生物監(jiān)測(cè)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

張明杰

摘 要：生物監(jiān)測(cè)是應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一門(mén)新興技術(shù)，是指利用生物個(gè)體、種群或群落對(duì)環(huán)境污染或變化所產(chǎn)生的反應(yīng)，從生物學(xué)角度對(duì)環(huán)境污染狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，具有長(zhǎng)期性、連續(xù)性、綜合性及靈敏性等特點(diǎn)。文中綜述了生物監(jiān)測(cè)的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。

關(guān)鍵詞：生物監(jiān)測(cè)；水環(huán)境監(jiān)測(cè)；應(yīng)用

0 引言

理化檢測(cè)技術(shù)能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行定量和定性，因而正確評(píng)價(jià)水環(huán)境和準(zhǔn)確鑒定水污染事件時(shí)，可以其成果作為依據(jù)。然而，理化檢測(cè)僅僅只能對(duì)污染短時(shí)間內(nèi)的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測(cè)，在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中達(dá)不到理想的效果，同時(shí)，在對(duì)水質(zhì)變化特點(diǎn)與將來(lái)的變化趨勢(shì)等方面的把握上存在嚴(yán)重不足。為有效解決理化檢測(cè)技術(shù)存在的問(wèn)題，進(jìn)而產(chǎn)生了生物監(jiān)測(cè)。生物監(jiān)測(cè)即為通過(guò)全面使用生物反應(yīng)對(duì)環(huán)境變化進(jìn)行評(píng)價(jià)的一門(mén)科學(xué)，并且能實(shí)現(xiàn)在環(huán)境質(zhì)量控制程序中的有效應(yīng)用。

1 生物監(jiān)測(cè)的原理

生物和環(huán)境之間相輔相成，具有緊密的聯(lián)系和影響，在環(huán)境中，改變了各種理化條件，因而會(huì)對(duì)在這一環(huán)境當(dāng)中生活的生物遭受一定的影響，并且生物體內(nèi)部生理功能和種間關(guān)系也會(huì)受到進(jìn)一步影響，生態(tài)平衡被打破，反過(guò)來(lái)生物又會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。可見(jiàn)兩者之間的聯(lián)系，正是由于生物和環(huán)境兩者之間存在協(xié)同進(jìn)化與一致性，所以為環(huán)境質(zhì)量生物監(jiān)測(cè)奠定良好的生物學(xué)基礎(chǔ)。在各類(lèi)文獻(xiàn)資料中，對(duì)生物監(jiān)測(cè)的定義不一致。聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署作出的界定即為對(duì)具有生命的生物體所受到的人為壓力的靈敏度的測(cè)定；美國(guó)國(guó)家環(huán)保局也給出了定義，即為利用具有生命的活著的生物體對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行的測(cè)定。實(shí)際上為同一原理，也就是通過(guò)水生生物個(gè)體、種群與群落的數(shù)量、性質(zhì)、健康情況、生理特點(diǎn)等的變化將水環(huán)境質(zhì)量的變化展現(xiàn)出來(lái)，明確環(huán)境污染的具體情況，并基于生物學(xué)的視角有效監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量。

2 生物監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)

在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中，理化監(jiān)測(cè)具有操作便捷、高效快速的優(yōu)勢(shì)，然而對(duì)于水環(huán)境質(zhì)量整體監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)，理化監(jiān)測(cè)又存在較大的限制，難以將污染的綜合性和對(duì)生物毒性產(chǎn)生的影響全面細(xì)致地展現(xiàn)出來(lái)。而長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)不斷地生物監(jiān)測(cè)的效果更好，更具直觀(guān)性，能高效全面地展現(xiàn)影響和變化。相比一般的理化監(jiān)測(cè)方法，生物監(jiān)測(cè)的主要特點(diǎn)如下：（1）在某一范圍之內(nèi)生活的生物能全面地展現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間形成的污染情況，而理化監(jiān)測(cè)僅僅針對(duì)取樣這一階段內(nèi)的污染情況，生物監(jiān)測(cè)能實(shí)現(xiàn)連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)有效性。（2）一些生物對(duì)部分污染物具有極高的敏感度，能監(jiān)測(cè)出細(xì)致的微量污染物形成的反應(yīng)，而這些反應(yīng)往往甚至是精密儀器都難以監(jiān)測(cè)出來(lái)，同時(shí)會(huì)存在對(duì)應(yīng)的受損傷的效應(yīng)，產(chǎn)生直觀(guān)的效果。（3）在生態(tài)系統(tǒng)中，通過(guò)食物鏈可以將微量有毒物質(zhì)予以富集，當(dāng)?shù)竭_(dá)該食物鏈末梢時(shí)，可將污染物濃度提高到數(shù)萬(wàn)倍。（4）因?yàn)橐环N生物對(duì)不同的污染物產(chǎn)生反應(yīng)而表現(xiàn)出不同癥狀，所以生物監(jiān)測(cè)更具多樣性，監(jiān)測(cè)功能更加多樣化。（5）理化監(jiān)測(cè)只能監(jiān)測(cè)特定條件下水環(huán)境中污染物的類(lèi)別和含量，而生物監(jiān)測(cè)可以反映出多種污染物在自然條件下對(duì)生態(tài)的綜合影響，更加客觀(guān)、全面地監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)水體質(zhì)量。

3 生物監(jiān)測(cè)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 群落監(jiān)測(cè)

第一，水環(huán)境評(píng)價(jià)。在水體環(huán)境整體評(píng)價(jià)中，生物監(jiān)測(cè)擁有巨大的優(yōu)勢(shì)，利用水生生物群落和類(lèi)別的變化，能充分了解在長(zhǎng)期和短期時(shí)間內(nèi)，水體質(zhì)量的變化情況。例如，二十世紀(jì)就是年代，歐洲一些國(guó)家的植物營(yíng)養(yǎng)素對(duì)其水庫(kù)產(chǎn)生了極大的污染和破壞，在那個(gè)時(shí)候，迅速展開(kāi)了對(duì)水庫(kù)中各個(gè)時(shí)期生物的類(lèi)別和構(gòu)成的研究，對(duì)水體變化情況進(jìn)行充分了解，進(jìn)而加快凈化了水庫(kù)，極大影響著水庫(kù)的應(yīng)用功能；歐洲許多個(gè)國(guó)家都貫穿著萊茵河，長(zhǎng)時(shí)間遭受?chē)?yán)重污染，嚴(yán)重侵害了河流中的生物，經(jīng)過(guò)各個(gè)國(guó)家共同的不懈努力，該河水體質(zhì)量得到極大改善，原先消失的生物又重新在河道中出現(xiàn)。水生生物具有顯著的指示作用，不僅能從整體上展現(xiàn)采取環(huán)保舉措所達(dá)到的效果，而且能使人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量有更全面的了解。

第二，水域宏觀(guān)規(guī)劃。水生指示生物會(huì)隨環(huán)境的變化而出現(xiàn)一定的反應(yīng)，以此可掌握水體的質(zhì)量和類(lèi)型，應(yīng)將其有針對(duì)性地利用起來(lái)。比如，如果水體中生長(zhǎng)著較為旺盛的藻類(lèi)，就可以放養(yǎng)一些鰱魚(yú)、羅非魚(yú)等魚(yú)種。此類(lèi)魚(yú)的餌料主要為藻類(lèi)。這樣不僅可增加魚(yú)的產(chǎn)量，還能逐步減輕水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度，同時(shí)，也可以減少餌料的投入量。通過(guò)觀(guān)察和監(jiān)測(cè)水體中水生生物的群落結(jié)構(gòu)，了解相應(yīng)水域水體的類(lèi)別和性質(zhì)，可宏觀(guān)規(guī)劃水域，確定水體的相應(yīng)功能，最終達(dá)到合理劃分水域功能的目的。

3.2 生物測(cè)試

生物測(cè)試即為使用實(shí)驗(yàn)的手段，對(duì)生物所受到環(huán)境的污染和影響進(jìn)行研究和監(jiān)測(cè)，進(jìn)而對(duì)水體的質(zhì)量與受污染的情況進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，其主要應(yīng)用在以下兩方面：（1）對(duì)水中植物營(yíng)養(yǎng)素和生長(zhǎng)刺激激素的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)；（2）對(duì)生物散發(fā)的毒性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在宏觀(guān)與非定量評(píng)價(jià)中，群落監(jiān)測(cè)使用較多，然而在對(duì)水體的質(zhì)量與受污染情況進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，必須以生物測(cè)試為依據(jù)。其包括以下兩方面：第一，生物傳感器。固定化細(xì)胞核和固定化酶技術(shù)應(yīng)用于生物傳感器之中，并把生物學(xué)元件當(dāng)做是功能性識(shí)別原件，根據(jù)相關(guān)規(guī)律把識(shí)別和感知為目的的被測(cè)物轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺R(shí)別的信號(hào)。它的工作原理是在生物組分與待測(cè)對(duì)象之間生成相互作用，借助于電子組分檢出待測(cè)對(duì)象，并對(duì)其轉(zhuǎn)化，最終成為可以測(cè)量的電子信號(hào)。通常情況下，可以將生物傳感器劃分為多種類(lèi)型，比如細(xì)胞傳感器、免疫傳感器和DNA傳感器等，這樣劃分的依據(jù)是識(shí)別元件構(gòu)成材料的差異。第二，制訂環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。在水環(huán)境中生長(zhǎng)的生物個(gè)體因食物鏈和生長(zhǎng)需要，會(huì)在水環(huán)境中積累各種成本。在生物測(cè)試應(yīng)用中制訂水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必須將污染物在生物體內(nèi)的累積對(duì)生物生理機(jī)能和遺傳效應(yīng)產(chǎn)生的毒害納入考慮范圍內(nèi)。目前，我們已經(jīng)在飲用水中分離和鑒定了超過(guò)2000種有機(jī)化合物，但采用理化監(jiān)測(cè)無(wú)法識(shí)別這些化合物對(duì)人體的危害。而通過(guò)應(yīng)用生物監(jiān)測(cè)技術(shù)合理選擇受試生物和監(jiān)測(cè)條件，制訂出的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)更加合理、嚴(yán)格。此外，還可結(jié)合不同的水體，對(duì)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行差異化的制訂。

4 生物監(jiān)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 分子生態(tài)毒理學(xué)

分子生態(tài)毒理學(xué)采用現(xiàn)代分子生物學(xué)方法與技術(shù)，研究污染物及代謝產(chǎn)物與細(xì)胞內(nèi)大分子，包括蛋白質(zhì)、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(jī)理，從而能對(duì)在個(gè)體、種群、群落或生態(tài)系統(tǒng)水平上的影響作出預(yù)報(bào)，具有很大的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)價(jià)值。一般來(lái)說(shuō)，監(jiān)測(cè)MT的方法比監(jiān)測(cè)組織中金屬總量更可行，因?yàn)檫@種方法可以將胞內(nèi)具有顯著毒理效應(yīng)的金屬結(jié)合片段與不可利用的金屬絡(luò)合物區(qū)分開(kāi)來(lái)。因此貽貝消化腺上皮細(xì)胞中的溶酶體膜的穩(wěn)定性和金屬硫蛋白的含量的測(cè)定可以作為水體環(huán)境有毒物質(zhì)變化的早期警報(bào)。近年來(lái)，生物體內(nèi)膽堿脂酶活性的測(cè)定已經(jīng)成為海水和淡水水體污染的一種監(jiān)測(cè)工具。由于環(huán)境中的有機(jī)磷農(nóng)藥和氨基甲酸鹽殺蟲(chóng)劑與底物乙酰膽堿的分子形狀類(lèi)似，能與酶酯基的活性中心發(fā)生不可逆的鍵合從而抑制酶活性，因此它可以用來(lái)評(píng)價(jià)有機(jī)體在殺蟲(chóng)劑和毒害神經(jīng)的污染物質(zhì)中的暴露程度。

4.2 有效運(yùn)用生物傳感器

生物傳感器技術(shù)能在研究環(huán)境中低濃度污染物與沉積物中污染物上獲得廣泛應(yīng)用，發(fā)揮其在研究上巨大的潛力，生物傳感器即為集生物學(xué)、化學(xué)與物理學(xué)為一體的全新裝置，能結(jié)合生物的酶、亞細(xì)胞器以及細(xì)胞或組織對(duì)污染的反應(yīng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換形成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大系統(tǒng)展現(xiàn)出來(lái)，再利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理檢測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化。目前，這種生物傳感器技術(shù)可以對(duì)水質(zhì)的BOD進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)。當(dāng)然，生物傳感器的應(yīng)用在未來(lái)將向著高性能化、微型化、智能化和專(zhuān)業(yè)化方向發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

由于不斷深入開(kāi)展環(huán)境保護(hù)工作，生物監(jiān)測(cè)技術(shù)水平的日益提升，在將來(lái)環(huán)境監(jiān)測(cè)尤其是水環(huán)境監(jiān)測(cè)中，生物監(jiān)測(cè)的作用尤為顯著，并能得到廣泛應(yīng)用和普及。生物監(jiān)測(cè)作為能對(duì)綜合毒性進(jìn)行評(píng)價(jià)的一種良好的方法，在將來(lái)的研究和應(yīng)用中會(huì)引起人們的高度重視，特別是在監(jiān)測(cè)新型毒性物質(zhì)方面，其將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：偃師市環(huán)境保護(hù)局）