DNA分析让污染无所遁形

发生偷排漏排时，由于区域内存在众多相同污染物而难以区分污染来源；突发环境事故中，污染物随着时间和气象条件的变化而扩散、混合并离开源头，无法有效针对污染物的源头进行及时处置或截断……如今，通过把脱氧核糖核酸（DNA）的分析技术引入环境监测工作中，类似的困扰将迎刃而解。

DNA可以成为追踪污染利器

大自然中，每一个有性繁殖的生物都有自己独特的基因，叫脱氧核糖核酸（简称DNA）。除了无性繁殖和有性繁殖中的同卵双胎或多胎（即同卵双生或多生）外，每个生物的基因几乎都是独一无二的。这个特性，使得DNA可以作为一种标记物，通过DNA标记的指定物品，即使置身于万千物品当中，也能被轻松辨认出来。

目前，用于追踪物质比较成熟的技术有同位素示踪、染料示踪、漂浮物示踪等方法。这些技术容易带来二次污染，而且成本总体偏高。此外，如果进行大规模的追踪，就必须用到大容量的编码等技术，上述这些方法都难以实现这一目标。相反，用DNA作为标记物，它能够自然降解不会造成二次污染。

早在1983年，美国生物化学家穆里斯（Kary B. Mullis）就发明了聚合酶连锁反应（PCR），该反应使得短时间内大量复制特定基因片段成为现实，DNA的使用成本变得低廉，穆里斯还因此获得了1993年诺贝尔化学奖。

分析技术的发明及迅猛发展，使得低到痕量的DNA乃至一个细胞的DNA都可以完成全序的测定。高通量、高灵敏度定量PCR仪器的面世，例如生物芯片、基因芯片、表面电浆共振法、表面薄膜共振法、电化学DNA传感器、质量敏感型DNA传感器换能器、光学DNA传感器等，可以快速、准确地实现DNA的检测，这就使得将DNA作为标记物进行示踪成为可能。

当前，许多工业发达地区由于企业众多污染源遍布，发生偷排漏排等环境违法行为或出现突发环境事件时，环保人员很难迅速判定污染源，难以及时切断污染，这为环境执法带来了诸多困扰。现在，如果将DNA标记用于环境污染的监控任务中，配合DNA的快速检测方法，污染源的来向将可以被迅速判定。这一方法将可运用到企业排污管理、监控并追查建筑余泥、淤泥等污染物的偷排行为，经过技术扩充后还可以用于空气的污染源扩散示踪管理。

算出比值就能锁定污染源头

在实际操作中，我们可以选定相当数量的DNA序列，这些序列通过聚合酶连锁反应（PCR）扩增或其他扩增技术扩增后形成已知浓度的多种分别含有不同DNA的溶液。这些DNA用可自动降解而又能起保护作用的包裹层（包裹层可以延长DNA在环境水体的存留时间，对测量分析也能够起到帮助作用）包裹以后就成为ID标识物，把它投放到企业的污水中之后，每个企业的污水就拥有了属于自己的ID。需要注意的是，为避免环境因素的干扰，选取ID标识物时，不可选取与当地原生动植物有相同片段的DNA作为ID添加剂。

ID标识物制成之后，我们就可以用它对污染源进行监控追踪。例如我们选取大约300到600个碱基的DN段制成不同的标记物，把沿江的工厂或矿山等可能排放污水的排放口、每一个污染处理设备的入口分别用不同的示踪DNA等流速投放，示踪DNA在污染物的环保治理设施运行中会与标示的污染物同时全部或部分被除去，所以测量每个污染源在净化处理设备的入口和出口的示踪DNA浓度的比例，就可以知道污染物被削除的比例，也就可以测量出监测环保设施的运行状况和运行效率。

此外，由于该检测方法通过测量排污企业进出口的示踪DNA的比值，这个比值是固定唯一的，因此被监管的企业无法用加水稀释的方法来作弊。而且由于在监测过程中的DNA及引物（用于PCR）是保密和可更改的，可以防止标示物被追踪破坏。

当出现污染事件时，又如何判断污染源呢？这个时候需要我们测量同一个地方各个污染源出口的示踪DNA浓度之间的比例，例如同样是排含铬废水的企业，我们算出这些废水中各个示踪DNA的浓度比，就清楚他们对江河等公共环境的污染“贡献”的大小。一旦发生污染事故，在事故点抽取水源监测，测算出各个示踪DNA的浓度比，就可以分辨出是哪个企业出现问题。例如，当某个江河的断面出现铬超标时，我们只需要测量出超标地点标记示踪DNA，并计算它们之间的比例，结合周边有关铬污染因子各污染源的净化处理设备的入口与出口示踪DNA的比值就可以知道该污染物是由哪些污染源贡献的。

这种检测优于现有管理方法的地方是可以倒查排污情况、分清污染责任、偷排也可以被追查出来，对偷排企业有极大的震慑力，从源头上阻止犯罪的念头。

另外，用不同的序列DNA按时间的流逝进行投放，一旦出现污染，只要检测出其中的DNA序列就可以分辨出造成污染的时间段，以及污染物的迁徙规律。而且我们还可以对DNA序列进行无限组编码（进行时间编码）比如分辨到小时以及多年不重复，也可以循环编码：比如按周或按月循环编码，减少工作量。

这个监控方法建立起来后可以广泛应用于环境保护，安全食品追踪，产品防伪质量跟踪等等。对国民经济起到一个非常良好的促进作用。符合科学发展观，对社会的诚信机制起到一个以技术促法制的作用。（本文是作者2014年美国全球EST会议演讲稿节选。）