在線生物監測技術及其應用研究簡述

摘 要 同化學分析或化學傳感器相比，在線生物監測技術具有靈敏度高、費用低、能夠綜合反映水質變化等優點。對目前國際上幾種在線生物監測技術進行了分析，列舉了該技術在不同領域的應用，表明該技術對重大水質污染事件等的早期預警具有不可替代的優點，也可作為化學品安全性評價中生物毒性研究的重要手段。

關鍵詞 在線生物檢測 水生生物 早期預警

中圖分類號 Q-33 文獻標識碼 E

水環境污染已引起越來越多的關注。在水質監測的各種方法中，化學監測方法有其自身優點。但僅僅依靠常規理化方法獲得的水體COD、BOD、TOD及濁度等指標已不能滿足正確評估水污染對人類危害的要求。而且，化學分析往往費時費力，還難以檢測到含量較小的大多數污染物，也就不能綜合分析環境中水生生物遭受毒物的協同作用等。隨著生物技術在環境科學中的應用，在線生物監測技術逐漸進入科研人員視野，并得到了越來越廣泛的應用。

1 水體污染的在線生物監測方法

生物監測是指利用群落、種群或生物個體對環境污染所產生的反應，通過生物學的方法，從生物學角度對環境污染狀況進行監測和評價的一種技術。其結果能反映水環境質量狀況、水環境質量變化對生物的影響和危害程度，是實現水環境監測的最直接有效的手段。常規生物監測方法有2種方式：主動法和被動法。主動監測中，包括人造或被修改種群的反應、物種行為方式、器官特殊功能及細胞和亞細胞水平上的事件都在毒性物質脅迫下進行；被動法監測中，生態系統的退化、敏感物種的消失和生物密度的降低都可看作在種群水平上環境污染表現的反面作用，并且在個體水平及組織、器官水平上所集聚的環境污染物也能被檢測到。

在線生物監測是主動生物監測方法中的一種，是利用對生活在水環境的生物個體行為生態變化進行實時監測的技術。在所有變化中，水生生物行為生態的變化對環境質量的變化最敏感的。在線生物監測技術通過對被污水體中水生生物運動方式、生活習性等行為生態改變的監測，實現水體在線監測目的。

由于用肉眼很難準確觀察到微型水生生物的運動行為，所以實際監測中引入了新型的在線生物監測儀(又稱生物早期預警系統，BEWS)。BEWS工作的基本原理是通過對水生生物行為活動的變化來推斷與之對應的環境質量的變化，由此感知污水對水生生物產生的脅迫。所以在線生物檢測技術的發展依賴于BEWS的發展。隨著科技的發展，各國在線生物監測技術經歷了最初簡單、單物種、單層次生物監測到現在進行復雜、多物種、多層次在線生物監測的過程。現今生物監測技術據傳感器類型可分為電場、磁場、聲波等形式。

2 在線生物監測技術在水質檢測中的應用

目前，國內外在線生物監測中，細胞及分子水平主要采用體內和體外實驗相結合的方法。水生生物在水環境的暴露實驗中，通過其細胞效應及內部特征性分子的分子效應的改變來實現對水體污染物的檢測。魚體肝臟內7－乙氧基異吩唑酮一脫乙基酶(EROD)是常用的分子及細胞水平生物標記物，其活性變化是水體安全性評價的重要指標。在個體水平上，因為水生生物的行為生態變化是其生理、生化指標變化的外在表現并且便于觀察，所以通過對水生生物行為生態變化程度的測定就能快速簡便地進行水質安全性評價。

用于在線生物監測的儀器已經從實驗室測試階段發展到現場試驗階段，在水質監測中日趨成熟。通過錄像追蹤和圖像分析，可得到生物運動行為及方式，也可通過測試管內電場、磁場等變化通過持續自動監測分析，獲得生物運動行為及方式變化。目前，可以在水體的各個不同層次進行在線生物監測。作為生物指示物的水生生物從無脊椎到脊椎動物不勝枚舉，如脊椎動物中的魚類、無脊椎動物中的蚤類、蚓類等。MFB(Multispecies Freshwater Biomonitor)是比較成熟的在線監測儀中的一種，它是利用測試管內水生生物對電場的影響來感知其行為生態變化，然后通過信號轉換器，將電信號轉換成圖像來加以分析的，幾乎可以利用所有水生生物在水體的不同層次進行在線生物監測。

大型蚤屬枝角類動物的一種，對其生存環境內化學組成的變化非常敏感，又因其具有高的出生率，所以大型蚤是一種標準的毒性試驗材料，可作為水質變化的生物指示物，目前已經在生活或工業污水、地表水、地下水以及生活飲用水等在線監測方面發揮著重要作用。由于大型蚤體型微小，對于MFB測試管來講，單個大型蚤引起的電場變化過于微弱，因此常用5～10只大型蚤。

總之，在線生物檢測技術能利用早期預警功能，通過所選擇的指示生物行為活動及其變化來反映水環境及其質量變化對生物的脅迫。作為一種新式生物技術，在線生物監測技術的優點有：幾乎所有水生生物(包括無脊椎動物和脊椎動物)都可以作為生物指示物用于在線生物監測；在線生物監測技術能夠同時利用處于不同營養級別、不同生活層次、對有毒物質有不同耐受力的生物進行生物檢測，克服了以一種生物作指示物的片面性；在線生物監測可通過大量重復，獲得足夠數據作為分析基礎。

3 在線生物監測存在的問題及展望

作為剛剛興起的技術，在線生物監測技術還存在很多不成熟的地方以及許多不容忽視的問題：

①在判定受試生物的運動行為變化上尚沒有明確標準，導致在很多方面不能給出明確的解釋或答案。

②受試生物除受環境污染物影響外，還受許多其他環境因子的影響。生物運動行為本身的復雜性導致結論偏差。

③低濃度水體污染物短期內的生物學效應不明顯，所以受試生物的運動行為變化也不會在短期內明顯顯示，給在線生物監測造成一定的難度。

④受試驗條件、技術分析方法等的制約，水體在線生物監測目前尚無法做到準確定量，因此，在線生物監測還應與理化檢測方法相結合，從而能夠對污染物引起的生物學綜合效應做出恰當評價。

總之，利用水生生物進行水質檢測的技術方興未艾，并且已經顯示出其巨大的生命力。特別是近年來數學分析與在線生物監測方法的完美協作，在線生物監測技術必將更加深入地開展下去，為人類環境的日漸優化做出應用貢獻。