采用快速毒性测定仪测定水源水和自来水的综合毒性

嵇志远，孟 炯，黄允河

(杭州市水务控股集团有限公司，浙江杭州 310014)

近年来，随着经济的发展，化学物质使用的日益增多，使供水企业的水源受到污染的可能性大增。而且突发性环境污染事故时有发生[1-2]。供水企业要快速地应对各种突发性环境污染事故，尽量地减少突发污染对城市供水体系的影响[3]。

传统的实验室水质分析，从采样到报告结果大多耗时数小时到几天不等。而在这段时间里，突发性的水源污染，可能已经影响到供水企业的制水系统甚至输水管网。若不能快速提供有效的水质毒性检测结果，势必会影响到决策者采取下一步措施的决断。同时，水体的污染常常是各组分污染物质的拮抗、叠加、协同的综合结果[4]。也就是说，对单项水质理化指标进行评价是否符合国标限值要求并不能完全保证饮用水的安全。而需要对水质的综合毒性进一步测试和说明。

该研究的主要内容是采用便携式快速毒性测定仪，对某市城区各个水厂的原水、出厂水以及一定数量的管网水的进行水质毒性测试调查，对测试得到的数据进行分析统计，得出目前该地区原水、出厂水和管网水的毒性水平是否处于正常水平。同时，对一些毒性较强的化学物质进行毒性加标测试，以验证在国标限值附近，采用该毒性仪是否有足够敏锐的响应。

1 方法与步骤

1.1 设备与试剂

HACH Eclox毒性测定仪(含化学发光毒性检测和发光细菌毒性检测两个模块)，化学发光毒性检测试剂盒(含试剂1、试剂2和试剂3)，发光细菌冻菌粉(费式弧菌，Vibrio fischeri，北京金达清创)，细菌快速复苏液(北京金达清创)，细菌稀释液(HACH)，2%的NaCl溶液(HACH)，NaCl固体粉末(HACH)，10 mL带塑料盖玻璃试管，2 mL有机玻璃试管。

1.2 实验步骤

1.2.1 化学发光毒性检测原理及步骤

化学发光法的原理是基于在辣根过氧化物酶的催化下，发光试剂与氧化物发生化学反应，在反应过程中会发生闪光(化学发光)。当样品中存在有毒物质时，便会影响该反应的进行，进而影响发光强度。化学发光法即通过发光强度的变化确定样品毒性强度，以发光强度的抑制率(%)表示[5]。

HACH Eclox化学发光法操作步骤简述如下：

(1)开机并进入化学发光法程序；

(2)移取1 mL水样至比色试管中，再加入CT试剂1、2、3各100 μL，混合样品；

(3)将试管放入毒性仪中进行照度测试。运行4 min后显示抑制率测试结果。如果是含氯水样，可事先滴加Preconditioner试剂进行消氯预处理。

1.2.2 发光细菌毒性检测原理及步骤

细菌发光反应是由分子氧作用，细胞内荧光酶催化，将还原态的黄素单核苷酸(FMNH2)、长链脂肪醛氧化为FMN及长链脂肪酸，同时释放出发光强度在490 nm左右的蓝绿光[6]。其反应机理如式(1)。

FMNH2+O2+ R-CHO → FMN + R-COOH + H2O + Light

(1)

《水样对弧菌类光发射抑制影响的测定(发光细菌试验)》(ISO 11348—3—2017)的检测原理是：在15 ℃温度下，以无毒参比溶液做对比，样品或其稀释溶液与Vibrio Fischeri(费氏弧菌)接触5 min/15 min/30 min后，根据相应的数学引子计算出实际样品对发光细菌的抑制率(%)[7]。水质的毒性水平以LID(当抑制率降低到20%时样品的稀释倍数)、EC20或EC50(造成20%或50%抑制率时样品的浓度)表示。LID越高，EC越低，表明样品的毒性越强。而我国的国家标准采用的菌种是明亮发光杆菌T3小种，水质的毒性水平是以相当的氯化汞浓度或选用EC50来表征[8]。

Eclox毒性分析仪自带筛检测量法，该方法对ISO 11348标准的流程进行了优化，使用的试剂与ISO 11348指定的试剂完全相同，适合在现场环境下使用。

HACH Eclox发光细菌法操作步骤简述如下：

(1)水样测试前，先将发光细菌试剂参照说明进行复苏处理；

(2)对水样进行调整pH和消氯等预处理；

(3)按照细菌稀释液、NaCl溶液、水样的顺序，精确移取到4个试管中，混合样品并接触15 min，如表1所示；

表1 发光细菌法测试步骤表Tab.1 Test Steps of Luminescent Bacteria

(4)开机并进入发光细菌法程序。按照顺序，依次将1～4号管放入毒性仪中进行照度测量，显示并记录3个稀释度水样的抑制率读数；

(5)根据Eclox筛检测量法，按照表1的配比进行稀释的三个水样的检测结果，可对照表2进行判定是否在安全限值内。

表2 发光细菌法结果限值表Tab.2 Value Limit by the Method of Luminescent Bacteria

2 试验结果

2.1 实际水样测试结果

使用Eclox毒性测定仪对某水司的水源水、出厂水、管网水的全分析样品进行了毒性测试。

2.1.1 使用化学发光法毒性测试结果

采集了一定数量的水源水、出厂水和管网水样品，进行化学发光毒性检测，结果如图1～图3所示。

图1 化学发光法检测水源水结果Fig.1 Detection Results of Source Water by the Method of Chemiluminescence

由图1可知，7月和8月水源水的水质毒性要总体低于6月和10月。除极个别样品，原水的抑制率普遍没有超过20%。

图2 化学发光法检测出厂水结果Fig.2 Detection Results of Treated Water by the Method of Chemiluminescence

由图2可知，各个水厂全分析水样毒性结果具有逐月一致性，除了7月有一个常规处理水厂出厂水毒性抑制率超过了10%，其他各个样品结果均小于10%，特别是两个深度处理水厂的结果在图中呈现明显的低点，普遍都只有1%～3%的极低抑制率。

图3 化学发光法检测水源水、出厂水和管网水检测结果比较Fig.3 Results Comparison of Source Water, Treated Water and Tapwater by the Method of Chemiluminescence

由图3可知，在大多数情况下，管网水的毒性介于水源水和出厂水之间。

2.1.2 发光细菌毒性检测结果

采集10个相对应的水源水、出厂水和管网水进行毒性检测比较，结果如图4所示。

图4 发光细菌法检测原水和出厂水结果比较Fig.4 Results Comparison of Source Water, Treated Water and Tapwater by the Method of Luminescent Bacteria

由图4可知，在绝大多数情况下，出厂水的毒性抑制率要普遍高于原水的毒性抑制率，而管网水的的生物毒性则介于出厂水和水源水之间。

2.2 毒性仪性能测试结果

分别使用化学发光法和发光细菌法对14种毒性物质进行地表水和出厂水的加标测试(以标样的毒性达到EC50的浓度的临界值为依据，在同一个数量级内，测试浓度均以2的倍数递增)，求得每种毒性物质的EC50。所有加标物均使用相关指标的国家标准物质，绝大多数加标物质都是目前公认的剧毒或者具有致癌致畸作用的，或对人体具有累积性生理作用的代表性化学物质。其中金属混标中含有相同质量浓度的铬(六价)、锌、铅、铜、铁、锰等标准物质。加标测试结果如表3所示。

由表3可知，地表水和出厂水的加标结果没有太大差异。而使用化学发光法和发光细菌法两种方法检测部分指标的EC50显示了较大的差异，特别是六价铬、锌、铅、铜、锰和甲醛等。

表3 毒性物质加标测试结果Tab.3 Results of Standard Addition Test for Pure Toxicant

汞、砷、氰化物为目前公认的剧毒类元素，能导致急性致死性毒性反应。事实上，采用化学发光法和发光细菌法两种毒性检测手段都验证了上述观点，只需要极低的浓度就会使毒性抑制率超过50%。汞、砷、氰化物的EC50无论是化学发光法还是细菌发光法都低于或者接近了国标的限值标准[9]，特别是使用发光细菌法检测汞的EC50甚至达到了0.1 μg/L，低于国标一个数量级，方法的灵敏度非常高。

另外，对金属类物质的加标检测可知，只有使用了化学发光法检测铜和锰的EC50小于了国标限值，其他金属类指标的EC50都明显高于国标限值，检测灵敏度不佳。使用金属混标的EC50和检测灵敏度最高的锰或者铅指标在一个数量级，说明几个金属的毒性加成作用并不明显。

对于农药类和消毒副产物指标，两种毒性检测手段均不是十分灵敏，均高于国标限值几个数量级。

发光细菌法的检测原理依靠费氏弧菌的活性来体现水体的综合毒性。对于费氏弧菌这种非常敏感脆弱的菌种来说，水中的含氯消毒剂对其具有非常大的影响。有研究表明，在水处理过程中使用含氯消毒剂，水体的毒性会随着余氯的增加而增强[13]，为了验证水中余氯含量对发光细菌的影响，模拟水厂氯胺消毒(氯∶氨=1.7∶0.5)和单氯消毒的加药量和接触时间，配制成多个不同浓度的投加剂量，对地表水进行消毒试验后，再使用发光细菌法进行毒性测试(以20%的样品浓度为例)，结果如图7所示。

图5 对地表水使用氯胺消毒或单氯消毒后的发光细菌毒性测试结果Fig.5 Results of Disinfection Test by Chloramine or Chlorine by the Method of Luminescent Bacteria in Surface Water

图7的结果显示，使用单氯消毒的抑制率要整体高于使用氯胺消毒的抑制率，但两者趋势基本相同。消毒剂加入量在0.2 mg/L以下时，抑制率增加较小；而加入量提高到0.3～0.6 mg/L时，水样的抑制率会发生大的突跃；加入量提高到0.8 mg/L以上时，抑制率几乎都接近或者达到了100%。说明含氯消毒剂对发光细菌具有很强的毒性。

3 讨论

3.1 该地区水源水、出厂水和管网水的综合毒性水平

从以上毒性检测结果来看，化学毒性抑制率控制在25%以内，生物毒性抑制率控制在50%以内(80%的样品浓度水平)。根据Bolich百分数等级毒性划分标准(表4)[10]，该水司各个水厂的原水、出厂水以及管网水的毒性水平维持在较低的水平。

表4 Bolich百分数等级毒性划分标准Tab.4 Bolich Percent Criterion of Toxicity

3.2 水厂深度处理更有利于去除水体的毒性

从化学发光法的检测结果来看，两个深度处理的水厂的水样毒性要明显低于常规处理水厂的水样。说明深度处理的优势不仅仅体现在其他水质指标[11]，水质的综合毒性也能够大幅度降低。

3.3 两种毒性检测手段的比较

使用化学发光法和发光细菌法两种方法的检测结果具有一定的差异。化学发光法对水源水毒性的敏感度要普遍高于自来水，而发光细菌法的检测结果却刚好相反。分析原因：未受到污染的地表水的整体物质环境更适合于生物的生存，而自来水中的余氯残留量反倒不利于微生物的存活。发光细菌法受到余氯残留量的影响更大[12]。

虽然，在试验中，对出厂水采取了添加硫代硫酸钠的脱氯手段，但存在多种氧化性物质的出厂水较水源水，仍然可能会对费氏弧菌产生其他潜在的和未知的毒害作用。同理，由于管网水的余氯含量一般都小于出厂水，故管网水的生物毒性要明显低于出厂水，对自来水的毒性检测，目前使用化学发光法更为合适。

根据两种毒性检测方法的特点，可对其方法性能、成本控制及适用范围进行如下归纳，如表5所示。

表5 化学发光法和发光细菌法比较Tab.5 Comparison of the Methods of Chemiluminescence and Luminescent Bacteria

3.4 对该毒性仪的性能评价

对毒性仪采用标准毒性物质加标的测试结果来看，该毒性仪的性能基本满足应急检测需求。在测试中，无论是化学发光法还是发光细菌法，对几种剧毒类的物质，如：汞、砷、氰化物的响应水平都十分满意。对几种重金属指标，两种毒性检测方法的响应水平有差异，在实际检测中可针对不同污染源选择使用。该毒性仪的缺点是对农药类和消毒副产物的毒性响应水平较低，无论是杀虫剂呋喃丹，还是除草剂草甘膦，以及酚类和甲醛等。但考虑到农药类和消毒副产物一般对人体的影响以累积性毒害作用为主[14-15]，且污染物一般都以痕量存在，并非应急监测的主要对象，故在实际检测中使用色谱类的大型仪器更为有效。

3.5 对毒性物质的研究需进一步深入

水体的综合毒性是多种物质共同作用的结果，本研究所测试的毒性物质种类仍然有限，而且不同种类的毒性物质也可能存在着加成、拮抗等作用[16]。建议可进一步对不同种类毒性物质的进行混合试验，以了解其互相作用情况。

4 结论

(1)对某市城区水源水、出厂水、管网水水质综合毒性的调查研究表明，其各类水质综合毒性处于一个较为安全的水平。

(2)使用HACH Eclox毒性检测仪能满足对各类应急事件的水质毒性检测要求。在实际应用中，可根据化学发光法和发光细菌法的各自特点，因地制宜，选择性或相结合使用，综合判断各种水体的毒性。