随着现代合成化工、农药、医药、个人护理品等工业的快速发展,人工合成有机物通过各种途径进入水体,特别是一些内分泌干扰物(EDCs),这些复杂的化合物,按其化学性质不同可分为持久性有机卤化物、农药、类固醇、防腐剂、塑料增塑剂、洗涤剂、金属及其他等,并表现出不同的激素效应^[1~3],最终通过饮用水和食物链的富集作用对人类和生物体造成严重危害。目前,在废水、地表水、沉积物、地下水甚至饮用水中均检出了上述物质,含量通常比较低,常以单位为μg/L或ng/L的质量浓度计^[4~7]。

　　 近年来,已有许多研究项目开始关注这些激素类物质的存在、鉴别、特性和活性等。许多国家制定了EDCs的检测标准,并颁布了一系列法律来控制EDCs的排放等^[8]。目前,二恶英及其他EDCs的测定方法主要有美国环境保护局EPAl613和l668为代表的HRGC-HRMS^[9]、基于抗原-抗体的ELISA法^[10]以及基于总毒性当量(TEQ)的生物检测法^[11]等。生物检测法所需时间短,操作简单,检测费用较低,其中,荧光素酶报告基因法(CALUX法)作为一种高效快速、简易价廉的生物分析方法,是唯一得到美国EPA推荐使用的生物学检测方法,可实现对水中多种污染物的综合激素效应进行分析检测和风险评价,并已被欧盟、美国、日本等国家和地区广泛应用^[12~13]。

　　 济南市是南水北调山东受水区多种水源切换的典型城市,其中鹊山水库(以下简称A水库)、玉清湖水库(以下简称B水库)是为缓解本市用水紧张,减少地下水开采而建立的两座重要引黄调蓄水库,锦绣川水库和卧虎山水库(以下分别简称C水库和D水库)位于市区南部山区,4座典型水库的区域分布参见图1。 鹊山水库建于1999 年,设计库容4 600万m³,设计入库流量12.5 m³/s,出库流量5.15m³/s,设计日供水量40万m³,现平均日供水量27万m³;玉清湖水库工程于1999年建成,设计库容4 850万m³,设计日供水能力44万m³;锦绣川水库1970年建成,是一座具有防洪、灌溉、城市供水、水力发电、养鱼等多种功能的中型水库,水库设计总库容4 150 万m³;卧虎山水库库容6 587万m³,自1988年开始向济南市区供水,2000年后年均供水1 600万m³,为解决济南南部高位地区40万人的饮用水问题作出了重要贡献。

　　 本文采用CALUX法对济南市内两类4座重要水库水源中二恶英、雌激素、雄激素及肾上腺素等EDCs的含量进行了为期一年的调研分析,摸清了水源水中不同污染物的激素效应水平,明确了污染物在不同季节、不同类型水库的分布规律。同时,以采用常规处理和深度处理两种工艺的鹊华水厂(供水规模各20万m³/d)为例,研究评价了“混凝-沉淀-过滤-液氯消毒”、“混凝-中置式高密度沉淀-臭氧催化氧化-上向流生物活性炭吸附-V型砂滤-液氯消毒”两种水厂常用处理工艺对EDCs的去除效果,为全面评估供水系统EDCs的污染风险提供可靠的依据。

　　 全自动固相萃取仪,睿科Auto SPE-06C;微孔板式化学发光仪,德国Berthold Centro LB960XS3;生物安全柜,新加坡ESCO公司AC2-4S1;二氧化碳培养箱,美国Thermo公司HERA cell 150i;组织培养用显微镜,日本奥林巴斯株式会社CKX41;CALUX法所需细胞与细胞培养基分别购自荷兰BDS公司和美国GIBCO公司;试验所用正己烷、乙酸乙酯购自美国Dikmapure公司,二甲基亚砜(DMSO)购自天津科密欧公司,Oasis HLB固相萃取柱购自美国Waters公司。

　　 使用1L的棕色采样瓶进行水样采集,所有采样瓶在使用前均使用氢氧化钠溶液进行充分清洗并经无水乙醇漂洗,水样采集后需在4 ℃条件下运输至实验室,然后在72h内完成过滤和前处理操作。所有水样不得与塑料物品接触,以防止污染或可能产生假阳性。采样频率为每月采集两次,分别进行分析检测。

　　 对于二恶英的检测分析,水样前处理采用液液萃取方法,取250mL的水样,使用50mL正己烷萃取3次,氮吹后将萃取物通过装有硫酸硅胶的柱子进行净化,经3层洗提完成对有机物、脂肪和不稳定多环芳烃(PAHs)等的氧化过程,将净化得到的物质溶解于25μL的DMSO溶液中,用于细胞暴露分析检测。

　　 雌激素、雄激素、肾上腺素分析时,水样前处理采用固相萃取方法,利用固相萃取仪进行萃取富集。采用Oasis HLB柱,首先利用乙酸乙酯进行2次活化,随后用甲醇和去离子水进行活化,后分别用2.5mL的乙酸乙酯洗脱3次, 洗脱速度为10mL/min。将萃取液氮吹后溶解于50μL的DMSO溶液中,用于细胞暴露分析检测。

　　 根据文献中CALUX检测方法以及荷兰BDS公司提供的操作规程进行检测分析^[8,16]。CALUX细胞首先植入96孔板中培养16h,后用样品富集提取物进行染毒,24h暴露后,使用微孔板式化学发光仪测定荧光强度,并进行数据处理。

　　 A、B、C、D水库水样经液液萃取处理后,利用CALUX法检测其中二恶英的含量水平,结果如图2所示。结果表明,济南市A、B、C、D 4座水库中均检出了二恶英活性,综合激素效应在0.009~0.250ng2,3,7,8-TCDD TEQ/L内。文献报道,日本原水中二恶英的平均含量为0.056 ng 2,3,7,8TCDD TEQ/L^[17],因此,济南市水库水源中二恶英的含量与日本处于同等水平,但远远高于美国EPA饮用水中二恶英含量标准0.030ng2,3,7,8-TCDD TEQ/L,因此中国水体存在较为严重的二恶英污染风险,应着力加强二恶英风险监测及污染控制技术研究。

　　 A、B、C、D水库中二恶英的综合激素效应分别为0.010~0.240ng 2,3,7,8-TCDD TEQ/L、0.009~0.100ng 2,3,7,8-TCDD TEQ/L、0.009~0.120ng 2,3,7,8-TCDD TEQ/L、0.009~0.140ng 2,3,7,8-TCDD TEQ/L,其中引黄水库水与山区水库水中二恶英含量差别不大,A引黄水库二恶英含量最大值超过0.200ng 2,3,7,8-TCDD TEQ/L,而C水库全年始终保持较高水平,这可能与C水库无序养鱼及周边农田、村庄集中等原因有关,垃圾焚烧及杀虫剂使用等将导致水环境中二恶英含量升高。从全年调研分析结果看,二恶英含量随季节变化略有起伏,秋、冬季二恶英含量较高,夏季含量较低,这可能与夏季降水量较多以及微生物活性较高有关。

　　 A、B、C、D水库水样经固相萃取处理后,利用CALUX法检测其中雌激素的含量水平,结果如图3所示。研究结果表明,济南市A、B、C、D 4座水库中均检出了雌激素毒性效应,雌激素活性范围为0.040~0.250ng E2TEQ/L。其中A、B、C、D水库中雌激素含量分别为0.050~0.210ngE2 TEQ/L、0.040~0.250ngE2 TEQ/L、0.040~0.210ngE2 TEQ/L、0.040~0.250ngE2TEQ/L。利用同样的方法,荷兰KIWA水研究中心对荷兰境内不同地表水中雌激素含量调研结果为0.200~0.500ngE2TEQ/L,莱茵河与默兹河水的雌激素活性最高分别可达0.36ngE2TEQ/L、9.40ngE2TEQ/L,2004年荷兰国家标准规定地表水中雌激素含量限值为7ng E2TEQ/L,瑞典地表水中雌激素含量为0.010~0.600ng E2TEQ/L^[16,18],因此与欧洲国家相比,济南市水库水源中雌激素含量处于相对较低水平。

　　 对于不同水源类型,A、B引黄水库和C、D山区水库水中雌激素综合毒性当量最高值并无明显区别,综合全年检测数据来看,山区水库水水质稍好于引黄水库水。

　　 对于不同采样时期,在一年的水质调研期内,秋、冬季雌激素含量较春、夏季高,2、3月份雌激素含量均处于高值,6月下旬到8月下旬左右,雌激素含量较低,均低于方法的检出限0.014ngE2TEQ/L,水质较好,尤其是山区水库水,从4月开始,一直到8月下旬左右,水质明显变好。已有研究显示大连地区排污河/口中雌激素总浓度随季节变化特征明显,总体特征为冬季>秋季>春季>夏季,且春、夏季浓度远低于秋、冬季节^[19],因此推断雌激素具有季节分布效应,夏季水质较好的原因同样可能与其降水量相对较多有关,同时夏季水温较高、微生物浓度较高,微生物活性增强导致雌激素的降解得到增强。因此,应在秋、冬季节加强水厂对雌激素污染风险的跟踪监测。

　　 A、B、C、D水库水样经过固相萃取处理后,利用CALUX法分别对济南市4座主要水库水进行了雄激素和肾上腺素综合激素效应调研分析,全年检测结果表明,4座水库水均未检出雄激素和肾上腺素活性。荷兰KIWA水研究中心对不同地表水中雄激素和肾上腺素含量的调研结果为,雄激素检出频率较低,仅有一次检出为10ng DHT TEQ/L左右,肾上腺素综合毒性水平为0.39~1.30 ng Dex TEQ/L。因此推测,中国水环境中雄激素和肾上腺素污染风险较小^[16]。

　　 选择鹊华水厂作为研究对象,分别对常规处理工艺和深度处理工艺各工序出水的EDCs综合激素效应进行跟踪分析,研究结果表明两种水处理工艺对二恶英的去除作用效果较小,而对雌激素的去除具有一定作用。

　　 采用CALUX法对鹊华水厂常规处理工艺单元出水进行雌激素的综合激素效应分析,如图4所示。进厂水中检出了雌激素活性,冬季采集水样的雌激素综合效应较夏季稍高,分别为0.12ng E2TEQ/L、0.11ng E2TEQ/L。经过斜管沉淀后,雌激素得到了部分去除,去除率小于10%,经过石英砂过滤后,雌激素得到了有效去除,去除率为60% ~100%。已有研究表明,过滤可去除多数类固醇雌激素,去除效果比混凝、沉淀好^[20]。因此,常规水处理工艺对于雌激素的去除具有一定作用,但是雌激素含量较高时并不能对其完全去除。

　　 采用CALUX法对济南市某水厂深度处理工艺单元水样进行雌激素综合效应分析,如图5所示。高效沉淀池对雌激素去除具有一定作用,去除率为1%~35%。臭氧是一种强氧化剂,可以氧化许多有机物,使大分子有机物转化为小分子有机物,对雌激素的去除可达到60%。臭氧氧化后的上向流活性炭处理工艺对雌激素的去除可达到100%,这是因为活性炭对雌激素具有良好的吸附效果。因此,臭氧-活性炭深度处理工艺可实现雌激素的有效去除。

　　 本研究利用CALUX法对济南市主要水源水中二恶英、雌激素、雄激素、肾上腺素等4 类主要EDCs的综合激素效应进行了调研分析,提出了不同类型污染物的污染水平和季节分布特征,并以济南市鹊华水厂为例,研究了常规水处理工艺和深度处理工艺对EDCs的去除效果。目前,济南水源水中雌激素含量较低,经水厂深度处理之后,出厂水中雌激素几乎可以完全去除;而水源水中二恶英含量处于较高水平,并且水厂处理工艺对二恶英的去除能力有限,因此未来应着力加强二恶英的跟踪检测、来源控制及去除工艺研究。