王 樹 磊,肖 新 宗,郭 文 思,陳 珊,王 源,王 英 才
(1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局,北京 100038; 2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局 河南分局,河南 鄭州 450018; 3.生態(tài)環(huán)境部長(zhǎng)江流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與科學(xué)研究中心,湖北 武漢 430010)
水質(zhì)安全直接關(guān)系到人類的生產(chǎn)與發(fā)展[1]。自改革開放以來(lái),中國(guó)水污染問(wèn)題逐漸加重,大量未處理的污水直接排入江河湖泊甚至灌入地下河中,嚴(yán)重影響了城鎮(zhèn)飲水安全和水環(huán)境狀況,加劇了水資源問(wèn)題[2-4]。與此同時(shí),隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)的發(fā)展,水體污染物類型逐漸呈現(xiàn)復(fù)雜化、多樣化、毒性不確定性等特征,還有一部分污染物屬于未知污染物質(zhì),其污染原因及風(fēng)險(xiǎn)危害等均未知[5-6]。隨著人類對(duì)健康水質(zhì)的需求不斷提高,水質(zhì)安全評(píng)價(jià)與預(yù)警的效率也需提高。傳統(tǒng)水質(zhì)安全評(píng)價(jià)主要基于理化監(jiān)測(cè)結(jié)果與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),如GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、歐盟的水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)體系等的對(duì)比,這雖能直觀反映水體污染物含量是否超標(biāo),但不能直接全面反映污染物對(duì)水環(huán)境的綜合影響,不能指示水生態(tài)系統(tǒng)是否安全和水體存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)[5-7]。生物毒性監(jiān)測(cè)能直觀反映水體中所有共存污染物的綜合毒性特征,可指示水體潛在風(fēng)險(xiǎn),被廣泛應(yīng)用于飲用水、工業(yè)廢水等環(huán)境水體評(píng)價(jià)[8-14]。
生物毒性監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)是利用指示生物對(duì)水質(zhì)異常變化的行為反映或生理變化來(lái)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警[9]。國(guó)內(nèi)外當(dāng)前生物毒性監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是基于魚類、溞類、藻類及發(fā)光菌等指示生物開展的研究,且已從單一指示生物發(fā)展到多種生物聯(lián)合預(yù)警,涵蓋各種生物毒性終點(diǎn)的水質(zhì)評(píng)價(jià)體系也在逐步完善中,這對(duì)于水質(zhì)安全管理與保護(hù)具有重要意義[15-17]。其中,魚類是地表水生態(tài)系統(tǒng)中最主要的脊椎動(dòng)物,處于食物鏈的頂端,常作為指示生物用于單一污染物或多種污染物的綜合毒性效應(yīng)監(jiān)測(cè)[18-26]。溞類是水生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)消費(fèi)者,對(duì)水環(huán)境中的有毒有害物質(zhì)表現(xiàn)出高度的敏感性,常作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)生物被廣泛應(yīng)用于水污染監(jiān)測(cè)和有毒有害物質(zhì)的生物綜合毒性評(píng)價(jià)[27-32]。藻類是水生生態(tài)系統(tǒng)的主要初級(jí)生產(chǎn)者,其種類多樣性和數(shù)量直接影響水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。與此同時(shí),藻類的生理生化及其種類、數(shù)量、生產(chǎn)力等也受水體環(huán)境影響,在毒理評(píng)價(jià)及污染監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛,已逐漸成為水環(huán)境質(zhì)量變化的重要指標(biāo)[33-36]。發(fā)光菌是一種在正常生理?xiàng)l件下能發(fā)出熒光的微生物,利用其在污染物的脅迫下發(fā)光度的抑制率來(lái)表征毒性大小,現(xiàn)已成為一種簡(jiǎn)單、快速的生物毒性檢測(cè)手段[37-40]。本文重點(diǎn)研究了4種不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)指示生物對(duì)不同污染物的響應(yīng),比較了4種指示生物對(duì)污染物的響應(yīng)閾值、響應(yīng)時(shí)間及響應(yīng)范圍,以期為水質(zhì)安全評(píng)價(jià)提供參考。
實(shí)驗(yàn)選用的斑馬魚、蛋白核小球藻均由中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所(武漢)提供,大型溞由生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所提供,并由本實(shí)驗(yàn)室馴化培養(yǎng)。其中,斑馬魚培養(yǎng)方法參照國(guó)家GB/T13267-1991《水質(zhì)、物質(zhì)對(duì)淡水魚類(斑馬魚)急性毒性測(cè)定方法》;大型溞經(jīng)馴養(yǎng)后選取三代孤雌生殖72 h左右的同一子代;費(fèi)氏弧菌(V.fischeri)由美國(guó)Microtox公司提供凍干菌粉活化2 h內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
受試毒物為鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、硝基苯、汞、錳、砷、鋅、鐵等重金屬或有機(jī)毒物,毒物濃度分別參照國(guó)家Ⅲ類水的限制濃度的1倍、10倍及100倍進(jìn)行試驗(yàn)。
1.2.1魚類
實(shí)驗(yàn)采用新加坡??斯?ZWEEC Analytics)研發(fā)的魚類生物毒性在線監(jiān)測(cè)儀(FAMS)進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)毒性物質(zhì)進(jìn)入水體時(shí),魚類的行為會(huì)發(fā)生改變,通過(guò)高頻攝像記錄及數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比,分析斑馬魚在短時(shí)間內(nèi)暴露于不同濃度毒性物質(zhì)下的行為變化及死亡率,并結(jié)合多種水質(zhì)參數(shù)傳感系統(tǒng)來(lái)準(zhǔn)確快速地分析和判斷待測(cè)水體的毒性強(qiáng)弱。儀器根據(jù)不同等級(jí),發(fā)出褐色、黃色及紅色3種預(yù)警信號(hào)。褐色預(yù)警表示水質(zhì)有可能已經(jīng)被污染,此時(shí)魚群行為出現(xiàn)異常;黃色預(yù)警表示水質(zhì)已經(jīng)達(dá)到臨界階段,25%~50%的魚群已經(jīng)死亡;紅色警報(bào)表示水質(zhì)已經(jīng)達(dá)到臨界階段,50%的魚群已經(jīng)死亡[18]。
向觀測(cè)水槽內(nèi)加入標(biāo)準(zhǔn)稀釋水并加入一定數(shù)量的斑馬魚(10尾以上),待斑馬魚活動(dòng)穩(wěn)定后進(jìn)行背景學(xué)習(xí)(一般時(shí)長(zhǎng)為2~4 h),此時(shí)測(cè)定的行為指標(biāo)可作為空白參照。將配置好的受試毒物迅速加入觀測(cè)槽內(nèi),待水體穩(wěn)定后進(jìn)行循環(huán)監(jiān)測(cè),實(shí)驗(yàn)時(shí)間為4 h,實(shí)驗(yàn)期間保證環(huán)境不受人為擾動(dòng)。根據(jù)《水與廢水監(jiān)測(cè)方法(第四版)》,急性魚類毒性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求是pH 6.0~8.5,用稀釋水作為試驗(yàn)用水。稀釋水配方如下:配置標(biāo)準(zhǔn)稀釋水所用試劑應(yīng)為分析純,并使用蒸餾水或去離子水配置。①氯化鈣溶液:將11.76 g GaCl2·2H2O溶解于水中,稀釋至1 L。②硫酸鎂溶液:將4.93 g MgSO4·7H2O溶解于水中,稀釋至1 L。③碳酸氫鈉溶液:將2.59 g NaHCO3溶解于水中,稀釋至1 L。④氯化鉀溶液:將0.23 g KCl溶解于水中,稀釋至1 L。蒸餾水或去離子水的電導(dǎo)率應(yīng)≤10 μS/cm。將這4種溶液各取25 mL加以混合并用水稀釋至1 L,稀釋水的pH范圍在6.8~8.0。
1.2.2溞類
實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)BBE公司生產(chǎn)的溞類毒性儀器進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)分析大型溞的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)高度、運(yùn)動(dòng)方向、個(gè)體大小、運(yùn)動(dòng)大型溞的個(gè)數(shù)、被探測(cè)到的頻率、運(yùn)動(dòng)軌跡個(gè)數(shù)等,計(jì)算污染物的綜合毒性指數(shù),當(dāng)綜合毒性指數(shù)達(dá)到一定閾值(可設(shè)定),系統(tǒng)便啟動(dòng)報(bào)警機(jī)制,對(duì)水質(zhì)的綜合毒性指數(shù)做出評(píng)估與預(yù)警。
受試大型溞使用標(biāo)準(zhǔn)稀釋水馴化。將大型溞轉(zhuǎn)移至觀測(cè)槽內(nèi)并注滿標(biāo)準(zhǔn)稀釋液,加入溞類個(gè)數(shù)12~20只,待大型溞活動(dòng)穩(wěn)定后,注入配置好的毒物溶液并棄去早期廢液,待溶液濃度穩(wěn)定后進(jìn)行循環(huán)監(jiān)測(cè),實(shí)驗(yàn)時(shí)間為24 h。實(shí)驗(yàn)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16125-1995方法,采用標(biāo)準(zhǔn)稀釋水對(duì)大型溞進(jìn)行馴化培養(yǎng),并以自培養(yǎng)的蛋白核小球藻為食,每 24 h喂食一次。標(biāo)準(zhǔn)稀釋水滿足以下要求并容許溞類在其中生存至少48 h:pH為7.8±0.2,硬度為(250±25) mg/L(以CaCO3計(jì)),Ca/Mg的比例接近4∶1,溶解氧濃度在空氣飽和值的80%以上。標(biāo)準(zhǔn)稀釋水配置方法為:① 氯化鈣溶液,將11.76 g CaCl2·2H2O溶解于蒸餾水中,并稀釋定容至1 L;② 硫酸鎂溶液,將4.93 g MgSO4·7H2O溶解于蒸餾水中,并稀釋定容至1 L;③ 碳酸氫鈉溶液,將2.59 g NaHCO3溶解于蒸餾水中,并稀釋定容至1 L;④ 氯化鉀溶液,將0.23 g KCl溶解于蒸餾水中,并稀釋定容至 1 L;取上述4種溶液各 25 mL 加以混合并用水稀釋至 1 L。必要時(shí)可用 NaOH溶液及 HCl溶液調(diào)節(jié)pH。
1.2.3藻類
實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)BBE的藻類在線水質(zhì)分析毒性儀進(jìn)行測(cè)試。該儀器通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析藻類熒光強(qiáng)度,對(duì)水質(zhì)的綜合毒性指數(shù)做出評(píng)估與預(yù)警。蛋白核小球藻藻液在無(wú)菌接種后的帶塞密封,置于人工氣候培養(yǎng)箱中靜置培養(yǎng),培養(yǎng)箱的光照強(qiáng)度調(diào)為4 000 lux,溫度調(diào)為(25±1) ℃,光暗比為12 h∶12 h。培養(yǎng)過(guò)程中定時(shí)搖動(dòng)錐形瓶3~5次,每天隨機(jī)調(diào)換三角瓶的位置2~3次。定期顯微鏡鏡檢藻類生長(zhǎng)狀況,若生長(zhǎng)良好,且無(wú)變形和不正常細(xì)胞,說(shuō)明藻種已經(jīng)適應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件,待藻密度穩(wěn)定到4 000 cells/L左右進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
受試毒物采用去離子水定容配置,通入毒物后試驗(yàn)時(shí)間為5 h以上。藻液濃度明顯下降即更換藻液,一般每?jī)芍芨鼡Q一次。參比毒物為10 μg/L的敵草隆溶液,參比水為循環(huán)水。藻種培養(yǎng)所用培養(yǎng)基均為 BG11(Blue-Green Medium),根據(jù)中科院淡水藻種庫(kù)的配方配置(見表1),培養(yǎng)基的配制方法為首先配制成儲(chǔ)備液,放置在冰箱中4 ℃保存,轉(zhuǎn)接藻種前將其配制成工作液即培養(yǎng)基,培養(yǎng)基的配制應(yīng)嚴(yán)格按照表2的順序依次加入超純水中,待一種試劑完全混勻后再加入另一種,添加過(guò)程中不斷攪拌,用超純水定容到 1 000 mL,然后用 NaOH或者HCl調(diào)節(jié)pH至7.1,在121 ℃下高壓滅菌20 min,冷卻至常溫后便可使用。
表1 G-11培養(yǎng)基配方Tab.1 Formula of G-11 medium
表2 BG-11中A5的配方Tab.2 Formula of A5 in BG-11
1.2.4發(fā)光菌
實(shí)驗(yàn)使用以色列CheckLight公司生產(chǎn)的ToxScreen Ⅲ毒性測(cè)試儀進(jìn)行毒性測(cè)試。發(fā)光菌的生物毒性測(cè)試是利用其在污染物的脅迫下發(fā)光度的抑制來(lái)反映污染物綜合毒性強(qiáng)弱。
選用活化液配制毒物貯備液,并置于4 ℃環(huán)境儲(chǔ)存?zhèn)溆?。?shí)驗(yàn)設(shè)置空白對(duì)照,預(yù)先在測(cè)試管中加入1 000 μL不同濃度毒物儲(chǔ)備液。活化菌液后,向每只測(cè)試管中加入100 μL的工作菌液,吹吸混合均勻,加入菌液的間隔時(shí)間不少于30 s。急性毒性試驗(yàn)的反應(yīng)時(shí)間為15 min,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保證菌液始終保持在20 ℃環(huán)境下。
斑馬魚毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(見表3),斑馬魚對(duì)有機(jī)物鄰苯二甲酸二丁酯及鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、硝基苯、汞、錳鹽及砷溶液的敏感性較弱,各毒物在最高濃度時(shí)其綜合毒性指數(shù)均未達(dá)到閾值,未報(bào)警。斑馬魚對(duì)鋅溶液較敏感,在其濃度達(dá)到100倍國(guó)家限制標(biāo)準(zhǔn)濃度時(shí),紅色報(bào)警;在其濃度達(dá)到10倍國(guó)家限制標(biāo)準(zhǔn)濃度時(shí),魚群游速明顯減緩且魚群聚集,引起黃色報(bào)警;在其濃度達(dá)到1倍國(guó)家限制標(biāo)準(zhǔn)濃度時(shí),魚群表現(xiàn)較為正常。斑馬魚對(duì)鐵溶液也較為敏感,但考慮到斑馬魚對(duì)水環(huán)境的pH較為敏感,適宜中性偏堿環(huán)境,而在此環(huán)境下鐵溶液易形成不溶性沉淀影響水質(zhì),對(duì)斑馬魚造成物理性損傷,故毒物鐵對(duì)斑馬魚的毒害作用有待進(jìn)一步研究。
表3 斑馬魚對(duì)不同毒性物質(zhì)的響應(yīng)Tab.3 Response of zebrafish to different toxic substances
大型溞毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(見表4),大型溞對(duì)有機(jī)物鄰苯二甲酸二丁酯及鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、硝基苯、汞及錳溶液的敏感性較弱,各毒物在最高濃度時(shí)其綜合毒性指數(shù)均未達(dá)到閾值,未報(bào)警。大型溞對(duì)砷溶液敏感,在其濃度達(dá)到100倍國(guó)家限制標(biāo)準(zhǔn)濃度時(shí),紅色報(bào)警;在其濃度達(dá)到10倍國(guó)家限制標(biāo)準(zhǔn)濃度時(shí),未引起報(bào)警。大型溞對(duì)鋅溶液極敏感,在其濃度達(dá)到國(guó)家1倍限制濃度時(shí),即能引起紅色報(bào)警。大型溞對(duì)鐵溶液也極為敏感,在其濃度達(dá)到1倍國(guó)家限制標(biāo)準(zhǔn)濃度時(shí),即引起報(bào)警,但同斑馬魚一樣,待進(jìn)一步研究。
表4 大型溞對(duì)不同毒性物質(zhì)的響應(yīng)Tab.4 Response of Daphnia magna to different toxic substances
蛋白核小球藻毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(見表5),蛋白核小球藻對(duì)有機(jī)物鄰苯二甲酸二丁酯及鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、硝基苯、汞、錳鹽及砷溶液的敏感性較弱,各毒物在最高濃度時(shí)其綜合毒性指數(shù)均未達(dá)到閾值,未報(bào)警。小球藻對(duì)鋅溶液敏感,在其濃度達(dá)到10倍國(guó)家限制標(biāo)準(zhǔn)濃度時(shí),抑制率即已接近報(bào)警閾值;在其濃度達(dá)到100倍國(guó)家限制標(biāo)準(zhǔn)濃度時(shí),紅色報(bào)警。蛋白核小球藻對(duì)鐵溶液敏感,在其濃度達(dá)到10倍國(guó)家限制標(biāo)準(zhǔn)濃度時(shí),抑制率即已接近報(bào)警閾值,藻密度明顯下降;在其濃度達(dá)到100倍國(guó)家限制標(biāo)準(zhǔn)濃度時(shí),紅色報(bào)警。
表5 蛋白核小球藻對(duì)不同毒性物質(zhì)的響應(yīng)Tab.5 Response of Chlorella pyrenoidosa to different toxic substances
費(fèi)氏弧菌毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(見表6),費(fèi)氏弧菌對(duì)有機(jī)化合物鄰苯二甲酸二丁酯以及鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯的敏感性較弱;對(duì)硝基苯、汞、錳、砷、鋅及鐵溶液的敏感較強(qiáng),對(duì)半數(shù)效應(yīng)濃度EC50,響應(yīng)程度汞>硝基苯>鋅>錳>砷>鐵。除鋅和硝基苯外,其他毒物檢測(cè)濃度的半數(shù)效應(yīng)濃度EC50均高于或遠(yuǎn)高于國(guó)家Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。各擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.93~0.99,表明實(shí)驗(yàn)中各毒性物質(zhì)與費(fèi)氏弧菌的發(fā)光抑制率呈現(xiàn)良好的劑量-效應(yīng)關(guān)系。
表6 費(fèi)氏弧菌發(fā)光抑制率與不同毒性物質(zhì)的回歸方程Tab.6 Regression equation of luminescence inhibition rate of Vibrio fischeri to different toxic substances
從斑馬魚、大型溞、蛋白核小球藻及費(fèi)氏弧菌對(duì)各毒性物質(zhì)的預(yù)警結(jié)果可知:斑馬魚對(duì)鋅和鐵較敏感,達(dá)到預(yù)警效果;對(duì)其他毒性物質(zhì)均不敏感,未達(dá)到預(yù)警效果。大型溞對(duì)砷敏感,對(duì)鋅及鐵極敏感,達(dá)到預(yù)警效果;對(duì)其他毒性物質(zhì)均不敏感,未達(dá)到預(yù)警效果。蛋白核小球藻對(duì)鋅和鐵敏感,達(dá)到初步預(yù)警效果;對(duì)其他毒性物質(zhì)都不敏感,未達(dá)到預(yù)警效果。費(fèi)氏弧菌硝基苯、汞錳、砷、鋅、鐵都極敏感,達(dá)到預(yù)警效果;對(duì)兩種有機(jī)物鄰苯二甲酸二丁酯以及鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯不敏感,未達(dá)到預(yù)警效果。以上結(jié)果顯示不同指示生物對(duì)不同污染物響應(yīng)差異顯著,預(yù)警效果不一。
從斑馬魚、大型溞、蛋白核小球藻及費(fèi)氏弧菌對(duì)18種毒性物質(zhì)(其中8種為本實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù),其余10種為已有數(shù)據(jù))的響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)閾值可知(見表7和表8):斑馬魚對(duì)毒物的響應(yīng)比較廣,響應(yīng)閾值相對(duì)較高[15];大型溞敏感度最強(qiáng),對(duì)毒物的敏感程度整體高于斑馬魚、費(fèi)氏弧菌及蛋白核小球藻,響應(yīng)閾值相對(duì)較低,響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)[15];蛋白核小球藻對(duì)毒物響應(yīng)比較窄,對(duì)除草劑及殺蟲劑較敏感,且響應(yīng)速度很快,對(duì)其他毒性物質(zhì)敏感性相對(duì)較弱[15,41];費(fèi)氏弧菌對(duì)毒物的響應(yīng)時(shí)間較短,一般15~30 min即可給出結(jié)果,響應(yīng)比較廣譜,對(duì)部分毒物的響應(yīng)閾值較高[15,42]。從以上分析比較可知,4類指示生物對(duì)毒物的響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)范圍、響應(yīng)程度及預(yù)警時(shí)間差異顯著,其中最快預(yù)警的是發(fā)光菌,響應(yīng)最靈敏的為溞類,響應(yīng)范圍最窄的為蛋白核小球藻[15]。
表8 4種不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的響應(yīng)閾值比較Tab.8 Comparison of response thresholds of four different trophic organisms mg/L
基于魚類、溞類、藻類及發(fā)光菌4種不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)指示生物對(duì)不同污染物的響應(yīng)比較研究可知:① 斑馬魚對(duì)大多數(shù)污染物都有響應(yīng),響應(yīng)范圍相對(duì)較廣,響應(yīng)閾值相對(duì)較高;大型溞對(duì)大多數(shù)污染物比較敏感,敏感度最強(qiáng),響應(yīng)閾值相對(duì)較低,響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng);蛋白核小球藻對(duì)污染物響應(yīng)比較窄,對(duì)除草劑外的其它污染物敏感性較弱;費(fèi)氏弧菌對(duì)大多數(shù)污染物都有響應(yīng),響應(yīng)比較廣譜,響應(yīng)很迅速,但對(duì)部分毒物的響應(yīng)閾值較高。② 不同指示生物對(duì)不同污染物的響應(yīng)有各自特征,響應(yīng)范圍、響應(yīng)時(shí)間及響應(yīng)閾值均不一,預(yù)警效果不一,單一指示生物難以全面、高效、準(zhǔn)確預(yù)警污染物的毒性效應(yīng)。③當(dāng)前水體污染物類型逐漸呈現(xiàn)復(fù)雜化、多樣化、毒性不確定性等特征,需運(yùn)用多指標(biāo)生物聯(lián)合預(yù)警,充分發(fā)揮各指示生物優(yōu)勢(shì),以期提高污染物預(yù)警準(zhǔn)確率,從而為保障水質(zhì)安全提供技術(shù)支撐。