污水毒性的生物测试方法

第23卷第11期工业水处理Vol.23 No.112003年11月Industrial W ater TreatmentNov.2003污水毒性的生物测试方法黄满红李咏梅顾国维(同济大学环境工程学院国家污染控制与资源化重点实验室,上海200092 )[摘要]从毒性测试的受试生物出发根据不同生物对水中毒性的不同反应症状把污水毒性的生物测定方法分为利用细菌和利用水生动植物进行测试的两类方法,比较了各种方法的灵敏性、准确性、可靠性以及适用性，重点综述了发光菌、呼吸速率及斑马鱼和大型蚤的急、慢性毒性实验方法的应用并对现存问题给出了分析和建议。[关键词]污水毒性;生物测试. [中图分类号]X703 [文献标识码]A [文章编号] 1005 - 829X( 2003 )11-0014 -05Bioassay methods of wastewater toxicityHuang Manhong Li Yongmei Gu Guowei( State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse School of Environmental Engineering ,Tongji University , Shanghai 200092 , China )Abstract According to the test species ,bioassay methods for wastewater toxicity are divided into two types -methods based on bacteria and hydrophilic biological species. The sensitivity , accuracy ,reliability ,applicability ofthese methods are compared ，and the problems of these methods in determining the toxicity of wastewater areanalysed and some suggestions are put forward.Key words :wastewater loxicity ;bioassay近三四十年来，合成的化学物质品种及用量剧已经成为监测和评价水体环境的重要手段之一。近增,对环境造成的污染也日益严重这已经引起世界年来,研究者们提出了多种生物毒性测试方法来监各国的关注。发达国家早在20世纪80年代初期就测水中毒性物质对水生生物的毒性,这些方法可归制定了针对化学品生物毒性效应的-系列标准和工纳为利用细菌和利用水生动植物来监测废水毒性两作指南,如美国环保署、世界经济与合作发展组织及大类。德国标准研究所都颁布了一整套毒性测试的方法(。1利用细菌来监测废水毒性的方法目前欧、美各国的主要注意力仍旧放在测定新化学细菌用来做毒性评价有以下优点:生物机体小、品的毒性方面在污水方面的工作尚在尝试阶段且种群数量大、生长繁殖快、保存简单方便、试验费用把重点放在污水中单-化学物质的毒性方面。但是低、对环境变化的反应快、生长条件便利,并且同高在污水处理过程中会由于化学物质之间的相互作用等动物有着类似的物理化学特性和酶作用过程等特而出现不同于单一化学物质的毒性，因此单一物质点,因此特别适合于生物毒性试验。用细菌来评价废毒性并不能真实地反映污水对人类和其他生物的危水毒性是基于毒性效应对细菌的某些可见特性的作害，必须选择合适的方法对污水的综合毒性进行评用。如细胞生长、运动性、呼吸速率和生物发光、酶活性变化、ATP水平、微热量等的变化2。单-细菌的目前,废水毒性的测定主要有理化方法和生物测定有其自身的局限性,近年来发展起来的混合细学方法"。传统的化学物理分析方法能定量分析污菌监测毒性的方法可以较好地弥补这-缺陷。染物中主要成分的含量，但是不能直接和全面地反1.1 细菌发光特性的应用映各种有毒物质对环境的综合影响。生物测试能够近年生物发光细菌在毒性监测方面已有一定的弥补理化检测方法的不足,因此在水污染研究中它应用,因为生物发光细菌评价毒性反应快(通常中国煤化工MHCNMH G[基金项目了+五”863计划资源环境技术领域资助项目(项目号2002AA649170)工业水处理2003-1123(11).黄满红等污水毒性的生物测试方法1min左右)易于测试是一种快速、简便、灵敏、廉胞提供能量(2)供微生物进行内源呼吸使细胞物价的方法,并与其他水生生物测定的毒性数据有-质氧化分解(6。微生物进行物质代谢过程的需氧速定的相关性,因此,该方法对有毒废水的评价有重要率可以用下式表示:意义,但是某些工业废水对之表现为明显的刺激发总需氧速率=合成细胞的需氧速率+内源呼吸的需氧速率光作用需要与其他毒性测试方法相互补充。如果污水的组分对微生物生长无毒害作用,微最常用的生物发光系统是用于水体毒性实验的生物与污水混合后立即大量摄取有机物合成新细Microtox法评价(2。明亮发光杆菌( photobacterium胞，同时消耗水中溶解氧。如果污水中含有对微生物phosphoreum ,也叫vibrio fischeri )正常生活状态下，抑制或毒害的物质,微生物降解利用有机物的速率体内萤光素有氧参与时经萤光酶作用会产生荧光,会减慢或停止。因此,可通过试验测定活性污泥的呼当受到外界因素的影响如废水的毒性作用时发光吸速率,用氧吸收量累计值与时间的关系曲线来判减弱并呈线性相关。与其他方法相比,Microtox 法断某种废水的综合毒性。对很多毒物特别灵敏。于晓丽等通过发光菌发光强呼吸抑制速率可以是间歇式的(如Polytox实验)度与发光时间、发光菌发光强度与pH的两个影响或是连续式的如Rodtox实验y2。呼吸速率法中有关系实验,确定了发光菌稳定发光的时间和pH范瓦氏呼吸仪测试法、相对耗氧速率曲线法和累计呼围并通过8种单因子生物毒性实验确定了金属离吸曲线法。生产规模的废水毒性监测系统的进展已子、非金属离子对发光菌的半致死浓度,在此基础有所报道。这些系统都是建立在和Rodtox实验方法上,评价了某油田不达标采油污水的综合毒性以及相似的在线呼吸仪基础上的。蔡敬民等以活性污泥有机化合物对生物的致毒机理3。张秀君等运用发的呼吸代谢为检测指标,采用生物传感器的方法对光细菌法对辽宁26个污染源废水样的毒性进行测废水毒性进行试验性的检测,建立3种废水毒性检定指出从行业分布来看毒性最强为化纤业、化工测方法可用于间隙式和连续性监测7。业、黑色金属冶炼业,其次是煤炭开采炼焦煤制品在线呼吸仪的缺点是反应很慢,等反应过来后业毒性最低的是医药、造纸、食品加工业(4。海水发废水已经进入曝气池了,因此对处理系统的保护作光菌的缺点是所用的生物有机体为海生细菌,而且用甚小。ChangWon-kim等在一家以石油化工废水每次间歇式实验之前的准备工作都得重复,使Mi-为主的工业废水处理厂用最大耗氧速率来监测废水crotox法不适合用于连续的例行的毒性筛选中。基毒性能很好的弥补这一缺点'8。于Microtox法的毒性检测的相似的连续系统或者半1.3酶的活性连续系统已有相关报道但是鲜有成果。磷酸(酯酶、脲酶、脱氢酶等水解酶常用于水体为了克服当前发光菌毒性测试中的缺点Shijin毒性测试中。其中脱氢酶活性法是酶毒性测试中最等在Kuwahee污水处理厂建立了基于SHK1(一种常用的方法。脱氢酶为结合酶是由酶蛋白和辅助因寄居在活性污泥中而从活性污泥中分离培养的发光子构成的,能使被氧化有机物的氢原子活化并传递菌)的连续毒性检测系统一种(2。童中华等利用淡给特定的受氢体。微生物新陈代谢过程中脱氢酶将水发光菌对14种染料在电化学法处理模拟印染废有机质的氢脱下使有机质氧化。并将氢转移给氧化水过程中毒性的变化进行监测,该菌能在蒸馏水中型化合物,在无氧条件下亚甲基蓝(蓝色接收氢转正常发光，可以弥补海水发光菌试验中由于大量CI-化成还原型亚甲基蓝(无色)因此在无氧反应系统.的存在而影响样品中--些污染物的生物可利用性和中亚甲基蓝的脱色速度可表征酶的活性大小脱氢毒性顺序的缺点'5]。酶受毒物作用活性降低,降低的程度与毒物毒性成1.2细菌呼吸受抑制作用正相关关系,所以可以用毒物对脱氢酶活性的影响呼吸抑制实验可被用来评价废水对活性污泥的确定其毒性大小。钟才高等用混合细菌做指示生物,毒性作用。处理系统在遭受毒物冲击而导致污泥中发现混合细菌的总脱氢酶活性的抑制率随工业废水毒时,污泥的氧呼吸速率突然下降常是最为灵敏的中重金属的浓度的增加而增加。并建立了两者之间早期警报。国外有用该法在线监测废水毒性的实例。的回归方程(9。然后用这一方程评价了长沙市8家微生物降解有机物的物质代谢过程中所消耗的工厂工业废水的综合毒性和一家干厂座水处理装置氧包括两部分(1 )氧化分解有机污染物使其分解对废水综合毒中国煤化工含重金属工为CO2,H2ONH(存在含氮有机物时)等为合成细业废水综合毒CNMH(C污泥中微生专论与综述工业水处理2003 - 11 23(11)物脱氢酶的活性作为金属对活性污泥毒性的指标已验生物,且实验项目使用的参数在个体间相对恒定,被广泛采用。Ryssov-Nielsen 用TTC-脱氢酶计算了可以为实验结果统计学处理提供方便,因此常被选活性污泥中酶的活性和细胞的米氏常数( Km )值。李定为毒性测试生物。早在100多年前就有人用它来坤等以活性污泥脱氢酶活性作为毒性指标,研究了检测药物的毒性。大型水蚤是水蚤属中个体最大的废水中金属离子对活性污泥活性的抑制影响'10)。种类是水蚤类毒性实验的标准生物实验用水蚤2利用水生动植物来监测废水毒性的方法般为孤雌生殖新生蚤( <24h)程静等利用大型蚤水生动植物毒性实验是水毒理学的一个重要组24h急性毒性实验对常州市城北污水处理厂的进.成部分,用此方法直接测定废水的毒性是研究水体水、出水进行了毒性实验对其生态毒性原因进行了污染的一种重要手段,同时也为确定废水的安全排鉴别评价研究,从而鉴别出导致进出水生态毒性差放量和制定废水排放标准提供科学根据。这其中包别的关键污染物,判断处理系统对关键毒物的去除括传统的鱼类和大型蚤和藻类急、慢性实验也包括效果(5。于红霞等用24h大型蚤急性毒性实验对漂近年来发展起来的斑马鱼胚胎发育技术毒性检测方白废水中的关键有毒物质进行了实例研究。曲克明等研究了化纤废水中主要污染物对大型蚤的急性毒2.1水生动植物急性毒性试验性及联合毒性作用(16]。2.1.1鱼类毒性实验2.1.3藻类急性毒性实验鱼类毒性实验是监测工业废水污染物综合毒藻类是-种原植体植物,是水体中的初级生产性的一种简便易行的方法。Davis( 1946年)用-种比力。如果某种有害的化学物质进入水体藻类的生命较小的食蚊鱼(Cunbusia)做废水毒性的现场检验。活动将会受到影响生物量也会发生改变。通过测定Wxeden( 1970年)用鱼的咳嗽次数来反映造纸厂废藻类的生物量,可评价有害物质对藻类生长的作用,水对鱼的影响并据此确定废水安全浓度把鱼类用反映对水体中初级生产营养级的影响以及对整个水于检测水源污染的监测系统中,同时将鱼类用于现生生态系统的可能的综合环境效应。确定藻类生长场水质监测。目前国际通用的急性毒性实验标准用的指标较多,因而在设计藻类毒性实验时必须考虑鱼是斑马鱼,国内常用于毒性测试的鱼还有青、草、所有相关的环境因素,根据实验目的和实验条件选鲢、鳙四大家鱼以及鳟鱼、金鱼、呆头鱼。赵庆华等用择测试指标。常用的测试指标有光密度、细胞数、叶斑马鱼对22个厂家27个废水样进行急性毒性试绿素含量及细胞干重,其中细胞数及光密度因应用验,比较了各个工业废水毒性大小,发现化学工业>简便,重复性好不需昂贵仪器应用最为普遍是藻化学纤维业>炼焦煤炭制品加工业>造纸纸制品加类毒性实验中的最主要的测试指标。目前研究重金工业>饮料制造业废水的毒性11。孙晓怡等运用斑属离子对藻的影响比较多,用藻类进行废水综合毒马鱼急性毒性方法对抚顺重点工业污染源21个排性的研究报道还很少。徐兆礼等用长江口疏浚泥浸放口水样的毒性进行检测,用K2Cr04做参比毒物，出液和悬浮液对小球藻进行生长实验和急性毒性实使此法测得的急性毒性值定量化12。李政-用白鲢验,得出了长江口疏浚泥浸出液和悬浮液对小球藻鱼作为受试鱼对制浆造纸混合废水进行了急性毒性的毒性(17] ;Wageman等分别研究了铜对藻类的毒的测定研究,分别用概率单位法和直线内插法求出性并得出了各种藻类对铜的敏感度大小[18);李坤96hLC。，并对影响该测定方法的多种因素进行了等研究了废水中重金属离子Cu2+ ,Cd2+ Zn2+对几种分析13。但是传统鱼类毒性测定方法的指标过于简单胞藻的毒害作用,得出了这几种重金属离子对这单因而其应用范围受到很大限制。朱琳等提出的斑几种藻的生长抑制浓度和LCso值。马鱼胚胎发育技术具有材料方便易得、操作简单、可2.2水生生物的慢性毒性试验重复性及可靠性较高等优点而且与传统的鱼类急性水生生物的慢性毒性试验可以指示干扰水生生实验相比具有成本低、影响因素少、灵敏度更高等方物正常生长、发育和繁殖能力的化学物质浓度。为了面的优势与成鱼实验相比有更广阔的发展空间14。把化学物质对水生生物急性毒性和慢性毒性联系起2.1.2水蚤类急性毒性试验来人们提出了应用因子(AF )的概念。它表示一种水蚤类是淡水生物的重要类群,对许多毒物很.化学物质的慢中国煤花苎急性毒性试敏感,而且由于蚤类取材容易,试验方法简便繁殖验的LCg浓度化二用来不通过周期短实验室易培养产仔量多是一类很好的试HCNMH(慢性毒性试验进xIJtw小节约了慢性工业水处理2003-1123(11).黄满红等污水毒性的生物测试方法实验所需的时间和费用。水生生物慢性毒性试验动关关系,并可用这些指标控制水处理工艺和保证供物可用无脊椎动物(淡水如大型蚤海水如糠虾),也.水水质致突变性的安全[21。可用脊椎动物(淡水如鲤鱼、鲫鱼海水如鳟鱼)慢4结语与建议性毒性试验的试验浓度设置随试验动物种类而变(1 )污水毒性测试方法中 细菌法是一类相对化,-般应包括动物种群全部繁殖生命周期。实验室较好的综合毒性测定方法，快速、简便、灵敏;水生生.慢性毒性试验的结果直接外推到水环境存在一定的物法虽和人类的相关性比较好但耗时相对较长。关差异,因此在判断化学物质对水环境的危害剂量时于废水的综合毒性,尚缺乏快速准确的测试方法。应该了解化合物的浓度、生物利用率、分布以及化合(2)尽管有大量的废水毒性评价方法,但是很物命运的自然环境因素最好进行野外的慢性实验。少有生产规模的毒性监测设备和结果数据。最主要大型蚤21d存活繁殖试验一直是评价和监测的原因就是大部分现存方法都是间歇式实验,用于污染物对无脊椎动物慢性毒性的标准方法,但它实连续的污水毒性监测有-定困难。验周期长费用高。20世纪80年代初，人们开始研[参考文献]究缩短大型蚤慢性毒性实验周期的可能性。在如何缩短大型蚤慢性毒性试验周期方面有从小于1d龄[1孔繁翔.环境生物学[M]北京高等教育出版社2000. 96- 110幼蚤开始暴露至产3胎幼蚤的亚慢性试验,也有用[2 hjin , Paul 0 Frymier. Continuous toxicity of biological wastewater4d龄蚤至产3胎幼蚤的试验。此外,尚有棘爪网纹water environment federation[ C ] 74* Annual Conference & Exposi-蚤的7d生活周期试验和另-种网纹蚤的幼蚤至产tion ,Alanta ,Georgia ,U. s. A ,20013胎幼蚤的毒性试验,以及4d存活及繁殖试验。[3于晓丽等.用发光菌评价油田采油污水综合毒性[J]石油与天1985年,Adams用大型蚤进行了30个21d慢性实然气化工2002 ,31(2):101-103验和18个急性实验,发现用14d的数据能够准确[4张秀君韩桂春.发光细菌法监测废水综合毒性研究[J]中国环境监测, 1999 15<4)39-41的估计出21d时繁殖和存活的最大允许毒物浓度[5童中华等.利用淡水发光菌评估电化学法处理模拟印染废水的( MATC)并建议将21 d实验缩短为14d 实验。楼霄效果[J]环境化学,1997 16(2):130- 134研究了不同日龄大型蚤对毒物的敏感性, 对大型蚤[6章非娟等.水污染控制实验[M]北京高等教育出版社,1996.7d的体长指标与21d的繁殖指标进行了比较(19。168- 175试验结果表明毒物对大型蚤的毒性作用在试验后[7蔡敬民李鹤.应用活性污泥呼吸变化快速检测废水毒性的研究的7d内已可从其体长的变化显示出来。并与21 d[J]环境污染与防治, 1996 ,18(5)38-40的慢性毒性试验结果等效,从而得出传统的大型蚤[8 Chang Won-kim ,et al. Coninuous and early delection of toxicily inindustrial wastewater using an online respiration meter[J] Wat. Sci.慢性毒性试验周期可缩短为7d。Tech. , 1994 30(3)11- 193遗传毒性测试法[9钟才高等.用混合细菌作指示生物评价工业废水综合毒性的实国内外已有大量研究运用Ames(鼠伤寒沙门氏验研究J]中国公共卫生学报, 1995 ,14(2):125- 128菌/哺乳动物微粒体菌系)试验、蚕豆根尖微核及[10李坤等. Cu"、Cd4、Zm”对两种单胞藻的毒害作用[J]应用与环境生物学报2002 &(4)395 - 398UDS试验、SOS/Umu显色试验等手段,对水中的有[11赵庆华郜伟.应用斑马鱼监测工业废水毒性[J]环境科技，机污染物的遗传毒性进行系统研究,并探索研究水1994 ,14(6)58-61质安全性的途径。其中Ames致突变实验是短期筛[12孙晓怡等.用鱼类检测工业废水毒性的研究[J]辽宁城乡环选环境致突变物和致癌物的首选方法再现性好用[13李政-.对制浆造纸混合废水的急性毒性测定方法的研究[J]境科技,2001 21(6)28-31作评价水质考核水处理工艺效率,可以弥补水质标中国造纸,1995 ,14(1 )44-48.准中目前未考虑的致突变性的不足,对供水水质有[14侏琳,等. 斑马鱼胚胎发育技术在毒性评价中的应用[J]应用预警和屏障作用。J.U.Doerger等用鼠伤寒沙门氏菌生态学报2002 ,13(2)252 -254TA98菌株对辛辛那提的一家城市污水处理厂的进[15程静等.毒性鉴别评价方法对城镇污水处理厂去除水中有毒水和出水及4家进入该厂处理的工业废水进行了致物质的分析实例J]环境化学,2001 20( 5 )490- 495突变实验结果发现致突变物在常规的处理工艺中[16曲克明王会平.化纤废水中主要污染物对大型蚤的急性毒性及联合毒性作用[J]中国水产科学,2000 7(1):78-81难于降解,有2/3的致突变物不能去除(20];岳舜琳通.[17徐兆礼等长江中国煤化工生物的影响J]过对部分城市水厂的实验研究,指出Ames实验中中国水产科学,CNMH G,的MR值和常规的水质指标CODm和Euv等有相[18张伟等.铜抑制+仙吧味集工以时可江J]中国环境科-17-第23卷第11期工业水处理Vol.23 No.112003年11月Industrial W ater TreatmentNov.2003石化企业循环水系统的节水运行与管理梁秀文(天津石化公司乙烯厂天津300271).[摘要]围绕工业循环冷却水系统的工艺原理及水质特点,全面分析阐述了石化循环水系统开展节水运行管理的途径方法及其注意事项，天津石化公司乙烯厂在此方面取得了良好的效果。[关键词]循环水;节水浓缩倍数[中图分类号] TQ085 [ 文献标识码]B [文章编号] 1006- 829X( 2003 )11- 0018 -04Saving water process and management of the circulating cooling waterin petrochemistry plantsLiang Xiuwen( Ethylene Plant of Tianjin Petrochemistry Co. , Tianjin 300271 , China )Abstract :Aiming at the principles and water quality speciality of industrial circulating cooling water , an over-allanalysis and detailed explanation about the ways and attentions to the water saving process and the managementof circulating cooling water in petrochemistry plants. Very good result has been achieved in Ethylene Plant ofTianjin Petrochemistry Co.Key words circulating cooling water ,water saving concentrating ratio循环冷却水系统是石化企业重要的公用工程系耗、减排增效的一项重要工作。因此做好石化企业统,也是石化企业最大的用水单元,- -般循环水系统循环水系统的节水运行与管理则显得尤为重要，也消耗的水量占工业用水量的2/3甚至更多。由于我具有明显的紧迫性和现实意义。国水资源短缺问题十分突出,除长江沿岸的石化企实现循环水系统的节水运行与管理,需要在保业外都存在不同程度的水资源短缺问题,因此,如证生产装置对循环水科学合理的需求基础上,通过何更好地开发利用现有水资源,最大限度地节约用采取有效的工艺和措施降低蒸发损失量、减少排污水,以确保企业的可持续性发展,已成为企业必须重量、控制风吹损失、杜绝渗漏损失(I ,或者通过替代视和面对的一个问题;另-方面,由于资源短缺造成水源减少总补水中的新鲜水耗量,以取得节水的效的用水价格持续上涨,也直接导致了企业用水成本果。的不断上升,北方缺水地区的新鲜水价格已普遍上1提高系统运行的浓缩倍数实现节水运行升到2.8元/t以上,不久的将来上升的更高对于企浓缩倍数与排污量的关系见图1。业来讲做好合理用水、节约用水,也是企业节能降学,2001 21(1 )4-7Sci. Tech. , 199939( 10~11 )71-76[19楼霄方东.一种快速简便的大型蚤慢性毒性试验方法[J]上[23侨鸿泽顾宗濂.用发光细菌测定法定量表征污染水体的毒性海环境科学,1995 14(11 )28-31[J]环境导报,1993 (5)11-13[20 ]Doerger J U ,et al. Toxicity reduction evaluation at a municeipal[ 24 Chen Chiuyang ,et al. Toxicity asessment of industrial wastewaterwastewater treatment plant using mutagenicity as an endpoint [J]by microbial testing method[J ] W ater Science and Technology ,Arch. Environ. Contam. Toxicol. ,1992 22 384 - 3881999 39( 10):139- 143[21岳舜琳.给水水质的Ames致突变性[C]上海环境科学第10届学术年会论文集2002 .[作者简介]黄满红中国煤化工齐大学。电话:02hotmail.como[ 22 JTatjana Tisler , Jana Zagore-Koncan. Toxicity evaluation of wastew-[收稿日期] 2003-YHCN MHGater from the pharmaceutical industry to aquatic organisms[J ] Wat.8-