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管道之梦:从水管道中挖掘健康信息

July 7, 2017 聚焦 Comments Off on 管道之梦:从水管道中挖掘健康信息

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地下水盖

我们大多数人对废弃物都抱着“冲了它,忘掉它”的态度,但是对于Rolf Halden这样的科学家来说,我们丢掉的废弃物可以带来人群化学物暴露的宝贵信息。Halden是亚利桑那州立大学生物设计研究所(Biodesign Institute)的一名环境科学家,他主管“国家污水污泥储存库”(National Sewage Sludge Repository),该储存库拥有从美国200多个地点收集的数百个未经处理的污水污泥样本。

样品瓶中装着从未经处理的污水中得到的棕黑色泥浆,Halden团队的博士后助理研究员Arjunkrishna Venkatesan说道,“这里面有冲进厕所的所有东西,如果你从下水道检修孔采集样本,采样器会被堵塞,你会采集到头发、避孕套以及各种各样的东西。”实验室的工作人员过滤掉大部分固体后,将样品冻存。

尽管污水样品可能令人恶心,但是储存库有助于开辟一个所谓“污水化学信息挖掘(sewage chemical-information mining, SCIM)”的领域。该领域采用流往污水处理厂的污水作为评价人群化学物质暴露的工具,而这种暴露用其他方式评价是不太可行的。其他研究正着眼于从污水污泥(废水处理后留下的固态物质)中获取可蓄积于人体的化学物质的有关信息。另一种被称为“生物污水化学信息挖掘”(BioSCIM)的方法,它通过测定污水中的生物标志物以评估社区的整体健康状况。

SCIM最初于2001年起步,当时科学家们猜测可以从城市下水道收集的未经处理的废水中检测到可卡因、海洛因和病毒等违禁药品的代谢产物。SCIM的这种特殊用途最初被称为“污水流行病学”。这项技术已在欧洲测试成功,最近通过该技术已获得安特卫普、斯德哥尔摩和伦敦等城市的人均药物使用量。

目前,污水流行病学被应用于违禁药物之外的其他物质。自2010年以来,Halden就此发表了近50篇论文。一项研究根据污水污泥中的含量计算人均化学品消耗量,并估计应用到商品中的70种以上的药物及其他化学物的暴露水平。Halden表示,“这项工作让我们了解到一个国家的化学脉搏。”

冰箱里的取样品

国家污水污泥储存库的冷藏柜里有数百个从美国200多个地点采集的、未经处理的污水和污泥样品。©Arjunkrishna Venkatesan

污泥调查
作为1972年《清洁水法案》通过的一部分,美国环境保护局(EPA)制定了安全处理污水污泥的规范,并对评估全国的污泥以了解污泥的化学成分。这对于经过处理的污水污泥来说尤为重要,它们常被用作农业化肥。迄今为止,EPA已进行了4次全国调查,最近的一次对城市污水处理厂的污水污泥样品中的二噁英、药品及个人护理用品(PPCPs)、溴化阻燃剂、9种不同的重金属、细菌、病毒和寄生虫进行检测。

PPCPs最早受到关注始于EPA的高级研究科学家Christian Daughton和同事Thomas A. Ternes发表在1999年发表的一篇报告中。他们指出,污水是化学物以较低水平悄然进入环境的一种渠道。愈加明确的是,PPCPs和其他所谓的新兴污染物(那些首次被检测到的或环境中含量越来越多的化学物质)容易被忽略并保留在处理过的水合污水污泥中,然后又回到环境中并在某些情况下蓄积于包括人在内的生物体内。

Daughton表示,“我们不知道那里面含有这些化学物质,这可能为我们带来健康问题,我们也没有想到去分析这些化学物质。污水时常被忽视,人们不认为它们存在于环境中,人们也不乐于利用它们。”

测定人们对所有商品中的化学物质的暴露水平是无法实现的。甚至测定其中一小部分都可能是极其昂贵的,充分了解这些化学物的体内积存量需要从数千个体中收集血液、尿液、头发和粪便样本。然而,废水和残留的污泥含有大量人体的尿液和粪便,而又有大量像这样的废水和污泥。由于样本无法与个体联系在一起,所以研究人员不用担心获得受试者的知情同意或机构审查委员会的批准。

EPA在2001年全国污水污泥调查中开始对新兴污染物进行测定,收集了来自32个州和哥伦比亚地区的94个污水处理厂的样品。但是,EPA最后获得的样品数量多于它们能用到的样品数。Halden当时在约翰·霍普金斯的公共卫生学院任教,当被问及是否有兴趣利用剩下的样品时,他抓住了机会。Halden表示,“我知道这些东西虽然很难闻,但这犹如一个人类健康的观测站。”

让污泥发挥作用
自2001年以来,Halden一直在研究应用广泛的抗菌剂三氯生和三氯卡班。 2002年,数百万磅的三氯生和三氯卡班被添加到从牙膏到塑料的诸多商品中。Halden在巴尔的摩城区的工作显示,三氯卡班在当时可能是水中10大最常见的有机污染物之一。 Halden表示,这些产品的市场估值为8.86亿美元,但有关它们和其他商业上重要的化学物的公开可用的生产数据不明确,无法用于确定化学物消耗的逐年趋势。(与此同时,他的研究工作促使这些化合物在许多产品中被淘汰使用)。

此外,没有人知道这些产品在环境中究竟发生了什么,经过处理的废水中残留多少,用于农耕肥料的生物固体中含有多少,以及日常生活中人们的实际暴露水平为多少。Halden相信国家污水污泥储存库的样品可以提供一些答案。

废水处理过程涉及多个物理、化学和微生物过程,以清除废水中的物体(包括从卫生纸、卫生棉条到动物尸体的一切),并消除有机物、有害微生物和其他污染物。经此处理的水可进一步处理而成为饮用水。

考虑到该过程是为了降解多种化学物质,Halden不确定他是否能够在污水污泥中可检测出抗菌剂。 但2010年发布的初步分析显示,污水污泥中不仅可检测到三氯生和三氯卡班,其含量占该团队在生物固体中检出的PPCPs总量的三分之二,远高于Halden的预期水平。这两种化学物每年在全美污水污泥中的含量高达210到250公吨,它们随着化肥再次被施到农田中,然后随着时间的推移蓄积于土壤里。

Halden从一开始就知道,简单地测量污泥中三氯生和三氯卡班的含量并不能准确反映人类的暴露水平。许多包含这两种抗菌剂的产品(如肥皂和牙膏)在与人体接触后被冲洗掉。因此,他检测了原始的和经过处理的污水污泥中三氯三苯和三氯卡班的代谢产物(如2′-羟基-3,4,4′-三氯苯胺)含量,以更加精确地评估经摄入、吸入及皮肤接触的暴露水平。

化学产品生产-使用-排出-富集/沉淀图

Halden和他的同事采用液相色谱-质谱联法检测污泥样品中抗菌剂代谢产物的含量。接着,他们根据废水处理厂覆盖的人口,推算出人均暴露水平。他们调整了工业、农业和商业对废水的贡献及最近出现的天气事件(在美国东部,排水管道和卫生污水管道在到达处理厂之前通常合二为一,所以降雨会对污水产生稀释作用;而在西部,这两种管道通常是分开的)。

“在观察化合物本身而非仅观察其代谢产物时,我们已发现在污水污泥中的化学物的类型、数量与疾病控制与预防中心 (CDC)在人体检测的结果呈显著正向线性关系,说明该技术可提供人体化学物负荷的有关信息,”Venkatesan如此表示,“它在我们手中可成为一个实时筛查工具,缩小检测范围,并以花费不高的方式揭示数百万人的化学组成和潜在暴露水平。”

除了三氯生和三氯卡班,Halden和Venkatesan在污泥中还发现了121种新的污染物。污泥中检测到的化学品中约有70%可在“美国国家健康和营养调查”(National Health and Nutrition Examination Survey, NHANES)收集的人体组织样本中检测到。这些研究人员首次证明污水污泥可对人体环境污染物暴露提供合理准确的检测。

扩大检测范围
与传统评价人体环境污染物暴露的方法相比,污水流行病学的优势愈加明显。 作为NHANES的一部分,CDC收集尿液和血液样品,检测其中从重金属(如铅,铜,砷和汞等)到常用驱虫剂DEET等诸多化学物。在环境研究领域,NHANES是庞大的,自它成立以来已调查了超过14万美国人。而2006~2007年“国家污水污泥调查”(National Sewage Sludge Survey)收集的数据提供了化学物检测的有关信息,作者们认为以上信息可推及超过3300家服务全美数百万人口的污水处理厂。考虑到这些优势,以及早期在污水污泥中测定三氯生和三氯卡班的成功经验,Halden和博士后Venkatesan开始对他们所研究的化学物清单进行扩展。

当在污水和污泥样品中选择何种化合物进行研究时,科学家们不能只是盲目地测定样品。一方面,并不是所有的化学无都能进入污泥,特别是那些水溶性较高的药物。在污泥中易被发现的那些化学物更可能是疏水性的,因而是脂溶性的。 “污泥中残留的化学物是持久的。它们不会在下水道或废水处理厂中降解,因此它们可以蓄积在污泥中,”Venkatesan表示,“蓄积于污泥中的化学物也可能会蓄积于人体内。”

Halden清单中的部分化合物是其他PPCP,包含一长串的处方药物(包括抗生素,抗抑郁药和他汀类药物)、非处方药(对乙酰氨基酚,布洛芬)和表面活性剂(包括烷基酚及其乙氧基化物和全氟化合物)。药物的消耗量随着处方数量而增加,Halden发现以上化学物在供水和生物固体中的含量也随之增加。2006~2007年度“国家污水污泥调查”结果显示,环丙沙星等抗生素长期存在于环境中,并在全美处于相对稳定的水平。

与三氯生和三氯卡班一样,污泥的原始数据显示,这些化学物中有多少可能会不慎重归土壤。 对于在处理过程中持续存在并蓄积于污泥中的化学物,它还为人体暴露和其他风险提供线索,如由污泥形成的土壤中微生物的抗生素耐药性。

经过处理后的持久性物质可进入由污水污泥制成的肥料中。这种在农业领域被广泛使用的土 壤改良方式可能导致人类活动来源的化学物进入食品。© Justin Kase zsixz/Alamy

Halden和他的团队继续扩展他们的化学物清单,并建立了与全球合作者共享污水污泥样本的系统。例如,纽约州卫生厅(New York State Department of Health)的环境科学家Kurunthachalam Kannan与Halden和其他科学家合作,发现污泥中存在双酚A及其化学替代品,尽管蓄积于生物固体中的含量仅能反映人体平均暴露量的一小部分。

Halden团队还检测到N-亚硝胺这种致癌物,它可能在污水处理的氯化消毒过程中产生,也可能来源于住宅及橡胶商品的生产。在其他研究中,他们测量了溴化阻燃剂及其衍生污染物的含量,包括多溴代二苯并二恶英和多溴代二苯并呋喃。Halden和Venkatesan还检测到全氟烷基物质(在各种工业、军事和消防过程中使用的、持久性的有毒化学物)和烷基酚聚氧乙烯醚(广泛使用的具有内分泌活性的商业及家用洗涤剂)。

德国慕尼黑技术大学(Technical University of Munich)的水利工程师Jörg Drewes表示,美国的生物固体中的这些化合物具有相对较高的浓度,这很让人担忧,因为它可以产生正反馈。人体高水平暴露意味着生物固体中的浓度将更高,使用这些生物固体作为肥料可使人类有额外的暴露途径。

“饮用水供应的简单范式是将污水和(经过处理的)饮用水分隔开。” Drewes表示,“这样的处理方式在过去几十年似乎是行之有效的,但当分析化学手段变得更加先进时,我们将能够检测更低的浓度,从而发现某些化学物存在于饮用水中。”

开放新的可能
Halden和Vankatesan表示,科学家们才刚刚从这种形式的研究中获得了皮毛。在NHANES和类似调查中化学物暴露的测定需要科学家们明确自己在寻找什么。液相色谱-质谱联用法的高灵敏度和特异性意味着研究人员可以对大量污水污泥中的化学物质进行准确无误的搜索。 当Halden和Vankatesan做到这一点时,他们能够追踪到以往在美国生物固体中未监测到的26种化学物,以及确定那些大量生产、存在各种潜在问题的化学物。

其他科学家正转向一个新的研究方向。在一项未发表的研究中,由米兰马里奥内格里药理学研究所(Mario Negri Institute for Pharmacological Research)的意大利研究员Sara Castiglioni领导的一个团队分析了空气污染严重的日子与沙丁胺醇及未经处理的废水中的代谢产物之间的关系。沙丁胺醇是哮喘患者使用吸入器时用的药物。Castiglioni的工作是在不同时间点检测这些物质,以此评价哮喘症状的增加。她表示,“我们正试图去研究支气管扩张剂的使用是否对应空气中颗粒物水平较高的日子。

污水污泥的调查发现了几十种不同浓度的人类活动来源的化学物,包括a)药物和个人护理产品中的化合物,b)表面活性剂,c)全氟化合物,d) 溴化阻燃剂。国家污水污泥储存库的样品分析结果表明存在,以前未受监测的化合物含量(橙色条柱)。数据来源:Venkatesan et al. (2015)

不过,这项研究并非没有缺陷。它评估的是一个群体的人均暴露水平,而非个体暴露水平。收集有关群体的化学物暴露信息本身也存在不确定性,因为人口处于不断流动的状态。一个地区中有的人会离开,另一些人可能会因为做生意而进入该地区,而强降雨或冰雪融化也会对污水处理系统中的水量造成影响。

Drewes 表示,“我们需要区分发生水平和暴露程度。”因为在污水系统中检测的未经代谢的“母体”化学物也可以反映人们在厕所冲掉的未服用的药物的情况。

尽管有这些缺陷,Halden和其他人依然认为,下水道里流淌着的这些化学物信息可为人类健康带来有价值的见解。“这就像是微生物菌群,”他表示,“尽管有测定的方法,但是没有人想了解我们身体上所有的微生物。这是一个广阔的领域。”

洞悉群体健康
EPA的Daughton于2001年发表的著作是采用污水监测评估群体人均暴露水平及群体健康的基础。在2012年,他第一个提出了内源性生物标志物可用来评估一个特定人群中的生物应激或疾病的实际水平——这就是BioSCIM。

Daughton表示,“在这项研究之前,污水监测的是人类活动来源的化学物,它们不适于反映应激或健康状况。”他的工作首次表明,可采用所有应激源来综合评估健康状况,而非仅选择一类化学物的暴露进行评估。

最近,Daughton在关注一种被称为异前列腺素的分子,它是体内氧化应激的标志物。高水平的氧化应激是各种急、慢性疾病的特征,其中包括糖尿病、心脏病、癌症和肥胖症,还可反映各种不健康的行为(例如吸烟)和生活方式。 Daughton希望通过检测下水道系统中异前列腺素的水平(或许多其他可能的生物标志物的水平)可大致反映群体的健康状况。2015年发表的报告表明,监测污水中异前列腺素浓度的分析方法具有可行性。 不过,他表示仍需要更多的研究来证明这种做法全面可行。

Daughton还认为,通过监测废水中的微生物的特征可估计肥胖趋势,因为肥胖个体往往具有异于正常体重人群的肠道微生物菌群特征。2015年报道的初步研究证实,实际情况可能也是如此。研究人员发现,尽管人类肠道微生物约占污水中细菌DNA的15%,但是它们涵盖了的粪便中发现的97%的物种。 进一步的数据分析显示,它们可以用来预测其样本中的细菌是来自“瘦”或“肥胖”的城市(由肥胖居民的百分比确定),预测精确度可达81%~89%。

Daughton表示,“在过去15年里,污水终被视为化学信息的来源,但是其中哪些信息可以挖掘,我们该如何使用这些信息?”

这个领域才刚起步。麻省理工学院的研究人员最近研发出一种“智能下水道”,未来也许能够通过监测污水中的细菌和病毒来预测传染病爆发。在欧洲,一项名为“药物使用与人类健康风险评估新模式:群体水平的污水分析”(SEWPROF)的研究项目希望为刚起步的科学家提供资助,以改进废水分析技术及确定可追踪人类健康的生物标志物。由欧洲科技合作(Cooperation in Science and Technology, COST)发起的另一项倡议也致力于通过识别污水生物标志物来改善群体健康。

Daughton表示,未来可能会发现其他的用途。“举一个其他特殊用途的例子,比如实时估测群体人口规模,这在以前是不可能的,”他说。 “人口规模的实时估测对于SCIM而言至关重要,因为它需要更准确地推算人均水平。”

对大多数人来说,和污水打交道仍然是一件臭气熏天且令人厌恶的事情,需要给水管工打个电话,还需要一双皮实的橡胶手套。但是被我们许多人轻视的臭气熏天的污水,它却可以为科学家们在群体水平上提供低成本、几乎实时的人群健康评估。“这将代表着追踪公共卫生趋势和问题的模式转变。” Daughton如此说道。

Halden从另一个角度描述道, “这是一条信息高速公路,”他说,“由于我们的无知,海量的信息的几乎完全未被挖掘出来。”

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作者介绍:Carrie Arnold,现居于弗吉尼亚州,自由科学作家。其著作曾发表在《科学美国人》(Scientific American)、《探索》(Discover)、《新科学人》(New Scientist)、《史密森尼》(Smithsonian)及其它杂志。

译自EHP 124(5):A86–A91 (2016)

翻译:杨 迪

*本文参考文献请浏览英文原文

原文链接

http://dx.doi.org/10.1289/ehp.124-A86