饮用水不同消毒技术的遗传毒性比较研究毕业设计.docx
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饮用水不同消毒技术的遗传毒性比较研究毕业设计
饮用水不同消毒技术的遗传毒性比较研究
清华大学环境科学与工程系给排水科学与工程专业09届聂雪彪
指导教师：
刘文君
摘要:
随着水源水水质的日趋恶化，水体中有机物种类日趋复杂，消毒后产生的更多的副产物，毒理学风险也越来越大。
为比较常用饮用水消毒方法的毒理学风险和副产物生成潜力，本研究从遗传毒性和卤乙酸（HAAs）生成量两个角度对氯消毒、氯胺消毒、紫外线消毒、紫外线+氯消毒、紫外线+氯胺消毒和氯转氯胺消毒6种不同消毒方法进行了评价。
本研究采用umu试验法评价饮用水遗传毒性。
umu测试法和经典的Ames测试法相比较，发现两种毒性测试系统检测的经氯和氯胺消毒后水源水的遗传毒性变化规律相一致。
以深度工艺处理出水（臭氧活性炭出水）为研究水样，用umu测试法研究发现，单独紫外线消毒遗传毒性与紫外线剂量成正相关，氯消毒遗传毒性较大，氯胺消毒遗传毒性较小且随剂量变化不大。
氯转氯胺消毒的遗传毒性介于氯消毒和氯胺消毒之间。
紫外线的引入（剂量40mJ/cm2）使高剂量的氯消毒（有效氯大于约2mg/L）的遗传毒性有明显增加；对于氯胺消毒，紫外线的引入对遗传毒性影响不大。
饮用水经消毒后，HAAs生成量与遗传毒性没有明显相关性。
6种消毒工艺的卤乙酸生成量主要由加氯量决定，加氯量越多，生成的卤乙酸越多，说明卤乙酸主要是氯消毒的产物。
关键词：
饮用水；消毒；遗传毒性；umu试验；卤乙酸
ABSTRACT
Withthedeteriorationofthequalityofsourcewater,speciesoforganicmattersinwaterarebecomingcomplex,moreDBPs（disinfectionby-products）aregeneratedandthereisincreasingtoxicologicalrisk.ForthepurposeofcomparingpracticaldrinkingwaterdisinfectionprocessesfromtheaspectsoftoxicologicalriskandthecapabilityofproducingDBPs,thisstudyevaluatedsixdisinfectionmethods（chlorination,chlorimination,disinfectionbyUV,UV+chlorination,UV+chlorimination,sequentialchlorination）fromtheperspectiveofgenotoxicityandoutputofHAAs（haloaceticacids）.
Thisstudyevaluatedgenotoxicityofdrinkingwaterusingumutest.ComparingumutestandclassicAmestest,thisstudyverifiedtheconsistencyofumutestandclassicAmestestusingsourcewaterafterchlorinationorchloriminationaswatersamples.
Usingaffluentafteradvancedtreatment（ozone/activatedcarbon）aswatersamples,thisstudyfoundthat,thegenotoxicityofdrinkingwaterafterdisinfectionbyUVlightwasinpositivecorrelationwithUVdose;thegenotoxicityofchlorinationwasthehighest;genotoxicityofwaterafterchloraminationwaslessandchangedverylittlewiththeraiseofthedoseofdisinfectant.Thegenotoxicityofwateraftersequentialchlorinationwasbetweenchlorinationandchlorimination.UVdisinfection（40mJ/cm2）increasedthegenotoxicityofchlorinationwithhighchlorinedose（availablechlorinemorethan2mg/L）markedly;inregardtochlorinationprocess,UVdisinfectionhasweakeffectongenotoxicity.
TherewasnoobviousrelativitybetweenHAAsandgenotoxityofwaterafterdisinfection.TheproductionofHAAsofsixkindsofdisinfectionprocesseswasmainlydecidedbychlorinedosage.Themorethechlorinedosagewas,themoreHAAswouldbegenerated.ItmeansthatHAAsismainlygeneratedbychlorination.
Keywords：
drinkingwater;disinfection;genotoxicity;umutest;HAAs
第1章引言
1.1研究背景与意义
1.1.1饮用水的安全性
饮用水的水质安全性主要分为生物安全性和毒理学安全性。
饮用水生物安全性是人体健康所考虑的最首要因素。
饮用水净化技术最早始于饮用水生物安全性问题，因为这一问题长期威胁着人类的生命和健康。
人类在与水源污染及由此引起的疾病所做的长期斗争中发展和完善了最早的饮用水处理工艺，如过滤工艺和消毒技术。
20世纪初，比利时开始对饮用水进行连续氯化处理，在使用氯消毒的地方，伤寒病死亡率大幅度下降。
近年来多次爆发的大规模水介传染疾病的危害使人们进一步关注饮用水的生物安全性问题。
另一个饮用水安全性指标是饮用水毒理学安全性。
水中污染物多数是有机物，随着工业污染的加剧，有机污染物种类也在不断增加。
随着流行病学研究和微量有机物富集、检测技术的发展和改善，有毒有害物质也不断被发现和检出，其中很多有机物对人体健康具有较大危害。
同时，饮用水净化工艺本身也可能对饮用水的毒理学安全性造成负面影响。
例如，加氯消毒过程中产生氯化消毒副产物（DBPs），包括三卤甲烷（THMs）和卤乙酸（HAAs），会增加饮用水的致癌、致突变性，对人体健康有长期的影响。
目前关注较多的微量有机污染物，如内分泌干扰物、藻类代谢产物（如藻毒素）等都影响了饮用水的毒理学安全性。
在美国国家环保局制定的129种环境优先检测污染物中，有毒有机化学物品就占114种；在我国制定的68种环境优先检测污染物中，有毒有机化学品占58种。
2006年颁布并于2007年7月1日正式实施的《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）中有毒化学品的检测指标为74项，比之前增加了59项。
由此看来，饮用水消毒在降低了饮用水微生物风险、提高了饮用水微生物安全性的同时，由于消毒剂本身及其生成的消毒副产物而提高了用水的化学物风险、降低了饮用水毒理学安全性。
饮用水的安全消毒应在首先保证饮用水微生物安全性的前提下，尽可能地减少有害消毒副产物的生成量以保证饮用水的毒理学安全性，这种相互制约的需求推动着人们对理想消毒剂的不断开发[1]。
1.1.2饮用水消毒工艺
饮用水消毒方法大体可分为物理消毒方法和化学消毒方法两类。
化学消毒方法中有关氯、氯胺、臭氧以及二氧化氯的研究及应用最多，物理消毒方法中较为常用的是紫外线消毒。
加氯消毒由于使用简单、价格便宜等优点，是目前最成熟且应用最广泛的消毒技术，美国自来水厂中约有94.5%采用氯消毒，中国据估计99.5%以上自来水厂采用氯消毒。
但氯消毒也有明显的弊端，如会产生较多的消毒副产物，对隐孢子虫和贾第虫灭活作用不明显等。
氯胺消毒是对氯消毒的改进，消毒原理与氯消毒相同，但采用能缓慢释放HClO的氯胺，可以延长消毒时间。
氯胺消毒虽然可以缓解消毒副产物的产生，但不能避免，而且同样对隐孢子虫和贾第虫的灭活较差，因此新型化学消毒技术——臭氯、二氧化氯等，先后被应用到实际饮用水的消毒处理中。
产生消毒副产物是化学消毒法最主要的问题，氯消毒，氯胺消毒和二氧化氯消毒都会产生特定的消毒副产物，臭氧消毒则产生较少。
随着近年来有关化学消毒副产物的报道的增多和人们对水质标准要求的不断提高，物理消毒方法特别是紫外线消毒引起了专业人士的高度重视。
紫外线消毒几乎不会产生消毒副产物，但它没有持续消毒效果，通常仍需与化学消毒法配合使用。
1.1.3消毒副产物与遗传毒性
大量的研究和应用实践证明，几乎每种消毒剂在消毒的同时都会与水中的某些特定污染物相互反应，从而产生一定的消毒副产物，虽然它们的含量一般极低（仅为μg/L量级）；但它们当中有不少是属于致癌、致畸、致突变的“三致”物质，进而直接地危害人体健康，这就提出了饮用水消毒的毒理学安全性问题。
由于饮用水消毒副产物种类繁多，而能够测定的消毒副产物种类非常有限，仅考察消毒副产物的生成量具有一定的局限性，又由于人们更为关注消毒副产物所表现出的综合生物毒性效应，因此考察饮用水消毒后的生物毒性显得尤为重要。
对于饮用水消毒后的生物毒性检测，目前国际上主要以遗传毒理学检测为主，其中又以遗传毒性作为主要检测指标[2]。
所谓遗传毒性，是一种破坏细胞遗传物质完整性的毒性行为，遗传毒性物质包括潜在的致癌物和致突变物，可导致基因突变或肿瘤的形成。
广义的遗传毒性物质既包括特定的毒性物质，还可指特定类型的辐射，但饮用水领域通常是指前者，主要是消毒副产物。
目前遗传毒理学短期生物测试方法主要有Ames实验、微核实验、彗星试验和umu试验等[3]。
遗传毒理短测方法虽不能直接用于评价饮用水中诱变物对人遗传毒性的危险性，但它在饮用水质的检测及其它方面有着重要的实用价值。
1.1.4研究目的与意义
综上所述，由于不同消毒方式其各自的特点，实际应用中要根据原水水质、经济条件等因素具体分析，而且饮用水水质标准越来越严格，人们对饮用水水质的要求也越来越高，因此，深入比较几种不同消毒方式的差异十分必要。
而随着工业污染的不断加剧，水源水中有机物种类及浓度不断增加，消毒副产物等具有诱变性物质的化学安全性问题亟待解决。
所以，比较评价各种消毒工艺的遗传毒性风险，则十分具有现实意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1常见消毒方法产生的副产物及其生物毒性
消毒方法的选择通常需要考虑以下4个方面的因素[4]：
（1）杀灭病原微生物的效率和持久力；
（2）经济和技术上的可行性；（3）工程实践中控制和监测的难易程度；（4）对人和生态环境的潜在危害性。
目前我国常见的消毒方法包括氯消毒、臭氧消毒、二氧化氯消毒、氯胺消毒和紫外消毒等。
其中前4种方法在用于饮用水消毒时产生的副产物类型及其生物毒性如表1-1和表1-2所示。
一般认为紫外线消毒生成的副产物很少，但由于其消毒效果受水中悬浮物含量影响较大，无消毒余量，且存在微生物的复活等问题，因此使其应用受到一定的限制[5]。
表1.1不同消毒方法产生的副产物类型[6]
副产物类型
代表物质
氯
臭氧
二氧化氯
氯胺
三卤甲烷
三氯甲烷
+a
+b
+
其它卤代烃
+
卤代烯烃
+
卤乙酸
氯乙酸
+
+
卤代芳香酸
+
其它卤代一元羧酸
+
+
不饱和卤代羧酸
+
+
卤代二元羧酸
+
+
卤代三元羧酸
+
续表1.1不同消毒方法产生的副产物类型[6]
副产物类型
代表物质
氯
臭氧
二氧化氯
氯胺
MXc及其相似物
+
+
+
其它卤代呋喃酮
+
卤代酮
+
+
+
卤乙腈
氯乙腈
+
+
其它卤代腈
氯化腈
+
+
卤代醛
水合三氯乙醛
+
+
卤代醇
+
+
卤代酚
2-氯酚
+
+
卤代硝基甲烷
三氯硝基甲烷
+
无机物
溴酸盐、次溴酸盐、亚氯酸盐、氯酸盐等
+
+
脂肪醛
甲醛
+
+
+
其它醛类
+
+
+
脂肪酮及芳香酮
丙酮
+
+
+
羧酸
乙酸
+
+
+
芳香酸
苯甲酸
+
+
+
醛酸、酮酸
+
+
羟酸
+
+
其它
+
+
+
+
a一般指氯代和溴代的4种THMs，如果碘代的也包括在内，则共有9种THMs；
b当溴离子存在时形成；c3-氯-4二氯甲基-5-羟基-2（5氢）-呋喃酮。
表1.2典型消毒副产物的生物毒性[6]
副产物类型
代表物质
毒性等级a
危害
三卤甲烷
三氯甲烷
B2
致癌，损伤肝肾，影响生殖
二溴一氯甲烷
C
损伤神经系统/、肝肾，影响生殖
一溴二氯甲烷
B2
致癌，损伤肝肾，影响生殖
三溴甲烷
B2
致癌，损伤肝肾，影响生殖
卤乙腈（HAN）
三氯乙腈
C
致癌，致突变
卤代醛和卤代酮
甲醛
B1
致突变b
卤代酚
2-氯酚
D
致癌，促进肿瘤
卤乙酸（HAAs）
二氯乙酸
B2
致癌，影响生殖和发育
三氯乙酸
C
损伤肝肾脾，影响发育
无机物
溴酸盐
B2
致癌
亚氯酸盐
D
影响生殖和发育
aA：
对人类致癌，B1：
对人类很可能致癌（有一定的流行病学数据），B2：
对人类很可能致癌（充足的实验数据证明），C：
对人类可能致癌，D：
未分类；
b吸入暴露
从表1.1和表1.2中可以发现，在氯、臭氧、二氧化氯、氯胺等4种消毒方式中，氯消毒是副产物生成最多的一种消毒方法，但由于氯消毒有持续的消毒效果，费用较低，操作简便，不需要庞大的设备等优点，因此是饮用水处理中最常用的消毒方法。
此外，臭氧、二氧化氯和氯胺消毒虽然在控制副产物方面各有优势，但也有可能引入氯消毒副产物之外的其它副产物[7]。
1.2.2饮用水有机污染物的遗传毒性研究
自70年代初国外学者首次检出饮水致突变性，并发现氯化消毒能使饮用水的致突变性增强后，饮用水的安全性问题引起世界各国的高度重视。
近些年，对于水遗传毒性的关注主要集中以下几个方面：
对水经氯或其他物质消毒后遗传毒性活性的评价；对水中致突变物质的调查；在水处理过程中，水中致突变前体物向致突变物转变的研究。
本部分将从以上几个方面对饮用水的遗传毒性研究做一简单综述。
1.2.2.1消毒对饮用水遗传毒性的影响
上述有关消毒副产物的研究尽管在保障饮用水的水质安全方面起到了积极作用，但仍无法摆脱其固有的局限性。
首先，目前能够测定的消毒副产物种类不多。
由于分析手段还不够完善，即使是研究较多的饮用水氯消毒，也只有约50%的副产物得以识别[8]（见图1.1），其它消毒方式则更少，如饮用水氯胺消毒，17%的副产物得以识别，饮用水二氧化氯消毒，28%的副产物得以识别，臭氧消毒8%的副产物得以识别。
图1.1氯化消毒副产物组成
其次，大部分关于消毒副产物风险的研究，是基于实验室进行的毒理学研究来判断的。
在这类研究中，产生毒性效应的剂量水平一般在mg/L量级，但饮用水中检测到的消毒副产物浓度往往在μg/L量级甚至更低。
而且大部分研究都是针对单一物质，而饮用水中存在多种消毒副产物，他们之间往往具有一定的加成、协同、拮抗效应等。
所以依据单一消毒副产物的毒理学研究结果，难以准确判定多种消毒副产物在饮用水中产生的毒性效应。
总之，饮用水消毒带来的水质安全风险是由种类多、浓度低的消毒副产物共同产生的，不能单单以某些副产物的生成量来判定。
在这种情况下，研究者转向了用遗传毒性测试来评价消毒后饮用水的水质安全风险。
与消毒副产物相比，遗传毒性测试能够更直接、全面的表征饮用水消毒的安全性[9]。
饮水的遗传毒性，是水中各种遗传毒物综合作用和反应的结果，除一部分来源于水源水污染外，消毒工艺产生的副产物也是主要来源。
（1）氯消毒的影响
至今，已有许多试验证明经氯化消毒后的水具有遗传毒性或致突变性。
1974年，Rook和Bellar[10]发现饮用水中含有卤代甲烷类物质，进而推动了人们对饮用水处理工程中氯化副产物的检测。
由于氯仿已被证明能诱导小鼠肝细胞癌变和大鼠肾部出现肿瘤，因此，卤代甲烷类物质引起了高度重视。
另外一些物质也被认为是氯化消毒过程的副产物，如氯丁二烯、卤乙腈、酮类卤代物等，Bull等[11]已对这些物质的致突变性和致癌性作了详细阐述。
鼠伤寒沙门菌回复突变试验（Ames试验）是最为常用的致突变检测方法。
多项研究结果显示，氯化消毒副产物的Ames试验呈阳性。
Sujbert等[12]对氯化消毒前后的饮水有机浓集物的致突变性进行Ames试验检测，结果显示消毒后的饮水有机浓集物的诱变活性（0.83～2.51）比消毒前（0.28～0.83）明显增高。
Umbuzeiro等[13]运用Ames试验检测了两个饮用水厂氯化消毒后水样的致突变活性，结果发现两份水样的有机浓集物显示出相同的结果，均可引起CG到AT的颠换。
Kundu等[14]的研究表明氯化副产物HNMs对沙门菌有致突变作用，对哺乳动物细胞有潜在诱变性。
张淑琪等[15]用Ames试验分析氯化消毒对饮用水遗传毒性的影响，结果表明，未氯化自来水有机提取物致突变反应呈阴性，加氯后自来水致突变性增加；在1~9mg/L的浓度范围内，随氯浓度增加，水样致突变性增加不显著，而且加氯中和剂可以降低水样的致突变性。
但是也有研究者用不同的毒性测试试验得出不同结论。
NathanielW等人[16]用人体细胞突变性试验研究腐殖酸溶液、沼泽水体和饮用水氯消毒前后的致突变性，结果表明氯化使腐殖酸溶液的致突变性增加了5.5倍；氯化前沼泽水体在高剂量时具有致突变性，氯化后低剂量时无致突变性而高剂量时表现很强的细胞极性毒性；但是饮用水氯消毒前后水均无致突变性。
以上研究提示，在饮用水氯化消毒过程中产生的卤代消毒副产物具有致突变作用，长期饮用氯化消毒饮用水，存在致癌致突变的潜在危害。
对于在氯化消毒中产生的致突变性化学物及其前体物的鉴定工作也正在进行，目前一般认为能产生遗传毒性副产物的前体物主要有胡敏酸、藻类及藻类细胞外物质、蛋白质和氨基酸等。
Meier等人[17]研究了腐殖酸水溶液氯化后的致突变性，认为水的致突变性大多是水中的腐殖酸与氯反应的产物引起。
Fielding等人[18]的研究结果表明，除水中腐殖酸外，氨基酸也是水中致突变物质的可能前体。
王家玲等人[19]也发现，腐殖酸是水中致突变物质的重要前体。
此外，水中藻类及其代谢产物氯化后也会产生的很强的致突变活性。
（2）其他消毒剂的影响
对于饮用水经过氯胺、二氧化氯等其他消毒剂单独处理后遗传毒性或突变性的变化，国内外学者也进行了一些研究。
LiciaGuzzella等人[20]用体外短测成组测试（Ames试验、大肠杆菌SOS显色试验、发光细菌毒性试验和酵母菌DNA突变试验），研究地表水分别经过NaClO、ClO2和过氧乙酸（PAA）消毒前后水中非挥发性有机浓缩物的遗传毒性。
结果表明，SOS显色试验和酵母试验是最灵敏的遗传毒性测试试验。
控制三种消毒剂消毒后余氯均为0.2mg/L，NaClO和ClO2消毒会增加遗传毒性，而PAA消毒能微弱降低水源水的遗传毒性。
但是由于水源水中有机物含量和种类随季节变化，导致水源水经同一种消毒剂消毒后遗传毒性变化规律不一致。
ClaudiaBolognesi等人[21]用斑马贝血细胞彗星试验研究不同季节的地表水经NaClO、ClO2和过氧乙酸（PAA）消毒3小时和20天前后水中遗传毒性的变化，同时用斑马贝鳃细胞微核试验研究地表水经三种消毒剂消毒10天和20天前后的遗传毒性。
10月份水样消毒剂投加量为：
NaClO1.24mg/L，ClO21.66mg/L，PAA1.00mg/L；2月份水样消毒剂投加量为：
NaClO0.71mg/L，ClO21.76mg/L，PAA0.61mg/L；7月份水样消毒剂投加量为：
NaClO0.55mg/L，ClO20.95mg/L，PAA0.90mg/L；消毒处理前后的水样不经富集直接感染细胞。
结果表明遗传毒性活性与取水季节尤其是季节温度有很大关系，冬季水样的彗星试验的毒性效应远小于夏季的结果，微核试验也有类似现象，尽管不太明显；TOC、COD和BOD高的水样的彗星试验效应和微核试验效应都明显高于TOC、COD和BOD低的水样。
各个季节水样用PAA消毒后都不会产生彗星试验和微核试验阳性。
水样用NaClO和ClO2消毒后会导致彗星试验检测的DNA损伤效应降低，但使微核试验的微核发生率明显增加。
SilvanoMonarca等人[22]用Ames试验和紫露草微核试验检测冬季和夏季的水源水和5个不同处理工艺的水厂的饮用水（经不同消毒剂消毒后）浓缩物的突变性。
Ames试验结果表明，所有的水源水水样都不具有突变性（TA98菌株）。
臭氧氧化后再用ClO2消毒能降低饮用水的TA98突变性，但是增加了夏季水样的TA100突变性；所有用ClO2消毒的水样的TA98和TA100突变性都降低了；但是所有用NaClO消毒的冬季水样TA98突变性都增加。
微核试验结果表明，水源水具有很高的微核发生率，即具有很强的染色体诱变性；NaClO消毒后微核率会增加，但是其他消毒方法处理后微核率均下降。
衡正昌等[23]用Ames试验研究成都市某水厂氯胺消毒和液氯消毒饮用水的有机浓缩物的致突变性，结果表明，对于TA98菌株，液氯消毒的出厂水1.5L检出阳性反应，而氯胺消毒检出阳性反应的水样量大于6.0L，证明氯胺消毒可以降低饮用水的致突变性。
黄君礼等[24]用Ames试验对二氧化率和液氯消毒饮用水水样和黄腐酸（FA）溶液进行了致突变性的比较，结果表明，二氧化氯消毒的水样未显示致突变性，而液氯消毒的水样具有致突变性。
国外已有研究者开展过紫外线消毒对饮用水或者污水致突变性或遗传毒性的影响的研究，大部分研究结果表明单独紫外线照射不会增加水样的致突变性或者遗传毒性。
Veerde等人[25]用低压和高压紫外灯照射阿特拉津、西玛津等5种有机农药和苯丙氨酸等几种水体中天然存在的有机化合物，用Ames试验和姐妹染色单体交换试验研究其致突变性，结果表明无论是低压还是高压，对所有样品来讲，紫外照射前后均无致突变性。
ThomasHaider等[26]用80mJ/cm2的低压紫外灯照射澳大利亚不同地区的地下水，用Ames、紫露草微核试验和鼠肝脏细胞微核试验比较水样在紫外线照射前后的致突变性和遗传毒性，结果表明，只有一份水样紫外线照射后Ames
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