生物监测技术在环境监测中的应用研究

黄桂平

(遵化市环境保护局,河北 遵化 064200)

1 引言

随着社会的发展,人口剧增,环境污染日趋严重。治理污染,保护环境已成为全人类的呼声。利用现代化的监测仪器和手段对污染物进行理化分析,是环境监测的常规方法。然而随着对环境污染认识地不断深入,污染对生物群及人类健康的影响逐渐显现出来。仅仅依靠理化监测不能反映出污染物对生物体及生态系统影响的综合效应,因此利用生物对环境污染进行监测,从不同层次上分析污染危害程度,已经成为一种被广为接受的环境监测手段。

利用生物的基因、结构、种群或群落对环境污染或环境变化所产生的反应进行分析,从生物学的角度提供依据,称为生物监测。生物监测技术诞生于20世纪初,经历了一个从宏观生物水平到微观的细胞水平、基因水平等地逐步深化的过程。20世纪90年代,分子生物学和细胞生物学研究的迅速进步,以及信息科学技术的突飞猛进,生物监测技术进入了一个全新的发展时期。

2 生物监测的内涵

生物监测的理论基础来自生态监测理论。污染物进入环境后,将对生态系统产生影响,引起系统原有结构和功能改变。在分子性能上,会激活或抑制酶活性,改变蛋白质的合成。在细胞结构上,会引起细胞膜的改变,破坏内质网、线粒体等。在表象上,会导致动物死亡,行为改变,或者抑制其生长发育与繁殖等。在植物表象上表现为生长速度变化,发育受阻,黄化及早熟等。在种群水平上的表象是引起种群数量或密度的改变,物种比例的变化,竞争关系和遗传基础的改变,引起群落中优势种群、数量、以及种群多样性的改变。

早期的微核试验,是以细胞中的微核数量为指标,监测污染物对染色体的损伤。环境中存在的污染物越多,诱发生物染色体的损害也越严重,其微核率也就越高。小白鼠血红细胞微核试验、蚕豆根尖细胞微核试验等都表明,污染因子引发染色体异常和微核率之间有较好的相关性。BC5试验(“鼠伤寒沙门氏菌”肝微粒体试验法)是目前最著名的一种常规监测方法,用于快速检测和筛选环境中致突变物和与致癌物。当环境诱变剂或经肝微粒体酶转化的诱变剂作用于鼠伤寒沙门氏菌组氨酸营养缺陷型系列菌株,使其发生突变,就能在不加生物素和组氨酸的培养基上生长,计数回复突变的菌落数来评价污染物的诱变力。20年来,用这一方法对数百种化学品进行了试验。结果表明,回复率与化学品的遗传毒性之间有较高的相关性。BC5试验成功地运用于多重金属、环芳烃、农药和各类污水或废水等多种污染物的遗传毒性检测。

随着生物技术地发展,电泳技术和DNA技术也被用于进行环境污染评价。16srDNA技术可以准确地表现待测环境中原核微生物的种类。Roane f213通过16srDNA序列技术,对毒性金属污染和无污染的水中微生物进行检测。获得细菌在基因水平上的多样性,通过对不同环境下原核微生物的16srDNA序列比较,证明金属污染的水体中可培养的细菌微生物数量和种类减少了。以后发展的变形梯度凝胶电泳技术能够把长度相同但序列不同的DNA片段区分开来,通过比较微生物种群多样性变化,预测环境污染的程度。

3 生物监测在环境监测中的实际应用

3.1 大气污染的生物监测

大气污染是通过对大气环境下生物监测确定大气的环境质量水平。在生物体系中,植物更易遭受大气污染的伤害,植物固定生长的特点使其无法避开污染物。对大气污染的反应敏感性强,本身位置的固定,便于监测与管理,大气污染的生物监测主要是利用植物进行监测。对大气污染反应灵敏,用以指示和反映大气污染状况的植物,称为大气污染的指示植物,较常用的大气污染的指示植物有以下几种。

3.1.1 SO2指示植物

主要为地衣、落叶松、苔藓、杜仲、水衫等。其典型症状为叶脉间显现块状伤斑,也可能在叶缘,伤斑多呈红棕色或土黄色。

3.1.2 氟化物指示植物

主要是有唐昌蒲、金线草、郁金香、大蒜、葡萄苔藓、杏、梅等。典型症状为叶尖多见伤斑,少数在叶脉之间,伤斑一般为浅褐、红褐色,坏死部分与健康部分存在明显的界线。

3.1.3 NO2指示植物

应用较多的有向日葵、番茄、秋海棠、柑桔、烟草等。典型症状为叶脉间有不规则伤斑,呈现白、棕色或黄褐色,也可能全叶点状伤斑。

3.2 水体污染的生物监测

在天然水域中的各种水生生物之间,以及和赖以生存的水环境之间,相互依存、相互制约,一旦水体被污染,水环境改变,各种水生物会产生不同的反应,从而构成水体污染监测的生物学根据。水体污染的生物监测的方法主要有以下几种。

3.2.1 微型生物群落监测法

微型生物群是水体系统的重要部分,对水体污染有敏感的反应。最常用的方法是聚氨酯泡沫塑料块法,特点是将这种泡沫塑料块投入水体,收集其中的微型生物。基质的使用不受时间和空间的限制,相对于其它的生物群落法,具有快速、经济和准确等优点,也适用于工业废水的监测。

3.2.2 指示生物法

指示生物法是最经典的水体污染的生物监测方法之一。利用对水环境中污染物敏感的生物种类的存在或缺失,来指示其所依赖的水体内污染物的存在状况。指示生物应具有生命周期长,活动范围固定等特点,便于持久地反映污染物对水体的综合影响。主要包括浮游动物、底栖动物、鱼类和着生生物。从分类地位看,无脊椎动物地应用最广泛。指示水体严重污染的生物包括颤蚓类、细长摇静裸藻、蚊幼虫、小颤藻等。指示水体中等污染的生物包括四角盘星藻、居栉水蚤、脆弱刚毛藻等。指示水体清洁的生物包括扁蜉、蜻蜓、田螺等。

3.3 土壤污染的生物监测

土壤污染所产生的影响大都是间接的。通过土壤农作物、人体及土壤、地下水(地表水)、人体,这两个最基本的环节对人体产生影响。因此土壤污染的生物监测,包括土壤污染物对农作物生长发育的影响,对土壤微生物的影响。

3.3.1 植物监测法

利用土壤污染的指示植物进行监测。土壤受到污染后,污染物对植物产生各种反应“信号”,产生可见症状,生理代谢异常,如叶片上出现伤斑,蒸腾率降低、呼吸作用加强,生长发育受阻,植物成分发生变化等。

3.3.2 动物监测法

利用动物监测土壤的污染程度最常见的选择对象是蚯蚓,蚯蚓对土壤中的农药、铅等有较高的敏感性,此外蚯蚓体中的镉的浓度与土壤中镉的浓度明显相关,是一种有实用价值的土壤镉监测的指示动物。

3.3.3 微生物监测法

主要是通过监测土壤中微生物群落的变化来反映土壤受到生物污染的状况。人粪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。通过对土壤中异养菌(主要是细菌、放线菌和霉菌)的分离和计数,观察和了解受测土壤中微生物群系的结构和数量的改变,从而评价土壤被微生物所污染的状况及程度。

4 生物监测的发展趋势和前景

生物监测主要是利用有机体对污染物的反应来直接表征环境质量的好坏及污染的程度。环境污染的效应从根本上是对以人为主体核心的生物系统造成影响。因此生物监测对环境素质的优劣具有指示作用。但是生物监测对象的复杂性,反过来又使生物监测的操作面临许多问题。如其灵敏性、快速性和精确性等都需进一步提高,其对生物学知识和技术的依赖性决定需要以生命科学的理论和实践作为基础和指导。污染不仅会对生物的行为、形态、数量、种群或群落结构产生影响,而且可能造成细胞结构和遗传物质的破坏,导致机体畸变、致癌和变异。这些复杂的生物系统会给分析带来更多的困难。此外选择的指标生物在自然环境中,除受污染物影响外,还受到季节、气候、地域、病虫害、土壤等因素的影响,因此建立标准化的监测方法,使获得结果可比性强,才具有应用价值。

90年代以来,我国也开展了一系列的环境、资源和污染的调查与研究工作,建立了多个监测站。但我国尚未建立起完善的生态监测网络,虽然有关部门和系统相继建立了一些生态研究观测站、定位站和生态监测站,从事一定的生态监测工作,但仍处于分散和不规范的阶段,没有形成可直接应用于生态监测工作的成熟的技术体系。生态监测是一项复杂的系统工程,对环境监测提出了更高的要求。从生态监测的自身特点可以预见,生态监测的总体趋势是技术和监测相结合,从宏观和微观角度全面审视生态质量,网络设计趋于一体化,考虑全球生态质量,在生态质量评价上逐步从生态质量现状评价转为生态风险评价,提供早期预警。在信息管理上强调广泛采用地理信息系统,加强国与国之间的合作。随着经济地发展,资源、人口、环境问题日益严峻,生态监测是环境监测发展的必然趋势,而生物监测是生态监测最主要的手段。

[1]杨小玲,杨瑞强,江桂斌.用贻贝、牡蛎作为生物指示物监测渤海近岸水体中的丁基锡污染物[J].环境化学,2006(1):17～18.

[2]陆超华,谢文造,周国君.近江牡蛎作为海洋重金属镉污染指示生物的研究[J].中国水产科学,2006(21):68～69.

[3]黄玉瑶,任淑智.用河蚬监测江河汞污染的初步研究[J].环境科学,2008(6):71～72.

[4]任淑智.河蚬对蓟运河水体污染指示作用的研究[J].环境科学,2010(3):123～124.

[5]Vincent H.Gesh.Which group is best?Attributes of different biological assemblages used in freshwater biomonitodng programs[J].Environ Monit Assess,DOI 10.2007(4):17～19.

[6]李 慧.生物监测技术及其研究进展[J].江苏石油化工学院学报,2008,14(2):57～60.

[7]廖祖荷,周振明,康彩艳.应用浮游藻类评价桂湖水质的研究[J].湖南师范大学自然科学学报,2005,28(4):70～74.