中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心  王子健  饒凱鋒

       近年來，我國水源水質(zhì)逐漸惡化，病原微生物、有毒有害污染物和突發(fā)性污染事件等給飲用水水質(zhì)安全保障帶來極大的隱患。據(jù)國家環(huán)境保護(hù)部的數(shù)據(jù)，自2005年松花江水污染事故以來，中國平均每2~3日發(fā)生一起水污染事故；2012年監(jiān)察部統(tǒng)計數(shù)據(jù)則顯示中國水污染事件年發(fā)1700起以上，發(fā)生事件的污染指標(biāo)涉及不同重金屬、有毒有機(jī)污染物和藻華毒素，相當(dāng)一部分不在國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的監(jiān)測范圍，或沒有相應(yīng)的監(jiān)測技術(shù)規(guī)范。

突發(fā)性污染事件只能依靠在線監(jiān)測設(shè)備預(yù)警，而我國絕大多數(shù)在線的自動監(jiān)測站只裝備了常規(guī)5項和COD等有限常規(guī)指標(biāo)的在線監(jiān)測，只有少數(shù)站裝備了少數(shù)幾種重金屬指標(biāo)監(jiān)測設(shè)備。在污染泄漏事件中，常規(guī)指標(biāo)會發(fā)生明顯的變化，但是并不構(gòu)成實施水質(zhì)預(yù)警、采取應(yīng)急措施的證據(jù)基礎(chǔ)。例如，水質(zhì)指標(biāo)如氮、磷、COD等對人體健康并沒有實質(zhì)性的威脅，原水溶解氧、濁度和pH變化并不影響供水水質(zhì)安全；而在大部分毒害污染物引起的事件中，這類常規(guī)指標(biāo)的變化并不顯著。在現(xiàn)行的地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中，毒理學(xué)指標(biāo)有數(shù)十種，全部實現(xiàn)在線測量的可能性極小，況且在我國已經(jīng)生產(chǎn)和使用的45000種現(xiàn)有化學(xué)物質(zhì)中至少有2500～2900種是有毒化學(xué)品，構(gòu)成了突發(fā)性水質(zhì)污染事故的潛在污染因子，如何進(jìn)行有效監(jiān)測和全方位地預(yù)警不同類型污染事件是當(dāng)前水源水質(zhì)管理的重要課題。

        有毒污染物是指一類對生物體能夠產(chǎn)生毒害影響的污染物，可能導(dǎo)致生物體生存、生長、發(fā)育、繁殖、生理改變等一系列危害。由于常規(guī)的水質(zhì)在線理化檢測技術(shù)在水體突發(fā)性污染事故在線監(jiān)測方面具有明顯局限性, 而生物監(jiān)測技術(shù)可以通過生物傳感器監(jiān)測水體內(nèi)受試水生生物不同水平上的生物學(xué)指標(biāo)變化，從而反映綜合毒性的變化，因此可以用于有毒物質(zhì)污染事件的在線監(jiān)測和預(yù)警。污染事件是發(fā)生在相對較短時間周期內(nèi)的事件，生物監(jiān)測和預(yù)警所針對的主要是生物體生存狀態(tài)的短期變化，尤其是運動行為改變。應(yīng)激狀態(tài)下生物體運動行為的改變是一種自發(fā)的“不適應(yīng)”或一種主動的“逃避”方式，可以通過生長抑制、運動圖像和運動頻率變化進(jìn)行分析。水生浮游動物對有毒物質(zhì)暴露的一種典型“應(yīng)激”狀態(tài)是突然“興奮”，隨后其運動狀態(tài)的強(qiáng)度迅速減弱，乃至最終的死亡。因此，運動狀態(tài)的由強(qiáng)而弱是其死亡的早期診斷指標(biāo)。

        我國自來水行業(yè)使用生物預(yù)警的歷史由來已久。早期國內(nèi)水廠曾經(jīng)采用在入水口處的水泥池中馴養(yǎng)鯽、鯉魚、輔以人工肉眼觀察死亡率作為預(yù)警手段。由于這些大型養(yǎng)殖魚類耐污性強(qiáng)、死亡過程緩慢、對大多數(shù)污染事件的敏感程度較差，難以發(fā)揮生物預(yù)警的作用。生物監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的最早運用是在歐洲，德國從1990年開始就先后將生物監(jiān)測技術(shù)成功的運用于多個河流，并組建了萊茵河監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；2001年的911恐怖襲擊事件及隨后的炭疽病菌事件使美國開始注重對生物早期預(yù)警系統(tǒng)的研究與應(yīng)用�，F(xiàn)代生物預(yù)警技術(shù)綜合了不同水生生物營養(yǎng)等級的生物（菌、藻、溞和魚）和不同的生物響應(yīng)模式（運動行為和生理響應(yīng)），以及新型傳感器技術(shù)、圖像識別技術(shù)和智能分析技術(shù)等，發(fā)展了一系列在線生物預(yù)警設(shè)備，包括發(fā)光菌發(fā)光檢測系統(tǒng)、藻類光合作用檢測系統(tǒng)和溞、魚類行為學(xué)分析系統(tǒng)。目前，基于在線發(fā)光菌發(fā)光、水溞和魚類生物圖像分析和電信號生理響應(yīng)原理研制的在線綜合毒性監(jiān)測技術(shù)設(shè)備已經(jīng)在一些重要水源地和水廠取水口得到實際應(yīng)用。

        生物監(jiān)測技術(shù)亦存在許多局限。首先，不同種類的水生生物對不同種類的有毒物質(zhì)的響應(yīng)差別巨大，取決于不同化學(xué)物質(zhì)在生物體內(nèi)的毒理學(xué)作用位點和作用方式、生物體對有毒物質(zhì)的耐受能力以及生物體對有毒物質(zhì)的識別能力。以農(nóng)藥污染事件為例，發(fā)光菌監(jiān)測技術(shù)更適合殺菌劑污染，藻類光合作用監(jiān)測技術(shù)更適合除草劑污染，而溞和魚的行為學(xué)檢測技術(shù)適合于殺蟲劑污染。已有研究表明發(fā)光菌和藻類監(jiān)測技術(shù)對有機(jī)磷、氨基甲酸酯等農(nóng)藥的檢測靈敏度低于溞行為檢測技術(shù)2~3個數(shù)量級。同時，在菌、藻、溞、魚中，只有魚的生理生化特點與人類相近，因此最貼近對人體健康危害的評判。

        其次，浮游動物從攝入低濃度有毒物質(zhì)并最終導(dǎo)致死亡需要一段時間，毒理學(xué)中采用24~96小時的半致死濃度(nhr-LC50)，或采用21天作為慢性中毒的最低濃度(21d-LOEC)表示毒物的毒性大小，而水質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)中所采用的數(shù)值綜合考慮了哺乳動物長期實驗的最低效應(yīng)劑量、安全因子和終身暴露相關(guān)參數(shù)。因此死亡對應(yīng)的濃度閾值要顯著高于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值；而時間尺度又明顯短于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（后者通常假設(shè)70年壽命）。換言之，利用水生生物提供的“預(yù)警”信息與利用標(biāo)準(zhǔn)判斷的水質(zhì)“超標(biāo)”之間存在若干數(shù)量級的差別，可見生物預(yù)警并不能取代毒理指標(biāo)的監(jiān)測作為執(zhí)法的依據(jù)。近年來，生物監(jiān)測技術(shù)有了顯著的進(jìn)步，通過背景干擾自動識別及消除、微弱信號智能選擇和增強(qiáng)、譜圖信號自適應(yīng)分解和運用、前景信號數(shù)模轉(zhuǎn)換和小波去噪、生物行為特征提取和差分分頻、行為模式模擬和模型識別等新技術(shù)的應(yīng)用，已經(jīng)將在線生物預(yù)警設(shè)備的靈敏度提高到與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值接近的水平，能夠滿足對急性毒性預(yù)警的要求，但是尚達(dá)不到對慢性毒性預(yù)警的要求。

        發(fā)現(xiàn)并證實突發(fā)性污染事件往往意味著全社會的高度關(guān)注和大規(guī)模的人力物力投入，因此要求早期預(yù)警系統(tǒng)能夠提供“可靠的證據(jù)”。而目前大部分預(yù)警設(shè)備都是單通道的，因此不可避免出現(xiàn)“假陽性”或“誤報警”問題。毒理學(xué)實驗規(guī)范對數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是通過平行實驗和劑量~響應(yīng)關(guān)系來實現(xiàn)的。因此在在線生物預(yù)警中，設(shè)置多個平行通道和劑量~響應(yīng)測試技術(shù)手段十分必要，是生物預(yù)警技術(shù)努力的方向；生物預(yù)警只能指示“異常”事件的發(fā)生，并不能證實其為“具有健康影響”的污染事件，因此需要同步提供化學(xué)指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如常規(guī)水質(zhì)參數(shù)、COD、重金屬、有毒有機(jī)污染物濃度發(fā)生變化的在線或在位測量數(shù)據(jù)。例如，如果魚的運動行為發(fā)生明顯變化，而常規(guī)理化指標(biāo)沒有明顯變化，則意味著可能是一類特殊污染物的投毒事件。因為這類事件中的“毒物”不再監(jiān)測指標(biāo)范圍、濃度水平通常不足引起常規(guī)在線監(jiān)測參數(shù)的響應(yīng)。

        利用生物預(yù)警和多參數(shù)在線、在位理化參數(shù)測量來證實突發(fā)性污染事件在實踐中是可行的。2002年以來，美國開展了針對惡意投毒和事故性飲用水污染監(jiān)測系統(tǒng)的研究，逐步形成了一套完整的三級水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，綜合了毒性測試、酶聯(lián)免疫等生物效應(yīng)檢測和化學(xué)監(jiān)測技術(shù)，能快速鑒別和分析污染物的特性；“萊茵河行動計劃”中建立的水質(zhì)監(jiān)測和突發(fā)事故應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)，在生物綜合毒性監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過多點位、多指標(biāo)在線監(jiān)測和計算機(jī)輔助決策支持系統(tǒng)來預(yù)測事故發(fā)生后萊茵河污染事件中事故的性質(zhì)、主要污染物濃度、到達(dá)萊茵河下游各監(jiān)測站點的時間等，同時啟動污染預(yù)防預(yù)案；哈希公司推出的“藍(lán)色衛(wèi)士”飲用水安全保障預(yù)警系統(tǒng)中挑選了pH、電導(dǎo)率、總有機(jī)碳、余氯、濁度作為水中的污染指標(biāo)進(jìn)行分類，試圖以數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方式識別污染特點；在部分水源地運行的生物預(yù)警系統(tǒng)中集成了綜合毒性和常規(guī)5項參數(shù)，因此能夠排除溶解氧、溫度、pH、濁度等參數(shù)劇烈變化導(dǎo)致的“誤報警”，因為這些常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)對水廠供水系統(tǒng)并不構(gòu)成實質(zhì)性的威脅；在唐山投入運行的國產(chǎn)智能化生物監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，綜合了基于水生生物魚的生物綜合毒性監(jiān)測和水質(zhì)常規(guī)5項、氨氮、COD 、TP、TN、葉綠素等11項生物和化學(xué)指標(biāo)，因此可以大致綜合判斷污染性質(zhì)、污染程度和由于水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致的污染事件。

        在我國重大環(huán)境污染事件應(yīng)急技術(shù)體系中，甄別性預(yù)警的研究和應(yīng)用方面還比較薄弱，判斷污染原因還需要依賴傳統(tǒng)的采樣和實驗室分析技術(shù)系統(tǒng)，往往需要數(shù)日甚至數(shù)周的時間。合理地同步利用多物種生物監(jiān)測與多參數(shù)指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)對環(huán)境污染毒性性質(zhì)進(jìn)行實時預(yù)警和污染因子識別是目前的技術(shù)發(fā)展的難點。污染事件往往是復(fù)合污染，多個污染因子共存，某個污染因子濃度的高低并不對應(yīng)其毒性的大小；在相當(dāng)一部分污染或投毒事件中，污染因子往往不在規(guī)范的監(jiān)測指標(biāo)范圍內(nèi)，監(jiān)測部門并不能提供準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)；污染事件在短時間內(nèi)發(fā)生，濃度隨時間變化劇烈，往往當(dāng)取得樣品和數(shù)據(jù)時，污染的高峰時段已經(jīng)過去，丟失了第一手證據(jù)；面對數(shù)以千計的潛在污染因子，在線、在位或?qū)嶒炇曳治霰O(jiān)測技術(shù)不可能全面覆蓋。這些科學(xué)問題需要在未來的研究工作中逐步加以解決。

        十二五期間，我國的生物毒性監(jiān)測預(yù)警研究團(tuán)隊在現(xiàn)有硬件集成的基礎(chǔ)上，提出以生物毒性為觸發(fā)機(jī)制的生物-化學(xué)多參數(shù)綜合集成水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由觸發(fā)層、監(jiān)測層、智能分析層等三部分組成。觸發(fā)層由常規(guī)五參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備及多物種、多層級生物毒性在線監(jiān)測預(yù)警設(shè)備組成，實現(xiàn)24小時實時連續(xù)監(jiān)測；監(jiān)測層由水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測設(shè)備構(gòu)成，該層為系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)采集模塊，負(fù)責(zé)全系統(tǒng)除常規(guī)五參數(shù)及生物毒性在線監(jiān)測之外的數(shù)據(jù)采集；分析層由數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和邏輯判斷系統(tǒng)組成，其主要功能是數(shù)據(jù)分析、污染類型判斷、系統(tǒng)運行狀態(tài)切換、智能化水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)管理。智能分析層調(diào)用生物毒性、常規(guī)五項參數(shù)和多參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)智能化關(guān)聯(lián)生物毒性與理化參數(shù)，進(jìn)行智能化解析判斷。系統(tǒng)日常運行以預(yù)警和常規(guī)監(jiān)測兩種模式，因此當(dāng)以預(yù)警模式運行時，大部分理化參數(shù)的在線監(jiān)測設(shè)備處于靜默狀態(tài)，免去了試劑更換等程序，使得運行維護(hù)工作量和費用可以做到最小化。

        生物預(yù)警的最終目的是為污染事件的處理處置提供決策支持，其核心是污染事件性質(zhì)的準(zhǔn)確判斷和污染因子的快速識別，作用是給現(xiàn)場指揮人員針對一個或多個污染因子的多個應(yīng)急處置方案。因此，生物預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)包括了從預(yù)警、數(shù)據(jù)獲取與分析、確認(rèn)因子的智能判斷和確認(rèn)、到發(fā)布信息和提出解決方案的一系列復(fù)雜動作。我國從2005年以來針對污染事故的決策支持技術(shù)已經(jīng)開展了大量研究，形成了包括應(yīng)急數(shù)據(jù)庫、應(yīng)急工具包、應(yīng)急專家決策系統(tǒng)軟件等多種實用工具，為最終實現(xiàn)這一決策支持系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。

        水源水質(zhì)突變的實時監(jiān)控和污染事件預(yù)警、應(yīng)急決策支持管理系統(tǒng)是集多參數(shù)可配置性水質(zhì)在線監(jiān)測、水質(zhì)突變預(yù)警、突發(fā)污染事件風(fēng)險模擬、應(yīng)急決策支持為一體的多功能、綜合性水源水質(zhì)管理系統(tǒng)，為水源地管理和飲用水安全提供有力保障。當(dāng)確定污染因子后，基于污染事故的特點，針對飲用水水源周邊環(huán)境，建立飲用水水源安全預(yù)警體系，通過觀察、監(jiān)測，預(yù)測各種安全指標(biāo)是否偏離安全閾值，同時輔以一套事先制定的、能迅速應(yīng)對突發(fā)性飲用水水源污染，使城市居民脫離水資源不安全狀態(tài)的措施，緩解和減緩飲用水水源不安全對國民經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展造成的沖擊與影響，避免發(fā)生由于水源不安全引起大的政治、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)災(zāi)變，使人民生活質(zhì)量、國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展、水生態(tài)系統(tǒng)不受破壞或受影響最小。以生物毒性監(jiān)測技術(shù)為核心的預(yù)警和應(yīng)急決策支持管理系統(tǒng)綜合了實時監(jiān)測模塊、事故預(yù)警與應(yīng)急處置模塊、分析結(jié)果動畫展示模塊、數(shù)據(jù)管理、分析與統(tǒng)計模塊、用戶管理及權(quán)限控制模塊和環(huán)境應(yīng)急處理知識庫，可以通過包括關(guān)閉取水口、調(diào)動備用水源、規(guī)避和稀釋污染團(tuán)，以及啟動應(yīng)急處理裝置等方式建議多種應(yīng)急方案。系統(tǒng)采用先進(jìn)的計算機(jī)仿真技術(shù)來模擬污染事故的三維動態(tài)或模擬演練動態(tài)展示，通過案例分析和情景模式推演優(yōu)化預(yù)案，通過基于無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的二維、三維水質(zhì)模型模擬污染物質(zhì)的環(huán)境過程和風(fēng)險場時空動態(tài)，通過嵌入的水生態(tài)毒理模型，預(yù)測污染事故的生態(tài)危害性，代表了我國水體污染預(yù)警與決策支持系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展先進(jìn)方向。

        隨著科技的發(fā)展，水質(zhì)生物監(jiān)測技術(shù)由最初簡單的、單物種、單層次生物監(jiān)測向復(fù)雜的、多物種、多層次生物監(jiān)測轉(zhuǎn)變，有毒化學(xué)物質(zhì)的在線監(jiān)測指標(biāo)也越來越豐富。通過生物-化學(xué)多指標(biāo)同步監(jiān)測對污染因子的識別因此會越來越準(zhǔn)確，因此應(yīng)急方案也會越來越具有針對性和有效性。但是應(yīng)該看到，目前的綜合毒性監(jiān)測還僅適用于急性毒性物質(zhì)，而在線監(jiān)測對具有致癌、致畸、致突變、生殖、繁殖和內(nèi)分泌系統(tǒng)干擾作用的慢性毒性物質(zhì)或損傷人體健康的微量有毒物質(zhì)尚無能為力；我國水體污染嚴(yán)重，目前尚沒有針對致病性病原微生物、嗅味物質(zhì)和藻華毒素的在線監(jiān)測和預(yù)警設(shè)備；智能化預(yù)警與決策支持系統(tǒng)的復(fù)雜化必然帶來投資和維護(hù)管理費用的大幅度增加，與我國當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)能力很不相稱；生物監(jiān)測從原理上還適用于生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的評估，但是相應(yīng)的在線監(jiān)測設(shè)備尚沒有出現(xiàn)。這些技術(shù)缺口均有待我國的科學(xué)工作者和研發(fā)企業(yè)進(jìn)一步努力來彌補(bǔ)。