校園水體夏季細(xì)菌內(nèi)毒素水平調(diào)查及吸入暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

賈 芮，趙金輝,*，董路遙，嵇譯峰，王守榮，王麗娟

(1.南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，江蘇南京 211816；2.光大水務(wù)<南京>有限公司，江蘇南京 211800)

細(xì)菌內(nèi)毒素作為一種熱源物質(zhì)，可隨呼吸等途徑進(jìn)入人體，從而引起機(jī)體產(chǎn)生如發(fā)熱、哮喘、低血壓、昏厥甚至死亡等不良反應(yīng)[1-2]。高校校園尤其是南方校園，常存在一定的天然水體以及噴泉等景觀水體，水體中細(xì)菌內(nèi)毒素主要是革蘭氏陰性菌和部分藍(lán)藻的脂多糖復(fù)合物，在水體中普遍存在，因而導(dǎo)致水體中存在一定內(nèi)毒素風(fēng)險(xiǎn)[3]。目前，對(duì)自來(lái)水廠水體中和養(yǎng)殖場(chǎng)大氣中內(nèi)毒素水平研究較多，僅有部分學(xué)者對(duì)校園環(huán)境中如餐廳、教室等場(chǎng)所大氣中內(nèi)毒素水平進(jìn)行報(bào)道，但對(duì)校園水體特別是景觀水體中的內(nèi)毒素水平及其潛在吸入暴露風(fēng)險(xiǎn)研究較少。

水體中的內(nèi)毒素一般不會(huì)經(jīng)口攝入以及與皮膚接觸，因此，胃腸暴露和皮膚暴露風(fēng)險(xiǎn)低[4]，呼吸吸入成為主要暴露方式和風(fēng)險(xiǎn)途徑。Humudat等[5]研究表明夏季水體中內(nèi)毒素水平最高，溫暖家[2]研究發(fā)現(xiàn)1 d中早中晚內(nèi)毒素水平波動(dòng)較?。籑cgregor等[6]研究發(fā)現(xiàn)空氣中內(nèi)毒素水平與水體內(nèi)毒素水平呈正相關(guān)性。因此，本文通過(guò)在內(nèi)毒素水平最高的夏季對(duì)校園水體及周邊空氣中細(xì)菌內(nèi)毒素水平進(jìn)行調(diào)查，并結(jié)合問(wèn)卷調(diào)查及國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道，采用劑量-反應(yīng)關(guān)系模型結(jié)合中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院發(fā)布的暴露參數(shù)，進(jìn)一步對(duì)其潛在吸入暴露風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)方法及材料

1.1 檢測(cè)方法

目前，細(xì)菌內(nèi)毒素的檢測(cè)方法主要有家兔法、鱟試劑法、氣相色譜-質(zhì)譜檢測(cè)法、凝膠過(guò)濾色譜-質(zhì)譜檢測(cè)法、重組C因子法、酶聯(lián)免疫測(cè)定法、生物傳感器法及電路波段法等[1]。本試驗(yàn)采取國(guó)內(nèi)外常用的鱟試劑法對(duì)內(nèi)毒素水平進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)終點(diǎn)顯色法來(lái)定量測(cè)定內(nèi)毒素水平，并以凝膠法進(jìn)行輔助驗(yàn)證。

終點(diǎn)顯色法的檢測(cè)機(jī)理是依托鱟試劑的凝固系統(tǒng)可被微量?jī)?nèi)毒素激活，激活后的鱟試劑與鱟三肽作用形成淡黃色物質(zhì)對(duì)硝基苯胺(PNA)，在N-1-萘乙二胺鹽酸鹽的作用下，形成玫紅色偶氮物質(zhì)，在545 nm波長(zhǎng)下測(cè)出吸光度，可反映內(nèi)毒素水平。

其他水質(zhì)指標(biāo)按《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)相關(guān)方法測(cè)定。

1.2 試劑配置及材料處理

鱟試劑(湛江安度斯生物有限公司，批號(hào)2008122，每支0.5 mL，靈敏度為0.125 EU/mL)加入細(xì)菌內(nèi)毒素檢查用水(湛江安度斯生物有限公司，批號(hào)2010220，5 mL/支，≤0.000 5 EU/mL，簡(jiǎn)稱BET，下同)500 μL漩渦混合15 min；鱟三肽(南京肽業(yè)生物科技有限公司，2 mg/管，98.26%)加入2 000 μL的BET漩渦混合15 min，配成1 mg/mL的鱟三肽溶液；稱取亞硝酸鈉0.040 0 g，加入1 mol/L鹽酸溶液100 mL配成0.04%亞硝酸鈉溶液；稱取氨基磺酸胺0.300 0 g，加BET 100 mL配成0.30%氨基磺酸胺溶液；稱取N-1-萘乙二胺鹽酸鹽0.070 0 g，加BET 100 mL配成0.07% N-1-萘乙二胺鹽酸鹽溶液[7]。內(nèi)毒素標(biāo)準(zhǔn)品(湛江安度斯生物有限公司，批號(hào)2007101，10 EU/支)配置成5.0、1.5、1.0、0.75、0.5、0.25、0.125、0.062 5、0.031 3 EU/mL,每稀釋一步均應(yīng)在漩渦混合器上混勻30 s。

所用玻璃器皿均無(wú)熱原化處理，采用鉻酸洗液浸泡24 h，自來(lái)水沖洗5次，蒸餾水沖洗4～5次，馬弗爐250 ℃烘烤2 h。非耐熱器皿過(guò)氧化氫浸泡2 h，蒸餾水沖洗4～5次，烘箱60 ℃烘烤1 h。

1.3 水體資料及樣本采集

樣本分別來(lái)自校園3個(gè)行人量較大的湖泊A、B、C。湖A是一片面積約為10 000 m2的三角形水域(32°08′48.05″N，118°63′20.02″E)，3邊均設(shè)有道路，最深處水深約為10 m，為一人工攔蓄水庫(kù)，湖內(nèi)設(shè)有噴泉，重大節(jié)日在每天18：00—21：00噴泉燈光表演，其他時(shí)間噴泉關(guān)閉。湖B是一片面積約為12 000 m2的不規(guī)則水域(32°08′23.14″N，118°63′47.25″E)，其中一側(cè)設(shè)有廣場(chǎng)，水深較淺，為一景觀水域。湖C是一片面積約為2 500 m2的水滴型水域(32°08′62.59″N，118°63′50.78″E)，一側(cè)設(shè)有道路，為一山坳處的天然水體，水深約為4 m，雨后水位顯著上漲。

大氣內(nèi)毒素采樣時(shí)間為16：00—19：00，氣溫為23～27 ℃，微風(fēng)。水樣采集通過(guò)岸邊多點(diǎn)采集方式，采樣點(diǎn)距離湖邊50 cm、采樣深度為水面下30 cm，所采集水樣用0.45 μm濾膜過(guò)濾預(yù)處理，共獲取3組共18個(gè)水樣，測(cè)定水質(zhì)指標(biāo)結(jié)果如表1所示。大氣內(nèi)毒素利用大氣采樣儀采集(TQ-1000)。根據(jù)報(bào)道，我國(guó)19歲青年人鼻子平均高度為155 cm，故采樣口高度為155 cm，采樣于同一地點(diǎn)、近湖路側(cè)1 m處。采樣器為10 mL的U型多孔玻板吸收器，采樣液為8 mL的內(nèi)毒素檢查用水，設(shè)置進(jìn)氣流量為1.5 L/min采樣20 min，氣樣無(wú)需特殊處理[2]，共獲取4組24個(gè)氣樣。

表1 水體水質(zhì)樣本監(jiān)測(cè)Tab.1 Water Quality Monitoring of Water Body Samples

1.4 水體內(nèi)毒素測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

根據(jù)相關(guān)研究[7-8]報(bào)道的方法進(jìn)行測(cè)定，得出9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)毒素溶液(Ab)、空白對(duì)照(Ak)的吸光度，對(duì)于吸光度大于1的溶液應(yīng)稀釋后再測(cè)量。繪制濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線并進(jìn)行線性回歸，結(jié)果如式(1)。

A=0.0679 9+0.643 6Cr=0.987 5

(1)

其中：A——吸光度；

例8：研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)英語(yǔ)學(xué)習(xí)者具備了一定的語(yǔ)法隱喻使用意識(shí)，但對(duì)概念語(yǔ)法隱喻使用匱乏，不利于體現(xiàn)學(xué)術(shù)語(yǔ)篇的抽象性與客觀性;

C——內(nèi)毒素含量，EU/mL。

結(jié)果表明，內(nèi)毒素含量為0.125～1.500 EU/mL線性關(guān)系良好，故本批次試劑內(nèi)毒素檢測(cè)含量為0.125～1.500 EU/mL。

2 結(jié)果與評(píng)價(jià)

2.1 水體及大氣內(nèi)毒素調(diào)查結(jié)果分析

通過(guò)終點(diǎn)顯色法測(cè)定不同稀釋倍數(shù)的樣品內(nèi)毒素含量，通過(guò)凝膠法對(duì)檢測(cè)限內(nèi)的樣品進(jìn)行驗(yàn)證，均形成堅(jiān)實(shí)凝膠，數(shù)據(jù)有效，如表2、圖1所示。湖水A、B、C樣本稀釋倍數(shù)分別為100、100、200倍，其余為0；各樣本數(shù)均為6，采用凝膠法驗(yàn)證時(shí)，各樣本均呈陽(yáng)性。

表2 校園水體及大氣中內(nèi)毒素水平調(diào)查Tab.2 Survey of Endotoxin Levels of Water and Atmosphere on Campus

圖1 內(nèi)毒素水平箱線圖Fig.1 Box Plot of Endotoxin Level

通過(guò)對(duì)3組54個(gè)檢測(cè)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)水質(zhì)條件越差水中內(nèi)毒素水平越高。水中內(nèi)毒素水平與水樣氨氮、CODCr、UV254的相關(guān)系數(shù)r分別為0.43、0.63、0.98，如圖2所示，表明天然水體中內(nèi)毒素水平與UV254相關(guān)性較大。UV254可體現(xiàn)水體中腐殖質(zhì)的含量。腐殖質(zhì)是有機(jī)物經(jīng)微生物分解轉(zhuǎn)化形成的膠體物質(zhì)，其值高表明微生物活躍。結(jié)合張燦等[9]的報(bào)道，UV254與結(jié)合態(tài)內(nèi)毒素相關(guān)性大，游離態(tài)內(nèi)毒素相關(guān)性小，這與腐殖質(zhì)膠體類物質(zhì)特點(diǎn)有關(guān)。分析發(fā)現(xiàn)湖水C的內(nèi)毒素水平較高的原因主要有2個(gè)：一是相較于湖水A、B，湖水C周邊落葉樹木較多，落葉沉入水底形成腐殖質(zhì)，增強(qiáng)了微生物的活躍程度；二是監(jiān)測(cè)到湖水C有一處入湖排口間歇少量排水，對(duì)排口水質(zhì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)CODCr質(zhì)量濃度為56.14 mg/L，內(nèi)毒素水平為湖水C的2.32倍。在自身微生物活躍、外來(lái)營(yíng)養(yǎng)條件好及外來(lái)內(nèi)毒素水平高的多個(gè)因素下，導(dǎo)致湖水C的內(nèi)毒素水平比湖水A、B高。

圖2 內(nèi)毒素水平與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性Fig.2 Correlation between Endotoxin Levels and Water Quality Indices

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)校園水體內(nèi)毒素水平，對(duì)一生活污水廠進(jìn)行取樣調(diào)查，污水廠進(jìn)水內(nèi)毒素水平為(8 262.97±1 479.23)EU/mL，紫外消毒后尾水內(nèi)毒素水平為(1 070.98±173.09)EU/mL。將校園水體內(nèi)毒素水平結(jié)果與張燦對(duì)北京水庫(kù)、武漢長(zhǎng)江及漢江內(nèi)毒素水平的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，湖水C的內(nèi)毒素水平均值是其最高值的2.15倍，但明顯低于如藍(lán)藻暴發(fā)期、排污水等水體[10]。因此，校園內(nèi)3個(gè)水體的內(nèi)毒素水平均低于污水廠進(jìn)水和尾水，湖水A、B內(nèi)毒素水平與天然水體相似，湖水C內(nèi)毒素水平高于天然水體。

對(duì)獲取的18組水、氣內(nèi)毒素水平數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，水體周邊大氣內(nèi)毒素水平與水體內(nèi)毒素水平的相關(guān)性系數(shù)r為0.94，成正比例關(guān)系。湖水C的內(nèi)毒素水平為(217.32±13.82)EU/mL，導(dǎo)致湖水C周邊大氣內(nèi)毒素水平高于湖水A、B。對(duì)比湖水A噴泉開啟前后發(fā)現(xiàn)，開啟后水體周邊大氣中內(nèi)毒素水平是開啟前的2.55～4.81倍。在原水內(nèi)毒素水平僅有37.45～46.15 EU/mL的情況下，噴灑條件下仍可使大氣內(nèi)毒素水平達(dá)到173.61～233.28 EU/m3，明顯提高了大氣內(nèi)毒素水平。

2.2 校園水體內(nèi)毒素吸入暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

結(jié)合溫暖家[2]的報(bào)道，采用劑量——反應(yīng)關(guān)系模型。根據(jù)本文研究對(duì)象的特點(diǎn)，判定內(nèi)毒素是非致癌物，呼吸系統(tǒng)吸入日平均暴露量計(jì)算公式、非致癌總風(fēng)險(xiǎn)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為式(2)～式(4)。

(2)

(3)

HI=∑HQi

(4)

其中：ADD——平均暴露量，EU/(d·kg)；

c——大氣內(nèi)毒素水平，EU/m3；

IR——呼吸速率，m3/d；

EF——暴露頻率，d/a；

ET——暴露年限，a；

BW——人體質(zhì)量，kg；

AT——預(yù)期壽命，d；

HQ——非致癌風(fēng)險(xiǎn)商；

RfD——參考劑量，EU/m3，本文取90 EU/m3；

HI——風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

根據(jù)《中國(guó)人群暴露參數(shù)手冊(cè)(成人卷)》[14]，男性IR、ET、BW、AT值分別為19.02、24、62.7、25 404；女性IR、ET、BW、AT值分別為14.17、24、54.4、26 754.5。各個(gè)場(chǎng)所的人流密度、人群活動(dòng)強(qiáng)度等特點(diǎn)各有不同，學(xué)生一年在校約為270 d，調(diào)查學(xué)校學(xué)生上課等日?；顒?dòng)均會(huì)經(jīng)過(guò)3個(gè)湖區(qū)，噴泉僅在如國(guó)慶、開學(xué)季、畢業(yè)季等時(shí)期開啟，因此，4處的EF值分別為270、30、270、270。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 吸入暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果Tab.3 Assessment Results of Inhalation Exposure Risk

結(jié)果表明，正常狀況下3個(gè)水體中，湖水C的暴露劑量最大，這與內(nèi)毒素水平成正相關(guān)關(guān)系；噴泉A暴露劑量最小是因?yàn)楸┞额l率最低，僅為30 d/a。根據(jù)Mcgregor等[6]的報(bào)告，類似場(chǎng)景中如游泳館水霧噴灑和水幕曾引發(fā)群體性過(guò)敏性肺炎，因此，對(duì)暴露頻率較高、內(nèi)毒素水平較高的噴灑場(chǎng)景仍有風(fēng)險(xiǎn)。

男性平均暴露量與非致癌風(fēng)險(xiǎn)商均高于女性。分析發(fā)現(xiàn)女性呼吸速率慢、體重輕、壽命長(zhǎng)，從而導(dǎo)致平均暴露量低于男性，在相同參考劑量下女性內(nèi)毒素吸入的非致癌風(fēng)險(xiǎn)低于男性。

根據(jù)吸入暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，HQ及HI均小于1，表明風(fēng)險(xiǎn)較小或可忽略，本次調(diào)查4處場(chǎng)景均小于1，表明風(fēng)險(xiǎn)較小。結(jié)合溫暖家[2]對(duì)于校園內(nèi)8個(gè)公共場(chǎng)合內(nèi)毒素吸入風(fēng)險(xiǎn)的報(bào)道，8場(chǎng)所HI累計(jì)值為0.908，接近于1，當(dāng)HQ>1或HI>1時(shí)，認(rèn)為此條件下的內(nèi)毒素對(duì)暴露人群存在非致癌風(fēng)險(xiǎn)。本次僅針對(duì)校園內(nèi)部分水體，南方校園水體眾多，因此，多場(chǎng)所風(fēng)險(xiǎn)疊加或可導(dǎo)致內(nèi)毒素吸入的非致癌風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 校園水體內(nèi)毒素吸入效應(yīng)調(diào)查

為進(jìn)一步考察校園水體內(nèi)毒素對(duì)暴露人群風(fēng)險(xiǎn)效果，以調(diào)查問(wèn)卷的形式，對(duì)經(jīng)過(guò)水體的學(xué)生進(jìn)行調(diào)查并對(duì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析。調(diào)查共獲得60份有效樣本，其中男性樣本為40個(gè)，女性樣本為20個(gè)，年齡為19～27歲。多數(shù)調(diào)查對(duì)象反映主要為湖邊經(jīng)過(guò)，停留0～5 min為50人、5～10 min為8人、10～15 min為1人，逗留休閑15 min以上1人(35 min)，均表示經(jīng)過(guò)湖區(qū)及之后無(wú)內(nèi)毒素不良反應(yīng)，如呼吸不暢、咳嗽、發(fā)熱等。根據(jù)荷蘭提出的8 h暴露時(shí)間下吸入總量為1 157 EU，調(diào)查人群一次暴露總量最高為84 EU，遠(yuǎn)低于風(fēng)險(xiǎn)值，因此，內(nèi)毒素吸入風(fēng)險(xiǎn)還與一次暴露時(shí)間有關(guān)。

因此，正常步行經(jīng)過(guò)3個(gè)水體不會(huì)引起內(nèi)毒素吸入風(fēng)險(xiǎn)，但應(yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間停留及高頻率暴露。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)校園3個(gè)行人量較大的湖泊水體和周邊大氣內(nèi)毒素調(diào)查表明。

(1)大氣內(nèi)毒素水平與水體內(nèi)毒素水平成正比例關(guān)系，同時(shí)校園內(nèi)存在大氣內(nèi)毒素水平高于閾值區(qū)域。

(2)噴灑條件下可導(dǎo)致大氣內(nèi)毒素水平提高2.55～4.81倍，因此，在避免長(zhǎng)時(shí)間、高頻率、近距離接觸此類噴灑場(chǎng)景的同時(shí)應(yīng)對(duì)此類水體進(jìn)行安全防護(hù)。

(3)進(jìn)一步對(duì)水體周邊大氣內(nèi)毒素吸入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，表明校園水體內(nèi)毒素非致癌風(fēng)險(xiǎn)較小，正常經(jīng)過(guò)不會(huì)造成吸入風(fēng)險(xiǎn)，但應(yīng)避免多場(chǎng)所風(fēng)險(xiǎn)累積，以免導(dǎo)致內(nèi)毒素吸入過(guò)量的風(fēng)險(xiǎn)。