市政污水處理廠出水及受納水體污染和毒性研究進展

黎偉宗，劉源，李慧珍，游靜

暨南大學環境學院，廣東省環境污染與健康重點實驗室，廣州 510632

市政污水來源廣泛、成分復雜，且匯聚多種污染物。當前，用于市政污水處理效果評估及排放管控的指標主要是總氮、總磷和化學需氧量等常規參數，在此基礎上，近年來逐步增加了常規和優控污染物的監測，然而在評估中依然缺乏生物毒性指標。我國水環境管理正在經歷從總量控制、質量管理逐步轉化為風險管控的過程，而風險評估需要同時考慮暴露和效應水平。常規理化指標或單純污染物濃度難以反映污水的綜合風險，導致出水生態風險評估不確定性高，難以精準有效地指導市政污水處理方法的發展，市政污水處理廠出水可能成為受納水體污染的重要源頭之一。研究顯示，處理后的市政污水仍含有藥物與個人護理品[1-3]、農藥[4-5]和鹵代阻燃劑[6]等多種污染物，隨其排放進入受納水體，這些污染物在水環境中發生降解轉化，產生加和、協同和拮抗等復合毒性作用，對水生生物產生內分泌干擾[7]、發育毒性[8]、神經毒性[9]和遺傳毒性[10]等不良效應。近期，Pereda等[11]指出，盡管經過三級處理和高度稀釋，污水處理廠出水排放仍會危害受納水環境的生態系統功能。低濃度、連續排放的出水會改變受納水體的水質特征[12]，造成復雜的復合污染狀況。這些污染物及其轉化產物的相互作用也將對水生生物形成復雜多變的暴露條件[2]，可能破壞水生生物的生存環境，產生不良效應，影響水環境中魚類及無脊椎動物的正常發育繁殖[13-15]，從而改變受納水生態系統的物種豐度[16]、群落組成和結構[17-18]及生態功能[11]。由此可見，有效管控污水處理廠出水及其受納水體污染和風險對維護水生態健康尤為重要，但目前對出水受納水體復合污染的風險評估研究仍較缺乏。

水生態風險評估包括暴露和效應評估，一般可通過模型估算或實際測量。當前常用的評估方法是采集環境樣品，通過實驗室化學分析獲得樣品中污染物濃度，進一步計算風險商；或通過實驗室生物測試獲得樣品對受試生物的毒性效應。但樣品采集和運輸過程中污染物濃度、形態等會發生改變，且實驗室生物測試較難反映野外真實暴露條件，這些差異都會降低風險評估的準確性[19]。近年發展起來的原位被動采樣和生物暴露可有效降低實驗室測試的誤差，更加真實準確地反映暴露和效應的定量關系。

本綜述在總結市政污水處理廠出水及受納河流污染和風險評估研究現狀的基礎上，針對當前評估方法缺乏生物有效性和毒性識別的問題，提出利用原位被動采樣-生物暴露聯用技術追蹤污水處理廠出水對受納水體造成的污染暴露及效應變化，全面準確地評估受納水體生態風險，為出水排放標準和風險管控提供數據支撐。

1 污水處理廠出水中污染物濃度和毒性（Concentrations and toxicity of contaminants in wastewater treatment plant effluents）

隨著社會經濟發展、人口增長及人類活動的加劇，近年來我國城鎮和農村污水排放量均呈上升趨勢。2020年全國城市污水排放量達571.4億m3，比2010年增長了50.8%[20]。污水主要包括市政和工業污水，不同工業污水的成分差異較大，如紡織污水含大量有機染料，而石油化工污水含大量具有致癌性的烴類物質及其衍生物，但總體而言，其行業特征污染物一般較為清晰。針對各類工業污水的處理技術日益發展[21]，污水處理設備不斷升級，加之國家對工業污水的治理力度不斷加大，工業污水污染得到較好的控制，排放量從2010年的237.5億t下降到2016年的186.4億t[22]，并呈逐年下降趨勢。相較而言，市政污水具有更大的排放量，來源廣泛且成分更加復雜。各種傳統和新污染物，如藥物與個人護理品（pharmaceuticals and personal care products, PPCPs）、全氟化合物、農藥和鹵代/磷代阻燃劑等隨著污水管網匯集到污水處理廠[3, 5-6, 23-24]，進一步通過水解、光解和生物代謝等過程形成轉化產物，不同污染物及其轉化產物之間還會產生協同、加和、拮抗等復合毒性作用，導致嚴峻的復合污染問題。

當前污水處理廠最常用的處理技術是A2/O和氧化溝工藝，厭氧、好氧處理對氨氮、化學需氧量等常規污染物的處理效果很好，但傳統的污水處理工藝難以去除不易生物降解的痕量污染物[4, 25]，甚至出水中一些污染物濃度高于進水[26]。出水中仍有多種污染物被頻繁檢出（圖1），包括PPCPs、殺蟲劑、除草劑、性激素[27]和紫外吸收劑[28-29]等。其中，出水中多種PPCPs均有較高檢出率，由于其潛在生物積累性和生物活性而受到廣泛關注[13, 30]。例如，污水處理廠出水中12種典型PPCPs總濃度范圍是242～16 561 ng·L-1[30-40]，中國（5 541±5 145） ng·L-1高于美國（2 894±1 330） ng·L-1和歐洲（3 215±1 790） ng·L-1。不同PPCPs的污染特征也具有一定區域性，如出水中紅霉素的濃度為98.1～14 400 ng·L-1（（3 032±3 257） ng·L-1），顯著高于除文拉法辛外的其他10種PPCPs（P<0.05）。中國污水處理廠出水中紅霉素濃度（3 033±3 257） ng·L-1顯著高于美國（145±118） ng·L-1和歐洲（398±269） ng·L-1；美國污水處理廠出水中磺胺甲惡唑的濃度則顯著高于中國和歐洲；而歐洲地區卡馬西平的濃度水平則顯著高于中國（P<0.05，圖2）。由此可見，污水處理廠出水中污染物的濃度和組成有較大的地域差異，可能與當地的生活習慣差異以及污水處理廠附近的工業污染相關。除PPCPs外，除草劑、殺蟲劑和抗菌劑等多類新污染物也在出水中被廣泛檢出（圖1（b）和1（c））。阿特拉津和異丙甲草胺的濃度分別是26～124 ng·L-1和75～471 ng·L-1[32, 35, 41]。德國污水處理廠出水檢出新煙堿類殺蟲劑吡蟲啉的濃度高達237 ng·L-1[35]?？咕鷦┤壬谥袊臋z出濃度為14.7～226 ng·L-1[23, 37]，與歐洲濃度水平相似（19～219 ng·L-1）[36, 42]。除此之外，人造甜味劑三氯蔗糖的出水濃度也較高，如中國污水處理廠出水濃度為1 370～5 490 ng·L-1[37]。大量研究表明，污水處理廠出水已成為水環境污染的重要點源之一[24, 43-45]，對水生態系統的影響不容忽視。

然而，目前用于評估和監測出水水質的指標主要是氨氮、總磷和化學需氧量等常規指標，缺乏生物毒性指標，前期研究表明，污水處理廠出水仍會對水生生物產生毒性。如表1所示，Escher等[10]對澳大利亞2個市政污水處理廠出水和再生水進行了103種體外生物測試，結果表明內分泌干擾、遺傳毒性等終點的陽性率高于63%；Gauthier和Vijayan[8]發現污水處理廠出水對斑馬魚胚胎造成發育延遲且對幼魚造成代謝紊亂；Zhang等[47]利用斑馬魚死亡率表征出水急性毒性，同時進行微核試驗和彗星實驗檢測遺傳毒性，結果表明，出水的急性毒性被完全去除但遺傳毒性沒有降低，甚至有升高的趨勢；Dépatie等[48]發現出水中溴代阻燃劑會干擾白斑狗魚的脂質代謝功能；劉蕓等[49]發現A2/O出水對大型溞的急性致死毒性顯著降低，但出水中的內分泌干擾物仍然對大型溞具有明顯生殖毒性。由此可見，經處理的污水處理廠出水排放可能威脅受納水生態健康。

圖1 全球出水[23, 27-42]及受納水體[5, 12, 32, 34-35, 46]中典型污染物的濃度分布注：（a）藥物及個人護理品；（b）農藥；（c）其他新污染物；3條紅色實線分別為25%、50%和75%分位數；*表示濃度存在顯著性差異（P<0.05）；TCEP表示三（2-氯乙基）磷酸酯，TCPP表示磷酸三（1-氯-2-丙基）酯。Fig. 1 Concentrations of typical contaminants in wastewater treatment plant effluent and the receiving waterways worldwideNote: （a） Pharmaceutical and personal care products; （b） Pesticides; （c） Other emerging contaminants; the two red solid lines in the violins represent 25%, 50% and 75% of chemical concentrations; *indicates significant difference （P<0.05）; TCEP means tris （2-chloroethyl） phosphate; TCPP means tris （1-chloro-2-propyl） phosphate.

圖2 污水處理廠出水中5個典型藥物在中國[23, 31-33, 37, 39-40]、美國[32-34]和歐洲[30, 35-36, 38, 42]的濃度水平注：*表示濃度水平具有顯著性差異（P<0.05）。Fig. 2 Concentrations of five typical pharmaceuticals detected in wastewater treatment plant effluent in China, United States, and EuropeNote: *indicates significant difference （P<0.05）.

2 污水處理廠出水受納水體中污染物濃度和毒性（Concentrations and toxicity of contaminants in wastewater treatment plant effluent-receiving waterways）

截至2020年，中國城市污水處理廠達2 618座，污水處理率已達97.5%[20]。隨著污水處理廠的擴增和污水處理率的上升，排放進入自然水體的出水也增加。一方面，受納水體受到氣候變化或人為影響而水量減少時，出水排放可補充水流量，一定程度上保護水生生物的棲息地[53]；另一方面，出水排放導致的污染物輸入又可能嚴重污染受納水體（表 2），甚至破壞水生態結構和功能。以出水為主要水源的溪流與其上游或普通溪流相比，往往具有獨特的物理和化學水質特征[54]，連續的出水排放會改變受納水體的溶解氧、溫度、營養和化學成分負荷、毒性等[55]。有研究指出，出水口附近一般水溫較高[56]而溶解氧水平較低[57]，這可能會增加水體富營養化的風險并改變出水口附近的物種分布[53]。除此之外，污染物的輸入也會對溪流生態系統造成嚴重影響。有研究顯示，隨出水進入受納水體的污染物濃度與出水沒有顯著性差異，個別化合物的濃度甚至高于出水[34]（圖1）。出水中藥物和個人護理品、農藥、激素和微塑料等物質對受納水體的生態影響已受到廣泛的關注，研究發現受納水體中的魚類、蝸牛和鉤蝦等生物對藥物、農藥等物質具有一定的生物積累性[30, 58-59]，藥物的長期暴露對水生生物產生內分泌干擾效應[60]、生殖毒性[61]，并改變魚類腸道微生物群落變化[62]，從而影響受納水環境中魚類健康（表1）。Liu等[52]將鯽魚暴露在污水處理廠下游后分析其生物標志物變化，并結合實驗室分析水樣中藥物活性物質的濃度，計算風險商，發現鯽魚的綜合生物標志物響應指數與藥物活性物質的總風險商具有良好的相關性，說明出水中藥物排放危害受納水環境中魚類健康。Münze等[5]發現出水輸入顯著增加了受納水體中殺菌劑和殺蟲劑的濃度，且出水是受納水體中啶蟲脒和吡蟲啉的主要來源，增強河流毒性，影響無脊椎動物群落的組成和生態功能。Schmitz等[14]發現受納水體促使魚類代謝相關酶活性和氧化應激響應發生顯著變化，長期暴露影響脂質代謝相關基因，進而影響其正常生長、繁殖[48]。

出水中污染物排放進入受納河流后在水、顆粒物和沉積物等各介質間分配，并被生物累積（圖3）。Schultz等[63]和Gibs等[1]在美國出水受納河流的沉積物中檢測到抗抑郁藥、抗生素、三氯生和壬基酚等污染物。魚類、水生和底棲無脊椎動物通過皮膚吸收和攝食顆粒物等途徑累積污染物，有研究指出底棲貝類，如蛤蜊對抗抑郁藥苯海拉明和乙酰氨基酚的生物累積系數已達美國環境保護局定義的中度生物累積水平[64]?？梢?，底棲無脊椎生物的生境也受到污水處理廠出水排放的影響，除了對底棲生物個體造成損傷外，還影響底棲無脊椎生物群落分布甚至生態功能[65]。

表1 污水處理廠出水及受納水體生物測試方法及生物效應Table 1 Bioassay approaches and biological effects of wastewater treatment plant effluent and the receiving waterways

續表1

表2 受納水體中常見污染物種類和濃度水平Table 2 Concentrations of contaminants in wastewater treatment plant effluent-receiving waterways

受納水體水質和毒性水平隨著水流傳輸而動態變化，上游河水的稀釋作用、流速、流內衰減和季節變化等因素均會影響這一動態變化過程[55, 57, 68]。Barber等[32]對比了2個污水處理廠出水中多種有機污染物進入受納河流后的遷移特征，發現流量、流速等水文條件明顯影響污染物在受納河流中的遷移過程，包括持久性和遷移距離，如雌激素、有機磷酸酯和藥物等有機污染物在受納河流中持久存在，遷移距離最高可達160 km，這無疑對下游水生健康造成威脅。Zhi等[2]量化了污水處理廠出水中109種藥物及其代謝產物在受納河流5 km內的衰減率，發現不同藥物的衰減率差異很大，抗糖尿病藥二甲雙胍衰減率較低，在受納河流中維持較高污染水平；而西酞普蘭由于其容易被沉積物顆粒吸附而具有較高的衰減率，對于多數藥物及其轉化產物來說，沉積物吸附作用是它們在受納河流中的主要衰減機制[69]。污染物在遷移過程中的動態衰減對水生生物形成復雜的暴露條件，進而影響受納水生態健康。

污水處理廠出水中污染物在受納水體中發生光降解、生物降解等轉化過程進而生成各種轉化產物，由于轉化產物理化性質、環境行為和生物毒性均可能與母體有較大差異，使得受納水體復合污染風險評估更加復雜。Yin等[70]開展了污水處理廠出水的光降解、生物降解及光-生物降解聯合實驗，結果表明光-生物降解聯合可減少62.4%的溶解性有機碳，而光降解不僅減少了出水中芳香族化合物的數量，轉化產物的分子量也明顯變小，使得轉化產物更易被生物利用。Webb等[67]發現受納水體下游新煙堿農藥吡蟲啉的轉化產物吡蟲啉脲的濃度比出水高1.6倍～1.8倍，說明吡蟲啉可能發生了河內轉化；而吡蟲啉脲是一種環境穩定性更高的轉化產物[71-72]，可能帶來潛在的生態威脅。越來越多的研究表明，一些藥物（如雙氯芬酸、二甲雙胍等）[73-74]和農藥[75]的轉化產物具有與母體相近甚至更高的水生毒性，因此，亟須將轉化產物納入監管范疇并評估其水生態風險[76]。

圖3 利用原位被動采樣-生物暴露聯用方法追蹤污水處理廠出水受納水體生態風險示例Fig. 3 Tracking ecological risk of effluent-receiving waterways using in-situ passive sampling and bioassays

3 追蹤污水處理廠出水對受納河流污染和毒性的方法（Approaches to track occurrence and toxicity of contaminants in effluent-receiving waterways）

鑒于污水處理廠出水對受納水體的危害，一方面要強化污水處理技術，提高不同類型污染物的去除率。研究表明污水處理技術的提升能有效減少出水污染物的排放[77]并改善受納水體的群落結構[78]。另一方面需準確追蹤和評估出水中污染物在受納水體中的污染狀況、遷移轉化等環境行為和毒性風險。目前，監測水環境污染水平的方法仍以主動采樣為主，即采集野外環境樣品帶回實驗室進行化學分析，對比毒性閾值，利用商值法評估生態風險。Jiang等[46]通過采集地表水、沉積物和地下水樣品，分析了中國北方典型污水處理廠出水受納水體中抗生素的分布情況，結果顯示四環素、土霉素等是受納水體中濃度較高的抗生素，通過風險商評估生態風險，發現受納水體中抗生素對水生微生物造成較高風險。Zhi等[2]進行長達2年的野外采樣，分析了溫帶地區污水處理廠出水受納水體中藥物及轉化產物的分布差異，表明污染物在受納水體中的遷移轉化過程對水生生物造成復雜的復合暴露。Argolo等[79]利用細胞測試評估受納水體中自由溶解態和顆粒結合態污染物的雌激素活性，發現顆粒相中雌激素活性與水相當甚至更高，呼吁關注受納水體顆粒相中內分泌干擾物的生態風險。

主動采樣在水生態風險評估中應用廣泛，但存在一定局限性。通過主動采樣獲取的污染物濃度僅代表水環境中該污染物的瞬時濃度[80]，而污水處理廠出水及其他輸入源排放、流速和降雨等均會改變污染物的濃度。換言之，污染物在受納水體中的分布水平隨環境變化而發生時空動態變化，單次主動采樣獲得的瞬時數據并不具有代表性。另外，樣品運輸過程中污染物的濃度、形態、結構極可能發生改變，而且實驗室恒定的溫度、pH、溶解氧和光照等實驗條件并不能真實反映野外實際暴露情況[81]。由此可見，利用主動采樣獲得的監測數據或風險評估結果存在一定的不確定性。相較而言，利用野外原位評估方法可以有效降低風險評估的不確定性。有研究顯示，實驗室和原位生物測試結果并不總是一致[19, 82]，實驗室和原位評估聯用可獲得更具說服力的結果，因此原位評估在生態風險評估中的應用極為重要。野外原位評估包括原位暴露評估、原位效應評估和原位暴露-效應聯合評估等多種場景[83]。

原位暴露評估主要利用被動采樣技術原位獲得污染物的自由溶解態濃度，并通過商值法評估生態風險。原位被動采樣獲得基于生物有效性的時間加權濃度，相比主動采樣的瞬時總濃度，能夠更加真實有效地反映實際生物暴露水平[84]。常用的被動采樣技術包括聚乙烯膜裝置（polyethylene device, PED）、極性有機物整合采樣器（polar organic chemical integrative sampler, POCIS）、半滲透膜裝置（semi-permeable membrane device, SPMD）和薄膜梯度擴散裝置 （diffusive gradients in thin films, DGT）等，用于監測水中的有機污染物、重金屬及營養元素。Elkayar等[7]結合POCIS原位采樣和實驗室細菌毒性測試，發現污水處理廠出水受納水體下游數千米處仍檢出抗雄激素活性。Xie等[85]利用改良的POCIS監測污水處理廠進水、各處理階段、出水及受納水體污染水平，檢出包括麝香、新煙堿類農藥和抗生素等多種新污染物，結合斑馬魚胚胎測試，發現除污水處理廠出水排放外，城市受納水體還受到非點源污染的影響。Chaudhary等[86]利用DGT測定出水受納水體的水-沉積物界面處重金屬的生物有效濃度并評估水生態風險，結果表明低濃度重金屬造成的生態風險較低。該研究提出利用DGT測定水環境中重金屬的生物有效濃度并評估其生態風險是一種行之有效的方法。

原位效應評估包括原位生物測試、采集野外生物進行效應評估和野外生態調查等方式。原位生物測試是通過將受試生物投放至野外環境進行暴露后，評估污染物在生物中的累積潛力及毒性[87]。原位生物測試已被廣泛應用于水生態風險評估領域，受試生物涵蓋了魚類（如黑頭軟口鰷[88]、羅非魚[89]等）、雙殼貝類（如菲律賓蛤仔[90]、河蜆[51]等）和甲殼類等大型無脊椎動物（如鉤蝦[91]、大型溞[92]等）。暴露的環境介質可分為上層水體、底層水體、水-沉積物界面和沉積物孔隙水等。受試生物的毒性終點涵蓋了從基因水平到個體水平，包括與內分泌、脂質代謝等相關的基因表達、代謝酶和抗氧化酶的活性、行為、生長速率和存活率等指標（表1）。一般根據研究目標和生物特征選擇暴露裝置、暴露形式和毒性終點。Skelton等[93]將黑頭軟口鰷原位暴露于受污水處理廠出水和其他非點源影響的河流中，4 d后對肝臟分別進行1H核磁共振和氣相色譜分析其代謝組變化，發現出水及受納水體暴露會擾亂黑頭軟口鰷的肝臟代謝。Aguirre-Martínez和Martín-Díaz[51]分別將菲律賓蛤仔和河蜆原位暴露于接受污水處理廠出水的海水和淡水中，結合DNA損傷、氧化應激、生物代謝和神經毒性相關的多種生物標志物評估受納水環境沉積物對無脊椎動物的毒性特征，發現河蜆在出水中暴露7 d后死亡率高達96%，持續排放的高毒性出水嚴重威脅受納淡水和海洋生物的生長繁殖。

采集野外生物分析其體內污染物濃度和毒性也是常用于評估受納水體復合污染的重要方法。Munz等[59]采集了生活在污水處理廠出水受納水體中的鉤蝦，分析其體內新煙堿類農藥的濃度，并利用商值法估算毒性風險，發現基于內暴露濃度估算的風險高于基于外暴露的風險，呼吁在風險評估時需重視內暴露水平。除單獨生物個體毒性外，還可通過測定不同營養級生物體內污染物濃度，探究污水處理廠出水中污染物在受納水體中的生物放大效應[94]。此外，野外生態調查通過定量本土魚類及無脊椎動物的種群豐度, 可直接反映生態系統的受損情況。Sánchez-Morales等[17]發現污水處理廠出水受納水體下游多種大型甲殼類動物、水生昆蟲幼蟲的數量急劇下降，說明出水排放會影響受納水體中生物種群的豐度，破壞水生態系統結構和功能。

相對于單獨使用原位暴露或原位效應評估，原位暴露和效應的聯合評估能夠同時獲得暴露與效應的關系（圖3），使得評估結果更加全面和準確。然而，目前原位暴露和效應聯合評估在污水處理廠出水受納水體風險評估中的應用仍較缺乏。Lahti等[66]結合POCIS和原位生物暴露評估污水處理廠出水受納水體中藥物的生物暴露水平，雖然原位暴露后虹鱒魚的7-乙氧基異吩唑酮-O-脫乙基酶（ethoxyresorufin-O-deethylase, EROD）活性和卵黃蛋白原含量無明顯變化，但原位暴露生物表現出對藥物的明顯累積能力?？聺欇x等[95]結合SPMD、體外細胞測試和原位生物暴露（鯽魚）評估太湖水體的芳烴受體效應，SPMD定量的生物有效濃度與肝臟EROD活性具有良好相關性，表明原位暴露和效應數據具有較好的一致性。Burton等[96]研發了一套原位水-沉積物毒性評估裝置，通過被動采樣器SPMD和DGT獲取污染物濃度水平，同時獲得多種生物（水生、底表和底棲生物）的效應信息，并結合水質監測器獲得的實時水文水質參數，綜合評估上層水和沉積物的生態風險。綜上所述，聯合原位被動采樣和生物暴露技術，建立污染物生物有效濃度和生物毒性間的定量關系，是綜合評估污水處理廠出水中污染物對受納水體風險的有效手段，評估結果可為有效管控出水受納水體污染和風險提供基礎數據。

4 展望（Perspectives）

針對污水處理廠出水造成的受納水體復合污染問題，一方面要強化污水處理技術，提高不同類型污染物的去除率；另一方面還需加強對出水和受納水體暴露和效應的聯合評估。出水中含有多種污染物，是一個復雜的混合暴露體系，單純通過污染物監測的暴露評估可能會低估出水的風險，除了要加強對新污染物及其轉化產物的識別外，還需結合生物效應評估以準確甄別出水復合毒性的關鍵致毒物。污染物在受納水體中的遷移轉化過程可能會使毒性發生改變，包括污染物組成、聯合毒性作用。因此，迫切需要追蹤受納水體的暴露和效應變化，利用原位被動采樣-生物暴露聯合技術，可更準確全面地追蹤污水處理廠出水受納水體的生態風險，為改善出水水質及管控出水受納水生態風險提供基礎數據。