中华预防医学杂志    2018年09期 微囊藻毒素-LR检测方法的建立及在自来水处理中降解产物分析    PDF     文章点击量:302    
中华预防医学杂志2018年09期
中华医学会主办。
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丁新良 朱鹏飞 黄春华 张琦 朱晶颖 刘文卫 周伟杰
DingXinliang,ZhuPengfei,HuangChunhua,ZhangQi,ZhuJingying,LiuWenwei,ZhouWeijie
微囊藻毒素-LR检测方法的建立及在自来水处理中降解产物分析
The transformation of microcystin-LR during tap water treatment process and analysis of its degradation products
中华预防医学杂志, 2018,52(9)
http://dx.doi.org/10.3760/cma.j.issn.0253-9624.2018.09.006

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投稿日期: 2018-01-29
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微囊藻毒素-LR检测方法的建立及在自来水处理中降解产物分析
丁新良 朱鹏飞 黄春华 张琦 朱晶颖 刘文卫 周伟杰     
丁新良 214023 无锡市疾病预防控制中心公共卫生部
朱鹏飞 214023 无锡市疾病预防控制中心检验部
黄春华 214023 无锡市疾病预防控制中心公共卫生部
张琦 214023 无锡市疾病预防控制中心公共卫生部
朱晶颖 214023 无锡市疾病预防控制中心公共卫生部
刘文卫 214023 无锡市疾病预防控制中心检验部
周伟杰 214023 无锡市疾病预防控制中心公共卫生部
摘要: 目的  基于液相色谱质谱联用(LC/MS/MS)技术建立饮用水中微囊藻毒素-LR (MC-LR)的定量检测方法,分析自来水深度处理工艺对MC-LR的去除效果,探讨出厂水中可能含有的MC-LR降解产物情况。方法  2015年9、11月和2016年1月分别采集自来水处理工艺各步骤平行水样2份,经混匀、过滤、富集、洗脱、氮吹、复溶等处理后,采用建立的LC/MS/MS检测方法对各样品进行MC-LR检测并分析处理流程对MC-LR的去除效果。利用实际采集水样富集与实验室模拟水样相结合的方式,采用Orbitrap组合型质谱对50倍和1 500倍浓缩的水源水富集物,50倍和2 500倍浓缩的出厂水富集物,以及质量比为1∶10、1∶20、1∶100、1∶1 000的MC-LR标准品与液氯混合的模拟水样进行MC-LR降解产物的定性分析。结果  MC-LR在2~200 μg/L范围内线性关系良好,方法检出限为0.007 9 μg/L、定量限为0.026 3 μg/L;饮用水加标回收率94.88%~101.47%;日内精密度为2.51%~7.93%;日间精密度为3.24%~8.41%。水源水MC-LR的浓度为(0.631±0.262)μg/L,经臭氧接触池、生物预处理和加氯处理后,94.0%的MC-LR能够被去除,MC-LR浓度为(00.038±0.016)μg/L,后续工艺几乎无法去除残留的MC-LR,出厂水MC-LR浓度为(0.036±0.016)μg/L。在模拟水样中发现4种可能的降解产物,分别为羟基-微囊藻毒素、甲基-羟基-微囊藻毒素和甲基-微囊藻毒素。结论  建立的MC-LR检测方法样品前处理过程简单,能很好地应用于日常饮用水MC-LR的监测,水样分析得到4种不同的MC-LR降解产物。
关键词 :微囊藻毒素;水净化;降解产物;自来水
The transformation of microcystin-LR during tap water treatment process and analysis of its degradation products
DingXinliang,ZhuPengfei,HuangChunhua,ZhangQi,ZhuJingying,LiuWenwei,ZhouWeijie     
Department of Public Health, Wuxi Center for Disease Control and Prevention, Wuxi 214023, China
Corresponding author: Zhou Weijie, Email: wxcdczwj@163.com
Abstract:Objective  To establish a liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC/MS/MS) method for the determination of microcystin-LR (MC-LR) in drinking water, investigate its removal efficiency during tap water advanced treatment process and analyze its degradation products in the tap water.Methods  Two parallel water samples were collected from each point of tap water advanced treatment process in September 2015, November 2015 and January 2016, respectively, and treated by mixing, filtration, concentration, elution, nitrogen blow and re-dissolvement. The samples were analyzed by LC/MS/MS to determine the MC-LR concentration and its removal efficiency during treatment process. The combination of actual water enrichment (including source water enrichment of 50 times and 1 500 times concentrated, finished water enrichment of 50 times and 2 500 times concentrated) and laboratory simulated water (including the mixture of MC-LR and liquid chlorine in the mass ratio of 1∶10, 1∶20, 1∶100 and 1∶1 000, respectively) were used to qualitative analyze the MC-LR degradation products by Orbitrap mass spectrometry.Results  The linearity of MC-LR ranged from 2 to 200 μg/L with the detection limit of 0.007 9 μg/L and the limit of quantification of 0.026 3 μg/L. The recovery rate of MC-LR from different contration in drinking water were from 94.88%-101.47%. The intra-day precision was 2.51%-7.93% and the intra-day precision was 3.24%-8.41%. The average concentration of MC-LR in source water was (0.631±0.262) μg/L, 94.0% of which can be removed by ozone exposure while the concentrate was (0.038±0.016) μg/L, biological pre-treatment and chlorination. The remaining can hardly be removed by sand filtration, ozone exposure, activated carbon, ultrafiltration and other processes. The MC-LR average concentration in the finished water maintained at about (0.036±0.016) μg/L. Degradation products including hydroxy-microcystin, methyl-hydroxy-microcystin, methyl-microcystin were identified in the laboratory simulated water of the mixture of MC-LR and liquid chlorine in the mass ratio of 1∶10.Conclusion  The established MC-LR detection method can be well applied to the monitoring of MC-LR in drinking water due to its simple pre-treatment process and good methodological validation parameters. The degradation products of treatment processes was different.
Key words :Microcystin;Water Purification;Degradation products;Tap water
全文

近年来,随着工农业发展和城市化进程的不断加快,地表水富营养化导致蓝藻滋生的现象日益严重,微囊藻毒素-LR(microcystin-LR, MC-LR)是水华蓝藻释放的毒素中出现频率最高、产生量最大、危害最严重的一种[1]。无锡地区作为太湖北岸的重要城市,长期以太湖作为市政供水的主要水源,虽然近年来加大了安全供水工程建设,自来水净水工艺也在传统工艺的基础上增加了预处理和深度处理工程[2,3]。但是对于太湖污染的治理是一项长期、艰巨的流域生态修复系统工程。因此饮用水中微囊藻毒素问题在无锡地区仍显得尤为突出。虽然传统净水工艺与自来水深度处理的结合能有效去除饮用水中MC-LR,但是被去除的这部分MC-LR去向一直未被明确[4,5,6]。本研究结合无锡地区水源水MC-LR污染实际情况,通过自来水处理现场的调查采样和液相色谱质谱联用(liquid chromatograph mass spectrometer, LC/MS/MS)检测方法的建立,分析各处理工艺对MC-LR的去除效果和现行处理工艺下出厂水中可能含有的MC-LR降解产物,为饮用水中MC-LR的检测和治理提供技术支持和理论基础,并且为环境毒理学和环境流行病学的研究提供病因线索。

材料与方法  

一、样品采集  水样的采集与处理:以无锡地区一家自来水厂为对象,于2015年9、11月和2016年1月分别采集1次净水工艺各步骤(图1)的水样,每个步骤采集平行水样2份(共90份),500 ml/份,水样经充分混匀、过0.45 μm滤膜去除泥土、悬浮物等杂质后,采用固相萃取方法进行MC-LR富集。Oasis HLB固相萃取柱(3 ml,60 mg)经3 ml甲醇、3 ml纯水活化,量取50 ml水样以1 ml/min的速度过柱,真空干燥后用4 ml甲醇洗脱,洗脱液在40 ℃条件下氮气缓慢吹至近干,用0.5 ml乙腈∶水(体积比为1∶1)充分震荡复溶,转移至进样瓶中,并于4 ℃冰箱保存,待分析。

图1无锡地区某一自来水厂处理工艺流程图

二、仪器与试剂  Agilent 1200高效液相色谱仪、API 3200Q-Trap三重四极杆串联质谱仪、Aanlyst 1.5.1质谱数据系统(美国API公司),Orbitrap Elite组合型离子阱Orbitrap质谱仪(美国Thermo Scientific公司),N-EVAP氮吹浓缩仪(美国Organomation公司),Millipore Milli-Q纯水仪(美国密理博公司),Waters Atlantis 18C色谱柱(2.1 mm×150 mm,3.5 μm,美国Waters公司),Thermo Scientific Syncronis 18C色谱柱(2.1 mm×150 mm, 3 μm,美国Thermo Scientific公司),Oasis HLB固相萃取柱(型号WAT094226,186000118,美国Waters公司),MC-LR标准品(型号33893-1ML-R,美国Sigma公司),液氯(浓度625 ng/μl,自来水厂提供)甲醇、乙腈(色谱纯,德国默克公司)。

三、MC-LR检测方法  

1.色谱条件:  采用Waters Atlantis 18C色谱柱,流动相为乙腈和纯水,流量0.25 ml/min,采用梯度洗脱的方式,梯度为:0~2 min,10%乙腈、90%水;2~5 min,从10%乙腈、90%水变化至60%乙腈、40%水;5~9 min,100%乙腈;9~15 min,10%乙腈、90%水平衡色谱柱。柱温30 ℃,进样量20 μl。

2.质谱条件:  采用电喷雾正离子源(ESI+)模式,离子喷射电压(IS):5 500 V;离子源温度:500 ℃;雾化气:50 psi;辅助加热气:60 psi;碰撞气CAD:Medium;气帘气CUR:20 psi。质谱参数见表1

表1微囊藻毒素-LR的质谱检测参数

3.标准曲线的绘制:  配制浓度为0、2、5、10、20、50、100、200 μg/L MC-LR标准溶液进样分析,以色谱图的峰面积为纵坐标,MC-LR的浓度为横坐标,绘制MC-LR标准曲线。

4.方法的检出限(method detection limit, MDL)和方法定量限(method quantification limit, MQL):  配制7份0.05 μg/L MC-LR的加标水样,每份50 ml,经过固相萃取富集后,3 ml甲醇洗脱,40 ℃氮气吹干后,0.5 ml乙腈:水(体积比为1∶1)定容,上机检测。以3倍样品重复测定结果的标准偏差为检出限,以10倍样品重复测定结果的标准偏差为定量限。

5.准确度和精密度:  分别向超纯水、饮用水以及水源水中加入MC-LR标准品,配制成低、中、高浓度的模拟水样,浓度分别为0.05、0.50、1.00 μg/L,每份水样50 ml,每个浓度设置6个平行样,固相萃取浓缩后,上机检测,每份水样重复测量三次取平均值,重复试验3 d,每次实验做2个空白对照。方法的准确度用加标回收率表示,方法的精密度用日内精密度和日间精密度表示。

四、MC-LR降解产物分析方法  

1.色谱条件:  采用Thermo Scientific Syncronis 18C色谱柱,流动相为甲醇和0.1%甲酸-水溶液,流量0.3 ml/min,采用梯度洗脱的方式,梯度为:0~20 min,45%甲酸-水溶液、55%甲醇;20~25 min,从45%甲酸-水溶液、55%甲醇变化至35%甲酸-水溶液、65%甲醇;25.0~30.0 min,45%甲酸-水溶液、55%甲醇。柱温30 ℃,进样量10 μl。

2.质谱条件:  分别采用正、负极扫描,一级质谱采用Orbitrap检测器进行全扫描(full scan),扫描范围200~2 000 m/z,分辨率为60 000;多级质谱基于上一级最强离子峰扫描,二级质谱采用Orbitrap检测器进行更高能量碰撞诱导解离(high energy collision dissociation, HCD)扫描,分辨率为15 000;三级和四级质谱均采用Ion trap检测器进行碰撞诱导解离(collision in-duced dissociation, CID)扫描。

3.MC-LR降解产物分析用样品准备:  (1)实际水样富集:选择1.2.4所述自来水厂对应的水源水和出厂水,水源水经混匀、过滤后分别过Waters OASIS HLB固相萃取柱进行50倍和1 500倍浓缩,出厂水经混匀、过滤后分别过Oasis HLB固相萃取柱进行50倍和2 500倍浓缩,其中1 500倍和2 500倍浓缩水样过Oasis HLB 35 cc固相萃取柱(35 ml,6 g)。过柱后经甲醇洗脱、氮吹、乙腈/水(体积比1∶1)复溶后,转移至进样瓶中,并于4 ℃冰箱保存,待分析。(2)实验室模拟水样:按照质量比1∶10、1∶20、1∶100、1∶1 000的将MC-LR标准品与液氯进行混合,置于水平摇床震荡1 h后,于4 ℃冰箱保存,待分析。

五、统计学分析  使用Excel 2013对数据进行处理分析。自来水处理过程中,水样的MC-LR检测结果均符合正态分布,采用±s表示,并采用F检验分析不同水源特征、采集时间下的MC-LR浓度差异。以P<0.05为差异有统计学意义。

结果  

一、检测方法的构建  MC-LR在2~200 μg/L范围内线性关系良好,其回归方程为y=312x-398(R2=0.999 8),其方法检出限为0.007 9 μg/L、定量限为0.026 3 μg/L;高中低浓度纯水加标回收率的平均值在95.59%~102.29%之间、日内精密度均值在2.74%~6.04%之间、日间精密度在2.59%~6.28%之间;高中低浓度饮用水加标回收率的平均值在94.88%~101.47%之间、日内精密度的均值在2.51%~7.93%之间、日间精密度在3.24%~8.41%之间,水源水本底值为0.111 μg/L,高、中、低浓度水源水加标回收率的平均值在90.33%~107.11%之间,日内精密度的均值在2.40%~14.27%之间,日间精密度在2.77%~14.12%之间。

二、自来水处理工艺对MC-LR的去除效果分析  如表2所示,不同月份水源水MC-LR浓度存在差异、各处理工艺对MC-LR去除效果不同:水源水MC-LR经水源厂臭氧接触池作用后58.6%可被氧化降解,但是生物预处理过程使其浓度增加81.2%、并且在下一处理工艺前浓度逐渐升高,在水样经生物预处理之后、水源厂加氯出厂之前MC-LR浓度升高了4.2%;水源厂出厂水加氯后经长距离的输送到达自来水厂,输送过程中62.9%的MC-LR被氧化降解,随后的混凝沉淀出水过程能去除79.2%,截止该工艺,水源水中MC-LR为(0.038±0.016)ng/ml,94.0%的MC-LR被去除。后续的砂滤、臭氧接触、活性炭、超滤膜等工艺几乎无法去除水样中残留的MC-LR,这几个工艺过程的出水MC-LR浓度均维持在0.035 ng/ml左右。

表2自来水处理过程中各步骤水样微囊藻毒素-LR检测结果(±s,ng/ml, n=2)

三、降解产物分析  在50倍和1 500倍浓缩的水源水、50倍和2 500倍浓缩的出厂水中检出MC-LR的浓度分别为(0.605±0.007)、(0.637±0.012)、(0.048±0.001)和(0.051±0.002)ng/ml,但是未检测到MC-LR降解产物信号。在质量比1∶20、1∶100、1∶1 000的MC-LR标准品与液氯的模拟水样中MC-LR及其降解产物均未检出。在质量比1∶10的MC-LR标准品与液氯的模拟水样的色谱图中发现4种物质(图2图3图4),疑为MC-LR降解产物,其保留时间分别为9.45、11.19、13.80和24.61 min,一级质谱确定各物质的分子式分别为C49H76O13N10、C50H78O13N10(物质2和物质3分子式相同)、C50H76O12N10,这4种物质与MC-LR具有相似的碎片,结合其分子式,二级质谱检测后推测物质1可能为羟基-微囊藻毒素(hydroxy-microcystin),物质2和3可能为甲基-羟基-微囊藻毒素(methyl-hydroxy-microcystin),物质4可能为甲基-微囊藻毒素(methyl-microcystin)。

图2微囊藻毒素-LR降解产物分析所得物质1分析结果
图3微囊藻毒素-LR降解产物分析所得物质2和3分析结果
图4微囊藻毒素-LR降解产物分析所得物质4分析结果

讨论  MC-LR易保留于水中且不易被沉积物所吸附,可破坏和损伤肝组织,具有较强的致癌性[7,8]。为保障人体健康,WHO提出生活饮用水中MC-LR的最高限值1 μg/L,我国2007年7月1日起实施的新版《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)也将其列入了水质检测指标。研究表明,传统净水工艺(混凝、沉淀、过滤、消毒)能够通过对藻细胞的截留作用去除部分藻毒素,但是对细胞外毒素基本没有去除作用,甚至会由于混凝剂的作用使一部分藻细胞破裂而增加水体中溶解性藻毒素的浓度。
        本研究建立的LC/MS/MS检测方法样品前处理过程简单、检出限良好、实际水样加标回收率达95%以上、线性关系良好,能很好地应用于饮用水MC-LR的日常监测。研究结果发现,10月以及次年1月水源水MC-LR浓度较高,这可能是由于季节和水温等条件的变化引起的。在8、9月高温过后藻类逐渐死亡释放毒素造成水体中藻毒素含量升高,同时,10月和次年1月正好处于太湖枯水期,期间太湖水位下降、水体藻类密度增加,MC-LR浓度也相应升高。对自来水处理工艺各步骤的水样进行分析发现,水源水中MC-LR主要是通过氯化、臭氧化等氧化过程以及混凝剂的混凝作用予以去除,生物预处理过程可能通过破坏藻细胞从而增加水体中MC-LR浓度,砂滤、臭氧接触、活性炭、超滤膜等处理工艺对水体中较低浓度MC-LR去除作用有限,造成自来水中仍含有较低浓度的MC-LR[9]。这与已有相关研究结果相一致。因此,长期低浓度MC-LR暴露的健康风险监测工作仍不容忽视[10,11]。同时,本研究在国内首次关注饮用水中MC-LR降解产物并对其结构进行确证,通过对比分析确定饮用水中四种MC-LR降解产物,为后续研究奠定了基础。

参考文献
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