

周靜博

(河北省石家莊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河北 石家莊 050022)

飲用水水質(zhì)與人體健康密切相關(guān)。近年來，我國飲用水水源地突發(fā)污染事件頻繁發(fā)生[1]，與常規(guī)污染事件相比，這些突發(fā)污染事件具有不確定性、危害緊急性以及須快速響應(yīng)性等特征[2]。水源地的安全問題關(guān)系到廣大人民群眾的生命健康和社會穩(wěn)定。在影響生態(tài)系統(tǒng)和人體健康的諸多因素中，化學(xué)污染物占首位[3]。環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)種類繁多、成分復(fù)雜。美國登記的化學(xué)物質(zhì)已達700萬種[4]，且每年有40萬種新化學(xué)物質(zhì)被發(fā)現(xiàn)。這些化學(xué)物質(zhì)會排入水源，進而進入人體，對居民健康造成一定的損害[5]。已有研究證明，有數(shù)十種化學(xué)物質(zhì)能夠誘發(fā)人類癌癥，有上千種物質(zhì)能夠損害細(xì)胞中的DNA[6]。

目前國外關(guān)于環(huán)境健康風(fēng)險評價的報道較多[7-12]。國際上的風(fēng)險評價工作始于20世紀(jì)70年代，從最初的健康風(fēng)險評價，到事故風(fēng)險評價，再到生態(tài)風(fēng)險評價，形成了較為完善和成熟的評價方法體系。新西蘭衛(wèi)生和環(huán)境部門聯(lián)合發(fā)布了飲用水水源監(jiān)測分級框架草案，確定了水體風(fēng)險等級和水質(zhì)等級，說明每種等級水體對應(yīng)的處理水平。美國已經(jīng)針對140 000個公共供水系統(tǒng)開展了飲用水水源風(fēng)險評價。中國的風(fēng)險評價工作開始于20世紀(jì)90年代[12]，由最初的以介紹和應(yīng)用國外研究成果為主，逐漸向研究和規(guī)范評價方法轉(zhuǎn)變。我國開展的環(huán)境風(fēng)險評價按照風(fēng)險來源可分為污染物的生態(tài)健康風(fēng)險評價、突發(fā)事故風(fēng)險評價、建設(shè)項目風(fēng)險評價、災(zāi)害風(fēng)險評價、危險源環(huán)境風(fēng)險評價和特殊場地環(huán)境風(fēng)險評價等[13]。目前針對飲用水水源地可能受到的潛在污染風(fēng)險開展評價的研究較多[14-25]，但涉及的污染物種類相對較少，大都集中在持久性有機物、重金屬、抗生素等常見污染因子上，而關(guān)于生物毒性、病原微生物等物質(zhì)的篩查和風(fēng)險評估研究鮮有報道?，F(xiàn)以石家莊為示范區(qū)，在該地崗南水庫和黃壁莊水庫這2個飲用水水源地及其上游的11條支流開展研究，篩查出對人體健康和生態(tài)環(huán)境可能存在潛在危害的有毒有害物質(zhì)，確定該地區(qū)的飲用水水源地特征污染物清單和優(yōu)先序，從風(fēng)險管理的角度，為科學(xué)評價石家莊地區(qū)飲用水水質(zhì)安全提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點位

在石家莊飲用水水源地崗南水庫和黃壁莊水庫及其上游選取16個具有代表性的采樣點位開展樣品采集。采樣點位包括水庫，水庫上游河流，地表水廠，具體點位名稱為：黃壁莊水庫進出口(1—2#)、崗南水庫進出口(3—4#)、蘇家莊大橋(5#)、柳林河(6#)、文都河(7#)、冶河(8#)、南甸河(9#)、滹沱河(10#)、險溢河(11#)、營里河(12#)、卸甲河(13#)、篙田河(14#)、滹沱河入境斷面(15#)、第八水廠出口(16#)。其中，滹沱河由山西入境，篙田河、滹沱河、蘇家莊大橋、營里河、卸甲河、柳林河、文都河、險溢河位于崗南水庫的上游，滹沱河直接入崗南水庫。南甸河、冶河位于黃壁莊水庫的上游，兩條河直接匯入黃壁莊水庫，采樣點位布設(shè)見圖1。

圖1 采樣點位布設(shè)

1.2 分析方法

1.2.1 特征污染物化學(xué)篩查方法[26-27]

檢測儀器：GC 6890N/MSD 5975水質(zhì)監(jiān)測儀、7683自動進樣器、HP-5MS色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25μm)，均購自美國安捷倫公司。

檢測條件：載氣為高純氦氣，恒壓模式；保留時間為16.997 min (額定柱前壓=155.8 kPa )；程序升溫為40 ℃(2 min)，以10 ℃/min升溫到300 ℃(15 min)。

1.2.2 特征污染物生物毒性篩查方法[28-30]

檢測儀器：Unico Uv-2000分光光度計(上海儀電分析儀器有限公司)。

重組雙雜交酵母檢測：在30 ℃的培養(yǎng)基、150 rpm的恒溫振蕩儀中培養(yǎng)36～48 h，酵母菌株培養(yǎng)液稀釋10倍后，在600 nm波長下測定吸光度。

β-半乳糖苷酶活性檢測：取995 μL菌懸液至Eppendorf 管中，分別加入5 μL二甲基亞砜(DMSO)(空白)、5 μL DMSO溶解的陽性對照和5 μL 用DMSO溶解樣品混勻成暴露培養(yǎng)液。將200 μL的暴露培養(yǎng)液轉(zhuǎn)移至孔板中，設(shè)置微孔搖床轉(zhuǎn)速800 rpm，在30 ℃溫度下振蕩，培養(yǎng)時間為2 h。

酶標(biāo)儀的檢測：量取培養(yǎng)液50 μL加至120 μL 的測試緩沖液中，氯仿20 μL(分析純，北京化工廠)，設(shè)置溫度為30 ℃，轉(zhuǎn)速為1 300 rpm進行振蕩預(yù)培養(yǎng)10 min破碎酵母細(xì)胞，加入40 μL o-NPG(Sigma，USA)反應(yīng)液，設(shè)置溫度30 ℃，轉(zhuǎn)速為800 rpm進行振蕩培養(yǎng)，至出現(xiàn)明顯的黃色，記錄反應(yīng)時間，加入100 μL的Na2CO3(1 mol/L)終止反應(yīng)，取200 μL的上清液到酶標(biāo)板中，在420 nm 波長下測定吸光度值。

1.2.3 飲用水水源病原微生物篩查方法[31-34]

檢測儀器：GelDoc Go凝膠成像儀(Bio-Rad公司)。

多瘤病毒(JCV、BKV)標(biāo)記基因檢測：94 ℃起始變性3 min后，94 ℃變性30 s，55 ℃復(fù)性30 s，72 ℃延伸50 s，并循環(huán)30次，最后72 ℃延伸5 min，反應(yīng)結(jié)束后在4 ℃下保存?zhèn)溆?。使?.5%的瓊脂糖凝膠電泳檢測聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)產(chǎn)物，用凝膠成像儀觀察并拍照。

輪狀病毒和腺病毒的檢測：37 ℃保溫 60 min，隨后 94 ℃變性 1 min，53 ℃復(fù)性 1 min，72 ℃延伸 1 min，并循環(huán) 30 次，最后 72 ℃延伸7 min。用1.2% 的瓊脂糖凝膠電泳檢測5～10 μL PCR 產(chǎn)物，Goldview染色，用凝膠成像儀觀察并拍照。

細(xì)菌總數(shù)的檢測：在無菌環(huán)境下，將水樣充分混勻，用1 mL滅菌吸管吸取樣品，或者將1 mL 2～3 個濃度適宜的稀釋水樣注入滅菌平皿中，1 L水中加入10 g蛋白胨、3 g酵母浸膏、5 g氯化鈉和15 g 瓊脂形成營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基，將其融化并冷卻到45 ℃左右，取15 mL至平皿中旋搖，使水樣與培養(yǎng)基充分混勻。每個水樣傾注3個平皿，每次檢測時用1個平皿只傾注營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基做空白對照。將平皿放置在(37±1)℃的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)48 h，計算菌落數(shù)。

1.3 健康風(fēng)險評價模型[35-36]

健康風(fēng)險采用致癌風(fēng)險(LCR)和非致癌風(fēng)險(HQ)兩種方式表征，計算方法見式(1)和式(2)：

HQ=D/ RfD

(1)

式中：D——每日單位體重攝入量，mg/(kg·d)；RfD——非致癌污染物經(jīng)飲水途徑的參考劑量，mg/(kg·d)，從美國環(huán)境保護暑(EPA)開發(fā)的IRIS數(shù)據(jù)庫中獲得[17]。

LCR=D× SF

(2)

式中：SF——致癌斜率因子，mg/(kg·d)。

D的計算方法見式(3)：

D=(Cw×IR×EF×ED) / (BW×AT)

(3)

式中：Cw——水體中物質(zhì)的質(zhì)量濃度，mg/L；IR——日攝入量，1.41 L/d；EF——暴露頻率，365 d/a；ED——暴露持續(xù)時間，70 a；BW——平均體重，70 kg；AT——平均暴露時間(EF×ED)。

HQ的閾值是1，如果HQ>1，表示水體可能存在非致癌毒性危害；如果HQ<1，則表示非致癌毒性的危害性并不顯著。EPA對LCR提出了介于10-6～10-4的潛在致癌風(fēng)險的區(qū)間，如果LCR<10-6，致癌風(fēng)險可以忽略；若LCR>10-4，致癌風(fēng)險處于不可接受水平。

2 結(jié)果與討論

2.1 特征污染物的化學(xué)篩查結(jié)果

按照理化性質(zhì)和色譜特征，將水源地特征污染物進行分類，基于目前可行的分析條件，分別對不同類型的典型特征污染物開展定量或半定量分析。1 500余種典型特征污染物的篩查使用半定量分析，8類200余種特征污染物和新型化合物采用定量分析，主要包括30余種有機磷等極性農(nóng)藥類、10余種氨基甲酸酯類、20余種鹵代脂肪烴類、16種多環(huán)芳烴類、50余種酚類、20余種鹵代和含氮消毒副產(chǎn)物類，50余種藥品與個人護理用品類(PPCPs)，20余種人工激素類。

檢測結(jié)果顯示，16個采樣點共定量檢出98種化合物，其中28種化合物出現(xiàn)在國家標(biāo)準(zhǔn)中，包括三氯甲烷、四氯化碳、二氯一溴甲烷、三溴甲烷、五氯酚、滅草松、呋喃丹、乙苯、二甲苯(對二甲苯、鄰二甲苯、間二甲苯)、三氯苯(1,2,3-三氯苯、1,2,4-三氯苯)、六氯丁二烯、鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、微囊藻毒素-LR、雙酚A、多環(huán)芳烴(萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、熒蒽、芘)、鄰苯二甲酸二乙酯、鄰苯二甲酸二丁酯(鄰苯二甲酸二正丁酯、鄰苯二甲酸二異丁酯)。與生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[37]相比，各采樣點所檢出的化合物均未超標(biāo)。

2.1.1 多環(huán)芳烴

圖2 各采樣點其余7種PAHs總質(zhì)量濃度比較

各采樣點PAHs總質(zhì)量濃度和萘質(zhì)量濃度比較見圖3。由圖3可見，PAHs的總質(zhì)量濃度為82.07～748.56 ng/L。從不同PAHs的占比情況來看，萘對總量的貢獻最大，其質(zhì)量濃度為8.3～654.9 ng/L，可見PAHs主要受萘的影響。其余幾種PAHs的總量較為接近，質(zhì)量濃度均為63.2～104.3 ng/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為16%。PAHs總質(zhì)量濃度在1，2，3，4，5，14，16號采樣點較低，由于1—4號采樣點為水源地水庫庫區(qū)，遠離人類活動范圍，因此受PAHs污染的影響較?。籔AHs在營里河和南甸河等上游河流中的濃度較高。

圖3 各采樣點PAHs總濃度和萘濃度比較

苊和苊烯在各采樣點的質(zhì)量濃度均<10 ng/L。3環(huán)PAHs(芴、菲和蒽)中以菲為主(25.2～52.4 ng/L)，芴次之(11.5～17.9 ng/L)，蒽最少(4.8～8.3 ng/L)。3環(huán)PAHs的質(zhì)量濃度均<60 ng/L。4環(huán)PAHs(熒蒽和芘)中，以熒蒽為主(9.2～18.5 ng/L)，芘次之(4.5～16.7 ng/L)。我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)[37]和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)[40]中規(guī)定了苯并[a]芘的濃度限值，苯并[a]芘在本次監(jiān)測中沒有檢出；另外各點位PAHs總量均遠低于《GB 5749-2006》中規(guī)定的限值(0.002 mg/L)。

2.1.2 酚類化合物

酚類化合物是一類有毒有害的化學(xué)物質(zhì)，水環(huán)境中的酚類化合物主要來源于工業(yè)生產(chǎn)中的醫(yī)藥、造紙等行業(yè)的廢水排放[41]，我國地表水和飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了苯酚、五氯酚、2,4,6-三氯酚、2,4-二氯苯酚的濃度限值[37,40]。

現(xiàn)分析了19種酚類化合物，檢出15種，其中苯酚、2-甲基酚、3-甲基酚、4-甲基酚、2,4-二氯酚、2-硝基酚、4-氯-3,5-二甲基酚和雙酚A的檢出率均為100%，鄰苯基苯酚和2,4-二甲基酚各有一個點位未檢出，4-硝基酚檢出率均為50%，五氯酚、4-乙基酚、4-氯-3-甲基酚和2,4,5-三氯酚檢出率均低于50%，其余4種氯酚均未檢出。

各點位酚類化合物總質(zhì)量濃度為64.9～258.7 ng/L，大多數(shù)的質(zhì)量濃度<150 ng/L。最低質(zhì)量濃度出現(xiàn)在2號采樣點，為64.9 ng/L，該采樣點是水庫水源地，所以受到的污染程度相對較輕。苯酚質(zhì)量濃度為0.1～44.4 ng/L，遠低于國家標(biāo)準(zhǔn)(0.003 mg/L)。烷基酚類物質(zhì)，除2,4-二甲基酚在11號采樣點沒有檢出外，其余5種烷基酚在各采樣點均有檢出。烷基氯酚中，4-氯-3,5-二甲基酚的質(zhì)量濃度相對較高，為3.2～9.6 ng/L，檢出率為100%；4-氯-3-甲基酚只在6個采樣點有檢出，質(zhì)量濃度為0～1.9 ng/L。硝基酚中，2-硝基酚的質(zhì)量濃度較高，為6.2～69.8 ng/L，檢出率為100%；4-硝基酚的質(zhì)量濃度相對較低，為0～10.5 ng/L，在8個采樣點有檢出。氯酚中，共檢出4種，2,4-二氯酚質(zhì)量濃度為4.4～61.4 ng/L，檢出率為100%。我國地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了2,4-二氯酚和五氯酚的濃度限值，本次檢測中各采樣點濃度均未超標(biāo)。

將這15種酚大體分為6類，包括苯酚、烷基酚、烷基氯酚、硝基酚、氯酚及其他。各采樣點不同種酚類化合物所占比例見圖4。由圖4可見，氯酚、硝基酚和烷基酚在大多數(shù)采樣點的占比較高，而苯酚、烷基氯酚和其他酚占比相對較低。

圖4 各采樣點不同種酚類化合物所占比例

2.1.3 農(nóng)藥

共分析了37種有機磷和有機氯農(nóng)藥，共檢出2種有機氯農(nóng)藥(阿特拉津和乙草胺)，檢出率為100%，有機磷農(nóng)藥和其余有機氯農(nóng)藥均未檢出。各采樣點2種農(nóng)藥所占比例見圖5，由圖5可見，阿特拉津在各采樣點的質(zhì)量濃度為16.9～259.9 ng/L，乙草胺質(zhì)量濃度為7.5～25.2 ng/L。我國的飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中，明確規(guī)定阿特拉津的濃度限值為0.002 mg/L，在本次檢測中各采樣點濃度均未超標(biāo)。

圖5 各采樣點2種農(nóng)藥所占比例

2.2 特征污染物的生物毒性篩查結(jié)果

2.2.1 內(nèi)分泌干擾效應(yīng)測試分析結(jié)果

篩查了水源水中雌激素和雄激素的受體干擾效應(yīng)(誘導(dǎo)和抑制效應(yīng))。各采樣點雌、雄激素受體誘導(dǎo)效應(yīng)見圖6(a)(b)。由圖6可見，16個采樣點中，有8個采樣點檢出了雌激素受體誘導(dǎo)效應(yīng)，雌激素受體誘導(dǎo)效應(yīng)(E2當(dāng)量)在0.03～0.20 ng/L之間。目前還沒有基于生物毒性測試的環(huán)境內(nèi)分泌干擾物相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，與國內(nèi)外研究[42-47]對比來看，該點位雌激素濃度處于比較低的水平。篩查雌激素受體抑制效應(yīng)，可以用統(tǒng)一暴露劑量條件下的抑制百分?jǐn)?shù)來表示。雌激素抑制劑的反應(yīng)機理表明，該類抑制劑能夠與17β-雌二醇(E2)競爭結(jié)合雙雜交基因雌激素(ER)，從而抑制E2對ER調(diào)控基因的激活。

圖6 各采樣點雌、雄激素受體抑制效應(yīng)

本項目中所有的樣品都沒有對雄激素受體產(chǎn)生誘導(dǎo)效應(yīng)，但都觀察到一定程度的抑制效應(yīng)。抑制效應(yīng)以抑制劑當(dāng)量濃度(HF當(dāng)量)表示，為0.47～18.14 ng/L。目前對飲用水水源的雄激素受體抑制效應(yīng)報道的內(nèi)容相對較少。很多確定具有雄激素受體誘導(dǎo)效應(yīng)的物質(zhì)，例如雙酚A、4-苯基苯酚和鄰苯二甲酸酯類等，都可以在水環(huán)境中檢出。

實際水環(huán)境樣品的構(gòu)成較為復(fù)雜，考慮到存在聯(lián)合毒性，結(jié)合化學(xué)分析開展生物毒性測試，能夠更加有效地對水處理工藝中內(nèi)分泌干擾物的變化規(guī)律進行深入的了解。

2.2.2 遺傳毒性效應(yīng)測試分析結(jié)果

各采樣點直接、間接遺傳毒性效應(yīng)見圖7(a)(b)。

圖7 石家莊采樣點直接、間接遺傳毒性效應(yīng)

由圖7可見，在無外源代謝酶體系，即不加鼠肝微粒體酶系統(tǒng)酶(S9)的情況下，除崗南水庫和黃壁莊水庫進出口外，其余采樣點位水樣均能檢出直接遺傳毒性效應(yīng)，劑量-響應(yīng)關(guān)系較為明顯。陽性化合物TEQ4的等當(dāng)量濃度(TEQ4-NQO)為0.0032～0.042 μg/L。但是當(dāng)存在外源代謝酶體系(加S9)的條件下，未能檢出直接遺傳毒性效應(yīng)的黃壁莊水庫進口檢出了間接遺傳毒性效應(yīng)，并且險溢河、蘇家河和柳林河存在直接遺傳毒性效應(yīng)的同時，也檢出了間接遺傳毒性效應(yīng)。其他12個水樣均未檢出間接遺傳毒性效應(yīng)，它們的BaP的等當(dāng)量濃度(TEQBaP)為0.25～3.12 μg/L。當(dāng)把實驗結(jié)果轉(zhuǎn)換成IR=1.5時所需暴露的水源水樣量，其直接和間接遺傳毒性效應(yīng)均處于較低的水平。

2.3 病原微生物的篩查結(jié)果

飲用水水源病原微生物檢測項目包括多瘤病毒/腸球菌、輪狀病毒/腺病毒、細(xì)菌總數(shù)和活菌總數(shù)，檢測結(jié)果見表1。從表1可見，水樣經(jīng)過丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)處理，16個采樣點都沒有活的多瘤病毒檢出，但崗南出口、冶河、營里河、嵩田河、滹沱河入境有腸球菌的檢出。除南甸河腺病毒有檢出外，其余均未檢出。第八水廠出口和柳林河2個采樣點的細(xì)菌總數(shù)(平板計數(shù)法)最低，僅為個位數(shù)，幾乎未檢出。其次崗南水庫和黃壁莊水庫出口，及上游的卸甲河、嵩田河和文都河也處于較低的水平。險隘河的細(xì)菌總數(shù)最高。

表1 石家莊飲用水中病原微生物檢測結(jié)果①

2.4 特征污染物的定性風(fēng)險評估

各采樣點污染物致癌風(fēng)險值(LCR)見表2。由表2可見，LCR值均<10-6，表明其健康風(fēng)險較弱。

表2 各采樣點污染物致癌風(fēng)險值(LCR)

為進一步確定風(fēng)險污染物，對現(xiàn)有報道的參考劑量(RfD)和致癌斜率因子(SF)涉及的污染物開展健康風(fēng)險評價。各采樣點污染物非致癌風(fēng)險值(HQ)見表3。由表3可見，所有采樣點的HQ均<1，可見這些污染物不會對暴露人群的健康造成顯著的非致癌風(fēng)險。

3 結(jié)語

在石家莊市崗南水庫和黃壁莊水庫及上游11條入庫河流，選取了16個具有代表性的點位開展了基于風(fēng)險評估的區(qū)域地表飲用水水源特征污染物篩查，化驗了1 700余種典型特征污染物和新型化合物，涵蓋了農(nóng)藥類、氨基甲酸酯類、鹵代脂肪烴類、多環(huán)芳烴類、酚類、鹵代烴類和含氮消毒副產(chǎn)物類，藥品與個人護理用品類，人工激素類等美國EPA認(rèn)定的所有類別污染物，獲得了27 000余個檢測數(shù)據(jù)。共篩選出98種風(fēng)險污染物，與生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)相比，各采樣點所檢出的化合物均未超標(biāo)。健康風(fēng)險評價結(jié)果顯示，所有點位污染物的HQ均<閾值1，可見這些物質(zhì)不會對暴露人群的健康造成明顯的非致癌危害。各采樣點污染物的LCR均在10-6數(shù)量級以下，表明其致癌風(fēng)險較弱。各點位健康風(fēng)險雖處于安全水平，但水庫上游部分點位的部分物質(zhì)其檢出濃度較高，如柳林河點位的鄰苯二甲酸酯類濃度較高，對水體存在一定的影響。鄰苯二甲酸酯類化合物是一類使用十分廣泛的塑料增塑劑，因此建議排查河道兩側(cè)及周邊污染源，杜絕此類物質(zhì)進入水環(huán)境。