我国再生水水质生物毒性监测研究进展

马啸飞　李洪枚

(首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京　100070)



我国再生水水质生物毒性监测研究进展

马啸飞李洪枚

(首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京100070)

【摘要】生物毒性是再生水生态风险评估的一个重要指标。通过再生水对斑马鱼胚胎、大水蚤、发光细菌、细胞及其遗传物质等毒性试验表明：我国城市污水处理厂二沉池出水经过混凝沉淀、过滤、吸附、膜分离等深度处理后，生物毒性明显减小，但再生水经过次氯酸钠和臭氧等消毒剂处理产生毒性副产物，使再生水生物毒性显著增强，加大了再生水利用的生态风险。进一步研究各种再生水消毒技术的潜在生态风险，再生水中多种污染物与再生水生物毒性的剂量-反应关系，为科学评估再生水利用生态风险提供依据。

【关键词】再生水；水质；生物毒性；监测

1引言

由于水资源过度开发，许多城市水生生态环境恶化，影响城市可持续发展和居民生活质量[1，2]。城市再生水综合利用(用于农田灌溉和河湖补给等)是解决城市水资源短缺重要途径之一。再生水通常指污水处理厂二沉池出水经过絮凝、过滤和消毒等工艺处理后的水，水质达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T18920-2002)等水质标准。我国城市再生水利用率正逐年提高，仅北京市2014年再生水利用量就达到8.6亿立方米。但因再生水来源于城市污水，未被完全去除的污染物成分复杂、不完全可知且可能存在相互作用，在利用过程中可能会带来一定的生态风险，因此评价再生水回用的生态风险成为当务之急。

传统理化方法能定量分析出再生水中各种污染物浓度，从超标率的角度评价再生水的利用风险[3]，但不能评价再生水中多种污染物的潜在生态风险[4]。再生水生物毒性测试可以弥补理化分析测试方法的不足。通过暴露于再生水中敏感生物的生理形态等变化或测试再生水中有害物质对细胞毒性，可以间接反映再生水中多种毒物的综合毒性，评估其再利用的生态风险及污水处理技术的有效性，进一步完善国家有关水质标准和废水排放标准[5]。

美国等西方发达国家已建立了比较完善的水体生物毒性测试标准和体系，并用于实际水体生物毒性的监测[6]。我国于上个世纪90年代初开始借鉴国外标准或方法，开展污水生物毒性的测试与评估工作，完善了我国水质标准和水环境质量评估方法。近年来，随着我国城市再生水资源利用不断推进，其潜在的环境生态风险备受关注。为此，本文就目前我国城市再生水生物毒性研究现状进行了综述。

2再生水水质生物毒性监测研究

2.1再生水对鱼胚胎毒性

鱼类处于水生生物食物链的顶端，对污染物比较敏感，观察水体中敏感鱼类的生理变化或靶器官的功能及形态变化，可间接反映水体生物毒性。一般将敏感鱼类暴露于不同浓度废水中，暴露时间为24～96h，测量50%的受试鱼死亡所对应污染物浓度或稀释倍数，得到半数致死浓度(LC50)，以LC50的大小判断废水生物毒性强弱[7，8]。

余芬芳等[9]用斑马鱼为测试生物，测试了海南某污水处理厂二沉池出水分别经过氯胺、二氧化氯、次氯酸钠、臭氧和紫外几种消毒处理后产生的再生水对斑马鱼胚胎的毒性。结果表明：经过几种药剂消毒的再生水都可使斑马鱼胚胎出现卵黄囊异常、心跳减缓、色素沉积减少、孵出延缓和卷尾等毒理反应，而暴露于未消毒的二沉池出水中的胚胎没有出现类似毒理反应。不同消毒方式的再生水暴露引起斑马鱼胚胎最终死亡率增加的趋势是：二氧化氯< 紫外< 紫外+次氯酸钠= 二沉池出水(不消毒) < 氯胺= 紫外+ 氯胺< 臭氧< 次氯酸钠。二氧化氯消毒的再生水致畸性最弱，臭氧消毒的再生水具有潜在的生态危害性[10]。可见，次氯酸钠和臭氧等氧化剂消毒二沉池出水，会产生消毒副产物，导致再生水对敏感鱼及其胚胎具有一定的毒性。

闫志明等[11]用青鳉鱼胚胎暴露试验研究了北京和天津的7个城市污水厂再生水生物毒性。7个污水处理厂的二沉池出水(即，再生水处理系统的进水)对青鳉鱼的早期发育都有不利影响，其中3个再生水处理系统的进水毒性大，青鳉鱼胚胎的总致死率均达到100%。 “混凝沉淀+连续微滤膜(CMF)+氯消毒”再生水处理工艺能够显著降低再生水生物毒性(再生水中青鳉鱼胚胎的死亡率与进水存在显著差异(p≤0.05)；单独用臭氧氧化处理产生的再生水，会导致青鳉鱼的总致死率上升，但“臭氧+ 生物滤池”再生水处理工艺也可以显著降低再生水进水对青鳉鱼胚胎的不利影响(p≤0.05)。刘翔宇[12]针对某市A、B两个再生水厂出水中含有未被降解的多环芳烃萘、芴、菲的现状，测试了再生水中芴对斑马鱼及其胚胎的毒性。结果表明，芴属于高毒物质，其对成体斑马鱼96h的LC50为3.66mg/L，安全浓度为1.11mg/L；芴会在斑马鱼体内富集；斑马鱼胚胎相较于成体斑马鱼具有更高的耐受性，其对胚胎与成体48hLC50分别为6.01mg/L，4.073mg/L。

可见，次氯酸钠和臭氧等氧化剂消毒二沉池出水，会产生消毒副产物，导致再生水对敏感鱼及其胚胎具有一定的毒性。

2.2再生水对水蚤毒性

大型蚤(Daphniamagna)是生活在自然水环境中的浮游甲壳类动物，生长繁殖快，容易培养，对水体污染物敏感，已成为国际上水污染毒性指示生物[13，14]。近年来，国内有关研究人员利用大型蚤对城市再生水进行急性毒性进行评价。

刘家飞[15]利用大型蚤对我国北方某工业重镇的5个城市污水处理厂再生水的原水(二级出水)和2个再生水处理工艺的各单元出水的急性毒性进行了分析测试。结果表明，再生水的原水对大型蚤具有不同程度的毒性效应，其中工业废水占较大比例的K和B厂原水的大型蚤48h总抑制率分别高达90%和100%。J厂的混凝沉淀(混凝剂为聚合氯化铝)+CMF(连续微滤膜过滤)+氯消毒和K厂的MBR(膜生物反应器)+臭氧氧化+BAC(生物活性炭)再生水工艺对原水急性毒性有不同程度的消减，但加氯消毒和臭氧氧化处理后的再生水对大型蚤的急性毒性显著增强。楚丽梅[16]研究了河南郑州市A厂、江苏南京市B厂和江苏盐城市C厂三家有代表性的城市污水处理厂的二级出水及再生水的生物毒性。A、B、C三厂的生化处理主体工艺分别为改良A20工艺、一体化活性污泥工艺和CASS工艺。在分析城市污水二级出水基本特征与组成的基础上，针对“磁性树脂-混凝”(“NDMP-PAC”)与“超滤-臭氧”(“UF-03”)两种深度处理工艺，采用大型水蚤急性毒性测试对A、B、C厂二级出水及其消毒出水的生物毒海性进行测试。结果表明：二级出水的生物毒性与有机物浓度高低关系一致，A厂最高，B厂最低，C厂居中；经氯消毒后，随着卤甲烷(THMs)、卤乙酸(HAAs)等消毒副产物(DBPs)的生成，急、慢性生物毒性均有所上升。二级出水分别经过“NDMP-PAC”与“UF-O3”两种工艺处理后，有机物浓度、DBPs生成势以及氯消毒出水的生物毒性均得到有效的降低，大型蚤的死亡率从40%左右降低到15%左右，但相比之下，“NDMP-PAC”对毒性的去除效果优于“UF-O3”工艺。

经过氯消毒或臭氧氧化工艺单元处理的再生水对大型蚤的急性毒性显著增强，显然，两种消毒方式增大了再生水毒性。

2.3再生水对藻类毒性

一些水体污染物会抑制藻类的光合作用、呼吸作用和生长，因此，可以选择对水体污染比较敏感的藻类测试再生水的生物毒性。如丁国际等[17]用斜生栅藻和天然混合藻类测试了北京某污水处理厂再生水的生物毒性。试验结果表明：再生水作为生态补给水所占比例不宜超过12%；再生水对针杆藻属和微囊藻属生长的促进作用大于抑制作用，对栅藻属和小球藻属生长的抑制作用大于促进作用。

2.4再生水对发光细菌毒性

发光细菌是一种对水体污染物敏感的微生物，细菌正常代谢时，发光强度稳定，且可持续较长时间；当外界环境影响到发光细菌代谢时，发光会立即受到抑制；细菌发光强弱程度与毒性物质之间存在的负相关性，因此，可以根据发光抑制率的大小，测定水体的综合毒性[18]。

刘家飞[15]的研究结果表明各再生水的原水对发光菌具有不同程度的毒性效应，其中工业废水占较大比例的K和B厂再生水原水的发光菌发光抑制率分别达到74.2%和46.5%。J、K2个再生水处理系统各主要工艺单元对进水急性毒性有不同程度的消减，但加氯消毒和臭氧氧化处理后发光菌的急性毒性显著增强。王丽莎等[19]采用发光细菌毒性测试方法测定了A、B两城市污水再生处理工艺中水体生物毒性的变化，结果显示，示范工程A对发光菌的抑制率为：进水63%，二沉池出水降低至0%，氯消毒后增强至93%。示范工程B对发光菌的抑制率为：进水14%，SBR出水0%，氯消毒后增强至23%，说明二级生物处理能显著降低污水的毒性效应，但氯消毒处理反而导致出水毒性升高，表明消毒处理副产物的生成增加了出水的潜在风险。刘晓静[20]采用青海弧菌Vibrioqinghaiensissp.-Q67 对青岛某城市污水处理厂的二级出水(A2O工艺)和深度处理出水(混凝—沉淀—过滤—消毒工艺)以及FeCl3混凝试验的出水(混凝试验原水为该污水处理厂的二级出水)，分别进行了发光细菌毒性试验。实验显示：二级出水经深度处理后的再生水对发光细菌毒性明显减小，但NaClO消毒过程中产生有生物毒害作用的三卤甲烷等消毒副产物，对发光细菌产生抑制作用。适量FeCl3能有效降低水样的细菌毒性，但水样中过多残留FeCl3对发光细菌有抑制作用。

二沉池出水对发光细菌的急性毒性明显[15，19，20]，而对斑马鱼、青鳉鱼及其胚胎和大水蚤的急性毒性比较小或无毒性[9，11]；二沉池出水经过深度处理产生的再生水的生物毒性明显减小，但使用次氯酸钠和臭氧等消毒剂消毒后，再生水的生物毒性明显增强[9-20]。

2.5再生水对细胞毒性

与动物实验或微生物实验相比，细胞毒性试验操作简单，实验时间短，且成本低，可重复。原理是在离体状态下检测细胞新陈代谢的功能，以此评价再生水的生物毒性。细胞毒性试验不仅能定量分析实验结果，而且可快速筛选批量样品，该方法应用比较广泛。

王志谨[21]采集郑州市某污水处理厂二级出水、三级出水(经过混凝沉淀和过滤消毒)和混合型废水深度净化技术(包括水解酸化池、缺氧厌氧池、强化氧化沟和沉淀池，简称MSOD工艺)处理水各约200L。 以中国仓鼠卵巢(CHO)细胞为实验对象，用四甲基偶氮唑蓝(methylthiazolyltetrazolium，简称MTT)比色法评价细胞毒性。MTT比色法结果显示，二级出水、三级出水和MSOD工艺出水的CHO细胞活性低于对照组(P<0.05)，组间比较结果显示，MSOD工艺出水中有机提取物的细胞毒性最大。

陈盈盈[22]采用人乳腺癌细胞株MCF-7的中性红实验和大白鼠肝癌细胞株H4ⅡE的AhR受体效应(EROD)对北京某城市污水处理厂再生水进行了细胞急性毒性测试。结果表明：原水和二沉池出水具有一定的细胞毒性，几种深度处理方法都能有效降低再生水的细胞毒性。AhR受体效应实验结果显示，与原水相比，几种处理方法获得的再生水的AhR受体效应物质的去除效果明显，其中，活性炭对Ah受体特征物质的去除率达到了98%。 可见，经过深度处理，再生水的细胞毒性显著减小。

2.6再生水遗传毒性效应

测试水体遗传毒性主要是依据水体中有害物质对DNA的损失程度。 目前测试再生水遗传毒性方法有：Ames实验、SOS/Umu遗传毒性实验、蚕豆根尖微核实验和基于芳香经受体(AhR)效应的检测方法等。

刘晓静[20]用蚕豆根尖细胞微核千分率(MCN‰)遗传毒性试验测试了青岛市某污水处理厂的二级出水和深度处理出水以及FeCl3混凝沉淀出水的遗传毒性。结果显示：深度处理出水的遗传毒性比二级出水的遗传毒性作用显著。污水处理厂二级出水经FeCl3絮凝沉淀后遗传毒性作用显著，随着FeCl3投加量的增加，再生水遗传毒性明显增强。王志谨[21]采用单细胞凝胶电泳试验、胞质阻滞微核(CBMN)试验和HPRT基因位点突变试验测试了郑州市某污水处理厂二级出水、三级出水和MSOD工艺深度处理出水的生物遗传毒性。单细胞凝胶电泳试验结果显示，随染毒剂量升高，拖尾细胞率升高，DNA损伤程度提高，组间比较结果显示，三级消毒出水的细胞拖尾率高于MSOD工艺出水和二级出水(P<0.05)；CBMN试验结果表明，随染毒剂量加大，微核率升高，核分裂指数降低，其中三级出水和MSOD工艺出水的微核率高于二级出水；HPRT基因位点突变试验结果表明染毒浓度越高，突变率越大，MSOD工艺出水的突变率高于二级出水和三级出水。显然，郑州市某污水处理厂二沉池出水经过消毒生产的再生水具有较高的遗传毒性，再生水中存在导致染色体损伤的遗传毒性物质。

苗婷婷[23]用SOS/Umu遗传毒性实验测试了某城市污水处理厂二级处理水(即混凝+砂滤出水)经氯、臭氧及二者组合工艺消毒产生的再生水生物毒性。刘晓静[20]和王志谨[21]的研究具有一个相近的结论，即经过消毒处理的再生水遗传毒性高于二沉池出水(臭氧消毒除外)，而苗婷婷[23]的研究结论则认为二沉池混凝过滤消毒处理后，遗传毒性减弱，是否是水质或遗传毒性测试方法不同的原因，还有待进一步探讨。

2.7再生水对细胞氧化应激系统毒性

王志谨[21]采用检测超氧化物歧化酶(SOD)活性改变、细胞内酶乳酸脱氢酶(LDH)的逸出和谷胱甘肽(GSH)含量的方法，评价有机提取物对CHO细胞氧化应激系统的影响。实验结果表明：随染毒浓度升高，GSH含量与LDH活性升高，超过一定浓度后，酶活性高于对照组，表明污染物浓度升高引起细胞抗氧化反应；SOD活性随染毒浓度升高活性降低，三级出水和MSOD工艺出水的GSH、SOD活性升高较二级出水明显，LDH活性低于二级出水，表明三级出水和MSOD工艺出水细胞抗氧化反应强于二级出水，毒性较高。 刘翔宇[12]的研究结果显示：再生水中的芴会严重影响斑马鱼抗氧化酶系统，主要表现为斑马鱼的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(Catalase，CAT)活性随暴露时间的延长，均呈现先激活升高后抑制降低的趋势。

上述两研究结果至少能够说明经过消毒的再生水中含有引起细胞抗氧化应急反应，表明再生水具有一定毒性。

2.8再生水的内分泌干扰效应

污染水体中含有多种环境激素，即内分泌干扰物，这些外源性化学物质进入生物体内，通过影响生物体内的激素合成、运转、作用、释.放、结合和清除等过程，对生物体内分泌系统产生干扰，从而导致生物机体异常。有研究报道，污染处理厂排放水体中的环境激素可到雄性鱼雌性化[24]。目前，我国部分研究人员主要采用双杂交酵母法检测再生水中内分泌干扰物的生物活性[22，25 ]。

陈盈盈[22]用重组基因酵母增殖实验测试了北京某污水处理厂再生水的内分泌干扰效应，结果显示超滤对类雌激素物质去除效果最好，反渗透、微滤和活性炭过滤对再生水的内分泌干扰效应去除不明显。李博[25]通过重组基因酵母生物测试、小鼠子宫增重及形态学实验评价再生水中有机提取物的雌激素样作用，结果显示郑州市混合型城市污水处理后的再生水中含微量有机污染物，雌激素活性微弱。

显然，再生水中微量污染物的雌激素活性很小，但如果长期在利用，导致这些微量污染物累积，其引起的内分泌干扰效应不容忽视。

3结论

(1)不同再生水生物毒性测试研究获得比较一致的结论(除苗婷婷[23]的研究结论不同外)，即，二沉池出水经过混凝、沉淀、过滤、吸附、膜分离等深度处理后，生物毒性明显减小，但再生水经过次氯酸钠和臭氧等消毒剂消毒后，其生物毒性显著增强，增加了再生水综合利用的生态风险。因此，如何降低消毒单元所产生的生物毒性，保障后续再生水利用的安全有待进一步研究。

(2)上述部分再生水生物毒性测试研究是先对再生水的理化水质指标进行了测定，然后再进行生物毒性测试，但对再生水的理化水质指标与其生物毒性测试结果相关性的研究比较少。因此，有必要进一步深入研究再生水中有害物质的毒理及剂量-反应关系，尤其是多种有害物质的剂量-反应关系，将有助于科学评估再生水综合利用的生态风险。

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作者简介：马啸飞，在读硕士，主要从事水环境风险评估

通讯作者：李洪枚，博士，教授，主要从事水污染控制技术与环境暴露健康风险评估

中图分类号：X51

文献标识码：A

文章编号：1673-288X(2016)04-0067-04

Research Development on the Biological Toxicity of Reclaimed Water in China

MA XiaofeiLI Hongmei

(School of Safety and Environmental Engineering，Capital University of Economics and Business，Beijing 100070，China)

Abstract：Biological toxicity is one important index in ecological risk assessment for the reclaimed water use. Toxicity test results of reclaimed water by using zebrafish embryo，daphnia，luminescent bacteria，cell and its genetic materials as test subjects indicated that the toxicity of second effluent from municipal wastewater treatment plants was decreased after treated with coagulation sedimentation，filtration，adsorption，membrane separation and so on. But the toxicity of reclaimed water was obviously increased due to the by-products produced by sodium hypochlorite or ozone disinfection，which making the ecological risk of use of reclaimed water higher. So，it is necessary to further investigate the ecological risk of reclaimed water disinfection technology. Deliberation of relationship between the mixture of pollutants in reclaimed water and the biological toxicity of reclaimed water will provide the scientific supports for the ecological risk assessment of reclaimed water reuse.

Keywords：reclaimed water；biological toxicity；research development

项目资助：2015年北京市大学生科研训练计划深化项目

引用文献格式：马啸飞等.我国再生水水质生物毒性监测研究进展[J].环境与可持续发展，2016，41(4)：67-70.