垃圾渗滤液生物毒性检测技术的应用与展望
Application and outlook of biotoxicity detection technique for landfill leachate
Received: 2019-03-5
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垃圾渗滤液对周边地表水、地下水及土壤会产生较大的环境隐患。渗滤液排放标准中主要考察COD、BOD5、重金属等理化指标。但通过经济高效的生物毒性检测技术更能体现出渗滤液对环境的威胁程度。目前渗滤液生物毒性检测技术种类繁多,但缺乏系统的总结与对比。介绍了不同营养级生物作为垃圾渗滤液生物毒性检测受试生物的应用情况,分析了不同生物毒性检测技术的利弊,展望了垃圾渗滤液生物毒性检测技术的发展方向。
关键词:
Landfill leachate brings about comparatively big environmental hidden dangers to peripheral surface water, underground water and soil. The physicochemical indexes of landfill leachate discharge standard, such as COD, BOD5, heavy metal, etc. have been investigated mainly. However, the economic and efficient biotoxicity detection techniques can better assess the threat level of landfill leachate to the environment. Nowadays, there are a great variety of biotoxicity detection techniques for landfill leachate, but there are not sufficient summary and comparison. The application situation of different kinds of organisms at trophic level as subject organisms of landfill leachate biotoxicity detection techniques is introduced, the pros and cons of the techniques analyzed, and the development direction of the techniques predicted.
Keywords:
本文引用格式
何祥, 李晓彤, 傅金祥, 高阳, 李晓溪, 徐坤.
He Xiang.
城镇化进程的加快虽然有效改善了城镇居民的生活水平,但随之产生的环境问题却不容忽视。大量的城市生产、生活垃圾亟需得到有效处理。卫生填埋作为最经济有效的垃圾处理方式,占据了垃圾总产量70%以上的处理份额。但由雨水淋滤和垃圾自带水产生的垃圾渗滤液又成为了地表水及地下水的新型污染源。垃圾渗滤液水质复杂,其中含有大量的溶解性有机物、异型生物质有机物、氮类污染物、无机盐及重金属等污染物〔1〕。
目前,用来检测垃圾渗滤液、垃圾渗滤液膜处理浓缩液及处理后出水的生物体主要包括细胞体、哺乳动物、鱼类、植物、无脊椎动物、藻类、细菌等。有些研究者还研究了垃圾渗滤液理化指标与生物毒性之间的相关性。本研究旨在总结目前不同营养级生物体在垃圾渗滤液毒性检测中的应用情况,对比各类受试生物的优劣势,同时分析了垃圾渗滤液生物毒性检测的发展趋势。
1 垃圾渗滤液的水质特征
垃圾渗滤液是一种水质复杂、污染物浓度高、水质变化幅度大的高浓度有机废水。随着垃圾填埋场服务年限的增长,垃圾渗滤液表现出不同的水质特征。
渗滤液按填埋年限通常划分成三类:初期渗滤液(填埋年限< 5 a)、中期渗滤液(填埋年限为5~10 a)、晚期渗滤液(填埋年限>10 a)〔1〕。一般认为,因填埋初期垃圾中的可降解有机物含量较高,分解速率快,堆体内处于酸化阶段。因此,初期渗滤液中COD浓度较高,但氨氮含量较低,挥发性脂肪酸含量较高,pH也相对较低,重金属含量相对较高。
中晚期垃圾渗滤液中COD和初期渗滤液相比急剧下降,且有机物主要以腐殖质类物质为主,因此可生化性较差,同时氨氮含量急剧升高。垃圾腐熟后对重金属的吸附作用明显增强,且厌氧阶段大量的硫酸盐还原菌产生的硫化物会与重金属形成沉淀,因此晚期渗滤液中重金属含量大幅降低〔4〕。
2 毒性检测的评价方法
污染物毒性强度指标常以半最大效应浓度(EC50)和半致死浓度(LC50)表征。J. Marsalek等〔8〕按照EC50范围划定的污水生物毒性等级为:(1)EC50>100,无毒;(2)100>EC50>40,具有潜在毒性;(3)40>EC50>10,有毒;(4)EC50 < 9,剧毒。
此外,国内外还建立了与污水、土壤、降解产物、发酵产物、农药等不同污染源的毒性分级及综合评价体系,其中包括了综合生物毒性评价、潜在生物毒性评价和沉积物毒性等。
G.Persoone等〔9〕提出了一种简易的两步法毒性量化体系并应用于废石堆体和受污染土壤中产生的渗滤液的生物毒性评定。通过将测试得到的EC50和LC50通过式(1)换算成毒性指标(TU),通过TU的范围确定受试样品的生物毒性。
按照TU范围划定的废水生物毒性分级:TU<0.4,Ⅰ级,无毒;0.4<TU<1, Ⅱ级,微毒;1<TU<10,Ⅲ级,有毒;10<TU<100,Ⅳ级,高毒;TU>100,Ⅴ级,剧毒。
3 垃圾渗滤液采用的受试生物体
由于理化指标体现的是现阶段垃圾填埋场污染物的控制指标,不能深刻地表现出垃圾渗滤液对环境的影响。需要采用活的有机体作为受试生物来表征垃圾渗滤液的抑制或致死特性。渗滤液对不同的实验体产生的影响表征不尽相同(体积变化、发光性变化、发芽率变化、蒸腾作用变化、生长抑制、致死等)。垃圾渗滤液生物毒性检测的难点在于针对不同的污染物选取敏感性高、代表性强的受试生物,而且这些受试生物要易于在实验室培养,实验条件相对限制较低。概括总结了应用于垃圾渗滤液毒性检测的受试生物种类。
3.1 细胞体
垃圾渗滤液毒性检测主要包括体外及体内两种方式。体外毒性实验主要是在实验室内将细胞体在控制条件(通常为细胞外界条件)下,通过受体结合率、基因表征及酶活性抑制确定污染物的细胞毒性、基因毒性及拟雌激素活性,可以用来评估样品中污染物的生物可利用性。有些细胞体在混合毒物中基因会受到影响,本身特性发生改变,易于评估毒性测试终点及程度。有些研究者利用这些细胞体的毒性压力响应制备出了简单快速的毒性试验盒,简化了毒性测试的操作步骤。由于哺乳动物的细胞敏感性比其他生物细胞强,因此研究者常采用哺乳动物细胞体进行垃圾渗滤液生物毒性体外实验。
虽然与动物实验体相比,体外毒性实验更加简单快速且成本较低,但体外实验细胞体的代谢活动变化没有标准化的界定条件,因此指向性不明。同时细胞体反映的现象和环境要求随着目标污染物的改变而改变,因此,体外实验的剂量响应曲线仅可作为毒性数据参考。
3.2 哺乳动物
垃圾渗滤液的生物毒性通常采用啮齿类哺乳动物进行测试。小鼠与人类基因类似,因此在污染物毒性强度对人体伤害的测试中采用小鼠作为实验体具有很强的代表性。而且实验用小鼠的培育方法固定,个体差异小,能够有效降低实验中的误差。小鼠繁育较快,中毒症状明显,对污染物较为敏感且容易标记,因此被广泛地应用于垃圾渗滤液生物毒性的检测工作中。
3.3 鱼类
鱼类是水生态系统中的消费者,且在食物链中与人类密切相关,因此鱼类常作为水生生物毒性受试对象。鱼类对不同的毒物可以表现出直接的行为特征及生理学特征变化。应用于垃圾渗滤液毒性检测的鱼类主要包括斑马鱼、虹鳟鱼、鲫鱼及黑头呆鱼等。OECD 203(1992)是国际上鱼类作为受试生物的毒性测定标准方法,我国颁布了鱼类急性毒性测试标准即《水质物质对淡水鱼(斑马鱼)急性毒性测定方法》(GB/T 13267—91)及《化学品鱼类生殖毒性短期试验方法》(GB/T 35517—2017)。
目前推荐的毒性检测鱼类对污染物毒性敏感性的潜在差异可能会导致不同国家或地区生态危害等级不一致。因此建立统一的垃圾渗滤液鱼类急性毒性的定量构效关系模型是推动其发展的根本。
3.4 高等植物
高等植物遗传体系对环境组分的筛选和监测是极为有效的。通常采用染色体畸变实验、细胞遗传和突变实验表征植物的变异情况。OECD 221(2006)中规定了采用浮萍属和其他植物作为毒性试验体的实验流程,还规定了植株的中毒症状:包括致死率、叶状体生长情况、叶状体死亡率、叶绿素含量和开花情况。
植物体对渗滤液当中的毒性物质较为敏感,且采用植物体检测生物毒性操作较为简单,经济性强,但该方法也存在一些不足:部分检测方式是通过植物体的生长趋势确定毒性水平,因此需要的测定时间较长,而且不同植物对不同污染物的敏感程度不同,需要通过实验确定能够综合反映渗滤液生物毒性的高效植株。
3.5 无脊椎动物
无脊椎动物是指背侧无脊椎的动物,是动物的原始形态。近50年来,多种类型的无脊椎动物由于其对物理和化学试剂的敏感特征被用于生物毒性预筛选和筛选方法中。无脊椎动物的毒性反应与哺乳动物的关联性较强,可有效替代部分哺乳动物毒性实验,从而有效降低实验时间及实验成本。常用于生物毒性实验的无脊椎动物受体包括卤虫、大型蚤及轮虫等,受试生物及毒性特征见表1。
表1 垃圾渗滤液对无脊椎动物毒性作用
所在区域 | 受试体 | 理化特征 | EC50、LC50/% | 毒性 | 参考文献 | ||
COD/(mg·L-1) | NH3-N/(mg·L-1) | pH | |||||
巴西 | 卤虫 | 832.5 | - | 7.07 | 71.63 | 有毒 | 〔16〕 |
中国 | 卤虫 | 12 262 | 1 131 | 7.25 | 17.74 | 有毒 | 〔19〕 |
巴西 | 大型蚤 | 3 460~3 470 | 750~800 | 8.2~8.5 | 2.0~2.3 | 有毒 | 〔20〕 |
巴西 | 卤虫 | 3 460~3 470 | 750~800 | 8.2~8.5 | 11.9~25.6 | 有毒 | 〔20〕 |
波兰 | 大型蚤 | 139~9 558 | 要 | 6.6~8.2 | 0.7~38.5 | 有毒/高毒 | 〔22〕 |
爱尔兰 | 大型蚤 | 290~460 | 261~367 | 7.0~7.6 | 35~40 | 有毒 | 〔23〕 |
希腊 | 卤虫 | 2 110~6 040 | 0.08~1.74 | 8.1~8.7 | 54.6~95.2 | 有毒 | 〔24〕 |
希腊 | 轮虫 | 2 110~6 040 | 0.08~1.74 | 8.1~8.7 | 2.56~9.06 | 有毒 | 〔24〕 |
法国 | 大型蚤 | 0.4~8.8 | 27~4 007 | 6.2~8.6 | 1.1~41.7 | 有毒 | 〔25〕 |
法国 | 模糊网纹蚤 | 0.4~8.8 | 27~4 007 | 6.2~8.6 | 1.7~111.1 | 微毒/有毒 | 〔25〕 |
法国 | 卤虫 | 0.4~8.8 | 27~4 007 | 6.2~8.6 | 1~200 | 微毒/有毒 | 〔25〕 |
法国 | 轮虫 | 0.4~8.8 | 27~4 007 | 6.2~8.6 | 1~24.4 | 有毒 | 〔25〕 |
阿尔及利亚 | 贻贝 | 4 925 | 1 526 | 8.15 | 0.526(EC50) | 剧毒 | 〔26〕 |
3.5.1 卤虫
卤虫又称丰年虾,是一种广泛分布于海洋及内陆盐水湖中以浮游植物为食的初级消费者。卤虫作为生物毒性受体的优势主要包括以下几方面〔18〕:(1)孵化时间短;(2)分布广泛;(3)商业化卤虫卵易于保存运输;(4)生物体较小;(5)对复杂环境的适应性强;(6)对卤虫的生物学及生态学研究较为深入,避免了前期实验。
虽然卤虫是一种适宜于垃圾渗滤液生物毒性检测的受试生物,但因缺乏统一的国际标准而限制了其应用,而卤虫品系众多,各个虫龄对污染物的敏感性也不尽相同,需要建立统一的实验方法。
3.5.2 大型蚤(溞)
大型蚤(溞)是一种生活在自然水域中的浮游甲壳类动物。与卤虫类似,大型蚤分布广泛、生长周期短、繁殖速度快、易获得、对环境较为敏感且实验室中易于培养,被国内外研究者广泛采用为标准毒性实验生物。大型蚤作为受试生物,公认的毒性检测国际标准方法为OECD 202(2004)。我国制定了《水质物质对蚤类(大型蚤)急性毒性测定方法》(GB/T13266—1991)及《大型溞急性毒性实验方法》(GB/T 16125—2012)。
大型蚤前期培养阶段较长,且培养条件要求相对苛刻,环境条件的少许改变便可能造成大型蚤的死亡或怀卵量减少,影响实验数据的采集结果。同时,雄蚤与雌蚤对污染物的敏感程度不同,如何实现孤雌繁殖也是大型蚤在渗滤液毒性检测中应用的研究前提。
3.5.3 轮虫
轮虫个体微小,分布广泛,可于污染水体中生长,因此常用于水体污染程度的生物表征。采用褶皱臂尾轮虫制备的Rotoxkit F试剂包已广泛应用于毒性检测实验中。
轮虫作为生物毒性受试生物的优势在于可以通过休眠卵法降低实验室连续保种的个体差异误差、敏感性高、可重复实验性强〔27〕。但不同株系轮虫的污染物耐受性不同,科学的检测方法及高效轮虫种属筛选仍是其发展方向。
3.5.4 贻贝
3.6 藻类
作为初级生产者,藻类是水环境生态健康情况的重要指标生物。藻类个体微小、繁殖速度快、易于分离培养并且可以直接观察细胞水平上的中毒症状。而且很多研究表明,水体中藻类对污染物的敏感性比鱼类高〔30〕。已经颁布的生物毒性藻类测试方法包括ISO—8692(2004)、OECD 201(2006)。我国颁布了《化学品藻类生长抑制试验》(GB/T 21805—2008)。藻类中毒症状的检测指标主要包括:光密度、细胞数、荧光性和细胞干重。研究者利用月牙藻制成了Algaltoxkit F海藻毒性测试包,简化了毒性测试步骤。
目前,藻类的中毒症状检测方法相对费时费力且易产生误差。同时,不同的受试藻类品种的毒性实验重现性差。因此,研究简易的藻类生理生化特性评定污染物毒性的方法成为该种受试生物毒性检测技术的发展方向。
3.7 微生物
3.7.1 发光细菌
发光细菌是垃圾渗滤液毒性检测中最常使用的受试生物。该种受试生物对复杂污染物的敏感程度比其他生物更加敏感〔32〕。常用的发光细菌包括费氏弧菌、哈氏弧菌、明亮发光杆菌、荧光假单胞菌等。
国际上通行的费氏弧菌检测废水毒性的标准为ISO 11348—2(1998),中国颁布了以明亮发光杆菌为受试生物的毒性检测标准《水质急性毒性的测定-发光细菌法》(GB/T 15441—1995)。通过基因技术将特殊的促进剂与菌种结合,可以有针对性地测定综合废水中的某一特定污染物的毒性强度,避免其他因素的干扰〔37〕。
虽然发光细菌可以表征垃圾渗滤液中的有机物、氨氮等绝大部分污染物的生物毒性,但发光细菌对渗滤液中的无机盐成分和某些有机成分(如抗生素)敏感性较差〔38〕。因此,发光细菌法需要与其他营养剂生物体毒性实验联合表征垃圾渗滤液的生物毒性。
3.7.2 埃姆斯诱变实验
该实验方法是埃姆斯以组氨酸缺陷型的鼠伤寒沙门菌突变株为测试指示菌所进行的致突变实验。埃姆斯诱变实验常用的微生物系统包括了鼠寒伤沙门氏菌、大肠杆菌、曲霉属真菌和酵母菌。
已有研究表明,埃姆斯诱变实验对含有大量重金属和氯代物样本的敏感性差〔40〕。因此采用埃姆斯诱变实验检测垃圾渗滤液的生物毒性会受到限制,而且埃姆斯诱变实验所需的菌种较多、操作相对复杂、检测时间也相对较长。
3.7.3 umu实验
umu测试是检测遗传毒性的短期筛选实验,是基于环境诱变造成DNA损伤后诱导SOS反应而表达umu C基因基础上建立起来的测试方法。因其简单快速(5~6 h)、相对所需菌种较少、无菌操作要求低、对污染物敏感〔40〕,近年来umu实验已开始应用于垃圾渗滤液遗传毒性研究领域。
杜静安〔36〕采用臭氧氧化-BAC工艺处理垃圾焚烧厂产生的渗滤液的过程中发现臭氧能够大幅削减垃圾渗滤液的umu毒性当量(由597.4 μg/L降低至217.6 μg/L),通过BAC滤池后出水umu毒性当量仅有84.7 μg/L。臭氧能够高效氧化渗滤液中的苯系物,而苯系物是基因突变的主要因素之一,因此可有效降低垃圾渗滤液的生物毒性。而B. H. Buitrago等〔42〕采用umu实验及费氏弧菌测试垃圾填埋场沉积物时并未检测到基因毒性,这可能与垃圾渗滤液来源有关。
虽然umu实验在检测环境致突变污染物上有较强的优势,但检测其抗突变性方法学上仍有很多不确定性因素亟需完善解决,因此umu实验需要与其他的实验方法相互配合验证,实验数据才更加可靠。另外,寻找活性更好、更具代表性的对渗滤液具有代表性菌株也是umu实验需要研究的内容。
4 展望
渗滤液中污染物成分复杂,对生物体的毒性作用可能存在拮抗、叠加或协同作用。因此,研究渗滤液中多种污染物生物毒性关联性是未来渗滤液毒性检测的一大方向。同时,各个营养级的受试生物对渗滤液中污染物的敏感程度不尽相同,仅靠一种受试生物毒性检测数据难以表征渗滤液的整体毒性特征。因此,建立一套针对于垃圾渗滤液的多营养级生物组合毒性检测方法势在必行。
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