环境水样的青海弧菌生物毒性检测及毒性成因研究

发布时间：2020-04-28 11:14

【摘要】：环境水样的生物毒性检测已经成为常规水环境监测的重要补充，它能反映污染物对生物、环境以及人体的综合毒性效应。但是，与其它化学和仪器分析技术相比，生物毒性检测还是相对较新的技术，尚处于发展和不断完善的阶段。采用生命周期较长的受试生物进行毒性检测的专业性较强，很难在一般的实验室内完成，与此相比，基于发光细菌的生物毒性检测具有分析周期短、操作简单易行等优点而被广泛采用。在用于测试的发光细菌中，起源于我国的青海弧菌（Vibrioqinghaiensis sp. Q67，简称“Q67”）是一种淡水发光细菌，可在不调整样品盐分的条件下进行生物毒性检测，具有广阔的应用前景。与其它发光细菌一样，Q67生物毒性检测对于低浓度样品的检测灵敏度有限，且易受共存无机离子的干扰。为了扩大Q67生物毒性检测的应用范围，提高检测的灵敏度，本论文从环境水样的预处理到Q67检测方法的优化开展了一系列研究，并应用所建立的方法研究了典型污废水的生物毒性成因。本论文是国家自然科学基金重点项目的部分研究内容。针对有机污染物的生物毒性检测，建立了固相萃取（SPE）和Q67急性生物毒性检测联用技术；针对有机污染物和无机污染物生物毒性的同时检测，以及无机盐刺激发光干扰的排除，建立了反渗透（RO）和Q67慢性毒性检测联用技术；运用SPE-Q67和RO-Q67检测方法，分析测试了多种环境样品的生物毒性，证明了方法的适用性，并针对城市生活污水和污染物构成不同的几种典型工业废水，结合化学分析和Q67毒性检测，研究了污废水的生物毒性成因。论文的主要工作和成果如下：（1）针对以有机物为主要污染物的低毒性环境样品，建立了SPE-Q67急性生物毒性检测联用方法。通过固相萃取条件的优化，实现了样品中有机毒性物质的富集和浓缩；通过起始发光值、加菌量、暴露时间、pH值等参数对发光细菌检测的影响分析，确定了Q67急性毒性微孔板检测的标准条件为：起始菌悬液发光值控制在3×106~4×106RLU；加菌量和待测样品体积均为100μL；暴露时间为15min；测试溶液pH值在5~10之间。实验结果表明，本研究建立的SPE-Q67急性生物毒性检测法对试样的有机毒性检测具有较高的灵敏度和良好的重现性。（2）针对无机污染物的生物毒性不可忽视的环境样品，建立了RO-Q67慢性毒性检测联用方法。以总有机碳（TOC）和电导率作为试样浓缩过程中有机物和无机离子富集的判别指标，确立了RO样品浓缩的操作方法，实现了有机污染物和无机污染物的同时有效浓缩；通过延长Q67暴露时间的连续实验，考察了Q67接种后的生长规律及对试样中富集的营养物质的利用情况，确定了暴露10h为评价试样的综合毒性，且有效排除无机盐干扰的适宜条件。实验结果表明，本研究建立的RO-Q67慢性毒性检测法对试样有机和无机毒性的综合检测具有较高的灵敏度和良好的重现性，扩展了Q67生物毒性检测的应用范围。（3）将建立的两种Q67生物毒性检测法应用于城市污水处理过程的生物毒性削减功效的评价。SPE-Q67急性生物毒性检测结果表明，在以活性污泥法二级处理工艺为主的城市污水处理中，有机物导致的急性毒性指数（TII50）值由进水的50.51%可降低到二级出水的1.38%，表明随着有机污染物的生化降解，其急性毒性得到有效抑制；但二级处理水加氯消毒后，出水的TII50值略有上升，表明氯和二级处理水中残余的腐殖酸类微生物产物反应生成的消毒副产物具有急性毒性；二级处理水经活性炭吸附后，有机污染物浓度进一步降低，水的急性毒性也得到进一步消减。RO-Q67慢性毒性检测结果表明，在活性污泥法二级处理中，，无机物和有机物共同导致的慢性生物毒性指数TII50值由进水的47.62%降低到二级出水的6.21%，慢性毒性的消减幅度略低于急性毒性，表明常规二级生物处理尚不能高效去除生物毒性效应缓慢的物质。（4）通过有机物分馏对城市生活污水中不同组分有机物的生物毒性进行了评价。采用SPE进行有机物萃取，通过不同极性的有机溶剂洗脱提取极性、弱极性和非极性有机物并进行Q67急性毒性检测。结果表明，极性和弱极性有机物是生活污水急性毒性的主要来源，并且单位质量的有机物中弱极性组分对急性毒性的贡献最大。采用三种树脂对污水中的有机物进行分馏，获得按亲疏水性和酸碱中性划分的6种有机物组分并进行慢性生物毒性检测。结果表明，原污水和二级处理水中的有机物含量均以亲水中性和疏水酸性物质为主，但对原污水而言，疏水中性有机物对慢性毒性的贡献最大，而对二级处理水而言，残余的慢性生物毒性是由亲水中性有机物引起的。（5）将化学分析与Q67生物毒性检测相结合，针对从不同工业企业（焦化、电镀、印染、采气、采油）采集的重金属、有机物含量各不相同的工业废水进行毒性评价，探讨了废水的生物毒性成因。以废水中普遍存在的Cu，Hg，Cr，Zn，Cd，Pb等重金属离子为对象进行急性毒性分析，确定了表征每种重金属离子急性毒性的有效浓度EC50,metal；以废水中普遍存在的6种有机物为对象进行急性毒性分析，确定了表征每种有机物急性毒性的有效浓度EC50,TO（C以TOC浓度为指标）；对各种废水样品进行梯度稀释后进行急性毒性分析，确定了表征每种废水急性毒性的有效浓度EC50,%（以稀释百分比为指标）。基于这些有效浓度指标进行对比分析，结果表明：EC50,%可以作为比较不同废水急性毒性的宏观指标，即EC50,%值越小，急性毒性越强；将对应于EC50,%的稀释条件下的废水TOC浓度与各种有机物（尤其是高毒性有机物）的EC50,TOC值进行比较，从数值的接近程度可判断有机物对该废水生态毒性的贡献；将对应于EC50,%的稀释条件下的废水中存在重金属种类和相应的浓度与各种重金属离子的EC50,metal值进行比较，从数值的接近程度可判断重金属对该废水急性毒性的贡献。通过上述分析比较，结合Q67慢性毒性分析，可综合评价废水的生物毒性及其成因，为基于生物毒性控制的污废水处理方法选择提供理论依据。
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X832

【参考文献】