【摘要】：對水環(huán)境質(zhì)量評價往往通過常規(guī)的化學(xué)分析與生物分析來進行,利用水生生物對生物毒性的檢測可以表達樣品的綜合生物毒性,因此生物毒性的檢測完善了對環(huán)境水樣的分析評價。所以,環(huán)境水樣的生物毒性研究受到越來越多研究者的關(guān)注。那么在生物毒性檢測的同時,對毒性成因的分析也是非常重要的,可以為進一步對生物毒性的控制方案的選擇提供一定的理論依據(jù)。對于工業(yè)廢水,污染物成分復(fù)雜且毒性大,生物毒性的檢測需要對水樣進行稀釋,然而對工業(yè)廢水的毒性成因分析研究較少;對于生活污水及再生水樣的生物毒性檢測往往需要對水樣中的污染物進行濃縮,但是對生活污水及再生水生物毒性的成因分析尚不明確;基于對污水廠處理過程中生物毒性的檢測,發(fā)現(xiàn)出水的生物毒性有所增加,那么對氯消毒后排水的生物毒性成因研究也是非常有意義的。針對上述的問題,本文選擇微藻-普通小球藻與發(fā)光細菌-青海弧菌Q67檢測了污廢水及再生水的植物毒性與微生物毒性,并對毒性的成因進行了一系列的研究分析。本論文是國家自然科學(xué)基金重點項目中的部分研究內(nèi)容。利用低等植物微藻與微生物發(fā)光細菌檢測了典型有機污染物與無機污染物的植物毒性與微生物毒性,并結(jié)合物化指標分析了工業(yè)廢水的毒性成因;利用三種類型的樹脂對污水及再生水中的有機物進行分級,分析不同類型有機物的TOC、SUVA、三維熒光光譜等有機特性,并結(jié)合其植物毒性與微生物毒性特性,初步分析污水及再生水的生物毒性成因;利用固相萃取技術(shù)結(jié)合微藻與發(fā)光細菌對污水廠工藝流程中水樣的植物毒性與微生物毒性進行檢測的基礎(chǔ)上,并通過對二級處理水的有機構(gòu)成特性與三鹵甲烷生成勢的分析,詳細闡明污水廠出水的生物毒性升高的原因。論文的主要工作與成果如下:(1)為了明確常見的有機物與無機物的生物毒性,檢測了六種有機物及七種重金屬的植物毒性與微生物毒性,并結(jié)合已知的有機污染物與重金屬的植物毒性和微生物毒性來分析工業(yè)廢水的毒性成因。發(fā)現(xiàn)了有機污染物的生物毒性的毒性大小分布廣泛,對生物的危害程度相差較大。對于所研究的有機污染物而言,殺菌類的有機污染物的生物毒性最大,其次為萘胺類及表面活性劑類物質(zhì),再者為抗生素類物質(zhì),生物毒性最小的為苯酚類有機污染物。而對于無機污染物中的重金屬離子而言,其生物毒性的毒性級別較為集中,重金屬離子的植物毒性與微生物毒性均處于極高毒(EC_(50)1mg/L)與高毒(1mg/LEC_(50)10mg/L)的毒性級別。此外,通過工業(yè)廢水的EC_(50,TOC)值與單一有機物污染物的EC_(50,TOC)值相比較,并對產(chǎn)生EC_(50,%)的稀釋后的工業(yè)廢水中各種重金屬離子與單一重金屬離子的EC_(50,metal)值進行比較,分析比較后數(shù)值的接近程度來判斷毒性的成因。結(jié)果發(fā)現(xiàn)啤酒廢水的生物毒性來源于高濃度的低毒(EC_(50,TOC)為274mg/L)有機污染物;而焦化廢水的生物毒性則來源于高毒性(EC_(50,TOC)為32.93mg/L)有機污染物。(2)以污水處理及再生過程中有機物特性、生物毒性的變化及毒性成因的分析為目的,研究了污水與再生水的不同組分的TOC、SUVA及熒光物質(zhì)等,發(fā)現(xiàn)污水及再生水的TOC百分比占有量最大的組分為疏水酸性組分與親水中性組分,其占有量總和超過了50%,而這兩個組分含有大量的腐殖酸類物質(zhì)(包括與微生物活動相關(guān)的腐殖酸類物質(zhì)、腐殖酸類物質(zhì))。通過生物法處理后,進水中的芳香族蛋白質(zhì)類物質(zhì)被微生物所利用,產(chǎn)生了腐殖酸類物質(zhì);而再生利用過程中,由于外界的污染,出現(xiàn)了芳香族蛋白質(zhì)類物質(zhì),同時腐殖酸類物質(zhì)可能被湖水中的生物吸附而有所降低。此外,通過反滲透技術(shù)結(jié)合生物毒性的檢測分析了污水處理及再生利用過程中生物毒性的變化,發(fā)現(xiàn)了在污水處理流程中的生物毒性隨著有機物濃度的降低而下降,并且生物毒性與水樣的TOC濃度呈線性的相關(guān)關(guān)系,說明對在對有機污染物去除的同時,生物毒性也得到了有效的降低。為了分析污水及再生水的毒性成因,利用樹脂分級結(jié)合各個組分的生物毒性與各組分中有機物特性的分析,初步判斷其生物毒性的來成因,發(fā)現(xiàn)污水及再生水的生物毒性主要來自中性有機物質(zhì),并且芳香族蛋白質(zhì)類與腐殖酸類有機污染物可能與生物毒性的產(chǎn)生有關(guān)。(3)以探明污水處理廠出水的生物毒性升高的原因為目的,在采用HLB固相萃取對城市生活污水處理工藝流程中的水樣進行植物毒性與微生物毒性的檢測,對二級處理水的有機構(gòu)成及三鹵甲烷生成勢的檢測來分析氯消毒所引起來的生物毒性升高的原因。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在污水處理過程中,進水均表現(xiàn)出了最高的植物毒性與微生物毒性,曝氣池與初沉池對植物毒性與微生物毒性沒有明顯的消弱作用,在好氧池階段去除了90%的植物毒性與微生物毒性,然而經(jīng)氯消毒后的出水的植物毒性與微生物毒性卻有所升高。并且在二級處理水中的腐殖酸類物質(zhì)的比例較原水有所升高,產(chǎn)生了新的由微生物活動所引起的腐殖酸類物質(zhì)。此外,疏水酸性組分與親水中性組分產(chǎn)生了較多的三鹵甲烷生成能,結(jié)合三維熒光光譜分析發(fā)現(xiàn),腐殖酸類物質(zhì)(包括與微生物活動相關(guān)的腐殖酸類物質(zhì)及腐殖酸類物質(zhì))為主要的消毒副產(chǎn)物的前驅(qū)物,富里酸類物質(zhì)具有較高的三鹵甲烷生成潛能。通過對氯消毒后的二級處理水生物毒性檢測,發(fā)現(xiàn)加氯量與三鹵甲烷的生成量及抑制率與三鹵甲烷的生成量呈線性的相關(guān)關(guān)系,即當加氯量為19.6mg/L時,其抑制率達到50%,產(chǎn)生的三鹵甲烷的含量為318μg/L,說明三鹵甲烷的產(chǎn)生可能導(dǎo)致二級處理水氯消毒后生物毒性的升高。本論文在污廢水及再生水的生物毒性的檢測及評價的基礎(chǔ)上,利用各種分析方法對毒性成因進行探討,不僅提供毒性檢測及成因分析方法上的參考,同時在對生物毒性的控制方案制定提供理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X703;X833
【圖文】：

735 435 ~ 640 477.5 ±0.5 71 ±11.3.2 發(fā)光細菌的發(fā)光機理及生物毒性檢測原理發(fā)光細菌的發(fā)光機理如圖1.1的反應(yīng)模式，一般而言，在所有的生物發(fā)光細菌系統(tǒng)中，分子態(tài)的氧直接或間接地參與其生物化學(xué)反應(yīng)。在細菌發(fā)光體中，分子態(tài)的氧化FMNH（還原態(tài)的黃素單核苷酸）和長鏈脂肪醛，反應(yīng)生成的能量不是用來進行質(zhì)子梯度的建立、滲透反應(yīng)以及ATP的合成，而是直接以光的形式釋放出來。反應(yīng)模式中共有3種酶參與，分別為FMN還原酶，熒光素酶和脂肪酸還原酶。在這些特殊的氧化反應(yīng)過程中能夠產(chǎn)生115kJ/mol的自由能，這些足夠的自由能能夠使最后的產(chǎn)物處于激發(fā)態(tài)

即會導(dǎo)致發(fā)光代謝受到影響，從而導(dǎo)致發(fā)光反應(yīng)受到抑制乃至粹滅[73]，如圖1.2。一般情況下，毒性物質(zhì)對發(fā)光細菌的抑制發(fā)光通過三種手段：（1）直接抑制參與發(fā)光反應(yīng)酶的活性，主要是熒光酶；（2）抑制與發(fā)光有關(guān)的代謝過程，例如呼吸過程；（3）毒性物質(zhì)直接導(dǎo)致細菌的死亡[74]。所以利用發(fā)光細菌的發(fā)光強度與毒性物質(zhì)濃度的大小的相關(guān)性，可以表征其毒性的大小。并且，發(fā)光細菌毒性檢測與各種水生動植物的生物毒性檢測方法表現(xiàn)出很好的相關(guān)性，例如藻類、甲殼綱動物、魚類等[75]。圖 1.2 正常的發(fā)光細菌在污染物存在的情況下發(fā)光減弱或者消失[76]發(fā)光細菌的發(fā)光強度可在實驗室環(huán)境測定，可利用的設(shè)備有管式生物發(fā)光分析儀、微孔板掃描儀，成像設(shè)備等。目前 96 孔微孔掃描儀是常用的儀器，該技術(shù)可搭配自動進樣裝置，并且可以隨時通過電腦軟件操作對測定的頻率和時長進行調(diào)整，大大加快了實驗的節(jié)奏，增加了結(jié)果的精確度。儀器的測量原理是通過儀

普通小球藻細胞在顯微鏡下觀察（A圖為400倍放大倍數(shù)，B圖為1000倍放大倍數(shù)）

【參考文獻】

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本文編號：2797353