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焦化废水对蚕豆和大麦毒性的影响 董轶茹刘文丽 山西省环境监测中心站， 太原 030027 摘要 以 COD 作为主要参照指标， 研究了焦化废水在符合 GB 1345692钢铁工业水污染物排放标准 焦化一级、 二 级排放标准限值要求时， 对蚕豆和大麦幼根生长、 根尖细胞遗传毒性的影响。结果表明 在实验周期内， 焦化废水对蚕 豆幼根根长、 根重和有丝分裂指数的影响不大; 对大麦幼根根重无明显影响， 而对大麦根长和有丝分裂指数有促进作 用。焦化废水可诱导蚕豆和大麦根尖细胞微核率增加。 关键词 焦化废水;蚕豆;生长;遗传损伤 THE EFFECT OF TOXICITY OF COKING WASTEWATER TO THE VICIA FABA． L AND HORDEUM VULGARE． L Dong YiruLiu Wenli Environmental Monitoring Station of Shanxi，Taiyuan 030027， China AbstractThe effects of coking wastewater on the growth and root tip cytogenetic damage of Vicia faba． L and Hordeum vulgare． L were studied using COD as an important index． Results showed that the root length of Hordeum vulgare． L was accelerated afer exposure to coking wastewater，The tested coking wastewater caused significant increases of the mitotic index in root tip cells of Hordeum vulgare． L seedlings． Compared with the negative control，The frequencies of micronucler in root tip cells of Vicia faba． L and Hordeum vulgare． L seedlings in coking-wastewater groups were higher． The results of present study indicated that the cytogenetic damage of Vicia faba． L and Hordeum vulgare． L was caused with the tested coking wastewater in which COD reached the first-order and second-order of“Water Pollutants Discharge Standard for Iron and Steel Industry” GB 1345692 ． Keywordscoking wastewater;Vicia faba． L;growth;genetic damage 焦化 行业 产生 的 焦 化 废 水， 其 污 染 物 成 分 复 杂， 主要为酚、 氰、 氨氮等有毒、 有害物质 ［1- 2］， 此外， 还含有多环芳香族化合物及含氮、 氧、 硫的杂环化 合物等， 是一种典型的含有难降解有机化合物的工 业废水 ［3- 4］。 现阶段， 国内外学者在焦化废水处理技术方面的 研究包括传统的活性污泥法、 SBR 工艺、 MBR 工艺、 A/O 工艺、 A2/O 工艺、 A/O2工艺等生化处理技术以 及混凝沉淀法、 吸附法、 臭氧氧化法、 催化氧化法、 Fenton 试剂法等深度处理技术 ［5- 6］。处理后焦化废水 COD 值以及去除率是判定该处理技术处理效果的重 要指标之一 ［7- 8］。许多研究表明， 环境污染能够引起 植物体一系列的变化， 包括形态学、 解剖学及生理学 的变化和细胞遗传学的变异等效应。因此， 本文以经 生化处理后达标排放的焦化废水 COD 值作为参照指 标， 采用北方常见植物物种 蚕豆和大麦， 研究了 COD 浓度符合GB 1345692钢铁工业水污染物排 放标准 焦化一级、 二级排放标准限值要求的焦化废 水对蚕豆和大麦幼根的生长和遗传毒性的影响， 从整 体和细胞水平上， 探讨焦化废水对蚕豆和大麦幼根的 生长 以根长和根重为指标 和细胞超微结构 有丝 分裂指数和微核 特征的影响， 来分析焦化废水的环 境毒理效应及其作用机制， 为全面评价达标排放的焦 化废水的生态毒性提供基础数据。 1试验材料与方法 1. 1材料 焦化废水取自焦化厂生化站出口。质量浓度为 192 mg/L， 根据 GB 1345692 中焦化行业废水一级、 二级标准 COD 的值 100 mg/L; 150 mg/L ［9］和所采 焦化废水原水浓度， 设置 3 个浓度梯度 即 COD 值分 43 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 别为 192， 154， 96. 0 mg/L。 供试植物 蚕豆 Vicia faba. L 购自山西省忻州 市农科院; 大麦 Hordeum vulgare. L 上海市崇明区 前进农场提供的“瀛丰原种” 。 1. 2试验方法 1. 2. 1材料培养 选用大小均一的饱满蚕豆种子， 参照 Kanaya 等 的方法 ［10］在25 ℃ 下浸种36 h， 然后移至湿纱布中， 在25 ℃ 下继续催芽; 选子粒饱满的小麦种子， 室温下 18 ℃ 用去离子水浸种3 h后， 25 ℃ 下滤纸法发芽。 1. 2. 2焦化废水对蚕豆和大麦幼苗生长影响的测定 在种子萌发后， 选发育整齐一致、 根长在 1 ～ 1. 5 cm的籽粒用于生长毒性试验。对照组用自来水， 处理组用不同浓度焦化废水培养。试验设 3 组平行 样。每隔12 h换 1 次培养液。每隔24 h测量不同浓 度处理组最长幼根的长度计算各处理组的单株平均 值， 作为各组幼苗的长度值; 同时每隔24 h用光电天 平测量根系鲜重， 每组任选 3 株幼苗作为 1 个处理组 的根系鲜重， 计算各处理组的平均值， 作为该组的根 系鲜重。 1. 2. 3焦化废水对蚕豆和大麦细胞遗传损伤影响的 测定 1 染毒试验 将根长在1 cm左右、 粗细均一的 受试种子 蚕豆 /大麦 随机分为 A、 B、 C 三大组， 每大组 60 粒以上。将 A、 B、 C 这 3 个大组再分为 6 个小组， 每组 10 粒以上， 将受试蚕豆和大麦种子 分别均匀摆放于垫有脱脂棉的培养皿和铺有滤纸 的培养皿 上， 用于遗 传毒 性实 验。对照 组 用 自 来 水， 处理组用不同浓 度焦 化废 水 培养。整 个 过 程 中， 每隔 12 h 换 1 次 培 养 液， 各 组 均 放 在 25 1℃ 的恒温箱中。A、 B、 C 三组的 染 毒 时间 分别 为 24， 48， 72 h。 2 根尖固定 分别在处理 24， 48， 72 h后， 迅速剪 取植物根尖， 每次 10 个， 用卡诺氏固定液 甲醇∶ 冰醋 酸 3∶ 1 固定24 h后， 转入 70 的乙醇中， 4 ℃ 保存。 3 根尖染色 采用孚尔根 Feulgen 法染色 ［11］。 4 根尖细胞制片和镜检 切取染色的根尖分生 区约1 mm长， 加盖玻片， 常规压片。每次处理检查 5 ～ 10棵植株的幼根， 5 000 ～ 7 000个细胞。 5 计算各处理组根尖分生区中的有丝分裂指 数、 细胞中微核出现的概率。有丝分裂指数用每 100 个细胞中处于分裂相的细胞数表示。 对镜检所得数据进行方差分析， 采用 t 检验， 检 测不同处理组与对照组之间的差异显著性。 2结果与分析 2. 1焦化废水对蚕豆和大麦根尖生长的影响 表 1 为焦化废水对大麦和蚕豆幼根根长的影响， 结果表明 整个染毒期间， 焦化废水对蚕豆幼根根长 影响不大， 对大麦幼根根长具有促进作用， 且与对照 组表现出显著性差异。表 2 为焦化废水对大麦和蚕 豆幼根根重的影响显示， 焦化废水对两种植物无明显 抑制作用， 浓度和时间的依赖效应不显著。 表 1焦化废水对蚕豆和大麦幼根长度的影响 cm 受试 生物 ρ COD / mgL － 1 时间 /h 244872 蚕豆对照1. 97 0. 372. 14 0. 462. 43 0. 42 96. 01. 74 0. 432. 05 0. 542. 20 0. 48 1541. 69 0. 401. 82 0. 412. 14 0. 52 1921. 70 0. 501. 96 0. 512. 13 0. 69 大麦对照1. 22 0. 251. 39 0. 341. 65 0. 45 96. 04. 93 0. 2225. 20 0. 3225. 40 0. 402 1545. 00 0. 2325. 53 0. 3525. 87 0. 452 1924. 67 0. 2025. 07 0. 2925. 17 0. 312 注 与阴性对照组相比，1 P ＜ 0. 05， 差异显著; 2 P ＜ 0. 01， 差异 非常显著; 3 P ＜ 0. 001， 差异极显著。 表 2焦化废水对蚕豆和大麦幼根根重的影响 g 受试 生物 ρ COD/ mgL － 1 时间 /h 244872 蚕豆对照0. 2066 0. 02510. 1867 0. 13650. 3500 0. 0458 96. 00. 1633 0. 00580. 2133 0. 04510. 2567 0. 0551 1540. 1533 0. 02080. 2333 0. 01530. 2500 0. 0693 1920. 1600 0. 01730. 2133 0. 05130. 2467 0. 0462 大麦对照0. 0311 0. 00810. 0592 0. 01340. 0796 0. 0032 96. 00. 0297 0. 01260. 0628 0. 00630. 0825 0. 0047 1540. 0222 0. 00110. 0474 0. 00690. 0544 0. 0082 1920. 0212 0. 00870. 0502 0. 01130. 0511 0. 0023 2. 2焦化废水对蚕豆和大麦根尖细胞有丝分裂的 影响 从表 3 结果可以看出， 在整个试验期间， 焦化废 水对蚕豆根尖分生区细胞有丝分裂的影响不大。大 麦根尖暴露于焦化废水24 h后， 154 mg/L处理组根尖 细胞有丝分裂指数与对照组表现出显著差异， 暴露于 焦化废水48 h和72 h后， 所有处理组根尖细胞有丝分 裂指数均显著的大于对照组， 表明焦化废水对大麦根 53 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 尖分生区细胞的有丝分裂有促进作用， 而且在暴露 48 h时促进作用体现的最为突出。 表 3焦化废水对蚕豆、 大麦根尖细胞有丝分裂指数的影响 ‰ SD 受试 生物 ρ COD / mgL － 1 时间 /h 244872 蚕豆对照32. 40 3. 1237. 40 5. 0634. 20 5. 10 96. 033. 41 3. 0137. 50 3. 4231. 57 5. 34 15433. 20 5. 1436. 75 3. 0132. 10 2. 76 19231. 77 4. 1235. 89 3. 4930. 99 2. 45 大麦对照19. 67 3. 1723. 00 2. 0517. 33 2. 76 96. 021. 22 3. 4929. 43 3. 06220. 05 2. 051 15422. 45 3. 21130. 55 3. 43222. 64 2. 721 19222. 37 3. 11127. 45 3. 61220. 00 1. 571 注 与阴性对照组相比，1 P ＜ 0. 05， 差异显著; 2 P ＜ 0. 01， 差异 非常显著; 3 P ＜ 0. 001， 差异极显著。 2. 3焦化废水对蚕豆和大麦根尖细胞微核的诱导 从表 4 可看出， 焦化废水可诱导蚕豆和大麦根尖 细胞出现微核， 且微核率与处理浓度呈线性关系 当 蚕豆暴露于焦化废水24 h时， y 0. 121 3x － 4. 2163 R2 0. 9983 ; 暴露时间为48 h 时， y 0. 1367x － 4. 8283 R2 0. 9959 ; 暴露时间为72 h时， 除最高浓 度组外， 其余各组染毒浓度和微核率之间也呈线性关 系， y 0. 1169x － 0. 6719 R2 0. 9684 。在 24 ～ 48 h处理时间段内， 随着时间的延长， 微核率增大， 但 在处理72 h后， 微核率急剧下降。 表 4焦化废水对蚕豆、 大麦根尖细胞微核率的影响 ‰ SD 受试 生物 ρ COD / mgL － 1 时间 /h 244872 蚕豆对照0. 6 0. 220. 5 0. 90. 4 0. 2 96. 07. 6 1. 138. 6 0. 632. 0 0. 7 15414. 2 2. 1315. 8 0. 734. 4 0. 73 19219. 3 3. 6321. 8 1. 232. 6 0. 81 大麦对照0. 44 0. 491. 03 0. 522. 96 0. 78 96. 02. 65 0. 6822. 95 0. 9123. 70 0. 65 1544. 00 1. 3435. 52 1. 7136. 22 1. 272 1925. 85 1. 3138. 14 2. 4639. 53 2. 343 注 与阴性对照组相比，1 P ＜ 0. 05， 差异显著; 2 P ＜ 0. 01， 差异 非常显著; 3 P ＜ 0. 001， 差异极显著。 当大麦暴露于焦化废水时， 暴露时间为24 h时， y 0. 0324x － 0. 6253 R2 0. 9588 ; 暴 露 时 间 为 48 h时， y 0. 0531x － 2. 3117 R2 0. 9857 ; 暴露时 间为72 h时， y 0. 0592x － 2. 2592 R2 0. 9634 。 且焦化废水对大麦微核的诱导具有浓度和时间双重 依赖性。 3讨论 本研究通过实验室模拟蚕豆和大麦暴露于焦化 废水， 考察焦化废水对其根尖生长及细胞遗传损伤效 应， 从一个新的角度来审视焦化废水排放造成的环境 影响。在本文考察的浓度范围内， 焦化废水对蚕豆幼 根根长、 根重的影响不大; 对大麦幼根根重无明显影 响， 而对大麦根长有促进作用， 这可能是由于焦化废 水含有植物可利用的成分。 有丝分裂指数能在一定程度上反映环境毒物的 遗传毒性。随着焦化废水浓度的增大， 处理组蚕豆根 尖细胞有丝分裂指数与对照组差别不大， 而处理组大 麦根尖细胞有丝分裂指数则显著大于对照组。随着 时间的延长， 在 24 ～ 48 h， 各组蚕豆和大麦根尖细胞 分裂指数均呈上升趋势， 而72 h后分裂指数下降， 这 可能与蚕豆和大麦根尖细胞有丝分裂的周期有关。 从试验结果可以看出 焦化废水对蚕豆和大麦根尖生 长情况的影响与有丝分裂指数结果一致， 这可能是焦 化废水影响了植物根部的有丝分裂活动， 从而影响了 其根尖的生长。 微核能指示染色体或纺锤体的损伤。本试验表 明， 焦化废水能诱发较高频率的微核， 说明环境中一 定浓度的焦化废水对蚕豆和大麦细胞具有遗传损伤 作用。除 COD 质量浓度为192 mg/L的蚕豆处理组 外， 其余组蚕豆和大麦根尖微核率均随着焦化废水 COD 浓度的增加而上升， 而且具有较好的线性关系， 这可能是因为随着焦化废水 COD 浓度的升高， 其对 细胞的 DNA 的毒害加强， 也可能破坏纺锤丝的结构 和功能， 导致微核率也随之增加。暴露72 h时， COD 质量浓度为192 mg/L处理组蚕豆微核率下降， 这可能 是因为随着焦化废水处理浓度的增大、 时间的延长， 对细胞的损伤加剧， 导致蚕豆有丝分裂下降和染色体 畸变的产生， 分裂细胞减少， 而且有效地阻止该细胞 内纺锤丝微管蛋白的聚合作用而使细胞滞留在分裂 期， 进而使微核率下降; 也可能由于焦化废水处理使 得一些受损的细胞未完成有丝分裂过程或不能继续 分裂， 导致微核率下降 ［12］。 比较焦化废水对蚕豆和大麦的影响发现 在本文 考察的浓度范围内， 焦化废水处理组蚕豆根长、 根尖 和细胞分裂指数均与对照组无明显影响， 而大麦根 长、 细胞分裂指数则表现出明显的促进作用; 焦化废 下转第 83 页 63 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 100， 201，370 μm。可见在下进风状态下， 上升速度 直接影响到粒子的沉积， 对于燃煤电厂的飞灰基本不 能沉积。 图 8不同上升速度对应除尘空间悬浮粒子的粒径分布 7结论 通过对袋式除尘器滤袋空间的物理原型的简化， 并建立数学模型和确定其初始条件和边界条件， 可以 用此模型来研究袋式除尘器除尘空间的浓度分布。 1 粒径分布直接影响到除尘空间浓度的分布， 较细的颗粒物它们基本悬浮在袋口下 0. 5 ～ 2. 5 m的 除尘空间中， 细粒子先随气流向上运动， 悬浮在滤袋 上部被过滤， 而粗粒子沉积到滤袋的中下部被过滤。 设计除尘器的重点关注袋口下 0. 5 ～ 3. 0 m 滤袋长 度为 5 ～ 50 的部位， 该部位的过滤浓度最高。 2 通过计算袋间距为 220， 240， 260 mm的平均浓 度分别为 124， 129， 129 g/m2， 其相应的吸附率分别为 74 、 64 、 54 ， 可知袋间距越小， 其过滤浓度越大， 相应的过滤速度也比较大， 这样对滤袋的寿命有影响。 3 随着上升速度的增大， 粒子悬浮的空间离袋 口越近， 其平均浓度也越低 重新被过滤的粒子也越 大 。要使粒子快速沉积， 可以减少上升速度， 减少 到接近为零， 甚至为负。 参考文献 ［1］田玮． 脉冲喷吹袋式除尘器清灰的研究［D］． 西安 西安建筑科 技大学， 2005 24， 45- 47． ［2］王以飞． 大型袋式除尘器流场的模拟分析与应用［D］． 上海 东 华大学， 2010． ［3］孙军军， 杨来怡，常丽． 低压脉冲袋式除尘器在硅铁电炉烟气 中的应用［J］． 工业安全与环保， 2010， 36 1 6． 作者通信处陈红超201620上海市松江区人民北路 2999 号东 华大学环境科学与工程学院 E- mailchenhongchao1115 163. com 2010 － 08 － 17 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 36 页 水处理后， 蚕豆微核率较大麦明显。 4结论 经生化处理后 COD 符合 GB 1345692 中焦化 行业一级、 二级标准的焦化废水， 其对蚕豆和大麦的 毒性效应仍然存在， 可引起蚕豆和大麦细胞的遗传损 伤， 诱导蚕豆根尖细胞微核率增加， 破坏细胞的遗传 稳定性。对于焦化废水的毒性效应来说， 大麦和蚕豆 存在着种属差异， 与大麦相比， 蚕豆能更敏感的指示 焦化废水的毒性效应。 参考文献 ［1］Fisher R． Progress in pollution abatement in European cokemaking industry ［J］． Ironmaking and Steelmaking，1992， 19 6 449- 456． ［2］HJ/T1262003炼焦行业清洁生产标准［S］． ［3］Lungen Hans Bodo． The situation of the Chinese coke making industry ［J］． Stahl und Eisen，2005，125 11 72- 74． ［4］Ning P，Bart H J，Jiang Y J，et al． Treatment of organic pollutants in coke plant wastewater by the of ultrasonic irradiation， catalytic oxidationandactivatedsludge ［J］． Separationand Purification Technology，2005， 41 2 133- 139． ［5］卢永， 申世峰． 焦化废水生化处理研究新进展［J］ 环境工程， 2009， 27 4 13- 16． ［6］金文杰， 左宇， 于群． 混凝吸附法深度处理焦化废水［J］． 环境 工程， 2009， 27 1 3- 4． ［7］成泽伟， 苍大强， 唐卓， 等． 超声-微电解法预处理焦化废水［J］． 环境工程， 2008， 26 增刊 27- 29． ［8］刘剑平， 赵娜， 肖林， 等． BAF 处理焦化尾水和钢厂杂排水的研 究［J］． 环境工程， 2010， 28 4 13- 17． ［9］GB 1345692钢铁工业水污染物排放标准［S］． ［ 10］Kanaya N， Gill B S， Grover I S，et al． Vicia faba chromosomal aberration assays［J］． Mutat Res， 1994， 310 231- 247． ［ 11］金波， 陈光荣． 遗传毒理与环境检测［M］． 武汉 华中师范大学 出版社， 1998 276- 278． ［ 12］Rivetta A，Negrini N， Cocucci M． Involvement of Ca2 -calmodulin in Cd2 toxicity during the early phases of radish Raphanus sativus L． seed germination［J］． Plant Cell Environment， 1997， 20 600- 608． 作者通信处董轶茹030027山西省太原市兴华街 11 号山西省环 境监测中心站 E- maildyr- 613 163． com2011 － 01 － 30 收稿 38 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期