四溴雙酚A（TBBPA）是全球產(chǎn)量和使用量最大的溴化阻燃劑之一，主要用作塑料制品添加劑。由于具有多種急性、慢性生物毒性，TBBPA對生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成危脅。目前，針對TBBPA的研究大部分局限于對其本身的去除，而對降解過程中水樣的毒性評價(jià)相對較少，且往往采用單一的急性毒性檢測方法，缺乏慢性、遺傳毒性等綜合研究，難以全面評估降解技術(shù)的脫毒減害效果。潛在生態(tài)毒性效應(yīng)指數(shù)（PEEP）可結(jié)合不同類型（急性、慢性、遺傳等）的毒性檢測結(jié)果，能夠較全面評價(jià)廢水的毒害效應(yīng)。目前，美國、加拿大、法國等國家均已將PEEP法應(yīng)用于對城鎮(zhèn)污水、工業(yè)廢水等不同類型的水質(zhì)毒性評價(jià)中。
近年來，新型、環(huán)保、高效水處理氧化藥劑高鐵酸鹽受到越來越多專家和學(xué)者的青睞，廣泛應(yīng)用于微生物、無機(jī)污染物、有機(jī)難降解污染物、實(shí)際廢水等處理中，具有處理效果良好、無消毒副產(chǎn)物風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此，筆者對高鐵酸鹽氧化法降解TBBPA過程中水樣的多種毒性（急性、慢性和遺傳毒性）進(jìn)行評價(jià)，并利用PEEP對綜合生物毒性進(jìn)行分析，探索其對生物毒性的控制效果。
1、材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器
本研究所用化學(xué)藥品主要包括優(yōu)級純的高鐵酸鉀、TBBPA、酵母提取物、胰蛋白胨、組氨酸、生物素以及分析純的鹽酸羥胺、檸檬酸、葡萄糖等試劑。生物藥品主要包括發(fā)光細(xì)菌凍干粉和鼠傷寒沙門氏菌（TA100菌株），所需大型蚤由其他實(shí)驗(yàn)室引種并培養(yǎng)、馴化所得。
本研究所用儀器設(shè)備主要包括AcquityHClass超高效液相色譜（UPLC，美國Waters）、DeltaTox毒性檢測儀（美國SDIX）、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（Agilent7890A/GC-5975CMS）、熒光顯微鏡（日本奧林巴斯）、超純水凈化系統(tǒng)（美國Milli-Q）等。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
反應(yīng)開始前，用超純水將TBBPA固體粉末充分溶解配制成0.28µmol/L溶液。反應(yīng)在1000mL錐形瓶中進(jìn)行，錐形瓶放入水浴恒溫振蕩器充分?jǐn)嚢瑁瑫r(shí)采取一定的避光措施。反應(yīng)開始時(shí)，將一定高鐵酸鉀粉末投加至TBBPA溶液反應(yīng)瓶并迅速攪拌均勻。每隔一定時(shí)間取出20mL水樣，用鹽酸羥胺（10µL，0.1mol/L）終止反應(yīng)，將水樣離心后取上清液進(jìn)行后續(xù)檢測。
1.3 分析方法
水樣的急性毒性采用發(fā)光細(xì)菌法（GB/T15441—1995），利用毒性檢測儀測定發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光度（X），經(jīng)計(jì)算得到水樣對發(fā)光細(xì)菌的半效應(yīng)濃度（EC50）；慢性毒性參考OECD大型蚤21d慢性毒性測試標(biāo)準(zhǔn)方法，獲得水樣對大型蚤死亡率的最大無效應(yīng)濃度（NOEC）；急性和慢性毒性均轉(zhuǎn)化成毒性當(dāng)量（TU）進(jìn)行分析。遺傳毒性采用平板摻入法（GB15193.4—1994）的Ames實(shí)驗(yàn)，獲得處理水樣和對照組（未處理水樣）的平均回變菌落數(shù)，兩者比值即為致突變比（MR）。美國廢水排放毒性標(biāo)準(zhǔn)要求急性毒性
反應(yīng)過程中水樣的TBBPA濃度經(jīng)UPLC檢測，采用WatersBEHC18色譜柱（1.7µm×100mm）、AcquityUPLCTUV檢測器，流動相為V/V=70/30的甲醇與水，進(jìn)樣量、流速、柱溫及檢測波長分別為1µL、0.5mL/min、30℃、210nm。
綜合生物毒性評價(jià)采用PEEP法，如下所示：
式中：TUi為已獲得的毒性當(dāng)量；N為參與評價(jià)的生物毒性指標(biāo)數(shù)；n為陽性結(jié)果測定數(shù)；Q為計(jì)算小時(shí)排水量。廢水風(fēng)險(xiǎn)評估的PEEP分級標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)PEEP≤1.99時(shí)，無毒；當(dāng)2≤PEEP≤2.99時(shí)，微毒；當(dāng)3≤PEEP≤3.99時(shí)，中毒；當(dāng)4≤PEEP≤4.99時(shí)，高毒；當(dāng)PEEP≥5時(shí)，劇毒。
2、結(jié)果與討論
2.1 高鐵酸鹽氧化法對TBBPA的降解效果
考察Fe（Ⅵ）/TBBPA、pH和溫度對高鐵酸鹽氧化法降解TBBPA效果的影響，結(jié)果見圖1。
由圖1（a）可知，高鐵酸鹽氧化法可高效降解水中TBBPA。當(dāng)Fe（Ⅵ）/TBBPA從1∶1升高至3∶1時(shí)，經(jīng)60min接觸氧化，TBBPA降解率從58.69%增加至92.36%；當(dāng)Fe（Ⅵ）/TBBPA為4∶1時(shí)，30min內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)TBBPA的完全去除；而當(dāng)Fe（Ⅵ）/TBBPA繼續(xù)升高至5∶1時(shí)，TBBPA被完全降解所需時(shí)間大幅縮減至10min，可見增大氧化劑投加量可有效提高高鐵酸鹽氧化法對TBBPA的降解效能。本研究選取Fe（Ⅵ）/TBBPA為4∶1，作為后續(xù)影響因素和生物毒性控制研究的氧化劑投加量。
由圖1（b）可知，高鐵酸鹽氧化法在較寬的初始溶液pH范圍（6.0~9.0）內(nèi)均可保持良好的TBBPA降解效果，去除率在86.97%以上。當(dāng)反應(yīng)體系的pH從5.0升高至9.0時(shí)，TBBPA的降解呈先升高后降低的趨勢，較優(yōu)的pH為7.0和8.0，分別在30和20min時(shí)實(shí)現(xiàn)TBBPA的完全降解。同時(shí)，由圖1（c）可知，當(dāng)溫度從10℃升高至25℃時(shí)，高鐵酸鹽對TBBPA的降解率從72.12%升高至100%；較優(yōu)的溫度范圍為25~30℃，TBBPA完全被降解且所需時(shí)間由30min降至20min；當(dāng)溫度繼續(xù)升高至40℃甚至50℃時(shí)，高鐵酸鹽對TBBPA的降解效果減弱。
溶液初始pH和溫度影響結(jié)果表明，高鐵酸鹽氧化法在合適的環(huán)境中可發(fā)揮較優(yōu)的降解效能，這與其他研究結(jié)果類似。從高鐵酸鹽分子結(jié)構(gòu)可知，其在水溶液中為三質(zhì)子酸（pK1=1.6、pK2=3.5、pK3=7.23），在溶液初始pH分別為3.5~7.23和>7.23范圍內(nèi)，高鐵酸鹽主要以HFeO4-和FeO42-形式存在，兩者的氧化能力均高于質(zhì)子形態(tài)高鐵酸鹽，有利于TBBPA的氧化降解；但在較高pH溶液中，TBBPA（pK1=7.5，pK2=8.5）主要以TBBPA-、TBBPA2-這種電負(fù)性較強(qiáng)的鹽形式存在，不利于高鐵酸鹽氧化法降解TBBPA。另外，當(dāng)溶液溫度較低時(shí)，高鐵酸鹽與TBBPA之間的有效碰撞次數(shù)較少，反應(yīng)不完全；而當(dāng)溫度較高時(shí)，高鐵酸鹽在溶液中的自分解反應(yīng)加快，對接觸氧化反應(yīng)不利。
2.2 急性毒性評價(jià)
考察Fe（Ⅵ）/TBBPA、pH和溫度對反應(yīng)過程中水樣急性毒性的影響，結(jié)果見圖2。
反應(yīng)開始前水樣的急性毒性當(dāng)量為0.5TU，TBBPA本身的急性毒性較低。由圖2可知，高鐵酸鹽氧化法可有效控制水樣的急性毒性，當(dāng)Fe（Ⅵ）/TBBPA從1∶1升高至4∶1時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后水樣的急性毒性從0.26TU降至0.06TU；當(dāng)Fe（Ⅵ）/TBBPA繼續(xù)升高至5∶1時(shí)，急性毒性為0.02TU，控制率高達(dá)96%，并且均滿足美國廢水排放急性毒性標(biāo)準(zhǔn)（<0.3TU）。
與高鐵酸鹽氧化法降解TBBPA的規(guī)律相似，隨著pH和溫度升高，水樣的急性毒性控制效果也呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢，最佳急性毒性控制效果所需pH和溫度分別為8.0和25℃，此時(shí)水樣的急性毒性當(dāng)量分別為0.05和0.08TU，滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。
2.3 慢性毒性評價(jià)
考察Fe（Ⅵ）/TBBPA、pH和溫度對反應(yīng)過程中水樣慢性毒性的影響，結(jié)果見圖3。
TBBPA具有較高的慢性毒性，毒性當(dāng)量高達(dá)41.7TU。由圖3可知，高鐵酸鹽氧化法對反應(yīng)過程中水樣的慢性毒性控制效果較急性毒性略差。當(dāng)Fe（Ⅵ）/TBBPA從1∶1升高至3∶1時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后水樣的慢性毒性從19.23TU降低至5.32TU，未達(dá)到美國廢水排放慢性毒性標(biāo)準(zhǔn)（TBBPA至4∶1和5∶1時(shí)，處理后水樣的慢性毒性當(dāng)量下降至0.95和0.28TU，控制率分別為97.72%和99.33%，且均滿足廢水排放要求。
高鐵酸鹽氧化法在較優(yōu)的初始溶液pH（8.0）條件下可將水樣的慢性毒性控制到0.23TU，控制率高達(dá)99.45%，滿足美國廢水排放慢性毒性標(biāo)準(zhǔn)；而當(dāng)其在較優(yōu)溫度（25℃）條件下時(shí)，慢性毒性當(dāng)量仍有0.95TU，雖已達(dá)標(biāo)但仍有輕微的慢性毒性風(fēng)險(xiǎn)。分析原因可知，TBBPA本身急性毒性較低，相對于慢性毒性可忽略不計(jì)，在TBBPA降解過程中生成的有機(jī)中間產(chǎn)物也可能具有較高的慢性毒性。前期研究結(jié)果表明，高鐵酸鹽氧化法在降解TBBPA過程中生成的三溴雙酚A、二溴苯酚類物質(zhì)、叔丁基苯等中間產(chǎn)物的LD50（大鼠，經(jīng)口）分別為2000、282、2600mg/kg，需將這些中間產(chǎn)物進(jìn)一步降解才可完全控制水樣的慢性毒性，可以通過提高Fe（Ⅵ）/TBBPA、延長高鐵酸鹽接觸時(shí)間等方法來實(shí)現(xiàn)。
2.4 遺傳毒性評價(jià)
考察Fe（Ⅵ）/TBBPA、pH和溫度對高鐵酸鹽氧化法降解TBBPA過程中水樣遺傳毒性的影響，結(jié)果見圖4。經(jīng)遺傳毒性實(shí)驗(yàn)，陽性對照組的平均回變菌落數(shù)為1000+。由圖4（a）可知，實(shí)驗(yàn)組TA100菌株的回變菌落數(shù)范圍為（111±18）~（193±18）個(gè)，且相對于空白組[未接種水樣，（160±12）個(gè)]，實(shí)驗(yàn)組的回變菌落數(shù)均無明顯增多，表明水樣存在較低的遺傳毒性風(fēng)險(xiǎn)。以不同Fe（Ⅵ）/TBBPA（1∶1~5∶1）條件為例，進(jìn)一步計(jì)算水樣的MR。由圖4（b）可知，MR為0.35~1.20，均低于2，說明高鐵酸鹽氧化法降解TBBPA后水樣不具有致突變性。
2.5 綜合生物毒性評價(jià)
基于急性、慢性和遺傳毒性的評價(jià)結(jié)果，進(jìn)一步計(jì)算不同反應(yīng)條件下水樣的綜合生物毒性，結(jié)果見圖5。
經(jīng)計(jì)算，原水初始綜合毒性PEEP為2.24，屬于微毒性。當(dāng)Fe（Ⅵ）/TBBPA從1∶1升高至3∶1時(shí)，PEEP從2.09降低至1.96，處理后水樣毒性得到有效控制；當(dāng)Fe（Ⅵ）/TBBPA增加至4∶1和5∶1時(shí)，PEEP降至1.02和0.75，出水均安全無毒性風(fēng)險(xiǎn)。
選取Fe（Ⅵ）/TBBPA為4∶1對反應(yīng)體系在不同pH和溫度條件下的PEEP進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，高鐵酸鹽氧化法在降解TBBPA過程中對環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在較寬的pH（5.0~9.0）和溫度（20~30℃）條件下均可有效控制廢水的綜合生物毒性，處理后出水PEEP均在2.0以下，無毒性風(fēng)險(xiǎn)。
3、結(jié)論
①高鐵酸鹽氧化法可以有效降解水中的TBBPA，當(dāng)Fe（Ⅵ）/TBBPA為4∶1、pH為7.0、溫度為25℃時(shí)，0.28µmol/L的TBBPA可被完全去除。
②TBBPA本身具有較低的急性毒性（0.5TU）、較高的慢性毒性（41.7TU），而其遺傳毒性風(fēng)險(xiǎn)也較低。高鐵酸鹽氧化法在降解TBBPA過程中可有效控制水樣的各項(xiàng)生物毒性，且隨著Fe（Ⅵ）/TBBPA的增加，高鐵酸鹽氧化法對反應(yīng)過程中的急性、慢性毒性控制得更快，控制效果更顯著。
③當(dāng)Fe（Ⅵ）/TBBPA為4∶1時(shí)，反應(yīng)后水樣的急性、慢性毒性分別為0.06、0.95TU，均達(dá)到美國廢水排放毒性標(biāo)準(zhǔn)；且處理后水樣MR為0.35~1.20，無遺傳毒性風(fēng)險(xiǎn)。
④綜合生物毒性評價(jià)結(jié)果表明，TBBPA本身屬微毒性，在較低高鐵酸鹽濃度[Fe（Ⅵ）/TBBPA為4∶1]時(shí)，即可將PEEP降至1.02，處理后水樣的毒性得到有效控制；且高鐵酸鹽氧化法在較寬的pH（5.0~9.0）和溫度（20~30℃）范圍內(nèi)，均使PEEP降至2.0以下，處理出水均安全無毒性風(fēng)險(xiǎn)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性。（來源：深圳市環(huán)境科學(xué)研究院，哈爾濱工業(yè)大學(xué)<深圳>土木與環(huán)境工程學(xué)院，深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料與環(huán)境工程學(xué)院）
