将垃圾填埋场的运行特性和处理条件与大型溞（Daphnia magna）对渗滤液的毒性联系起来

《Waste Management》：Linking landfill operational characteristics and treatment conditions to Daphnia magna toxicity of leachates

多水平生物毒性评估揭示填埋场渗滤液毒性受运营状态、环境暴露及处理阶段共同影响，以Daphnia magna为测试生物，发现完全处理渗滤液仍具毒性，生理和行为响应对低浓度敏感，需结合物理化学参数优化监测和风险评估。

　　

托马斯·马卡拉斯（Tomas Makaras）| 布里吉塔·吉莱特（Brigita Gylyt?）| 珍妮娜·帕茹西耶内（Janina Pa?usien?）| 罗伯塔·瓦尔斯基恩（Roberta Valskien?）

立陶宛维尔纽斯市Akademijos街2号，国家自然科学研究院自然研究中心（State Scientific Research Institute Nature Research Centre），邮编LT-08412

摘要

渗滤液的毒性受多种填埋场因素的影响，但其背后的驱动机制以及这些影响在生物层面上的具体表现仍不甚明了。我们对暴露于不同运行状态（运行中 vs. 停止运行）、环境暴露情况（受降水保护 vs. 未受保护）以及处理阶段（未经处理、部分处理或完全处理）的非危险性/工业填埋场渗滤液中的大型溞（Daphnia magna）进行了多层次生物学评估。我们测量了急性有效浓度（EC₅₀）和低效应等效浓度（EC₅、1/4 EC₅ 和 1/16 EC₅），以比较不同处理方式的效果，并将生物反应程度与渗滤液的物理化学特性及填埋场特定因素联系起来。这种方法使得跨地点的生物学比较成为可能，涵盖了生理、行为、生长和繁殖四个相互关联的层面，从而提供了超出传统评估指标的深入见解。即使经过处理的渗滤液在最低测试浓度下仍具有毒性。我们确定了影响渗滤液毒性的具体物理化学参数，为后续测试和风险评估提供了指导。根据毒性单位（TU）值，受降水保护的渗滤液毒性最高（108.36），其次是未受降水保护的渗滤液（19.69–60.24）、停止运行的填埋场渗滤液（6.70），以及经过机械/生物处理的渗滤液（4.84）。在反渗透处理后的完全处理渗滤液中未检测到对大型溞的毒性作用。亚致死浓度暴露影响了心率、行为和生长，而繁殖能力基本未受影响；心率是最敏感的指标，即使在1/16 EC₅浓度下也表现出明显变化。这些结果表明，填埋场的年龄、组成、管理方式及处理过程共同决定了渗滤液的毒性，进而影响了生物反应的强度和类型。未来研究应进一步探讨这些因素与环境因素的相互作用，并确定适合用于快速、敏感评估的测试生物和指标。

引言

人口增长通过增加废物产生和污染加剧了环境压力。填埋场作为全球主要的废物处理方式，旨在控制废物积累并通过收集和处理渗滤液来减少环境危害。每年渗滤液量差异很大，从数千吨到数百万吨不等，这取决于填埋场的规模、年龄和废物组成（Rogers等人，2021年）。2010年至2020年间，欧盟地区的填埋废物量从1.73亿吨减少到1.25亿吨，非矿物废物在填埋场中的比例也从23%下降到16%，但同期渗滤液的毒性却有所增加（Brennan等人，2016年；European Environment，2024年）。填埋场渗滤液是由分解废物中的水分渗透形成的，其成分变化很大，受填埋场年龄、废物类型和当地环境条件的影响（Luo等人，2020年；De Sousa等人，2023年）。pH值、氨、有机化合物和重金属等成分增加了渗滤液的毒性；如果处理不当，渗滤液可能对陆地和水生生态系统构成严重威胁，尤其是在低洼地区或衬垫不规范的填埋场。

有效处理和管理填埋场渗滤液对于确保其不对生物体产生毒性至关重要（Wang & Qiao，2024年）。处理方法包括机械处理、生物处理、物理化学处理或混合处理，选择方法需根据填埋场基础设施和出水质量标准来确定（Luo等人，2020年；Szymańska-Pulikowska和Wdowczyk，2021年）。生物方法在去除氮方面具有成本效益和高效率，尤其适用于富含可生物降解有机物、氨和挥发性脂肪酸的新形成渗滤液；而含有腐殖酸和富里酸等难降解化合物的旧渗滤液则更难处理。传统的表征方法主要依赖pH值、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、电导率（EC）、总有机碳（TOC）和重金属浓度等指标（de Sousa等人，2023年），但由于混合物复杂且存在未监测的有机化合物，仅凭物理化学数据无法可靠预测毒性。

生物测定法是对化学分析的重要补充，它整合了生物体对所有可利用化合物的反应，提供了综合的毒性评估（Gosh等人，2017年）。许多研究评估了填埋场渗滤液对细菌（Jab?ońska-Trypu?等人，2021年）、植物（Anand & Palani，2022年）和水生生物（Przydatek，2019年；Wang等人，2023年）的影响，部分研究还评估了潜在的人类健康风险（Baderna等人，2019年；An?i?等人，2020年）。近年来，研究重点逐渐转向新兴污染物，如药物和全氟及多氟烷基物质（PFAS）（Feng等人，2024年）。然而，大多数研究仅针对未经处理的填埋场渗滤液和标准生存指标，对多生物层面的毒性及其与填埋场运行状态、环境条件或处理阶段的关系关注不足（Mario等人，2020年；Ghanbari等人，2021年；Sossou等人，2024年）。仅有少数研究关注处理后的渗滤液（Szymańska-Pulikowska和Wdowczyk，2021年；Kwarciak-Koz?owska和Fija?kowski，2021年；Storck等人，2023年），因此在理解物理化学变化如何影响毒性方面存在空白。

为填补这一空白，本研究对比分析了四种不同运行状态（运行中 vs. 停止运行）、降水暴露情况（受保护 vs. 未受保护）及处理阶段（未经处理、部分处理或包括反渗透处理的非危险性市政/工业填埋场渗滤液的毒性。我们使用大型溞作为标准生物测定物种，因为它生命周期短、易于培养且具有全球可比性，通过测量48小时后的大型溞固定情况（EC₅₀）以及4至21天内的多水平亚致死反应（EC₅、1/4 EC₅ 和 1/16 EC₅）来评估急性毒性。这种方法确保了各渗滤液的效应浓度具有生物学等效性，从而能够将渗滤液的物理化学性质与效应程度相关联。因此，为了更全面地了解渗滤液对生物体的影响，我们重点关注了四个相互关联的生物层面：生理和行为反应，这些反应最终会影响整体生长和繁殖表现。通过整合多个生物层面，本研究全面揭示了填埋场运行和环境因素以及处理过程（悬浮固体去除、生物过滤（硝化–反硝化）和最终反渗透）如何共同影响渗滤液的毒性。所提出的方法通过特定生物指标评估填埋场渗滤液及相关废水，可为处理优化提供有用的指导，特别是在填埋场管理方面。它有助于选择关键的物理化学参数，以便更有效地监测并预测渗滤液对水生生物和生态系统的影响。

部分内容展示

大型溞培养条件

大型溞（Daphnia magna，属于枝角类昆虫，Daphniidae科）的实验室培养是从MicroBioTests（比利时）提供的休眠卵（ephippia）开始的。溞类被饲养在最小体积为1升的容器中，培养基符合ISO 6341标准，包含以下成分：二水合氯化钙（CaCl₂·2H₂O，294 mg/L）、七水合硫酸镁（MgSO₄·7H₂O，123 mg/L）、碳酸氢钠（NaHCO₃，64.7 mg/L）和氯化钾（KCl，5.75 mg/L）。

固定效应

不同填埋场渗滤液对大型溞的毒性差异显著（表1）。L1_Kairiai（13.9–16.2%）和L2_Siauliai（4.4–6.2%）渗滤液的EC₅₀值最高，表明其毒性较低；相比之下，L3_Panevezys（1.3–2.0%）、L4_Kazokiskes（1.7–2.1%）和L5_Kazokiskes（0.85–0.96%）渗滤液的EC₅₀值最低，毒性最高。L5_{Kazokiskes/PT}渗滤液的毒性较低，其EC₅₀值比未经处理的渗滤液高出21倍以上。

讨论

关于填埋场渗滤液毒性与运行状态和处理方式的比较分析仍较为有限。大多数研究主要集中在未经处理的渗滤液和标准急性效应指标上，未能全面反映潜在的不良生物效应；尽管一些最新研究（Wang等人，2023年；Feng等人，2024年）探索了更广泛的效应指标和新兴污染物，但总体而言，评估仍主要依赖于标准的生态毒性测试。

结论

本研究全面评估了填埋场渗滤液的毒性与其运行状态和处理方式之间的关系，这些因素影响了毒性的大小。即使来自停止运行的填埋场或经过处理的渗滤液也对大型溞构成风险，这可能是由于复杂的化学相互作用和未被检测到的有机化合物的协同效应所致。在EC₅及更低浓度（1/4和1/16 EC₅）下的亚致死浓度引起了显著的生理、形态变化。

作者贡献声明

托马斯·马卡拉斯（Tomas Makaras）：负责撰写初稿、监督研究设计、方法论制定、数据分析、概念化。布里吉塔·吉莱特（Brigita Gylyt?）：负责审稿与编辑、方法论制定、数据分析、数据整理。珍妮娜·帕茹西耶内（Janina Pa?usien?）：负责审稿与编辑、方法论制定、数据分析、数据整理。罗伯塔·瓦尔斯基恩（Roberta Valskien?）：负责审稿与编辑、方法论制定、数据分析、概念化。

资助

本研究得到了立陶宛国家自然科学研究院自然研究中心的研究支持。

出版同意

所有作者均已审阅了手稿的最终版本，并同意提交。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢立陶宛维尔纽斯县、帕涅韦日斯（Panev??ys）和希奥利亚伊（?iauliai）地区的废物管理中心（VAATC、PRATC和?RATC），特别是维尔吉利尤斯·普鲁斯卡斯（Virgilijus Pruskas）和罗卡斯·维尔尼什基斯（Rokas Vilni?kis）在样本采集方面给予的帮助。