致突变性有机物在常规水处理工艺中的去除

赵友恒

(山东省环科院环境工程有限公司，山东 济南250101)

1 引言

在我国饮用水处理依然沿用历史悠久的絮凝、沉淀、砂滤、加氯消毒处理工艺。这一工艺处理能去除水中大部分污染物达到净化目的[1]。但当前饮用水水源的污染日益变化，进入水中污染物的种类随着工业的发展日益变化着，现给水处理工艺虽然仍能使水中污染物的浓度降到法定要求，但是在处理工程中产生的有毒有害物质的多样化却是饮用水对长期饮用者具有了慢性毒性，甚至是“三致”毒性。

当前，国内外已有研究针对不同的水处理工艺和不同消毒剂对水中致突变性有机物的去除规律进行了探索[2，3]，这些研究采用不同的生物手段从生物毒性去除的角度对处理工艺进行评价，但很少研究针对每一处理单元的去除效率进行系统研究。本文以国内常见工艺组合为研究对象，采集每一段工艺出水，应用彗星试验对每一水样有机提取物的致突变毒性进行研究，并采用GC/MS检测技术进一步确定产生致突变性的具体物质。

2 材料

2.1 试剂

XAD－2大孔树脂、XAD－7大孔树脂、正常熔点琼脂糖、低熔点琼脂糖、肌氨酸钠等均购于Sigma公司；淋巴细胞分离液购于中国医学科学研究院生物工程研究所，环磷酰胺购于江苏恒瑞医药有限公司。甲醇、丙酮、乙腈、二甲基亚砜(色谱纯)均购于天津化学试剂有限公司。

2.2 仪器

BX41－荧光显微镜和Mettler－ToledoZ－383－离心机均购于日本奥林巴斯，DYY－6C电泳仪和0931DN－水平式凝胶电泳槽购于北京市六一仪器厂，DC－12氮吹仪购于上海安谱科学仪器有限公司，Aglient 7890A/7000B QQQ串联质谱仪购于Aglient公司。

2.3 水样采集与前处理

根据Q水厂的工艺流程，设定4个水样：进厂水、加混凝剂经沉淀之后的沉后水、经过砂滤池处理之后的滤后水以及液氯消毒之后的出长水。2017年8月份采集水样。每个水样至少采集110 L，在采样过程中应避免水样受到有机物污染。

将100 L水样经装有预处理过的大孔树脂XAD－2和XAD－7[5]的层析柱安装在富集装置上进行有机物富集，流速控制在40 m L/min。水样过柱完毕后，取下层析柱用乙酸乙酯洗脱液分3次浸泡洗脱(时间分别为60 min、30 min、15 min)，收集洗脱液，加入无水硫酸钠进行脱水处理。采用氮吹法在40℃水浴环境下对洗脱液进行浓缩，当浓缩至10 m L其浓度为10 L/m L，即1 m L乙酸乙酯中的物质相当于10 L水中的有机物，取1 m L进行气质监测。

3 实验方法

3.1 化学分析

3.1.1 常规理化检测

在开展生物实验之前，分别依据《地表水环境质量标准》(GB3838－2002)和《饮用水环境质量标准》(GB5749－2006)对进水和出水进行常规理化监测。对浊度高的原水样，静置后取上清液进行试验。

3.1.2 GC/MS成分分析

色谱实验条件：色谱柱HP－5MS；升温程序起始温度为40℃，保持2 min，再以10℃/min升温至300℃，恒温15 min；进样为自动，不分流进样；恒压模式；进样体积：1μL；载气：氦气，纯度99.999%；流量为1 m L/min；

质谱实验条件：电离方式EI，电离电压为70 eV；扫描范围40～400 amu，扫描方式为全扫描；传输线温度280℃；离子源温度230℃；四极杆温度150℃。

定性和定量分析：通过NIST08谱库检索，将水样总离子图与工作站里贮存的谱库中的谱图相比较，选出匹配分数最高的对应谱图来确定该化合物。

3.2 毒性试验

3.2.1 染毒动物及其染毒方式

前期通过预实验得出，性别对于本实验的影响并不显著，因此本实验只选用SPF级昆明种雌性小白鼠为实验动物，SPF级昆明种雌性小白鼠，年龄为5周，体重分别为18～22 g左右，小白鼠由山东大学提供。

染毒剂量为0.01 m L/(g·d)，并以环磷酰胺为阳性对照组，二甲基亚砜为阴性对照组。每一组喂养老鼠3只，每天经口给予各组小鼠饮用水有机提取物，连续染毒5 d后，断颈处死小鼠，取脾脏进行试验。

3.2.2 淋巴细胞的提取

将用专用眼科剪脾脏样做剪碎处理，放入PBS缓冲液中进行悬浮后混匀，过200目筛得到均匀的细胞悬浮液。取1.5 m L的淋巴细胞分离液(放至室温温度)放入5 m L的离心管中，再吸取1.5 m L的细胞悬浮液，慢慢将细胞悬浮液放入离心管内，由于细胞分离液的比重大于PBS的比重，离心管中有明显的分层现象。室温下，在1500 r/min的条件下离心(水平转子)15 min。离心后分为四层依次从上到下：PBS液、淋巴细胞层、淋巴细胞分离液、碎片层(红细胞与一些死细胞)。

3.2.3 彗星试验

采用目前最常用的“三明治”三层凝胶结构[6]制成凝胶片，依次进行裂解、解旋、电泳、中和以及脱水对胶片进行处理。每片用20μg/m L的溴化乙锭染色，4℃避光放置20 min。用荧光显微镜观察，用随机软件在自动曝光条件下拍照获取彗星图像后，用CASP软件分析测量DNA迁移的各种参数[7]，每一样本拍取30～40个细胞。

4 结果与讨论

4.1 化学分析结果

4.1.1 常规理化监测

根据国内《地表水环境质量标准》(GB3838－2002)和《饮用水环境质量标准》(GB5749－2006)，本实验中除了进水的总氮和总磷分别为2.05 mg/L和0.022 mg/L显示该水处于中营养状态，其它水质常规理化指标均未有明显的超标。

4.1.2 有机提取物成分

表1显示了水样有机浓缩物的成分，共定性出有机物13种，进水中检测出44种有机物。其中单环放芳烃类和多环芳烃类化学物这两类有机物占首位。且在每一水样中均检测出有机农药成分，如：1，4－二氯苯。生产中，1，4－二氯苯常用作杀虫剂、防腐剂、分析试剂，在一些对人类重要食物链中，特别是在水生生物中可发生生物蓄积。另外，在出水水样有机提取物中检测出消毒副产物CHClBr2和CHBr3，其浓度分别为0.0247和0.00419 mg/L。其余的消毒副产物均未检测出。

表1 水样浓缩物中的有机成分分析

4.2 水样有机提取物的遗传毒性

图1显示了所有水样的有机提取物导致的DNA损伤，显示出彗星指标值(尾部DNA含量和Olive尾矩)随着小鼠染药浓度的增大，均呈现明显的增长趋势，这表明DNA损伤程度与浓度之间存在明显的剂量－效应关系。且每一个浓度的相应值与阴性对照相比均具有显著性差异。另外，同一个浓度的4个水样的指标值大小变化趋势均为：进水＞沉后水＞出水＞滤后水。这与马梅[1]和张淑琪等[8]采用Ames实验得出的加氯消毒增加出水的致突变性的结论是一致的。

图1 有机提取物对淋巴细胞造成的DNA损伤程度

从图1可以看出，从进水到沉后水再到滤后水DNA损伤程度呈现降低趋势，但滤后水经液氯消毒后，出水的DNA损伤程度又再度上升。表1中虽然滤后水的有机物数量最多，但是滤后水DNA损伤程度却是最低的。出水与滤后水相比较虽然有机物数量相差甚微，但出水的“三致”有机物种类却比滤后水的多出两种卤代烃即消毒副产物，这与出水DNA损伤程度再次增高有很大关系。因此，在同样条件下对消毒副产物的遗传毒性进行了研究。

4.3 DBPs

4.3.1 DBPs药物浓度

根据有机提取液的GC/MS成分分析结果选定CHClBr2和CHBr3为代表物质进行消毒副产物毒性研究。将丰水期有机提取物中的CHClBr2和CHBr3的浓度设为高浓度组，同样设定中浓度、低浓度组和阴性对照组。以国家标准物质为溶质，二甲基亚砜为溶剂按表2中浓度配制CHClBr2和CHBr3的混标溶液。

表2 CHClBr2和CHBr3的浓度设定

4.3.2 DBPs的遗传毒性

图2显示了DBPs混标溶液所导致的DNA损伤，图中显示出彗星指标值(尾部DNA含量和Olive尾矩)随着小鼠染药浓度的增大，均呈现明显的增长趋势，这表明DNA损伤程度与混标溶液浓度之间存在明显的剂量－效应关系。且各浓度组与阴性对照组相比具有差异显著性。由此结果证明，出水中DBPs本身存在的致突变性是导致出水遗传毒性增大的原因。

图2 DBPs导致的DNA损伤程度

5 结论

水中致突变有机物的去除主要取决于饮用水处理流程的所有处理单元，本实验结果显示，4个水样的遗传毒性变化趋势如：进水＞ 沉后水＞出水＞ 滤后水。这表明进水经絮凝、沉淀、过滤之后，水中的遗传毒性是逐渐降低的。但滤后水经液氯消毒后，其遗传毒性再次增加，而经试验证明是消毒副产物的产生增加了出水的遗传毒性。

因此，首先，国内普遍采用的给水处理工艺已不再适用处理如今的饮用水水源。尤其是当前水质污染越来越多样化，越来越复杂化。其次，仅用常规理化指标来指示水质的风险性是不可信的。实验显示，常规理化指标未超标的水质对饮用者仍有潜在的毒性。因此，去除有机物本身和去除与其有关的潜在毒性同样重要。对水质风险的评价甚至对处理工艺的评价不能单方面采用理化手段，生物手段也应该成为监测主力。再次，消除消毒副产物的产生应该成为研究重点。一方面要寻找更廉价有效的消毒剂，阻止副产物的产生。另一方面，寻找更有效的消毒前处理阻止消毒前质体的存在或产生也是阻止消毒副产物产生的有效方法。