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，能夠較全面評價廢水的毒害效應。目前，美國、加拿大、法國等國家均已將PEEP法應用于對城鎮(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者的青睞，廣泛應用于微生物、無機污染物、有機難降解污染物、實際廢水等處理中，具有處理效果良好、無消毒副產(chǎn)物風險等優(yōu)點。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）進行評價，并利用PEEP對綜合生物毒性進行分析，探索其對生物毒性的控制效果。
1、材料與方法
1.1 實驗藥品與儀器
本研究所用化學藥品主要包括優(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)光細菌凍干粉和鼠傷寒沙門氏菌（TA100菌株），所需大型蚤由其他實驗室引種并培養(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 實驗方法
反應開始前，用超純水將TBBPA固體粉末充分溶解配制成0.28µmol/L溶液。反應在1000mL錐形瓶中進行，錐形瓶放入水浴恒溫振蕩器充分攪拌，同時采取一定的避光措施。反應開始時，將一定高鐵酸鉀粉末投加至TBBPA溶液反應瓶并迅速攪拌均勻。每隔一定時間取出20mL水樣，用鹽酸羥胺（10µL，0.1mol/L）終止反應，將水樣離心后取上清液進行后續(xù)檢測。
1.3 分析方法
水樣的急性毒性采用發(fā)光細菌法（GB/T15441—1995），利用毒性檢測儀測定發(fā)光細菌的發(fā)光度（X），經(jīng)計算得到水樣對發(fā)光細菌的半效應濃度（EC50）；慢性毒性參考OECD大型蚤21d慢性毒性測試標準方法，獲得水樣對大型蚤死亡率的最大無效應濃度（NOEC）；急性和慢性毒性均轉(zhuǎn)化成毒性當量（TU）進行分析。遺傳毒性采用平板摻入法（GB15193.4—1994）的Ames實驗，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準要求急性毒性
反應過程中水樣的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。
綜合生物毒性評價采用PEEP法，如下所示：
式中：TUi為已獲得的毒性當量；N為參與評價的生物毒性指標數(shù)；n為陽性結(jié)果測定數(shù)；Q為計算小時排水量。廢水風險評估的PEEP分級標準為：當PEEP≤1.99時，無毒；當2≤PEEP≤2.99時，微毒；當3≤PEEP≤3.99時，中毒；當4≤PEEP≤4.99時，高毒；當PEEP≥5時，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Fe（Ⅵ）/TBBPA從1∶1升高至3∶1時，經(jīng)60min接觸氧化，TBBPA降解率從58.69%增加至92.36%；當Fe（Ⅵ）/TBBPA為4∶1時，30min內(nèi)即可實現(xiàn)TBBPA的完全去除；而當Fe（Ⅵ）/TBBPA繼續(xù)升高至5∶1時，TBBPA被完全降解所需時間大幅縮減至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。當反應體系的pH從5.0升高至9.0時，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時實現(xiàn)TBBPA的完全降解。同時，由圖1（c）可知，當溫度從10℃升高至25℃時，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間由30min降至20min；當溫度繼續(xù)升高至40℃甚至50℃時，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-這種電負性較強的鹽形式存在，不利于高鐵酸鹽氧化法降解TBBPA。另外，當溶液溫度較低時，高鐵酸鹽與TBBPA之間的有效碰撞次數(shù)較少，反應不完全；而當溫度較高時，高鐵酸鹽在溶液中的自分解反應加快，對接觸氧化反應不利。
2.2 急性毒性評價
考察Fe（Ⅵ）/TBBPA、pH和溫度對反應過程中水樣急性毒性的影響，結(jié)果見圖2。
反應開始前水樣的急性毒性當量為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Fe（Ⅵ）/TBBPA從1∶1升高至4∶1時，反應結(jié)束后水樣的急性毒性從0.26TU降至0.06TU；當Fe（Ⅵ）/TBBPA繼續(xù)升高至5∶1時，急性毒性為0.02TU，控制率高達96%，并且均滿足美國廢水排放急性毒性標準（<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℃，此時水樣的急性毒性當量分別為0.05和0.08TU，滿足排放標準。
2.3 慢性毒性評價
考察Fe（Ⅵ）/TBBPA、pH和溫度對反應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，毒性當量高達41.7TU。由圖3可知，高鐵酸鹽氧化法對反應過程中水樣的慢性毒性控制效果較急性毒性略差。當Fe（Ⅵ）/TBBPA從1∶1升高至3∶1時，反應結(jié)束后水樣的慢性毒性從19.23TU降低至5.32TU，未達到美國廢水排放慢性毒性標準（TBBPA至4∶1和5∶1時，處理后水樣的慢性毒性當量下降至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99.45%，滿足美國廢水排放慢性毒性標準；而當其在較優(yōu)溫度（25℃）條件下時，慢性毒性當量仍有0.95TU，雖已達標但仍有輕微的慢性毒性風險。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，在TBBPA降解過程中生成的有機中間產(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間等方法來實現(xiàn)。
2.4 遺傳毒性評價
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)遺傳毒性實驗，陽性對照組的平均回變菌落數(shù)為1000+。由圖4（a）可知，實驗組TA100菌株的回變菌落數(shù)范圍為（111±18）~（193±18）個，且相對于空白組[未接種水樣，（160±12）個]，實驗組的回變菌落數(shù)均無明顯增多，表明水樣存在較低的遺傳毒性風險。以不同Fe（Ⅵ）/TBBPA（1∶1~5∶1）條件為例，進一步計算水樣的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
基于急性、慢性和遺傳毒性的評價結(jié)果，進一步計算不同反應條件下水樣的綜合生物毒性，結(jié)果見圖5。
經(jīng)計算，原水初始綜合毒性PEEP為2.24，屬于微毒性。當Fe（Ⅵ）/TBBPA從1∶1升高至3∶1時，PEEP從2.09降低至1.96，處理后水樣毒性得到有效控制；當Fe（Ⅵ）/TBBPA增加至4∶1和5∶1時，PEEP降至1.02和0.75，出水均安全無毒性風險。
選取Fe（Ⅵ）/TBBPA為4∶1對反應體系在不同pH和溫度條件下的PEEP進行計算，結(jié)果表明，高鐵酸鹽氧化法在降解TBBPA過程中對環(huán)境具有較強的適應性，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，無毒性風險。
3、結(jié)論
①高鐵酸鹽氧化法可以有效降解水中的TBBPA，當Fe（Ⅵ）/TBBPA為4∶1、pH為7.0、溫度為25℃時，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），而其遺傳毒性風險也較低。高鐵酸鹽氧化法在降解TBBPA過程中可有效控制水樣的各項生物毒性，且隨著Fe（Ⅵ）/TBBPA的增加，高鐵酸鹽氧化法對反應過程中的急性、慢性毒性控制得更快，控制效果更顯著。
③當Fe（Ⅵ）/TBBPA為4∶1時，反應后水樣的急性、慢性毒性分別為0.06、0.95TU，均達到美國廢水排放毒性標準；且處理后水樣MR為0.35~1.20，無遺傳毒性風險。
④綜合生物毒性評價結(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，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險，表現(xiàn)出較強的適應性。（來源：深圳市環(huán)境科學研究院，哈爾濱工業(yè)大學<深圳>土木與環(huán)境工程學院，深圳職業(yè)技術(shù)學院材料與環(huán)境工程學院）
