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负相关,与粪大肠菌群数,磷、铁、汞、砷浓度和硬度呈正相关[11]。在微生物生物传感方面,常用的技术包括电流分析法、电位法、电导法、伏安法、荧光法、生物发光法和比色法[12]。另外,细菌还用于基于氧消耗(细菌呼吸计)、硝化、细菌生长(浊度或细胞密度)的生态毒理学研究中[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,通常指浮游藻类。近年来,由于合成洗涤剂的大量使用,污水中的磷含量明显增加,而磷是藻类的营养物质,一旦过剩,会引起浮游植物代谢紊乱、功能失调等问题,导致细胞凋亡、组织坏死,乃至中毒死亡。浮游植物是监测水质的指示生物之一,作为初级生产者,其对水生态系统的能量流动、物质循环、信息传递具有重要作用。浮游植物一旦过量生长,将会导致水中有机物浓度增加、溶解氧浓度下降,致使水质恶化,对水生生物极为不利。由于不同藻类对营养物质的需求和反应不同,因此通过对藻类的丰度、种类和化学组成进行检测,可以判断水质的综合状况[14]。水环境受到污染时,藻类的细胞密度和光合作用强度将随之发生变化[1]。

藻类在水生态系统中发挥着重要的作用,对水环境的变化反应非常迅速[15],常被用于急性和慢性毒性测试,常从酯酶抑制、ATP能量损失、生长抑制、运动抑制和叶绿素荧光等方面进行评价[16]。绿藻门的石莼(Ulva lactucaL.)生长迅速,可以承受各种生态条件和高污染,具有较高的重金属生物累积能力,常被用作污染的哨兵。石莼也是镉、铜、锰和铅的良好蓄积物[18]。此外,藻类生物测定还可用于评估有机污染物、油分散剂、废水、固体废物沥滤液等的毒性。苯并芘(BaP)是一种已知的致癌物质,水体中BaP的来源主要有降水、储水槽及管道涂层淋溶、水上行驶的船舶漏油、工业废水排放和生物体合成等。BaP聚集在小球藻的脂质体中后,可以使用荧光共焦显微镜和荧光寿命成像显微镜对其定位[17]。藻类生物监测评估方法包括聚氨酯泡沫塑料块法(PFU)、生物测试法、硅藻指数和藻类毒性计等[10]。

2.3 浮游动物

浮游动物是营浮游生活的异养型动物,主要包括无脊椎动物和脊索动物的幼体。它们无游泳能力或很弱,随水流而漂动,是鱼、贝类的重要饵料来源。浮游动物的数量和种类丰富,分布范围极为广泛。水体富营养化和水质浑浊造成的水体缺氧,都会对浮游动物的群落组成、空间分布和丰度产生影响[19]。浮游动物的时空变化也受捕食压力的影响,与鱼类生物量之间存在统计学关联[20]。

Kuklina等[21]研究表明,长期或高浓度暴露于亚硝酸盐可能会降低小龙虾等的存活率和适应能力。滨岸蟹是一种可靠的生物标志物,可用于河口或海洋模型的生态毒理学研究和环境质量评估。因为其不仅对各种水体污染物敏感,且其生物反应与暴露浓度或剂量有关[22]。Morabito等[23]研究表明,刺胞动物可以吸收、摄取或接触海中的化学物质,构成监测环境质量的重要模型,其具有高度特异性的刺细胞,细胞体积的改变可以监测水环境中的重金属等污染物。Sei等[24]研究表明,桡足类汤氏纺锤水蚤(Acartia tonsa)卵可以作为生物监测器,用于评估缺氧条件下持久性污染物的毒性及硫化物在降低金属生物毒性中的作用。除此之外,大型水蚤的死亡率和繁殖力等急性毒性测试指标已被用于检测饮用水和地表水中无机砷和农药的污染[10,25]。

2.4 着生生物

着生生物是积聚在人造或天然基质表面的群落,主要由藻类、细菌、真菌和原生动物组成,是水环境污染的早期预警标志物。与底栖动物一样,着生生物有着丰富的多样性和生物量,常用的监测指标有生物多样性指数、均匀度指数、藻类密度、总生物量等。其生物量常采用体积换算法[5]进行计算,也可利用其群落结构进行动态监测[26]。

对着生生物的监测多采用人工基质法,通过刮取、剥离基质上的表层藻膜和生长物进行样品采集,在显微镜下进行计数用以分析其生物量[5]。着生藻类中,蓝藻类的蓝纤维藻(Dactylococcopsis)和湖泊鞘丝藻(Lyngbya limnetica)是反映氮磷过营养化的指示藻类[27]。在某些污染水体已经出现了耐污染种类,如聚缩虫(Zoothamnium)密度过高导致其他生物生长受限[26]。另有研究表明,受三价铁、铜、锌等重金属污染的河流,其生态系统表现为着生生物的生物量过于丰富,而底栖动物的种类和数量则明显减少[28]。

2.5 底栖动物

底栖动物是指栖息于海洋或内陆水域底部的动物,是水生态系统的重要组分。底栖动物多为无脊椎动物,栖息形式多固着于岩石、泥沙等基底上,如牡蛎、虾、贻贝和河蚌等。无脊椎动物可能受到高浓度的金属和营养物、细沉积物以及流量特征的影响[29]。在水生态系统中,底栖无脊椎动物承担着分解者的角色。目前,以底栖动物评价水质和监测水体污染已被广泛采用,并取得了一定的效果。

越来越多的研究证实,底栖无脊椎动物在评估污染物对水环境影响方面具有关键作用。但选择适当的无脊椎动物,设计适当的试验和确定生物测定方法,以及控制毒性测试中潜在的混杂因素对获得科学有效的结果至关重要。如匍匐棘螺(Prosobranch snails)是水生栖息地中的重要成员,其对海洋和淡水生态系统具有重要的生态意义,它们的激素系统在很大程度上与脊椎动物的激素系统相当,适用于鉴定内分泌干扰物质[30]。超氧化物歧化酶(SOD)是生物体防御环境中污染物的生物标志物,通过测定贻贝肝胰腺组织中的SOD和碳氮同位素组成,可以监测水中的污染物水平,尤其是重金属污染[31]。国际上已经建立了多种底栖动物指数,其中发展比较成熟的生物指数,包括指示生物、多样性指数、优势度、物种丰度等[32],另有Hilsenboff生物指数(Hilsenboff of biotic index,HBI),底栖动物完整性指数(benthic index of biotic index,B-IBI),科级水平生物指数(family biotic index,FBI)和生物学污染性指数(biology pollution index,BPI)等[33]。

2.6 高等水生植物

高等水生植物是指长期生活在多水的环境中,并且能生长、蔓延、繁殖的植物,包括荷花、水葱等挺水植物,芡实、王莲等浮叶植物,水葫芦等漂浮植物和金鱼藻、眼子菜等沉水植物。高等水生植物一般生长在浅水湖泊或水库沿岸,能为鱼类提供产卵场所,也能为水鸟、昆虫等提供食物来源和栖息场所,除此之外,还在净化水质和维护生态平衡方面发挥着重要作用。但高等水生植物过度生长会消耗大量的营养物质,遮蔽阳光,妨碍通风等,影响浮游生物的繁衍,同时也会不同程度地影响水体的温度和溶解氧水平。

Ahmad等[34]研究表明,在河口生态系统中,海菖蒲具有从沉积物中吸收重金属As、Cd、Cu、Hg和Pb的能力,吸收量与沉积物中重金属浓度呈正相关,适合作为河口的生物监测器。黄花水龙是生长在浅水域的多年生浮叶植物,由于其具备对亲脂性有机农药的高生物积累能力,通过计算其生物富集因子(bioconcentration factor,BCF)和生物沉积物富集因子(biota-sediment accumulation factors,BSAF)可用于水环境的生物监测[35]。

2.7 鱼类

水质恶化会造成鱼类患病、畸形,乃至死亡,长时间的作用会抑制鱼类的生长、繁殖和迁移。某些污染物会对鱼类起到刺激作用,如氯胺在水中降解时会释放出游离氯,引起鱼类的急性呼吸问题和鱼血中的酸碱紊乱[36]。重金属可能转化为具有高毒性和持久性的金属化合物,在鱼类体内形成生物累积[21]。此外,一些持久性污染物如滴滴涕、多氯联苯等也会在鱼类体内积累并造成持续性蓄积危害。重金属通过食物链积累到一定浓度,可能对其他动物和人类的健康构成潜在威胁。鱼类对污染物可表现出明显的生理反应和行为反应,由此,通过监测鱼类可以检测到水环境的变化[37],鱼类监测已被用于评估水质。通常可用于监测的鱼类包括红鼻剪刀鱼、马头鳅、虎皮鱼、红绿灯鱼、斑马鱼、鲇鱼、鲑鱼、河鲈等[6,10]。

鱼类生物测定的指标包括生理指标和行为指标。其中,生理指标主要有心跳速率和血液酸碱度;行为指标主要包括逃逸行为(快速游泳、迂回频率),运动行为(速度、高度、转向频率、摆动频率、社交)以及呼吸行为(呼吸频率、呼吸深度)。此外,刚孵出的幼鱼暴露于污染物的急性死亡率也可用于水质评价[12]。鱼类的监测手段主要有遥测系统、声学监测、通气活动的测量、心电图和光纤体积描记术[21]。近年来,基于视频跟踪的生物预警系统凭借先进的计算机技术取得了很大的进步,对多种生物的视频跟踪能力大大提高。目前的行为监测系统产生了大量详细的行为数据,可用于毒性监测。虽然视频跟踪尚未在环境科学中被广泛采用,但其已在行为分析中显示出了巨大潜力[38]。

2.8 不同类型监测生物的特点

不同的水生生物种群代表了食物链的不同环节,其对不同污染物的敏感性不同,因此,针对不同污染监测的需求,有针对性地选择监测的生物类型十分重要。不同类型监测生物的优缺点及适用条件如表1所示。

3 生物监测方法应用

目前,生物监测方法已在国内外独立水域的水环境监测中有一定的实践和应用。如Dourado等[47]在巴西中西部的河流中应用洋葱、鱼类的细胞毒性试验、微核试验、彗星试验等进行监测,鱼类彗星试验观察到的DNA损伤发生在重金属Cu、Pb、Cd、Ni浓度高的水环境中,体现了遗传毒性测试对制定改善水质管理计划的重要性。水生生物体接触有毒剂量的污染物经由食物链会对人类和动物造成危害。水环境的改变会对原生动物群落结构产生直接的影响,从而影响水体质量。因此,可以利用原生动物群落特征来监测与评价水质[39]。另有大量研究利用寡营养细菌诱导饥饿性反应及对重金属敏感的特征,监测水环境的富营养化程度[40]。化学品可以长期抑制水生生物的生长,改变水生生物的繁殖和迁移。因此,水环境中有毒化学物质的监测对于人类和地球上所有生物群的整体安全性具有非常重要的作用。

4 研究展望

水环境监测的新趋势迫切需要开发快速、低成本、常规的污染物检测工具,以保护水源安全。作为风险识别和突发水污染早期预警的方法[48],生物监测不失为值得发展的方法,当然该方法也存在着一定的不足:如由于生物监测仅依据某一物种的敏感指标变化,因此带来的不确定性较大,有时某些生物指标的变化与其所在水生态系统的性质和功能变化相关性非常小[33];指示生物的分布在地理空间上有差异,并在很大程度上受到环境因子的影响;把包含物种信息的多个指标整合成单一的指数,可能存在偏差,而且这些偏差很难被克服。要更好地利用生物监测方法,还需要进行深入研究,从而真正为保障水环境健康提供科学参考。目前,新的污染物还在不断出现,合适的效应指标尚待确定,而且生物监测的对象大多是相当复杂的水生态系统,生物监测难以确定适合不同水生态系统的统一评价标准,难以像理化监测方法那样大范围地推广应用[49],但其已显示出广阔的发展前景。