市政污水處理廠出水及受納水體污染和毒性研究進(jìn)展

黎偉宗，劉源，李慧珍，游靜

暨南大學(xué)環(huán)境學(xué)院，廣東省環(huán)境污染與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510632

市政污水來(lái)源廣泛、成分復(fù)雜，且匯聚多種污染物。當(dāng)前，用于市政污水處理效果評(píng)估及排放管控的指標(biāo)主要是總氮、總磷和化學(xué)需氧量等常規(guī)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，近年來(lái)逐步增加了常規(guī)和優(yōu)控污染物的監(jiān)測(cè)，然而在評(píng)估中依然缺乏生物毒性指標(biāo)。我國(guó)水環(huán)境管理正在經(jīng)歷從總量控制、質(zhì)量管理逐步轉(zhuǎn)化為風(fēng)險(xiǎn)管控的過(guò)程，而風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需要同時(shí)考慮暴露和效應(yīng)水平。常規(guī)理化指標(biāo)或單純污染物濃度難以反映污水的綜合風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致出水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不確定性高，難以精準(zhǔn)有效地指導(dǎo)市政污水處理方法的發(fā)展，市政污水處理廠出水可能成為受納水體污染的重要源頭之一。研究顯示，處理后的市政污水仍含有藥物與個(gè)人護(hù)理品[1-3]、農(nóng)藥[4-5]和鹵代阻燃劑[6]等多種污染物，隨其排放進(jìn)入受納水體，這些污染物在水環(huán)境中發(fā)生降解轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生加和、協(xié)同和拮抗等復(fù)合毒性作用，對(duì)水生生物產(chǎn)生內(nèi)分泌干擾[7]、發(fā)育毒性[8]、神經(jīng)毒性[9]和遺傳毒性[10]等不良效應(yīng)。近期，Pereda等[11]指出，盡管經(jīng)過(guò)三級(jí)處理和高度稀釋，污水處理廠出水排放仍會(huì)危害受納水環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)功能。低濃度、連續(xù)排放的出水會(huì)改變受納水體的水質(zhì)特征[12]，造成復(fù)雜的復(fù)合污染狀況。這些污染物及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的相互作用也將對(duì)水生生物形成復(fù)雜多變的暴露條件[2]，可能破壞水生生物的生存環(huán)境，產(chǎn)生不良效應(yīng)，影響水環(huán)境中魚類及無(wú)脊椎動(dòng)物的正常發(fā)育繁殖[13-15]，從而改變受納水生態(tài)系統(tǒng)的物種豐度[16]、群落組成和結(jié)構(gòu)[17-18]及生態(tài)功能[11]。由此可見，有效管控污水處理廠出水及其受納水體污染和風(fēng)險(xiǎn)對(duì)維護(hù)水生態(tài)健康尤為重要，但目前對(duì)出水受納水體復(fù)合污染的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究仍較缺乏。

水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估包括暴露和效應(yīng)評(píng)估，一般可通過(guò)模型估算或?qū)嶋H測(cè)量。當(dāng)前常用的評(píng)估方法是采集環(huán)境樣品，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析獲得樣品中污染物濃度，進(jìn)一步計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)商；或通過(guò)實(shí)驗(yàn)室生物測(cè)試獲得樣品對(duì)受試生物的毒性效應(yīng)。但樣品采集和運(yùn)輸過(guò)程中污染物濃度、形態(tài)等會(huì)發(fā)生改變，且實(shí)驗(yàn)室生物測(cè)試較難反映野外真實(shí)暴露條件，這些差異都會(huì)降低風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性[19]。近年發(fā)展起來(lái)的原位被動(dòng)采樣和生物暴露可有效降低實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的誤差，更加真實(shí)準(zhǔn)確地反映暴露和效應(yīng)的定量關(guān)系。

本綜述在總結(jié)市政污水處理廠出水及受納河流污染和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)當(dāng)前評(píng)估方法缺乏生物有效性和毒性識(shí)別的問(wèn)題，提出利用原位被動(dòng)采樣-生物暴露聯(lián)用技術(shù)追蹤污水處理廠出水對(duì)受納水體造成的污染暴露及效應(yīng)變化，全面準(zhǔn)確地評(píng)估受納水體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，為出水排放標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)管控提供數(shù)據(jù)支撐。

1 污水處理廠出水中污染物濃度和毒性（Concentrations and toxicity of contaminants in wastewater treatment plant effluents）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)及人類活動(dòng)的加劇，近年來(lái)我國(guó)城鎮(zhèn)和農(nóng)村污水排放量均呈上升趨勢(shì)。2020年全國(guó)城市污水排放量達(dá)571.4億m3，比2010年增長(zhǎng)了50.8%[20]。污水主要包括市政和工業(yè)污水，不同工業(yè)污水的成分差異較大，如紡織污水含大量有機(jī)染料，而石油化工污水含大量具有致癌性的烴類物質(zhì)及其衍生物，但總體而言，其行業(yè)特征污染物一般較為清晰。針對(duì)各類工業(yè)污水的處理技術(shù)日益發(fā)展[21]，污水處理設(shè)備不斷升級(jí)，加之國(guó)家對(duì)工業(yè)污水的治理力度不斷加大，工業(yè)污水污染得到較好的控制，排放量從2010年的237.5億t下降到2016年的186.4億t[22]，并呈逐年下降趨勢(shì)。相較而言，市政污水具有更大的排放量，來(lái)源廣泛且成分更加復(fù)雜。各種傳統(tǒng)和新污染物，如藥物與個(gè)人護(hù)理品（pharmaceuticals and personal care products, PPCPs）、全氟化合物、農(nóng)藥和鹵代/磷代阻燃劑等隨著污水管網(wǎng)匯集到污水處理廠[3, 5-6, 23-24]，進(jìn)一步通過(guò)水解、光解和生物代謝等過(guò)程形成轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，不同污染物及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物之間還會(huì)產(chǎn)生協(xié)同、加和、拮抗等復(fù)合毒性作用，導(dǎo)致嚴(yán)峻的復(fù)合污染問(wèn)題。

當(dāng)前污水處理廠最常用的處理技術(shù)是A2/O和氧化溝工藝，厭氧、好氧處理對(duì)氨氮、化學(xué)需氧量等常規(guī)污染物的處理效果很好，但傳統(tǒng)的污水處理工藝難以去除不易生物降解的痕量污染物[4, 25]，甚至出水中一些污染物濃度高于進(jìn)水[26]。出水中仍有多種污染物被頻繁檢出（圖1），包括PPCPs、殺蟲劑、除草劑、性激素[27]和紫外吸收劑[28-29]等。其中，出水中多種PPCPs均有較高檢出率，由于其潛在生物積累性和生物活性而受到廣泛關(guān)注[13, 30]。例如，污水處理廠出水中12種典型PPCPs總濃度范圍是242～16 561 ng·L-1[30-40]，中國(guó)（5 541±5 145） ng·L-1高于美國(guó)（2 894±1 330） ng·L-1和歐洲（3 215±1 790） ng·L-1。不同PPCPs的污染特征也具有一定區(qū)域性，如出水中紅霉素的濃度為98.1～14 400 ng·L-1（（3 032±3 257） ng·L-1），顯著高于除文拉法辛外的其他10種PPCPs（P<0.05）。中國(guó)污水處理廠出水中紅霉素濃度（3 033±3 257） ng·L-1顯著高于美國(guó)（145±118） ng·L-1和歐洲（398±269） ng·L-1；美國(guó)污水處理廠出水中磺胺甲惡唑的濃度則顯著高于中國(guó)和歐洲；而歐洲地區(qū)卡馬西平的濃度水平則顯著高于中國(guó)（P<0.05，圖2）。由此可見，污水處理廠出水中污染物的濃度和組成有較大的地域差異，可能與當(dāng)?shù)氐纳盍?xí)慣差異以及污水處理廠附近的工業(yè)污染相關(guān)。除PPCPs外，除草劑、殺蟲劑和抗菌劑等多類新污染物也在出水中被廣泛檢出（圖1（b）和1（c））。阿特拉津和異丙甲草胺的濃度分別是26～124 ng·L-1和75～471 ng·L-1[32, 35, 41]。德國(guó)污水處理廠出水檢出新煙堿類殺蟲劑吡蟲啉的濃度高達(dá)237 ng·L-1[35]。抗菌劑三氯生在中國(guó)的檢出濃度為14.7～226 ng·L-1[23, 37]，與歐洲濃度水平相似（19～219 ng·L-1）[36, 42]。除此之外，人造甜味劑三氯蔗糖的出水濃度也較高，如中國(guó)污水處理廠出水濃度為1 370～5 490 ng·L-1[37]。大量研究表明，污水處理廠出水已成為水環(huán)境污染的重要點(diǎn)源之一[24, 43-45]，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的影響不容忽視。

然而，目前用于評(píng)估和監(jiān)測(cè)出水水質(zhì)的指標(biāo)主要是氨氮、總磷和化學(xué)需氧量等常規(guī)指標(biāo)，缺乏生物毒性指標(biāo)，前期研究表明，污水處理廠出水仍會(huì)對(duì)水生生物產(chǎn)生毒性。如表1所示，Escher等[10]對(duì)澳大利亞2個(gè)市政污水處理廠出水和再生水進(jìn)行了103種體外生物測(cè)試，結(jié)果表明內(nèi)分泌干擾、遺傳毒性等終點(diǎn)的陽(yáng)性率高于63%；Gauthier和Vijayan[8]發(fā)現(xiàn)污水處理廠出水對(duì)斑馬魚胚胎造成發(fā)育延遲且對(duì)幼魚造成代謝紊亂；Zhang等[47]利用斑馬魚死亡率表征出水急性毒性，同時(shí)進(jìn)行微核試驗(yàn)和彗星實(shí)驗(yàn)檢測(cè)遺傳毒性，結(jié)果表明，出水的急性毒性被完全去除但遺傳毒性沒有降低，甚至有升高的趨勢(shì)；Dépatie等[48]發(fā)現(xiàn)出水中溴代阻燃劑會(huì)干擾白斑狗魚的脂質(zhì)代謝功能；劉蕓等[49]發(fā)現(xiàn)A2/O出水對(duì)大型溞的急性致死毒性顯著降低，但出水中的內(nèi)分泌干擾物仍然對(duì)大型溞具有明顯生殖毒性。由此可見，經(jīng)處理的污水處理廠出水排放可能威脅受納水生態(tài)健康。

圖1 全球出水[23, 27-42]及受納水體[5, 12, 32, 34-35, 46]中典型污染物的濃度分布注：（a）藥物及個(gè)人護(hù)理品；（b）農(nóng)藥；（c）其他新污染物；3條紅色實(shí)線分別為25%、50%和75%分位數(shù)；*表示濃度存在顯著性差異（P<0.05）；TCEP表示三（2-氯乙基）磷酸酯，TCPP表示磷酸三（1-氯-2-丙基）酯。Fig. 1 Concentrations of typical contaminants in wastewater treatment plant effluent and the receiving waterways worldwideNote: （a） Pharmaceutical and personal care products; （b） Pesticides; （c） Other emerging contaminants; the two red solid lines in the violins represent 25%, 50% and 75% of chemical concentrations; *indicates significant difference （P<0.05）; TCEP means tris （2-chloroethyl） phosphate; TCPP means tris （1-chloro-2-propyl） phosphate.

圖2 污水處理廠出水中5個(gè)典型藥物在中國(guó)[23, 31-33, 37, 39-40]、美國(guó)[32-34]和歐洲[30, 35-36, 38, 42]的濃度水平注：*表示濃度水平具有顯著性差異（P<0.05）。Fig. 2 Concentrations of five typical pharmaceuticals detected in wastewater treatment plant effluent in China, United States, and EuropeNote: *indicates significant difference （P<0.05）.

2 污水處理廠出水受納水體中污染物濃度和毒性（Concentrations and toxicity of contaminants in wastewater treatment plant effluent-receiving waterways）

截至2020年，中國(guó)城市污水處理廠達(dá)2 618座，污水處理率已達(dá)97.5%[20]。隨著污水處理廠的擴(kuò)增和污水處理率的上升，排放進(jìn)入自然水體的出水也增加。一方面，受納水體受到氣候變化或人為影響而水量減少時(shí)，出水排放可補(bǔ)充水流量，一定程度上保護(hù)水生生物的棲息地[53]；另一方面，出水排放導(dǎo)致的污染物輸入又可能嚴(yán)重污染受納水體（表 2），甚至破壞水生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能。以出水為主要水源的溪流與其上游或普通溪流相比，往往具有獨(dú)特的物理和化學(xué)水質(zhì)特征[54]，連續(xù)的出水排放會(huì)改變受納水體的溶解氧、溫度、營(yíng)養(yǎng)和化學(xué)成分負(fù)荷、毒性等[55]。有研究指出，出水口附近一般水溫較高[56]而溶解氧水平較低[57]，這可能會(huì)增加水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)并改變出水口附近的物種分布[53]。除此之外，污染物的輸入也會(huì)對(duì)溪流生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。有研究顯示，隨出水進(jìn)入受納水體的污染物濃度與出水沒有顯著性差異，個(gè)別化合物的濃度甚至高于出水[34]（圖1）。出水中藥物和個(gè)人護(hù)理品、農(nóng)藥、激素和微塑料等物質(zhì)對(duì)受納水體的生態(tài)影響已受到廣泛的關(guān)注，研究發(fā)現(xiàn)受納水體中的魚類、蝸牛和鉤蝦等生物對(duì)藥物、農(nóng)藥等物質(zhì)具有一定的生物積累性[30, 58-59]，藥物的長(zhǎng)期暴露對(duì)水生生物產(chǎn)生內(nèi)分泌干擾效應(yīng)[60]、生殖毒性[61]，并改變魚類腸道微生物群落變化[62]，從而影響受納水環(huán)境中魚類健康（表1）。Liu等[52]將鯽魚暴露在污水處理廠下游后分析其生物標(biāo)志物變化，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室分析水樣中藥物活性物質(zhì)的濃度，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)商，發(fā)現(xiàn)鯽魚的綜合生物標(biāo)志物響應(yīng)指數(shù)與藥物活性物質(zhì)的總風(fēng)險(xiǎn)商具有良好的相關(guān)性，說(shuō)明出水中藥物排放危害受納水環(huán)境中魚類健康。Münze等[5]發(fā)現(xiàn)出水輸入顯著增加了受納水體中殺菌劑和殺蟲劑的濃度，且出水是受納水體中啶蟲脒和吡蟲啉的主要來(lái)源，增強(qiáng)河流毒性，影響無(wú)脊椎動(dòng)物群落的組成和生態(tài)功能。Schmitz等[14]發(fā)現(xiàn)受納水體促使魚類代謝相關(guān)酶活性和氧化應(yīng)激響應(yīng)發(fā)生顯著變化，長(zhǎng)期暴露影響脂質(zhì)代謝相關(guān)基因，進(jìn)而影響其正常生長(zhǎng)、繁殖[48]。

出水中污染物排放進(jìn)入受納河流后在水、顆粒物和沉積物等各介質(zhì)間分配，并被生物累積（圖3）。Schultz等[63]和Gibs等[1]在美國(guó)出水受納河流的沉積物中檢測(cè)到抗抑郁藥、抗生素、三氯生和壬基酚等污染物。魚類、水生和底棲無(wú)脊椎動(dòng)物通過(guò)皮膚吸收和攝食顆粒物等途徑累積污染物，有研究指出底棲貝類，如蛤蜊對(duì)抗抑郁藥苯海拉明和乙酰氨基酚的生物累積系數(shù)已達(dá)美國(guó)環(huán)境保護(hù)局定義的中度生物累積水平[64]?？梢姡讞珶o(wú)脊椎生物的生境也受到污水處理廠出水排放的影響，除了對(duì)底棲生物個(gè)體造成損傷外，還影響底棲無(wú)脊椎生物群落分布甚至生態(tài)功能[65]。

表1 污水處理廠出水及受納水體生物測(cè)試方法及生物效應(yīng)Table 1 Bioassay approaches and biological effects of wastewater treatment plant effluent and the receiving waterways

續(xù)表1

表2 受納水體中常見污染物種類和濃度水平Table 2 Concentrations of contaminants in wastewater treatment plant effluent-receiving waterways

受納水體水質(zhì)和毒性水平隨著水流傳輸而動(dòng)態(tài)變化，上游河水的稀釋作用、流速、流內(nèi)衰減和季節(jié)變化等因素均會(huì)影響這一動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[55, 57, 68]。Barber等[32]對(duì)比了2個(gè)污水處理廠出水中多種有機(jī)污染物進(jìn)入受納河流后的遷移特征，發(fā)現(xiàn)流量、流速等水文條件明顯影響污染物在受納河流中的遷移過(guò)程，包括持久性和遷移距離，如雌激素、有機(jī)磷酸酯和藥物等有機(jī)污染物在受納河流中持久存在，遷移距離最高可達(dá)160 km，這無(wú)疑對(duì)下游水生健康造成威脅。Zhi等[2]量化了污水處理廠出水中109種藥物及其代謝產(chǎn)物在受納河流5 km內(nèi)的衰減率，發(fā)現(xiàn)不同藥物的衰減率差異很大，抗糖尿病藥二甲雙胍衰減率較低，在受納河流中維持較高污染水平；而西酞普蘭由于其容易被沉積物顆粒吸附而具有較高的衰減率，對(duì)于多數(shù)藥物及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物來(lái)說(shuō)，沉積物吸附作用是它們?cè)谑芗{河流中的主要衰減機(jī)制[69]。污染物在遷移過(guò)程中的動(dòng)態(tài)衰減對(duì)水生生物形成復(fù)雜的暴露條件，進(jìn)而影響受納水生態(tài)健康。

污水處理廠出水中污染物在受納水體中發(fā)生光降解、生物降解等轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)而生成各種轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，由于轉(zhuǎn)化產(chǎn)物理化性質(zhì)、環(huán)境行為和生物毒性均可能與母體有較大差異，使得受納水體復(fù)合污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估更加復(fù)雜。Yin等[70]開展了污水處理廠出水的光降解、生物降解及光-生物降解聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明光-生物降解聯(lián)合可減少62.4%的溶解性有機(jī)碳，而光降解不僅減少了出水中芳香族化合物的數(shù)量，轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的分子量也明顯變小，使得轉(zhuǎn)化產(chǎn)物更易被生物利用。Webb等[67]發(fā)現(xiàn)受納水體下游新煙堿農(nóng)藥吡蟲啉的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物吡蟲啉脲的濃度比出水高1.6倍～1.8倍，說(shuō)明吡蟲啉可能發(fā)生了河內(nèi)轉(zhuǎn)化；而吡蟲啉脲是一種環(huán)境穩(wěn)定性更高的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物[71-72]，可能帶來(lái)潛在的生態(tài)威脅。越來(lái)越多的研究表明，一些藥物（如雙氯芬酸、二甲雙胍等）[73-74]和農(nóng)藥[75]的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物具有與母體相近甚至更高的水生毒性，因此，亟須將轉(zhuǎn)化產(chǎn)物納入監(jiān)管范疇并評(píng)估其水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[76]。

圖3 利用原位被動(dòng)采樣-生物暴露聯(lián)用方法追蹤污水處理廠出水受納水體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)示例Fig. 3 Tracking ecological risk of effluent-receiving waterways using in-situ passive sampling and bioassays

3 追蹤污水處理廠出水對(duì)受納河流污染和毒性的方法（Approaches to track occurrence and toxicity of contaminants in effluent-receiving waterways）

鑒于污水處理廠出水對(duì)受納水體的危害，一方面要強(qiáng)化污水處理技術(shù)，提高不同類型污染物的去除率。研究表明污水處理技術(shù)的提升能有效減少出水污染物的排放[77]并改善受納水體的群落結(jié)構(gòu)[78]。另一方面需準(zhǔn)確追蹤和評(píng)估出水中污染物在受納水體中的污染狀況、遷移轉(zhuǎn)化等環(huán)境行為和毒性風(fēng)險(xiǎn)。目前，監(jiān)測(cè)水環(huán)境污染水平的方法仍以主動(dòng)采樣為主，即采集野外環(huán)境樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)分析，對(duì)比毒性閾值，利用商值法評(píng)估生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。Jiang等[46]通過(guò)采集地表水、沉積物和地下水樣品，分析了中國(guó)北方典型污水處理廠出水受納水體中抗生素的分布情況，結(jié)果顯示四環(huán)素、土霉素等是受納水體中濃度較高的抗生素，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)商評(píng)估生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)受納水體中抗生素對(duì)水生微生物造成較高風(fēng)險(xiǎn)。Zhi等[2]進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)2年的野外采樣，分析了溫帶地區(qū)污水處理廠出水受納水體中藥物及轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的分布差異，表明污染物在受納水體中的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程對(duì)水生生物造成復(fù)雜的復(fù)合暴露。Argolo等[79]利用細(xì)胞測(cè)試評(píng)估受納水體中自由溶解態(tài)和顆粒結(jié)合態(tài)污染物的雌激素活性，發(fā)現(xiàn)顆粒相中雌激素活性與水相當(dāng)甚至更高，呼吁關(guān)注受納水體顆粒相中內(nèi)分泌干擾物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

主動(dòng)采樣在水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中應(yīng)用廣泛，但存在一定局限性。通過(guò)主動(dòng)采樣獲取的污染物濃度僅代表水環(huán)境中該污染物的瞬時(shí)濃度[80]，而污水處理廠出水及其他輸入源排放、流速和降雨等均會(huì)改變污染物的濃度。換言之，污染物在受納水體中的分布水平隨環(huán)境變化而發(fā)生時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，單次主動(dòng)采樣獲得的瞬時(shí)數(shù)據(jù)并不具有代表性。另外，樣品運(yùn)輸過(guò)程中污染物的濃度、形態(tài)、結(jié)構(gòu)極可能發(fā)生改變，而且實(shí)驗(yàn)室恒定的溫度、pH、溶解氧和光照等實(shí)驗(yàn)條件并不能真實(shí)反映野外實(shí)際暴露情況[81]。由此可見，利用主動(dòng)采樣獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果存在一定的不確定性。相較而言，利用野外原位評(píng)估方法可以有效降低風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的不確定性。有研究顯示，實(shí)驗(yàn)室和原位生物測(cè)試結(jié)果并不總是一致[19, 82]，實(shí)驗(yàn)室和原位評(píng)估聯(lián)用可獲得更具說(shuō)服力的結(jié)果，因此原位評(píng)估在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用極為重要。野外原位評(píng)估包括原位暴露評(píng)估、原位效應(yīng)評(píng)估和原位暴露-效應(yīng)聯(lián)合評(píng)估等多種場(chǎng)景[83]。

原位暴露評(píng)估主要利用被動(dòng)采樣技術(shù)原位獲得污染物的自由溶解態(tài)濃度，并通過(guò)商值法評(píng)估生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。原位被動(dòng)采樣獲得基于生物有效性的時(shí)間加權(quán)濃度，相比主動(dòng)采樣的瞬時(shí)總濃度，能夠更加真實(shí)有效地反映實(shí)際生物暴露水平[84]。常用的被動(dòng)采樣技術(shù)包括聚乙烯膜裝置（polyethylene device, PED）、極性有機(jī)物整合采樣器（polar organic chemical integrative sampler, POCIS）、半滲透膜裝置（semi-permeable membrane device, SPMD）和薄膜梯度擴(kuò)散裝置 （diffusive gradients in thin films, DGT）等，用于監(jiān)測(cè)水中的有機(jī)污染物、重金屬及營(yíng)養(yǎng)元素。Elkayar等[7]結(jié)合POCIS原位采樣和實(shí)驗(yàn)室細(xì)菌毒性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)污水處理廠出水受納水體下游數(shù)千米處仍檢出抗雄激素活性。Xie等[85]利用改良的POCIS監(jiān)測(cè)污水處理廠進(jìn)水、各處理階段、出水及受納水體污染水平，檢出包括麝香、新煙堿類農(nóng)藥和抗生素等多種新污染物，結(jié)合斑馬魚胚胎測(cè)試，發(fā)現(xiàn)除污水處理廠出水排放外，城市受納水體還受到非點(diǎn)源污染的影響。Chaudhary等[86]利用DGT測(cè)定出水受納水體的水-沉積物界面處重金屬的生物有效濃度并評(píng)估水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果表明低濃度重金屬造成的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低。該研究提出利用DGT測(cè)定水環(huán)境中重金屬的生物有效濃度并評(píng)估其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是一種行之有效的方法。

原位效應(yīng)評(píng)估包括原位生物測(cè)試、采集野外生物進(jìn)行效應(yīng)評(píng)估和野外生態(tài)調(diào)查等方式。原位生物測(cè)試是通過(guò)將受試生物投放至野外環(huán)境進(jìn)行暴露后，評(píng)估污染物在生物中的累積潛力及毒性[87]。原位生物測(cè)試已被廣泛應(yīng)用于水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域，受試生物涵蓋了魚類（如黑頭軟口鰷[88]、羅非魚[89]等）、雙殼貝類（如菲律賓蛤仔[90]、河蜆[51]等）和甲殼類等大型無(wú)脊椎動(dòng)物（如鉤蝦[91]、大型溞[92]等）。暴露的環(huán)境介質(zhì)可分為上層水體、底層水體、水-沉積物界面和沉積物孔隙水等。受試生物的毒性終點(diǎn)涵蓋了從基因水平到個(gè)體水平，包括與內(nèi)分泌、脂質(zhì)代謝等相關(guān)的基因表達(dá)、代謝酶和抗氧化酶的活性、行為、生長(zhǎng)速率和存活率等指標(biāo)（表1）。一般根據(jù)研究目標(biāo)和生物特征選擇暴露裝置、暴露形式和毒性終點(diǎn)。Skelton等[93]將黑頭軟口鰷原位暴露于受污水處理廠出水和其他非點(diǎn)源影響的河流中，4 d后對(duì)肝臟分別進(jìn)行1H核磁共振和氣相色譜分析其代謝組變化，發(fā)現(xiàn)出水及受納水體暴露會(huì)擾亂黑頭軟口鰷的肝臟代謝。Aguirre-Martínez和Martín-Díaz[51]分別將菲律賓蛤仔和河蜆原位暴露于接受污水處理廠出水的海水和淡水中，結(jié)合DNA損傷、氧化應(yīng)激、生物代謝和神經(jīng)毒性相關(guān)的多種生物標(biāo)志物評(píng)估受納水環(huán)境沉積物對(duì)無(wú)脊椎動(dòng)物的毒性特征，發(fā)現(xiàn)河蜆在出水中暴露7 d后死亡率高達(dá)96%，持續(xù)排放的高毒性出水嚴(yán)重威脅受納淡水和海洋生物的生長(zhǎng)繁殖。

采集野外生物分析其體內(nèi)污染物濃度和毒性也是常用于評(píng)估受納水體復(fù)合污染的重要方法。Munz等[59]采集了生活在污水處理廠出水受納水體中的鉤蝦，分析其體內(nèi)新煙堿類農(nóng)藥的濃度，并利用商值法估算毒性風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)基于內(nèi)暴露濃度估算的風(fēng)險(xiǎn)高于基于外暴露的風(fēng)險(xiǎn)，呼吁在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)需重視內(nèi)暴露水平。除單獨(dú)生物個(gè)體毒性外，還可通過(guò)測(cè)定不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物體內(nèi)污染物濃度，探究污水處理廠出水中污染物在受納水體中的生物放大效應(yīng)[94]。此外，野外生態(tài)調(diào)查通過(guò)定量本土魚類及無(wú)脊椎動(dòng)物的種群豐度, 可直接反映生態(tài)系統(tǒng)的受損情況。Sánchez-Morales等[17]發(fā)現(xiàn)污水處理廠出水受納水體下游多種大型甲殼類動(dòng)物、水生昆蟲幼蟲的數(shù)量急劇下降，說(shuō)明出水排放會(huì)影響受納水體中生物種群的豐度，破壞水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。

相對(duì)于單獨(dú)使用原位暴露或原位效應(yīng)評(píng)估，原位暴露和效應(yīng)的聯(lián)合評(píng)估能夠同時(shí)獲得暴露與效應(yīng)的關(guān)系（圖3），使得評(píng)估結(jié)果更加全面和準(zhǔn)確。然而，目前原位暴露和效應(yīng)聯(lián)合評(píng)估在污水處理廠出水受納水體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用仍較缺乏。Lahti等[66]結(jié)合POCIS和原位生物暴露評(píng)估污水處理廠出水受納水體中藥物的生物暴露水平，雖然原位暴露后虹鱒魚的7-乙氧基異吩唑酮-O-脫乙基酶（ethoxyresorufin-O-deethylase, EROD）活性和卵黃蛋白原含量無(wú)明顯變化，但原位暴露生物表現(xiàn)出對(duì)藥物的明顯累積能力?？聺?rùn)輝等[95]結(jié)合SPMD、體外細(xì)胞測(cè)試和原位生物暴露（鯽魚）評(píng)估太湖水體的芳烴受體效應(yīng)，SPMD定量的生物有效濃度與肝臟EROD活性具有良好相關(guān)性，表明原位暴露和效應(yīng)數(shù)據(jù)具有較好的一致性。Burton等[96]研發(fā)了一套原位水-沉積物毒性評(píng)估裝置，通過(guò)被動(dòng)采樣器SPMD和DGT獲取污染物濃度水平，同時(shí)獲得多種生物（水生、底表和底棲生物）的效應(yīng)信息，并結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測(cè)器獲得的實(shí)時(shí)水文水質(zhì)參數(shù)，綜合評(píng)估上層水和沉積物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述，聯(lián)合原位被動(dòng)采樣和生物暴露技術(shù)，建立污染物生物有效濃度和生物毒性間的定量關(guān)系，是綜合評(píng)估污水處理廠出水中污染物對(duì)受納水體風(fēng)險(xiǎn)的有效手段，評(píng)估結(jié)果可為有效管控出水受納水體污染和風(fēng)險(xiǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 展望（Perspectives）

針對(duì)污水處理廠出水造成的受納水體復(fù)合污染問(wèn)題，一方面要強(qiáng)化污水處理技術(shù)，提高不同類型污染物的去除率；另一方面還需加強(qiáng)對(duì)出水和受納水體暴露和效應(yīng)的聯(lián)合評(píng)估。出水中含有多種污染物，是一個(gè)復(fù)雜的混合暴露體系，單純通過(guò)污染物監(jiān)測(cè)的暴露評(píng)估可能會(huì)低估出水的風(fēng)險(xiǎn)，除了要加強(qiáng)對(duì)新污染物及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的識(shí)別外，還需結(jié)合生物效應(yīng)評(píng)估以準(zhǔn)確甄別出水復(fù)合毒性的關(guān)鍵致毒物。污染物在受納水體中的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程可能會(huì)使毒性發(fā)生改變，包括污染物組成、聯(lián)合毒性作用。因此，迫切需要追蹤受納水體的暴露和效應(yīng)變化，利用原位被動(dòng)采樣-生物暴露聯(lián)合技術(shù)，可更準(zhǔn)確全面地追蹤污水處理廠出水受納水體的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，為改善出水水質(zhì)及管控出水受納水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。