徐杰明，何席偉，周嘉偉，張徐祥，任洪強

1. 江蘇省生產(chǎn)力促進中心，南京 210042 2. 南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，南京 210023

當(dāng)前，水資源危機在數(shù)量和質(zhì)量上都已成為全球性的緊迫問題，越來越受到政府、行業(yè)和學(xué)術(shù)界的關(guān)注[1]。將城市污水進行回收和再利用，是緩解水資源危機的一種重要途徑[2-3]。然而城市污水中含有種類繁多的有害化學(xué)物質(zhì)，大量研究表明，污水處理過程對有害物質(zhì)的去除不足[4-7]。這些化學(xué)物質(zhì)在排放或隨再生水長期回用過程中對生態(tài)安全及人類健康造成潛在風(fēng)險。盡管分析化學(xué)發(fā)展迅速，但由于成本和時間的限制，無法對污水中的所有污染物進行分析和鑒定。此外，單純化學(xué)分析數(shù)據(jù)不能判斷污水中復(fù)雜化學(xué)混合物的累積生物效應(yīng)及可能產(chǎn)生的環(huán)境影響。因此，為了更全面地評估城市污水在排放和回用過程中的安全性，需要采用基于生物效應(yīng)的監(jiān)測方法為化學(xué)分析方法提供重要的補充信息[1,8-9]。

大量生物實驗結(jié)果表明，城市污水處理廠出水能在細胞和個體水平上產(chǎn)生各種不良生物效應(yīng)，包括內(nèi)分泌干擾毒性、遺傳毒性、發(fā)育毒性和急性毒性等[10-12]。其中，多種毒性效應(yīng)只在出水經(jīng)過高倍濃縮下才能產(chǎn)生，如遺傳毒性和急性毒性等[13]，而污水在排放或作為生態(tài)補給水回用過程中往往會被稀釋，對于其在該狀態(tài)下是否仍能產(chǎn)生相應(yīng)的毒性效應(yīng)目前尚缺乏充足的野外生態(tài)毒理學(xué)證據(jù)。相比之下，城市污水的內(nèi)分泌干擾毒性，尤其是雌激素效應(yīng)則較為明確。1978年，一位英國魚類生物學(xué)家在利亞河(泰晤士河的一條支流)的2處污水處理廠下游發(fā)現(xiàn)魚類雌雄同體化比例顯著高于正常水平，隨后的大規(guī)模采樣調(diào)研進一步證實了這一異?，F(xiàn)象。當(dāng)時科學(xué)家們意識到排入河流的城市污水是導(dǎo)致魚類性別轉(zhuǎn)變的主要原因，而污水中具有雌激素活性的化學(xué)成分很可能是致病因素[14]。由此，科學(xué)界圍繞城市污水及其受納水體雌激素活性檢測與評估、致毒物解析及風(fēng)險控制等展開了一系列研究，在多學(xué)科交叉和融合的基礎(chǔ)上取得了諸多進展。本文圍繞這一條研究主線，以城市污水為研究對象，對污水雌激素活性表征方法、雌激素活性關(guān)鍵致毒物解析以及污水處理過程中雌激素活性削減的相關(guān)研究成果進行回顧和總結(jié)，為今后城市污水安全排放和回用提供參考。

1 城市污水雌激素活性(Estrogenic activity of municipal wastewater)

1.1 城市污水雌激素活性的概念

動物體內(nèi)產(chǎn)生的雌激素，包括雌酮(E1)、17β-雌二醇(E2)和雌三醇(E3)，通過調(diào)節(jié)各種組織細胞的代謝活動來影響機體的生理活動[15]。有些物質(zhì)由于分子結(jié)構(gòu)上與體內(nèi)的雌激素相似，能與機體各器官組織細胞表面的雌激素受體(ER)結(jié)合，發(fā)揮效應(yīng)，而表現(xiàn)出雌激素樣的作用。城市污水中不僅含有人類和動物排出的天然雌激素，也含有多種具有雌激素活性的物質(zhì)，以及能與雌激素類物質(zhì)產(chǎn)生拮抗作用的化學(xué)物質(zhì)[16]，這些物質(zhì)共同作用產(chǎn)生的雌激素效應(yīng)可反映城市污水的雌激素活性。

1.2 雌激素活性檢測方法與原理

1.2.1 卵黃蛋白原(VTG)生物標志物

動物實驗結(jié)果表明，暴露于污水中的雄性鱒魚體內(nèi)會大量合成VTG，這是一種本應(yīng)只在雌魚體內(nèi)才會大量存在的物質(zhì)[14]。由于魚類體內(nèi)VTG的合成嚴格受內(nèi)源性雌激素控制，雌激素含量越高，則VTG合成量越高。早期研究者利用這一生理反應(yīng)，將VTG作為生物標志物，檢測了城市污水及其受納水體的雌激素活性。通常的操作方法是將雄魚(虹鱒魚、斑點叉尾鮰和黑頭軟口鰷等)直接放置于污水或污水處理廠下游河流中(置于籠中)2～3周，而后測定魚血漿中VTG的含量[17-19]或肝臟中VTG基因的表達[20-21]；或?qū)⒎蛛x的魚原代肝臟細胞暴露于水樣提取物中(如采用固相萃取法獲得的水樣濃縮液)，檢測細胞培養(yǎng)液中的VTG含量[22-23]。

1.2.2 體外報告基因細胞測試法

為快速對城市污水及相關(guān)環(huán)境樣品的雌激素活性進行定性和定量評估，研究者開發(fā)了一系列基于配體結(jié)合的體外報告基因的生物測試方法，其中，以酵母菌為載體的報告基因法，如以Saccharomycescerevisiae為載體的重組酵母雌激素篩檢法(YES)和以Arxulaadeninivorans為載體的重組酵母雌激素篩檢法(A-YES)，以及以人源細胞為載體的報告基因法，如以人骨肉瘤細胞U2OS為載體的雌激素受體報告基因法(ERα-CALUX)、以人乳腺癌細胞T47D為載體的雌激素受體報告基因法(T47D-KBluc)和以人乳腺癌細胞MCF-7為載體的雌激素受體報告基因法(MELN)等最為常見(表1)。其原理在于ER介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，即具有雌激素活性的物質(zhì)(配體)進入細胞后可與ER蛋白結(jié)合使其發(fā)生構(gòu)象改變，進而轉(zhuǎn)移至核內(nèi)與雌激素響應(yīng)原件(ERE)結(jié)合誘導(dǎo)相關(guān)基因(如ERα或ERβ)表達。將一段報告基因序列融入ERE啟動子后，被配體激活的ER可啟動ERE中報告基因的表達，隨著配體濃度的增加，報告基因蛋白呈劑量依賴性增加，通過檢測報告基因蛋白即可對配體進行定量測定(圖1)。常見的報告基因有β-半乳糖苷酶基因(lacZ)、螢火蟲熒光素酶基因(luc)、β-內(nèi)酰胺酶基因(bla)、肌醇六磷酸酶基因(phyK)和細菌生物發(fā)光基因(lux)等，其中l(wèi)acZ、luc、bla和phyK的信號檢測需要添加相應(yīng)的底物，而lux的信號則可直接檢測，方便快捷。在評估城市污水及其受納水體的雌激素活性時，通常將樣品進行固相萃取后進行體外測試。相比于傳統(tǒng)方法，報告基因法的優(yōu)點在于靈敏度高、定量準確和操作簡便，結(jié)合微孔板使用可實現(xiàn)高通量篩選。然而，這些方法的局限性是其只能確定配體與受體的結(jié)合，但這并不一定意味著內(nèi)分泌干擾在體內(nèi)發(fā)生，或生物體受到不利影響[24]。

圖1 報告基因細胞測試原理圖Fig. 1 Scheme of the cell-based in vitro reporter gene assay

表1 雌激素活性體外報告基因測試方法Table 1 In vitro reporter gene assay for determining estrogenic activity

值得注意的是，由于不同細胞載體對具有雌激素活性的物質(zhì)敏感性不一，會導(dǎo)致不同測試方法的靈敏度存在差異。通常情況下人源細胞對E2的敏感度更高，相應(yīng)的檢測限較酵母細胞可低約一個數(shù)量級[34]。但由于酵母法在試驗過程中對無菌環(huán)境的要求以及檢測成本較低，其操作性優(yōu)于人源細胞法[35]。此外，不同測試方法對樣品檢測的準確度和重復(fù)性也有所差異。Kunz等[34]比較了5種常用雌激素活性檢測方法YES、ERα-CALUX、MELN、T47D-KBluc和ERα-GeneBLAzer在同日和日間測試中的準確度和重復(fù)性，發(fā)現(xiàn)5種方法檢測結(jié)果的平均變異系數(shù)(CV)為32%，同日試驗的變異系數(shù)(30%)低于日間試驗(37%)。5種方法中，ERα-CALUX的準確度和重復(fù)性最好(總CV為13%)。Leusch等[35]在類似的對比實驗中同樣發(fā)現(xiàn)ERα-CALUX有優(yōu)良的表現(xiàn)。但由于該方法的使用需要支付高昂的授權(quán)費用，在一定程度上限制了其推廣應(yīng)用。

1.2.3 其他方法

除了報告基因測試法外，常用的雌激素活性體外試驗法還包括乳腺癌細胞MCF-7細胞增殖法(E-Screen)[36-37]。此外，生物傳感器[38-40]和轉(zhuǎn)基因斑馬魚[41-42]等工具的開發(fā)使得污水雌激素活性的在線和實時監(jiān)測成為可能。生物傳感器是一種結(jié)合了生物識別原件(如細胞和蛋白質(zhì)等)和物理傳感器(如電化學(xué)和光學(xué)傳感器等)的獨立集成裝置，可將生物反應(yīng)事件成比例地轉(zhuǎn)換成電化學(xué)或光學(xué)信號，以此確定樣品中目標配體的有效濃度。如Liu等[40]開發(fā)了一種基于ER的倏逝波熒光生物傳感器，其利用三功能小分子-蛋白質(zhì)偶聯(lián)物作為信號探針，同時充當(dāng)信號轉(zhuǎn)換、信號識別和信號報告元件，用于直接測定水樣中的雌激素活性，檢測限可達1.05 μg·L-1E2；而Pham等[39]基于轉(zhuǎn)基因酵母Arxulaadeninivorans開發(fā)的生物傳感器利用phyK酶還原底物產(chǎn)生的電化學(xué)信號進行定量，可在無需對污水進行滅菌和濃縮的情況下對其雌激素活性進行在線測定，不同鹽度下的檢測限低至3.7～9.8 ng·L-1E2。相比之下，轉(zhuǎn)基因斑馬魚結(jié)合了體內(nèi)模型的生物學(xué)相關(guān)性，考慮了全身效應(yīng)和活性物質(zhì)的生化代謝，能夠更真實地反映污染物產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)。Bakos等[42]開發(fā)的轉(zhuǎn)基因斑馬魚Tg(vtg1:mCherry)在接觸雌激素活性物質(zhì)后能表達體內(nèi)的紅色熒光蛋白基因，通過影像系統(tǒng)捕捉熒光信號的形式可直接對污水進行監(jiān)測，在成魚階段的檢測限可達5 ng·L-1E2。

1.3 城市污水雌激素活性水平

隨著城市污水處理廠下游魚類性別轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象在全球范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注，各國也陸續(xù)對其城市污水的雌激素效應(yīng)開展了調(diào)研工作(表2)。在評估城市污水雌激素活性時，通常將樣品中所有化學(xué)物產(chǎn)生的雌激素活性總和表征為E2當(dāng)量(EEQ)，方法如式(1)所示：

表2 不同地區(qū)城市污水雌激素活性水平Table 2 Estrogenic activity of municipal wastewater in different geographical locations

EEQ=E2-EC50/sample-EC50

(1)

式中：E2-EC50為E2的50%最大效應(yīng)濃度，sample-EC50為樣品產(chǎn)生E2 50%最大效應(yīng)時的濃縮系數(shù)。

大量研究結(jié)果表明，在全球范圍內(nèi)，城市污水中普遍檢測出雌激素活性。早期此類研究主要集中在歐美發(fā)達國家，如2002年，Kirk等[43]采用YES法對英國5座污水處理廠進出水樣進行檢測發(fā)現(xiàn)，總體約70%以上的雌激素活性在污水處理過程中可被去除，出水的EEQ范圍從低于檢測限至17 ng·L-1；2003年，Svenson等[44]對瑞典20座污水處理廠進行了采樣調(diào)研，YES法檢測結(jié)果顯示，進水和出水的EEQ范圍分別為1.6～30 ng·L-1和<0.1～15 ng·L-1；2007年，F(xiàn)ernandez等[45]利用YES法檢測發(fā)現(xiàn)加拿大4座污水處理廠進水的EEQ范圍為30～106 ng·L-1，出水的為9～98 ng·L-1；近期，V?litalo等[13]利用ERα-CALUX法檢測發(fā)現(xiàn)，芬蘭7座污水處理廠進水的EEQ范圍為0.45～32 ng·L-1，出水的為0.61～3.1 ng·L-1。

其他國家也有類似的檢測結(jié)果。如Kibambe等[46]利用T47D-KBluc法對南非的3座污水處理廠進行采樣檢測，發(fā)現(xiàn)進水的EEQ范圍為1.4～50.7 ng·L-1，出水的為0.3～12.2 ng·L-1。中國的相關(guān)研究主要集中在一些發(fā)達城市(如北京市、上海市和武漢市等)的污水處理廠[47-52]。檢測結(jié)果顯示這些地區(qū)污水廠進水的EEQ范圍為15.6～159.5 ng·L-1，出水的為3.37～41.1 ng·L-1，檢測方法以YES法為主。

總體來說，城市污水雌激素活性的波動范圍很大，EEQ值從零點幾到幾百ng·L-1?？赡艿脑蚴遣煌鬯幚韽S接納的污水來源有所差異，如含有不同比例的工業(yè)廢水或納污管道是否雨污分流等；此外，不同檢測方法的選擇以及不同實驗室在操作過程中的誤差也可能造成檢測結(jié)果的差異性。從地理分布上看，各國城市污水的雌激素活性水平并不存在明顯的地區(qū)差異性，提示在英國河流中發(fā)現(xiàn)的魚類性別轉(zhuǎn)變現(xiàn)象應(yīng)作為一個全球性問題引起廣泛關(guān)注。

2 城市污水雌激素活性關(guān)鍵致毒物解析(Identification of key toxicants of estrogenic activity in municipal wastewater)

城市污水中存在各種各樣能夠干擾內(nèi)源性雌激素調(diào)節(jié)的物質(zhì)，識別該體系中雌激素活性的主要貢獻者，對于精準實施污水雌激素效應(yīng)風(fēng)險評估與控制至關(guān)重要。混合體系中單一化學(xué)物對總體生物活性的貢獻不僅取決于物質(zhì)的濃度，也取決于物質(zhì)的活性效力[8]。盡管在城市污水中多數(shù)物質(zhì)的濃度相對較高，但由于其類雌激素效力太小，無法對城市污水的總體雌激素活性產(chǎn)生顯著貢獻。

大量基于效應(yīng)導(dǎo)向分析(effect-directed analysis, EDA)的研究表明，城市污水中內(nèi)源性和合成類固醇雌激素是污水總體雌激素活性的主要貢獻者[62,68-71]。EDA的研究思路是將樣品分餾與生物篩選相結(jié)合，在不斷篩檢活性組分的過程中逐步使復(fù)雜樣品單一化，再輔以化學(xué)分析，最終甄別活性物質(zhì)。1998年，Desbrow等[68]基于EDA方法甄別英國城市污水中雌激素活性物質(zhì)，在分離的活性提取物中發(fā)現(xiàn)存在內(nèi)源性雌激素E1、E2和合成類固醇雌激素17α-乙炔基雌二醇(EE2)，濃度范圍為0.2～80 ng·L-1，該濃度下的雌激素類物質(zhì)被證明能夠引起魚類血漿VTG水平升高[72]。Snyder等[73]對美國密西根州3個污水處理廠水樣進行分餾分析，發(fā)現(xiàn)E2和EE2是樣品雌激素活性的主要貢獻者(占總EEQ的88%～99%)；相似地，Sonavane等[69]使用EDA法將瑞士1個污水處理廠出水樣品分成40個組分，在其中3個活性組分中發(fā)現(xiàn)E2和EE2對雌激素活性的貢獻率為41%～67%。此外，在法國巴黎[70]、日本東京[62]和中國南京[71]的污水處理廠中，類固醇雌激素物質(zhì)被確定為導(dǎo)致污水產(chǎn)生雌激素效應(yīng)的主要活性物質(zhì)。有研究者將分餾鑒定方法運用到生物體樣品中發(fā)現(xiàn)，類固醇雌激素同樣是污水處理廠下游魚類膽汁和腸道中雌激素活性的主要貢獻者[74-75]。

大量研究通過計算化合物雌激素當(dāng)量(chemEEQ)與體外試驗測定的樣品雌激素當(dāng)量(bioEEQ)的比值來評估樣品中已知化合物對樣品雌激素活性的貢獻率(式(2))。chemEEQ的計算方法為化合物在樣品中的濃度乘以其相應(yīng)的E2雌激素效力(REP)，而多種化合物的chemEEQsum為各單獨化合物的chemEEQ之和(式(3))。這些研究的主要結(jié)論同樣是類固醇雌激素對污水的雌激素活性起主要貢獻[58,64-65,76-77]。如在澳大利亞5座污水處理廠沿程采集的水樣中，由化學(xué)檢測結(jié)果計算得到的E1、E2、E3和EE2的chemEEQsum對水樣bioEEQ的貢獻比例為60%～100%[64]；德國16座污水處理廠出水中E1、E2和EE2的chemEEQsum占水樣bioEEQ比例的90%以上[58]。產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因是內(nèi)源性和合成類雌激素的REP通常比其他化合物高數(shù)個數(shù)量級。在這些研究中，已知化合物的chemEEQsum通常與樣品bioEEQ間存在良好的線性相關(guān)性，表明通過這種計算得到的chemEEQ能在一定程度上對水樣實際雌激素活性有良好的解釋。但是，有研究表明，在一些樣品中已知類固醇雌激素的chemEEQsum與bioEEQ存在明顯差異[18,52]，可能的原因包括化學(xué)分析和生物分析準確度的綜合不確定性，以及水樣中其他擬/抗雌激素活性物質(zhì)的干擾。

貢獻率=chemEEQ/bioEEQ×100%

(2)

chemEEQsum=ΣchemEEQi=ΣREPi×ci

(3)

式中：REPi為化合物i的雌激素效力；ci為化合物i的濃度。

雖然，目前普遍認為類固醇雌激素為引起城市污水雌激素活性的關(guān)鍵物質(zhì)，在一些特定情況下，如城市污水中混入較高比例工業(yè)廢水時，烷基酚和雙酚A(BPA)等化合物也可貢獻相當(dāng)比例的雌激素活性。這些化合物本身具有較高的REP，且相較于類固醇雌激素通常為ng·L-1水平的濃度，這些物質(zhì)在城市污水中的濃度可達μg·L-1級別[78]。其中，壬基酚(NP)和辛基酚(OP)是2種最重要的烷基酚聚氧乙烯醚轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，它們作為非離子表面活性劑被廣泛用于印染、洗滌和化工等行業(yè)[79]。研究發(fā)現(xiàn)印染廢水的EEQ可達4.12 ng·L-1，而NP的貢獻為70%以上[80]。對于混雜一定比例印染廢水的城市污水而言，NP對雌激素活性的貢獻不可忽視。類似地，V?litalo等[81]發(fā)現(xiàn)在一座接納造紙廢水的城市污水處理廠，BPA對出水雌激素活性的貢獻率高達37%。此外，當(dāng)城市污水中植物雌激素濃度較高時，其雌激素活性貢獻率也不可忽視。例如，Liu等[82]通過計算發(fā)現(xiàn)了一個城市污水處理廠出水中6種植物雌激素的chemEEQ占chemEEQsum(包括E1、E2、E3和EE2在內(nèi))的4.5%以上[83]；此外，在2座城市污水處理廠的12個進水樣品中，大豆苷元的貢獻率占chemEEQsum的3.0%～14.8%[84]?？偟膩碚f，在植物產(chǎn)品制造商附近或大豆消費量較高地區(qū)，城市污水中存在的多種植物雌激素可能對污水總體雌激素活性具有一定貢獻[82]。

3 污水處理對城市污水雌激素活性的削減(Reduction of estrogenic activity in municipal wastewater treatments)

3.1 常規(guī)生化處理

眾所周知，城市污水處理廠在設(shè)計之初是為了去除污水中的化學(xué)需氧量(COD)及氮、磷等常規(guī)污染物，其對污水毒性，尤其是雌激素活性的削減性能并不在工藝設(shè)計的考量范圍內(nèi)。由于雌激素物質(zhì)及具有類似分子結(jié)構(gòu)的化合物在自然界中能夠發(fā)生微生物降解[85]，而城市污水處理廠主要通過微生物作用去除污染物，這使得城市污水在處理過程中雌激素活性得以削減或去除成為可能。由表1可知各國污水處理廠運行效果，其中，常規(guī)生化處理對實際污水雌激素活性削減率的變化范圍雖然較大(16%～99%)，但低削減效率的情況只占少數(shù)，總體來說，常規(guī)生化處理能夠較好地削減污水的雌激素活性(80%～90%)。相似地，V?lker等[86]整理了22篇相關(guān)報道的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)常規(guī)生化處理對污水雌激素活性的平均削減率高達91.8%。

常見的生化處理工藝包括以活性污泥為主體的傳統(tǒng)活性污泥法(CAS)、氧化溝法和厭氧/缺氧/好氧法(A/A/O)等，以及以生物膜為主體的移動床生物膜反應(yīng)器法(MBBR)和滴流生物濾池法等。在一些對比研究中發(fā)現(xiàn)，不同工藝在實際處理過程中對雌激素活性的削減性能有所差異。如Kibambe等[46]評估了南非2座污水處理廠處理效果發(fā)現(xiàn)，采用活性污泥法對雌激素活性的削減率為85%，而采用厭氧塘+滴流生物濾池工藝的削減率則為67%。在另一項研究中，單獨滴流生物濾池工藝對污水雌激素活性的去除率僅為25%，顯著低于普遍報道的活性污泥法工藝[45]。但目前此類工程案例的對比數(shù)據(jù)仍較少，這種差異是否在實際污水處理過程中普遍存在尚不清楚。近期有研究通過在懸浮污泥池中添加懸浮填料的方式將活性污泥法與生物膜法相結(jié)合，此法能夠增加緩慢生長微生物的生物量，并可提升污水中微污染物的去除率，在雌激素活性削減方面有較高潛力[87]。

基于微生物降解污染物的特性，常規(guī)生化處理過程中一些運行參數(shù)的變化會對污水雌激素活性的削減效率產(chǎn)生影響。如增加污泥停留時間(SRT)和水力停留時間(HRT)能有效提高雌激素、BPA和NP等物質(zhì)的去除率[80,88-89]。此外，自然因素如溫度和pH等的變化也可能通過影響微生物活性而改變其對污水雌激素活性的削減性能。Manickum和John[76]對比了同一污水處理廠不同季節(jié)的處理效率，發(fā)現(xiàn)相比于秋季(平均溫度19.8 ℃)，冬季(平均溫度14.2 ℃)的雌激素去除率會降低10%。

除上述影響因素外，生化處理過程中硝化程度的高低也會影響污水雌激素活性的削減。Margot等[90]發(fā)現(xiàn)在移動床生物膜反應(yīng)器(MBBR)運行過程中，污水雌激素活性的削減率隨硝化程度升高而增加?？赡艿脑蚴前毖趸毦?AOB)通過共代謝作用促進了雌激素類物質(zhì)的降解[91]。

3.2 深度處理

常規(guī)生化處理雖然能大幅削減城市污水的雌激素活性，但生化出水的EEQ值通常仍較高，為確保污水在排放和回用過程中的安全性，需要進一步對生化出水進行深度處理。目前，深度處理主要以物化處理方式為主，常見的包括以高級氧化為作用形式的臭氧處理技術(shù)，以及以物理吸附作用為主的活性炭處理技術(shù)等。

3.2.1 臭氧處理

臭氧可作用于生化出水中殘留的有機物，使其發(fā)生降解轉(zhuǎn)化。臭氧的作用形式一般包括臭氧直接反應(yīng)和臭氧反應(yīng)生成的羥基自由基(HO·)間接反應(yīng)2種反應(yīng)機理，產(chǎn)生的HO·主要來源于污水中特定的有機物基團(如酚類或胺類)[92]。由于污水中的有機物具有較高的HO·生成潛力，污水臭氧氧化可被視為高級氧化。

由于雌激素類物質(zhì)以及具有雌激素活性的酚類等化合物容易受到臭氧作用的攻擊[92]，臭氧處理被認為具有較高的雌激素活性削減潛能。在臭氧處理過程中，污水中的溶解性有機物(DOC)和亞硝酸鹽(N-NO2)對臭氧和HO·消耗起主導(dǎo)作用[90]，因此，臭氧使用劑量往往根據(jù)污水中的DOC或N-NO2含量而定。通常情況下，臭氧劑量在0.4～0.8 mg O3·mg-1DOC時，污水雌激素活性的削減率>90%(表3)。在一些報道中，更低劑量(0.2～0.3 mg O3·mg-1DOC)的臭氧也有高達85%以上的雌激素活性削減效果[93]。Reungoat等[94]對比了臭氧處理前后的生化出水，發(fā)現(xiàn)0.5 mg O3·mg-1DOC劑量的臭氧氧化使污水EEQ降低了95%，而DOC卻沒有受到影響，可知，此劑量下的臭氧和HO·氧化并非通過礦化作用降低污水雌激素活性，而是將雌激素類化合物轉(zhuǎn)化成雌激素活性更低的副產(chǎn)物。

研究表明，當(dāng)臭氧劑量被清除劑當(dāng)量濃度標準化時，更高劑量(以mg O3·mg-1清除劑當(dāng)量為單位)臭氧往往可使污水中大多數(shù)微污染物的去除率更高[90]。然而值得注意的是，在污水臭氧氧化過程中會產(chǎn)生有毒氧化副產(chǎn)物，如致癌的溴酸鹽、亞硝胺或甲醛等[90]。為減少產(chǎn)生此類物質(zhì)的危害，通常在臭氧處理后端增加具有生物活性的砂濾處理，此過程也可進一步削減污水殘留的雌激素活性[90,95]。

3.2.2 活性炭處理

活性炭因其高孔隙率、大表面積和高度的表面相互作用而被普遍認為具有對廣譜微污染物的吸附能力。研究發(fā)現(xiàn)，孔徑為2～50 nm的活性炭對污染物的吸附性能最佳[96]。活性炭通常以粉狀(PAC)漿液加入接觸式反應(yīng)器中，或在填充床過濾器中以顆粒形式(GAC)應(yīng)用。吸附過程的基本原理是將污染物從液相轉(zhuǎn)移到固相。

活性炭吸附過程的有效性受被吸附化合物的性質(zhì)(如疏水性、化學(xué)結(jié)構(gòu)和電荷)影響[92]。污水中的雌激素類物質(zhì)對活性炭的吸附位點有較高的競爭力[92]，使得活性炭處理能很好地削減污水的雌激素活性。通常情況下，濃度為10～20 mg·L-1的活性炭能夠削減污水70%～80%的雌激素活性(表3)。更高濃度的活性炭理論上具有更高的吸附效能，但與臭氧類似，活性炭的吸附受污水中有機物含量的限制，在競爭性有機物(如DOC)含量較高的水中，活性炭去除目標污染物的吸附能力比DOC負荷低的水中更弱[97]。此外，DOC的性質(zhì)，如分子量、疏水性和酸堿性等也是重要的影響因素，低分子量化合物的存在對目標污染物的吸附容量有不利影響[98]。由于污水生化處理方法的不同(如硝化程度)會使得出水DOC濃度和組成發(fā)生變化，進而可能導(dǎo)致相同活性炭劑量下的雌激素活性去除率不同。目前有關(guān)生化處理方式影響活性炭削減雌激素活性的相關(guān)研究較少，但Margot等[90]通過批次試驗對不同生化處理水平(無硝化法和完全硝化)的污水中的5種微污染物進行了檢測，發(fā)現(xiàn)在完全硝化的生化出水中觀察到更高的活性炭吸附效率。在DOC為5～10 mg·L-1的污水中，通常10～20 mg·L-1活性炭劑量可實現(xiàn)80%以上的總微污染物去除率[90]。

表3 深度處理削減城市污水雌激素活性效果Table 3 Effects of advanced treatment for reducing estrogenic activity of municipal wastewater

4 總結(jié)與展望(Conclusions and perspectives)

雌激素活性作為城市污水的特征毒性之一，在全球范圍內(nèi)的城市污水中普遍檢出。雖然城市污水雌激素活性的危害已受到了廣泛關(guān)注，但不同地區(qū)的研究程度仍存在差異。目前我國關(guān)于城市污水雌激素活性的研究多集中在部分發(fā)達城市，而欠發(fā)達地區(qū)的相關(guān)研究較少。基于報告基因的體外測試法因其快速、準確、靈敏和高通量的優(yōu)點在城市污水雌激素活性檢測中廣泛使用，尤其是以酵母菌為載體的YES方法。而生物傳感器和轉(zhuǎn)基因斑馬魚等工具的開發(fā)使得污水雌激素活性的在線和實時監(jiān)測成為可能。這些生物檢測方法的不斷開發(fā)和優(yōu)化為后續(xù)污水及其受納水體雌激素活性監(jiān)測的常態(tài)化提供了有力工具。

目前普遍認為城市污水雌激素活性的致毒物主要為內(nèi)源性和合成類固醇雌激素，包括E1、E2、E3和EE2。在工業(yè)廢水含量較高的污水廠，烷基酚、BPA或植物雌激素等物質(zhì)也可能貢獻部分雌激素活性。關(guān)鍵致毒物解析對于精準實施污水雌激素效應(yīng)風(fēng)險評估與控制至關(guān)重要，同時也為開展污水中復(fù)合污染的生態(tài)毒理學(xué)研究，闡釋污水毒害效應(yīng)的致毒機理提供依據(jù)。針對特定污水，后續(xù)研究可進一步關(guān)注化學(xué)分析與生物測試結(jié)果之間的相關(guān)性，結(jié)合非靶向篩查技術(shù)精準識別潛在致毒物質(zhì)。

在城市污水處理過程中，常規(guī)生化處理能夠大幅削減其雌激素活性，但生化出水的EEQ通常仍較高，為保障污水在排放或回用時的安全性，深度處理往往必不可少。臭氧氧化和活性炭吸附作為常用的深度處理手段，對削減污水雌激素活性有良好的效果，但目前觀測到的數(shù)據(jù)多基于小試或中試運行實驗，其實際效果仍需進一步在污水處理廠的現(xiàn)場運行中進行評估。對于城市污水雌激素活性的強化削減，在生化處理過程中可重點關(guān)注主導(dǎo)雌激素類物質(zhì)降解的關(guān)鍵功能菌和功能基因的動態(tài)演變及影響因素；而對于末端處理，在控制經(jīng)濟成本情況下，可引入新興的深度處理工藝，如紫外-過氧化物高級氧化工藝等，或采用組合工藝法以實現(xiàn)污水的無害化處理。

◆