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生物毒性监测技术给水质安全上“保险”

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发表于 2014-12-2 09:45:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
  前段时间的一则新闻报道中提到,在北京密云水库安装了一套“水质安全生物预警系统”,该系统中装有20多条活蹦乱跳的小鱼。这些小鱼监测着整个水库内水质安全,时时守护着京城的水源。“水质安全生物预警系统”以及其中的小鱼皆是由中国科学院生态环境研究中心王子健研究员成功研制及培养的。王子健研究员称这些小鱼为“24小时不下岗的水质监测员”。
  为什么要用生物来监测水质安全?这种生物毒性监测技术的特点体现在哪里?我国生物毒性监测技术的发展现状如何?未来发展前景怎样?带着这些问题,仪器信息网的编辑近日采访了水质生物毒性监测技术研究领域我国著名的专家——中国科学院生态环境研究中心王子健研究员。
“生物毒性监测技术,未来一定会有大市场”
  王子健研究员在谈到发展生物毒性监测技术的必要性时说到,人们判断一种物质是否有毒,最有效的方法就是用活物来验证,这种情况下,就用到了生物毒性监测的原理。从法规角度,化学监测目前是不可替代的,但化学监测也不是十分保险,那么我们就在它的基础上加上一个保险,就是生物毒性监测。
  “如果按照一个又一个的化学监测指标去管,我们的水质安全永远管不到头”
  环境监测一般分化学监测、生物监测、生态监测。大家经常将生物监测与生态监测混为一谈。目前我国还只是监控一些常规化学监测指标,例如水质常规监测还只限于COD、氨氮、重金属、常见有机污染物等有毒有害污染物,指标的数量非常有限。水生态监测主要考察水生态系统完整性,国内有许多研究单位和环境监测部门已经开展过工作,但是还没有列入环境监测考核指标。
  以饮用水为例,国家标准有109项检测指标,与之前的40多项相比已有明显进步,但我们日常生活中接触到的化学品多达4-8万种,它们都有可能出现在水体中,从理论上说要保证水体安全,至少要检测几千种污染物,所以说目前的109种检测指标是远远不够。然而,几千种污染物我们是无法逐一进行鉴定的。并且这些化学品并不是单独存在的,进入环境中可能经历降解、结合、转化等一系列化学反应过程,产生一大批新的化合物和协同效应,因此单纯用化学监测技术手段进行水质检测并不能保证安全。换句话说,即使达到国家标准的水,也不能保证其绝对“无毒”。
  既然,按照一个又一个的化学监测指标去管,没头没尾,永远管不到头。那么,我们不这样管,又该怎么管?
  “综合毒性”如何监测?利用不同等级的生物构建生物毒性监测系统
  在生物毒性监测技术研究方面我们做了一些尝试,由于水生态系统中生物链不同等级的生物对有毒污染物的反应灵敏度是不一样的,所以判断水生态系统的综合毒性时,需要发展针对多个生物等级的监测方法。
  首先需要选择易于研究又有代表性的生物。我们在微生物群落中选择了发光菌,其优点是前人对其已进行了很多研究,缺点是发光菌是简单的生物体,例如它没有神经系统,对有机磷农药不敏感;藻类我们选择了蛋白核小球藻和珊藻;用大型蚤代表浮游动物;脊椎动物则选择鱼类为代表,鱼的神经系统非常发达,对有机磷农药反应明显。不同物种对不同有毒物质的敏感度不一样,用一种生物来判断综合毒性是不够的,需要用不同的物种、不同得分方法来构建评价体系。
  另外,我们实验室还对鱼的不同生命阶段进行了毒性筛选测试,包括:幼鱼筛选测试、性腺发育/性逆转测试、成鱼繁殖测试、鱼部分和全生命周期测试、孵化/发育/繁殖测试、整个生命周期测试、多代效应测试等。构建这样一个评价系统,可以说能够初步评价水生态环境安全。
  “生物毒性监测,已被列入国家未来环保工作中”
  生物毒性监测还没有进入日常管理,但环保部、环境监测总站已经提出了“综合毒性”的概念,将其列为水专项以及未来环保部工作中的一项。
  近年来,我国有毒污染物引起的水质安全与生态安全问题突出、化学品引起的环境污染事故频发,在这种情况下,生物毒性监测技术通常反应快速,适合预警需要,其发展对提升环境监管能力,提高环境安全保障具有重要意义。并且,生物毒性监测通常费用低廉,适合推广。
  目前,生物毒性监测技术还只是处于实验室研究阶段,技术还有待进一步完善,实际应用较少,但未来一定会有大市场。例如,将生物毒性监测技术应用到工业废水排放的监控中,可以判断出废水中的毒性来源于哪一步的生产工艺,将大大有利于改进工艺水平。
“生物毒性监测技术,短期内不会形成大规模的产业”
  在问到王子健研究员的科研成果产业化情况时,王子健研究员无奈的说到,科学家的研究与企业的研发不一样,科学家的科研工作要具有前瞻性,也就注定了短期内难以有大市场。市场前景不明显,成果的价值就会被低估,有些科学家在无奈之下就只好自己先做些产品出来,一边在市场上应用,一边扩大影响等待机会,当时机成熟再转让出去,使其产业化。
  不同等级生物的监测技术都可以发展成为相应的监测仪器
  之前提到的四个等级生物监测技术都可以发展成为相应的监测仪器。我们实验室发展了基于大型蚤、鱼类的生物毒性监测系统,还有其他一些仪器企业发展了以发光菌为基础的监测仪器。
  生物监测仪器多应用免疫分析技术原理,整合生物分析技术、材料技术、微电子技术最新研究成果,开发用于现场快速检测、在线实时监控的系列化生物传感器。其研究热点集中在生物功能材料、复杂环境基质干扰消除技术、传感器分析系统稳定性的维持,以及系统模型、立体监控网络体系的建立等方面。其中,生物功能材料包括污染物高特异性抗体以及生物传感器修饰材料。由生物功能材料、检测试剂盒与传感器三者构成了生物监测系统平台。
  应用于北京密云水库的——水质安全在线生物预警系统BEWs是我国成功研制的生物毒性监测仪器。由于水生生物遭遇有毒化学物质污染或水质恶化时,其运动行为会发生改变,而且当发生严重污染或人为投毒时,其运动行为的强度会大幅度下降,甚至由于死亡而停止运动,所以,我们采用生物传感器获取水生生物行为的变化规律,通过内嵌的剂量-响应关系模型来实现预警。目前该系统已经装备在全国20余个城市水厂或水源地,并且在保障奥运会、全运会等重大事件的饮用水安全中发挥了重大作用。
  生物毒性监测技术目前还处于研发储备的阶段
  产业化是包括政策、技术、标准等方方面面在内的一个大概念,它是从研发到最后形成产品的一个完整的过程,缺少任何一个环节都无法实现产业化。
  目前,我们实验室乃至其它科研院校里,有大量的科研成果没能转化为产品,因为一项技术转化为商品有许多先决条件。对于监测技术尤其重要的条件是看其是否是国家强制执行的,或是必须要用的。
  目前,对于生物监测技术,国家没有要求,相应的技术成果也就没有产业化。如果生物监测的仪器做出来了,但是国家不要求监测,则没有了应用的市场,仪器也就无法产业化。前些年国家要控制二氧化硫排放,那么二氧化硫控制技术、监测技术的科研成果就能形成产业。今年,国家将氮氧化物列为监测项目,其相关技术也必将形成大产业。然而,目前国家对生物毒性监测还没有要求,其市场需求也不会大,所以,生物毒性监测技术处于研发储备的阶段,短期内不会形成大规模的产业。
“十二五”环境监测研究热点:前瞻性研究与应用研究并重
  王子健研究员一直是国家863计划环境监测和风险评价主题的专家,而2011年是“十二五”规划的开局之年,采访的最后,王子健研究员介绍了水环境监测领域的“十二五”规划重点。
  我国在“十二五”期间,环境监测领域的科研工作主要分两大部分,首先是863计划研究项目。我国863计划的定位是超前的科研计划,在未来五年国家关注的将是一些非常规的、为未来监测任务提供支撑的仪器设备的研制,如大气超级站、臭氧监测、细粒子监测、气候变化的二氧化碳监测、特殊气体监测等。这些监测项目目前来说未必是相关环保法规要求监测的,而是瞄准未来可能需要管理、监测而提前布局的。
  我国环境保护领域另一项大的研究工作是水专项,在水专项中水质监测技术研究的定位偏向于应用研究,属于下游科研工作,主要关注的是产业化发展,常规监测仪器设备如何规模化以支撑国家环保事业。在相应的支撑能力建设时,不一定需要高端仪器,需要的是简单、实用、能解决问题的仪器设备,以及在使用时仪器设备如何正常运转、发挥作用。
  “十二五”计划期间,我国具体将关注城市大气污染领域的阴霾、大气氧化性、全球气候变暖、特殊污染物以及大家普遍关注的水源地保护等监测技术的研究。
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