突發(fā)性水源水質(zhì)污染的生物監(jiān)測(cè)、預(yù)警與應(yīng)急決策---- 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 王子健 饒凱鋒

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

       近年來(lái)，我國(guó)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(lái)極大的隱患。據(jù)國(guó)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(lái)，中國(guó)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(jì)數(shù)據(jù)則顯示中國(guó)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(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的監(jiān)測(cè)范圍，或沒(méi)有相應(yīng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范。

突發(fā)性污染事件只能依靠在線監(jiān)測(cè)設(shè)備預(yù)警，而我國(guó)絕大多數(shù)在線的自動(dòng)監(jiān)測(cè)站只裝備了常規(guī)5項(xiàng)和COD等有限常規(guī)指標(biāo)的在線監(jiān)測(cè)，只有少數(shù)站裝備了少數(shù)幾種重金屬指標(biāo)監(jiān)測(cè)設(shè)備。在污染泄漏事件中，常規(guī)指標(biāo)會(huì)發(fā)生明顯的變化，但是并不構(gòu)成實(shí)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(duì)人體健康并沒(méi)有實(shí)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(lèi)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(shí)現(xiàn)在線測(cè)量的可能性極小，況且在我國(guó)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(cè)和全方位地預(yù)警不同類(lèi)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(lèi)對(duì)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(zhǎng)、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(cè)技術(shù)在水體突發(fā)性污染事故在線監(jiān)測(cè)方面具有明顯局限性, 而生物監(jiān)測(cè)技術(shù)可以通過(guò)生物傳感器監(jiān)測(cè)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(cè)和預(yù)警。污染事件是發(fā)生在相對(duì)較短時(shí)間周期內(nèi)的事件，生物監(jiān)測(cè)和預(yù)警所針對(duì)的主要是生物體生存狀態(tài)的短期變化，尤其是運(yùn)動(dòng)行為改變。應(yīng)激狀態(tài)下生物體運(yùn)動(dòng)行為的改變是一種自發(fā)的“不適應(yīng)”或一種主動(dòng)的“逃避”方式，可以通過(guò)生長(zhǎng)抑制、運(yùn)動(dòng)圖像和運(yùn)動(dòng)頻率變化進(jìn)行分析。水生浮游動(dòng)物對(duì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的強(qiáng)度迅速減弱，乃至最終的死亡。因此，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的由強(qiáng)而弱是其死亡的早期診斷指標(biāo)。

        我國(guó)自來(lái)水行業(yè)使用生物預(yù)警的歷史由來(lái)已久。早期國(guó)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(yú)、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(yú)類(lèi)耐污性強(qiáng)、死亡過(guò)程緩慢、對(duì)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(cè)預(yù)警技術(shù)的最早運(yùn)用是在歐洲，德國(guó)從1990年開(kāi)始就先后將生物監(jiān)測(cè)技術(shù)成功的運(yùn)用于多個(gè)河流，并組建了萊茵河監(jiān)測(cè)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(guó)開(kāi)始注重對(duì)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(yíng)養(yǎng)等級(jí)的生物（菌、藻、溞和魚(yú)）和不同的生物響應(yīng)模式（運(yùn)動(dòng)行為和生理響應(yīng)），以及新型傳感器技術(shù)、圖像識(shí)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(cè)系統(tǒng)、藻類(lèi)光合作用檢測(cè)系統(tǒng)和溞、魚(yú)類(lèi)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(yú)類(lèi)生物圖像分析和電信號(hào)生理響應(yīng)原理研制的在線綜合毒性監(jiān)測(cè)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(shí)際應(yīng)用。

        生物監(jiān)測(cè)技術(shù)亦存在許多局限。首先，不同種類(lèi)的水生生物對(duì)不同種類(lèi)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(diǎn)和作用方式、生物體對(duì)有毒物質(zhì)的耐受能力以及生物體對(duì)有毒物質(zhì)的識(shí)別能力。以農(nóng)藥污染事件為例，發(fā)光菌監(jiān)測(cè)技術(shù)更適合殺菌劑污染，藻類(lèi)光合作用監(jiān)測(cè)技術(shù)更適合除草劑污染，而溞和魚(yú)的行為學(xué)檢測(cè)技術(shù)適合于殺蟲(chóng)劑污染。已有研究表明發(fā)光菌和藻類(lèi)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)有機(jī)磷、氨基甲酸酯等農(nóng)藥的檢測(cè)靈敏度低于溞行為檢測(cè)技術(shù)2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，在菌、藻、溞、魚(yú)中，只有魚(yú)的生理生化特點(diǎn)與人類(lèi)相近，因此最貼近對(duì)人體健康危害的評(píng)判。

        其次，浮游動(dòng)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(shí)間，毒理學(xué)中采用24~96小時(shí)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(dòng)物長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)的濃度閾值要顯著高于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值；而時(shí)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(jí)的差別，可見(jiàn)生物預(yù)警并不能取代毒理指標(biāo)的監(jiān)測(cè)作為執(zhí)法的依據(jù)。近年來(lái)，生物監(jiān)測(cè)技術(shù)有了顯著的進(jìn)步，通過(guò)背景干擾自動(dòng)識(shí)別及消除、微弱信號(hào)智能選擇和增強(qiáng)、譜圖信號(hào)自適應(yīng)分解和運(yùn)用、前景信號(hào)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(shí)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(mǎn)足對(duì)急性毒性預(yù)警的要求，但是尚達(dá)不到對(duì)慢性毒性預(yù)警的要求。

        發(fā)現(xiàn)并證實(shí)突發(fā)性污染事件往往意味著全社會(huì)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(yáng)性”或“誤報(bào)警”問(wèn)題。毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是通過(guò)平行實(shí)驗(yàn)和劑量~響應(yīng)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此在在線生物預(yù)警中，設(shè)置多個(gè)平行通道和劑量~響應(yīng)測(cè)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(shí)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(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)。例如，如果魚(yú)的運(yùn)動(dòng)行為發(fā)生明顯變化，而常規(guī)理化指標(biāo)沒(méi)有明顯變化，則意味著可能是一類(lèi)特殊污染物的投毒事件。因?yàn)檫@類(lèi)事件中的“毒物”不再監(jiān)測(cè)指標(biāo)范圍、濃度水平通常不足引起常規(guī)在線監(jiān)測(cè)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(cè)量來(lái)證實(shí)突發(fā)性污染事件在實(shí)踐中是可行的。2002年以來(lái)，美國(guó)開(kāi)展了針對(duì)惡意投毒和事故性飲用水污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，逐步形成了一套完整的三級(jí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，綜合了毒性測(cè)試、酶聯(lián)免疫等生物效應(yīng)檢測(cè)和化學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)，能快速鑒別和分析污染物的特性；“萊茵河行動(dòng)計(jì)劃”中建立的水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)多點(diǎn)位、多指標(biāo)在線監(jiān)測(cè)和計(jì)算機(jī)輔助決策支持系統(tǒng)來(lái)預(yù)測(cè)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(cè)站點(diǎn)的時(shí)間等，同時(shí)啟動(dòng)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(lèi)，試圖以數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方式識(shí)別污染特點(diǎn)；在部分水源地運(yùn)行的生物預(yù)警系統(tǒng)中集成了綜合毒性和常規(guī)5項(xiàng)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(bào)警”，因?yàn)檫@些常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)對(duì)水廠供水系統(tǒng)并不構(gòu)成實(shí)質(zhì)性的威脅；在唐山投入運(yùn)行的國(guó)產(chǎn)智能化生物監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，綜合了基于水生生物魚(yú)的生物綜合毒性監(jiān)測(cè)和水質(zhì)常規(guī)5項(xiàng)、氨氮、COD 、TP、TN、葉綠素等11項(xiàng)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(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致的污染事件。

        在我國(guó)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(lài)傳統(tǒng)的采樣和實(shí)驗(yàn)室分析技術(shù)系統(tǒng)，往往需要數(shù)日甚至數(shù)周的時(shí)間。合理地同步利用多物種生物監(jiān)測(cè)與多參數(shù)指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)境污染毒性性質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警和污染因子識(shí)別是目前的技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)。污染事件往往是復(fù)合污染，多個(gè)污染因子共存，某個(gè)污染因子濃度的高低并不對(duì)應(yīng)其毒性的大��；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(cè)指標(biāo)范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)部門(mén)并不能提供準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；污染事件在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，濃度隨時(shí)間變化劇烈，往往當(dāng)取得樣品和數(shù)據(jù)時(shí)，污染的高峰時(shí)段已經(jīng)過(guò)去，丟失了第一手證據(jù)；面對(duì)數(shù)以千計(jì)的潛在污染因子，在線、在位或?qū)嶒?yàn)室分析監(jiān)測(cè)技術(shù)不可能全面覆蓋。這些科學(xué)問(wèn)題需要在未來(lái)的研究工作中逐步加以解決。

        十二五期間，我國(guó)的生物毒性監(jiān)測(cè)預(yù)警研究團(tuán)隊(duì)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(cè)預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由觸發(fā)層、監(jiān)測(cè)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(cè)設(shè)備及多物種、多層級(jí)生物毒性在線監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)層由水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測(cè)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(cè)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(lèi)型判斷、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)切換、智能化水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理。智能分析層調(diào)用生物毒性、常規(guī)五項(xiàng)參數(shù)和多參數(shù)監(jiān)測(cè)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(yùn)行以預(yù)警和常規(guī)監(jiān)測(cè)兩種模式，因此當(dāng)以預(yù)警模式運(yùn)行時(shí)，大部分理化參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備處于靜默狀態(tài)，免去了試劑更換等程序，使得運(yùn)行維護(hù)工作量和費(fèi)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(shí)別，作用是給現(xiàn)場(chǎng)指揮人員針對(duì)一個(gè)或多個(gè)污染因子的多個(gè)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(dòng)作。我國(guó)從2005年以來(lái)針對(duì)污染事故的決策支持技術(shù)已經(jīng)開(kāi)展了大量研究，形成了包括應(yīng)急數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)急工具包、應(yīng)急專(zhuān)家決策系統(tǒng)軟件等多種實(shí)用工具，為最終實(shí)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(shí)時(shí)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(cè)、水質(zhì)突變預(yù)警、突發(fā)污染事件風(fēng)險(xiǎn)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(diǎn)，針對(duì)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(guò)觀察、監(jiān)測(cè)，預(yù)測(cè)各種安全指標(biāo)是否偏離安全閾值，同時(shí)輔以一套事先制定的、能迅速應(yīng)對(duì)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(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、事故預(yù)警與應(yīng)急處置模塊、分析結(jié)果動(dòng)畫(huà)展示模塊、數(shù)據(jù)管理、分析與統(tǒng)計(jì)模塊、用戶(hù)管理及權(quán)限控制模塊和環(huán)境應(yīng)急處理知識(shí)庫(kù)，可以通過(guò)包括關(guān)閉取水口、調(diào)動(dòng)備用水源、規(guī)避和稀釋污染團(tuán)，以及啟動(dòng)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)模擬污染事故的三維動(dòng)態(tài)或模擬演練動(dòng)態(tài)展示，通過(guò)案例分析和情景模式推演優(yōu)化預(yù)案，通過(guò)基于無(wú)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(guò)程和風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)時(shí)空動(dòng)態(tài)，通過(guò)嵌入的水生態(tài)毒理模型，預(yù)測(cè)污染事故的生態(tài)危害性，代表了我國(guó)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(cè)技術(shù)由最初簡(jiǎn)單的、單物種、單層次生物監(jiān)測(cè)向復(fù)雜的、多物種、多層次生物監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變，有毒化學(xué)物質(zhì)的在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)也越來(lái)越豐富。通過(guò)生物-化學(xué)多指標(biāo)同步監(jiān)測(cè)對(duì)污染因子的識(shí)別因此會(huì)越來(lái)越準(zhǔn)確，因此應(yīng)急方案也會(huì)越來(lái)越具有針對(duì)性和有效性。但是應(yīng)該看到，目前的綜合毒性監(jiān)測(cè)還僅適用于急性毒性物質(zhì)，而在線監(jiān)測(cè)對(duì)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(wú)能為力；我國(guó)水體污染嚴(yán)重，目前尚沒(méi)有針對(duì)致病性病原微生物、嗅味物質(zhì)和藻華毒素的在線監(jiān)測(cè)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(lái)投資和維護(hù)管理費(fèi)用的大幅度增加，與我國(guó)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)能力很不相稱(chēng)；生物監(jiān)測(cè)從原理上還適用于生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的評(píng)估，但是相應(yīng)的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備尚沒(méi)有出現(xiàn)。這些技術(shù)缺口均有待我國(guó)的科學(xué)工作者和研發(fā)企業(yè)進(jìn)一步努力來(lái)彌補(bǔ)。