郝廣民,姜 婧,陳孟橋,國洪賓,周程艷,劉 琳

(1.河北省保定環(huán)境監(jiān)測中心，河北 保定 071000；2.河北大學(xué) 藥學(xué)院，河北 保定 071002)

1 引言

據(jù)中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部公布的《中國生態(tài)環(huán)境公報》，2000～2010年白洋淀一直處于非常嚴(yán)重污染狀態(tài)(劣Ⅴ類)，2011～2017年白洋淀水質(zhì)稍有改善(Ⅴ類)，2018年至今白洋淀水質(zhì)比2000年有明顯改善(Ⅳ類)，但還未達(dá)到功能區(qū)要求(Ⅲ類)。白洋淀生態(tài)修復(fù)任重道遠(yuǎn)，白洋淀濕地對維持華北地區(qū)生態(tài)平衡和保持生物多樣性發(fā)揮著生態(tài)安全屏障作用，同時白洋淀是雄安新區(qū)地標(biāo)性的自然景觀，也是雄安新區(qū)生態(tài)建設(shè)的重要依托，更是雄安新區(qū)“千年大計”的重要組成，故白洋淀的生態(tài)環(huán)境有著更高的要求[1，2]。目前常用的環(huán)境監(jiān)測手段大多為關(guān)注單一物質(zhì)或一類物質(zhì)對人體健康的毒性和潛在危險性[3～6]，但各種有害物質(zhì)在實(shí)際生活中是并存且互影響的，共同作用于人類健康。白洋淀這種敏感重要的水域，急需一種綜合評價的環(huán)境監(jiān)測手段，以提供準(zhǔn)確的環(huán)境質(zhì)量及其變化趨勢，為白洋淀生態(tài)修復(fù)筑牢堅實(shí)的基礎(chǔ)。本研究對從王家寨采集的白洋淀樣品進(jìn)行綜合分析。

藥物研發(fā)和制造行業(yè)、紡織品行業(yè)，以及化妝品行業(yè)通常使用動物實(shí)驗(yàn)來綜合評價產(chǎn)品對人類身體健康的安全性[7，8]。動物實(shí)驗(yàn)是通過觀察實(shí)驗(yàn)動物的反應(yīng)，探究其發(fā)生機(jī)制、發(fā)展規(guī)律，進(jìn)而推用到人類。小鼠是動物實(shí)驗(yàn)常用的實(shí)驗(yàn)動物，因其對外來刺激敏感，并且與人類接觸毒物所產(chǎn)生的毒性反應(yīng)相似，同時具有易飼養(yǎng)、生長周期短等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的安全性評價，但是在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用鮮有報道。健康風(fēng)險評價( health risk assessment, HRA )將環(huán)境污染與人體健康相關(guān)聯(lián)，通過估算人體接觸有害因子后不良影響發(fā)生概率，把風(fēng)險度分級作為目標(biāo)結(jié)果，通過環(huán)境健康風(fēng)險評價模型分析環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，推測出描述污染物對人體產(chǎn)生的危害，可為水源地水環(huán)境的健康風(fēng)險管理和保護(hù)提供參考依據(jù)。常用的是于20世紀(jì)80年代由美國環(huán)保署(USE)所提出的評價方法及模型，但該模型同樣關(guān)注單一物質(zhì)或一類物質(zhì)對人體健康的毒性和潛在危險性[9～13]，需要建立一種能夠綜合評價健康風(fēng)險的模型。

因此以白洋淀為例，嘗試采用環(huán)境健康風(fēng)險評價模型評價白洋淀水體環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀對人體的健康風(fēng)險，以期發(fā)揮動物實(shí)驗(yàn)在白洋淀水質(zhì)監(jiān)測中的作用。環(huán)境健康風(fēng)險評價模型評價對象為白洋淀游客，白洋淀為5A級旅游景區(qū)，2017年旅游人數(shù)高達(dá)235萬人次，游客在白洋淀游玩期間難免會接觸甚至誤吞白洋淀水體，若水體遭受有害物質(zhì)污染，將威脅民眾生命財產(chǎn)安全。雖然健康風(fēng)險評價在20世紀(jì)80年代就已興起，并針對白洋淀健康風(fēng)險評價作出大量研究，但都是集中在研究白洋淀水體長期接觸的當(dāng)?shù)鼐用竦慕】碉L(fēng)險，鮮有研究白洋淀水體對游客的健康風(fēng)險，風(fēng)險識別是環(huán)境健康風(fēng)險評價的第一步，也是應(yīng)用基于動物實(shí)驗(yàn)的環(huán)境健康風(fēng)險評價模型方法評價水體環(huán)境質(zhì)量的精髓所在。目前常用的風(fēng)險識別方式過程為：首先列出評價范圍內(nèi)對人體健康可能產(chǎn)生嚴(yán)重危害的物質(zhì)，然后進(jìn)行篩選識別，最終確定1～3個危害最大的物質(zhì)。這種識別方式容易遺漏重要的污染物質(zhì)，并忽視污染物之間的相互作用?；趧游飳?shí)驗(yàn)的環(huán)境健康風(fēng)險評價模型評價水體環(huán)境質(zhì)量的方法，是通過建立動物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，依?jù)實(shí)驗(yàn)動物在接觸水體后的生理反應(yīng)以及病理變化，來綜合識別水體中含有物質(zhì)的濃度是否達(dá)到危害人體健康的程度。動物模型中的實(shí)驗(yàn)動物在接觸到濃度足以危害人類健康的物質(zhì)后，能夠展現(xiàn)出生理反應(yīng)及病理變化是基于動物實(shí)驗(yàn)的環(huán)境健康風(fēng)險評價模型用來評價水體環(huán)境質(zhì)量的前提。本研究以白洋淀水體為例，游客為對象，研究了使用基于動物實(shí)驗(yàn)的健康風(fēng)險評價模型法評價水體環(huán)境質(zhì)量的可行性。

2 研究區(qū)域概況

白洋淀(東經(jīng)115°39′～116°11′，北緯38°48′～38°57′)位于雄安新區(qū)核心地帶，屬于海河流域大清河水系。白洋淀是華北平原唯一常年積水的淺水型淡水湖泊，也是第一大淡水湖泊濕地，素有“華北之腎”及“華北明珠”之美譽(yù)[14]。白洋淀共有國(省)控地表水點(diǎn)位9個，分別是棗林莊、王家寨、燒車淀、光淀張莊、南劉莊、鴣丁點(diǎn)、端村、圈頭以及采蒲臺。白洋淀點(diǎn)位分布見圖1，本研究是從王家寨采集的白洋淀樣品。

圖1 白洋淀監(jiān)測點(diǎn)位示意

3 實(shí)驗(yàn)材料儀器

SPF級昆明小鼠126只，雌雄各半，體重(20±2)g；普通級健康成年新西蘭家兔8只，重2.5～3.0 kg，由北京維通利華生物技術(shù)有限公司提供。實(shí)驗(yàn)溫度：22～25℃，相對濕度：55%～70%。實(shí)驗(yàn)期間光線12 h循環(huán)，自由飲水，進(jìn)食。 實(shí)驗(yàn)動物許可證號：SYXK(冀)2017～0002。

2, 4-二硝基氯苯，配制1%為致敏濃度，0.1%為激發(fā)濃度；白洋淀水體(采集自白洋淀王家寨國控地表水點(diǎn)位)；微囊藻毒素(純度95%，瑞士Alexis 公司)，配制成10 μg/L微囊藻毒素水溶液；白細(xì)胞介素-1β(IL-1β，批號：20190606)、白細(xì)胞介素-6(IL-6，批號：20190104)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α，批號：20190104)、白細(xì)胞介素-17(IL-17，批號：20190916)酶聯(lián)免疫檢測試劑盒均由江蘇酶標(biāo)生物科技有限公司生產(chǎn)；Trizol(英杰公司，批號：15596-026)；HiFi Script KT(批號：CW2582H)、UltraSYBR Mixture 熒光定量試劑盒(批號：CW0957H)、SuperReal PreMix Plus(批號：FP205)均購自天根生物科技有限公司；全自動酶標(biāo)儀(美國伯騰)； ABI7500 型熒光定量 PCR 儀(美國應(yīng)用生物系統(tǒng)公司)；BioPhotometer 型生物分光光度(德國艾本德)；QL-902 型渦旋振蕩儀(海門市其林貝爾儀器制造有限公司)。

4 研究方法

4.1 急性毒性試驗(yàn)

白洋淀水體中含有一些有害物質(zhì)，游客誤飲可致急性毒性反應(yīng)，故建立急性毒性試驗(yàn)。 LD50預(yù)實(shí)驗(yàn)： 20只小鼠隨機(jī)均衡分為4組，雌雄各半，適應(yīng)飼養(yǎng)7 d后禁食不禁水12 h，按小鼠灌胃可承受的最大體積(40 mL/kg)分別灌胃給予白洋淀水樣及其10、20、50倍濃縮液，自由進(jìn)食和飲水，連續(xù)觀察7 d，記錄小鼠體征變化及死亡情況，擬算出半數(shù)致死量。若各組小鼠無死亡情況，則進(jìn)行最大耐受量(MTD)試驗(yàn)。 MTD試驗(yàn)：40只昆明種小鼠隨機(jī)均衡分為對照組和試驗(yàn)組，雌雄各半，禁食不禁水12 h后，按本品可以灌胃的最大濃度(白洋淀水體50倍濃縮液)及小鼠可承受的最大體積(40 mL/kg)灌胃給藥，24 h內(nèi)給藥2次，間隔6 h，末次給藥6 h后自由進(jìn)食和進(jìn)水，空白對照組給予等劑量生理鹽水，連續(xù)觀察7 d，記錄7 d內(nèi)受試小鼠體征變化、生理反應(yīng)及死亡數(shù)，計算小鼠口服白洋淀水體最大耐受量。并于7 d后處死小鼠，取出并洗凈臟器，以電子天平精密稱重，記錄各器官重量，重復(fù)3次，計算各臟器系數(shù)。

4.2 皮膚毒性試驗(yàn)

白洋淀水體中含有一定量的易敏物質(zhì)，部分游客接觸水體易造成皮膚過敏反應(yīng)，故本研究建立皮接觸途徑毒性試驗(yàn)來評價水質(zhì)。將36只SPF級昆明小鼠按照體重隨機(jī)分為空白對照組、陽性對照組和試驗(yàn)組，分別涂抹生理鹽水、2% 2, 4-二硝基氯苯及白洋淀水體。試驗(yàn)前24 h將小鼠腹部兩側(cè)剃毛來模仿人類皮膚。 致敏接觸：將各受試物涂布于小鼠腹部左側(cè)去毛區(qū)，隨即覆蓋塑料薄膜并固定，給藥6 h后洗去，此后第7 d和第14 d同法操作。激發(fā)接觸：末次給予受試致敏物后7 d，分別以10倍稀釋后上述致敏物涂于小鼠右側(cè)無毛區(qū)，6 h后將腹部清洗干凈，觀察并記錄小鼠皮膚過敏反應(yīng)情況。觀察每次致敏后及激發(fā)接觸后0 h、24 h、48 h和72 h皮膚紅斑、水腫等異常反應(yīng)。對激發(fā)接觸后皮膚過敏反應(yīng)進(jìn)行評分并計算過敏率。 根據(jù)小鼠過敏平均積分及過敏率兩種方式，對白洋淀水體致敏性進(jìn)行具體評價。過敏反應(yīng)評分標(biāo)準(zhǔn)及其發(fā)生的程度標(biāo)準(zhǔn)分別見表1、表2。

表1 皮膚過敏反應(yīng)評分標(biāo)準(zhǔn)

表2 皮膚過敏反應(yīng)程度評分標(biāo)準(zhǔn)

4.3 眼刺激試驗(yàn)

當(dāng)白洋淀水體中含有一定量的刺激性物質(zhì)時，水體濺入游客眼中易造成眼睛刺激性傷害，故建立急性眼刺激試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。選擇眼部健康的8只家兔，雌雄各半，分為陽性對照組和試驗(yàn)組，分別取5%的溴氰菊酯溶液0.1 mL及0.1 mL白洋淀水體于左側(cè)眼結(jié)膜囊內(nèi)，使上、下眼簾被動閉合1 min，右側(cè)眼睛用生理鹽水作為陰性對照。于滴眼后1 h及每天觀察和記錄家兔眼結(jié)膜、虹膜、角膜損傷程度，直至眼部刺激消退。根據(jù)《化學(xué)品急性眼刺激性/腐蝕性試驗(yàn)方法》(GB/T 21609-2008)進(jìn)行判定受試物對眼刺激或腐蝕作用的有無及強(qiáng)度。

4.4 口服毒性試驗(yàn)

若白洋淀水體含有有毒物質(zhì)，游客誤吞水體易產(chǎn)生中毒反應(yīng)，故建立口服毒性模型,30只SPF級昆明小鼠適應(yīng)性培養(yǎng)一周后按照體重隨機(jī)分為空白對照組、陽性組及實(shí)驗(yàn)組,各組分別以生理鹽水、10 μg/L微囊藻毒素溶液、白洋淀水體為飲用水，小鼠自由攝食、飲水，連續(xù)7 d。期間觀察小鼠一般狀態(tài)、攝食攝水等情況,記錄小鼠是否出現(xiàn)相關(guān)不良反應(yīng)及出現(xiàn)時間和程度,7 d后，各組小鼠禁食不禁水12 h，稱重，眼眶取血，血液樣品于室溫下靜置1 h后 3000 r/min 離心10 min，取上層血清，按試劑盒操作檢測血清ALT、AST、LDH、Scr、Glucose、ALB水平；酶聯(lián)免疫吸附法(ELISA)測定TNF-α，IL-1，IL-6，IL-17含量。

采血后用脊椎脫臼法處死動物，迅速采集各器官，清理干凈后，以10 %中性福爾馬林溶液固定24 h，梯度乙醇脫水，二甲苯透明，石蠟包埋后以手動輪轉(zhuǎn)式石蠟切片機(jī)切4 μm薄片，H&E染色，在200倍光鏡下進(jìn)行觀察。 Real-time PCR法檢測胃組織中IL-1、IL-17，肝組織TNF-α、NF-κB和腎NF-κB、IL-6的mRNA表達(dá)，Trizol提取各組織樣本中總RNA，檢測RNA的濃度和質(zhì)量；按照試劑盒說明書進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，將反應(yīng)所得cDNA產(chǎn)物用于后續(xù)PCR。反應(yīng)步驟如下：95 ℃ 15 min，95 ℃ 10 s，53～58 ℃ 30 s，72 ℃ 30 s，循環(huán)40次。以β-actin為內(nèi)參基因，用熒光定量 PCR 儀測定樣本CT值，用2-△△CT法進(jìn)行相對定量分析表征基因相對表達(dá)水平。 引物序列及產(chǎn)物大小見表3。

4.5 綜合性評價模型建立

參照《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級》(GBZ 230-2010)將急性毒性試驗(yàn)、皮接觸途徑試驗(yàn)、急性眼刺激試驗(yàn)、口服毒性試驗(yàn)的危害程度賦予不同權(quán)重，分別為0.1、0.2、0.2、0.5。根據(jù)上述權(quán)重情況對危害程度進(jìn)行打分，公式為：綜合危害程度分值=急性毒性試驗(yàn)得分×0.1+皮膚接觸途徑試驗(yàn)得分×0.2+急性眼刺激試驗(yàn)。

表3 引物序列及產(chǎn)物大小

試驗(yàn)×0.2+口服毒性試驗(yàn)×0.5，滿分4分。急性毒性試驗(yàn)的危害程度評分標(biāo)準(zhǔn)為：出現(xiàn)小鼠死亡為4分；無小鼠死亡，且最大耐受量小于400 mL/100 g為2分；無小鼠死亡，且最大耐受量大于等于為0分。皮接觸途徑試驗(yàn)和急性眼刺激試驗(yàn)試驗(yàn)分別按照《中華人民共和國職業(yè)衛(wèi)生國家標(biāo)準(zhǔn)》(GBZ/T 240.7-2006)、《化學(xué)品 急性眼刺激/腐蝕性試驗(yàn)方法》(GB/T 21609-2008)進(jìn)行評分，極強(qiáng)致敏性者記4分；強(qiáng)致敏性者3分；中度致敏性者2分；輕度致敏性者1分；弱致敏性者0分?？诜拘栽囼?yàn)總分為4：當(dāng)出現(xiàn)老鼠死亡直接記為4分；沒有老鼠死亡時，口服毒性模型公式為，口服毒性模型得分=是一般狀態(tài)得分+臟器外觀得分×0.25+臟器病理得分×0.25+臟器生化指標(biāo)得分×0.25+血液生化指標(biāo)得分×0.25，滿分3分。當(dāng)小鼠行為、外觀、飲食(水)量出現(xiàn)異常，口服毒性模型一般狀態(tài)記為1分。臟器、血液生化指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)為:P≥0.5記為0分；P<0.5記為1分；P<0.01記為2分。臟器外觀、病理評分標(biāo)準(zhǔn)為：無明顯異常記為0分；異常似有似無為1分；有明顯異常記為2分。上述4個動物試驗(yàn)中每有一個試驗(yàn)出現(xiàn)異常表現(xiàn)，則累加一個風(fēng)險因子積分，否則為0，滿分4分?；谏鲜鲈u分標(biāo)準(zhǔn)，建立一個綜合性動物模型，用以評價水體質(zhì)量。

4.6 統(tǒng)計學(xué)分析

以SPSS 22.0 軟件對本試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用均值-單因素方差分析法，比較各組間的顯著性差異。結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(x±s)表示，P<0.05即認(rèn)為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

5 結(jié)果分析

5.1 急性毒性研究

LD50預(yù)實(shí)驗(yàn)中，灌胃數(shù)小時后小鼠出現(xiàn)大便黃而稀溏，活動量減少，精神萎靡等表現(xiàn)，尤以50倍濃縮組為甚，但各組小鼠在給藥后7 d觀察期間無死亡情況。因本次試驗(yàn)無小鼠死亡，無法計算半數(shù)致死量，故進(jìn)行了最大耐受量測定。以最大濃度和最大可承受體積進(jìn)行兩次灌胃給藥后，2 h內(nèi)大部分試驗(yàn)組小鼠活動量減少、反應(yīng)遲鈍、大便溏瀉；之后小鼠癥狀減輕并恢復(fù)至正常；7 d內(nèi)無小鼠死亡。第7 d稱重后脫頸處死小鼠，解剖，肉眼可見各重要臟器質(zhì)地、形態(tài)、顏色等與空白組小鼠相似無異常，器官系數(shù)無明顯差異(表4、5)，表明急性白洋淀水體中毒對器官傷害較小且可恢復(fù)。灌胃48 h內(nèi)試驗(yàn)組小鼠體質(zhì)量低于空白對照組，推測白洋淀水體會影響小鼠消化功能，這與部分游客誤食白洋淀水體后出現(xiàn)急性腸胃炎的表現(xiàn)不謀而合，故用此模型進(jìn)行急性毒性評價具有一定合理性。小鼠對白洋淀水體最大耐受量為400 mL/100 g。

表4 急性毒性試驗(yàn)白洋淀水體對小鼠體重影響

表5 臟器系數(shù)

5.2 皮膚毒性試驗(yàn)

從圖2可看出，空白組小鼠未出現(xiàn)生理反應(yīng)，而陽性對照組所有小鼠均出現(xiàn)大量明顯紅斑，致敏率為100%，說明本研究所用動物對含有2%的2, 4 -二硝基氯苯敏感，滿足用來評價水體環(huán)境質(zhì)量的前提。同時樣品組僅一只小鼠出現(xiàn)了輕微的生理反應(yīng)，致敏率為8.67 %，這與白洋淀水體對大多數(shù)人不會造成過敏反應(yīng)的常識是一致的，證明該模型同樣適用于實(shí)際水樣，因此皮膚接觸途徑基于動物實(shí)驗(yàn)的健康風(fēng)險評價模型評價水體環(huán)境質(zhì)量可行(表6)。

表6 皮膚過敏反應(yīng)計分

圖2 激發(fā)接觸24h后各組小鼠腹部過敏表現(xiàn)

5.3 眼刺激試驗(yàn)

由表3～4可以看出陽性組動物眼睛滴入2 %溴氰菊酯后1 h陽性組即出現(xiàn)結(jié)膜充血腫脹、分泌物增多等癥狀，眼刺激積分指數(shù)最高為39.25，屬于中度刺激，故該模型滿足用來評價水體環(huán)境質(zhì)量的前提。由表3～5看出樣品組也出現(xiàn)了輕微刺激反應(yīng)，眼刺激積分指數(shù)最高為5，72 h眼刺激的平均指數(shù)為0.5，對照側(cè)眼未見異常反應(yīng)，證明該模型同樣適用于實(shí)際水樣，因此眼睛接觸途徑基于動物實(shí)驗(yàn)的健康風(fēng)險評價模型評價水體環(huán)境質(zhì)量是可行的(表7，8)。

5.3 口服毒性試驗(yàn)

5.3.1 小鼠一般狀態(tài)觀察

該結(jié)果可以初步衡量白洋淀水體有毒物質(zhì)污染程度，對污染物質(zhì)判定提供初步參考。試驗(yàn)期間，隨著時間的增長，陽性組和試驗(yàn)組小鼠攝食量明顯降低(P<0.05)，而各組飲水量無較大差異，提示這兩組小鼠的胃可能出現(xiàn)一些異常。此外，陽性組和試驗(yàn)組小鼠出現(xiàn)毛發(fā)污穢粗糙，情緒萎靡而少動，易驚，指爪蒼白，大便失調(diào)等異常，觀察期內(nèi)各組未見死亡?？瞻捉M正常，而陽性組檢出異常，且樣品組出現(xiàn)相似異常表現(xiàn)，提示白洋淀水體可能受到以微囊藻毒素為主的污染(圖3)。

表7 陽性組眼接觸途徑積分均值分布結(jié)果

表8 試驗(yàn)組眼接觸途徑積分均值分布結(jié)果

(c)小鼠外觀變化

5.4.2 小鼠臟器組織變化

污染物經(jīng)口入體后，胃組織會是最先受到刺激及傷害的器官，同時肝臟和腎臟為動物最重要的代謝器官，而微囊藻毒素對肝、腎的毒性又相當(dāng)大，故本研究通過血液分析及組織病理考察來衡量白洋淀水體中有毒物質(zhì)污染程度，為污染物質(zhì)判定提供重要參考。由圖4可看出，與空白對照組相比，陽性組和試驗(yàn)組小鼠血清TNF-α，I L-1，I L-6及I L-17含量顯著增高(P<0.05)，且胃I L-1、I L-17，肝NF-B、TNF-α，腎NF-B、IL-6mRNA表達(dá)均明顯增加(P<0.05)，表明兩組小鼠體內(nèi)均有炎癥發(fā)生。此外，陽性組和試驗(yàn)組ALT、AST、LDH及腎Scr、Glucose水平明顯增加而ALB含量明顯降低(P<0.05)，證明微囊藻毒素溶液及白洋淀水體對小鼠臟器的確有一定損傷作用。而與陽性組相比，實(shí)驗(yàn)組各因子表達(dá)水平要低于陽性組，表明白洋淀水體對小鼠傷害要小于10 μg/L微囊藻毒素水溶液。

臟器形態(tài)學(xué)顯示，空白對照組小鼠小鼠胃體完整、皺襞明顯，黏膜層表面光滑而無出血點(diǎn)；肝臟外觀正常無增厚和水腫；腎臟形態(tài)正常無異常增生,陽性對照組小鼠胃體顏色變淺，胃上部發(fā)黃；肝臟顏色較深，邊緣較厚；腎臟表面色澤均勻無異常,試驗(yàn)組小鼠胃體除顏色較淺；肝形態(tài)近乎正常而顏色較深；腎臟顏色暗紅但未見其他明顯異常,H&E結(jié)果顯示，在高倍鏡下，空白對照組小鼠胃黏膜層次分明，上皮細(xì)胞排列整齊，結(jié)構(gòu)清晰；肝細(xì)胞排列沿中央靜脈呈現(xiàn)出放射索狀，肝小葉結(jié)構(gòu)完整清晰；腎血管球管袢薄而清楚、腎小囊腔隙均勻，小管橫切面輪廓清楚。陽性對照組胃基膜層增厚，上皮細(xì)胞減少且排列疏松不規(guī)則；肝組織中肝細(xì)胞排列紊亂，肝小葉結(jié)構(gòu)模糊，有細(xì)胞壞死及炎癥細(xì)胞浸潤；腎囊臟層破壞，腎小管管腔狹窄，管壁上皮細(xì)胞壞死，間隙內(nèi)有炎癥細(xì)胞浸潤。試驗(yàn)組小鼠胃黏膜肌層少許增厚，有一定空腔；肝臟中肝小葉結(jié)構(gòu)雖較完整，但仍有部分病變；腎臟中管壁細(xì)胞部分脫落，腎小管管腔狹窄且結(jié)構(gòu)不完整。陽性組器官出現(xiàn)異常，說明該模型復(fù)制成功，試驗(yàn)組出現(xiàn)類似但較輕的異常表現(xiàn)，故該模型滿足用來評價水體環(huán)境質(zhì)量的前提，并且提示白洋淀水體可能受到一定的污染，如白洋淀水體中污染物以微囊藻毒素為主，污染程度要小于10 μg/L。

(a)、(d)：小鼠胃IL-17、IL-1 mRNA表達(dá)；(b)、(e)：小鼠肝臟NF-B、TNF-α mRNA表達(dá)；(c)、(f)：小鼠腎臟IL-6、NF-B mRNA表達(dá)

(a)～(j)：血清ALT、AST、LDH、Scr、Glucose、ALB、IL-1、IL-17、IL-6、TNF-α水平；K、M、O：小鼠胃、肝、腎外觀形態(tài)；(l)、(n)、(p)：小鼠胃、肝、腎H&E染色

5.5 基于動物實(shí)驗(yàn)的水質(zhì)監(jiān)測模型建立和驗(yàn)證試驗(yàn)

將4種動物試驗(yàn)耦合，建立環(huán)境健康風(fēng)險評價模型，用來評價水體環(huán)境質(zhì)量。環(huán)境健康模型建立按照3個步驟來進(jìn)行：首先，依據(jù)各動物試驗(yàn)中不同試驗(yàn)的權(quán)重系數(shù)及其評分進(jìn)行綜合危害程度分值計算，見公式(1)；其次，根據(jù)在各動物試驗(yàn)中有無異常表現(xiàn)進(jìn)行風(fēng)險因子積分計算，即公式(2)；最后，以綜合危害程度評價建立數(shù)學(xué)動物模型：Y3=κY1Y2(κ為人類修正因子，通過劑量-反應(yīng)評價進(jìn)行計算，可以評價人類接觸各環(huán)境的健康風(fēng)險程度，為下一階段工作的重點(diǎn)內(nèi)容)，評價環(huán)境質(zhì)量。模型架構(gòu)思路如圖6所示。

(1)

(2)

在此模型架構(gòu)下，對白洋淀水樣進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，綜合危害程度分值公式變?yōu)閅1=0.1A+0.2B+0.2C+0.5D。將各項(xiàng)得分帶入公式(急性毒性試驗(yàn)得分為0,皮接毒性試驗(yàn)得分為0,眼刺激試驗(yàn)得分0分,口服毒性試驗(yàn)得分2.25，風(fēng)險因子積分為1分),得出白洋淀水體對小鼠的綜合危害程度分值為1.125。健康風(fēng)險評價結(jié)果為小鼠通過口服途徑接觸白洋淀水體具有輕度健康風(fēng)險，風(fēng)險物質(zhì)可能為微囊藻毒素。經(jīng)數(shù)學(xué)模型(Y3=κY1Y2)計算出環(huán)境質(zhì)量分值為1.125，對于試驗(yàn)動物來說，白洋淀水質(zhì)有輕度污染。(水體環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)暫定為不足1分為潔凈，1～3分為輕度污染，3～6分為中度污染，6分及以上為重度污染)。該驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次環(huán)境質(zhì)量分值均為1.125，故認(rèn)為結(jié)果真實(shí)可靠，該模型可行。

圖6 水質(zhì)環(huán)境健康風(fēng)險評價模型示意

6 探討

據(jù)中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部公布的中國生態(tài)環(huán)境公報，白洋淀自2011～2019年一直處于富營養(yǎng)狀態(tài)，甚至2012年達(dá)到重度富營養(yǎng)狀態(tài)。在這九年間，化學(xué)需氧量及高錳酸鹽指數(shù)基本上是其主要污染物，只有2011年時高錳酸鹽指數(shù)不是其主要污染物。近年來，化學(xué)需氧量及高錳酸鹽指數(shù)有所下降，但幅度差強(qiáng)人意，其溯源問題一直是白洋淀生態(tài)修復(fù)的熱點(diǎn)及難點(diǎn)。在口服接觸途徑模型實(shí)驗(yàn)中，樣品組的反應(yīng)與陽性對照組極為相似且程度較輕。口服接觸途徑模型陽性對照組使用的是超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T3838-2002)標(biāo)準(zhǔn)限值10倍的微囊藻毒素，小鼠出現(xiàn)食欲下降、毛皮及行為異常這些明顯的中毒癥狀，并且肝、腎、胃、脾器官發(fā)現(xiàn)損傷，ALT、AST、Scr、ALB，TNF-α，I L-1等指標(biāo)均出現(xiàn)差異，TNF-a、I L-1b、I L-6、I L-17及NF-kB表達(dá)明顯增加。樣品組同樣出現(xiàn)了食欲下降、毛皮、器官受損、生化指標(biāo)異常等這些明顯的中毒癥狀。結(jié)合白洋淀水體采集季節(jié)為盛夏，藻類生長茂盛，推斷白洋淀水體中可能含有超過1 mg/L但低于10 mg/L的微囊藻毒素。同時我們注意到2018年化學(xué)需氧量及高錳酸鹽指數(shù)存在與季節(jié)相關(guān)的變化規(guī)律，即夏季為頂峰冬季為低谷[15]，與藻類生長規(guī)律相符。因而推斷微囊藻毒素很可能是白洋淀水體中化學(xué)需氧量及高錳酸鹽指數(shù)來源之一?？梢妱游飳?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谒h(huán)境質(zhì)量監(jiān)測中存在巨大的潛力。

白洋淀水體現(xiàn)有監(jiān)測體系并不全面，不能綜合監(jiān)控水質(zhì)現(xiàn)狀及變化趨勢，很難滿足雄安新區(qū)建設(shè)對白洋淀生態(tài)保護(hù)及修復(fù)的需求，急需能夠綜合評價水質(zhì)的監(jiān)測分析方法。本文初步以白洋淀水體為例，游客為對象，建立了一種能夠綜合評價水體環(huán)境質(zhì)量的模型。研究了使用基于動物實(shí)驗(yàn)的健康風(fēng)險評價模型法評價水體環(huán)境質(zhì)量的可行性。設(shè)計了急性毒性動物實(shí)驗(yàn)，并依照游客有可能接觸白洋淀水體的途徑設(shè)計了皮膚接觸途徑、口服接觸途徑，以及眼睛接觸途徑的動物實(shí)驗(yàn)。構(gòu)建了綜合危害程度分值及風(fēng)險因子積分?jǐn)?shù)學(xué)計算公式，以環(huán)境健康風(fēng)險評價做為橋梁，并通過數(shù)學(xué)模型計算出的環(huán)境質(zhì)量分值，將動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果與水體環(huán)境質(zhì)量聯(lián)系起來。應(yīng)用基于動物實(shí)驗(yàn)的環(huán)境健康風(fēng)險評價模型方法評價水體環(huán)境質(zhì)量的精髓在于綜合性的風(fēng)險識別，因而基于動物實(shí)驗(yàn)的環(huán)境健康風(fēng)險評價模型用來評價水體環(huán)境質(zhì)量的可行性是基于動物模型中的實(shí)驗(yàn)動物在接觸到濃度足以危害人類健康的物質(zhì)后，能夠展現(xiàn)出生理反應(yīng)及病理變化。生理鹽水以及濃度足以致人體過敏、中毒和眼部刺激的藥物用來作為質(zhì)控及陰、陽性對照，白洋淀水體(王家寨)用來檢驗(yàn)該模型方法應(yīng)用在實(shí)際水樣的效果。研究結(jié)果表明：生理鹽水未引起任何一個動物模型的陽性反應(yīng)；各模型的陽性對照組所產(chǎn)生的陽性反應(yīng)與文獻(xiàn)一致[16,17]；各模型的樣品組反應(yīng)與常識一致。研究表明急性毒性動物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、皮膚接觸途徑、口服接觸途徑，以及眼睛接觸途徑的動物實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)Π籽蟮碛慰瓦M(jìn)行綜合性的風(fēng)險識別，并做了模型驗(yàn)證試驗(yàn)，證明基于動物實(shí)驗(yàn)的環(huán)境健康風(fēng)險評價模型評價白洋淀水質(zhì)是可行的。

與動物實(shí)驗(yàn)在紡織、化妝品行業(yè)應(yīng)用不同，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中，不能止步于證明存在或不存在對實(shí)驗(yàn)動物健康有害物質(zhì)，而要升華到環(huán)境要素中是否有濃度超過人體健康風(fēng)險閾值的物質(zhì)。動物實(shí)驗(yàn)很難直接表述某物質(zhì)濃度多少，是否對人體有害，需要通過環(huán)境健康風(fēng)險模型方式作為中介來表達(dá)。本文僅初步探索了動物實(shí)驗(yàn)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，建立并印證了基于動物實(shí)驗(yàn)的環(huán)境健康風(fēng)險評價模型的可行性。完整的環(huán)境健康風(fēng)險評價模型還需要通過劑量-反應(yīng)步驟得出修正系數(shù)，使得該模型由實(shí)驗(yàn)動物推廣至游客，同時需要完善健康風(fēng)險表述、環(huán)境質(zhì)量評分標(biāo)準(zhǔn)等部分，在后面工作中將會完成。該組模型不僅可以評價白洋淀游客的環(huán)境健康風(fēng)險，還可以通過改變模型培養(yǎng)條件來滿足不同研究區(qū)域及不同人群的健康風(fēng)險評價。適用于各類飲用水水源地、重要生態(tài)功能區(qū)這類敏感、重要環(huán)境要素的環(huán)境監(jiān)測中(不僅僅水體、還包括氣體、土壤等要素)，能綜合全面準(zhǔn)確地給出其環(huán)境質(zhì)量。