发光细菌毒性法在饮用水水质评估与预警中的应用

黄灿克，刘婷婷，汤晓畏

(1．温州市环境监测中心站，浙江 温州 325000；2．同济大学浙江学院环境工程教研室，浙江 嘉兴 314051；3.浙江省通信产业服务有限公司咨询设计院，浙江 杭州 310000)



·环境预警·

发光细菌毒性法在饮用水水质评估与预警中的应用

黄灿克1，刘婷婷2，汤晓畏3

(1．温州市环境监测中心站，浙江 温州 325000；2．同济大学浙江学院环境工程教研室，浙江 嘉兴 314051；3.浙江省通信产业服务有限公司咨询设计院，浙江 杭州 310000)

通过对温州地区水源地、自来水等水质指标的研究，评估发光细菌(费氏弧菌)生物预警毒性监测的有效性，并结合实际案例，探讨以发光细菌生物毒性指标评估、预警水质的可行性。在正常情况下，饮用水水源地水质在低发光抑制率区间(±18%)，如果水质遭遇农药污染等非正常情况，发光抑制率明显升高。在自来水净水过程中的各个处理阶段，发光细菌的水质毒性检测表现出敏感性，可以用于水质安全在线实时监控。

发光细菌；急性毒性；水源地；自来水；预警；评估

饮用水水质安全是最基本的民生问题。常规理化参数不能反映水质的综合指标，尤其是水质生物毒性指标欠缺。美国研究机构提出了在线自动监测站的优化架构，由多参数、特征污染和生物毒性3类参数构成[1]。目前，常见的生物毒性检测方法有通过鱼类、生物燃料电池[2-3]、发光细菌[4]、水蚤[5-7]、藻类[8]等为指示物进行检测。GIROTTI等[9]研究报道，基于费氏弧菌的发光细菌法最先运用于化学毒性物质的检测，相比较于其他细菌实验法，该方法最敏感，检测范围也很宽。

对于突发事件，采用发光细菌进行在线监测逐步得到广泛应用[10]。在欧美发达国家，采用大量的在线发光细菌生物毒性检测仪对欧洲莱茵河[11]等重要河流以及库区水质进行实时在线监控，该方法目前也在中国北京[12]、广东[13]等地水域逐步得到应用。现以温州地区饮用水水源和自来水等为例，采用发光细菌法进行预警和风险评估研究，为该技术今后在中国环境监测领域更广泛的应用提供参考。

1 研究方法

1.1 试验材料和监测地点

(1)在线发光细菌毒性仪(MicroLAN，荷兰)，仪器配套美国进口细菌冻干粉试剂和美国进口细菌营养液，配置质量浓度为20%的盐溶液1L；(2)便携式发光细菌毒性仪(SDI，美国)、1 000 μL移液枪、100 μL移液枪、固定支架、配套试剂检测管、渗透压调节液(OAS)、稀释液(Diluent)；(3)对水源地进行在线式监测，对水厂和水井进行便携式监测。

1.2 试验测试方法和过程

以在线毒性仪为例，整个测试过程分为5个部分，采用30 min的连续运行模式，见表1。

表1 发光细菌测试分析流程 min

1.3 试验数据处理及评价方法

(1)仪器的修正系数为0.6～1.3(根据ISO11348)；(2)细菌的发光量必须>50 000(光子数)，过低的发光量，会使误差变大；(3)和ZnSO4·7H2O(11 mg/L)进行控制样比对时，毒性测试值≥60%；(4)参考水样毒性值为-5%～ 5%。

物质毒性通常用EC50来表示，即指示生物死亡一半时的毒性物质浓度，现用发光细菌相对发光抑制率表示，50%的抑制率对于发光细菌其意义等同于EC50。在数据处理过程中，如果样品毒性太大，则用对细菌抑制率100%来表示；如果没有达到50%的抑制率，则直接用抑制率来表示。

发光细菌的光强抑制由抑制率(I%)以及相对发光强度(RBL)来表示，主要参数为EC50。I%=[1-(样品光强/对照光强)]×100[14-15]，相对发光强度=样品光强/对照光强。

2 结果与分析

2.1 饮用水水源地发光细菌综合毒性预警

2009年，永嘉县建成浙江省第一个饮用水水源地水质在线预警系统——楠溪江水质自动站。从2011年10月开始，泽雅、赵山渡、淡溪水库3个饮用水水源地自动监测站的在线水质毒性测定仪投入运行。经过2 a多的运行使用，仪器运行基本正常，实时监测数据显示，温州各水源地的生物综合毒性抑制率基本上在±18%的安全警戒线内。根据各个站点2 a的运行数据来看，可以实时掌握目前温州主要饮用水水源地水质的大部分指标(为便于采集和分析数据，这里都采用4 h平均值)。见图1(a)(b)(c)(d)。

图1 4个站点 2011年10月—2013年10月均值散点图

由图1(a)(b)(c)(d)可见，各个站点水质在低毒安全范围内，水质毒性抑制率在“0”水平线震荡分布。也反映出这2 a来每个站点的数据量都不一样，而且差别比较大。每个站点由于运行期间有效数据不同和数值的偏离区间不同，而显示出不同的排列紧密度。2011—2013年每4 h平均值有效数据见图2。

图2 2011—2013年每4 h平均值有效数据分布

由图2可知4个站点的有效数据分布情况，正常运行的情况下，有效数据应为4 320个，扣除不确定因素，按照80%比例也应该是3 456个。每个站点有效数据获取率偏低，其中存在系统管理不规范和仪器故障等因素。有效数据反映了不同的维护管理质量对生物在线监测毒性仪的影响非常大，如果不能确保仪器稳定连续运行，会严重影响预警效果。

根据4个站点2011—2013年的数据，把平均毒性值分为 -18%～-10%、-9%～0%、0%～9%、10%～18% 4个档，见图3。通过比较可明显地反映出4个站点水质低毒，数据比较集中且均匀平稳的趋势。

图3 2011—2013年站点数据分布区间

4个站点的DO、NH3-N、TP等常规水质监测显示，它们均属于Ⅱ类水质。以淡溪水库为例，其2012—2013年24个月常规监测参数质量情况及变化趋势和水质的低毒性特征基本吻合，见图4。

图4 淡溪水库2012—2013年24个月常规监测参数月均值趋势

TOXcontrol在线水质毒性测定仪在4个水质监测站正式投入使用以来，数据达到了一定的准确度。根据仪器日常运行数据建立综合毒性基准线，可以作为水源地突发毒性事件快速应急反应的参考手段之一。通过一年或者几年的监测数据建立基准数据线，水质毒性在±10之间的属于正常毒性范围。在仪器性能正常的情况下，如果连续出现>10的数据，可以判断水质出现异常。

由于4个站点的水体自身环境有所区别，影响水质的环境因素也不一样，因此采用的生物综合毒性也应该有所区别，或者采用多种仪器综合监测。楠溪江自动监测站处在水流相对湍急且开放的地段，设立发光细菌综合生物毒性检测仪的主要目的是对诸永高速或国道线上的车辆突发化学物质倾倒事件而产生的污染进行预警监测。淡溪水库等其他3个站点，所处相对封闭的水体环境，主要的环境毒性污染因子是农药和除草剂，最好采用藻类和蚤类检测仪。不过，在条件成熟的时候，可以适当增加其他仪器进行交叉立体监测，这样可以拓宽检测领域。

2.2 发光细菌综合毒性监测在饮用水水源突发事件中的评估

2009年1月25日(除夕)，浙江永嘉县城中堂村发生水井投毒事件。收到报告后，马上作出响应，从现场的刺鼻气味判断，毒性物质是农药。水井投毒事件发光细菌抑制率走势见图5。

图5 水井投毒事件发光细菌抑制率走势

由图5可见，在投毒中心点，发光细菌综合毒性抑制率逐渐降低至无毒；在投毒点下游5 m处，发光细菌抑制率先随着农药的扩散而上升，然后随着污染中心的到来达到最高值，最后由于大量井水的稀释而降至无毒。该抑制率数据曲线走势符合污染源扩散浓度的时空走势特征，比较准确客观地反映了污染物扩散衰减的综合毒性指标。

2.3 自来水厂各净水单元对发光细菌的生物急性毒性评价

自来水水质安全防范也不容忽视。对温州某自来水厂进行生物综合毒性的安全性评估。制水工艺流程见图6。

图6 制水工艺流程

由图6可见，在进厂之前，在泵站用NaOH调节水库原水的pH值，进厂水加入聚合氯化铝去除水中的悬浮杂质，沉淀出水经过石英砂简单过滤处理之后再用液氯杀菌消毒，最后出厂到城市自来水管网。每个处理过程单元要对药剂进行严格控制，否则有可能使水质产生毒性作用。水厂各净水单元对水质的生物综合毒性的影响见图7。

图7 水厂各净水单元水质生物综合毒性变化情况

由图7可见，库区原水的急性毒性值处于低位，经过NaOH预处理之后略有升高；经过聚合氯化铝絮凝沉淀之后，急性毒性升高；然后经过石英砂的自然过滤吸附作用，毒性略微降低，由于石英砂的过滤吸附效果没有活性炭那样明显，所以毒性只是略微降低；出水再经过液氯杀菌消毒之后，急性毒性明显升高，充分验证了氯对发光细菌的杀伤作用；最后水从自来水厂到用户终端之后毒性降低，因为余氯经过长距离传输而逐步分解，水质毒性又降低到低毒安全状态。由此可见，聚合氯化铝以及次氯酸等净水物质是对生物有毒害的，要控制用量。另一方面，采用液氯或次氯酸杀菌消毒是自来水厂的常规工艺单元，发光细菌对余氯较为敏感，若单纯采用发光细菌法评估出厂水水质显然有失偏颇，但针对终端自来水，将理化检测与毒性检测相结合，建立合理评估标准则具有一定的实际意义。

3 结语

通过饮用水水源地预警系统2 a的运行监测，为有效预警温州饮用水水源地水质安全积累了大量的基础数据。对温州4个饮用水水源地进行监测，其水质生物毒性抑制率均在低毒安全范围之内；在存有农药等非正常情况下，系统能够有效评估有毒物质的危害情况；在自来水厂处理各净水单元的发光细菌毒性测试中，各个流程中添加的药剂除了具有净水功能外，还对发光细菌有不同程度的抑制作用，液氯消毒环节对发光细菌的抑制作用最明显。

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Application of the Photobacteria Toxicity Detection Method in Water Quality Assessment and Early Warning of Drinking Water

HUANG Can-ke1,LIU Ting-ting2,TANG Xiao-wei3

(1.WenzhouEnvironmentalMonitoringCentralStation,Wenzhou,Zhejiang325000,China;2.InstituteofEnvironmentalEngineering,TongjiZhejiangCollege,Jiaxing,Zhejiang314051,China;3.ConsultingandDesignInstituteofZhejiangCommunicationServicesCo.Ltd.,Hangzhou,Zhejiang310000,China)

This study employed the photobacteria (Vibriofischeri),to evaluate the effectiveness of early biological toxicity warning detection in various water source sites and tap water in Wenzhou area,and also explored the feasibility of using the biological toxicity index to early warn and assess the water quality in real cases. The results indicated that under normal conditions,the water quality of drinking water sources fell into a safe interval (±18%) of the luminescent inhibitory rate,and water under abnormal conditions,such as that polluted by pesticides,showed significant increase in the luminescent inhibitory rate. The photobacteria showed sensitivity to the toxicity of organic and inorganic pollutants during each phase of tap water purification process and therefore it could be used to indicate the safeness of water on line in real time.

Photobacteria; Acute toxicity; Water source site; Tap water; Early warning; Assessment

2015-02-10；

2015-04-21

黄灿克(1979—)，男，工程师，硕士，从事环境自动监测工作。

X832

B

1674-6732(2015)03-0004-04