木薯淀粉废水中生物毒性检测方案(水质毒性分析)

普资讯 http：//www.cqvip.com 淀粉，木薯淀粉废木毒热带華测报告 木薯淀粉废水毒性-NMicrotox 和浮萍测定 75z3之 Triet，T 宇振等 X792.93Bengt-Erik Bengtsson Tran Triet 本研究采用 Microtox 方法和一种热带浮萍 ( Lemnaaequinoctialis)测定了以泰国木薯(Manihot esculenta)为原料生产淀粉的一家工厂的未处理过的及处理过的排放物的毒性。两种方法均证实未处理样品有很高的毒性。而处理后的排放物对浮萍仍具有毒性。放置废水可以降低其毒性。这部分与氰化物含量有关。木薯块茎中的其它(未确定)成份也有毒性。本文研究结果表明：大多数东南亚木薯淀粉工业的废水都未经处理，当用这样的废水灌溉时，有可能对农作物(如水稻和蔬菜等的早期生长阶段)产生严重危害。这也可能对当地水产业及排污水域中野生鱼类和甲壳类种群生长的敏感阶段产生负作用。 一 引言 在发展中国家和新工业化的国家，自然资源的传统利用方式与工业发展之间常发生冲突。在城市化地区，除工业用地、劳力安置、垃圾堆放等占用土地外，工业废水导致土壤和水质退化.以致土壤和水难以正常发挥功能。农业生产也随之不断变化.例如，由于当地城市和国际市场需求的变化.而种植新的作物类型(如经济作物)。本研究表明，在木薯深加工为木薯淀粉的过程中是如何排出有毒物质的，在其排污水域中是如何杀死水生食物资源(鱼、虾等)的；当这种含毒的水用于灌溉时，可以认为是作物(水稻、蔬菜等)的潜在威胁。木薯淀粉的生产在东南亚是非常普遍的，所以找出保护淡水资源的传统利用的实用方法是很重要的。 木薯(Tapioca)，又称 cassava，是热带最重要的块根作物。它广泛生长于非洲、亚洲和南美洲的热带地区，尤其在巴西、泰国、印度尼西亚、扎伊尔及尼日利亚更为重要. 根据Corbisley 和 Miller 的研究，cassava(木薯)这一术语在欧洲和美国意指这种植物的根，而 Tapioca 特指木薯的加工成品。为了方便，在本研究中仅用"木薯(Tapioca)”一词，指以上两种含意 1982年世界木薯淀粉的产量估计为12900万t，其中 4600万t产于亚洲热带区。现在木薯淀粉占撒哈拉南部非洲主食的40%，且木薯种植的持续增长不受农业计划制约。 木薯除作为人和动物碳水化合物来源之外，木薯淀粉亦被广泛地用于工业，生产纸浆、胶合板、胶粘剂、甜味剂、谷氨酸单钠(即味精)、酒精、氨基酸等. 木薯粉生产的主要问题是其含有氰化物，氰化物的含量随着 品种、土壤、气候及其其因子而变化16.11。剥皮的木薯块茎中氰化物的含量为6-250mgHCN/kg(鲜重)，报道的最高含量是 434mg/kg.根据氰化物的含量，木薯可分为甜味型和苦味型。Coursey将根中氰化物含量低于50 mg HCN /kg(鲜重)的木薯定为无毒或甜味型。甜味型种植常供人类消费，而苦味型的用于工业 氰化物在木薯中是以氰化糖苷的形式存在，其中 Linamarin占93%，Lotaustralin占7%。HCN 很容易被 Linamerase 酶从木薯氰化糖苷中释放。在此过程中会机械破坏植物细胞。氰化作用发生在加工木薯根组织的过程中。很自然，在动物咀嚼和消化木组织时发生氰化作用是植物的一种保护机制 氰化物对许多生物有毒性，尤其是中枢神经系统对氰化物特别敏感。人慢性氰中毒的症状是头痛、眩晕、恶心、呕吐、发抖。已有研究表明含有大量木薯的非洲食物对甲状腺及神经系统有慢性中毒作用。在马来西亚的沙捞越和南非也有同样的报 在水环境中，氰化物低于0.3mg /L的低浓度富集已经可以引起鱼类大量的死亡2。 Leduc 列举了许多这样的事例。 木薯加工的主要产品是木薯球、木薯片及其淀粉。木薯片是用一种简易的切片机切削木薯根生产的，然后在太阳光下晒干。木薯球是在高温和高压下将木薯片压成圆柱形而生产的、切片和压球是干加工过程，并不排出废水。但从木薯块茎中提取淀粉的过程需要大量的水。据估计，木薯淀粉加工厂在初级(传统的、劳动密集的)加工过程中，生产每吨淀粉排出的混合废水量为40—60/m，而在高度机械化、资金密集型的次级加工过程中，生产每吨淀粉排出的废水量为 20-40/m5 水污染问题是非常严重的，废水为强酸性，有时其pH 值可低到2.6.据报道，混合废水的pH值的范围在3.8-5.2。低pH值对水生生物有害且阻止其排污水域的自净作用。悬浮的固体沉到河床上，毒化了鱼类的繁殖地。由于固体部分在性质上主要以有机态存在，它们可以分解进而除去水中的游离氧。在许多国家，尤其是泰国162，已有与木薯淀粉生产有关的严重水污染的报道。这些国家也采取了降低废水中 BOD 和 COD高含量的行动。亚洲技术研究所(Asian Institute of Technology)在这些方面进行了很多研究15.17。 虽然已有众多的研究清楚地说明了木薯根的毒性作用，但木薯淀粉加工业排放的废水的毒理学问题一直没有受到重视。在印度尼西亚的实验指出了木薯淀粉废水对鱼类的直接影响(Holmgren， S. 私人通信，1992)。越南农民也怀疑用废水灌溉会影响水稻的生长6..1990年在印度尼西亚召开的第二次亚洲木 研究学术讨论会上，提出氰污染废水引起的环境污染问题应该作为深入研究的重要课题-19. 材料与方法 应用美国微生物有限公司(Microtox)方法作生物毒性测定，用维管束植物浮萍(Lemna spp. )作试验： Microtox 试验 Microtox 方法是用一种可发光海洋细菌(Phos phobacteriumphosphoreum)作为该方法的测定生物。将细菌置于水样中，通常在5-15分钟后测定水样对生物的毒性。许多研究证实了 Microtox是快速测定化合物和工业排泄物的急性毒性的一种有效方法20-24：。用这种方法得到的有效浓度值(EC50)与鱼和虾的大多数2天至4天的致死浓度值(LC50)基本在同一数量级，说明这种方法是快速检查这些有机体急性中毒的一种有用方法。 Microtox测试得到的结果是以有效浓度(EC)值的形式表示的。有效浓度值(EC)是指水样中使Microtox 测试生物的光输出降低到某一百分率的有效浓度，如 EC50 是指光输出降至50%时的值。本试验中分别计算5分钟和5分钟时两个EC50值，其结果分别称为5分钟和5分钟有效浓度中值，即 EC50. EC50 是用Microtox 软件自动估算的，Microtox 测试的结果与 ANOVA的结果做了比较。 本实验中采用了500 型 Microtox 分析仪(美国微生物有限公司)。设备、试剂、化学药品和样品都根据 Microtox 手册中描述的基本测试和100%测试方案操作25.. 浮萍试验 浮萍(Lemnaceae)是一种小的漂浮性维管束植物。温带物种浮萍(Lemna minor)已经被用于测定很多的污染物[26]这种测试方法的广泛应用部分原因是实验室养植浮萍既简单又灵敏。测试的变量是7天中记录到的浮萍生长的新叶和生物量的增长量(7dEC50)。同时也记录叶绿素a的生产量。 在每次废水测试浓度(t)下的最终生物抑制量I可描述如下： 式中：B.为对照的最终生物量 B.为每一测试浓度(T)下的最终生物量 因为是研究热带国家木薯淀粉加工排出物的毒性问题，所以有必要选择热带的浮萍种类来做测定，测试了几种生长在泰国中部地方浮萍种的有效性后证实：符合我们要求的最好的物种是Lemna sequinoctialts[28-19]。L. aequinoctialis 植株在接种到培养基上生长12天后，再用于测试实验。 Dengtsson 和 Cerino 曾描述过这种测试方法幻，此方法也是对瑞典环境保护局编写的L. minor 手册的改进. 本研究中浮萍的7日有效浓度值(7dEC50)是以干重计的生物量为基础181，用 TOXEDO 软件计算了有效浓度(EC)及其95%置信区间31 物理和化学参数 除 Microtox 和浮萍测定之外，根据"水和污水测验标准方法”，测定了其其物理参数。在曼谷 AIT环境工程部分析实验室，测定了pH值、导电性、溶解氧(DO)和化学需氧量(COD)。氰化物总量的分析由泰国曼谷科学眼务部化学实验室完成， 样品采集及处理 废水样品于1993年2月11日和3月3日从曼谷以南 250km的拉用Rayong)省的一家薯薯淀粉厂采集。这个工厂是一个初级加工企业(参看引言)，每天可以加工 200-300t 木薯根，生产出大约75t淀粉成品，在木薯旺季(10月至来年4月)，这个工厂昼夜开工，耗水量为2400ml/d.废水在由7个水池构成的一个池塘系统中做处理。在做生物处理之前，先用 CaCO：来降低其酸性。经过不同水池处理之后，废水排入一条小河。这条小河的水常常被当地农民用于灌溉农田。 这次实验共采集了三类样品。 一一注入水(I类样)： —处理前的废水(O类样)： ——处理后的废水(T类样)。 采集水样为两小时的间隔内采集的三份单个水样混合后的混合样品， 在将样品带回实验室的过程中(约需4小时)，样品存放在低温环境中，即<5℃。如果不立刻做 Microtox 和浮萍测定时，样品冷冻后，保存在-25℃的低温条件下、用于分析化学需氧量(COD)的品品用HSO.保存，以减少微生物对有机物的氧化。分析氰化物的样品用NaOH 处理，使其 pH值为11。温度、导电性、pH值及溶解氧(DO)值就在采样地测定。在做 Microtox 和浮萍测试之前，根据这两种测试手册的描述，需将样品的pH值中和至其要求的条件下L25.28] 实验设计 本实验做了两组。第一组、第二组的样品分别是2月11日和3月3日采集的，每一个取样点(I、O及T点)有5个混合样品用于做Microtox 测试。Microtox 测试还可以研究废水毒性用用随时间而降低的问题，通过测试不同时间的样品，我们做了这样的研究。每一组的三类样品均在室温(25℃)下保存在2L的塑料器皿中，在0、3、7天时进行Microtox测试。在工厂附近小河中(排污水体)采集了一些水用来补充生长过程中自然适应的微生物。 只对处理前和处理后的废水做了浮萍测试。在第一组中，每一测试浓度做了两个重复来进行初步的浮萍测试。第二组可以说是主要的测试项目，每一浓度做了四个重复的浮萍测试。 表1木薯(Mamihot esculenta Crantz)水样品的瑞化性状 T pH 导电性 溶液氧化学需氧量 (℃) (mS/cm) (mg/L) (mg/L) 第一组 I 29 7.7 0.2 5.3 3.7 28 4.8 1.15 4.5 8400 T 29 7.4 2.19 0.2 182 第二组 I 29 7.4 0.25 4.5 3.2 30 4.3 1.41 4.6 6200 T 29 7.7 1.80 0.9 130 I=注入水样品 0=未处理度水样品 T=处理废水样品 表1为本研究选择的木薯淀粉厂废水样品的的些理化性状。未经处理的废水具有低的 pH值和高的化学需氧量。处理后的废水溶解氧含量低，与注入水相比其化学需氧量仍偏高。 表2为样品中氰化物总含量。注入水样的氰化物含量小于0.05mg CN /L。未处理废水样品氰化物含量的范围分别是：第一组3.2-3.5mg CN /L； 第二组0. 9-2.2mg CN /L。处理后的祥品氰化物含量范围分别为：第一组0.4-1.9mg CN /L；第二组0.2-0.5mg CN /L.两组间氰化物含量的差异可以解释如下：在第二组取样之前的4小时，该工厂在停产维修10小时后才刚刚开工。所以，第一组中氰化物含量的数值更能代表该工厂废水中氰化物的状况。未处理废水中氰化物的含量在放置7天之后又做了测定。结果表明样品中氰化物的含量降低了4倍，降低到u.2-0.5mg CN/L(表2). 第一组样品 Microtox 测试的结果列于表3.刚取回样时，只测两个未处理样品(01至05)。7天之后，注人水样品(I1至151、未处理水样(01至05)及处理水样(T1至T5)都作了分析。未处理样品的毒性很高。5分钟有效浓度值为为始废水浓度的5.6%一9.2%15分钟有效浓度的值为初始废水浓度的2.0%-4.6%.7 (用mg CN-/L表示) 0 第一组 0.02 3.21 0.39 0.02 3.26 1.85 0.04 第二组 0天 <0.05 ≤0.05 7天 345 3.38 1.6 0.2 2.2 0.9 0.5 0.45 0.55 0.16 ]注入水样品 0=未处理废水样品 T=处理废水样品 天后5分钟的毒性分别降低3-5倍和4-12倍，注入水和处理后的污水样品没有表现出毒性。其7天后的有效浓度值比初始样本浓度值的100%还大. 表4为第二组 Microtox 测试的结果。所有的样品(包括注入水、排出水及处理水)均在0、3、7天做了测定。注入水、处理水均无毒性，而排出水的毒性值很高。采用ANOVA 软件分别计算0、3、7天5分钟和10分钟有效浓度值的平均值，且与5分钟的作了比较，证实0与3天及0与7天的值之间有显著差异(P<0.01)，而3与?天有效浓度值之间没有显著差异P>0.051。 第一组和第二组未处理废水样品之间也做了有效浓度值的比较。第二组未处理废水样品的有效浓度值比第一组有效浓度值高得多(P<0.01)。这说明第二组样品的毒性小于第一组样品。这与第二组样品中检测出氰化物低相一致(表2) 取得的有效浓度值代表原始水样的稀释浓度(即有效浓度值以百分数表示)，有些原始废水样品还做了氰化物含量的分析(表2)。这些值的计算使我们可以决定有效浓度值是在哪个氰化物浓度下测得的。由表2的单个数据算出氰化物分析析度的平均值、并与 Microtox 有效浓度值的平均值比较，结果如下： 0天第一组、0天第二组、7天第二组(表5)的5分钟有效浓度值，氰化物浓度分别为0.23、0.24及 0.13mg CN /L.15分钟有效浓度值相应的氰化物浓度为0.09.0.09 和0. 15 mg CN /L。 NaCN(氰化钠)溶液 Microtox 测试的结为为(括号中为95%置信区间的数据)： 5分钟有效浓度值=13.25mg CN /L (7.4-23.8) 15分钟有效浓度值=7.4mg CN /L(4.5-12.7) 与期望由上述废水氰化物浓度算出的氰化物含量值相比，以上数据值较高(即毒性低)这说明废水中含有其它的毒物. 仅对第二组废水样品中的未处理和处理水样品做了浮萍测试，NaCN 溶液每一浓度做4个重复。生物抑制的计算结果列于表6. 浮萍对NaCN 的敏感性与 Microtox 方法5分钟的有效浓度值相比大1000倍(即0.01与13.25mg CN /L相比).对未处理废水来说，浮萍的7天有效浓度值(7d EC50)(表6，为原始样品浓度的1.9%)与同一水样用 Microtox 测试得到的15分钟和5分钟的有效浓度值相比敏感性分别高3倍和8倍(表5). 处理样品浮萍测试的敏感性比 Microtox 方法至少高3倍即29%与>100%相比)。 处理废水样品和未处理样品7天有效浓度值的平均氰化物含量(表2、第二组、0天)分别为0.10和0. 03mg CN /L。与 NaCN 7天有效浓度值的氰化物含量值(0.01mg CN /L)比较，说明浮萍对NaCN试验中的氰化物比对废水样品中的氰化物更敏感。这说明其它组份有对抗作用，或者说废水中的氰化物对浮萍的毒性小。 讨1论 两种测试均证实废水有高毒性。未处理样品、处理样品及NaCN 溶液浮萍测试的敏感性比相应的 Microtox测试高。上述结果的部分原因是：用Microtox测试水体时的敏感性通常与鱼和甲壳类的急性中毒数据(以死亡率表示，如2或4天的致死浓度)相当或不如后者[23，34]，而浮萍测试的则是7天之后的次致死浓度。还有一种可能是浮萍(普遍说是植物)对木薯废水中的某些氰化物敏感。 本试验研究的工厂所采用的废水处理措施可以很有效地降低Microtox 毒性，但仍然有相当高的浮萍毒性，东南亚普通的工厂(即初级工厂)只有低效的处理设备，毒性问题依然存在。 在东南亚当地传统木薯淀粉加工地区、常用未处理的废水灌溉农田。研究的结果表明废水对农农物(水稻、蔬菜等)有害。浮萍测试的结果更能说明这一问题。所以，未经处理的废水的高毒性对当地居民赖以生存的接受废水的水体中的贵重野生鱼和甲壳类种群的敏感时期及水产业而言，均是一大障碍。 放置试验表明：放置7天后未处理废水的毒性大大降低了。但放置对降低毒性的效果不如本研究中工厂的废水处理设备有效。废水处理设备可以有效地降低排出物对水体生物的毒性。 表4木薯(Manihot excuienita Crantz)水第二组新鲜(0天)和老化(3天和7天)样 品 Microtox 测试结果(括号中的值为95%信度范围) 0天 3天 7天 EC50 EC50 EC50 EC50 EC50 EC50 (5 min) (15 min)"(5 min)" (15 min)(5 min)i(15min) 11 >100 >100 >100 >100 >100> 100 12 >100 >100 一 一 13 >100 >100 >100 >100 14 >100 >100 >100 >100 - I5 >100 >100 一 - 01 15 5 5 5.4 40 48(5-25) (3-10) (4-6) (4.9一5.8)1(32-50) (33-71)02 14 7 3.4 4.1 24 30(7-27) (3-13) (2.0-5.8)(3.1一5.3) (22-27) (28-33)03 12 5 5.2 5.7 56 57(7-20) (3一9) (4.8-5.8) (5.3-6) (38-83) (47-67)04 20 7 8.4 9.6 23 28 (15-26) (3-15) (7-10) (7，5-12)1(19-28) (24-43) 05 16 5 12 13 25 30 (9-29) (4-5) (9-16) (11-15) (20-30) (23-38) T1 >100 >100 >100 >100 >100 >100 T2 >100 >100 >100 >100 ≥100 ≥100 T3 >100 >100 >100 >100 - T4 >100 >100 一 T5 >100 >100 未分析 按占初始浓度百分数测量 [=-注入水样品 0-未处理康水样品 T=处理水样品 表5第一组和第二组木薯废水未处理的新鲜和老化样品 Mkrotox EC50的平均值(括号中的值为95%的置信范围) 0天 3天 7天 第一组 EC50 (5 min) 7 35.4 (4.6-9.3) (18-53) EC50(15 min) 2.5 20.6 (1.4-3.6) (17-24) 第二组 EC50 (5 min) 15.4 6.8 33.6 (12-19) (2.5-11) (16-51) EC50 (15 min) 5.8 7.6 38.6 (4.4-7.2) (3-12) (2255) 结果还清楚地表明：仅用氰化物含量不能说明废水的毒性、而木薯淀粉废水中的其他组份可以改变氰化物的毒性，或者说含有其它组份的毒性比仅含有氰化物的毒性更大。 ( 参考文献与注释 ) ( 2. 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( Tran Triet、硕士、来自越南、于1993年毕业于AJT、现为美国威斯星大学的博士研究生。在 Crane 基金会的支持下、从事越南 南部地保护项目的研究。地址是： Land Resoorces Program， Institut e for Environmental S tudies， U niversfty o f Wisconsin，Madison， WI 53703、USA. ) ( 宇振荣 王建武译 田学文校〕 ) MBIOC版权为瑞典皇家科学院所有 Ambio Vol.No. Dec. 本研究采用Microtox方法和一种热带浮萍(Lemna aequinoctialis)测定了以泰国木薯(Manihot esculenta)为原料生产淀粉的一家工厂的未处理过的及处理过的排放物的毒性。两种方法均证实未处理样品有很高的毒性。而处理后的排放物对浮萍仍具有毒性。放置废水可以降低其毒性。这部分与氰化物含量有关。木薯块茎中的其它(未确定)成份也有毒性。本文研究结果表明:大多数东南亚木薯淀粉工业的废水都未经处理,当用这样的废水灌溉时,极有可能对农作物(如水稻和蔬菜等的早期生长阶段)产生严重危害。这也可能对当地水产业及排污水域中野生鱼类和甲壳类种群生长的敏感阶段产生负作用。