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  • 化學品快速生物降解性測試標準


    蔡繼權

    (杭州市化工研究院有限公司  浙江杭州  310023)


    1.我國的化學品快速生物降解性測試標準

    化學品快速生物降解性是受試物質(有機物)在限定時間內與接種微生物接觸表現出的生物降解能力,是根據化學物質的環境危害性和持久性進行分類來評價和控制環境風險的基本指標。通過標準測試方法得到的結果表明該受試物質在環境中被迅速地生物降解,可列為“易生物降解”類物質。

    對于化學品的快速生物降解性,國際上采用經濟合作與發展組織(OECD)的OECD No.301中規定的六種經典快速生物降解性測試方法,即:溶解性有機碳(DOC)消減試驗(OECD No.301A),二氧化碳(CO2)二氧化碳產生試驗(OECD No.301B),改進的MITI(I)試驗(OECD No.301C),密閉瓶試驗(OECD No.301D),改進的OECD篩選試驗(OECD No.301E)和呼吸計量法試驗(OECD No.301F)。

    我國結合國內實際情況于2008年分別將OECD的OECD No.301六種經典方法等同轉化為六項國家推薦標準。概述各方法技術要點的GB/T 27850-2011《化學品快速生物降解性通則》于2012年8月1日實施;但2006年在“OECD No.301B:二氧化碳(CO2)產生試驗”基礎上推出的新方法“OECD No.310:密閉瓶二氧化碳(頂空試驗)法”,目前尚未轉化為我國國家推薦標準。

    我國根據OECD No.301的六種經典方法標準轉化的相關化學品快速生物降解性測試國家推薦性標準,就是我們對化學品的快速生物降解性進行評價的方法。我國與OECD No.301的六種經典化學品快速生物降解性測試標準對比見表1。

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    2.快速生物降解性測試標準的相關規定

    GB/T 27850-2011和經合組織OECD No.301中六種測試方法的共同原理是:將含受試物質的無機培養基溶液或懸浮液接種微生物后,以受試物質作為唯一的有機碳源,在黑暗或散射光條件下好氧培養。通過空白對照組來校正接種微生物內源呼吸引起的誤差。試驗通常持續28d,在28d培養期結束后,通過溶解性有機碳的消減、CO2產生量或O2消耗,以評價受試物的快速生物降解性。

    若試驗DOC的去除率達到70%,或生物降解耗氧量達到理論需氧量(ThOD)的60%,或CO2產生量達到理論二氧化碳產生量(ThCO2)的60%,即認為達到快速生物降解的通過水平。28d內的生物降解率或10d觀察期(觀察期窗口從DOC、ThOD的去除率達到10%,或CO2產生量達到ThCO2的10%開始;為減少取樣和燒瓶的數量,某些情況可采用14d觀察期)的降解率達到通過水平,可認為受試物具備快速生物降解性;如果在28d后達到通過水平,則不具備快速生物降解性。

    受試物質必備信息是:試驗前必須已知或測得受試物質的溶解度、蒸汽壓和吸附性,并以此選擇最合適的測試方法;若掌握受試物質的相關信息如理論需氧量(ThOD)、理論二氧化碳產生量(ThCO2)、DOC、總有機碳(TOC)和化學需氧量(COD),可選擇合適的試驗濃度、計算降解參數的理論值或對測定值進行驗證。

    參比物質是:新蒸餾的苯胺、醋酸鈉或苯甲酸鈉,可選其中一種作為程序對照組和毒性對照組進行平行試驗。

    試驗用水要求:每組、每系列試驗,必須使用同一批水。試驗用水必須是高純度去離子水或蒸餾水,不含對微生物有毒害作用的物質如(Cu2+),以減少對接種微生物的抑制。

    各測試方法的適用范圍:若某受試物質在水中的溶解濃度不低于100mg/L,而且在水中不易揮發,不被玻璃瓶壁和連接管吸附,這六種方法都適用。對難溶于水(水中溶解濃度<100mg/L)、易揮發和易吸附的化學物質,測試方法的適用范圍見表2。

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    由表2可知,對一般的難溶于水、易揮發、易吸附的受試物質,可以從GB/T 21802-2008、GB/T 21831-2008、GB/T 21801-2008三種方法中選一種進行試驗。GB/T 21803-2008和GB/T 21857-2008兩種方法適用范圍有限,不能用于一般的難溶于水、易吸附、易揮發的受試物質的測試。雖然對于一些中等揮發性的受試物質,可在保證試驗容器密閉、預留足夠頂部空間并建立無菌對照組等前提條件下,采用GB/T 21802-2008和GB/T 21857-2008方法進行試驗,但由于操作復雜,干擾因素多,不如選擇其他方法。

    六種快速生物降解性測試標準規定的儀器設備、操作要求見表3。

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    六種快速生物降解性測試標準規定的對受試物濃度的要求,見下表4。

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    3.六項快速生物降解性測試標準的注意事項

    3.1 GB/T 21803-2008(OECD No.301A-1992)注意事項

    GB/T 21803-2008/301A適用于難揮發、易溶于水(水中溶解度不低于100mg/L)、不易吸附的化學品的快速生物降解性。試驗以活性污泥、污水處理廠出水、地表水和土壤或以上幾種的混合物為接種物。其原理是在一定體積已接種的無機培養基中,反應容器中受試物的DOC濃度應控制在10~40mg/L,在溫度為(22±2)℃、反應容器用鋁箔封口,內外空氣可以自由交換,黑暗或散射光條件下曝氣培養。

    28d培養期間,以固定時間間隔測定DOC,用DOC去除濃度,計算受試物快速生物降解率。在試驗進行到14d時,參比物程序對照的降解率(以DOC計)應不低于70%。若試驗結束時DOC的去除率達到70%,即認為受試物達到快速生物降解的通過水平。通過化學分析測定試驗開始和結束時受試物濃度,可以確定受試物的初級生物降解性。

    3.2 GB/T 21856-2008(OECD No.301B-1992)注意事項

    二氧化碳生成法適用于可溶于水或難溶于水的、不揮發的或有吸附作用的化學品的快速生物降解性。如果反應容器中有機碳濃度過低,將影響測試精度;如果有機碳濃度過高,將增加CO2吸收瓶的數量,以及Ba(OH)2或NaOH的用量。因此,該方法反應容器中受試物的有機碳濃度(DOC或總有機碳TOC,難溶物質以懸浮液計)應控制在10~20mg/L。對于難溶物質,試驗過程中通過磁力攪拌保持懸浮狀態。

    其原理是在一定體積已接種的無機培養基中,含有已知濃度的受試物(10~20mg/L,以溶解性有機碳DOC或總有機碳DOC計)作為唯一的有機碳源,在黑暗或漫射光下,用脫二氧化碳的空氣,以受控速率(30~100mL/min)對試驗培養基進行曝氣,用Ba(OH)2或NaOH溶液吸收反應產生的CO2,通過滴定剩余堿液或測定無機碳計算CO2的濃度,測定28d二氧化碳產生量來確定降解率。受試物產生的二氧化碳數量用CO2理論生成量(ThCO2)的百分率來表示。經只含接種物的空白試驗校正,生物降解率也可采用接種開始和結束時進行的補充DOC測定值來計算。

    試驗以活性污泥、污水處理廠出水、地表水和土壤或以上幾種的混合物為接種物。為確保數據的可靠性,在試驗進行到14d時,參比物程序對照的降解率(以ThCO2計)應不低于60%。要求試驗培養基中無機碳含量在試驗開始時應低于總碳的5%,試驗結束時接種物空白對照中CO2生產總量通常不高于40mg/L,高于40mg/L時,應對數據和試驗方法進行檢驗。

    3.3 GB/T 21802-2008(OECD No.301C-1981)注意事項

    該測試方法最初是日本通商產業?。∕inistry of International Trade and Industry,MITI)開發的方法。該方法具有顯著優點,被很多國家采用。該方法采用專用的呼吸測定儀,配備六個作為反應容器的300mL燒瓶,其中三個作為接種受試物質組,三個作為空白對照組。該方法可測試可溶于水或難溶于水、吸附性、易揮發性化學品的快速生物降解性(對于易揮發性物質,應盡量減小試驗燒瓶上部氣體空間的體積)。

    其原理是受試物溶解或懸浮在試驗培養基中,加入未經馴化的接種物,在黑暗密閉、攪拌和(25±1)℃條件下培養28d,用堿石灰吸收產生的二氧化碳,連續測定耗氧量。受試物生物降解時接種物耗氧量經平行試驗空白對照校正后,以占理論需氧量(ThOD)的百分數表示降解率。另通過測定試驗開始和結束時受試物濃度,可以確定受試物的初級生物降解性。

    通過DOC分析,可確定受試物最終生物降解率。從不少于10個使用和排放各種化學物質的場所(包括城市污水處理廠、工業污水處理廠、河流、湖泊和沿海)采取活性污泥作為接種物,并要求在試驗進行到7d和14d時,參比物的降解率應分別高于40%和65%,且接種物空白對照組的耗氧量通常要求在20~30mg/L(以O2計),28d試驗期間,氧消耗不高于60mg/L(以O2計),若氧消耗量大于60mg/L,應復查。若pH值超出6~8.5,且受試物氧消耗量低于60%,則設置較低的受試物濃度,重新試驗。該方法采用電解法連續供氧系統,因此該方法基本不受溶解氧變化的限制。

    3.4 GB/T 21831-2008(OECD No.301D -1981)注意事項

    該法以BOD瓶作為反應容器,適用于評價可溶于水或難溶于水的、不揮發性、揮發性或有吸附作用的化學品的快速生物降解性。在含有2~5mg/L受試物的試驗培養基中接種少量的接種物,在恒溫避光條件下保持受試物溶液完全充滿密閉瓶。受瓶中液體溶解氧的總量限制,且為保證溶解氧測定精度,應始終保持DO濃度≥0.5mg/L。根據在28d中溶解氧的消耗來計算降解率。受試物生物降解時接種物消耗的氧量經平行試驗空白對照校正后,以占理論需氧量ThOD或COD的百分數表示降解率。

    試驗以污水處理廠生活污水的活性污泥、二級出水或地表水為接種物。為確保接種物的活性,BOD瓶中溶解氧濃度不得低于0.5mg/L,通常使受試物濃度限制在2mg/L以內,一般從受試物的理論需氧量ThOD(mg/mg)可估計大致的最高濃度。對不易降解的和理論需氧量ThOD較低的化合物,濃度可設置在5~10mg/L。在試驗進行到14d時,參比物程序對照的降解率(以占ThOD的百分數計)不得低于60%。

    試驗期間,試驗瓶中溶解氧的殘余濃度不得低于0.5mg/L,而28d試驗結束后,接種物空白對照的溶解氧損耗不高于1.5mg/L。其中,空白對照的氧消耗量對試驗的有效性非常重要。

    對于缺乏毒性信息,且未預先測試活性污泥呼吸抑制作用的受試物,為得到可靠的測試結果,最好選擇2mg/L和5mg/L兩個受試物濃度同時進行試驗。只要其中一個濃度的試驗在10d觀察期或14d達到通過水平,即可認為該受試物具有快速生物降解性。對于含氮的受試物,需校正硝化作用的影響。

    3.5 GB/T 21857-2008(OECD No.301E-1992)注意事項

    該法適用于測試難揮發、不易吸附、水中溶解度不低于100mg/L的化學品的快速生物降解性。在一定體積的無機培養基中加入已知濃度的受試物(10~40mg/L,以DOC計)作為唯一的有機碳源,每升培養基接種0.5mL污水處理廠二級出水的濾液。在溫度為(22±2)℃、黑暗或散射光的條件下進行曝氣。在28d內,定期測定DOC以確定降解率。

    生物降解率用DOC去除濃度(用接種無的空白對照試驗校正)計算,以初始濃度的百分比表達??梢酝ㄟ^特定化學分析測定試驗開始和結束時受試物的濃度,確定受試物的初級生物降解性。試驗以水處理廠或中試規模的污水處理裝置的二級出水為接種物。為保證試驗的有效性和質量,要求試驗進行到14d時,參比物程序對照的降解率(以DOC計)不小于70%。

    3.6 GB/T 21801-2008/OECD No.301F-1992注意事項

    呼吸計量法適用于多數化學物質的快速生物降解性的測試與評價,對于一般難溶于水、易揮發、易吸附的化學物質同樣適用。向一定體積并已接種的無機物培養基中加入適量受試物(100mg/L受試物至少預留50~100mg/L的理論需氧量)作為唯一的有機碳源,密閉燒瓶后在恒溫下連續進行磁力攪拌28d。

    通過測定為維持呼吸燒瓶內氣壓而電解產生氧氣的量,或者用儀器測定瓶內氣體體積或壓力(或兩者)的變化,可得到耗氧量。釋放的二氧化碳用氫氧化鉀溶液或其他適當的吸收劑吸收。受試物濃度(難溶物質以懸浮液計)一般為100mg/L,但ThOD要保持在50~100mg/L。在受試物生物降解過程中(用平行試驗中的空白接種物的攝入來校正),微生物種群吸收氧的量以ThOD的百分率表示,或用效果略差的COD來表示。

    另外,通過化學分析測定試驗開始和結束時受試物濃度,可以確定受試物的初級生物降解性。通過DOC分析,可以確定受試物的最終生物降解率。

    試驗以活性污泥、污水、地表水和土壤或以上幾種的混合物為接種物。在試驗到14d時,要求參比物程序對照的降解率以DOC計不低于70%,以ThOD計不低于60%;且要求接種物空白對照組的耗氧量通常在20~30mg/L(以O2計),28d試驗期間,氧消耗不高于60mg/L(以O2計),若氧消耗量大于60mg/L,應復查。若pH值超出6~8.5,且受試物氧消耗量低于60%,則設置較低的受試物濃度,重新試驗。對于含氮的受試物,計算ThOD時需校正硝化作用的影響。

    4.結語

    (1)GB/T 27850-2011和經合組織OECD No.301系列標準提供了六種測試化學品快速生物降解性的經典方法,測試時可根據受試物質選擇適用的方法。

    (2)GB/T 21803-2008(OECD-301A)適用于易溶于水、不易揮發、不易吸附的物質;GB/T 21856-2008(OECD-301B)不適用于易揮發的物質;GB/T 21857-2008(OECD-301E)適用于易溶于水、不易揮發、不易吸附的物質;GB/T 21802- 2008(OECD-301C)、GB/T 21831-2008(OECD- 301D)、GB/T 21801-2008(OECD-301F)三種方法測定含氮受試物質時,要校正硝化作用的氧消耗。

    (3)GB/T 21803-2008、GB/T 21856-2008、GB/T 21802-2008、GB/T 21831-2008、GB/T 21857- 2008、GB/T 21801-2008六種快速生物降解性測試標準對設備和操作的要求各有不同,對受試物質濃度要求也不盡相同,應根據受試物質的特性、濃度和測試機構儀器、設備、場地等條件,設計出有針對性的試驗方案,采用合適的反應裝置,保證試驗結果的準確。

    化學品的種類繁多,性質各異,測試周期長,程序復雜,對測試人員的專業知識和操作能力也有很高的要求。測試人員應通過對化學品生物降解性的測試和對有機物化學結構與其毒性關系的深入研究,嚴格按照各種規定的方法要求,認真操作,細心觀察,排除干擾,使化學品生物降解性的評價方法會日趨完善,為開發環境友好化學品提供支持,對保護環境作出貢獻!

     

    作者簡介:

    蔡繼權,教授級高級工程師,長期從事化工新產品研發和科技管理。

    手  機:13858180086

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