污水厂尾水中氯消毒副产物对浮游生物的影响研究

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消毒副产物(DBPs)是含氯消毒剂与水体有机物反应生成的具有三致效应的有机污染物,含氯消毒剂在新冠疫情COVID-19大流行期间被大量使用,污水厂尾水中氯消毒剂投加量的提高,增加了DBPs的产生与释放。目前关于污水厂尾水中DBPs对水生生态环境的影响尚不明确。本文针对当前DBPs环境污染以及生态毒性研究不足的局限性,以污水处理厂作为研究区域,采用气相色谱法测定水样中的DBPs含量,探索污水厂消毒前后水体中DBPs的赋存浓度及时空分布特征;选择检出浓度较高的DBPs作为目标污染物,以淡水系统分布广泛的浮游植物小球藻(Chlorella vulgaris)和浮游动物大型溞(Daphnia magna)作为模式生物,通过测定浮游生物的生长生理指标,研究在不同胁迫浓度下DBPs对浮游生物毒性效应;利用污水厂实际监测数据与实验室结果运用风险熵值法评估DBPs对水环境的生态风险。主要结论如下:(1)从2020年6月起对无锡某城镇污水厂进行了为期一年的监测,分析21种DBPs在污水厂的赋存水平、时空分布,结果表明,污水厂消毒尾水中含碳消毒副产物(C-DBPs)检出浓度较高,主要为三卤甲烷(THMs)和卤乙酸(HAAs),分别占总检出浓度的28.50%和62.25%。疫情期间测得的DBPs年均总检出浓度为271.47μg·L-1,显著高于疫情前检出浓度,为疫情前总浓度的2.83倍。总有机碳(DOC)浓度和水体中疏水性高分子量芳香族有机物含量(SUVA)与总C-DBPs呈现显著相关性,相关性系数分别为R~2=0.884和0.701,总有机氮(DON)与总含氮消毒副产物(N-DBPs)生成量显著相关,R~2=0.69。其他的污水水质参数与DBPs之间的线性相关性非常弱(R~2在0.020~0.545之间),不能作为评估污水处理厂污水中DBPs浓度的有效信息。(2)选取污水厂实际检出浓度较高的四种DBPs(三氯甲烷TCM、一氯乙酸CAA、二氯乙酸DCAA、三氯乙酸TCAA)作为目标污染物进行浮游植物的毒性效应研究,分析结果表明,TCM、CAA、DCAA、TCAA对小球藻的半数效应浓度(96 h-EC50)大小分别为298.79、14.734、53.10、54.28 mg·L-1,比较得知,DBPs对小球藻的毒性大小依次为CAA、DCAA、TCAA和TCM。在实验浓度范围内,TCM和TCAA在低浓度胁迫时会促进小球藻生长,在高浓度时则会抑制生长;CAA和DCAA在不同胁迫浓度对小球藻皆有抑制作用,且抑制程度与胁迫浓度呈正相关。TCM、CAA、DCAA、TCAA在低浓度胁迫时会诱导小球藻细胞内的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)酶活性和还原型谷胱甘肽(GSH)含量增加,过氧化现象不明显;而在高浓度胁迫下,SOD、CAT酶活性和GSH含量均下降,藻细胞细胞膜过氧化现象严重,从而导致藻细胞死亡。(3)选取污水厂实际检出浓度较高的四种DBPs(TCM、CAA、DCAA、TCAA)作为目标污染物进行浮游动物的毒性效应研究,结果表明,TCM、CAA、DCAA、TCAA对大型溞的48 h半致死浓度大小分别为200.74、136.36、162.54、161.38 mg·L-1。四种DBPs单独胁迫下均会导致大型溞的繁殖能力、觅食能力以及游泳行为明显减弱,并诱导大型溞的抗氧化酶活性升高。相较于单独胁迫,联合胁迫更容易激发大型溞的抗氧化系统,细胞内活性氧(ROS)累积浓度会随着胁迫浓度升高而增加,从而导致细胞膜受损。此外,四种DBPs单独胁迫下均会对大型溞的乙酰胆碱酯酶(Ach E)活性产生抑制作用,并且在四种DBPs联合胁迫下,抑制作用表出现协同效应。(4)对污水厂检出的21种DBPs进行水生态环境风险评估,分析得出,TCM、DCAA和TCAA对浮游生物的风险熵值均在0.1~1之间,对环境生物属于中风险危害,CAA对浮游植物的风险熵值大于1,属于高风险危害,需要重点关注。秋、冬季节DBPs对浮游生物的风险熵值0.1≤RQ<1,对浮游生物的危害属于中风险。总DBPs对浮游生物的累积风险熵值在0.1~1之间,对环境生物具有较高的生态风险,因此需要对受纳水体中的DBPs赋存浓度进行密切关注。
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