城市黑臭水體整治前后上覆水和孔隙水的生物毒性對比和評價

徐柔柔，裴舟韜，高月香，張萌，張李凌，張靜，王文強，王仁，張毅敏，孫麗偉*

(1.東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210018;2.東南大學無錫分校，江蘇 無錫 214028；3.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京 210042；4.山東大學生命科學學院，山東 即墨 266237)

黑臭水體，以令人不悅的顏色和氣味，影響著人居環(huán)境。早在2015年初，國務院頒布的《水污染防治行動計劃》[1]提出，“到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體得到消除”?！督K省“兩減六治三提升”專項行動實施方案》里也指出，“治理太湖水環(huán)境、生活垃圾、黑臭水體、禽畜養(yǎng)殖污染、揮發(fā)性有機物污染和環(huán)境隱患”[2]，黑臭水體的整治已刻不容緩。

目前，國內(nèi)外對黑臭水體尚無明確的評價方法和標準[3]。國內(nèi)評價黑臭水體常用的指標是物理化學指標和感官指標，如透明度、溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)和氧化還原電位(ORP)[4]。除此之外，還有臭閾值、色度等感官指標，有機污染綜合指標，無機金屬離子等水質(zhì)指標[5-6]。一些國外學者則通過模型方法評價和預測水體黑臭[7-8]，Canfield等[9]通過葉綠素a、總磷(TP)、總氮(TN)等指標建立用于評價水體黑臭的多元線性回歸方程，Sugiura等[10]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(ANN)預測水體黑臭。這些方法的依據(jù)都是感官性物理指標和水質(zhì)化學指標，缺乏生物毒性指標[11]，不能反映黑臭水體對生態(tài)系統(tǒng)的毒性效應。

生物毒性實驗已被證明是水生生態(tài)毒理學中評估混合污染物潛在生態(tài)風險的有用工具。美國環(huán)?？偸?U.S.EPA)提出的全排水毒性測試[12](Whole Effluent Toxicity Test,WET)建議在評估排放廢水毒性時，使用不同營養(yǎng)級的代表性生物，如淡水的標準化植物和無脊椎動物，可對廢水中所有污染物毒性進行總體評價。這種成組生物毒性測試用于評估自然水體的潛在風險被證明是可行的。陳瑞瑞等[13]在研究溫州市典型城市黑臭河道水體的生物毒性時，發(fā)現(xiàn)其對發(fā)光細菌、魚類和爪蟾胚胎具有不同程度的生物毒性效應。蔣宇霞[14]選取發(fā)光菌、綠藻和斑馬魚胚胎，分析了東江流域20個采樣點的孔隙水和全沉積物對水生生物的毒性效應。魏錚[15]利用成組生物(斑馬魚胚胎、發(fā)光細菌、大型溞)毒性測試方法測試了西苕溪流域內(nèi)典型工業(yè)廢水及地表水的生物毒性。

現(xiàn)以常州市典型城市黑臭水體神童浜為研究對象，采用標準化小球藻(Chlorellavulgaris)和大型溞(Daphniamagna)為急性毒性測試生物，對整治前、后神童浜上覆水(沉積物表層至接近空氣的那層水體)和孔隙水(沉積物顆粒之間及巖石顆粒之間孔隙的水溶液)的毒性進行對比和評價，為有效進行城市黑臭水體的整治和管理提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實驗生物

小球藻(Chlorellavulgaris)，購自中國科學院(武漢)水生生物研究所。以BG 11培養(yǎng)基(Blue-Green Medium)進行培養(yǎng)，實驗用藻為在本實驗室培養(yǎng)3代后的小球藻。培養(yǎng)條件：溫度(23±2) ℃，pH值=7.1，t(光)∶t(暗)=12 h∶12 h，光照強度為4 000～6 000 lx。

大型溞(Daphniamagna)，購自中國科學院(武漢)水生生物研究所，用曝氣自來水進行培養(yǎng)，喂食新鮮的普通小球藻，實驗用溞取同齡同母體培養(yǎng)3代后，出生6～24 h內(nèi)的幼溞。培養(yǎng)條件：溫度(19±1)℃，pH值=7.0～8.0，t(光)∶t(暗)=16 h∶8 h，光照強度<1 000 lx。正式實驗前使用重鉻酸鉀測試大型溞的敏感性，結(jié)果顯示，20 ℃時重鉻酸鉀對大型溞的24 h EC50(在24 h內(nèi)暴露在實驗液中50%的大型溞活動受抑制甚至死亡時實驗液的濃度)為1.05 mg/L(95%置信區(qū)間為0.717～1.594 mg/L)，符合文獻[16]的質(zhì)量控制標準。

1.2 儀器和試劑

1.2.1 儀器

7600-1CRT紫外可見分光光度計(上海高致精密公司)；GZX-300BS恒溫光照培養(yǎng)箱(上海新苗公司)；HQ-30d pH計/溶氧儀(美國哈希公司)；nai-t4-50真空冷凍干燥機(上海那艾公司)。

1.2.2 試劑

(1)BG11培養(yǎng)基：根據(jù)文獻[16]的標準方法配備，所用藥劑碳酸鈉(Na2CO3)、乙二胺四乙酸二鈉(EDTANa2)、二水合氯化鈣(CaCl2·2H2O)、七水合硫酸錳(MgSO4·7H2O)、磷酸氫二鉀(K2HPO4)、硝酸鈉(NaNO3)均購自上海麥克林生化科技有限公司，純度>99%。

(2)標準稀釋液：根據(jù)文獻[16]的標準方法配備，所用藥劑CaCl2·2H2O、MgSO4·7H2O、碳酸氫鈉(NaHCO3)、氯化鉀(KCl)、氫氧化鈉(NaOH)、鹽酸(HCl)均購自國藥集團化學試劑有限公司，分析純。

1.3 樣品采集和保存

根據(jù)水質(zhì)調(diào)查結(jié)果，影響神童浜水質(zhì)的主要因素是水體富營養(yǎng)化和從底泥釋放出的有機污染物。水樣采集地點為3#、4#、5#和7#(根據(jù)神童浜整治工程編號命名)。根據(jù)文獻[18-19]，在24 h內(nèi)采集上覆水和沉積物，并現(xiàn)場測定上覆水溶解氧(DO)、溫度和pH值。所有樣品采集后立即送實驗室，上覆水在0～4 °C下保存，一周內(nèi)完成水質(zhì)的常規(guī)指標測定。孔隙水的制備采取冷凍干燥法[20]。

1.4 水質(zhì)的常規(guī)指標檢測

水樣在4 ℃靜置后，使用0.45 μm濾膜過濾，根據(jù)文獻[18]，測定化學需氧量(COD)、TN、TP和NH3-N。

1.5 生物毒性測試方法

毒性測試方法和質(zhì)量控制根據(jù)文獻[16-17]。毒性實驗的受試水體采用稀釋液與上覆水或孔隙水按一定比例混合配制。隨后將小球藻和大型溞暴露在受試水體中，根據(jù)實驗結(jié)果，計算小球藻的96 h EC50(96 h使小球藻生長抑制率達到50%時的受試物濃度)和大型溞的48 h LC50(48 h使大型溞致死率達到50%的受試物濃度)，判斷上覆水和孔隙水的急性毒性效應。

1.6 實驗數(shù)據(jù)處理和評價方法

1.6.1 小球藻急性毒性實驗數(shù)據(jù)處理

繪制680 nm下的藻密度-吸光度相關曲線，實驗中定時測定小球藻的吸光度，帶入曲線方程計算出藻密度，最后根據(jù)藻密度計算小球藻的比生長率μ，即實驗期間小球藻每天的生長量，實驗期間比生長率μi-j的計算見公式(1)。

(1)

式中：μi-j——從i時間到j時間的比生長率；xi——i時間的藻密度，106/L；xj—j時間的藻密度，106/L。

若水樣對小球藻產(chǎn)生抑制作用，則以比生長率為基礎的生長抑制率I的計算見公式(2)。

(2)

式中：μc——對照組平均比生長率；μt——實驗組平均比生長率。

數(shù)據(jù)分析采用IBM SPSS Statistics 25軟件完成，差異性分析方法應用單因素方差分析(ANOVA)和Dunnett-t檢驗，P<0.05認為有顯著性差異。

1.6.2 大型溞急性毒性實驗數(shù)據(jù)處理

用origin 2018軟件，繪制致死率-稀釋比關系圖，再利用IBM SPSS Statistics 25軟件計算大型溞48 h LC50值和95%的置信區(qū)間，差異性分析方法同小球藻。

1.6.3 毒性等級評價

以受測生物半數(shù)毒性效應為終點，計算上覆水和孔隙水的毒性單位，判斷其毒性等級。毒性評價利用環(huán)境樣品毒性單位(TU)[21]計算，見公式(3)。

(3)

式中：LC50(或EC50)——受測生物半數(shù)出現(xiàn)毒性效應(死亡或生長抑制)時，環(huán)境樣品的稀釋倍數(shù)或濃縮倍數(shù)。對大型溞而言，如果原水樣的死亡率為10%～49%，則TU=0.02×死亡率；如果原水樣的死亡率為0～10%，則TU=0[22]。

參照Persoone等[23]提出的毒性分級體系(表1)，判斷上覆水和孔隙水的毒性等級。

表1 毒性分級體系

1.7 神童浜整治措施

(1)控源截污。包括分散式生活污水集中處理，以初期雨水為主的工業(yè)區(qū)低污染污水處理，沿岸排放口污染控制，支流污染攔截。(2)內(nèi)源治理。包括底泥清淤和建設底泥生態(tài)化護坡。(3)水動力優(yōu)化。進行水閘調(diào)控和推流。(4)生態(tài)修復。設置生態(tài)浮床，栽培水生植物，引入微生物凈化技術。

2 結(jié)果與討論

2.1 上覆水水質(zhì)分析

表2是神童浜整治前后上覆水的水質(zhì)分析結(jié)果。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)[24]，整治前4個點位的COD、TN、TP、NH3-N和DO全部嚴重超標，屬于劣V類水體。整治后，水體中的所有指標都得到明顯改善，尤其是DO值，除了7#點位，其他點位都達到Ⅳ類甚至Ⅱ類標準。根據(jù)《城市黑臭水體整治工作指南》[4]中關于黑臭水體的分級標準，ρ(DO)<2 mg/L可以促進厭氧菌繁殖，水體易形成黑臭，故整治前所有點位的水體達到輕度黑臭級別。整治后，3#、4#、5#點位的上覆水已不屬于黑臭水體，只有7#點位的上覆水ρ(DO)接近2 mg/L，說明對黑臭水體的整治取得良好效果。

整治后，神童浜上覆水的COD、TP、NH3-N和DO都顯著改善，TN質(zhì)量濃度相對整治前只略微下降，但4#、5#、7#點位的TP質(zhì)量濃度仍高于河道水體Ⅴ類標準，說明水體仍存在磷污染，這可能由于附近生活污水的直接排放，農(nóng)田肥料中磷酸鹽流失，以及水底沉積物中動植物殘骸的分解導致[25]。除此之外，7#點位的COD、NH3-N和DO質(zhì)量濃度在整治后略超V類標準，說明該點位仍然污染嚴重。7#點位附近有一個冷庫制造廠，平常排出的廢水中污染物以COD、揮發(fā)酚和NH3-N為主，加之附近農(nóng)田和居民較多，存在生活污水直接排放和農(nóng)田排水的現(xiàn)象，導致7#點位污染難以在短時間內(nèi)得到改善。

表2 神童浜整治前后各點位水質(zhì)指標 mg/L

2.2 上覆水對小球藻的急性毒性評價

表3是神童浜整治前后上覆水對小球藻的急性毒性測試結(jié)果。單因素方差分析結(jié)果表明，各點位上覆水中小球藻的96 h 比生長率在整治前后沒有顯著性差異(P>0.05)，部分點位與BG 11培養(yǎng)基對照組的差異性顯著(P<0.05)，且所有點位上覆水中的小球藻生長速度均高于對照組，說明上覆水對小球藻的生長起促進作用。

根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，整治后上覆水的TP質(zhì)量濃度大部分都超過《GB 3838—2002》V類標準，且TN質(zhì)量濃度也很高。結(jié)合蔣宇霞[13]研究污染流域沉積物孔隙水對綠藻的生物毒性結(jié)果，研究區(qū)域部分點位的孔隙水對綠藻生長顯示促進作用，這是因為水體中氮(N)、磷(P)等營養(yǎng)物質(zhì)濃度較高而有毒物質(zhì)濃度較低。故可判斷上覆水中N、P元素濃度較高，對藻類生長起到促進效果，并可能高于水體中有害物質(zhì)對藻類生長的抑制作用，導致實驗組比生長率高于對照組。而神童浜內(nèi)所有點位上覆水對小球藻的生長都呈現(xiàn)促進作用，說明黑臭水體上覆水的主要問題是TN、TP質(zhì)量濃度過高導致的水體富營養(yǎng)化。結(jié)果說明，將藻類生長測試應用于黑臭水體的毒性效應測試，不僅可以測試黑臭水體整治前后來自化學污染物的毒性變化，而且通過浮游藻類的生長率變化，還可以測試黑臭河體中營養(yǎng)元素的效應。

表3 整治前后上覆水對小球藻的急性毒性結(jié)果

2.3 上覆水對大型溞的急性毒性評價

表4是神童浜整治前后上覆水對大型溞的急性毒性測試結(jié)果。從48 h LC50值可以看出，神童浜整治前后，所有點位上覆水在原水所占比例為100%時，其死亡率也均未超過50%，可根據(jù)公式TU=0.02×死亡率[22]計算毒性等級。

表4 整治前后上覆水對大型溞的急性毒性評價

根據(jù)Persoone等[23]提出的毒性分級，該黑臭河體整治前，上覆水3#點位對大型溞的急性毒性表現(xiàn)為微毒，其余點位為無毒，各點位上覆水對大型溞的毒性由強到弱依次為3#、7#、5#、4#。整治后，所有點位上覆水對大型溞都沒有急性毒性作用，且大部分點位的TU相對于整治前都有所下降，證明對黑臭河體的整治改善了上覆水的水質(zhì)。

根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，7#點位污染最嚴重，但是對大型溞的毒性反而低于3#點位，說明化學指標不能反映水體中污染物對生物的實際毒性效應。這和高小輝等[26]的研究結(jié)果一致，即混合物體系中的單一組分處于無毒性效應濃度，但對混合物體系的總毒性效應仍有一定的貢獻。進一步證明傳統(tǒng)理化分析方法得出的各組分的濃度信息不能完整反映總體污染物對水生生態(tài)系統(tǒng)的影響，生物毒性檢測是評價水環(huán)境安全性的必要手段。

2.4 孔隙水對大型溞的急性毒性評價

對大型溞死亡率>50%的原水(未經(jīng)稀釋的孔隙水)按照方法1.5進行稀釋，直至大型溞48 h后的死亡率<50%，根據(jù)實驗結(jié)果計算出孔隙水對大型溞的48h LC50值，從而得出整治前后不同點位孔隙水對大型溞的急性毒性。原水所占比例為100%時，大型溞死亡率未超過50%的孔隙水，可根據(jù)公式TU=0.02×死亡率[22]計算毒性等級。

整治前，3#點位孔隙水對大型溞的48 h LC50為20.4%(95%置信區(qū)間為6.00%～30.3%)，為中毒；4#點位孔隙水原水對大型溞的死亡率只有3.33%(<50%)，為無毒；5#點位孔隙水對大型溞的48h LC50為67.52%(95%置信區(qū)間為60.98%～74.55%)，為中毒；7#點位孔隙水對大型溞的48 h LC50為39.59%(95%置信區(qū)間為31.07%～46.15%)，為中毒。

整治后，3#點位孔隙水對大型溞的48 h LC50為44.08%(95%置信區(qū)間為38.03%～49.01%)，為中毒；4#點位孔隙水原水對大型溞的死亡率只有36.67%(<50%)，為微毒；5#點位孔隙水原水對大型溞的死亡率只有35.00%(<50%)，也為微毒；7#點位孔隙水原水對大型溞的死亡率只有33.33%(<50%)，為微毒。

根據(jù)神童浜整治前后4個點位孔隙水對大型溞的急性毒性評價結(jié)果(表5)。由表5可知，整治前，除4#點位孔隙水對大型溞表現(xiàn)為無毒，其他點位都為中毒。整治后，5#和7#點位的孔隙水降為微毒，3#點位的孔隙水仍為中毒，而4#點位孔隙水毒性有所上升，表現(xiàn)為微毒。

表5 整治前后孔隙水對大型溞的急性毒性評價①

有研究表明，沉積物中富集了大量水體中的污染物，在一定條件下可重新釋放到水體中，產(chǎn)生二次污染[29]，因此推測整治后4#點位孔隙水的毒性上升可能是沉積物中污染物釋放引起的。3#、5#和7#點位毒性顯著下降證明了對黑臭河體的整治有助于改善沉積物中孔隙水的污染狀況。不同于上覆水的急性毒性結(jié)果，整治后的上覆水全都顯示無毒，整治后的孔隙水卻仍具有一定毒性，且不論是整治前還是整治后，孔隙水對大型溞的急性毒性等級都遠高于上覆水。此結(jié)果說明，沉積物中富集的污染物濃度比上覆水高得多，因此，對黑臭水體進行整治效果評價，既要檢測上覆水的毒性，也要對孔隙水的毒性進行檢測。

3 結(jié)語

神童浜經(jīng)過整治，上覆水和孔隙水的生物毒性有所下降，但仍對水生生物具有一定的的毒性風險。這是利用物理化學指標不能監(jiān)測到的，因此，在理化分析的基礎上結(jié)合生物毒性測試，能夠使得黑臭水體整治后的生態(tài)安全性得到全面評價。同時，鑒于任何物種都不可能對所有污染物敏感并適用于所有暴露途徑，因此在今后的研究中，需要增加多個營養(yǎng)級別的受試生物種類，對上覆水和孔隙水進行毒性測試，以期得到更全面的黑臭水體整治前后的生物毒性評價，為城市黑臭水體的整治效果評價提供科學依據(jù)。