DNA分析讓污染無所遁形

王強

發(fā)生偷排漏排時，由于區(qū)域內(nèi)存在眾多相同污染物而難以區(qū)分污染來源；突發(fā)環(huán)境事故中，污染物隨著時間和氣象條件的變化而擴散、混合并離開源頭，無法有效針對污染物的源頭進行及時處置或截斷……如今，通過把脫氧核糖核酸（DNA）的分析技術(shù)引入環(huán)境監(jiān)測工作中，類似的困擾將迎刃而解。

DNA可以成為追蹤污染利器

大自然中，每一個有性繁殖的生物都有自己獨特的基因，叫脫氧核糖核酸（簡稱DNA）。除了無性繁殖和有性繁殖中的同卵雙胎或多胎（即同卵雙生或多生）外，每個生物的基因幾乎都是獨一無二的。這個特性，使得DNA可以作為一種標(biāo)記物，通過DNA標(biāo)記的指定物品，即使置身于萬千物品當(dāng)中，也能被輕松辨認(rèn)出來。

目前，用于追蹤物質(zhì)比較成熟的技術(shù)有同位素示蹤、染料示蹤、漂浮物示蹤等方法。這些技術(shù)容易帶來二次污染，而且成本總體偏高。此外，如果進行大規(guī)模的追蹤，就必須用到大容量的編碼等技術(shù)，上述這些方法都難以實現(xiàn)這一目標(biāo)。相反，用DNA作為標(biāo)記物，它能夠自然降解不會造成二次污染。

早在1983年，美國生物化學(xué)家穆里斯（Kary B. Mullis）就發(fā)明了聚合酶連鎖反應(yīng)（PCR），該反應(yīng)使得短時間內(nèi)大量復(fù)制特定基因片段成為現(xiàn)實，DNA的使用成本變得低廉，穆里斯還因此獲得了1993年諾貝爾化學(xué)獎。

分析技術(shù)的發(fā)明及迅猛發(fā)展，使得低到痕量的DNA乃至一個細(xì)胞的DNA都可以完成全序的測定。高通量、高靈敏度定量PCR儀器的面世，例如生物芯片、基因芯片、表面電漿共振法、表面薄膜共振法、電化學(xué)DNA傳感器、質(zhì)量敏感型DNA傳感器換能器、光學(xué)DNA傳感器等，可以快速、準(zhǔn)確地實現(xiàn)DNA的檢測，這就使得將DNA作為標(biāo)記物進行示蹤成為可能。

當(dāng)前，許多工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)由于企業(yè)眾多污染源遍布，發(fā)生偷排漏排等環(huán)境違法行為或出現(xiàn)突發(fā)環(huán)境事件時，環(huán)保人員很難迅速判定污染源，難以及時切斷污染，這為環(huán)境執(zhí)法帶來了諸多困擾?，F(xiàn)在，如果將DNA標(biāo)記用于環(huán)境污染的監(jiān)控任務(wù)中，配合DNA的快速檢測方法，污染源的來向?qū)⒖梢员谎杆倥卸ā＿@一方法將可運用到企業(yè)排污管理、監(jiān)控并追查建筑余泥、淤泥等污染物的偷排行為，經(jīng)過技術(shù)擴充后還可以用于空氣的污染源擴散示蹤管理。

算出比值就能鎖定污染源頭

在實際操作中，我們可以選定相當(dāng)數(shù)量的DNA序列，這些序列通過聚合酶連鎖反應(yīng)（PCR）擴增或其他擴增技術(shù)擴增后形成已知濃度的多種分別含有不同DNA的溶液。這些DNA用可自動降解而又能起保護作用的包裹層（包裹層可以延長DNA在環(huán)境水體的存留時間，對測量分析也能夠起到幫助作用）包裹以后就成為ID標(biāo)識物，把它投放到企業(yè)的污水中之后，每個企業(yè)的污水就擁有了屬于自己的ID。需要注意的是，為避免環(huán)境因素的干擾，選取ID標(biāo)識物時，不可選取與當(dāng)?shù)卦鷦又参镉邢嗤蔚腄NA作為ID添加劑。

ID標(biāo)識物制成之后，我們就可以用它對污染源進行監(jiān)控追蹤。例如我們選取大約300到600個堿基的DNA片段制成不同的標(biāo)記物，把沿江的工廠或礦山等可能排放污水的排放口、每一個污染處理設(shè)備的入口分別用不同的示蹤DNA等流速投放，示蹤DNA在污染物的環(huán)保治理設(shè)施運行中會與標(biāo)示的污染物同時全部或部分被除去，所以測量每個污染源在凈化處理設(shè)備的入口和出口的示蹤DNA濃度的比例，就可以知道污染物被削除的比例，也就可以測量出監(jiān)測環(huán)保設(shè)施的運行狀況和運行效率。

此外，由于該檢測方法通過測量排污企業(yè)進出口的示蹤DNA的比值，這個比值是固定唯一的，因此被監(jiān)管的企業(yè)無法用加水稀釋的方法來作弊。而且由于在監(jiān)測過程中的DNA及引物（用于PCR）是保密和可更改的，可以防止標(biāo)示物被追蹤破壞。

當(dāng)出現(xiàn)污染事件時，又如何判斷污染源呢？這個時候需要我們測量同一個地方各個污染源出口的示蹤DNA濃度之間的比例，例如同樣是排含鉻廢水的企業(yè)，我們算出這些廢水中各個示蹤DNA的濃度比，就清楚他們對江河等公共環(huán)境的污染“貢獻”的大小。一旦發(fā)生污染事故，在事故點抽取水源監(jiān)測，測算出各個示蹤DNA的濃度比，就可以分辨出是哪個企業(yè)出現(xiàn)問題。例如，當(dāng)某個江河的斷面出現(xiàn)鉻超標(biāo)時，我們只需要測量出超標(biāo)地點標(biāo)記示蹤DNA，并計算它們之間的比例，結(jié)合周邊有關(guān)鉻污染因子各污染源的凈化處理設(shè)備的入口與出口示蹤DNA的比值就可以知道該污染物是由哪些污染源貢獻的。

這種檢測優(yōu)于現(xiàn)有管理方法的地方是可以倒查排污情況、分清污染責(zé)任、偷排也可以被追查出來，對偷排企業(yè)有極大的震懾力，從源頭上阻止犯罪的念頭。

另外，用不同的序列DNA按時間的流逝進行投放，一旦出現(xiàn)污染，只要檢測出其中的DNA序列就可以分辨出造成污染的時間段，以及污染物的遷徙規(guī)律。而且我們還可以對DNA序列進行無限組編碼（進行時間編碼）比如分辨到小時以及多年不重復(fù)，也可以循環(huán)編碼：比如按周或按月循環(huán)編碼，減少工作量。

這個監(jiān)控方法建立起來后可以廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護，安全食品追蹤，產(chǎn)品防偽質(zhì)量跟蹤等等。對國民經(jīng)濟起到一個非常良好的促進作用。符合科學(xué)發(fā)展觀，對社會的誠信機制起到一個以技術(shù)促法制的作用。（本文是作者2014年美國全球EST會議演講稿節(jié)選。）endprint