彭雪非

摘要 通過分析歷史上突發(fā)水污染事故典型案例，指出發(fā)生突發(fā)水污染事故進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測預(yù)警的必要性。通過調(diào)研水污染事故應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)發(fā)展指出了突發(fā)水污染事故中毒性監(jiān)測的必要性和監(jiān)測原則，詳細(xì)分析了發(fā)光菌檢測法、蠶豆根尖微核實(shí)驗(yàn)和彗星實(shí)驗(yàn)等試驗(yàn)技術(shù)成熟的且能夠在污染事故發(fā)生第一時間對事故做出評判的3種毒性檢測技術(shù)，其適合在我國推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 突發(fā)性水污染事故；應(yīng)急監(jiān)測；毒性監(jiān)測

中圖分類號 S181.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）20-06653-03

Advance of Sudden Water Pollution Accident Earlywarning and Emergency Monitoring Technology

PENG Xuefei

（Environmental Monitoring Center Station of Anqing， Anqing， Anhui 246003）

Abstract By analyzing the history of sudden water pollution accidents typical case， the necessity of emergency monitoring and early warning was pointed out. Through investigation and analysis on development of emergency monitoring technology for water pollution accident， the necessity and monitoring principles were proposed. Three kinds of the mature test technology in toxicity monitoring， including luminescent bacteria detection， vicia faba Micronucleus test and comet assay， which can evaluate the pollution accident in first time， were analyzed in detail. These three techniques are suitable to promote in China.

Key words Sudden water pollution accident； Emergency monitoring； Toxicity monitoring

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國突發(fā)性事故的頻率不斷增大，較為嚴(yán)重的化學(xué)事故逐年增加，特別是近幾年不斷發(fā)生的化學(xué)危險品泄漏、爆炸事故，造成了大量的人員傷亡和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失及政治影響。如1993年8月5日，深圳羅湖區(qū)清水河安貿(mào)危險品倉庫發(fā)生猛烈燃燒、爆炸，幾公里外的房屋玻璃被震碎，致15人死亡，500多人受傷，其中重傷137人，直接經(jīng)濟(jì)損失2.4億多元。最近幾年，從北國到南疆環(huán)境污染事故頻頻發(fā)生，松花江的硝基苯污染、廣東北江和湖南湘江的鎘污染、黃河的柴油污染、綦江的化肥污染層出不窮。國家環(huán)保部提供的資料表明，近年來我國每年發(fā)生環(huán)境污染事故高達(dá)1 500～2 200起，每年發(fā)生的環(huán)境違法案件竟多達(dá)2萬件左右。

而隨著經(jīng)濟(jì)和城市的高度集中，現(xiàn)在的環(huán)境污染事故對社會和生態(tài)的危害性也在逐漸加大。

2005年11月13日，中石油吉林石化公司雙苯廠發(fā)生爆炸事故，約100 t苯類物質(zhì)（苯、硝苯 苯、苯胺等）流入松花江，造成重大水環(huán)境污染事件，污染帶在我國境內(nèi)歷時42 d，沿岸幾百萬人民的生活受到影響[1]。

《國家突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急預(yù)案》中對突發(fā)環(huán)境事件的界定是突然發(fā)生且造成或可能造成重大人員傷亡、重大財產(chǎn)損失和對全國或某一地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會穩(wěn)定、政治安定構(gòu)成重大威脅和損害，有重大社會影響的涉及公共安全的環(huán)境事件[2]。

與常規(guī)污染相比，突發(fā)污染事件有可能在短時間內(nèi)迅速造成城市生態(tài)環(huán)境和飲用供水系統(tǒng)的重大損失，并可能進(jìn)一步觸發(fā)更嚴(yán)重城市安全問題，處置不當(dāng)還會造成影響深遠(yuǎn)的后遺癥[3]。因此研究和建立突發(fā)污染事件的應(yīng)急管理機(jī)制，確保城市水環(huán)境安全，是構(gòu)建現(xiàn)代城市安全應(yīng)急管理機(jī)制的重要組成部分。越來越多的學(xué)者指出，由于水體的特殊性和易損性，在突發(fā)性污染事件目前還難以預(yù)測、預(yù)防和控制的情況下，將研究重點(diǎn)放在突發(fā)事件發(fā)生后的緊急應(yīng)對和快速處置上，就成為最大限度地保護(hù)環(huán)境安全的關(guān)鍵所在，也是城市水環(huán)境安全管理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

專家認(rèn)為開發(fā)和配備在線水質(zhì)監(jiān)測或移動水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備是預(yù)案可行并能實(shí)施的重要保障手段[1]。應(yīng)急水質(zhì)監(jiān)測是構(gòu)建針對突發(fā)水污染事故的應(yīng)急機(jī)制的基礎(chǔ)，也為環(huán)境監(jiān)測提出了新的挑戰(zhàn)。筆者通過調(diào)研水污染事故應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)發(fā)展提出突發(fā)水污染事故中毒性監(jiān)測的必要性和監(jiān)測原則，并詳細(xì)分析了發(fā)光菌檢測法、蠶豆根尖微核實(shí)驗(yàn)和慧星實(shí)驗(yàn)3種毒性檢測技術(shù)。

1 突發(fā)污染事故中的應(yīng)急水質(zhì)監(jiān)測

水質(zhì)監(jiān)測作為構(gòu)建現(xiàn)代城市水安全應(yīng)急管理機(jī)制中的基礎(chǔ)，在保障城市用水安全方面一直受到廣泛的重視。目前城市的自來水公司和環(huán)境監(jiān)測部門基本均有一套常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。

現(xiàn)在的研究認(rèn)為，完整的應(yīng)急檢測應(yīng)該分為快速檢測、確定性檢測和精確權(quán)威檢測3級。每1級檢測方法的特點(diǎn)不同，所能提供的信息也不同，其中第1級應(yīng)以快速為主要特點(diǎn)，即應(yīng)急檢測（是否能喝，是不是停水）、幾分鐘檢出結(jié)果、檢測譜應(yīng)盡可能寬、基本確定是化學(xué)還是病毒污染。一級檢測方法包括快速綜合性毒性檢測、快速生物總量檢測和顆粒與有機(jī)污染檢測等。目前，我國絕大部分水質(zhì)檢測中心的分析方法均屬于第2級或第3級，但作為應(yīng)急檢測體系最重要的預(yù)警環(huán)節(jié)，第1級的快速檢測方法還沒有在國內(nèi)得到很好的應(yīng)用[4]。

另外，傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測手段均是先假定水中有某種物質(zhì)后，才對此物質(zhì)實(shí)行檢測。因水中有毒物質(zhì)的多樣性，實(shí)際中不可能對全部物質(zhì)都分別實(shí)施檢測，更不能考慮到各種化學(xué)物質(zhì)之間的拮抗、抑制和協(xié)同作用。而一級應(yīng)急毒性檢測是一種掃描性的檢測，是使用生物學(xué)的方法對水樣的毒性進(jìn)行綜合性的判斷，檢測結(jié)果比較全面，這也是一級應(yīng)急毒性檢測所具有的優(yōu)勢[4]。因此，研究國內(nèi)外應(yīng)急毒性監(jiān)測的開展和成果，并配備應(yīng)急毒性監(jiān)測設(shè)備，是目前我國城鎮(zhèn)水質(zhì)監(jiān)測和水環(huán)境管理部門需要重視的內(nèi)容。

2 水污染事故毒性監(jiān)測的原則

國內(nèi)外對水環(huán)境毒性檢測已有幾十年的研究歷史，研究或開發(fā)出近百種毒性評價的方法和指標(biāo)。涵蓋了植物、動物、微生物多個生物分類中的界。常見的水體毒性檢測指標(biāo)有種子發(fā)芽、根尖伸長、水生植物生長狀況等植物生長指標(biāo)[5-6]，蠶豆根尖微核實(shí)驗(yàn)和彗星實(shí)驗(yàn)等植物突變指標(biāo)[7]，光合作用抑制等植物活性指標(biāo)，水生無脊椎動物、魚類等動物指標(biāo)，平板計數(shù)或MPN等微生物數(shù)量指標(biāo)，氯仿薰蒸法、ATP含量法、代謝商法等微生物生物量指標(biāo)，瓊脂培養(yǎng)基培養(yǎng)法、Biolog GN、PLFA、核酸分析等微生物群落指標(biāo)，微生物呼吸強(qiáng)度、脫氫酶活性、發(fā)光細(xì)菌等微生物活性指標(biāo)，以及細(xì)菌回復(fù)突變試驗(yàn)、umu試驗(yàn)等微生物突變和變異性指標(biāo)。這些水體毒性檢測的手段為全面反應(yīng)污染水體對生物的毒性提供了一套強(qiáng)有力的工具。

但對于突發(fā)性的水污染事故應(yīng)急監(jiān)測，一方面因其需要根據(jù)監(jiān)測結(jié)果迅速啟動應(yīng)急預(yù)案，做出相應(yīng)的部署，另一方面，監(jiān)測方法應(yīng)該是被國際認(rèn)可或接受的方法，并能給出具有可比性的指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)不同時間、空間下毒性監(jiān)測數(shù)據(jù)的比較，使應(yīng)急預(yù)案建立在更科學(xué)的基礎(chǔ)上。因此水污染事故毒性監(jiān)測所用的指標(biāo)須滿足以下要求：①檢測便捷迅速，以期實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，因此植物生長及微生物量等指標(biāo)不符合要求；②毒性監(jiān)測給出結(jié)果能定量或半定量表達(dá)毒性變化，因此基于群落分析等手段不符合要求；③由于我國目前的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件，為城鎮(zhèn)配備毒性監(jiān)測設(shè)備應(yīng)根據(jù)國情，全面考慮性能和成本。

3 水污染事故毒性監(jiān)測技術(shù)及其應(yīng)用

根據(jù)以上要求，結(jié)合國內(nèi)外的研究和應(yīng)用成果，筆者認(rèn)為適宜作為我國水污染事故應(yīng)急毒性監(jiān)測的技術(shù)有發(fā)光菌毒性檢測、蠶豆根尖微核實(shí)驗(yàn)和彗星實(shí)驗(yàn)。

3.1 發(fā)光菌檢測法

3.1.1 原理。

發(fā)光菌是一類非致病的革蘭式陰性兼性厭氧細(xì)菌，它們在適當(dāng)?shù)臈l件下經(jīng)培養(yǎng)后，能發(fā)射出肉眼可見的藍(lán)綠色光[8]，細(xì)菌發(fā)光過程是電子傳遞鏈中的一步[9]，其發(fā)光原理可采用FMNH2+O2+RCH發(fā)光細(xì)菌熒光酶FMN+RCOOH+光表示[10]，式中FMN為核黃素。

當(dāng)發(fā)光菌暴露于有毒物質(zhì)后，有毒物質(zhì)會在不同水平上改變細(xì)胞狀態(tài)，包括細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、電子傳遞鏈、酶、細(xì)胞質(zhì)組成，無論何種情況均會很迅速地反映出生物發(fā)光的降低[10]。因此發(fā)光菌發(fā)光抑制檢測常用作急性毒性測定，研究表明該法對重金屬、多環(huán)芳烴、氯苯等有機(jī)污染物具有很高的敏感性。

3.1.2 研究現(xiàn)狀。發(fā)光菌活性檢測法已經(jīng)被商業(yè)利用，全世界范圍內(nèi)使用最廣泛的方法是Microtox急性毒性檢驗(yàn)。目前有關(guān)于Microtox急性毒性檢驗(yàn)系統(tǒng)的文獻(xiàn)和報告超過500篇。Microtox試驗(yàn)中所用的菌種來自海洋，根據(jù)相關(guān)報道，Microtox試驗(yàn)EC50值與黑頭呆魚（fathead minnow fish）半致死濃度LC50相關(guān)性很好，但與老鼠致死量相關(guān)性較差。Microtox急性毒性測驗(yàn)在很多國家已有相應(yīng)官方標(biāo)準(zhǔn)，如美國ASTM Standard（D5660）、ISO 113483"Water QualityDetermination of the Inhibitory Effect of Water Samples on the Light Emission of Vibrio fischeri（Luminescent Bacteria）Test"等。Alberta Energy & Utilities Board已經(jīng)將該法確立為油井鉆探泥漿毒性檢驗(yàn)的常規(guī)方法。一種Whole Effluent Toxicity Testing（WET）的Microtox檢驗(yàn)法已經(jīng)提交USEPA，作為National Pollution and Discharge Elimination System（NPDES）的新方法[11]。在我國，也于1995年通過了水質(zhì)急性毒性的測定發(fā)光細(xì)菌法（GBT154411995）的標(biāo)準(zhǔn)。

在用發(fā)光菌對毒性進(jìn)行檢測時，將處于某種特定生長狀態(tài)的發(fā)光菌（通常是對數(shù)增長期內(nèi)）與配置好的一定濃度梯度的待測水樣混合。用可以讀取生物發(fā)光的儀器監(jiān)測一定時間內(nèi)（根據(jù)不同方法，15 min～3 h不等）的發(fā)光值。根據(jù)稀釋度和發(fā)光度繪制劑量效應(yīng)曲線，曲線上發(fā)光度降低50%時的稀釋度或濃度，即為水樣的EC50值。也可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，以待測水樣的發(fā)光與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)相比較，得到其相對毒性大小。

3.1.3 優(yōu)點(diǎn)。發(fā)光細(xì)菌的生物毒性測定方法是一個快速、經(jīng)濟(jì)、有效的環(huán)境毒性物質(zhì)評價手段，被廣泛應(yīng)用于水體污染檢測。美國“911”事件后，為了保證五角大樓的安全，美國軍方已采用Microtox毒性檢測儀對五角大樓的飲用水進(jìn)行監(jiān)測。1991年海灣戰(zhàn)爭期間以及2000年美國民主黨洛杉磯全國大會期間，均采用發(fā)光菌毒性檢測系統(tǒng)對飲用水處理系統(tǒng)和供水系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。此外，1984年洛杉基奧運(yùn)會、1996年亞特蘭大奧運(yùn)會、2004年雅典奧運(yùn)會的發(fā)光菌毒性檢測系統(tǒng)均成為保障大會飲用水安全的重要系統(tǒng)。在國內(nèi)研究中已成功地應(yīng)用于重金屬污染后的生物毒性評價[12]。

3.1.4 缺點(diǎn)。盡管以Microtox為代表的發(fā)光菌測試法得到了廣泛的認(rèn)同，但其還存在測試條件，尤其是溫度要求較為嚴(yán)格以及對毒性專一性不高的問題。如我國水質(zhì)急性毒性的測定發(fā)光細(xì)菌法（GBT154411995）標(biāo)準(zhǔn)中使用的國產(chǎn)菌株，其對溫度要求極為嚴(yán)格，在20～25 ℃之外的溫度范圍，其生長就會受到抑制。因此當(dāng)出現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度變?nèi)鯐r，究竟是細(xì)胞生理環(huán)境變化還是有毒物質(zhì)造成，對檢測帶來干擾。目前在國內(nèi)外研究領(lǐng)域，已有越來越多的研究者通過構(gòu)建含有l(wèi)ux基因片段的基因工程菌，實(shí)現(xiàn)針對遺傳毒性、細(xì)胞毒性等更靈敏和專一的毒性監(jiān)測發(fā)光菌，其應(yīng)用前景將更為廣闊。

3.2 蠶豆根尖微核實(shí)驗(yàn)

突發(fā)污染事故中，污染物經(jīng)常是非常規(guī)物質(zhì)，往往具有強(qiáng)烈的遺傳毒性和三致作用。如果僅監(jiān)測其急性毒性，而忽視遺傳毒性，則可能會錯誤的估計污染事故的嚴(yán)重性。因此一個現(xiàn)代的水污染事故應(yīng)急系統(tǒng)，應(yīng)該將對毒性監(jiān)測的規(guī)定納入其中。

與發(fā)光菌毒性檢測檢驗(yàn)污染水體的急性毒性不同，微核實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的對象是水體中具有遺傳毒性的物質(zhì)。

微核測定技術(shù)是一種遺傳毒理方面的短期致突變的試驗(yàn)方法[7]，其原理為在某些理化因素誘導(dǎo)下造成染色體損傷，通過顯微鏡等儀器檢測細(xì)胞質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的額外核小體，出現(xiàn)的微核數(shù)可以作為評價的指標(biāo)。

微核的早期研究是利用哺乳動物的骨髓細(xì)胞或外周血細(xì)胞等作為試驗(yàn)材料，美國西伊里諾大學(xué)Te-Hsiu Ma教授首先利用生長于美國的紫露草花粉母細(xì)胞的微核的數(shù)量作為測定環(huán)境污染的指標(biāo)，建立了利用植物微核監(jiān)測環(huán)境污染的方法[13]。1982年Degrassi等利用蠶豆根尖微核實(shí)驗(yàn)建立了誘變劑的蠶豆根尖微核檢測系統(tǒng)[14]。蠶豆是經(jīng)典的遺傳學(xué)研究材料，蠶豆細(xì)胞DNA含量多，染色體數(shù)目少且大，環(huán)境誘變物對它的遺傳物質(zhì)損傷較為敏感，微核效應(yīng)又易于觀察，所以蠶豆在微核測定技術(shù)中深受人們重視，蠶豆根尖微核實(shí)驗(yàn)不僅能發(fā)現(xiàn)有機(jī)化學(xué)物的致突變性，也能發(fā)現(xiàn)有機(jī)化學(xué)物的植物代謝產(chǎn)物的致突變性，其代謝產(chǎn)物類似于完整動物的代謝產(chǎn)物[15]。目前有關(guān)這方面的研究報道頗多。被認(rèn)為是檢測染色體損傷的一種簡便快速的遺傳毒理學(xué)方法。但孔志明等研究表明如果被監(jiān)測毒物或污染物嚴(yán)重阻礙細(xì)胞的生長分裂，則不能正確反映被檢測目標(biāo)[16]。雖然蠶豆根尖微核實(shí)驗(yàn)已被列入國家環(huán)保局編制的《生物監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（水環(huán)境部分）》，但并未成為水質(zhì)監(jiān)測的常規(guī)監(jiān)測項(xiàng)目。

3.3 彗星實(shí)驗(yàn)

彗星實(shí)驗(yàn)檢測低濃度遺傳毒物具有高度靈敏性，所研究的細(xì)胞不需要處于有絲分裂期。同時，這種技術(shù)僅需要少量細(xì)胞，被廣泛應(yīng)用于DNA損傷、生物監(jiān)測、遺傳毒理等領(lǐng)域。

彗星實(shí)驗(yàn)（comet assay）即單細(xì)胞凝膠電泳（singlecell gel electrophoresis，SCGE）技術(shù)，自1978年被Rydcbert B等成功用于檢驗(yàn)DNA單鏈斷裂以來，經(jīng)過不斷的改進(jìn)，已成為一種快速、靈敏、簡便的檢測DNA損傷的方法，廣泛地應(yīng)用于DNA放射損傷、DNA剪切損傷、DNA交聯(lián)的檢測、藥物的遺傳毒性評價、細(xì)胞凋亡鑒定等工作中。

該法的基本原理是各種因素誘發(fā)細(xì)胞DNA損傷后會影響DNA 的高級結(jié)構(gòu)，使其超螺旋松散。這種細(xì)胞經(jīng)過實(shí)驗(yàn)中細(xì)胞原位裂解、DNA 解鏈等過程后，電泳時，損傷的 DNA 從核中溢出，朝陽極方向泳動，產(chǎn)生一個尾狀帶，未損傷的 DNA 部分保持球形，二者共同形成“慧星”。在一定范圍內(nèi)，“慧星”的長度（代表 DNA 遷移距離）和經(jīng)熒光染色后“慧星”熒光強(qiáng)度（代表 DNA 的量）與 DNA 損傷程度相關(guān)，這樣就可以定量檢測單個細(xì)胞中的 DNA 損傷[17]。彗星實(shí)驗(yàn)在水環(huán)境毒理學(xué)中應(yīng)用廣泛，對水生動物的彗星實(shí)驗(yàn)研究報道也很多[18]。在突發(fā)環(huán)境事故領(lǐng)域，彗星實(shí)驗(yàn)被成功地用于前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故、德國萊茵河污染事故等。

4 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會面對越來越重的突發(fā)環(huán)境事故壓力。如果不能對突發(fā)的環(huán)境事故做出應(yīng)急處理，則會引發(fā)更嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)難。環(huán)境監(jiān)測技術(shù)是污染事故應(yīng)急預(yù)案中重要的一環(huán)，經(jīng)調(diào)研認(rèn)為針對水污染事故的生物毒性監(jiān)測必須納入各級環(huán)境監(jiān)測和管理部門。現(xiàn)有的技術(shù)中，發(fā)光菌毒性檢測、微核實(shí)驗(yàn)和彗星實(shí)驗(yàn)技術(shù)成熟，應(yīng)用簡便，能夠在污染事故發(fā)生的第一時間對事故做出評判，為后續(xù)的應(yīng)急提供基本信息。因此應(yīng)當(dāng)大力發(fā)展。

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