突发性水源水质污染的生物监测、预警与应急决策

中国科学院生态环境研究中心  王子健  饶凯锋

       近年来，我国水源水质逐渐恶化，病原微生物、有毒有害污染物和突发性污染事件等给饮用水水质安全保障带来极大的隐患。据国家环境保护部的数据，自2005年松花江水污染事故以来，中国平均每2~3日发生一起水污染事故；2012年监察部统计数据则显示中国水污染事件年发1700起以上，发生事件的污染指标涉及不同重金属、有毒有机污染物和藻华毒素，相当一部分不在国家水质标准规范的监测范围，或没有相应的监测技术规范。

突发性污染事件只能依靠在线监测设备预警，而我国绝大多数在线的自动监测站只装备了常规5项和COD等有限常规指标的在线监测，只有少数站装备了少数几种重金属指标监测设备。在污染泄漏事件中，常规指标会发生明显的变化，但是并不构成实施水质预警、采取应急措施的证据基础。例如，水质指标如氮、磷、COD等对人体健康并没有实质性的威胁，原水溶解氧、浊度和pH变化并不影响供水水质安全；而在大部分毒害污染物引起的事件中，这类常规指标的变化并不显著。在现行的地表水水质标准中，毒理学指标有数十种，全部实现在线测量的可能性极小，况且在我国已经生产和使用的45000种现有化学物质中至少有2500～2900种是有毒化学品，构成了突发性水质污染事故的潜在污染因子，如何进行有效监测和全方位地预警不同类型污染事件是当前水源水质管理的重要课题。

        有毒污染物是指一类对生物体能够产生毒害影响的污染物，可能导致生物体生存、生长、发育、繁殖、生理改变等一系列危害。由于常规的水质在线理化检测技术在水体突发性污染事故在线监测方面具有明显局限性, 而生物监测技术可以通过生物传感器监测水体内受试水生生物不同水平上的生物学指标变化，从而反映综合毒性的变化，因此可以用于有毒物质污染事件的在线监测和预警。污染事件是发生在相对较短时间周期内的事件，生物监测和预警所针对的主要是生物体生存状态的短期变化，尤其是运动行为改变。应激状态下生物体运动行为的改变是一种自发的“不适应”或一种主动的“逃避”方式，可以通过生长抑制、运动图像和运动频率变化进行分析。水生浮游动物对有毒物质暴露的一种典型“应激”状态是突然“兴奋”，随后其运动状态的强度迅速减弱，乃至最终的死亡。因此，运动状态的由强而弱是其死亡的早期诊断指标。

        我国自来水行业使用生物预警的历史由来已久。早期国内水厂曾经采用在入水口处的水泥池中驯养鲫、鲤鱼、辅以人工肉眼观察死亡率作为预警手段。由于这些大型养殖鱼类耐污性强、死亡过程缓慢、对大多数污染事件的敏感程度较差，难以发挥生物预警的作用。生物监测预警技术的最早运用是在欧洲，德国从1990年开始就先后将生物监测技术成功的运用于多个河流，并组建了莱茵河监测网络；2001年的911恐怖袭击事件及随后的炭疽病菌事件使美国开始注重对生物早期预警系统的研究与应用。现代生物预警技术综合了不同水生生物营养等级的生物（菌、藻、溞和鱼）和不同的生物响应模式（运动行为和生理响应），以及新型传感器技术、图像识别技术和智能分析技术等，发展了一系列在线生物预警设备，包括发光菌发光检测系统、藻类光合作用检测系统和溞、鱼类行为学分析系统。目前，基于在线发光菌发光、水溞和鱼类生物图像分析和电信号生理响应原理研制的在线综合毒性监测技术设备已经在一些重要水源地和水厂取水口得到实际应用。

        生物监测技术亦存在许多局限。首先，不同种类的水生生物对不同种类的有毒物质的响应差别巨大，取决于不同化学物质在生物体内的毒理学作用位点和作用方式、生物体对有毒物质的耐受能力以及生物体对有毒物质的识别能力。以农药污染事件为例，发光菌监测技术更适合杀菌剂污染，藻类光合作用监测技术更适合除草剂污染，而溞和鱼的行为学检测技术适合于杀虫剂污染。已有研究表明发光菌和藻类监测技术对有机磷、氨基甲酸酯等农药的检测灵敏度低于溞行为检测技术2~3个数量级。同时，在菌、藻、溞、鱼中，只有鱼的生理生化特点与人类相近，因此最贴近对人体健康危害的评判。

        其次，浮游动物从摄入低浓度有毒物质并最终导致死亡需要一段时间，毒理学中采用24~96小时的半致死浓度(nhr-LC50)，或采用21天作为慢性中毒的最低浓度(21d-LOEC)表示毒物的毒性大小，而水质健康标准中所采用的数值综合考虑了哺乳动物长期实验的最低效应剂量、安全因子和终身暴露相关参数。因此死亡对应的浓度阈值要显著高于水质标准限值；而时间尺度又明显短于水质标准（后者通常假设70年寿命）。换言之，利用水生生物提供的“预警”信息与利用标准判断的水质“超标”之间存在若干数量级的差别，可见生物预警并不能取代毒理指标的监测作为执法的依据。近年来，生物监测技术有了显著的进步，通过背景干扰自动识别及消除、微弱信号智能选择和增强、谱图信号自适应分解和运用、前景信号数模转换和小波去噪、生物行为特征提取和差分分频、行为模式模拟和模型识别等新技术的应用，已经将在线生物预警设备的灵敏度提高到与水质标准数值接近的水平，能够满足对急性毒性预警的要求，但是尚达不到对慢性毒性预警的要求。

        发现并证实突发性污染事件往往意味着全社会的高度关注和大规模的人力物力投入，因此要求早期预警系统能够提供“可靠的证据”。而目前大部分预警设备都是单通道的，因此不可避免出现“假阳性”或“误报警”问题。毒理学实验规范对数据质量控制是通过平行实验和剂量~响应关系来实现的。因此在在线生物预警中，设置多个平行通道和剂量~响应测试技术手段十分必要，是生物预警技术努力的方向；生物预警只能指示“异常”事件的发生，并不能证实其为“具有健康影响”的污染事件，因此需要同步提供化学指标的监测数据，如常规水质参数、COD、重金属、有毒有机污染物浓度发生变化的在线或在位测量数据。例如，如果鱼的运动行为发生明显变化，而常规理化指标没有明显变化，则意味着可能是一类特殊污染物的投毒事件。因为这类事件中的“毒物”不再监测指标范围、浓度水平通常不足引起常规在线监测参数的响应。

        利用生物预警和多参数在线、在位理化参数测量来证实突发性污染事件在实践中是可行的。2002年以来，美国开展了针对恶意投毒和事故性饮用水污染监测系统的研究，逐步形成了一套完整的三级水质监测系统，综合了毒性测试、酶联免疫等生物效应检测和化学监测技术，能快速鉴别和分析污染物的特性；“莱茵河行动计划”中建立的水质监测和突发事故应急预警系统，在生物综合毒性监测技术的基础上，通过多点位、多指标在线监测和计算机辅助决策支持系统来预测事故发生后莱茵河污染事件中事故的性质、主要污染物浓度、到达莱茵河下游各监测站点的时间等，同时启动污染预防预案；哈希公司推出的“蓝色卫士”饮用水安全保障预警系统中挑选了pH、电导率、总有机碳、余氯、浊度作为水中的污染指标进行分类，试图以数据统计的方式识别污染特点；在部分水源地运行的生物预警系统中集成了综合毒性和常规5项参数，因此能够排除溶解氧、温度、pH、浊度等参数剧烈变化导致的“误报警”，因为这些常规水质指标对水厂供水系统并不构成实质性的威胁；在唐山投入运行的国产智能化生物监测预警系统，综合了基于水生生物鱼的生物综合毒性监测和水质常规5项、氨氮、COD 、TP、TN、叶绿素等11项生物和化学指标，因此可以大致综合判断污染性质、污染程度和由于水体富营养化导致的污染事件。

        在我国重大环境污染事件应急技术体系中，甄别性预警的研究和应用方面还比较薄弱，判断污染原因还需要依赖传统的采样和实验室分析技术系统，往往需要数日甚至数周的时间。合理地同步利用多物种生物监测与多参数指标监测数据对环境污染毒性性质进行实时预警和污染因子识别是目前的技术发展的难点。污染事件往往是复合污染，多个污染因子共存，某个污染因子浓度的高低并不对应其毒性的大小；在相当一部分污染或投毒事件中，污染因子往往不在规范的监测指标范围内，监测部门并不能提供准确的监测数据；污染事件在短时间内发生，浓度随时间变化剧烈，往往当取得样品和数据时，污染的高峰时段已经过去，丢失了第一手证据；面对数以千计的潜在污染因子，在线、在位或实验室分析监测技术不可能全面覆盖。这些科学问题需要在未来的研究工作中逐步加以解决。

        十二五期间，我国的生物毒性监测预警研究团队在现有硬件集成的基础上，提出以生物毒性为触发机制的生物-化学多参数综合集成水质在线监测预警技术系统。该系统由触发层、监测层、智能分析层等三部分组成。触发层由常规五参数水质监测设备及多物种、多层级生物毒性在线监测预警设备组成，实现24小时实时连续监测；监测层由水质常规监测设备构成，该层为系统的主要数据采集模块，负责全系统除常规五参数及生物毒性在线监测之外的数据采集；分析层由数据分析系统和逻辑判断系统组成，其主要功能是数据分析、污染类型判断、系统运行状态切换、智能化水质在线监测系统管理。智能分析层调用生物毒性、常规五项参数和多参数监测数据智能化关联生物毒性与理化参数，进行智能化解析判断。系统日常运行以预警和常规监测两种模式，因此当以预警模式运行时，大部分理化参数的在线监测设备处于静默状态，免去了试剂更换等程序，使得运行维护工作量和费用可以做到最小化。

        生物预警的最终目的是为污染事件的处理处置提供决策支持，其核心是污染事件性质的准确判断和污染因子的快速识别，作用是给现场指挥人员针对一个或多个污染因子的多个应急处置方案。因此，生物预警系统应包括了从预警、数据获取与分析、确认因子的智能判断和确认、到发布信息和提出解决方案的一系列复杂动作。我国从2005年以来针对污染事故的决策支持技术已经开展了大量研究，形成了包括应急数据库、应急工具包、应急专家决策系统软件等多种实用工具，为最终实现这一决策支持系统提供了基础。

        水源水质突变的实时监控和污染事件预警、应急决策支持管理系统是集多参数可配置性水质在线监测、水质突变预警、突发污染事件风险模拟、应急决策支持为一体的多功能、综合性水源水质管理系统，为水源地管理和饮用水安全提供有力保障。当确定污染因子后，基于污染事故的特点，针对饮用水水源周边环境，建立饮用水水源安全预警体系，通过观察、监测，预测各种安全指标是否偏离安全阈值，同时辅以一套事先制定的、能迅速应对突发性饮用水水源污染，使城市居民脱离水资源不安全状态的措施，缓解和减缓饮用水水源不安全对国民经济和社会可持续发展造成的冲击与影响，避免发生由于水源不安全引起大的政治、经济和生态灾变，使人民生活质量、国民经济和社会发展、水生态系统不受破坏或受影响最小。以生物毒性监测技术为核心的预警和应急决策支持管理系统综合了实时监测模块、事故预警与应急处置模块、分析结果动画展示模块、数据管理、分析与统计模块、用户管理及权限控制模块和环境应急处理知识库，可以通过包括关闭取水口、调动备用水源、规避和稀释污染团，以及启动应急处理装置等方式建议多种应急方案。系统采用先进的计算机仿真技术来模拟污染事故的三维动态或模拟演练动态展示，通过案例分析和情景模式推演优化预案，通过基于无结构网格的二维、三维水质模型模拟污染物质的环境过程和风险场时空动态，通过嵌入的水生态毒理模型，预测污染事故的生态危害性，代表了我国水体污染预警与决策支持系统的技术发展先进方向。

        随着科技的发展，水质生物监测技术由最初简单的、单物种、单层次生物监测向复杂的、多物种、多层次生物监测转变，有毒化学物质的在线监测指标也越来越丰富。通过生物-化学多指标同步监测对污染因子的识别因此会越来越准确，因此应急方案也会越来越具有针对性和有效性。但是应该看到，目前的综合毒性监测还仅适用于急性毒性物质，而在线监测对具有致癌、致畸、致突变、生殖、繁殖和内分泌系统干扰作用的慢性毒性物质或损伤人体健康的微量有毒物质尚无能为力；我国水体污染严重，目前尚没有针对致病性病原微生物、嗅味物质和藻华毒素的在线监测和预警设备；智能化预警与决策支持系统的复杂化必然带来投资和维护管理费用的大幅度增加，与我国当前的经济能力很不相称；生物监测从原理上还适用于生态系统质量的评估，但是相应的在线监测设备尚没有出现。这些技术缺口均有待我国的科学工作者和研发企业进一步努力来弥补。