生物監測技術在環境監測中的應用研究

黃桂平

(遵化市環境保護局,河北 遵化 064200)

1 引言

隨著社會的發展,人口劇增,環境污染日趨嚴重。治理污染,保護環境已成為全人類的呼聲。利用現代化的監測儀器和手段對污染物進行理化分析,是環境監測的常規方法。然而隨著對環境污染認識地不斷深入,污染對生物群及人類健康的影響逐漸顯現出來。僅僅依靠理化監測不能反映出污染物對生物體及生態系統影響的綜合效應,因此利用生物對環境污染進行監測,從不同層次上分析污染危害程度,已經成為一種被廣為接受的環境監測手段。

利用生物的基因、結構、種群或群落對環境污染或環境變化所產生的反應進行分析,從生物學的角度提供依據,稱為生物監測。生物監測技術誕生于20世紀初,經歷了一個從宏觀生物水平到微觀的細胞水平、基因水平等地逐步深化的過程。20世紀90年代,分子生物學和細胞生物學研究的迅速進步,以及信息科學技術的突飛猛進,生物監測技術進入了一個全新的發展時期。

2 生物監測的內涵

生物監測的理論基礎來自生態監測理論。污染物進入環境后,將對生態系統產生影響,引起系統原有結構和功能改變。在分子性能上,會激活或抑制酶活性,改變蛋白質的合成。在細胞結構上,會引起細胞膜的改變,破壞內質網、線粒體等。在表象上,會導致動物死亡,行為改變,或者抑制其生長發育與繁殖等。在植物表象上表現為生長速度變化,發育受阻,黃化及早熟等。在種群水平上的表象是引起種群數量或密度的改變,物種比例的變化,競爭關系和遺傳基礎的改變,引起群落中優勢種群、數量、以及種群多樣性的改變。

早期的微核試驗,是以細胞中的微核數量為指標,監測污染物對染色體的損傷。環境中存在的污染物越多,誘發生物染色體的損害也越嚴重,其微核率也就越高。小白鼠血紅細胞微核試驗、蠶豆根尖細胞微核試驗等都表明,污染因子引發染色體異常和微核率之間有較好的相關性。BC5試驗(“鼠傷寒沙門氏菌”肝微粒體試驗法)是目前最著名的一種常規監測方法,用于快速檢測和篩選環境中致突變物和與致癌物。當環境誘變劑或經肝微粒體酶轉化的誘變劑作用于鼠傷寒沙門氏菌組氨酸營養缺陷型系列菌株,使其發生突變,就能在不加生物素和組氨酸的培養基上生長,計數回復突變的菌落數來評價污染物的誘變力。20年來,用這一方法對數百種化學品進行了試驗。結果表明,回復率與化學品的遺傳毒性之間有較高的相關性。BC5試驗成功地運用于多重金屬、環芳烴、農藥和各類污水或廢水等多種污染物的遺傳毒性檢測。

隨著生物技術地發展,電泳技術和DNA技術也被用于進行環境污染評價。16srDNA技術可以準確地表現待測環境中原核微生物的種類。Roane f213通過16srDNA序列技術,對毒性金屬污染和無污染的水中微生物進行檢測。獲得細菌在基因水平上的多樣性,通過對不同環境下原核微生物的16srDNA序列比較,證明金屬污染的水體中可培養的細菌微生物數量和種類減少了。以后發展的變形梯度凝膠電泳技術能夠把長度相同但序列不同的DNA片段區分開來,通過比較微生物種群多樣性變化,預測環境污染的程度。

3 生物監測在環境監測中的實際應用

3.1 大氣污染的生物監測

大氣污染是通過對大氣環境下生物監測確定大氣的環境質量水平。在生物體系中,植物更易遭受大氣污染的傷害,植物固定生長的特點使其無法避開污染物。對大氣污染的反應敏感性強,本身位置的固定,便于監測與管理,大氣污染的生物監測主要是利用植物進行監測。對大氣污染反應靈敏,用以指示和反映大氣污染狀況的植物,稱為大氣污染的指示植物,較常用的大氣污染的指示植物有以下幾種。

3.1.1 SO2指示植物

主要為地衣、落葉松、苔蘚、杜仲、水衫等。其典型癥狀為葉脈間顯現塊狀傷斑,也可能在葉緣,傷斑多呈紅棕色或土黃色。

3.1.2 氟化物指示植物

主要是有唐昌蒲、金線草、郁金香、大蒜、葡萄苔蘚、杏、梅等。典型癥狀為葉尖多見傷斑,少數在葉脈之間,傷斑一般為淺褐、紅褐色,壞死部分與健康部分存在明顯的界線。

3.1.3 NO2指示植物

應用較多的有向日葵、番茄、秋海棠、柑桔、煙草等。典型癥狀為葉脈間有不規則傷斑,呈現白、棕色或黃褐色,也可能全葉點狀傷斑。

3.2 水體污染的生物監測

在天然水域中的各種水生生物之間,以及和賴以生存的水環境之間,相互依存、相互制約,一旦水體被污染,水環境改變,各種水生物會產生不同的反應,從而構成水體污染監測的生物學根據。水體污染的生物監測的方法主要有以下幾種。

3.2.1 微型生物群落監測法

微型生物群是水體系統的重要部分,對水體污染有敏感的反應。最常用的方法是聚氨酯泡沫塑料塊法,特點是將這種泡沫塑料塊投入水體,收集其中的微型生物。基質的使用不受時間和空間的限制,相對于其它的生物群落法,具有快速、經濟和準確等優點,也適用于工業廢水的監測。

3.2.2 指示生物法

指示生物法是最經典的水體污染的生物監測方法之一。利用對水環境中污染物敏感的生物種類的存在或缺失,來指示其所依賴的水體內污染物的存在狀況。指示生物應具有生命周期長,活動范圍固定等特點,便于持久地反映污染物對水體的綜合影響。主要包括浮游動物、底棲動物、魚類和著生生物。從分類地位看,無脊椎動物地應用最廣泛。指示水體嚴重污染的生物包括顫蚓類、細長搖靜裸藻、蚊幼蟲、小顫藻等。指示水體中等污染的生物包括四角盤星藻、居櫛水蚤、脆弱剛毛藻等。指示水體清潔的生物包括扁蜉、蜻蜓、田螺等。

3.3 土壤污染的生物監測

土壤污染所產生的影響大都是間接的。通過土壤農作物、人體及土壤、地下水(地表水)、人體,這兩個最基本的環節對人體產生影響。因此土壤污染的生物監測,包括土壤污染物對農作物生長發育的影響,對土壤微生物的影響。

3.3.1 植物監測法

利用土壤污染的指示植物進行監測。土壤受到污染后,污染物對植物產生各種反應“信號”,產生可見癥狀,生理代謝異常,如葉片上出現傷斑,蒸騰率降低、呼吸作用加強,生長發育受阻,植物成分發生變化等。

3.3.2 動物監測法

利用動物監測土壤的污染程度最常見的選擇對象是蚯蚓,蚯蚓對土壤中的農藥、鉛等有較高的敏感性,此外蚯蚓體中的鎘的濃度與土壤中鎘的濃度明顯相關,是一種有實用價值的土壤鎘監測的指示動物。

3.3.3 微生物監測法

主要是通過監測土壤中微生物群落的變化來反映土壤受到生物污染的狀況。人糞尿是土壤生物污染的主要污染源,其次污水灌溉也可引起土壤的生物污染。通過對土壤中異養菌(主要是細菌、放線菌和霉菌)的分離和計數,觀察和了解受測土壤中微生物群系的結構和數量的改變,從而評價土壤被微生物所污染的狀況及程度。

4 生物監測的發展趨勢和前景

生物監測主要是利用有機體對污染物的反應來直接表征環境質量的好壞及污染的程度。環境污染的效應從根本上是對以人為主體核心的生物系統造成影響。因此生物監測對環境素質的優劣具有指示作用。但是生物監測對象的復雜性,反過來又使生物監測的操作面臨許多問題。如其靈敏性、快速性和精確性等都需進一步提高,其對生物學知識和技術的依賴性決定需要以生命科學的理論和實踐作為基礎和指導。污染不僅會對生物的行為、形態、數量、種群或群落結構產生影響,而且可能造成細胞結構和遺傳物質的破壞,導致機體畸變、致癌和變異。這些復雜的生物系統會給分析帶來更多的困難。此外選擇的指標生物在自然環境中,除受污染物影響外,還受到季節、氣候、地域、病蟲害、土壤等因素的影響,因此建立標準化的監測方法,使獲得結果可比性強,才具有應用價值。

90年代以來,我國也開展了一系列的環境、資源和污染的調查與研究工作,建立了多個監測站。但我國尚未建立起完善的生態監測網絡,雖然有關部門和系統相繼建立了一些生態研究觀測站、定位站和生態監測站,從事一定的生態監測工作,但仍處于分散和不規范的階段,沒有形成可直接應用于生態監測工作的成熟的技術體系。生態監測是一項復雜的系統工程,對環境監測提出了更高的要求。從生態監測的自身特點可以預見,生態監測的總體趨勢是技術和監測相結合,從宏觀和微觀角度全面審視生態質量,網絡設計趨于一體化,考慮全球生態質量,在生態質量評價上逐步從生態質量現狀評價轉為生態風險評價,提供早期預警。在信息管理上強調廣泛采用地理信息系統,加強國與國之間的合作。隨著經濟地發展,資源、人口、環境問題日益嚴峻,生態監測是環境監測發展的必然趨勢,而生物監測是生態監測最主要的手段。

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