水环境的生物监测方法及其应用

水环境的生物监测方法及其应用

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水环境的生物监测方法及其应用

摘要：近年来,水环境污染造成的危害事件频频发生,对水环境进行监测是科学进行水污染防治的基础。相对于传统的理化监测技术,生物监测方法具有敏感性、稳定性、多样性及长期性等优势,可直接、有效地反映水环境面临的生态风险。总结了生物监测方法的重要性、优势及主要监测生物类型;基于国内外大量文献,综述了水环境生物监测的主要生物类型——微生物、浮游植物、浮游动物、着生生物、底栖动物、高等水生植物和鱼类等监测方法的研究进展;对生物监测方法国内外的实践和应用进行了探讨,对生物监测方法未来的发展进行了展望。

长期、高强度的污染排放使水环境出现了诸如有毒化学品污染和水体富营养化等一系列问题,近年来,由有毒有害物质引起的水体毒害事件频频发生。有毒有害污染物往往是多种污染物的混合物,其相互作用和潜在的生态毒理作用非常复杂,这使得对水环境监测和评价的技术要求越来越高。目前,传统的物理和化学技术已难以完全满足监测的需求。生物监测是通过观察生物种群、数量、群落组成和结构、生物习性、生长繁殖甚至遗传特性的改变,从生物学的角度对环境污染状况进行监测和评价[1]。生物监测可以显示出所有化学物质的综合生态毒理效应,与传统监测技术相结合,可对水环境有更好的监测效果。我国于1986年颁布的《环境监测技术规范——生物监测(水环境部分)》规定了生物监测的基本任务,之后原国家环境保护局于1993年组织编写了《水生生物监测手册》,但目前该手册的局限性逐渐突显,迫切需要更新[2]。国外的生物监测发展相比国内来说更为广泛深入,但由于水生态系统的差异性和复杂性,并不能照摹照搬。笔者综述了水环境生物监测方法的研究进展,以期为我国生物监测技术在水环境领域的应用及水污染防治提供科学参考。

1 生物监测的重要性与优势

1.1 重要性

水环境的物理、化学监测主要通过确定污染物的浓度、来源以反映水质状况,但这些物理、化学指标并不能反映水污染对水生生物的影响,也不能解释水污染与水生生物的协同或拮抗作用。水体中同种污染物常以不同的化学形式存在,其流动性、潜在毒性、生物利用度有明显差异,而在水环境监测中,追踪每种污染物从技术与经济角度来讲并不可行。通过生物监测,分析水环境中污染物的生物利用度,可以直接反映污染物的生物效应,从而反映出其潜在的风险。此外,生物监测也可用作物理评估和化学毒性分析的补充,以解决复杂的水环境问题[3]。

1.2 优势

生物监测对水环境来说具有很大的现实意义,生物监测的优势在于:1)敏感性,指示生物对低浓度的污染物比较灵敏,某些生物甚至可以对微量污染表现出相应的效应;2)稳定性,指示生物的生存环境较为固定,与理化监测手段相比,可以较为方便

地在同一区域实现连续监测;3)多样性,水环境中生物种类繁多,可以反映出污染物的拮抗、协同等综合效应,同种生物对不同污染物的反应也不相同;4)长期性,生物监测结果可以将历史累积的污染状况反映出来,对慢性毒性的效应更为明显。因此,生物监测能够有效反映水环境状况,从而为采取科学预防措施和治理手段提供科学基础。

2 监测生物的主要类型

水环境的质量评估不仅要参考理化参数,还需要利用生物监测确定毒性作用并进行综合评价,从而明确水环境对人类健康的风险。常用于监测的生物类型:1)微生物,如绿菌门(Chlorobi)、放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)等;2)浮游植物,如蓝藻门(Cyanophyta)、绿藻门(Chlorophyta)、硅藻门(Bacillariophyta)等;3)浮游动物,如石蚕(Phryganea japonica)、扁蜉(Heptageniidae)[4]、水蚤(Daphnia)等;4)着生生物,如硅藻门、轮虫动物门(Rotifera)、壳顶幼虫(Umbo larvae)等[5];5)底栖动物,如牡蛎(Ostrea gigas tnunb)、贻贝(Mytilus galloprovincialis)、蚌(Anodonta woodianawoodiana)、摇蚊幼虫(Chirono)等[5];6)高等水生植物,如海菖蒲(Enhalus acodoides)、黄花水龙(Ludwigia peploides)等;7)鱼类,如红鼻剪刀鱼、马头鳅、虎皮鱼等[6]。虽然目前我国大多数地区仍采用以物理和化学监测为主的手段对水环境进行监测,但生物监测也得到了一定的发展,其中较为成熟的生物监测手段为对发光细菌、藻类、底栖动物等进行监测。近年来对生物传感器、行为监测法及其他生物监测新技术也在进一步探索之中[7]。

2.1 微生物

水体中的微生物个体、种群、群落及其在一定时间和空间范围内的水环境通过物质循环和能量流动组成了水体微生物生态。当前水环境中应用较多的微生物监测主要有对绿菌门、放线菌门、变形菌门、拟杆菌门(Bacteroidetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)等的监测[8],监测指标为群落多样性、群落结构、群落均匀度、优势细菌丰度等。其中发光细菌,包括明亮发光杆菌(Photosbacterium phosphoreum)、费氏弧菌(V. fischeri)和青海弧菌(V. qinhaiensis),由于其独特的生理特性,已被用作测定水环境中有毒物质的主要指标。

发光细菌广泛分布于水环境中,如沉积物和鱼鳞等,细菌发光主要依赖生物发光酶系统,该系统中的荧光酶为异二聚体蛋白质。当发光细菌暴露于有毒物质时,细菌荧光酶可被抑制且其光强度迅速降低。通过测量暴露于测试样品的细菌的光强度并与对照的细菌进行比较,可以量化化学物质对发光细菌的毒性。发光细菌不仅可用于测量急性毒性(5~30 min),也可基于细菌生长速率的变化用于评价慢性毒性

(12~24 h)[9]。该方法可广泛用于生活饮用水水质的安全评价、给水系统的毒性监测和海洋沉积物的综合毒性监测[10]。如费氏弧菌作为一种革兰氏阴性杆菌,既可与各种鱼类形成共生关系,又可独立生活,只需短时间的简单测试即可推断出水环境的物理、化学、微生物变化。经统计分析,费氏弧菌的毒性反应与电导率和浊度呈