突發水污染事故的預警與應急監測技術進展

彭雪非

摘要 通過分析歷史上突發水污染事故典型案例，指出發生突發水污染事故進行應急監測預警的必要性。通過調研水污染事故應急監測技術發展指出了突發水污染事故中毒性監測的必要性和監測原則，詳細分析了發光菌檢測法、蠶豆根尖微核實驗和彗星實驗等試驗技術成熟的且能夠在污染事故發生第一時間對事故做出評判的3種毒性檢測技術，其適合在我國推廣應用。

關鍵詞 突發性水污染事故；應急監測；毒性監測

中圖分類號 S181.4 文獻標識碼 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

隨著我國國民經濟的迅速發展，我國突發性事故的頻率不斷增大，較為嚴重的化學事故逐年增加，特別是近幾年不斷發生的化學危險品泄漏、爆炸事故，造成了大量的人員傷亡和嚴重的經濟損失及政治影響。如1993年8月5日，深圳羅湖區清水河安貿危險品倉庫發生猛烈燃燒、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，直接經濟損失2.4億多元。最近幾年，從北國到南疆環境污染事故頻頻發生，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。國家環保部提供的資料表明，近年來我國每年發生環境污染事故高達1 500～2 200起，每年發生的環境違法案件竟多達2萬件左右。

而隨著經濟和城市的高度集中，現在的環境污染事故對社會和生態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生爆炸事故，約100 t苯類物質（苯、硝苯 苯、苯胺等）流入松花江，造成重大水環境污染事件，污染帶在我國境內歷時42 d，沿岸幾百萬人民的生活受到影響[1]。

《國家突發環境事件應急預案》中對突發環境事件的界定是突然發生且造成或可能造成重大人員傷亡、重大財產損失和對全國或某一地區的經濟社會穩定、政治安定構成重大威脅和損害，有重大社會影響的涉及公共安全的環境事件[2]。

與常規污染相比，突發污染事件有可能在短時間內迅速造成城市生態環境和飲用供水系統的重大損失，并可能進一步觸發更嚴重城市安全問題，處置不當還會造成影響深遠的后遺癥[3]。因此研究和建立突發污染事件的應急管理機制，確保城市水環境安全，是構建現代城市安全應急管理機制的重要組成部分。越來越多的學者指出，由于水體的特殊性和易損性，在突發性污染事件目前還難以預測、預防和控制的情況下，將研究重點放在突發事件發生后的緊急應對和快速處置上，就成為最大限度地保護環境安全的關鍵所在，也是城市水環境安全管理中的關鍵環節。

專家認為開發和配備在線水質監測或移動水質監測技術和設備是預案可行并能實施的重要保障手段[1]。應急水質監測是構建針對突發水污染事故的應急機制的基礎，也為環境監測提出了新的挑戰。筆者通過調研水污染事故應急監測技術發展提出突發水污染事故中毒性監測的必要性和監測原則，并詳細分析了發光菌檢測法、蠶豆根尖微核實驗和慧星實驗3種毒性檢測技術。

1 突發污染事故中的應急水質監測

水質監測作為構建現代城市水安全應急管理機制中的基礎，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境監測部門基本均有一套常規的水質監測系統。

現在的研究認為，完整的應急檢測應該分為快速檢測、確定性檢測和精確權威檢測3級。每1級檢測方法的特點不同，所能提供的信息也不同，其中第1級應以快速為主要特點，即應急檢測（是否能喝，是不是停水）、幾分鐘檢出結果、檢測譜應盡可能寬、基本確定是化學還是病毒污染。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污染檢測等。目前，我國絕大部分水質檢測中心的分析方法均屬于第2級或第3級，但作為應急檢測體系最重要的預警環節，第1級的快速檢測方法還沒有在國內得到很好的應用[4]。

另外，傳統的水質檢測手段均是先假定水中有某種物質后，才對此物質實行檢測。因水中有毒物質的多樣性，實際中不可能對全部物質都分別實施檢測，更不能考慮到各種化學物質之間的拮抗、抑制和協同作用。而一級應急毒性檢測是一種掃描性的檢測，是使用生物學的方法對水樣的毒性進行綜合性的判斷，檢測結果比較全面，這也是一級應急毒性檢測所具有的優勢[4]。因此，研究國內外應急毒性監測的開展和成果，并配備應急毒性監測設備，是目前我國城鎮水質監測和水環境管理部門需要重視的內容。

2 水污染事故毒性監測的原則

國內外對水環境毒性檢測已有幾十年的研究歷史，研究或開發出近百種毒性評價的方法和指標。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有種子發芽、根尖伸長、水生植物生長狀況等植物生長指標[5-6]，蠶豆根尖微核實驗和彗星實驗等植物突變指標[7]，光合作用抑制等植物活性指標，水生無脊椎動物、魚類等動物指標，平板計數或MPN等微生物數量指標，氯仿薰蒸法、ATP含量法、代謝商法等微生物生物量指標，瓊脂培養基培養法、Biolog GN、PLFA、核酸分析等微生物群落指標，微生物呼吸強度、脫氫酶活性、發光細菌等微生物活性指標，以及細菌回復突變試驗、umu試驗等微生物突變和變異性指標。這些水體毒性檢測的手段為全面反應污染水體對生物的毒性提供了一套強有力的工具。

但對于突發性的水污染事故應急監測，一方面因其需要根據監測結果迅速啟動應急預案，做出相應的部署，另一方面，監測方法應該是被國際認可或接受的方法，并能給出具有可比性的指標，以實現不同時間、空間下毒性監測數據的比較，使應急預案建立在更科學的基礎上。因此水污染事故毒性監測所用的指標須滿足以下要求：①檢測便捷迅速，以期實現在線監測，因此植物生長及微生物量等指標不符合要求；②毒性監測給出結果能定量或半定量表達毒性變化，因此基于群落分析等手段不符合要求；③由于我國目前的經濟和技術條件，為城鎮配備毒性監測設備應根據國情，全面考慮性能和成本。

3 水污染事故毒性監測技術及其應用

根據以上要求，結合國內外的研究和應用成果，筆者認為適宜作為我國水污染事故應急毒性監測的技術有發光菌毒性檢測、蠶豆根尖微核實驗和彗星實驗。

3.1 發光菌檢測法

3.1.1 原理。

發光菌是一類非致病的革蘭式陰性兼性厭氧細菌，它們在適當的條件下經培養后，能發射出肉眼可見的藍綠色光[8]，細菌發光過程是電子傳遞鏈中的一步[9]，其發光原理可采用FMNH2+O2+RCH發光細菌熒光酶FMN+RCOOH+光表示[10]，式中FMN為核黃素。

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

3.1.2 研究現狀。發光菌活性檢測法已經被商業利用，全世界范圍內使用最廣泛的方法是Microtox急性毒性檢驗。目前有關于Microtox急性毒性檢驗系統的文獻和報告超過500篇。Microtox試驗中所用的菌種來自海洋，根據相關報道，Microtox試驗EC50值與黑頭呆魚（fathead minnow fish）半致死濃度LC50相關性很好，但與老鼠致死量相關性較差。Microtox急性毒性測驗在很多國家已有相應官方標準，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已經將該法確立為油井鉆探泥漿毒性檢驗的常規方法。一種Whole Effluent Toxicity Testing（WET）的Microtox檢驗法已經提交USEPA，作為National Pollution and Discharge Elimination System（NPDES）的新方法[11]。在我國，也于1995年通過了水質急性毒性的測定發光細菌法（GBT154411995）的標準。

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

3.1.3 優點。發光細菌的生物毒性測定方法是一個快速、經濟、有效的環境毒性物質評價手段，被廣泛應用于水體污染檢測。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行監測。1991年海灣戰爭期間以及2000年美國民主黨洛杉磯全國大會期間，均采用發光菌毒性檢測系統對飲用水處理系統和供水系統進行連續監測。此外，1984年洛杉基奧運會、1996年亞特蘭大奧運會、2004年雅典奧運會的發光菌毒性檢測系統均成為保障大會飲用水安全的重要系統。在國內研究中已成功地應用于重金屬污染后的生物毒性評價[12]。

3.1.4 缺點。盡管以Microtox為代表的發光菌測試法得到了廣泛的認同，但其還存在測試條件，尤其是溫度要求較為嚴格以及對毒性專一性不高的問題。如我國水質急性毒性的測定發光細菌法（GBT154411995）標準中使用的國產菌株，其對溫度要求極為嚴格，在20～25 ℃之外的溫度范圍，其生長就會受到抑制。因此當出現發光強度變弱時，究竟是細胞生理環境變化還是有毒物質造成，對檢測帶來干擾。目前在國內外研究領域，已有越來越多的研究者通過構建含有lux基因片段的基因工程菌，實現針對遺傳毒性、細胞毒性等更靈敏和專一的毒性監測發光菌，其應用前景將更為廣闊。

3.2 蠶豆根尖微核實驗

突發污染事故中，污染物經常是非常規物質，往往具有強烈的遺傳毒性和三致作用。如果僅監測其急性毒性，而忽視遺傳毒性，則可能會錯誤的估計污染事故的嚴重性。因此一個現代的水污染事故應急系統，應該將對毒性監測的規定納入其中。

與發光菌毒性檢測檢驗污染水體的急性毒性不同，微核實驗檢驗的對象是水體中具有遺傳毒性的物質。

微核測定技術是一種遺傳毒理方面的短期致突變的試驗方法[7]，其原理為在某些理化因素誘導下造成染色體損傷，通過顯微鏡等儀器檢測細胞質內產生的額外核小體，出現的微核數可以作為評價的指標。

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

3.3 彗星實驗

彗星實驗檢測低濃度遺傳毒物具有高度靈敏性，所研究的細胞不需要處于有絲分裂期。同時，這種技術僅需要少量細胞，被廣泛應用于DNA損傷、生物監測、遺傳毒理等領域。

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

該法的基本原理是各種因素誘發細胞DNA損傷后會影響DNA 的高級結構，使其超螺旋松散。這種細胞經過實驗中細胞原位裂解、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，“慧星”的長度（代表 DNA 遷移距離）和經熒光染色后“慧星”熒光強度（代表 DNA 的量）與 DNA 損傷程度相關，這樣就可以定量檢測單個細胞中的 DNA 損傷[17]。彗星實驗在水環境毒理學中應用廣泛，對水生動物的彗星實驗研究報道也很多[18]。在突發環境事故領域，彗星實驗被成功地用于前蘇聯切爾諾貝利核電站事故、德國萊茵河污染事故等。

4 結論

隨著經濟的發展，社會面對越來越重的突發環境事故壓力。如果不能對突發的環境事故做出應急處理，則會引發更嚴重的環境災難。環境監測技術是污染事故應急預案中重要的一環，經調研認為針對水污染事故的生物毒性監測必須納入各級環境監測和管理部門。現有的技術中，發光菌毒性檢測、微核實驗和彗星實驗技術成熟，應用簡便，能夠在污染事故發生的第一時間對事故做出評判，為后續的應急提供基本信息。因此應當大力發展。

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