饮用水中多种氯化消毒副产物对生物的综合毒性

饮用水中多种氯化消毒副产物对生物的综合毒性

一、研究背景

1.1研究背景

饮用水消毒开始于20世纪初，其目的在于杀灭水中的微生物病原体以防止介水传染病的传播和流行。目前，我国常用的饮用水消毒方法有：氯化消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒和紫外线消毒。氯化消毒以其价格低廉、来源广、具有余氯持续作用等优点[1]，广泛应用于饮用水深度处理工艺中，也是我国最主要的饮用水消毒方法。然而，饮用水消毒杀菌的同时伴随着消毒剂与源水中含有的一些天然有机物和环境有机污染物以及溴或碘化物的化学反应，从而产生多种消毒副产物( disinfection by-products，DBPs)，对人体健康构成潜在的威胁。DBPs涵盖的范围很广，主要的大致可分为4类，即三卤甲烷( Trihalomethanes，THMs )、卤代乙酸(Haloacetic acids，HAAs ) 、卤代乙腈( Haloacetonitriles，HANs) 和致诱变化合物(Mutagen X，MX)[2]。

氯化消毒是应用时间最久且范围最广泛的消毒方法，通过近年来的大量研究表明，在常用的消毒方式中，氯化消毒是产生氯化消毒副产物最多的消毒方式。自20世纪七十年代研究者发现饮用水中存在DBPs以来，人们对加氯消毒后饮用水中存在的DBPs给予了极大的关注, 从DBPs的成分、毒性、流行病学、饮用水中的污染状况以及干预措施等方面进行了大量的研究。本文主要是针对多种加氯消毒副产物对生物的综合毒性进行进一步研究。

1.2研究意义

饮用水安全与人类健康息息相关，如今，DBPs是影响应用水安全的主要因素，是饮用水安全研究的热点之一。有关DBPs毒理学的研究进展很快, 到目前为止THMs已被公认为对动物具有致癌作用，DBPs的“三致性”（致癌、致畸、致突变）作用正引起研究者的广泛关注。流行病学研究表明，加氯消毒的饮用水与膀胱癌、直肠癌及结肠癌等的发病率之间存在潜在相关[3-7]，另外，饮用水DBPs还可能引起生殖、发育副作用[8,9]。因此，对于饮用水中氯化消毒副产物的生物毒性的研究是非常必要的。

二、国内外研究现状

2.1 研究背景

饮用水中DBPs的研究始于1974年，Bellar和Rook等研究发，用氯作为消毒剂时，不仅可以引起嗅觉和味觉上的反应，还可产生一类特殊的化合物THMs [10,11]。自此之后，人们开始大量研究DBPs，迄今为止，已有600多种DBPs被确认，大部分DBPs化合物被认为具有潜在致癌、致畸、致突变性。

THMs是氯化饮用水消毒过程中所形成DBPs的主要组分，它与HAA 占总卤代DBPs 的25%。近30年来，对于THMs的致突变活性(基因或染色体突变)和遗传毒性(致突变性和DNA

损伤)研究较多。大量体内和体外实验研究表明，三卤甲烷的各组分具有明显的致突变作用或遗传毒性，且存在良好的剂量反应关系[12]。

HAAs对DBPs总致癌风险的贡献最大，可以达到90% 以上；与HAAs类相比，HANs、HKs等的致癌风险可略不计。Goldman等[13]研究发现，二溴乙酸会导致雌性小鼠的雌激素水平升高并对肝的异化作用产生影响。

HANs的毒性研究多集中于其慢性细胞毒性和遗传毒性，对于其致癌性的研究目前尚未见报道。饮用水中检测到的HANs副产物有7种，包括一氯乙腈(MCAN )、二氯乙腈( DCAN )、三氯乙腈( TCAN )、一溴乙腈( BAN )、二溴乙腈( DBAN )、一溴一氯乙腈( BCAN )和一碘乙腈( IAN ) [14]。中国仓鼠卵巢( CHO )细胞实验结果表明，7种HANs的慢性细胞毒性大小依次为：DBAN > IAN U BAN > BCAN > DCAN > CAN> TCAN；其遗传毒性大小依次为IAN > BAN U DBAN > BCAN > CAN > TCAN > DCAN[ 15]。

MX 是迄今为止发现的具有最强致突变性质的氯化DBPs，尽管饮用水中MX 的浓度水平仅为几十ng级[ 16]，但是它对氯消毒自来水总致突变性的贡献为20%- 50%，体内、外试验结果表明，MX可引起哺乳动物细胞多种遗传损害，表现为基因突变、DNA 损伤、染色体畸变、姊妹染色单体交换[ 17]。

另外，饮用水中其他DBPs也有一定的生物毒性，Elena Righi等人研究发现饮用水中过高的亚氯酸盐和氯酸盐的饮用水可能引起孩子先天性肾功能缺陷、腹壁损伤、腭裂、阻塞性尿路缺陷等[18]。

2.2 存在问题

近30年来的毒理研究与风险评价表明，目前饮用水标准中所限制的DBPs不可能造成流行病学研究所显示的极大健康风险。在对DBPs化合物进行毒性分析时，其毒性数据是基于单个化合物的动物毒性实验获得的，这与实际情况中的上百种DBPs化合物通过饮用水途径同时暴露时对生物造成的综合风险存在很大差异。与此同时，目前为止只有一部分饮用水DBPs被确认，而还有很多未被确认，尤其是非卤代化合物都被忽略；那些未知DBPs也有可能是造成生物毒性的主要原因，用单个化合物的动物实验的生物毒性来评价饮用水中DBPs 的毒性存在很大的缺陷。因此，我们必须研究多种DBPs同时暴露对生物毒性的影响。

三、研究内容

3.1 研究目标

（1）研究在长期饮用含多种氯化消毒副产物的鼠类的肝脏、直肠、膀胱、肾脏、卵巢、睾丸等组织器官的变化，并与单种DBPs的生物毒性作对比，研究多种氯化消毒副产物对生物组织器官的毒性作用。

（2）研究DBPs长期暴露下鼠类生殖器官的变化，并统计实验条件下鼠类的繁殖率，从而得出多种氯化消毒副产物对生物的生殖的影响。

（3）研究长期饮用含多种氯化消毒副产物的饮用水对幼鼠生长发育的影响。

（4）综合评价饮水用中多种氯化消毒副产物对生物的综合毒性作用。

3.2 研究内容

本文旨在研究饮用水中多种氯化消毒副产物同时暴露对生物的慢性毒性，实验中采用成年雌性、雄性鼠和幼年雌性、雄性鼠作为生物毒性实验对象，长期用含不同浓度氯化消毒副产物的饮用水喂养成年、幼年鼠类，观察成年、幼年鼠类肝脏、直肠、膀胱、肾脏、卵巢、睾丸等组织器官的病变率，研究氯化消毒副产物对生物组织器官的生物毒性，并研究其与单种DBPs的生物毒性相比存在的差异，分析多种氯化消毒副产物存在条件下，氯化消毒副产物与癌变的相关性。观察成年鼠类的生殖器官结构和功能的变化，检查其病变率，同时统计它们的繁殖率，与正常喂养雌性鼠类作对比，分析DBPs对鼠类生殖的影响。观察幼鼠的成活率及体重，并检查幼鼠的体态特征及生殖器官的发育情况，分析DBPs对幼鼠的生长发育的影响。最后，综合评价多种氯化消毒副产物对生物的毒性作用。

3.3 拟解决的科学问题

饮用水消毒杀灭水中的微生物病原体以防止介水传染病的传播和流行，但是不可避免的带来一些DBPs，对人类健康造成一定的风险，氯化消毒作为现阶段应用最广泛的消毒方法，其消毒副产物的生物毒性更应该引起广泛的重视。本文中研究了氯化消毒副产物对生物肝脏、直肠、膀胱等组织器官的毒性作用，对成年雌性鼠类的生殖功能的影响，对幼鼠生长发育的影响，以此来判断多种氯化消毒副产物对生物体共同作用产生的毒性效应，为饮用水的风险评价提供依据，为相关部门制定饮用水DBPs限量标准提供新的参考依据，并推动饮用水消毒工艺的改进。

四、研究方案

4.1 技术路线