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水源水膜处理与常规处理技术的遗传毒性指标对比 * 石健1， 2吴明1许志珍2王东升2 1． 南通大学， 江苏 南通 226007; 2． 中国科学院生态环境研究中心 国家水开放重点实验室， 北京 100085 摘要 随着水源水微污染问题的日益突出和水质标准的不断提高， 传统的水处理技术面临严峻挑战。膜处理是目前饮 用水深度处理的有效手段。选择 UMU 方法对常规工艺的出水及膜处理工艺出水进行遗传毒性评价比较。结果表明 采用正己烷 二氯甲烷 甲醇对水样中的遗传毒性物质进行洗脱效果更为明显; 对于常规处理工艺来说， 混凝可以部 分去除水源水中大分子有机物和非溶解性色度以及部分遗传毒性前体物质; 针对不同工艺段的出水， 氯化可明显增加 水样的遗传毒性; 不论消毒与否， 仅从遗传毒性指标来看， 膜工艺均优于常规工艺出水， 但考虑到水样的区域特性， 膜 法处理是否在遗传毒性指标方面比常规处理更有优势， 仍需进一步的资料或数据支持。 关键词 饮用水; 遗传毒性; UMU 法; 超滤; 沉淀 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201407018 COMPAＲISON OF THE GENOTOXICY INDEX BETWEEN THE CONVENTIONAL TＲEATMENT AND MEMBＲANE TＲEATMENT PＲOCESS Shi Jian1， 2Wu Ming1Xu Zhizhen2Wang Dongsheng2 1． Nantong University，Nantong 226007，China; 2. Key Laboratory of Environmental Water Chemistry， Ecological Environment Ｒesearch Center of Chinese Academy of Science，Beijing 100085，China AbstractOrganic compounds existed in drinking water such as POPS/EDCS are commonly considered as the main reason for genotoxicity even at ultra- trace level． The conventional treatment process cannot remove these organic compounds effectively and sometimes results in the rise of the genotoxicity of water． Membrane treatment could achieve satisfactory results on the above compounds． A UMU to uate the genotoxicity of water at different stages of the conventional treatment process was developed and a comparison of the current popular membrane treatment process and the conventional process based on the UMU test was carried out． Moreover，a pre- treatment was developed according to the water quality characteristics of a water plant in the South．The results showed that chlorination could promote the increase of the genotoxicity in water significantly． Coagulant sedimentation could help reduce the genotoxicity of water through effective removal of the organic compounds． However，taking genotoxicity index into consideration，water after the membrane treatment showed a little advantage compared with that by the conventional process． Keywordsdrinking water;genotoxicity;UMU test;ultrafiltration;sedimentation * 国家自然科学基金 21177067 ; 江苏省自然科学基金重点项目 BK2010034 ; 江苏省青蓝工程计划项目。 收稿日期 2013 －08 －12 0引言 由于饮用水源水的微有机污染问题日益突出， 同 时也随着对消毒副产物、 微生物指标和内分泌干扰物 质研究的深入， 水质标准不断提升， 使得传统饮用水 处理工艺颇受关注。一般来说， 传统饮用水处理工艺 的重点是去除水中的悬浮物、 胶体颗粒物， 而对溶解 性有机物的去除能力不足， 由此导致的消毒副产物问 题使得传统处理方法在业界颇受争议， 部分常规水处 理技术已经无法适应当前需求［1- 3 ］。 膜技术属物理方法， 简易快速， 是近年来最为热 门、 最具前景， 也是发展最为迅速的水处理技术之一。 在饮用水处理中， 超滤 UF 法比较常见， 该法在压力 驱动下， 利用多孔材料的拦截能力， 将颗粒物质从流 体及溶解组分中分离出来。超滤膜使用的材料通常 都是高分子聚合物， 以疏水性为主， 典型孔径在 0. 01 ～ 97 水污染防治 Water Pollution Control 0. 1 μm， 对于细菌和大多数病毒、 胶体、 淤泥等具有 极高的去除率 ［4- 8 ］。 为了更好地理解膜处理技术与常规水处理技术 在饮用水处理的差别， 了解采用不同方法对水源水进 行处理后水质指标的特征， 对不同处理方法出水进行 水质指标的对比显得十分必要。本文选择长江中下 游某城市水厂， 对水源水分别用超滤法及常规法进行 处理， 由于在常规水质方面已有学者做过比较， 故选 择评价水中遗传毒性指标并采用 UMU 法进行比较。 1实验部分 1. 1试剂和仪器 TA1535/PSK1002 Salmonella typhimurium 菌液由 中科院生态环境研究中心提供， Luria- Bertani L- B broth 美国， DIFCO 、 二甲基亚砜 ACS 级， 美国 AMＲESCO 为稀释溶剂和阴性对照， 4- nitroquinoline- 1- oxide 4- NQO 用作阳性对照以检验实验的敏感性 美国 Sigma 公司 ， o- nitrophenol- β- D- galactopyranoside ONPG 东京化成 ， 甲醇 HPLC 级 Fisher， Co． 。 主 要 设 备 包 括 酶 标 仪 Spectra Fluorplus， TECAN 、 分光光度计 WFZUV 2000， 上海 、 恒温振 荡摇床 HZQF， 哈东联 、 恒温平板摇床 Titramax 1000， Heidolph 、 百级超净工作台 DL2CJ21F， 哈东 联 、 旋涡混合器 MS2， 广州 IKAWorks 等。 1. 2实验方法 实验 方 法 参 照 文 献 ［ 9- 10］ ，方 法 如 下将 TA1535/PSK1002 Salmonella typhimurium 菌液含氨比 西林的 LB 培养基置于三角瓶中 8 层纱布封口 ， 在 30 ℃下振荡 160 r/min 隔夜培养16 h。取前培养菌 液 150 μL 于三角瓶中 8 层纱布封口 ， 加 TGA 培养 液15 mL 稀释， 测得 A595应在0. 05 以下， 在37 ℃下振 荡 160 r/min 培养 1. 5 h 前培养 ; 稀释样品 标 样 ， 并在每个玻璃试管中加入 300 μL 前培养菌液， 封口膜封口， 在 37 ℃下振荡 160 r/min 培养 2 h， 在 样品中加入 1 mL 的 z- buffer 溶液，50 μL SDS 溶液 用水超声溶解 SDS ， 10 μL 三氯甲烷， 振荡摇匀， 培 养结束后， 取 150 μL 于酶标板上测定 A595， 取 100 μL 加入离心管中 中间时间越短越好 ， 加200 μL ONPG 溶液 用缓冲溶液超声溶解 ONPG ， 于 30 ℃下静置 反应 20 min， 然后加入 500 μL Na2CO3溶液终止反 应， 同时取 150 μL 于酶标板上测 A415和 A550。用 式 1 计算 β2 半乳糖苷酶诱导活性 y 1000 A415－ 1175 A550t v A595 1 式中 y 为酶活性; t 为加入 ONPG 后的反应时间; v 为 反应菌液的稀释倍率; A595、 A415、 A550分别为波长在 595， 415， 550 nm 下的吸光度值。 实验结果以 IＲ 值表示 IＲ 样品的酶活性/阴性 对照的酶活性 。当 IＲ≥2 时， 表示结果呈阳性。除 了用 IＲ 值表示遗传毒性强弱外， 利用内插法求出在 IＲ 2 时， 经过不同浓度梯度稀释后， 96 孔板中每孔 加入的水量 即文中图 3图 5 横坐标中的“水量” 值 ， 也可以来表示遗传毒性高低。在 IＲ 值相同的情 况下， 测试中加入的水量越小， 所反映的遗传毒性越 强， 从而可以比较各期工艺过程中遗传毒性效应的 变化。 2原水特征及处理工艺 2. 1原水水质特征 与其他地区的水体相比， 实验原水的碱度和 pH 值较低， 浊度较高， 有机物含量较低 见表 1 。取三 个季节进行对比， 冬季原水碱度较高， 浊度相对较低， 虽然秋季原水 DOC 值较低， 但 UV254值较高， SUVA 大于 3， 说明其中腐殖质类有机物含量较高， 具有较 高的可混凝去除性。 表 1长江中下游某市三个季节原水性质 Table 1Water sample quality of a city in the middle and lower veaches of Yangtze Ｒiver 浊度/NTUpH 16. 4 ℃下 DOC/ mg L －1 UV254/ cm －1 SUVA/ m －1 mg－1 L TAl/ mg L －1 TCa/ mg L －1 TMn/ mg L －1 26. 87. 941. 8050. 0452. 4930. 0835. 020 TFe/ mg L －1 TSi/ mg L －1 TMg/ mg L －1 HONHOBHOAWHOAHiM 0. 023. 926. 691. 1412. 3840. 3417. 6628. 48 此外， 实验原水有机物中以憎水酸和亲水性物质 为主， 憎水性组分为较易被混凝去除的大分子有机 物， 而亲水性物质为较难被混凝去除的小分子有机 物。三个季节的 DOM 化学分级组分分布相似， 秋季 原水的憎水酸部分含量相对较高， 亲水性物质部分含 量相对较低， 因此可混凝去除性较高。 08 环境工程 Environmental Engineering 利用 HPSEC 对原水进行分析 ［11- 14 ］， 结果见图 1。 由图 1 可知 实验原水 DOM 的分子量在 200 ～ 4000 Da， 分子量从小到大分为 5 部分 5 个峰 ， 峰1、 峰 2 为小分子物质， 峰 3、 峰 4 为小分子腐殖质， 峰 5 为大分子腐殖质， 小分子量有机物均为不易混凝去除 的亲水性有机物， 大分子量有机物均为较易混凝去除 的憎水性有机物。三个季节的原水 DOM 分子量分布 比较相似， 秋季原水 DOM 的峰 2、 峰 3 和峰 4 含量较 高， 即憎水性的腐殖质类有机物含量较高， 因此可混 凝去除性较高， 这与原水 DOM 化学分级的分析结果 一致。 图 1高性能尺寸排除色谱法 HPSEC 测得原水的分子量分布 Fig．1Molecular weight distribution by high perance size- exclusion chromatography HPSECfor raw water 2. 2样品采集及处理工艺介绍 样品来自长江中下游某市一自来水厂现有的运 行工艺 流程 1 和 2 ， 如图 2 所示。不同工艺流程及 不同处理单元出水共取样 6 份。水样经玻璃纤维素 膜 APFF， MILLIPOＲE 过滤后再用 HLB 柱 500 mg， OASIS 富集， 然后分别以 5 mL 正己烷/二氯甲烷 1∶ 1， 体积比 和 10 mL 甲醇/二氯甲烷 1∶ 9， 体积 比 为淋洗剂洗脱， 所有有机溶剂均为农残级纯度或 色谱纯， 购自 J． T． Baker 公司。洗脱液用氮气吹干， －20 ℃下保存用于生物测试。 图 2水处理工艺流程示意 Fig． 2The simplified flow diagram of the water treatment process 3洗脱有机溶剂的讨论 首先采用 Oasis HLB 固相萃取柱对水样进行浓 缩， 分别选用 4 种极性不同的有机溶剂 组合 ［15- 17 ］ 洗脱吸附于 HLB 固相萃取柱上的致突变物质， 将获 得的 4 个馏分分别用氮气吹干， 用 DMSO 定容到 20 μL后， 供遗传毒性测试。 图 3 表示不同洗脱溶剂对遗传毒性诱导效果的 影响。从图 3 可以发现 用甲醇洗脱时， 在较高的水 样体积100 μL 或大于100 μL 时， 才开始出现活性， 之后随着水样体积增加， 活性继续上升， 对遗传毒性 物质的洗脱效果并不理想; 改变洗脱溶剂为丙酮时， 发现规律基本相近。鉴于以上结果， 选择了极性介于 甲醇和丙酮之间的2 种洗脱溶剂 正己烷 二氯甲烷 甲醇和正已烷 乙酸乙酯 甲醇， 并测试了其遗传毒 性。发现这 2 种洗脱液在较低水样添加量的情况下， 就开始显示出遗传毒性， 到水样添加到 100 μL 时显 示出极强的急性毒性。从实验结果分析， 正己烷 二 氯甲烷 甲醇和正已烷 乙酸乙酯 甲醇这 2 种组 合对样品遗传毒性物质的洗脱效果是较明显的。由 于水样的特征存在区域特点， 不同水样采用不同洗脱 剂得到的效果可能不同。因此， 本实验针对该地区的 水样选用正己烷 二氯甲烷 甲醇作为洗脱剂。 注 β半乳糖苷酶活性数值为每 1 个 OD600值对应的单位数。 图 3利用 UMU 法检测不同洗脱方法下水样的剂量 － 反应曲线 Fig．3The dose- response curves in different eluted s of UMU test for the water samples 4氯化对水样遗传毒性的影响 氯消毒和氯胺消毒是现有自来水厂中应用最广 泛的饮用水消毒方法。但是很多研究表明， 氯会与水 中的溶解性有机物 DOM 反应生成具有致突变性或 致癌性的消毒副产物 DBPs 。对于饮用水的氯消 毒， 大多数研究仅针对几种典型的消毒副产物如三卤 18 水污染防治 Water Pollution Control 甲烷 THMs 和卤乙酸 HAAs ， 但是水中的溶解性 有机物是非常复杂的， 包括腐殖质、 溶解性微生物产 物和动植物残体等。一方面， 一些溶解性有机物本身 就具有毒性; 另一方面， 一些天然有机物与氯反应后 会生成有毒的消毒副产物［18- 22 ］。因此， 测定氯化消 毒后有机提取物的遗传毒性比仅测定几种典型消毒 副产物的生成更能全面地评价氯化饮用水的生态安 全性。实验对不同工艺段包括原水、 沉淀出水、 膜出 水、 砂滤出水等分别进行了氯化实验， 结果见图 4。 注 β半乳糖苷酶的活性数值为每 1 个 OD600值对应的单位数。 图 4利用 UMU 法对水样进行检测的剂量 － 反应曲线 Fig． 4The dose- response curves in UMU test for the water samples 与所有文献报道结果相同， 本实验中不同工艺段 水样加氯后 UMU 值都有明显增高， 即表现为遗传毒 性效应增高， 即来自原水的有机物 天然类有机物如 藻类及腐殖质等 在氯化过程中通过卤代反应将产 生致突变物， 现有常规工艺对水体中有机污染物的去 除， 特别是亲水小分子有机物的去除能力有限。由图 4 可知 在氯化过程中， 所有水样的遗传毒性都有不 同程度上升， 这一结果也可充分说明原水中所含的天 然有机物在氯化后都有潜在的导致遗传毒性物质存 在， 因此如果不考虑消毒等其他因素， 不推荐使用前 加氯处理。 5不同工艺段出水遗传毒性的对比 为了更好地比较膜法与常规法处理后出水的遗 传毒性指标变化， 本研究选择常规工艺和膜工艺流程 中的 4 个水样， 分别用 UMU 法进行测试， 结果如图 5 所示。 常规工艺中， 混凝是饮用水处理的关键过程， 适 宜的混凝剂、 良好的混凝效果， 对后续过滤、 吸附等起 到了保障作用。常规的混凝沉淀可较好地去除大分 子有机物和非溶解性色度以及部分 Ames 试验前体 物。有研究证明， 天然水体中小分子有机物常常部分 被吸附在腐殖质分子上， 在向水中投加硫酸铝以后， 由于金属离子与富里酸所形成的水溶性络合物更加 稳定， 使富里酸与有机物之间原有的结合大大减弱， 致使富里酸分子所吸附、 络合的有机物得以释放， 因 而使混凝沉淀出水中小分子有机物增加， 使其遗传毒 性效应有增加的可能。但由图 5a 可知 水样 2 的 IＲ 比水样1 下降了10， 混凝阶段 IＲ 值有明显下降， 说 28 环境工程 Environmental Engineering 图 5不同水样处理的 IＲ 值曲线 Fig． 5The IＲ values curves for different process of water samples 明良好有效的混凝过程对遗传毒性物质的去除有一 定效果， 与大量文献报道一致 ［23 ］; 水样 3、 水样 1、 水 样 2 分别比水样 4 下降了 19、 29、 36。由此可 知， 最后的消毒过程对 IＲ 值有明显的提升作用， 这也 意味着常规氯消毒产生的副产物在遗传毒性指标的 表现上有很大贡献; 同时也可发现， 在该工艺流程中 砂滤后的出水中 IＲ 值有一定程度的回升， 这说明在 砂滤过程中， 水样中具有遗传毒性物质总量发生了变 化， 但并不显著， 因此砂滤过程对遗传毒性的确切影 响值得继续深入探讨。 膜工艺段出水取自采用浸入式 PVC 合金超滤膜 构建的超滤技术之后， 且水厂已在该地区成功供水 5 ～6 年， 膜技术在该水厂有着较好的适用性。对膜 工艺段的出水分析结果如图 5b 所示。膜法出水就遗 传毒性指标来看， 不论是消毒前还是消毒后， 指标均 优于常规出水。从图 5b 中可以看出 消毒前膜法出 水 IＲ 值比常规出水 IＲ 值降低了 3. 0， 消毒后膜法 出水 IＲ 值比常规出水降低了 2. 4， 但这个优势并 不明显， 况且由于水样的特定性， 不同地区水样中有 机物的组成有很大差异， 结果可能会大相庭径， 因此 膜法处理技术是否在遗传毒性指标方面比常规处理 具有优势， 仍需大量的资料或数据支持。 6结论及分析 1 针对 UMU 遗传毒性的分析， 对该地区的水样采 用正己烷 二氯甲烷 甲醇进行洗脱效果更为明显。 2 对于常规处理工艺来说， 混凝是污水深度处理 的关键过程， 混凝段的出水可使遗传毒性指标明显下 降， 这进一步证明了高效混凝可有效去除原水中大分 子有机物和非溶解性色度以及部分 Ames 试验前体物。 3 氯化可明显增加水样的遗传毒性， 不论消毒 前与消毒后， 膜法出水就遗传毒性指标来看， 均优于 常规工艺出水， 但考虑到水样的区域性， 膜法处理是 否在遗传毒性这一指标方面比常规处理具有绝对优 势， 仍需大量的资料或数据支持。 参考文献 ［1］Hu J Y，Takako A．Products of aqueous chlorination of 17- estradiol and their estrogenic activities［J］． Environ Sci Technol， 2003， 37 1897- 1993． ［2］Von G U． Ozonation of drinking 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3 CLS 对亚甲基蓝的吸附符合颗粒内扩散速率 方程， 以颗粒内扩散为控制步骤。 4 CLS 对亚甲基蓝的吸附性能优于纯淀粉和 炭黑。 参考文献 ［1］赵颖， 王仁国， 曾武， 等． 纳米二氧化锰的制备及其对亚甲基蓝 的吸附研究［J］． 水处理技术， 2012， 38 2 55- 58. ［2］胡志勇． 泥炭对废水中结晶紫和亚甲基蓝的吸附规律研究 ［D］． 湖南 南华大学， 2011 2- 5. ［3］Grady J，Glen T，Henry C L． Biological Wastewater Treatment ［M］． 2nd Edition． BeijingChemical Industry Press， 2003 1. ［4］蔡晶， 柴社立， 芮铭先， 等． 玉米淀粉废水的处理技术［J］． 环 境工程， 2007， 25 1 72- 73. ［5］张淑娟， 杨宇． 无机 － 有机复合絮凝剂 PST 处理印染废水效果 研究［J］． 环境工程， 2011， 29 S1 7- 9. ［6］具本植，张淑芬，杨锦宗． 交联阳离子淀粉的制备及其脱色性 能［J］． 应用化学， 2001， 18 6 476- 480. ［7］Borah D，Satokawa S，Kato S．Characterization of chemically modified carbon black for sorption application［J］． Applied Surface Science， 2008， 254 3049- 3056. ［8］Borah D，Satokawa S，Kato S． Sorption of As V from aqueous solution using acid modified carbon black ［J］．Journal of Hazardous Materials， 2009， 162 1269- 1277. ［9］杜二玲． 新型炭黑材料对水中有机污染物吸附性能研究［D］． 合肥 合肥工业大学， 2010. ［ 10］龚兵丽， 邱宇平， 赵雅萍． 黑碳吸附亚甲基蓝染料废水的行为 研究［J］． 环境科学与技术， 2009， 32 11 18- 23. ［ 11］曹同玉， 刘庆普， 胡金生． 聚合物乳液合成原理性能及应用 ［M］． 北京 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