水污染生物監測和檢測方法及其研究進展

1 引言

        生物監測是系統地利用生物反應來評價環境的變化，并將其信息應用于環境質量控制程序中的一門科學。生物監測的目的是希望在有害物質還未達到受納系統之前，在工廠或現場就以最快的速度把它檢測出來，以免破壞受納系統的生態平衡；或是能偵察出潛在的毒性，以免釀成更大的公害。

        生物監測是理化監測的重要補充，對于評價環境質量狀況有著十分重要的作用。理化監測一般只考慮瞬時污染狀況，要做到長期連續監測，在經濟上往往是不合適的。要了解污染的累積效應，采用生物監測更合適。同時，僅利用污染物質的濃度值來反映污染程度及危害也是不全面的，因為某些污染物質在環境中的含量極微不等于毒性極微，反之亦然。用生物監測進行配合，充分利用指示生物對污染物毒性反應的敏感性，便能較準確地反映真實的污染狀況。

2 水污染的生物監測

2.1 水污染生物監測的理論依據

        在一定條件下，水生生物群落和水環境之間互相聯系、互相制約，保持著自然的、暫時的相對平衡關系。水環境中進入的污染物質，必然作用于生物個體、種群和群落，影響生態系統中固有生物種群的數量、物種組成及其多樣性、穩定性、生產力以及生理狀況，使得一些水生生物逐漸消亡，而另一些水生生物則能繼續生存下去，個體和種群的數量逐漸增加。水污染生物監測就是利用這些變化來表征水環境質量的變化。

2.2 水污染生物監測的特點

        同理化監測相比，生物監測有自己的特點：生物監測能反映各種污染物的綜合影響；理化監測是定期采樣，結果不能反映采樣前、后的情況，而水中生物，匯集了整個生長期環境因素改變的情況；有些水生生物對污染物很敏感，有些連精密儀器都測不出的微量元素的濃度，卻能通過“生物放大”作用在生物體內積累而被測出。

        生物監測也有自己的不足之處：生物監測不能定性和定量地測定水質污染；檢測的靈敏性和專一性方面不如理化檢測；某些生物檢測需時較長。

2.3 水污染生物監測的方法

        2.3.1利用指示生物在水體中的出現或消失、數量的多少來監測水質

         許木啟利用白洋淀水體中浮游動物群落優勢種的變化來判斷水體的污染程度和自凈程度。結果表明，府河—白洋淀水體從上游至下游，浮游動物耐污種類逐漸減少，廣布型種類逐漸出現較多，在下游許多正常水體出現的種類均有分布；同時，原生動物由上游的鞭毛蟲至中游出現纖毛蟲，在下游則發現很多一般分布在清潔型水體的種類，表明府河—白洋淀水體從上游到下游水體的污染程度不斷減輕，水體具有明顯而穩定的自凈功能。

        2.3.2利用水生生物群落結構的變化來監測水質

        蔣昭鳳等用底棲動物的變化趨勢評價湘江水質污染，結果發現湘江干流底棲大型無脊椎動物種類數和物種的多樣性指數從上游到下游呈減少趨勢，表明毒殺生物的有毒物質對湘江的污染較為明顯，并且可根據湘江干流各斷面種類數的減少程度判斷出各斷面的污染程度；同時也觀察到，隨著時間的推移，底棲大型無脊椎動物種類數和多樣性指數也呈減少趨勢，說明這種有毒污染仍在發展之中。

        2.3.3水污染的生物測試

        水污染的生物測試是利用水生生物受到污染物質的毒害所產生的生理機能的變化，測試水質污染狀況。

        Belding 根據魚的呼吸變化指示有毒環境，在有污染物存在的情況下，魚腮呼吸加快且無規律。德國從1977年開始研究利用魚的正趨流性開展生物監測，在下游設強光區或適度電擊，控制健康魚向下游的活動；或間歇性提高水流速度，迫使魚反應。如果魚不能維持在上游的位置，則表明污染產生了危害。

3 國內外水污染生物監測的研究進展

        近幾年來，應用生物監測環境技術的研究廣泛開展，出現了一些新方法、新材料和新的監測物，提高了生物檢測的靈敏性。

3.1 水污染生物監測及其檢測的新方法

3.1.1 利用遺傳毒理學監測水體污染

        環境污染物質對人類及其它生物危害最為嚴重的問題是對細胞遺傳物質造成的損害。因此，近20年來環境生物檢測技術的研究和應用，尤其是細胞微核技術和四分體微核技術在動植物以及人類染色體受外界理化因子的損傷等方面的分析、誘變劑的測試篩選，以及應用于環境監測的研究得到了廣泛的發展。微核在生物細胞內的形成途徑以及與染色體畸變的相關性早已被人們所認識，用微核測定法替代染色體畸變方法來監測環境污染物對生物遺傳物質的損傷具有簡便、快速、靈敏度高等優點。最常用的蠶豆根尖細胞微核試驗技術是一種以染色體損傷及紡錘絲毒性等為測試終點的植物微核監測方法，該技術自1982年由Degrassi等建立以來，在環境誘變和致癌因子的檢測研究中，特別是在水質污染和致突變劑檢測研究中得到了廣泛應用。

        吳甘霖]在利用水花生根尖微核技術（MCN）對馬鞍山市廢水的監測研究中，發現利用水花生根尖微核可作為監測水體污染的新材料。其根尖細胞微核率 MCN（‰），不僅可用于監測不同廢水的污染程度，而且由于該植物長期生活在污染水體中，還能反映不同廢水的污染物富集程度及現狀。當外界環境中存在一定濃度的致突變物時，可使細胞發生損傷，從而使微核細胞率上升。另外微核細胞率的上升，提示環境中存在有致突變物，即受試水樣中含有能打斷DNA分子的誘變劑或能打斷紡錘絲的紡錘絲毒劑，從而表現出遺傳毒性。

        單細胞凝膠電泳（SCGE），即彗星試驗也是一種通過檢測DNA鏈損傷來判別遺傳毒性的技術。它比微核試驗更有益，因為環境中的遺傳毒物濃度一般很低，而彗星試驗檢測低濃度遺傳毒物具有高度靈敏性，所研究的細胞不需要處于有絲分裂期。同時，這種技術只需要少量細胞。目前它已經被用于檢測哺乳動物、蚯蚓、一些高等植物、魚類、兩棲動物以及海洋無脊椎動物的細胞。Mirjana Pavlica等 用暴露在五氯苯酚（PCP）中的淡水蚌類（Dreissena polymorpha Pallas）血細胞進行彗星試驗，觀察血細胞中DNA損傷程度。在進行實驗室實驗和原位實驗后，發現高濃度的PCP(80g/L)會引起血細胞中DNA斷裂，表明用彗星試驗檢測DNA損傷能夠監測水體中PCP污染。

        SOS顯色法是國內在20世紀80年代發展起來的一種遺傳毒性檢測新方法，具有快速、準確、靈敏及假陽性率低的特點，被廣泛用于遺傳毒性的測定中。其原理是：在DNA分子受到外因引起的大范圍損傷、其復制又受到抑制的情況下，會導致一種容易發生錯誤的修復。所有這些在遺傳毒物處理后大腸桿菌中出現的一系列反應統稱為SOS應答。SOS顯色法有許多優于Ames的特點：（1）快速、簡便，測定過程只需7ｈ；（2）靈敏，被處理的細胞全產生或不產生SOS反應，用分光光度法測定β-ONPG(鄰硝基苯β-Ｄ-半乳糖苷)分解產物非常靈敏；（3）準確，SOS顯色法測定的是遺傳毒物對細胞原發的直接反應，其陽性結果十分可信，而Ames試驗的假陽性率較高。因此，SOS顯色法已引起人們的密切關注，成為一種值得推廣的水質監測評價方法。

        3.1.2 微型生物監測（PFU法）

        以前生物監測的研究重點多放在分類和結構方面。然而，生物系統的結構變化并非總與生物系統的其它變化相關聯，僅以某個種類、某個種群構成的生物反應系統的變化來評價一個水生生態系統，其偏差較大。因此，為掌握水生生態系統對環境污染的完整反應，要求我們在生物系統（細胞、組織、個體、種群、群落、生態系統）中選擇超出單一種類水平即群落或生態系統來作為生物監測的生物反應系統，并對該系統的結構和功能變化均進行研究。美國Cains創建了用聚氨酯泡沫塑料塊（簡寫為PFU）測定微型生物群落的結構和功能參數，進而進行監測預報的新方法。中科院水生所沈韞芬研究員把PFU應用到生物監測中，并使PFU法成為我國生物監測的一種標準方法。PFU法適用于原生動物、藻類對水質的檢測。此方法可以鑒別水體是有機污染還是毒性污染。

        尹福祥、楊立輝應用PFU法對某印染廠印染廢水處理設施的凈化效能進行了監測。結果表明，微型生物群落的結構參數和功能參數均較好地反映了印染廢水的凈化效果。與經典的生物監測方法相比，PFU法由單一監測結構(或功能 )參數轉變為結構參數（種類組成、優勢種）和功能參數（群集參數）同時監測，提高了生物監測的信息捕獲能力，并使監測信息能更完整、準確、精密地評價環境狀況。PFU法可快速、準確地監測水質的突變，通過1d的試驗結果就能預測、預報受納系統環境質量的狀態及其變化過程。某樣點的群集曲線突然大幅下降，說明該點的水質發生了突變，應調查有無事故性排放。

        由于潮汐流和環流的影響，PFU法用于海水水質監測的有效性不如在淡水中監測。Kuidong Xu等用一種改良的PFU法—瓶裝聚氨酯泡沫塑料塊（BPFU）法進行海水的生物監測。BPFU法是將2塊聚氨酯泡沫塑料塊裝入1個圓柱形塑料瓶中，塑料瓶有4道裂縫，用于保護聚氨酯泡沫塑料塊不受粗糙條件的干擾，同時便于微生物群落進入聚氨酯泡沫塑料塊，達到平衡。BPFU法比傳統的PFU法在海水生物監測中的優越性體現在：⑴取樣穩定；⑵海水生物評價結構和功能的精確性；⑶定量比較時可以保持水體積的穩定性。實驗結果表明，用BPFU法進行海水生物監測比PFU法更加有效。通過BPFU法聚集的物種數量隨污染物強度的增大而減少，減少程度大于PFU法。由BPFU法計算出的多樣性指數同樣也高于PFU法。

        3.1.3  應用分子生態毒理學方法監測水體污染

        隨著社會的進步，生物技術也在不斷地發展，在此基礎上逐步形成了分子生態毒理學。分子生態毒理學采用現代分子生物學方法與技術，研究污染物及代謝產物與細胞內大分子，包括蛋白質、核酸、酶的相互作用，找出作用的靶位或靶分子，并揭示其作用機理，從而能對在個體、種群、群落或生態系統水平上的影響作出預報，具有很大的預測價值。目前最常用的是把腺三磷酶作為生物學標志，方法是測定體內三磷酸腺苷酶ATPase的活性，并以其活性強弱作為多種污染物脅迫的指標[15]。

        Petrovi S等通過測定貽貝 (Mytilus galloprovincialis Lam.)消化腺上皮細胞中的溶酶體（Lysosome）膜的穩定性和金屬硫蛋白（Metallothionein,MT）的含量來監測水體中有毒物質。貽貝消化腺上皮細胞中的溶酶體是有毒物質積累滯留的主要場所，同時它在排泄有毒污染物質的過程中起著關鍵作用。溶酶體中的有毒物質會削弱膜的穩定性，減少產生水解作用的溶酶體酶向細胞溶質中擴散。MT是動物對周圍環境中過量金屬的一種防御機制，能夠阻止有毒物質及其代謝產物產生的細胞毒素對有機體產生影響。一般來說，監測MT的方法比監測組織中金屬總量更可行，因為這種方法可以將胞內具有顯著毒理效應的金屬結合片段與不可利用的金屬絡合物區分出來。因此貽貝消化腺上皮細胞中的溶酶體膜的穩定性和金屬硫蛋白的含量的測定可以作為水體環境有毒物質變化的早期警報。

        近年來，生物體內膽堿脂酶活性的測定已經成為海水和淡水水體污染的一種監測工具。由于環境中的有機磷農藥和氨基甲酸鹽殺蟲劑與底物乙酰膽堿的分子形狀類似，能與酶酯基的活性中心發生不可逆的鍵合從而抑制酶活性，因此它可以用來評價有機體在殺蟲劑和毒害神經的污染物質（如重金屬）中的暴露程度。Mohamed Dellali等用蛤和貽貝監測瀉湖的水體污染，結果表明，蛤和貽貝體內乙酰膽堿脂酶的活性能很好地反映當地水體的污染狀況。

        3.1.4水生生物環境診斷技術

        用常規的毒性測試可以檢測污染嚴重水體的毒性，但對于低毒性水體，用常規的毒性試驗難以檢測到其毒性水平。為此，日本NUS株式會社開發出一種低毒性水體的新的生物測試方法——水生生物環境診斷技術（Aquatic Organisms Environment Diagnostics，簡稱AOD。該方法采用冷凍濃縮技術 ,將低毒性水體樣品中的部分水分脫出，使水樣中的毒理成分合理地濃縮，再進行生物毒性試驗，進而判定水體的毒性水平。AOD技術所選用的測試魚要求體積較小，同時要滿足測試生物所必備的高敏感性、取材方便、便于飼養或繁殖、品系純等條件。目前，AOD主要采用紅鰭魚（Ｔ.albnubes）和淡水蝦（P.compressa）作測試生物。

        3.1.5 幼蟲變態實驗

        近年來，對于以海洋無脊椎動物的胚胎和幼蟲期毒性實驗研究較為廣泛。然而研究表明，浮游幼蟲變態比現有的生物個體水平的毒性實驗指標更為敏感。海洋底棲無脊椎動物幼蟲的變態期是其生活史的關鍵階段，變態期的幼體對污染物的敏感性要高于其它階段，胚胎發生和幼蟲發育不受影響的污染物濃度會阻礙其變態。幼蟲的變態過程易于觀察（受到外來信息物質的調控），易受環境污染的干擾。與死亡率比較，能否在附著基表面順利變態是監測污染物毒性的更敏感的指標。

        3.1.6 四膜蟲 (Tetrahymena pyriformis) 刺泡發射法

        四膜蟲是一種淡水單細胞生物，生長速度快、繁殖量大，實驗室內易無菌培養和控制，適用于水質監測。以前應用四膜蟲監測水質都是通過測試四膜蟲的生長曲線和繁殖曲線等生物學特征來反映水質變化情況。然而四膜蟲個體差異小、對化學毒物敏感，在誘變實驗中無須添加活化酶、自發突變率低，也是一種理想的致突變試驗材料。四膜蟲的刺泡是附著在細胞質表面，由基粒分化而來，垂直胞質排列，當外界環境因子觸發可誘導刺泡發射，形成顯微鏡下可見的分泌泡。吳偉等用陽性致突變物誘發四膜蟲刺泡發射，試驗結果表明，四膜蟲對致突變陽性物質相當敏感，且有劑量效應關系。因此利用四膜蟲刺泡發射是評價水體中化學物質致突變的一種快速、簡便、良好的方法。

3.2 水污染生物監測的新材料和新的監測物

        近年來，水污染生物監測不僅出現了一些新的方法，同時也出現了一些新材料、新的監測物。席玉英、韓鳳英等對長葉異痣蟌［Ischnura elegans（VanderLinden）］體內汞含量及與水體汞污染的關系進行了研究，結果發現，長葉異痣蟌對水體汞具有富集性，富集倍數高達5448～7600倍，可作為水體汞污染的監測生物。其中雌性長葉異痣蟌體內汞含量樣體（同時、同地采集的）間存在很大差異，因此可作為水體汞污染的定性研究，不宜作為水體汞污染的定量監測。而雄性長葉異痣蟌體內汞含量樣本間的差異則不顯著，并且雄性長葉異痣蟌體內汞含量隨水體汞含量的增加及時間的延長而增加，可作為水體汞污染的指示生物。

        Flammarion P等通過測定白鮭(Leuciscus cephalus)體內膽堿脂酶的活性來監測水體污染，發現白鮭可以成為很好的水體污染監測工具。而Khan R A等用比目魚(Pleuronectes americanus)體內乙氧基-異吩噁唑酮-脫乙基酶（EthoxyresorufinO－Deethylase，EROD）活性的強弱來判斷紐芬蘭島水體的污染狀況，發現它也有很好的監測效果。

        Kahle J等測定一種橈腳類動物Metridia gerlachei對威德爾海中痕量金屬的生物累積率，發現Metridia gerlachei對Co、Cu、Ni、 Pb 、 Zn等金屬元素的敏感度較高，可以作為海水中金屬元素的監測物。而Rainbow P S 等利用藤壺監測香港海域中痕量金屬，同樣也得到很好的效果。

         劉綺進行了一種新的生物監測方法研究。他以孵化好的Ⅱ～Ⅲ期鹵蟲為受試生物，實驗研究了K2Cr2O7、HgCl2、As2O3、KCN、六六六、苯酚、苯7種物質對鹵蟲的中毒閾值和 LC50 -24h（Leathal Concentration 50-24h, 24 h半致死濃度）的測定，闡明了該方法具有操作簡便、快速、覆蓋面寬、技術易掌握、所需設備不復雜等特點。此生物監測方法在環境科學與工程中的研究和應用可進一步擴展到對入江、河、海的工業排放物的檢毒、農藥殘留量分析、真菌毒素分析等廣泛領域。

4  結語

        水資源的不斷短缺，水體污染的不斷惡化，要求水污染監測技術不斷完善。而利用水生生物監測水體，能真實地反映水環境質量狀況，且具有對毒物靈敏度高、所需儀器簡單等優點。目前，水污染生物監測的方法和監測物正不斷更新，其靈敏度也越來越高。某些方法能夠對特定某種或某幾種污染物質的存在作出響應，可以實現傳統生物監測方法無法實現的水體中某種物質的定性檢測。由于現有的水生生物監測技術仍然難以確定水體中污染物的種類組成和含量，因此，在條件許可的情況下，應采取多種方法進行綜合監測，以確保監測結果的準確性和完整性。