POPs检测技术

POPs快速生物检测方法 鲁元刚 美国越战 橙剂 事件 上世纪60年代至70年代 美国曾在越南战争中大量使用一种被称为橙剂 AgentOrange 的脱叶剂 导致了美国历史上最大规模的战争环境健康影响调查 确认橙剂中含有的二恶英杂质具有潜在的急性 亚急性和长期毒性 而对越南饱受脱叶剂危害地区的事后调查 更发现大量流产 死胎 新生儿畸形等案例 日本米糠油事件 1968年 日本福冈和长崎地区发生米糠油中毒事件 出现大量 油症 皮肤病患者 是因为人们吃了被多氯联苯 PCBs 和二恶英污染的食用油 台湾米糠油事件 11年后台湾再次发生2000人的米糠油中毒事件 原因是在米糠油脱色除味处理中采用日本生产的PCBs混合液作为导热剂 因渗漏使米糠油受到PCBs和二恶英的污染 在 油症 患者的组织和血液样品中检出了高浓度的二恶英 意大利二恶英事件 1976年 意大利Seveso一家化工厂发生爆炸事故 居民暴露在高剂量的二恶英之中 主要健康问题是出现氯痤疮 chloracne 1981年2月5日 美国纽约州1座18层的办公大楼发生变压器火灾 变压器的冷却剂中含有PCBs类物质 对大楼的封锁和清理虽然历时1年 耗资2千万美元仍未能达到办公使用要求 1997年6月16日 韩国政府强制关闭3家国有大型垃圾焚烧处理厂 原因二恶英排放严重超标 比利时污染鸡事件 1999年 比利时 污染鸡 事件极大地冲击了比利时 德国 法国 荷兰等国的畜牧业和食品出口贸易 引起了消费者的极大恐慌 经大规模检测和调查证实 比利时的动物饲料在生产过程中使用了含二恶英的脂肪原料 此次二恶英污染事件所造成的直接经济损失高达数10亿欧元 在世界范围内造成了强烈反响 提高了公众对环境二恶英的关注程度 什么是POPs 持久性有机污染物 PersistentOrganicPollutants 简称POPs 持久存在于环境中 通过长距离传输和食物链积聚 对人类健康及环境造成不利影响的化学物质 人类合成的化学品有700万种 约有10余万种进入环境 POPs的特性 持久性能在水体 土壤和底泥等环境中存留数年时间 即使15年内停止使用POPs 最早也要到未来第七代人体内才不会检出 生物累积性具有高脂溶性和低水溶性 能蓄积在食物链中 对较高营养等级的生物造成影响 容易通过周围媒介富集到生物体内 并通过食物链的生物放大作用达到中毒浓度 人处于食物链的最顶端 更容易中毒 迁移性POPs物质因具有半挥发性 能够以蒸气形式存在或者吸附在大气颗粒物上 可在大气环境中作远距离迁移 但不会永久停留在大气中 可重新沉降在地球上 这一特性使得在全球的每一个角落 包括大陆 沙漠 海洋和南北极地区都可监测到它们的存在 全球蒸馏效应 又称 蚱蜢跳效应 生物毒性对人类健康和生态系统产生毒性影响 对肝 肾等脏器和神经系统 内分泌系统 生殖系统等有急性和慢性毒性 具有致癌性 生殖毒性 神经毒性 内分泌干扰特性等 并且由于持久性 这种危害一般都会持久一段时间 二恶英类物质中最毒者TCDD的毒性相当于氰化钾的1000倍以上 砒霜的900倍 只需几十皮克就可以使豚鼠死亡 尤先科中毒前后 哪些法规要求监测 处理POPs 1991年 原国家环保局和能源部就联合印发 防止含多氯联苯电力装置及其废物污染环境的规定 要求控制PCB污染 集中封存含PCB电力装置 暂存和封存期限分别不得超过3年和20年等要求 2004年 关于持久有机污染物的斯德哥尔摩公约 对中国生效 国务院2007年7月批准了关于该公约的 国家实施计划 其中承诺POPs的清查 处理任务 中国NIP启动会 2005年 国家环保总局 国家电监和中电联联合在全国范围内开展了PCB设备清单调查工作 经国务院批准成立了由环保总局牵头 发改委等11部委参加的国家履约工作协调组 2006年 国家环保局草拟了 多氯联苯污染物处理处置国家战略 承诺将定期履行清查 处理PCB污染物的国际承诺 2010年10月19日 国家九部委联合发布 关于加强二恶英污染防治的指导意见 环发 2010 123号 根据 意见 要求 各地要加强对二恶英重点排放源的监督性监测和监管核查 对未按规定和要求实施控制措施的排放源 限期整改 所在地环保部门应对废弃物焚烧装置排放情况每两个月开展一次监督性监测 对二恶英的监督性监测应至少每年开展一次 POPs公约要求控制的十二种物质 杀虫剂 艾氏剂 狄氏剂 异狄氏剂 毒杀芬 七氯 DDT 六氯苯 氯丹和灭蚁灵工业化学品 多氯联苯 六氯苯副产物 二恶英 呋喃 我国从未生产或已停产的杀虫剂类POPs 艾氏剂和狄氏剂曾在我国研制但未规模生产 异狄氏剂从未研制也未生产和使用 七氯曾有生产和使用 累计产量小于100吨 用于铁路枕木的防虫防腐 20世纪80年代停产 毒杀芬 70 80年代曾大量生产和使用 曾有16个生产企业 1985年关闭所有生产企业 总产量20660吨 仍在生产和使用的杀虫剂类POPs 滴滴涕中国从上世纪五十年代开始生产 历史上曾有11个生产企业 至今总产量为45 9万吨 约占国际用量的20 1983年 滴滴涕被禁止在农业领域使用 现仅保留天津大沽化工厂和扬州农药厂2个合法企业 平均每年产量为5000 6000吨 现保留厂的主要考虑 三氯杀螨醇农药需以此为中间体 并为防治大规模疟疾爆发而保存生产能力 氯丹和灭蚁灵氯丹 目前累计生产8223吨 年产量为450吨 主要作为建筑白蚁防治用于堤坝 电线电缆保护以及甘蔗生产和养蚕业 灭蚁灵 现有5家生产厂 年产量为31吨 累计产量为151吨 主要用于白蚁灭治 六氯苯六氯苯主要用于生产五氯酚钠 大部分用于杀灭钉螺内的血吸虫 少量用于木材处理和防腐 现在天津大沽化工厂一家生产厂 至今总产量为79278吨 其中78323吨用于生产五氯酚钠 在公约谈判期间 除中国外 还有6个国家提出申请六氯苯作为中间体的豁免 PCBs 多氯联苯 的情况 中国PCBs总产量约为10000吨 进口设备中含有多氯联苯约4000吨 总量约14000吨 含多氯联苯的电容器或变压器仍有部分在运行 1980年停止了多氯联苯的生产 用多氯联苯的电力设备多数已到报废年限 多氯联苯封存场所记录不详 曾多次发生多氯联苯泄漏事件 二恶英类污染物的排放情况 采用排放因子来估算 我国二恶英 呋喃年总排放量估计为14147 16561克国际毒性当量 是美国和日本排放量的8 10倍 重点行业为钢铁生产 医疗废物焚烧 生活垃圾焚烧 有色金属回收 水泥生产等 我国POPs污染影响状况 80年代 浙江温州 台州村民私自拆解含多氯联苯的电力电容器 造成了严重污染 禁用DDT和六六六10年后 一些地区污染土壤最高残留量仍在1mg kg以上 洞庭湖 鄱阳湖底泥中的二恶英含量很高 在一些城市和地区的奶粉 牛奶和母乳中也发现高含量的二恶英 严重影响了产品的进出口贸易 POPs的检测技术 一 什么是二恶英类污染物 二恶英是由2个或1个氧原子联接2个被氯取代的苯环组成的三环芳香族有机化合物 包括多氯二苯并二恶英 PCDDs 和多氯二苯呋喃 PCDFs 共有210种同类物 统称为二恶英 二恶英的分子结构如图1所示 每个苯环上可以取代1 4个氯原子 存在众多的异构体 同类物 其中PCDDs有75种异构体 PCDFs有135种异构体 二恶英有哪些危害 氯痤疮 这种病人皮肤出疹 出现囊泡 小脓泡 重者全身疼痛 可持续数年 实验表明 人体仅需 96 3000ng kg 就会发病 癌症 二恶英被国际致癌研究所列为一类强致癌物 也是最致命的致癌物质 人生活在二恶英存在的环境 易发生癌症 在某些特定人群中 当二恶英达到109ng kg时 易发生癌症 超过8倍时发生率更高 当二恶英在人体中蓄积达到一定程度时 就会影响人的行为和导致思维紊乱 糖尿病和免疫机能下降 二恶英在人体中只要极少量 就可以导致人类免疫机能的下降 当在体内蓄积达到99 140ng kg时 糖尿病的发生率增加 高浓度的二恶英可致畸 引起人的肝 肾损伤及出血 它一般用pg g 或ng g 来计量 二恶英的特性 热稳定性 800度以上才会被降解 1000度以上才能破坏其结构 低挥发性 地面可以持续存在 脂溶性 经脂质发生转移和生物富集 在食物链中迁移 环境中稳定性高 不易降解 半衰期为9年 因而可在环境中持续存在 二恶英的来源 有机氯化学品合成时产生二恶英 纸张漂白 可产生2 3 7 8 TCDD 氯碱工业 使用石墨电极产生PCDF 垃圾焚烧 木材及废旧家具焚烧 森林大火会产生PCDD Fs 汽车尾气 汽油不完全燃烧可释放二恶英 金属冶炼 含PCB设备事故 光化学反应 氯代2 苯酚 二恶英前体 通过光化学环化反应生成二恶英 生化反应 氯酚类通过过氧化酶催化 产生二恶英 二恶英的毒性当量因子 环境中的二恶英以混合物的形式存在 评价其对健康的潜在效应 不是一个简单的浓度相加 二恶英的致癌性 致畸性和生殖毒性研究仅限于几个化合物 尽管如此 根据二恶英毒性的作用机制 提出毒性当量的概念 以毒性最强的2 3 7 8 TCDD的毒性当量因子为1 其他二恶英异构体的毒性为其相对毒性强度 作为毒性当量 二恶英检测为什么很难 二恶英分析属于超痕量 多组分分析 其分析测定必须具备有效的采样技术 定量提取和净化技术 异构体的高效分离定性定量 良好的质量管理等技术条件 同时对于不同来源的样品 环境空气 环境水体 食品 废水 烟道气等 相应有不同的分析测定方法 因为来源不同的样品其DXNs浓度差别可达103 106 采样和前处理方法差异也很大 目前二恶英类物质的检测方法有哪些 一 化学仪器分析方法HRGC HRMSGC HRMSHRGC LRMS二 生物检测方法EROD细胞培养法荧光素酶方法EIA酶免疫方法DELFIA荧光免疫法 HRGC HRMS 一 采用HRGC HRMS 分辨率在10000以上的高分辨率色谱 质谱联用仪 的超痕量分析方法 优点 1 灵敏度高 2 能同时检测多个离子 3 是被认可的二恶英标准检测方法 如美国的EPA1613方法和日本工业用的JISK0311方法 缺点 1 分析操作复杂 2 样品前处理过程非常复杂 分析样品所需时间周期长 通常为10 20d 3 设备投入成本和运行费用高昂 4 购买同位素标准物质等消耗品费用高 5 检测费用高昂 一个样品需900 1800美元 6 检测只能在专业实验室进行 而建造二恶英检测实验室需要几百万美元 GC HRMS和HRGC LRMS 使用GC HRMS法可保证灵敏度 简化前处理步骤 缩短检测时间 降低检测成本 但仍需在专业实验室中完成 使用HRGC LRMS法可极大降低在检测仪器方面的投入 但当每克样品中二恶英浓度低于pg g水平时 却无法获得可靠的检测结果 因而HRGC LRMS法仅适用于检测二恶英浓度较高的污染源样品和污染较重的土壤样品 例如 美国的EPA8280方法可检测出土壤 底泥 飞灰和燃油等样品中含4 8个氯的二恶英化合物 不能用于检测如食品等二恶英含量较低的样品 生物检测方法 目前建立的生物学检测方法均是通过对Ah受体活化程度的测定来间接表达二恶英的TEQ EROD细胞培养法 二恶英与Ah受体结合活化后 被Ah受体核转位因子 ARNT 转移到细胞核内 活化的核内基因是特异性DNA片段即二恶英响应因子 DRE 启动发挥毒性的基因并增加其转录 从而激活EROD酶的活性 所以通过测定EROD酶的活性 可以了解二恶英激活Ah受体的能力 进而获得测试样品中二恶英的TEQ 萤光素酶方法 该方法是将萤火虫萤光素酶作为报告基因结合到控制转录的DRE上 制备成质粒载体并转染H4IIE大白鼠肝癌细胞系 含Ah受体传导途径的各个部件 以此构成的CALUX系统萤光素酶诱导活性与二恶英的毒性系数相对应 最终测定的结果也是TEQ EIA酶免疫方法 该方法是根据鼠单克隆抗体DD3与二恶英结合的特点而建立的竞争抑制酶免疫方法 使用酶竞争配合物 HRP 和样品中二恶英共同竞争有限的DD3抗体的特异性结合位点 以一系列不同浓度的2 3 7 8 TCDD为标准物质 作出2 3 7 8 TCDD标样与对应样品的剂量 效应曲线 样品中二恶英毒性强度以计算出的TCDD毒性等价浓度间接表示 最终通过测定DD3与HRP螯合物的荧光强度来获取二恶英的TEQ 螯合物的荧光强度与二恶英的TEQ成反比 DELFIA荧光免疫法 DELFIA Dissociation enhancementLanthanideFluoroImmunoassay 法属于时间分辨荧光免疫分析法 该方法利用生物基因技术选择出合适的抗原键合铕离子与样品中二恶英竞争单克隆抗体 待免疫反应完全后加入荧光增强液 使铕离子从抗原中解离下来 进入增强液 形成胶束 高效地发出荧光 螯合物最终用时间分辨荧光法分析 其荧光强度与二恶英的TEQ成反比 表1二恶英检测方法对比分析 多层二恶英分级检测体系 第一级 低成本 快速的生物检测方法可应用于一般食品检测和环境监测 如定量筛选大规模的污染源样品等 第二级 一般的化学仪器分析包括GC HRMS法和HRGC LRMS法 可应用于对筛选出的样品进行较高精度的检测 第三级 建立几个符合国际标准的二恶英专业检测实验室 完成对二恶英检测的权威认证分析工作 CALUX二恶英快速检测方案 XDS拥有一项基因工程改造细胞株专利 美国专利号5 854 010 此改造细胞株可因芳香烃受体被激活而反式激活萤火虫荧光素酶表达 因此 这一改造细胞株可用于检测和定量分析芳香烃受体配基多少 也就是多氯二苯并二恶英 PCDDs 多氯二苯并呋喃 PCDFs 多氯联苯同类物 PCBs 的多少 XDS称这一检测技术CALUX CALUX二恶英快速检测方案 XDS除了对于二恶英及其相似物检验的CALUX生物检验技术本身获得美国专利 另外其样本处理过程也获得了美国专利 专利号6 720 431 该过程可以使共面PCBs和PCDDs PCDFs被分离 从而使TEQ的估算可以适用于其分离后的不同化学物质 这也使得对于氯化的二恶英 呋喃和PCBs的TEQ的估算报告得到实现 CALUX二恶英快速检测方案 CALUX是经美国EPA批准的一种生物检测方法 可用于检测土壤 水 烟气 污泥 饲料 添加剂以及生物组织中的二恶英 呋喃和多氯联苯 该方法2007年已被美国指定为国家标准方法 得到美国 FDA和EPA 欧盟 智利 日本等国的广泛采用 是大量筛查二恶英污染物的新型快速检测技术 CALUX生物检测法的原理 CALUX 生物检测法是使用基因转换过后的芳香烃受体 AhR 控制下的基因 这个基因可以制造象荧火虫般荧光的荧光素酶 CALUX 生物检测法就是利用这个原理 让转换后的细胞和环境中的芳香烃二恶英类物质接触 使它增加合成荧光素酶蛋白质 然后测定荧光素酶的发光量之后 就可求得样品中的二恶英TEQ的浓度了 CALUX原理图 CALUX与GC MS方法相关性很好 CALUX的特点 已获得美国 欧盟 日本等国官方认可 方法成熟可靠 高灵敏度 1ppt 方法简便易用 设备相对简便 前处理简单 且易于操作 与HRGC MS结果相关性很好 可靠性高 检测周期短 3天即可出检测报告 检测效率高 可同时测16个样品 检测费用低 与HRGC MS相比 可节省80 耗材成本低 从世界各国拥有的二噁英分析检测仪器情况来看 中国的仪器市场前景非常好 如 日本拥有300多台二噁英分析检测仪器 而目前中国只有30多台 中国具备二噁英分析监测能力的实验室只有20家左右 许多城市和地区还不具备二噁英检测能力 中国目前POPs减排的任务还很艰巨 随着人们对环境安全问题关注程度的增加 需要的仪器数量肯定还要增加 L2000DX便携式多氯联苯快速检测仪 L2000DX便携式PCB快速检测仪能够在野外快速检测土壤 水和油中的PCB 该方法已获得美国环保局的认可 编号USEPASW 846方法9078 L2000DX的原理 L2000DX是根据电化学法设计的 在常温下 从水或土壤样品中萃取有机氯 绝缘油不用做这一步 让萃取液与金属钠和催化剂发生反应 从而将所有的有机氯转化为相应的氯离子 最后用离子选择电极准确检测出氯的浓度 即可计算出PCB的浓度 L2000DX的主要特点 一机多用 可检测土壤 水 绝缘油样品 携带方便 既可在实验室用 又可用于野外现场检测 操作简便 简单培训即可使用 检测速度快 最多15分钟即可完成样品检测 检测结果与气相色谱法的结果相关性很好 检测成本远低于气相色谱法 内分泌干扰物的检测 什么是内分泌干扰物 对人和动物体内正常的激素功能施加影响 从而影响内分泌系统的化学物质 称为外源性内分泌干扰物 又称为环境激素 干扰体内激素的合成 分泌 运输 结合 作用 代谢 消除 内分泌干扰物的分类 1 农药除