DNA分析讓污染無所遁形

王強

發生偷排漏排時，由于區域內存在眾多相同污染物而難以區分污染來源；突發環境事故中，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）的分析技術引入環境監測工作中，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可以作為一種標記物，通過DNA標記的指定物品，即使置身于萬千物品當中，也能被輕松辨認出來。

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

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

分析技術的發明及迅猛發展，使得低到痕量的DNA乃至一個細胞的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DNA傳感器、質量敏感型DNA傳感器換能器、光學DNA傳感器等，可以快速、準確地實現DNA的檢測，這就使得將DNA作為標記物進行示蹤成為可能。

當前，許多工業發達地區由于企業眾多污染源遍布，發生偷排漏排等環境違法行為或出現突發環境事件時，環保人員很難迅速判定污染源，難以及時切斷污染，這為環境執法帶來了諸多困擾?，F在，如果將DNA標記用于環境污染的監控任務中，配合DNA的快速檢測方法，污染源的來向將可以被迅速判定。這一方法將可運用到企業排污管理、監控并追查建筑余泥、淤泥等污染物的偷排行為，經過技術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，我們可以選定相當數量的DNA序列，這些序列通過聚合酶連鎖反應（PCR）擴增或其他擴增技術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標識物，把它投放到企業的污水中之后，每個企業的污水就擁有了屬于自己的ID。需要注意的是，為避免環境因素的干擾，選取ID標識物時，不可選取與當地原生動植物有相同片段的DNA作為ID添加劑。

ID標識物制成之后，我們就可以用它對污染源進行監控追蹤。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在污染物的環保治理設施運行中會與標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，也就可以測量出監測環保設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進出口的示蹤DNA的比值，這個比值是固定唯一的，因此被監管的企業無法用加水稀釋的方法來作弊。而且由于在監測過程中的DNA及引物（用于PCR）是保密和可更改的，可以防止標示物被追蹤破壞。

當出現污染事件時，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，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境的污染“貢獻”的大小。一旦發生污染事故，在事故點抽取水源監測，測算出各個示蹤DNA的濃度比，就可以分辨出是哪個企業出現問題。例如，當某個江河的斷面出現鉻超標時，我們只需要測量出超標地點標記示蹤DNA，并計算它們之間的比例，結合周邊有關鉻污染因子各污染源的凈化處理設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。

這種檢測優于現有管理方法的地方是可以倒查排污情況、分清污染責任、偷排也可以被追查出來，對偷排企業有極大的震懾力，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，也可以循環編碼：比如按周或按月循環編碼，減少工作量。

這個監控方法建立起來后可以廣泛應用于環境保護，安全食品追蹤，產品防偽質量跟蹤等等。對國民經濟起到一個非常良好的促進作用。符合科學發展觀，對社會的誠信機制起到一個以技術促法制的作用。（本文是作者2014年美國全球EST會議演講稿節選。）endprint