水质监测中基于体外生物 assay 的化学合规性筛查

《Environmental Science & Technology Letters》：Screening for Chemical Compliance in Water Quality Monitoring with In Vitro Bioassays

　　

生物assay已在水质监测中证明其用途。本研究提出一种新颖框架，部署生物assay以实现与法规阈值相关的合规筛查。研究人员从生物活性数据推导化学物的生物分析等效浓度，为每个生物assay响应计算生物分析风险商百分比（Bioanalytical Risk Quotient percentage，BRQ%）：即可能超过其质量基准（Quality Standard，QS）的化学物百分比。若生物assay响应指示BRQ0，则在该生物assay中具有已知生物活性的单个化学物均未超过其QS。若响应提示某些候选物可能超QS，则该超标程度可指导优先选择化学物交由仪器分析确证。覆盖所有相关化学物需多个生物assay。作为概念验证，研究人员用6个生物assay组成的电池对100次地表水监测事件评估其与荷兰饮用水法规的合规性。任何水样均无法保证完全合规，化学物潜在不合规中位数达13%。该框架可更广泛应用，如人体健康或环境QS、多种基质或特定许可的合规测试。

研究背景方面，清洁饮用水对人体健康至关重要。欧洲饮用水指令（European Drinking Water Directive，EU DWD）为饮用水源设定严格化学质量基准（Quality Standard，QS），使大量化学物包括新兴污染物合规测试任务繁重。传统靶向化学方法检测单体浓度，因相关化学物种类多，全量分析成本高、耗时长。体外（in vitro）生物assay能灵敏检测化学物特定效应，结合样品富集可在远低于健康相关暴露浓度下产生可检响应，且只要化学物触发其模式即可检测无限种类化学物。生物assay可用于新水源适用性评估、风险指示、处理效率评价和常规监测，但将其作为带数值目标（导则值或QS）的水质度量此前不在范畴内。研究人员由此提出新范式：生物assay用于显式测试化学QS合规性。该方法以最差情形由单化学物诱导响应，推导各化学物最大可能浓度，计算BRQ_%，识别哪些化学物可能超QS及程度，从而优先化仪器确证；BRQ_%=0即BRQ₀可作为基于效应测量的数值监管目标；多生物assay电池互补覆盖是框架关键。

作者为开展研究用到的主要关键技术方法如下：以荷兰REWAB标签将QS关联至2228种带CAS号化学物；从ToxCast数据库获取单体化学物浓度-响应曲线，选取Nrf2、ERα、细胞毒性、PXR、DNA损伤、抗PR共6个代表多效应类型的生物assay；因无实测响应，采用in silico方式生成荷兰地表水生物assay响应；以硫菌灵（thiabendazole，TBZ）为参考物将所有响应表示为TBZeq（μg/L）；用相对效应 potency（Relative Effect Potency，REP）由AC50推导单体BEQ，再算风险商（Risk Quotient，RQ）=BEQ/QS，统计RQ>1化学物占比得BRQ_%；用最敏感生物assay校正得BRQ_jadj%，取各化学物最低RQ整合得组合BRQ_comb%；概念验证样本为荷兰地表水100次监测事件。

研究结果部分保留小标题说明。Chemical QS for Assessing Compliance with the Dutch DWR：研究人员依荷兰DWR中特定化学物、农药（0.1 μg/L）、人为化学物（1 μg/L）等QS，通过REWAB标签关联2228种化学物；6个ToxCast生物assay中493种具生物活性，证明电池可覆盖部分受管制化学物。Bioactivity Data Collection and Bioassay Selection：研究人员选6个ToxCast生物assay，分别覆盖氧化应激适应、内分泌干扰、顶端细胞活性、异生物质代谢、DNA损伤、孕激素拮抗；表中各assay唯一生物活性和荷兰DWR化学物数不同，说明化学覆盖互补。In Silico Bioassay Responses in Dutch Surface Waters：因无选定assay实测数据，研究人员用in silico计算荷兰地表水响应以演示框架并阐释合规解释。Calculating Bioassay-Based Compliance：研究人员以BEQ_yj为起点，用REP_ij=AC50_yj/AC50_ij将响应转为单体BEQ_ij，再由RQ_ij=BEQ_ij/QS_i判断超QS可能，BRQ_j%=RQ>1化学物数/该assay活性化学物数×100；蓝绿黄橙红紫分级使合规风险可解释，BRQ₀为全合规。Integrating Bioassay Battery BRQ_%s：研究人员提出BRQ_jadj%用最敏感assay限定可能浓度，再取所有电池中每化学物最低RQ算BRQ_comb%，把多assay结果合成单一样本整体不合规百分比，降低单assay高估。

讨论部分中，研究人员指出概念验证显示6个生物assay电池表明荷兰地表水对DWR存在中度不合规风险，中位BRQ为13%化学物可能超QS；若未来更敏感互补assay加入，BRQ可能更低。荷兰既有靶向监测也证实多化学物常超QS。该框架把生物assay响应与法规限值定量连接，用RQ最大幅值优先化确证分析，补充化学与效应监测；非合规时后续措施可针对少量候选物、经济高效。框架不限于饮用水源，也可用于饮用水本身、地表水、食品、空气、功能组群或排放许可阈值，合规性随QS严宽变化。WHO回用水指南、欧盟水框架指令修订要求效应法监测有害混合物（尤其雌激素化学物）、加州2018年起要求ERα与AhR生物assay监测间接回用再生水，均说明生物assay监管化趋势；BRQ₀作为数值目标有助生物分析工具落地和效应水质监测法律嵌入。

研究结论部分翻译：概念验证表明，本研究所含生物assay共同指示地表水样对荷兰DWR存在中度不合规风险，中位BRQ为13%化学物可能超过其QS。若未来识别出比现有assay对化学物响应更敏感的互补生物assay，BRQ百分比可能降低。荷兰广泛化学靶向监测项目显示多种化学物在实践中确实经常超QS。所提框架在生物assay响应与法规限值间建立定量联系，可识别潜在超标并支持确证分析优先化，补充既有化学分析与效应监测。当结果指示不合规时，后续措施可针对少量候选分析物，更具靶向且经济。该框架不仅适用于饮用水源QS合规，也涵盖饮用水、地表水、食品或空气中阈值、特定化学物功能组群及排放许可所列化学物合规；所选QS严格程度不同，合规性结果亦不同。生物assay在WHO回用指南、欧盟水框架指令更新、加州再生水监测中被反复认定为有前景工具；框架以BRQ₀为数值阈值，可推动生物assay作为生物分析工具进一步实施，并促成效应水质监测策略的法律嵌入。