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水质安全是污水排放与再生回用的关键。病原微生物风险是保障水质安全需要优先控制的问题。总大肠菌群、粪大肠菌群和大肠埃希氏菌(E.coli)常被作为粪便污染的指示微生物，被国内外学者广泛用于评价水的生物安全性[1]。大肠菌群主要以粪口途径传播、通过侵染肠道系统引发疾病，甚至危及人的生命[2]。污水处理厂既是各种污水的汇集地，又是污水经过处理达到一定标准后重新回到生态系统或加以再生利用的重要环节[3]。污水处理厂被认为是大肠菌群的重要来源及传播场所[4]。消毒作为污水处理的最后一道工序，在灭活病原微生物、减少水传染疾病的传播等方面发挥着重要作用。在污水处理厂中，通常采用UV或NaClO消毒对大肠菌群进行灭活[5]。
有研究表明，NaClO消毒可有效灭活细菌，同时水中残留的氯具有持续消毒作用，可保证消毒后水的生物稳定性，但次氯酸钠消毒会产生消毒副产物(DBPs)，威胁再生水的用水安全[6]。UV消毒可以在较低剂量下有效灭活病原微生物[7]，但UV消毒无持续杀菌能力，且经UV消毒后部分细菌难以被完全杀灭而处于亚致死或活的但不可培养状态[8]，这些细菌可在一定条件下通过光复活或暗修复的方式重新获得活性，进而增加再生水储存和输送过程中病原微生物二次滋生的潜在风险。
迄今为止，已有学者在UV-NaClO顺序消毒灭活病原微生物方面开展了相关的研究工作[9-10]，但达到与UV或NaClO相同的消毒效果时，UV-NaClO顺序消毒在投加量的优势，消毒后水在输送，储存及再生利用过程中UV-NaClO顺序消毒控制大肠菌群二次滋生的研究却相对较少。本研究以青岛市某市政污水处理厂消毒前的深度处理出水为研究对象，分别采用UV、NaClO以及UV-NaClO顺序消毒，对比分析了在达到排放要求以及再生水不同回用标准时，UV-NaClO顺序消毒对微生物光复活与暗修复的抑制能力及其对DBPs生成量的削减作用。本研究结果可为强化污水消毒，降低污水排放与再生回用的生物安全风险提供参考。
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本实验原水取自青岛市某市政污水处理厂，该厂进水主要为生活污水，生物处理采用A2O+MBBR工艺，深度处理工艺为混凝/沉淀/过滤及UV消毒工艺，实验期间该厂过滤后出水，水质的pH为6.93~7.17、PO43--P为0.11~0.19 mg·L−1、NH4+-N为2.26~3.40 mg·L−1、COD为27.00~30.00 mg·L−1、TOC为9.01~11.10 mg·L−1和浊度为1.69~2.94 NTU。采用经过灭菌处理的取样设备取该厂过滤后出水，将水样于4 ℃下保存并尽快进行消毒实验。
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通过系列实验研究了不同消毒方式消毒后污水中大肠菌群的灭活效果、复活特性和DBPs生成的影响。每个实验均设3次重复。
1) UV消毒实验。UV消毒实验在自制的平行光束仪下进行。平行光束仪上部有2个功率为20 W的UV灯管，开启UV灯30 min后，用紫外辐照计检测紫外线强度。每次实验时将300 mL水样注入500 mL灭菌后的烧杯中，放入灭菌后的转子，将烧杯置于磁力搅拌器上均匀接受UV辐射，通过调节紫外强度和照射时间确定紫外辐射剂量[11]。
2) NaClO消毒实验。将一定量的NaClO溶液投加到已盛装一定体积水样的500 mL灭菌烧杯中，在磁力搅拌器的搅拌作用下接触反应30 min，用硫代硫酸钠终止反应，取消毒反应前后的水样测定其中的大肠菌群类微生物的数量。
3) UV-NaClO顺序消毒实验。将水样先经一定剂量的UV消毒后，再向其中投加一定量的NaClO溶液，在磁力搅拌器的搅动作用下消毒反应30 min，用硫代硫酸钠终止反应。
4)光复活和暗修复实验。取一定剂量消毒后的水样，分别在日光灯照射(光复活)或避光(暗修复)条件下于25 ℃恒温搅拌放置一定时间，期间定时取样，测定细菌的菌落数。
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采用孔径为0.45 μm的滤膜对消毒前后的水样进行预处理，之后采用滤膜法对大肠菌群进行测定。截留了菌体的滤膜分为3份，1份置于品红亚硫酸钠培养基上，于37 ℃下培养24 h后转至乳糖蛋白胨半固体培养基上，于37 ℃下培养6~8 h，测定总大肠菌群的数量；1份置于M-FC培养基上，于45 ℃下培养24 h后测定粪大肠菌群的数量；1份置于品红亚硫酸钠培养基上，于37 ℃下培养24 h后转至MUG培养基上，于37 ℃下继续培养4 h后，计算大肠埃希氏菌(E.coli)的菌落数。采用顶空气相色谱法测定水中DBPs的浓度[12]。
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采用对数灭活率来评价消毒后细菌的灭活效果，灭活率根据式(1)进行计算。利用复活百分比来表征光复活和暗修复程度，复活率百分比根据式(2)进行计算。
式中：A为灭活率，%；B为复活百分比，%；N0和N分别为消毒前和消毒后水样中的大肠菌群数量，CFU·L−1；NP 为光复活或暗修复后水样中的大肠菌群数量，CFU·L−1。
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不同剂量下单独UV消毒或NaClO消毒对总大肠菌群、粪大肠菌群和大肠埃希氏菌(E.coli)的灭活情况如图1所示。消毒剂量对大肠菌群类微生物的灭活影响较大，随着UV剂量或NaClO投加量的增加，大肠菌群数量随之下降。当UV剂量仅为12 mJ·cm−2时，大肠菌群类微生物的灭活率即可达到接近或超过3个对数级；当NaClO投加量仅为3 mg·L−1时，大肠菌群类微生物可达到2个对数级的灭活率。此后，进一步增加消毒剂量，微生物数量下降幅度趋缓，如当UV剂量由12 mJ·cm−2增加到60 mJ·cm−2时，总大肠菌群和粪大肠菌群的灭活率仅提高不足1个对数级，当NaClO的投加量从3 mg·L−1增加到20 mg·L−1时，总大肠菌群的灭活率也仅增加了1.22个对数级。相较于其他的粪大肠菌，E.coli更易被灭活，当UV剂量达到60 mJ·cm−2时，已检测不到E.coli。完全灭活总大肠菌群或粪大肠菌群需要80 mJ·cm−2 UV或30 mg·L−1 NaClO。
当UV消毒剂量达到12 mJ·cm−2和20 mJ·cm−2时，粪大肠菌群数量可分别满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A排放标准[13](简称“一级A标准”)中“≤1 000 CFU·L−1”以及《城市污水再生利用绿地灌溉水质》(GB/T 25499-2010)(简称“绿地灌溉标准”)中非限制性绿地的“≤200 CFU·L−1”的要求[14]。当UV消毒剂量达到60 mJ·cm−2时，E.coli可满足《城市污水再生利用 城市杂用水水质》(GB/T 18920-2020)中“大肠埃希氏菌不得检出”的要求[15](简称“杂用水标准”)[16]。消毒后的水样要达到一级A标准、绿地灌溉标准以及杂用水标准，NaClO投加量分别需达到4、10和20 mg·L−1。
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为探究UV-NaClO顺序消毒应用于污水消毒的可行性，在不同UV和NaClO剂量组合条件下分析了UV-NaClO顺序消毒对水样中大肠菌群的灭活效果，结果如图2所示。UV-NaClO顺序消毒更有利于大肠菌群的灭活，顺序消毒的效果好于UV或NaClO单独消毒的效果。仅采用UV消毒，当UV剂量为9 mJ·cm−2时，粪大肠菌群的菌落数可由2.4×105 CFU·L−1降至3.4×103 CFU·L−1；仅采用NaClO消毒，当NaClO投加量为3 mg·L−1时，消毒后粪大肠菌群的数量降为1.5×103 CFU·L−1；若采用UV-NaClO 顺序消毒，UV和NaClO的剂量分别为9 mJ·cm−2和3 mg·L−1时，消毒后粪大肠菌群的数量可降至9.0×102 CFU·L−1，与单独UV或单独NaClO消毒相比，粪大肠菌群的数量分别降低了73.5%和40.0%。
表1对比了达到不同处理效果时不同消毒方式所需消毒剂的最低投加量。由对比结果可知，采用UV-NaClO顺序消毒，可以在相对较低的消毒剂投加量下就可达到单一消毒剂在较高剂量下所达到的消毒效果，尤其是当需要达到的排放标准较高时，采用UV-NaClO顺序消毒的优势更加明显。例如，当出水仅需满足一级A标准，即粪大肠菌群数量≤1000 CFU·L−1时，采用UV-NaClO顺序消毒需要的UV及NaClO剂量分别为9 mJ·cm−2和3 mg·L−1，同单独UV或NaClO消毒在消毒剂投加量上相比未表现出较大优势；若出水需满足杂用水标准规定的E.coli不得检出的要求，单独UV或NaClO消毒需要的UV或NaClO剂量分别为60 mJ·cm−2或20 mg·L−1，而采用UV-NaClO顺序消毒则仅需9 mJ·cm−2 UV和10 mg·L−1 NaClO。若达到完全灭活粪大肠菌群的目标，UV-NaClO顺序消毒在投加量上的优势则更加明显。
UV-NaClO顺序消毒相比单一消毒剂所具有的优势，可能是由于微生物对不同消毒方式的耐受程度不同。有研究表明，经UV消毒后磺胺类抗生素耐药菌的比例显著升高，而低剂量的NaClO消毒则能有效降低此类细菌的比例[17-18]，因而投加低剂量的NaClO即可达到或超过高剂量UV消毒所达到的效果。同样有一些细菌(Cryptosporidium)对氯消毒具有很强的耐受能力[19]，对于这类细菌采用低剂量的UV辐射也可能达到较好的灭活效率。因而，UV-NaClO顺序消毒中UV和NaClO具有协同效应，可以灭活单一消毒剂所不能完全灭活的微生物，且可以在UV和NaClO剂量均不高的组合方式下即可达到更优的消毒效果。
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在满足相同出水标准时，经UV-NaClO顺序消毒后微生物的复活能力明显低于单独UV消毒(图3)，尤其是当NaClO的投加量较高时，对微生物复活的抑制作用更为明显。在满足一级A排放标准的消毒剂投加量下，单独UV(12 mJ·cm−2)消毒后分别经24 h光复活和暗修复后，粪大肠菌群的复活率为7.97%和4.96%，而经UV-NaClO(UV剂量9 mJ·cm−2和3 mg·L−1 NaClO )顺序消毒后粪大肠菌群复活率仅为3.21%和0.84%，较单独UV消毒分别减少了4.76%和4.12%。当UV剂量不变，NaClO投加量增加到4 mg·L−1时，UV-NaClO顺序消毒后在相同的复活时间内，粪大肠菌群的复活率仅为0.3%(光复活)和0.01%(暗修复)，虽然NaClO投加量仅增加了1 mg·L−1，但细菌复活率明显降低。
当UV剂量为60 mJ·cm−2时，单独UV消毒可完全灭活E.coli，但在光照下经3 h复活后，E.coli的数量即可增加为33 CFU·L−1；经24 h的暗修复，E·coli可增加至66 CFU·L−1(图3(e))。采用UV-NaClO顺序消毒，当UV剂量为9 mJ·cm−2和NaClO投加量10 mg·L−1也可完全灭活E.coli，但是，消毒后的水样无论是在光照下还是在暗处，24 h内均未出现细菌复活的现象。因而，在UV消毒后，继续投加少量的NaClO可以减小微生物复活的概率。UV-NaClO顺序消毒之所以可以抑制微生物的复活主要是由于NaClO作为强氧化剂，其对微生物的灭活作用是通过氧化细胞中的酶、阻止蛋白质合成这一途径实现的，这种对细胞的破坏作用不具有可逆性，因此，被NaClO灭活的微生物不会出现复活的现象。
当处理后出水再生回用于绿地灌溉时，仅采用UV消毒，在光照条件下，3 h后再生水中的粪大肠菌群数即会超标，采用UV-NaClO顺序消毒，6 h后粪大肠菌群数可能会超标；当处理后出水再生回用于城市杂用时，仅采用UV消毒，在光照条件下，3 h后E.coli的数量超标，而采用UV-NaClO顺序消毒，24 h后E·coli数量仍然可以满足标准要求。同光复活相比，细菌暗修复的能力较弱，如仅采用UV消毒满足绿地灌溉或城市杂用标准时，经24 h暗修复后，细菌数量才出现超标的现象，采用UV-NaClO顺序消毒后的水样，在暗处放置24 h后，细菌数量均未出现超标的现象。因而，考虑到再生水输配管网的长度以及再生水使用的非连续性特点，采用UV-NaClO顺序消毒更有利于保证再生水的水质安全。同时在实际工程中，再生水的输送及储存应尽量采用密闭式系统，以降低消毒后细菌复活的可能性。
通过本研究可知，单独 UV 消毒不能有效的防止大肠菌群从污水处理厂向环境中传播，而采用UV-NaClO顺序消毒可在一定程度上抑制大肠菌群的二次滋生，减少了消毒后水在输送，储存及再生利用过程中潜在的生物风险。
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为考察UV-NaClO顺序消毒对DBPs生成的影响，采用顶空气相色谱法分析了不同方式消毒后三氯甲烷、四氯化碳、二溴一氯甲烷和一溴二氯甲烷的生成量，并计算了DBPs的总生成量，结果如表2所示。在满足相同出水标准时，UV-NaClO顺序消毒DBPs的生成量明显低于单独NaClO消毒。尤其是当需要达到的出水标准越高时优势越明显。满足一级A排放标准时，采用UV-NaClO顺序消毒产生的总DBPs比单独NaClO消毒可减少24.53%；达到绿地灌溉标准时，单独NaClO消毒生成的总DBPs量为11.56 μg·L−1，UV-NaClO顺序消毒生成的总DBPs为5.79 μg·L−1，比NaClO消毒DBPs生成量降低了49.91%；满足杂用水标准时，UV-NaClO顺序消毒总DBPs的生成量比单独NaClO消毒可降低76.87%；在达到完全灭活粪大肠菌群的条件下，DBPs的减量可高达77.85%。
DBPs的生成量同氯的投加量密切相关，随着氯投加量的增加，DBPs的生成量显著增加[20]。采用UV-NaClO顺序消毒之所以可以降低DBPs的生成量，主要是由于在达到相同消毒效果时UV-NaClO顺序消毒所需的NaClO投加量低于单独NaClO消毒时的投加量，而且，当需要达到的消毒标准越高时，所需NaClO投加量低的优势越明显，如完全灭活粪大肠菌群时，单独NaClO消毒需要的NaClO投加量为30 mg·L−1，而采用UV-NaClO顺序消毒则只需投加10 mg·L−1的NaClO，因而，采用UV-NaClO顺序消毒可大幅降低DBPs的生成量。
大部分DBPs具有潜在的致癌、致畸和致突变毒性，较高浓度DBPs排入水体或再生利用时会威胁生态系统安全，并对人体健康具有潜在危害[21]，UV-NaClO顺序消毒可避免大量的DBPs排入水体或进入再生水利用系统，因而，其在保护人体健康与生态环境等方面更具优势。
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1) UV和NaClO对大肠菌群的灭活具有协同效应，采用UV-NaClO顺序消毒，在UV和NaClO投加量均不高的组合方式下即可达到单独UV或单独NaClO高剂量下的消毒效果，且当需要达到的消毒标准越高时，UV-NaClO顺序消毒的优势越明显。
2)经UV-NaClO顺序消毒后，大肠菌群的光复活和暗修复能力相比单独UV消毒有所下降，NaClO投加量越高下降幅度越明显，因而，采用UV-NaClO顺序消毒可在一定程度上抑制大肠菌群的二次滋生。
3)由于在达到相同消毒效果的前提下，UV-NaClO顺序消毒可以有效降低NaClO的投加量，因而，采用UV-NaClO顺序消毒可以降低DBPs的生成量，从而降低消毒对人体健康与生态环境的潜在危害。
UV-NaClO顺序消毒对污水中大肠菌群的灭活效果
Inactivation of coliforms in wastewater by UV- NaClO disinfection
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摘要: 紫外(UV)和次氯酸钠(NaClO)消毒广泛应用于城市污水处理中，但目前2种消毒方式均存在不足。为实现既可高效消毒又能同时降低消毒所带来负面影响的目的，通过对比研究，分析了达到与UV或NaClO相同的消毒效果时，紫外-次氯酸钠(UV-NaClO)顺序消毒所需的消毒剂量以及UV-NaClO顺序消毒对微生物复活和消毒副产物(DBPs)生成的影响。结果表明：当UV剂量为9 mJ·cm−2，NaClO投加量为3、4和10 mg·L−1时，UV-NaClO顺序消毒可达到与单独UV消毒时(剂量为12、20或60 mJ·cm−2)以及单独NaClO消毒时(NaClO投加量为4、10或20 mg·L−1)的相同消毒效果；且当需要的微生物灭活效率越高时，UV-NaClO 顺序消毒的优势越明显。同单独UV消毒相比，UV-NaClO顺序消毒后微生物的光复活率和暗修复率明显降低。当达到与单独NaClO消毒相同的微生物灭活效果时，UV-NaClO顺序消毒可有效降低DBPs的生成量，例如完全灭活E.coli，采用UV-NaClO顺序消毒，DBPs的生成量可较单独NaClO消毒降低了76.87%。本研究可为污水排放与再生利用消毒技术的选择提供参考。Abstract: Ultraviolet (UV) and sodium hypochlorite (NaClO) disinfection are widely used in wastewater treatment, but both disinfection methods have deficiencies. In order to achieve efficient disinfection while reducing the negative impact of disinfection, a comparative study was conducted to analyze the disinfectant amount required for combined UV-NaClO disinfection with the same disinfection effect as UV or NaClO and the effect of UV-NaClO disinfection on microbial reactivation and disinfection by-products (DBPs) formation. The results showed that at UV dosage of 9 mJ·cm−2 and NaClO dosages of 3, 4 and 10 mg·L−1, UV-NaClO disinfection was as effective as UV disinfection alone at UV dosages of 12, 20 or 60 mJ·cm−2 and NaClO disinfection alone at NaClO dosages of 4, 10 or 20 mg·L−1. The higher the desired microbial inactivation efficiency, the more obvious the advantages of UV-NaClO disinfection. Compared to UV disinfection alone, UV-NaClO disinfection showed significantly lower rates of microbial photo-reactivation and dark repair. Achieving the same microbial inactivation effect as NaClO disinfection alone, UV-NaClO disinfection could effectively reduce the production of DBPs, for example, achieving complete inactivation of E.coli, the production of DBPs decreased by 76.87% using UV-NaClO disinfection compared with NaClO disinfection alone. This study can provide a theoretical basis for the selection of disinfection technology for wastewater discharge and recycling.
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Key words:
- ultraviolet /
- sodium hypochlorite /
- disinfection /
- coliforms /
- reactivation /
- disinfection by-products
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制定水质标准的科学依据是水质基准[1]，但目前的研究中，很少有针对我国水域的水质基准研究报道[2]，我国现行水质标准的确定主要是依据国外的水质基准数值[3-4]，但不同的生物区系与水质状况各不相同，这会导致水质基准产生明显差异[5-6]. 因此，基于我国水环境管理的迫切需求，应依据我国国情开展水质基准研究[7].
荧蒽（fluoranthene，FLU），是多环芳烃中4环芳烃的代表性化合物[8]，也是水体中多环芳烃污染物的一个主要成分[9]. 然而，目前我国尚缺乏有关本土水生生物荧蒽的生态毒性数据，因此通过实验开展荧蒽的水生生物基准阈值研究工作，获得有关数据是十分必要的，同时对荧蒽在我国的水生生物基准的建立以及水环境相关工作等具有一定的现实意义与科学意义. 本研究进行了急性与慢性毒理学试验，参考美国的水质基准“指南”要求（“三门八科”最低毒性数据），以及对我国淡水生物区系特征和影响因素等具体分析，最终选取了符合物种筛选规定的9种具有典型代表性的中国本土水生生物进行试验. 根据实验结果得出荧蒽本土水生生物基准阈值，同时，本文分析比较了本土物种与美国物种毒性敏感度是否一致，其中美国物种毒性敏感度基于美国水生生物毒性数据，分析结果可表明在进行我国本土水生生物基准研究时，是否可以直接采用非本土水生生物毒性数据.
1. 材料与方法（Materials and methods）
1.1 实验材料
一般来说，复杂水生态系统的功能、基本结构特征可通过鱼类、底栖动物、浮游生物和植物所表征[10-11]. 在推导我国水质基准时，试验生物的确定可依据美国水质基准“指南”中的规定，即“三门八科”最低毒性数据要求，同时参考《中国脊椎动物大全》[12]和《中国生物多样性国情研究报告》[13]等文献资料，试验生物必须包括鲤科鱼类；另外鉴于我国鲤科种类丰富、数量庞大[14]，因此本文选用两种鲤科鱼. 如上所述，物种选择应具体分析中国淡水生物群的特点，同时根据源自欧盟和美国水质基准的物种选择原则，本次荧蒽基准研究初步选择了9个本地水生生物物种作为受试物种，它们分别是锦鲤、麦穗鱼、泥鳅、泽蛙蝌蚪，大型溞、青虾、摇蚊幼虫，霍甫水丝蚓，水螅属. 其中锦鲤和麦穗鱼为脊索动物门鲤科，其余依次为鳅科、蛙科、节肢动物门溞科、虾科、摇蚊科、环节动物门颤蚓科和腔肠动物门水螅虫科，共“四门八科”. 另外对照毒性数据筛选原则[15]，本研究在搜集荧蒽的水生植物毒性数据数据的过程中，发现所得结果很少能够满足上述筛选原则.
在“朝来春及大森林水产市场”购入试验所需的9种本土水生动物（既包括淡水，也包括海水），正式试验前均在实验室驯养至少7 d；在中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室可获得试验所需的大型溞（Daphnia magna），其龄期在24 h之内[15]. 水生生物培养条件为：pH 8.0±0.2，DO （8.3±0.3） mg·L−1，温度（22±2）℃，试验类型采用换水式，每24 h进行一次换水，急性试验不喂食，慢性试验按照0.1%生物重量一天喂食2次；溞类光照周期为12 h:12 h.
在筛选受试物种时，不同种类的受试生物对其龄期有着不同的要求，其中对于水溞或其他水溞类动物要求为24 h内，蚊类，要求为第二代、三代幼虫，对于鱼类或其他物种，要求为至少先于性腺发育前60 d的幼龄阶段生物[15].
在“美国Sigma Aldrich化学品公司”购入实验所用荧蒽，其化学式为C16H10，纯度≥98%（HPLC）为色谱纯；其他试剂均为分析纯. 为了确保浓度配置的准确性，在第一次实验之前，通过中国计量学院校准了用于制备蒽溶液的移液枪，对每个浓度组进行了气相色谱测试. 为了避免试验过程中的任何干扰，实验者严格遵循操作规范，在气相色谱分析之前，所有未使用的玻璃器皿都用高价的酸溶液进行冲洗. 在3组空白实验中加入内标荧蒽-d10，96 h后测定其回收率，结果显示，荧蒽-d10的回收率为74.3%—89.6%. US EPA[15]公布的回收率为70%—130%，试验结果满足其要求，证明了本实验结果的可靠性和准确性.
1.2 实验方法
根据美国材料与试验协会[16]标准方法[17-18]进行急性实验，设空白对照组、助溶剂（二甲基亚砜, DMSO）对照组、浓度组，每组3个重复. 急性实验的时间设置为：溞类48 h，其余水生生物96 h. 具体实验信息如表1所示.
表 1 FLU 9种本土水生生物急性毒性实验信息Table 1. Acute toxicity tests information of FLU to nine resident aquatic organisms分类Classification 生物科Families 物种Species 生长阶段Growth phase 体重/gWeight 体长/cmLength 实验时间/hTime 浓度设置/ （mg·L−1）Concentration 脊索动物门 鲤科 锦鲤（Rhodens sinensis） 幼龄期（<30 d） 0.25 ± 0.05 3.0 ± 0.5 96 0.00, 2.40, 3.10, 4.00, 5.20, 6.80, 8.80, 11.40 麦穗（Pseudorasbora parva） 幼龄期（<30 d） 0.25 ± 0.02 2.5 ± 0.2 96 0.00, 2.40, 3.10, 4.00, 5.20, 6.80, 8.80, 11.40 鳅科 泥鳅（Misgurnus anguillicaudatus） 幼龄期（<30 d） 0.70 ± 0.05 6.0 ± 0.5 96 0.00, 0.96, 1.16, 1.39, 1.67, 2.00, 2.40, 2.88 蛙科 泽蛙蝌蚪（Rana limnocharis） 幼龄期（<10 d） 0.20 ± 0.02 1.6 ± 0.2 96 0.00, 3.50, 4.60, 5.50, 7.80, 10.10, 13.20, 17.10 节肢动物门 溞科 大型溞（Daphnia magna） <24 h — — 48 0.00, 2.70, 3.60, 4.70, 6.20, 8.00, 10.40, 13.50 虾科 青虾（Macrobrachium nipponense） 幼龄期（<10 d） 0.25 ± 0.05 3.0 ± 0.2 96 0.00, 2.40, 3.10, 4.00, 5.20, 6.80, 8.80, 11.40 摇蚊科 摇蚊幼虫（Chironomus plumosus） 第3代（幼虫） 0.03 ± 0.01 1.0 ± 0.2 96 0.00, 2.70, 3.60, 4.70, 6.20, 8.00, 10.40, 13.50 环节动物门 颤蚓科 霍甫水丝蚓（Limnodrilus hoffmeisteri） 幼龄期（<10 d） 0.05 ± 0.01 1.5 ± 0.2 96 0.00, 3.40, 4.40, 5.70, 7.40, 9.60, 12.50, 16.20 腔肠动物门 水螅虫科 水螅属（Hydra sp.） 幼龄期（<10 d） 0.03 ± 0.01 1.0 ± 0.2 96 0.00, 1.39, 1.67, 2.00, 2.40, 2.88, 3.74, 4.87 | Show Table
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在急性毒性实验结束后，参考荧蒽对麦穗、泥鳅和大型溞的急性实验结果开展慢性实验，设空白对照组、助溶剂（二甲基亚砜, DMSO）对照组、浓度组，每组3个重复. 慢性实验的组次中，其最高浓度不得高于急性毒性LC50值. 受试液和喂食的频率为1 d，采用静态更新试液法. 慢性毒理学实验时间设置为：溞类不得少于21 d，麦穗、泥鳅不得少于8 d. 具体实验浓度设置如下：麦穗为0.00、0.42、0.55、0.72、0.94、1.22、1.59 mg·L−1 FLU；泥鳅为0.00、0.35、0.46、0.60、0.78、1.01、1.32 mg·L−1 FLU；大型溞为0.00、0.42、0.55、0.72、0.94、1.22、1.59 mg·L−1 FLU. 试验中需要记录的内容如下：大型溞的产卵数量、时间（第一窝及总数）、麦穗和泥鳅的生长指标（体重、体长等），以上数据每天记录一次.
1.3 数据搜集与分析
数据选自ELSEVIER数据库（http://www.sciencedirect.com）、US EPA ECOTOX 毒性数据库（http://cfpub.epa.gov/ecotox/）、和CNKI数据库（http://www.cnki.net）等. 在进行筛选数据时应满足以下要求：①数据无法使用的情况有：使用受权限、信息保密、测试信息不完全、由于其他因素而无法传播、试验缺少对照组、试验生物受污染、试验设计不科学等；②可以使用具有不稳定性质（易挥发、易水解、易降解）的物质进行试验，但一般仅可采用流水式试验的结果；③若慢性NOEC和LOEC值均出现在测试终点中，NOEC值的选取具有优先权[19]. 另外，对于水生植物，前人研究发现FLU对淡水藻[20]（Scenedesmus subspicatus）的96-h EC50为7.447 mg·L−1，本文选用此数据.
另外，实验数据的正态分布检验方法有如下两种：K-S检验、T检验. 本文选用前者检验表2中数据是否符合正态分布，检验结果表明美国水生生物毒性数据对FLU毒性敏感的总体分布情况是大致吻合的，符合正态分布（P =0.08＞0.05）.
表 2 FLU美国水生生物急性毒性数据Table 2. Acute toxicity data of FLU to American aquatic organisms排序 Rank 物种 Species （LC50/EC50）/（mg·L−1） t/h 1 美洲海螯虾 0.6 96 2 浅绛单孔蚓 0.7 96 3 俄勒冈虾 0.8 96 4 蓝鳃太阳鱼 20.9 96 5 斑点叉尾鮰 36.0 96 6 端足虫 44.0 96 7 非洲爪蟾 52.0 96 8 隐居蜾嬴蜚 54.0 96 9 沙蟹 74.0 96 10 虹鳟 91.0 96 11 呆头鲦鱼 118.3 96 12 宽纹北箭蜓 139.9 96 13 伸展摇蚊 250.0 96 | Show TableDownLoad:
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EC/LCx可通过概率单位直线回归法和95%置信区间来计算，按照测试标准所规定的浓度规定，若实测浓度与名义浓度的差值在20%以内，即可采用名义浓度，x值分别取50（急性毒性实验）和10（慢性毒性实验），通过在试验开始的前后，对溶液中的FLU浓度进行检测，对比检测结果后计算实测和名义浓度的比率，结果为90.03%—99.15%，满足要求[21]，因此本文在计算EC/LCx时，浓度采用名义浓度.
2. 结果与讨论（Results and discussion）
2.1 急性毒性实验
表3显示了9种本土水生生物的急性毒性试验结果，其中空白对照组和助溶剂对照组在试验期间中没有出现死亡现象. 窗体顶端结果表明泥鳅对FLU暴露最为敏感，其96-h LC50为1.887 mg·L−1， 其次是水螅属、青虾、麦穗鱼、大型溞、锦鲤、霍甫水丝蚓和摇蚊幼虫，对FLU最不敏感的是泽蛙蝌蚪，其96-h LC50为8.695 mg·L−1.
表 3 FLU本土水生生物急性试验结果Table 3. Results of acute toxicity tests of FLU to resident aquatic organisms物种 Species 暴露时间/h Exposure time 公式 Formula R2 P LC50/（mg·L−1） 锦鲤 96 y = 3.4458x + 2.2589 0.9268 ＜0.01 6.251 （5.748—6.443） 泥鳅 96 y = 1.4976x + 4.5875 0.9436 ＜0.01 1.887 （1.594—2.258） 大型溞 48 y = 3.8675x –2.0147 0.9850 ＜0.01 5.487 （5.012—5.897） 青虾 96 y = 2.5612x + 3.7744 0.9089 ＜0.01 3.011 （2.412—3.647） 霍甫水丝蚓 96 y = 1.5825x + 3.7347 0.9065 ＜0.01 6.313 （5.688—6.578） 麦穗 96 y = 1.6443x + 3.8262 0.854 ＜0.01 5.177 （4.231—5.593） 摇蚊幼虫 96 y = 2.3053x + 2.9664 0.9243 ＜0.01 7.628 （7.390—8.159） 水螅属 96 y = 1.3879x + 1.9976 0.9017 ＜0.01 2.032 （1.785—3.074） 泽蛙蝌蚪 96 y = 1.9267x + 3.1911 0.9044 ＜0.01 8.695（8.393—90.145） | Show TableDownLoad:
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2.2 慢性毒性数据
在慢性毒性实验中各试验浓度组均未出现死亡现象. 对于慢性毒性数据（表4），Barata等[22]研究表明大型溞的存活率21-d NOEC为0.937 mg·L−1，这一结果与本试验中大型溞总繁殖数量的21-d EC10为0.881 mg·L−1十分接近. 根据表4，对于大型溞，对FLU暴露的产卵总数量试验终点相比于其存活率，表现出更为敏感的趋势. 在慢性毒性试验中，3种水生生物中对FLU暴露的敏感性最低的为大型溞，最高的为泥鳅. 结果表明泥鳅在急性与慢性实验中，对FLU暴露都表现出最高的敏感性.
表 4 FLU本土水生生物慢性试验结果Table 4. Results of chronic toxicity tests of FLU to resident aquatic organisms.物种 Species 暴露时间/d Exposure time 终点 Endpoint 公式 Formula R2 P EC10/（ mg·L−1） 锦鲤 28 生长（t/d） y = 4.5521x +2.8004 0.9930 ＜0.01 0.798 泥鳅 28 生长（t/d） y = 5.3131x –1.989 0.9743 ＜0.01 0.269 大型溞 28 生长（t/d） y = 4.7745x+ 1.667 0.8971 ＜0.05 1.187 第一窝时间 （t/d） y = 2.8499x+ 1.525 0.9572 ＜0.01 1.243 第一窝数量 （n） y = 3.8261x+ 0.657 0.9315 ＜0.01 0.987 总数量 （n） y= 3.7966x+ 1.0801 0.9203 ＜0.01 0.881 总窝数 （n） y= 3.7450x+ 1.4623 0.9364 ＜0.01 1.471 | Show TableDownLoad:
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2.3 基于本土与美国生物毒性数据拟合SSD曲线比较
Davies等提出“灵活使用毒性数据”的设想[23]，即在某一地区进行生态风险评估时，可使用其他地区的生物毒性数据. 但由于不同地区的水中溶解氧浓度、水温差别较大，且不同种类生物对于相同有害物质的敏感程度也各不相同[24]，因此这一设想在提出后受到多方面质疑. 本研究将本地（表2）和美国（表3）的生物毒性数据进行SSD曲线拟合，并进行比较讨论，探讨 "灵活使用毒性数据 "这一概念的可行性. 受限于相对缺少慢性数据，本研究仅采用急性毒性数据. 本研究以本土、美国、本土+美国的FLU毒性数据为基础，共得出3条SSD拟合曲线（图1）. 在对FLU暴露的敏感性方面，图中本土数据（黑）、总体数据（蓝）与美国数据（红）从左到右存在显著的位移分布，意味着美国生物比本土生物表现出更加敏感的趋势. 经过计算，总体数据、本土数据及非本土数据三条曲线的HC5值分别是1.527、1.869、2.142 mg·L−1.
图 1 FLU本土、美国及全部生物毒性数据SSD曲线拟合比较Figure 1. Species sensitivity distribution of native, American and all species toxicity data for FLUTwo-sample Kolmogorov-Smirnov（K-S test）检验常用于数学统计中，可用于对两样本总体分布差异性的检验[24]. 利用此方法，研究美国毒性数据和本土毒性数据是否存在较为明显的不同具有十分重要的学术和科学意义：若二者差异明显，则在本土进行相关的基准阈值研究时，应选取本土水生生物；若二者较为一致，那么证明美国水生生物毒性数据可用于本土基准阈值的推导过程，从而降低受试生物的消耗以及节省资源的投入. K-S结果如下：（ks = 1.342, n1 = 9, n2 = 13, P = 0.01）. P= 0.0114<0.05，按a=0.05水准，结果表明两组数据在FLU毒性敏感的总体分布上并为呈现较高的一致性，两组数据之间存在的差异十分显著（图1）. 另外，由于浮游类不被包含在非本土生物毒性数据中，因此在本土生物数据中浮游类大型溞的毒性数据暂时去除之后，对数据再次进行K-S检验，两者之间仍然存在较为显著的差异（ks= 0.830, n1 = 8, n2= 13, P = 0.0183）. 因此我们可以初步判断本土对FLU的敏感性与非本土生物有着较大差别，需要进一步开展针对本土化的相关研究工作（图1）.
2.4 FLU水生生物水质基准阈值推导
以实测数据为基础，在计算FLU水生生物基准阈值时，本文采用了USEPA“指南”推荐的SSR方法[15]，9种本土物种的SMAV值和GMAV值及其排序如表5所示，CMC（FLU的急性基准阈值）=FAV/评价因子，其中FAV取1.141 mg·L−1，评价因子通常取值为2，最后计算出我国FLU的急性基准阈值结果为0.570 mg·L-1[25-26]. 鉴于我国FLU慢性毒性数据较少，FCV值可通过“指南”所推荐的方法计算，即FCV=FAV/FACR，FACR的值是3种水生生物SACR的几何平均值（如表所示，3种水生生物的SAVR值分别为：大型溞6.23、麦穗6.49、泥鳅7.01），最终计算得出FACR值为6.57，FCV值为0.174 mg·L−1，已知淡水藻的FLU植物毒性值为7.447 mg·L−1，远远大于计算所得的FCV值，因此对植物的保护作用得到验证[27]. CCC的确定按“指南”所指出的方法，即由FPV、FCV和FRV三者中最小的值所确定[28]. 相比于动物，植物的敏感性要低得多，且我国缺少相应的BCF和MPC值，因而CCC可直接通过FCV值计算，在很多情况下FRV则不被考虑，最后计算出我国FLU的慢性基准阈值CCC为0.174 mg·L−1.
表 5 FLU水生生物种平均值及急慢性比Table 5. Ranked GMAVs with SACRs.排序 Rank 物种 Species SMAVs/（mg·L−1） GMAVs/（mg·L−1） SACRs 来源 Source 1 泥鳅 1.887 1.887 7.01 本研究 2 水螅属 2.032 2.032 本研究 3 青虾 3.011 3.011 本研究 4 麦穗 5.177 5.177 6.49 本研究 5 大型溞 5.487 5.487 6.23 本研究 6 锦鲤 6.251 6.251 本研究 7 霍甫水丝蚓 6.313 6.313 本研究 8 摇蚊幼虫 7.628 7.628 本研究 9 泽蛙蝌蚪 8.695 8.695 本研究 植物 淡水藻 7.447 7.447 [20] | Show TableDownLoad:
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另外，本文也对比了FLU对美国水生生物的毒性. 例如，本研究中本土代表性鱼类敏感性相对较高，泥鳅、麦穗鱼和锦鲤的96-h LC50分别为1.887、5.177、6.251 mg·L−1 FLU，而作为非本土鱼类的蓝鳃太阳鱼[29]、斑点叉尾鮰[30]、虹鳟[31]和呆头鲦鱼[32]的96-h LC50分别为20.90、36.00、91.00、118.3 mg·L−1 FLU，数值不在一个数量级，本土鱼类更加敏感；已经报道的非本土两栖类动物非洲爪蟾[33]的96-h LC50为52.00 mg·L−1FLU，远远高于本土两栖类泽蛙蝌蚪的实测值（8.695 mg·L−1 FLU）；本土底栖动物节肢动物门的摇蚊幼虫96-h LC50为7.628 mg·L−1 FLU，而已报道的非本土昆虫类生物是端足虫[30]和伸展摇蚊[34]，96-h LC50分别为44.00 mg·L−1和250.00 mg·L−1 FLU，差异较为明显，本土节肢动物门相对敏感. 综上所述，可以确定本土水生生物中鱼类、两栖类对FLU和底栖节肢动物门比非本土同类生物更加敏感.
本土底栖动物中环节动物门受试生物为霍甫水丝蚓，96-h LC50为6.313 mg·L−1 FLU，非本土浅绛单孔蚓[30]96-h LC50为0.700 mg·L−1 FLU，此外还有底栖甲壳类生物差异较大，本土青虾96-h LC50为3.011 mg·L−1FLU，而非本土底栖甲壳类动物美洲海螯虾[35]和俄勒冈虾[35]96-h LC50相对较低，为0.600 mg·L−1及0.800 mg·L−1 FLU. 因此可以确定非本土水生生物中底栖环节动物及甲壳类动物对FLU比本土生物更加敏感.
另外，借助荷兰RIVM公布的ETX2.0软件及逻辑斯蒂SSD曲线求出HC5值，分别是1.657 mg·L−1和1.869 mg·L−1. 因此当评价因子取值为2时，CMC在这两种SSD曲线下，计算的结果分别为0.829 mg·L−1和0.935 mg·L−1，上文采用US EPA“指南”中推荐的SSR法计算的CMC值为0.570 mg·L−1，由此可见，计算结果都同在一个数量级.
3. 结论（Conclusion）
（1） 基于US EPA“指南”推荐的方法，荧蒽本土水生生物急性基准阈值（CMC）为0.570 mg·L−1，慢性基准阈值（CCC）为0.174 mg·L−1；另外，通过荷兰RIVM公布的ETX2.0软件及欧盟推荐的SSD方法所得的基准阈值与本文所得结果（SSR方法得出）在数量级上一致，本文结果得到验证.
（2） 在敏感性方面，通过比较分析本土与美国物种的一致性较低，说明在进行我国荧蒽水生生物基准阈值的推导时，可利用美国水生生物毒性数据的概率很小.
致谢：感谢中国环境科学研究院刘征涛研究员在文章修改中给予的帮助.
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图 1 不同剂量UV消毒与NaClO消毒对大肠菌群数量的影响
Figure 1. Effect of UV disinfection and NaClO disinfection dose on coliforms quantity
图 2 UV-NaClO顺序消毒对大肠菌群灭活的影响
Figure 2. Effects of UV-NaClO combined disinfection on inactivation of coliforms
图 3 满足不同出水标准时UV和UV-NaClO顺序消毒后大肠菌群复活能力
Figure 3. The reactivation ability of coliforms after UV and UV-NaClO disinfection
表 1 不同污水排放标准下不同消毒方式所需的最小消毒剂量
Table 1. Minimum disinfection dosage required by different disinfection methods for different sewage discharge standards
出水标准 限值要求/(CFU·L−1) UV消毒/(mJ·cm−2) NaClO消毒/(mg·L−1) UV- NaClO顺序消毒UV(mJ·cm−2)/NaClO(mg·L−1) 一级A标准 FC≤1000 12 4 9/3 绿地灌溉标准 FC≤200 20 10 9/4 杂用水标准 E.coli 不得检出 60 20 9/10 完全灭活FC 80 30 20/10
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表 2 NaClO和UV-NaClO顺序消毒时DBPs生成量的比较
Table 2. Comparison of DBPs generation after NaClO and UV-NaClO disinfection
出水标准 NaClO消毒/(mg·L−1) DBPs生成量/(μg·L−1) UV- NaClO顺序消毒UV(mJ·cm−2)/NaClO(mg·L−1) DBPs生成量/(μg·L−1) 一级A标准 4 3.18±2.14 9/3 2.4±1.68 绿地灌溉标准 10 11.56±2.03 9/4 5.79±1.76 杂用水标准 20 52.27±2.65 9/10 12.09±2.23 完全灭活FC 30 65.32±2.87 20/10 14.47±1.89
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