水污染生物监测和检测方法及其研究进展

水污染生物监测和检测方法及其研究进展陈鸣达良俊（华东师范大学环境科学系，上海200062）摘要扼要介绍了生物监测的理论、方法和特点。

综述了近年来水污染生物监测的发展趋势及其研究动态与方向。

阐述了水污染生物监测近期研究方向。

关键词：水污染生物监测研究进展1 引言生物监测是系统地利用生物反应来评价环境的变化，并将其信息应用于环境质量控制程序中的一门科学。

生物监测的目的是希望在有害物质还未达到受纳系统之前，在工厂或现场就以最快的速度把它检测出来，以免破坏受纳系统的生态平衡；或是能侦察出潜在的毒性，以免酿成更大的公害[1]。

生物监测是理化监测的重要补充，对于评价环境质量状况有着十分重要的作用。

理化监测一般只考虑瞬时污染状况，要做到长期连续监测，在经济上往往是不合适的。

要了解污染的累积效应，采用生物监测更合适。

同时，仅利用污染物质的浓度值来反映污染程度及危害也是不全面的，因为某些污染物质在环境中的含量极微不等于毒性极微，反之亦然。

用生物监测进行配合，充分利用指示生物对污染物毒性反应的敏感性，便能较准确地反映真实的污染状况。

2水污染的生物监测2.1 水污染生物监测的理论依据在一定条件下，水生生物群落和水环境之间互相联系、互相制约，保持着自然的、暂时的相对平衡关系。

水环境中进入的污染物质，必然作用于生物个体、种群和群落，影响生态系统中固有生物种群的数量、物种组成及其多样性、稳定性、生产力以及生理状况，使得一些水生生物逐渐消亡，而另一些水生生物则能继续生存下去，个体和种群的数量逐渐增加。

水污染生物监测就是利用这些变化来表征水环境质量的变化[2]。

2.2 水污染生物监测的特点同理化监测相比，生物监测有自己的特点：生物监测能反映各种污染物的综合影响；理化监测是定期采样，结果不能反映采样前、后的情况，而水中生物，汇集了整个生长期环境因素改变的情况；有些水生生物对污染物很敏感，有些连精密仪器都测不出的微量元素的浓度，却能通过“生物放大”作用在生物体内积累而被测出[2]。

生物监测也有自己的不足之处：生物监测不能定性和定量地测定水质污染；检测的灵敏性和专一性方面不如理化检测；某些生物检测需时较长。

2.3 水污染生物监测的方法2.3.1利用指示生物在水体中的出现或消失、数量的多少来监测水质许木启[3]利用白洋淀水体中浮游动物群落优势种的变化来判断水体的污染程度和自净程度。

结果表明，府河—白洋淀水体从上游至下游，浮游动物耐污种类逐渐减少，广布型种类逐渐出现较多，在下游许多正常水体出现的种类均有分布；同时，原生动物由上游的鞭毛虫至中游出现纤毛虫，在下游则发现很多一般分布在清洁型水体的种类，表明府河—白洋淀水体从上游到下游水体的污染程度不断减轻，水体具有明显而稳定的自净功能。

2.3.2利用水生生物群落结构的变化来监测水质蒋昭凤等[4]用底栖动物的变化趋势评价湘江水质污染，结果发现湘江干流底栖大型无脊椎动物种类数和物种的多样性指数从上游到下游呈减少趋势，表明毒杀生物的有毒物质对湘江的污染较为明显，并且可根据湘江干流各断面种类数的减少程度判断出各断面的污染程度；同时也观察到，随着时间的推移，底栖大型无脊椎动物种类数和多样性指数也呈减少趋势，说明这种有毒污染仍在发展之中。

2.3.3水污染的生物测试水污染的生物测试是利用水生生物受到污染物质的毒害所产生的生理机能的变化，测试水质污染状况。

Belding[5]根据鱼的呼吸变化指示有毒环境，在有污染物存在的情况下，鱼腮呼吸加快且无规律。

德国[6]从1977年开始研究利用鱼的正趋流性开展生物监测，在下游设强光区或适度电击，控制健康鱼向下游的活动；或间歇性提高水流速度，迫使鱼反应。

如果鱼不能维持在上游的位置，则表明污染产生了危害。

3国内外水污染生物监测的研究进展近几年来，应用生物监测环境技术的研究广泛开展，出现了一些新方法、新材料和新的监测物，提高了生物检测的灵敏性。

3.1 水污染生物监测及其检测的新方法3.1.1 利用遗传毒理学监测水体污染环境污染物质对人类及其它生物危害最为严重的问题是对细胞遗传物质造成的损害。

因此，近20年来环境生物检测技术的研究和应用，尤其是细胞微核技术和四分体微核技术在动植物以及人类染色体受外界理化因子的损伤等方面的分析、诱变剂的测试筛选，以及应用于环境监测的研究得到了广泛的发展[7]。

微核在生物细胞内的形成途径以及与染色体畸变的相关性早已被人们所认识，用微核测定法替代染色体畸变方法来监测环境污染物对生物遗传物质的损伤具有简便、快速、灵敏度高等优点。

最常用的蚕豆根尖细胞微核试验技术是一种以染色体损伤及纺锤丝毒性等为测试终点的植物微核监测方法，该技术自1982年由Degrassi等建立以来，在环境诱变和致癌因子的检测研究中，特别是在水质污染和致突变剂检测研究中得到了广泛应用[8]。

吴甘霖[9]在利用水花生根尖微核技术（MCN）对马鞍山市废水的监测研究中，发现利用水花生根尖微核可作为监测水体污染的新材料。

其根尖细胞微核率MCN（‰），不仅可用于监测不同废水的污染程度，而且由于该植物长期生活在污染水体中，还能反映不同废水的污染物富集程度及现状。

当外界环境中存在一定浓度的致突变物时，可使细胞发生损伤，从而使微核细胞率上升。

另外微核细胞率的上升，提示环境中存在有致突变物，即受试水样中含有能打断DNA分子的诱变剂或能打断纺锤丝的纺锤丝毒剂，从而表现出遗传毒性。

单细胞凝胶电泳（SCGE），即彗星试验也是一种通过检测DNA链损伤来判别遗传毒性的技术。

它比微核试验更有益，因为环境中的遗传毒物浓度一般很低，而彗星试验检测低浓度遗传毒物具有高度灵敏性，所研究的细胞不需要处于有丝分裂期。

同时，这种技术只需要少量细胞。

目前它已经被用于检测哺乳动物、蚯蚓、一些高等植物、鱼类、两栖动物以及海洋无脊椎动物的细胞[11]。

Mirjana Pavlica等[10]用暴露在五氯苯酚（PCP）中的淡水蚌类（Dreissena polymorpha Pallas）血细胞进行彗星试验，观察血细胞中DNA损伤程度。

在进行实验室实验和原位实验后，发现高浓度的PCP(80g/L)会引起血细胞中DNA断裂，表明用彗星试验检测DNA损伤能够监测水体中PCP污染。

SOS显色法[12]是国内在20世纪80年代发展起来的一种遗传毒性检测新方法，具有快速、准确、灵敏及假阳性率低的特点，被广泛用于遗传毒性的测定中。

其原理是：在DNA分子受到外因引起的大范围损伤、其复制又受到抑制的情况下，会导致一种容易发生错误的修复。

所有这些在遗传毒物处理后大肠杆菌中出现的一系列反应统称为SOS应答。

SOS显色法有许多优于Ames的特点：（1）快速、简便，测定过程只需7ｈ；（2）灵敏，被处理的细胞全产生或不产生SOS反应，用分光光度法测定β-ONPG(邻硝基苯β-Ｄ-半乳糖苷)分解产物非常灵敏；（3）准确，SOS显色法测定的是遗传毒物对细胞原发的直接反应，其阳性结果十分可信，而Ames试验的假阳性率较高。

因此，SOS显色法已引起人们的密切关注，成为一种值得推广的水质监测评价方法。

3.1.2 微型生物监测（PFU法）以前生物监测的研究重点多放在分类和结构方面。

然而，生物系统的结构变化并非总与生物系统的其它变化相关联，仅以某个种类、某个种群构成的生物反应系统的变化来评价一个水生生态系统，其偏差较大。

因此，为掌握水生生态系统对环境污染的完整反应，要求我们在生物系统（细胞、组织、个体、种群、群落、生态系统）中选择超出单一种类水平即群落或生态系统来作为生物监测的生物反应系统，并对该系统的结构和功能变化均进行研究。

美国Cains创建了用聚氨酯泡沫塑料块（简写为PFU）测定微型生物群落的结构和功能参数，进而进行监测预报的新方法。

中科院水生所沈韫芬研究员把PFU应用到生物监测中，并使PFU法成为我国生物监测的一种标准方法[13]。

PFU法适用于原生动物、藻类对水质的检测。

此方法可以鉴别水体是有机污染还是毒性污染。

尹福祥、杨立辉[13]应用PFU法对某印染厂印染废水处理设施的净化效能进行了监测。

结果表明，微型生物群落的结构参数和功能参数均较好地反映了印染废水的净化效果。

与经典的生物监测方法相比，PFU法由单一监测结构(或功能)参数转变为结构参数（种类组成、优势种）和功能参数（群集参数）同时监测，提高了生物监测的信息捕获能力，并使监测信息能更完整、准确、精密地评价环境状况。

PFU 法可快速、准确地监测水质的突变，通过1d的试验结果就能预测、预报受纳系统环境质量的状态及其变化过程。

某样点的群集曲线突然大幅下降，说明该点的水质发生了突变，应调查有无事故性排放。

由于潮汐流和环流的影响，PFU法用于海水水质监测的有效性不如在淡水中监测。

Kuidong Xu等[14]用一种改良的PFU法—瓶装聚氨酯泡沫塑料块（BPFU）法进行海水的生物监测。

BPFU法是将2块聚氨酯泡沫塑料块装入1个圆柱形塑料瓶中，塑料瓶有4道裂缝，用于保护聚氨酯泡沫塑料块不受粗糙条件的干扰，同时便于微生物群落进入聚氨酯泡沫塑料块，达到平衡。

BPFU法比传统的PFU法在海水生物监测中的优越性体现在：⑴取样稳定；⑵海水生物评价结构和功能的精确性；⑶定量比较时可以保持水体积的稳定性。

实验结果表明，用BPFU法进行海水生物监测比PFU法更加有效。

通过BPFU法聚集的物种数量随污染物强度的增大而减少，减少程度大于PFU法。

由BPFU法计算出的多样性指数同样也高于PFU法。

3.1.3 应用分子生态毒理学方法监测水体污染随着社会的进步，生物技术也在不断地发展，在此基础上逐步形成了分子生态毒理学。

分子生态毒理学采用现代分子生物学方法与技术，研究污染物及代谢产物与细胞内大分子，包括蛋白质、核酸、酶的相互作用，找出作用的靶位或靶分子，并揭示其作用机理，从而能对在个体、种群、群落或生态系统水平上的影响作出预报，具有很大的预测价值。

目前最常用的是把腺三磷酶作为生物学标志，方法是测定体内三磷酸腺苷酶A TPase的活性，并以其活性强弱作为多种污染物胁迫的指标[15]。

Petrovi S等[16]通过测定贻贝(Mytilus galloprovincialis Lam.)消化腺上皮细胞中的溶酶体（Lysosome）膜的稳定性和金属硫蛋白（Metallothionein,MT）的含量来监测水体中有毒物质。

贻贝消化腺上皮细胞中的溶酶体是有毒物质积累滞留的主要场所，同时它在排泄有毒污染物质的过程中起着关键作用。

溶酶体中的有毒物质会削弱膜的稳定性，减少产生水解作用的溶酶体酶向细胞溶质中扩散。

MT是动物对周围环境中过量金属的一种防御机制，能够阻止有毒物质及其代谢产物产生的细胞毒素对有机体产生影响。