摘要：近年來,水環(huán)境污染造成的危害事件頻頻發(fā)生,對水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測是科學(xué)進(jìn)行水污染防治的基礎(chǔ)。相對于傳統(tǒng)的理化監(jiān)測技術(shù),生物監(jiān)測方法具有敏感性、穩(wěn)定性、多樣性及長期性等優(yōu)勢,可直接、有效地反映水環(huán)境面臨的生態(tài)風(fēng)險?？偨Y(jié)了生物監(jiān)測方法的重要性、優(yōu)勢及主要監(jiān)測生物類型;基于國內(nèi)外大量文獻(xiàn),綜述了水環(huán)境生物監(jiān)測的主要生物類型——微生物、浮游植物、浮游動物、著生生物、底棲動物、高等水生植物和魚類等監(jiān)測方法的研究進(jìn)展;對生物監(jiān)測方法國內(nèi)外的實踐和應(yīng)用進(jìn)行了探討,對生物監(jiān)測方法未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

長期、高強度的污染排放使水環(huán)境出現(xiàn)了諸如有毒化學(xué)品污染和水體富營養(yǎng)化等一系列問題,近年來,由有毒有害物質(zhì)引起的水體毒害事件頻頻發(fā)生。有毒有害污染物往往是多種污染物的混合物,其相互作用和潛在的生態(tài)毒理作用非常復(fù)雜,這使得對水環(huán)境監(jiān)測和評價的技術(shù)要求越來越高。目前,傳統(tǒng)的物理和化學(xué)技術(shù)已難以完全滿足監(jiān)測的需求。生物監(jiān)測是通過觀察生物種群、數(shù)量、群落組成和結(jié)構(gòu)、生物習(xí)性、生長繁殖甚至遺傳特性的改變,從生物學(xué)的角度對環(huán)境污染狀況進(jìn)行監(jiān)測和評價[1]。生物監(jiān)測可以顯示出所有化學(xué)物質(zhì)的綜合生態(tài)毒理效應(yīng),與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合,可對水環(huán)境有更好的監(jiān)測效果。我國于1986年頒布的《環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范——生物監(jiān)測(水環(huán)境部分)》規(guī)定了生物監(jiān)測的基本任務(wù),之后原國家環(huán)境保護(hù)局于1993年組織編寫了《水生生物監(jiān)測手冊》,但目前該手冊的局限性逐漸突顯,迫切需要更新[2]。國外的生物監(jiān)測發(fā)展相比國內(nèi)來說更為廣泛深入,但由于水生態(tài)系統(tǒng)的差異性和復(fù)雜性,并不能照摹照搬。筆者綜述了水環(huán)境生物監(jiān)測方法的研究進(jìn)展,以期為我國生物監(jiān)測技術(shù)在水環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用及水污染防治提供科學(xué)參考。

1 生物監(jiān)測的重要性與優(yōu)勢

1.1 重要性

水環(huán)境的物理、化學(xué)監(jiān)測主要通過確定污染物的濃度、來源以反映水質(zhì)狀況,但這些物理、化學(xué)指標(biāo)并不能反映水污染對水生生物的影響,也不能解釋水污染與水生生物的協(xié)同或拮抗作用。水體中同種污染物常以不同的化學(xué)形式存在,其流動性、潛在毒性、生物利用度有明顯差異,而在水環(huán)境監(jiān)測中,追蹤每種污染物從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)角度來講并不可行。通過生物監(jiān)測,分析水環(huán)境中污染物的生物利用度,可以直接反映污染物的生物效應(yīng),從而反映出其潛在的風(fēng)險。此外,生物監(jiān)測也可用作物理評估和化學(xué)毒性分析的補充,以解決復(fù)雜的水環(huán)境問題[3]。

1.2 優(yōu)勢

生物監(jiān)測對水環(huán)境來說具有很大的現(xiàn)實意義,生物監(jiān)測的優(yōu)勢在于:1)敏感性,指示生物對低濃度的污染物比較靈敏,某些生物甚至可以對微量污染表現(xiàn)出相應(yīng)的效應(yīng);2)穩(wěn)定性,指示生物的生存環(huán)境較為固定,與理化監(jiān)測手段相比,可以較為方便地在同一區(qū)域?qū)崿F(xiàn)連續(xù)監(jiān)測;3)多樣性,水環(huán)境中生物種類繁多,可以反映出污染物的拮抗、協(xié)同等綜合效應(yīng),同種生物對不同污染物的反應(yīng)也不相同;4)長期性,生物監(jiān)測結(jié)果可以將歷史累積的污染狀況反映出來,對慢性毒性的效應(yīng)更為明顯。因此,生物監(jiān)測能夠有效反映水環(huán)境狀況,從而為采取科學(xué)預(yù)防措施和治理手段提供科學(xué)基礎(chǔ)。

2 監(jiān)測生物的主要類型

水環(huán)境的質(zhì)量評估不僅要參考理化參數(shù),還需要利用生物監(jiān)測確定毒性作用并進(jìn)行綜合評價,從而明確水環(huán)境對人類健康的風(fēng)險。常用于監(jiān)測的生物類型:1)微生物,如綠菌門(Chlorobi)、放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)等;2)浮游植物,如藍(lán)藻門(Cyanophyta)、綠藻門(Chlorophyta)、硅藻門(Bacillariophyta)等;3)浮游動物,如石蠶(Phryganea japonica)、扁蜉(Heptageniidae)[4]、水蚤(Daphnia)等;4)著生生物,如硅藻門、輪蟲動物門(Rotifera)、殼頂幼蟲(Umbo larvae)等[5];5)底棲動物,如牡蠣(Ostrea gigas tnunb)、貽貝(Mytilus galloprovincialis)、蚌(Anodonta woodianawoodiana)、搖蚊幼蟲(Chirono)等[5];6)高等水生植物,如海菖蒲(Enhalus acodoides)、黃花水龍(Ludwigia peploides)等;7)魚類,如紅鼻剪刀魚、馬頭鰍、虎皮魚等[6]。雖然目前我國大多數(shù)地區(qū)仍采用以物理和化學(xué)監(jiān)測為主的手段對水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測,但生物監(jiān)測也得到了一定的發(fā)展,其中較為成熟的生物監(jiān)測手段為對發(fā)光細(xì)菌、藻類、底棲動物等進(jìn)行監(jiān)測。近年來對生物傳感器、行為監(jiān)測法及其他生物監(jiān)測新技術(shù)也在進(jìn)一步探索之中[7]。

2.1 微生物

水體中的微生物個體、種群、群落及其在一定時間和空間范圍內(nèi)的水環(huán)境通過物質(zhì)循環(huán)和能量流動組成了水體微生物生態(tài)。當(dāng)前水環(huán)境中應(yīng)用較多的微生物監(jiān)測主要有對綠菌門、放線菌門、變形菌門、擬桿菌門(Bacteroidetes)、酸桿菌門(Acidobacteria)等的監(jiān)測[8],監(jiān)測指標(biāo)為群落多樣性、群落結(jié)構(gòu)、群落均勻度、優(yōu)勢細(xì)菌豐度等。其中發(fā)光細(xì)菌,包括明亮發(fā)光桿菌(Photosbacterium phosphoreum)、費氏弧菌(V. fischeri)和青海弧菌(V. qinhaiensis),由于其獨特的生理特性,已被用作測定水環(huán)境中有毒物質(zhì)的主要指標(biāo)。

發(fā)光細(xì)菌廣泛分布于水環(huán)境中,如沉積物和魚鱗等,細(xì)菌發(fā)光主要依賴生物發(fā)光酶系統(tǒng),該系統(tǒng)中的熒光酶為異二聚體蛋白質(zhì)。當(dāng)發(fā)光細(xì)菌暴露于有毒物質(zhì)時,細(xì)菌熒光酶可被抑制且其光強度迅速降低。通過測量暴露于測試樣品的細(xì)菌的光強度并與對照的細(xì)菌進(jìn)行比較,可以量化化學(xué)物質(zhì)對發(fā)光細(xì)菌的毒性。發(fā)光細(xì)菌不僅可用于測量急性毒性(5~30 min),也可基于細(xì)菌生長速率的變化用于評價慢性毒性(12~24 h)[9]。該方法可廣泛用于生活飲用水水質(zhì)的安全評價、給水系統(tǒng)的毒性監(jiān)測和海洋沉積物的綜合毒性監(jiān)測[10]。如費氏弧菌作為一種革蘭氏陰性桿菌,既可與各種魚類形成共生關(guān)系,又可獨立生活,只需短時間的簡單測試即可推斷出水環(huán)境的物理、化學(xué)、微生物變化。經(jīng)統(tǒng)計分析,費氏弧菌的毒性反應(yīng)與電導(dǎo)率和濁度呈負(fù)相關(guān),與糞大腸菌群數(shù),磷、鐵、汞、砷濃度和硬度呈正相關(guān)[11]。在微生物生物傳感方面,常用的技術(shù)包括電流分析法、電位法、電導(dǎo)法、伏安法、熒光法、生物發(fā)光法和比色法[12]。另外,細(xì)菌還用于基于氧消耗(細(xì)菌呼吸計)、硝化、細(xì)菌生長(濁度或細(xì)胞密度)的生態(tài)毒理學(xué)研究中[13]。

2.2 浮游植物

浮游植物是指在水中浮游生活的微小植物,通常指浮游藻類。近年來,由于合成洗滌劑的大量使用,污水中的磷含量明顯增加,而磷是藻類的營養(yǎng)物質(zhì),一旦過剩,會引起浮游植物代謝紊亂、功能失調(diào)等問題,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡、組織壞死,乃至中毒死亡。浮游植物是監(jiān)測水質(zhì)的指示生物之一,作為初級生產(chǎn)者,其對水生態(tài)系統(tǒng)的能量流動、物質(zhì)循環(huán)、信息傳遞具有重要作用。浮游植物一旦過量生長,將會導(dǎo)致水中有機物濃度增加、溶解氧濃度下降,致使水質(zhì)惡化,對水生生物極為不利。由于不同藻類對營養(yǎng)物質(zhì)的需求和反應(yīng)不同,因此通過對藻類的豐度、種類和化學(xué)組成進(jìn)行檢測,可以判斷水質(zhì)的綜合狀況[14]。水環(huán)境受到污染時,藻類的細(xì)胞密度和光合作用強度將隨之發(fā)生變化[1]。

藻類在水生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用,對水環(huán)境的變化反應(yīng)非常迅速[15],常被用于急性和慢性毒性測試,常從酯酶抑制、ATP能量損失、生長抑制、運動抑制和葉綠素?zé)晒獾确矫孢M(jìn)行評價[16]。綠藻門的石莼(Ulva lactucaL.)生長迅速,可以承受各種生態(tài)條件和高污染,具有較高的重金屬生物累積能力,常被用作污染的哨兵。石莼也是鎘、銅、錳和鉛的良好蓄積物[18]。此外,藻類生物測定還可用于評估有機污染物、油分散劑、廢水、固體廢物瀝濾液等的毒性。苯并芘(BaP)是一種已知的致癌物質(zhì),水體中BaP的來源主要有降水、儲水槽及管道涂層淋溶、水上行駛的船舶漏油、工業(yè)廢水排放和生物體合成等。BaP聚集在小球藻的脂質(zhì)體中后,可以使用熒光共焦顯微鏡和熒光壽命成像顯微鏡對其定位[17]。藻類生物監(jiān)測評估方法包括聚氨酯泡沫塑料塊法(PFU)、生物測試法、硅藻指數(shù)和藻類毒性計等[10]。

2.3 浮游動物

浮游動物是營浮游生活的異養(yǎng)型動物,主要包括無脊椎動物和脊索動物的幼體。它們無游泳能力或很弱,隨水流而漂動,是魚、貝類的重要餌料來源。浮游動物的數(shù)量和種類豐富,分布范圍極為廣泛。水體富營養(yǎng)化和水質(zhì)渾濁造成的水體缺氧,都會對浮游動物的群落組成、空間分布和豐度產(chǎn)生影響[19]。浮游動物的時空變化也受捕食壓力的影響,與魚類生物量之間存在統(tǒng)計學(xué)關(guān)聯(lián)[20]。

Kuklina等[21]研究表明,長期或高濃度暴露于亞硝酸鹽可能會降低小龍蝦等的存活率和適應(yīng)能力。濱岸蟹是一種可靠的生物標(biāo)志物,可用于河口或海洋模型的生態(tài)毒理學(xué)研究和環(huán)境質(zhì)量評估。因為其不僅對各種水體污染物敏感,且其生物反應(yīng)與暴露濃度或劑量有關(guān)[22]。Morabito等[23]研究表明,刺胞動物可以吸收、攝取或接觸海中的化學(xué)物質(zhì),構(gòu)成監(jiān)測環(huán)境質(zhì)量的重要模型,其具有高度特異性的刺細(xì)胞,細(xì)胞體積的改變可以監(jiān)測水環(huán)境中的重金屬等污染物。Sei等[24]研究表明,橈足類湯氏紡錘水蚤(Acartia tonsa)卵可以作為生物監(jiān)測器,用于評估缺氧條件下持久性污染物的毒性及硫化物在降低金屬生物毒性中的作用。除此之外,大型水蚤的死亡率和繁殖力等急性毒性測試指標(biāo)已被用于檢測飲用水和地表水中無機砷和農(nóng)藥的污染[10,25]。

2.4 著生生物

著生生物是積聚在人造或天然基質(zhì)表面的群落,主要由藻類、細(xì)菌、真菌和原生動物組成,是水環(huán)境污染的早期預(yù)警標(biāo)志物。與底棲動物一樣,著生生物有著豐富的多樣性和生物量,常用的監(jiān)測指標(biāo)有生物多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、藻類密度、總生物量等。其生物量常采用體積換算法[5]進(jìn)行計算,也可利用其群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測[26]。

對著生生物的監(jiān)測多采用人工基質(zhì)法,通過刮取、剝離基質(zhì)上的表層藻膜和生長物進(jìn)行樣品采集,在顯微鏡下進(jìn)行計數(shù)用以分析其生物量[5]。著生藻類中,藍(lán)藻類的藍(lán)纖維藻(Dactylococcopsis)和湖泊鞘絲藻(Lyngbya limnetica)是反映氮磷過營養(yǎng)化的指示藻類[27]。在某些污染水體已經(jīng)出現(xiàn)了耐污染種類,如聚縮蟲(Zoothamnium)密度過高導(dǎo)致其他生物生長受限[26]。另有研究表明,受三價鐵、銅、鋅等重金屬污染的河流,其生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為著生生物的生物量過于豐富,而底棲動物的種類和數(shù)量則明顯減少[28]。

2.5 底棲動物

底棲動物是指棲息于海洋或內(nèi)陸水域底部的動物,是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組分。底棲動物多為無脊椎動物,棲息形式多固著于巖石、泥沙等基底上,如牡蠣、蝦、貽貝和河蚌等。無脊椎動物可能受到高濃度的金屬和營養(yǎng)物、細(xì)沉積物以及流量特征的影響[29]。在水生態(tài)系統(tǒng)中,底棲無脊椎動物承擔(dān)著分解者的角色。目前,以底棲動物評價水質(zhì)和監(jiān)測水體污染已被廣泛采用,并取得了一定的效果。

越來越多的研究證實,底棲無脊椎動物在評估污染物對水環(huán)境影響方面具有關(guān)鍵作用。但選擇適當(dāng)?shù)臒o脊椎動物,設(shè)計適當(dāng)?shù)脑囼灪痛_定生物測定方法,以及控制毒性測試中潛在的混雜因素對獲得科學(xué)有效的結(jié)果至關(guān)重要。如匍匐棘螺(Prosobranch snails)是水生棲息地中的重要成員,其對海洋和淡水生態(tài)系統(tǒng)具有重要的生態(tài)意義,它們的激素系統(tǒng)在很大程度上與脊椎動物的激素系統(tǒng)相當(dāng),適用于鑒定內(nèi)分泌干擾物質(zhì)[30]。超氧化物歧化酶(SOD)是生物體防御環(huán)境中污染物的生物標(biāo)志物,通過測定貽貝肝胰腺組織中的SOD和碳氮同位素組成,可以監(jiān)測水中的污染物水平,尤其是重金屬污染[31]。國際上已經(jīng)建立了多種底棲動物指數(shù),其中發(fā)展比較成熟的生物指數(shù),包括指示生物、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度、物種豐度等[32],另有Hilsenboff生物指數(shù)(Hilsenboff of biotic index,HBI),底棲動物完整性指數(shù)(benthic index of biotic index,B-IBI),科級水平生物指數(shù)(family biotic index,FBI)和生物學(xué)污染性指數(shù)(biology pollution index,BPI)等[33]。

2.6 高等水生植物

高等水生植物是指長期生活在多水的環(huán)境中,并且能生長、蔓延、繁殖的植物,包括荷花、水蔥等挺水植物,芡實、王蓮等浮葉植物,水葫蘆等漂浮植物和金魚藻、眼子菜等沉水植物。高等水生植物一般生長在淺水湖泊或水庫沿岸,能為魚類提供產(chǎn)卵場所,也能為水鳥、昆蟲等提供食物來源和棲息場所,除此之外,還在凈化水質(zhì)和維護(hù)生態(tài)平衡方面發(fā)揮著重要作用。但高等水生植物過度生長會消耗大量的營養(yǎng)物質(zhì),遮蔽陽光,妨礙通風(fēng)等,影響浮游生物的繁衍,同時也會不同程度地影響水體的溫度和溶解氧水平。

Ahmad等[34]研究表明,在河口生態(tài)系統(tǒng)中,海菖蒲具有從沉積物中吸收重金屬As、Cd、Cu、Hg和Pb的能力,吸收量與沉積物中重金屬濃度呈正相關(guān),適合作為河口的生物監(jiān)測器。黃花水龍是生長在淺水域的多年生浮葉植物,由于其具備對親脂性有機農(nóng)藥的高生物積累能力,通過計算其生物富集因子(bioconcentration factor,BCF)和生物沉積物富集因子(biota-sediment accumulation factors,BSAF)可用于水環(huán)境的生物監(jiān)測[35]。

2.7 魚類

水質(zhì)惡化會造成魚類患病、畸形,乃至死亡,長時間的作用會抑制魚類的生長、繁殖和遷移。某些污染物會對魚類起到刺激作用,如氯胺在水中降解時會釋放出游離氯,引起魚類的急性呼吸問題和魚血中的酸堿紊亂[36]。重金屬可能轉(zhuǎn)化為具有高毒性和持久性的金屬化合物,在魚類體內(nèi)形成生物累積[21]。此外,一些持久性污染物如滴滴涕、多氯聯(lián)苯等也會在魚類體內(nèi)積累并造成持續(xù)性蓄積危害。重金屬通過食物鏈積累到一定濃度,可能對其他動物和人類的健康構(gòu)成潛在威脅。魚類對污染物可表現(xiàn)出明顯的生理反應(yīng)和行為反應(yīng),由此,通過監(jiān)測魚類可以檢測到水環(huán)境的變化[37],魚類監(jiān)測已被用于評估水質(zhì)。通?？捎糜诒O(jiān)測的魚類包括紅鼻剪刀魚、馬頭鰍、虎皮魚、紅綠燈魚、斑馬魚、鲇魚、鮭魚、河鱸等[6,10]。

魚類生物測定的指標(biāo)包括生理指標(biāo)和行為指標(biāo)。其中,生理指標(biāo)主要有心跳速率和血液酸堿度;行為指標(biāo)主要包括逃逸行為(快速游泳、迂回頻率),運動行為(速度、高度、轉(zhuǎn)向頻率、擺動頻率、社交)以及呼吸行為(呼吸頻率、呼吸深度)。此外,剛孵出的幼魚暴露于污染物的急性死亡率也可用于水質(zhì)評價[12]。魚類的監(jiān)測手段主要有遙測系統(tǒng)、聲學(xué)監(jiān)測、通氣活動的測量、心電圖和光纖體積描記術(shù)[21]。近年來,基于視頻跟蹤的生物預(yù)警系統(tǒng)憑借先進(jìn)的計算機技術(shù)取得了很大的進(jìn)步,對多種生物的視頻跟蹤能力大大提高。目前的行為監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生了大量詳細(xì)的行為數(shù)據(jù),可用于毒性監(jiān)測。雖然視頻跟蹤尚未在環(huán)境科學(xué)中被廣泛采用,但其已在行為分析中顯示出了巨大潛力[38]。

2.8 不同類型監(jiān)測生物的特點

不同的水生生物種群代表了食物鏈的不同環(huán)節(jié),其對不同污染物的敏感性不同,因此,針對不同污染監(jiān)測的需求,有針對性地選擇監(jiān)測的生物類型十分重要。不同類型監(jiān)測生物的優(yōu)缺點及適用條件如表1所示。

3 生物監(jiān)測方法應(yīng)用

目前,生物監(jiān)測方法已在國內(nèi)外獨立水域的水環(huán)境監(jiān)測中有一定的實踐和應(yīng)用。如Dourado等[47]在巴西中西部的河流中應(yīng)用洋蔥、魚類的細(xì)胞毒性試驗、微核試驗、彗星試驗等進(jìn)行監(jiān)測,魚類彗星試驗觀察到的DNA損傷發(fā)生在重金屬Cu、Pb、Cd、Ni濃度高的水環(huán)境中,體現(xiàn)了遺傳毒性測試對制定改善水質(zhì)管理計劃的重要性。水生生物體接觸有毒劑量的污染物經(jīng)由食物鏈會對人類和動物造成危害。水環(huán)境的改變會對原生動物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接的影響,從而影響水體質(zhì)量。因此,可以利用原生動物群落特征來監(jiān)測與評價水質(zhì)[39]。另有大量研究利用寡營養(yǎng)細(xì)菌誘導(dǎo)饑餓性反應(yīng)及對重金屬敏感的特征,監(jiān)測水環(huán)境的富營養(yǎng)化程度[40]?；瘜W(xué)品可以長期抑制水生生物的生長,改變水生生物的繁殖和遷移。因此,水環(huán)境中有毒化學(xué)物質(zhì)的監(jiān)測對于人類和地球上所有生物群的整體安全性具有非常重要的作用。

4 研究展望

水環(huán)境監(jiān)測的新趨勢迫切需要開發(fā)快速、低成本、常規(guī)的污染物檢測工具,以保護(hù)水源安全。作為風(fēng)險識別和突發(fā)水污染早期預(yù)警的方法[48],生物監(jiān)測不失為值得發(fā)展的方法,當(dāng)然該方法也存在著一定的不足:如由于生物監(jiān)測僅依據(jù)某一物種的敏感指標(biāo)變化,因此帶來的不確定性較大,有時某些生物指標(biāo)的變化與其所在水生態(tài)系統(tǒng)的性質(zhì)和功能變化相關(guān)性非常小[33];指示生物的分布在地理空間上有差異,并在很大程度上受到環(huán)境因子的影響;把包含物種信息的多個指標(biāo)整合成單一的指數(shù),可能存在偏差,而且這些偏差很難被克服。要更好地利用生物監(jiān)測方法,還需要進(jìn)行深入研究,從而真正為保障水環(huán)境健康提供科學(xué)參考。目前,新的污染物還在不斷出現(xiàn),合適的效應(yīng)指標(biāo)尚待確定,而且生物監(jiān)測的對象大多是相當(dāng)復(fù)雜的水生態(tài)系統(tǒng),生物監(jiān)測難以確定適合不同水生態(tài)系統(tǒng)的統(tǒng)一評價標(biāo)準(zhǔn),難以像理化監(jiān)測方法那樣大范圍地推廣應(yīng)用[49],但其已顯示出廣闊的發(fā)展前景。