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检测长江南京饮用水源对雄性小鼠的生殖毒性、基因组毒性、代谢组毒性,研究饮用水源环境健康风险及其早期预警。应用三亲菌株跨界原生质体融合(Inter-kingdom protoplast fusion,IKPF)技术构建特效菌株Fhhh,研究饮用水源水中微量持久性有机污染物(POPs)深度降解及产生的人体健康价值。
㈠饮用水源水毒性检测及风险预警技术。⑴受试动物为三周龄的雄性ICR小鼠,饲喂长江南京饮用水源水样90 d之后,用于毒性检测。应用流式细胞仪(FACScan,Becton Dickinson),检测各倍体生精细胞百分率;采用瑞氏染色法,检测受试小鼠精子形态及畸形率;采用组织切片法,观察受试小鼠睾丸组织形态。应用Affymetrix公司的GeneChip MouseGenome430A2.0基因芯片,检测受试小鼠基因转录毒性;应用1H NuclearMagnetic Resonance(1H NMR)核磁共振仪,检测受试小鼠的代谢组毒性。染毒小鼠随机分为四组:长江南京饮用水源水组、南京自来水组、清洁水对照组、苯并(a)芘(BaP)化学液对照组。⑵饮用水源水显著降低小鼠成熟精子百分率达2.07％;小鼠减数分裂速率显著低于清洁水对照组(p＜0.05);饮用水源水染毒组小鼠精子畸形率为4.74％,显著高于清洁水对照组(p＜0.05)。睾丸组织切片观察结果表明:染毒小鼠睾丸组织出现曲细精管中间空隙变大、精原细胞分散疏松、间质细胞数量减少等异常形态。该项研究结果表明:长江南京饮用水源水对小鼠生精过程、精子生成率、畸形率存在影响。⑶以清洁水组为对照,长江南京饮用水源水组、南京自来水组、BaP化学液组受试小鼠分别有223,343,310个基因表达强度存在显著差异(转录表达强度变化≥2.0倍)。小鼠基因转录表达中毒强度的排序为:南京自来水组＞BaP化学液组＞饮用水源水组。结果表明:长江南京饮用水源水对小鼠基因的转录表达存在毒性,其中与生殖健康相关的Rhox2,4,5,6,9基因转录表达异常。⑷饮用水源水组小鼠血清中的丙氨酸、糖蛋白、丙酮和氧化三甲胺浓度显著降低(p＜0.05或p＜0.01),肌酸酐和葡萄糖的浓度显著升高(p＜0.05或p＜0.01)。BaP化学液组小鼠血清中的琥珀酸、谷氨酰胺和肌酸酐的浓度显著升高(p＜0.05),表明长江南京饮用水源具有损伤肝肾代谢功能的毒性。
㈡深度降解POPs的IKPF技术。⑴构建特效菌株Fhhh的三亲株是:黄孢原毛平革菌PC(Phanerochaetechrysosporium);酿酒酵母菌SC(Saccharomyces cerevisiae)和土著细菌YZ(Bacillus sp.)。采用双抗生化、扫描电镜(SEM)、随机扩增多态性DNA(RAPD)及双向电泳(2DE-MS/MS)等技术从生化抗性、细胞形态、基因组和胞外蛋白表达等方面对特效菌株Fhhh进行了鉴定。双抗生化和SEM鉴定结果表明,Fhhh的抗性和形态特征不同于任一亲株。RAPD鉴定出Fhhh与三亲株间的遗传相似性在33％到36％之间。2DE-MS/MS鉴定出Fhhh与亲株PC胞外蛋白质相似度为34.69％。⑵建立生物活性炭滤池(BAC-BF)处理模型,降解长江南京饮用水源水中的POPs。生物滤池柱高100 cm,内径10 cm,有效容积7.85 L,处理流量565 L/d。应用色质联用(GC-MS)技术检测进出水中的POPs浓度,生物滤池连续运行42天。结果表明:特效菌株Fhhh滤柱和土著细菌滤柱的生物量浓度分别为:444.6mg/L和460.9 mg/L。Fhhh对饮用水源水中PAHs的比降解率达5.51×10-5d-1,高出土著细菌一倍。⑶应用环境健康风险评价的系列模型,计算长江南京饮用水源水和生物滤池处理出水中POPs的健康风险指数。参照人力资本法,推算应用IKPF菌株Fhhh深度降解处理饮用水源水中POPs潜在的人体健康价值。结果表明:长江南京饮用水源水、生物滤池处理出水的健康风险指数(R)分别为2.01×10-5a-1和2.80×10-6a-1,超过了瑞典环保局及荷兰建设和环境部推荐的最大可接受水平1.1×10-6a-1。深度降解南京饮用水源水中POPs潜在的人体健康价值达49.54亿元/年。
㈢潜在的技术创新点分析。⑴综合分析生殖毒性、基因芯片、核磁共振等多项技术的检测结果,提出长江南京饮用水源存在环境健康威胁的科学依据。⑵原创IKPF技术构建特效菌株Fhhh,整合利用三亲菌株的基因资源,用于深度降解饮用水源水中POPs,处理效率提高100％。⑶运用环境健康风险评价系列模型,参照人力资本法,推算应用IKPF菌株Fhhh深度降解POPs,保护人体健康潜在的经济价值。
㈣发展方向展望。⑴研究发现长江南京饮用水源存在生殖毒性、基因组毒性和代谢组毒性,可向有关部门建议,制定前瞻性控制饮用水源污染的政策法规。⑵研究发现长江南京饮用水源存在生殖毒性、基因组毒性和代谢组毒性威胁,需要继续研究更为精准、科学的早期预警技术方法。⑶长江南京饮用水源水经IKPF特效菌株Fhhh深度处理之后,仍然存在人体健康风险,需要继续研究优化处理技术。