突发水污染事故的预警与应急监测技术进展

彭雪非

摘要 通过分析历史上突发水污染事故典型案例，指出发生突发水污染事故进行应急监测预警的必要性。通过调研水污染事故应急监测技术发展指出了突发水污染事故中毒性监测的必要性和监测原则，详细分析了发光菌检测法、蚕豆根尖微核实验和彗星实验等试验技术成熟的且能够在污染事故发生第一时间对事故做出评判的3种毒性检测技术，其适合在我国推广应用。

关键词 突发性水污染事故；应急监测；毒性监测

中图分类号 S181.4 文献标识码 A 文章编号 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

随着我国国民经济的迅速发展，我国突发性事故的频率不断增大，较为严重的化学事故逐年增加，特别是近几年不断发生的化学危险品泄漏、爆炸事故，造成了大量的人员伤亡和严重的经济损失及政治影响。如1993年8月5日，深圳罗湖区清水河安贸危险品仓库发生猛烈燃烧、爆炸，几公里外的房屋玻璃被震碎，致15人死亡，500多人受伤，其中重伤137人，直接经济损失2.4亿多元。最近几年，从北国到南疆环境污染事故频频发生，松花江的硝基苯污染、广东北江和湖南湘江的镉污染、黄河的柴油污染、綦江的化肥污染层出不穷。国家环保部提供的资料表明，近年来我国每年发生环境污染事故高达1 500～2 200起，每年发生的环境违法案件竟多达2万件左右。

而随着经济和城市的高度集中，现在的环境污染事故对社会和生态的危害性也在逐渐加大。

2005年11月13日，中石油吉林石化公司双苯厂发生爆炸事故，约100 t苯类物质（苯、硝苯 苯、苯胺等）流入松花江，造成重大水环境污染事件，污染带在我国境内历时42 d，沿岸几百万人民的生活受到影响[1]。

《国家突发环境事件应急预案》中对突发环境事件的界定是突然发生且造成或可能造成重大人员伤亡、重大财产损失和对全国或某一地区的经济社会稳定、政治安定构成重大威胁和损害，有重大社会影响的涉及公共安全的环境事件[2]。

与常规污染相比，突发污染事件有可能在短时间内迅速造成城市生态环境和饮用供水系统的重大损失，并可能进一步触发更严重城市安全问题，处置不当还会造成影响深远的后遗症[3]。因此研究和建立突发污染事件的应急管理机制，确保城市水环境安全，是构建现代城市安全应急管理机制的重要组成部分。越来越多的学者指出，由于水体的特殊性和易损性，在突发性污染事件目前还难以预测、预防和控制的情况下，将研究重点放在突发事件发生后的紧急应对和快速处置上，就成为最大限度地保护环境安全的关键所在，也是城市水环境安全管理中的关键环节。

专家认为开发和配备在线水质监测或移动水质监测技术和设备是预案可行并能实施的重要保障手段[1]。应急水质监测是构建针对突发水污染事故的应急机制的基础，也为环境监测提出了新的挑战。笔者通过调研水污染事故应急监测技术发展提出突发水污染事故中毒性监测的必要性和监测原则，并详细分析了发光菌检测法、蚕豆根尖微核实验和慧星实验3种毒性检测技术。

1 突发污染事故中的应急水质监测

水质监测作为构建现代城市水安全应急管理机制中的基础，在保障城市用水安全方面一直受到广泛的重视。目前城市的自来水公司和环境监测部门基本均有一套常规的水质监测系统。

现在的研究认为，完整的应急检测应该分为快速检测、确定性检测和精确权威检测3级。每1级检测方法的特点不同，所能提供的信息也不同，其中第1级应以快速为主要特点，即应急检测（是否能喝，是不是停水）、几分钟检出结果、检测谱应尽可能宽、基本确定是化学还是病毒污染。一级检测方法包括快速綜合性毒性检测、快速生物总量检测和颗粒与有机污染检测等。目前，我国绝大部分水质检测中心的分析方法均属于第2级或第3级，但作为应急检测体系最重要的预警环节，第1级的快速检测方法还没有在国内得到很好的应用[4]。

另外，传统的水质检测手段均是先假定水中有某种物质后，才对此物质实行检测。因水中有毒物质的多样性，实际中不可能对全部物质都分别实施检测，更不能考虑到各种化学物质之间的拮抗、抑制和协同作用。而一级应急毒性检测是一种扫描性的检测，是使用生物学的方法对水样的毒性进行综合性的判断，检测结果比较全面，这也是一级应急毒性检测所具有的优势[4]。因此，研究国内外应急毒性监测的开展和成果，并配备应急毒性监测设备，是目前我国城镇水质监测和水环境管理部门需要重视的内容。

2 水污染事故毒性监测的原则

国内外对水环境毒性检测已有几十年的研究历史，研究或开发出近百种毒性评价的方法和指标。涵盖了植物、动物、微生物多个生物分类中的界。常见的水体毒性检测指标有种子发芽、根尖伸长、水生植物生长状况等植物生长指标[5-6]，蚕豆根尖微核实验和彗星实验等植物突变指标[7]，光合作用抑制等植物活性指标，水生无脊椎动物、鱼类等动物指标，平板计数或MPN等微生物数量指标，氯仿薰蒸法、ATP含量法、代谢商法等微生物生物量指标，琼脂培养基培养法、Biolog GN、PLFA、核酸分析等微生物群落指标，微生物呼吸强度、脱氢酶活性、发光细菌等微生物活性指标，以及细菌回复突变试验、umu试验等微生物突变和变异性指标。这些水体毒性检测的手段为全面反应污染水体对生物的毒性提供了一套强有力的工具。

但对于突发性的水污染事故应急监测，一方面因其需要根据监测结果迅速启动应急预案，做出相应的部署，另一方面，监测方法应该是被国际认可或接受的方法，并能给出具有可比性的指标，以实现不同时间、空间下毒性监测数据的比较，使应急预案建立在更科学的基础上。因此水污染事故毒性监测所用的指标须满足以下要求：①检测便捷迅速，以期实现在线监测，因此植物生长及微生物量等指标不符合要求；②毒性监测给出结果能定量或半定量表达毒性变化，因此基于群落分析等手段不符合要求；③由于我国目前的经济和技术条件，为城镇配备毒性监测设备应根据国情，全面考虑性能和成本。

3 水污染事故毒性监测技术及其应用

根据以上要求，结合国内外的研究和应用成果，笔者认为适宜作为我国水污染事故应急毒性监测的技术有发光菌毒性检测、蚕豆根尖微核实验和彗星实验。

3.1 发光菌检测法

3.1.1 原理。

发光菌是一类非致病的革兰式阴性兼性厌氧细菌，它们在适当的条件下经培养后，能发射出肉眼可见的蓝绿色光[8]，细菌发光过程是电子传递链中的一步[9]，其发光原理可采用FMNH2+O2+RCH发光细菌荧光酶FMN+RCOOH+光表示[10]，式中FMN为核黄素。

当发光菌暴露于有毒物质后，有毒物质会在不同水平上改变细胞状态，包括细胞壁、细胞膜、电子传递链、酶、细胞质组成，无论何种情况均会很迅速地反映出生物发光的降低[10]。因此发光菌发光抑制检测常用作急性毒性测定，研究表明该法对重金属、多环芳烃、氯苯等有机污染物具有很高的敏感性。

3.1.2 研究现状。发光菌活性检测法已经被商业利用，全世界范围内使用最广泛的方法是Microtox急性毒性检验。目前有关于Microtox急性毒性检验系统的文献和报告超过500篇。Microtox试验中所用的菌种来自海洋，根据相关报道，Microtox试验EC50值与黑头呆鱼（fathead minnow fish）半致死浓度LC50相关性很好，但与老鼠致死量相关性较差。Microtox急性毒性测验在很多国家已有相应官方标准，如美国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已經将该法确立为油井钻探泥浆毒性检验的常规方法。一种Whole Effluent Toxicity Testing（WET）的Microtox检验法已经提交USEPA，作为National Pollution and Discharge Elimination System（NPDES）的新方法[11]。在我国，也于1995年通过了水质急性毒性的测定发光细菌法（GBT154411995）的标准。

在用发光菌对毒性进行检测时，将处于某种特定生长状态的发光菌（通常是对数增长期内）与配置好的一定浓度梯度的待测水样混合。用可以读取生物发光的仪器监测一定时间内（根据不同方法，15 min～3 h不等）的发光值。根据稀释度和发光度绘制剂量效应曲线，曲线上发光度降低50%时的稀释度或浓度，即为水样的EC50值。也可以根据标准物质绘制标准曲线，以待测水样的发光与标准物质相比较，得到其相对毒性大小。

3.1.3 优点。发光细菌的生物毒性测定方法是一个快速、经济、有效的环境毒性物质评价手段，被广泛应用于水体污染检测。美国“911”事件后，为了保证五角大楼的安全，美国军方已采用Microtox毒性检测仪对五角大楼的饮用水进行监测。1991年海湾战争期间以及2000年美国民主党洛杉矶全国大会期间，均采用发光菌毒性检测系统对饮用水处理系统和供水系统进行连续监测。此外，1984年洛杉基奥运会、1996年亚特兰大奥运会、2004年雅典奥运会的发光菌毒性检测系统均成为保障大会饮用水安全的重要系统。在国内研究中已成功地应用于重金属污染后的生物毒性评价[12]。

3.1.4 缺点。尽管以Microtox为代表的发光菌测试法得到了广泛的认同，但其还存在测试条件，尤其是温度要求较为严格以及对毒性专一性不高的问题。如我国水质急性毒性的测定发光细菌法（GBT154411995）标准中使用的国产菌株，其对温度要求极为严格，在20～25 ℃之外的温度范围，其生长就会受到抑制。因此当出现发光强度变弱时，究竟是细胞生理环境变化还是有毒物质造成，对检测带来干扰。目前在国内外研究领域，已有越来越多的研究者通过构建含有lux基因片段的基因工程菌，实现针对遗传毒性、细胞毒性等更灵敏和专一的毒性监测发光菌，其应用前景将更为广阔。

3.2 蚕豆根尖微核实验

突发污染事故中，污染物经常是非常规物质，往往具有强烈的遗传毒性和三致作用。如果仅监测其急性毒性，而忽视遗传毒性，则可能会错误的估计污染事故的严重性。因此一个现代的水污染事故应急系统，应该将对毒性监测的规定纳入其中。

与发光菌毒性检测检验污染水体的急性毒性不同，微核实验检验的对象是水体中具有遗传毒性的物质。

微核测定技术是一种遗传毒理方面的短期致突变的试验方法[7]，其原理为在某些理化因素诱导下造成染色体损伤，通过显微镜等仪器检测细胞质内产生的额外核小体，出现的微核数可以作为评价的指标。

微核的早期研究是利用哺乳动物的骨髓细胞或外周血细胞等作为试验材料，美国西伊里诺大学Te-Hsiu Ma教授首先利用生长于美国的紫露草花粉母细胞的微核的数量作为测定环境污染的指标，建立了利用植物微核监测环境污染的方法[13]。1982年Degrassi等利用蚕豆根尖微核实验建立了诱变剂的蚕豆根尖微核检测系统[14]。蚕豆是经典的遗传学研究材料，蚕豆细胞DNA含量多，染色体数目少且大，环境诱变物对它的遗传物质损伤较为敏感，微核效应又易于观察，所以蚕豆在微核测定技术中深受人们重视，蚕豆根尖微核实验不仅能发现有机化学物的致突变性，也能发现有机化学物的植物代谢产物的致突变性，其代谢产物类似于完整动物的代谢产物[15]。目前有关这方面的研究报道颇多。被认为是检测染色体损伤的一种简便快速的遗传毒理学方法。但孔志明等研究表明如果被监测毒物或污染物严重阻碍细胞的生长分裂，则不能正确反映被检测目标[16]。虽然蚕豆根尖微核实验已被列入国家环保局编制的《生物监测技术规范（水环境部分）》，但并未成为水质监测的常规监测项目。

3.3 彗星实验

彗星实验检测低浓度遗传毒物具有高度灵敏性，所研究的细胞不需要处于有丝分裂期。同时，这种技术仅需要少量细胞，被广泛应用于DNA损伤、生物监测、遗传毒理等领域。

彗星实验（comet assay）即单细胞凝胶电泳（singlecell gel electrophoresis，SCGE）技术，自1978年被Rydcbert B等成功用于检验DNA单链断裂以来，经过不断的改进，已成为一种快速、灵敏、简便的检测DNA损伤的方法，广泛地应用于DNA放射损伤、DNA剪切损伤、DNA交联的检测、药物的遗传毒性评价、细胞凋亡鉴定等工作中。

该法的基本原理是各种因素诱发细胞DNA损伤后会影响DNA 的高级结构，使其超螺旋松散。这种细胞经过实验中细胞原位裂解、DNA 解链等过程后，电泳时，损伤的 DNA 从核中溢出，朝阳极方向泳动，产生一个尾状带，未损伤的 DNA 部分保持球形，二者共同形成“慧星”。在一定范围内，“慧星”的长度（代表 DNA 迁移距离）和经荧光染色后“慧星”荧光强度（代表 DNA 的量）与 DNA 损伤程度相关，这样就可以定量检测单个细胞中的 DNA 损伤[17]。彗星实验在水环境毒理学中应用广泛，对水生动物的彗星实验研究报道也很多[18]。在突发环境事故领域，彗星实验被成功地用于前苏联切尔诺贝利核电站事故、德国莱茵河污染事故等。

4 结论

随着经济的发展，社会面对越来越重的突发环境事故压力。如果不能对突发的环境事故做出应急处理，则会引发更严重的环境灾难。环境监测技术是污染事故应急预案中重要的一环，经调研认为针对水污染事故的生物毒性监测必须纳入各级环境监测和管理部门。现有的技术中，发光菌毒性检测、微核实验和彗星实验技术成熟，应用简便，能够在污染事故发生的第一时间对事故做出评判，为后续的应急提供基本信息。因此应当大力发展。

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