黃桂平

(遵化市環(huán)境保護局,河北 遵化 064200)

1 引言

隨著社會的發(fā)展,人口劇增,環(huán)境污染日趨嚴重。治理污染,保護環(huán)境已成為全人類的呼聲。利用現(xiàn)代化的監(jiān)測儀器和手段對污染物進行理化分析,是環(huán)境監(jiān)測的常規(guī)方法。然而隨著對環(huán)境污染認識地不斷深入,污染對生物群及人類健康的影響逐漸顯現(xiàn)出來。僅僅依靠理化監(jiān)測不能反映出污染物對生物體及生態(tài)系統(tǒng)影響的綜合效應(yīng),因此利用生物對環(huán)境污染進行監(jiān)測,從不同層次上分析污染危害程度,已經(jīng)成為一種被廣為接受的環(huán)境監(jiān)測手段。

利用生物的基因、結(jié)構(gòu)、種群或群落對環(huán)境污染或環(huán)境變化所產(chǎn)生的反應(yīng)進行分析,從生物學(xué)的角度提供依據(jù),稱為生物監(jiān)測。生物監(jiān)測技術(shù)誕生于20世紀初,經(jīng)歷了一個從宏觀生物水平到微觀的細胞水平、基因水平等地逐步深化的過程。20世紀90年代,分子生物學(xué)和細胞生物學(xué)研究的迅速進步,以及信息科學(xué)技術(shù)的突飛猛進,生物監(jiān)測技術(shù)進入了一個全新的發(fā)展時期。

2 生物監(jiān)測的內(nèi)涵

生物監(jiān)測的理論基礎(chǔ)來自生態(tài)監(jiān)測理論。污染物進入環(huán)境后,將對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響,引起系統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)和功能改變。在分子性能上,會激活或抑制酶活性,改變蛋白質(zhì)的合成。在細胞結(jié)構(gòu)上,會引起細胞膜的改變,破壞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體等。在表象上,會導(dǎo)致動物死亡,行為改變,或者抑制其生長發(fā)育與繁殖等。在植物表象上表現(xiàn)為生長速度變化,發(fā)育受阻,黃化及早熟等。在種群水平上的表象是引起種群數(shù)量或密度的改變,物種比例的變化,競爭關(guān)系和遺傳基礎(chǔ)的改變,引起群落中優(yōu)勢種群、數(shù)量、以及種群多樣性的改變。

早期的微核試驗,是以細胞中的微核數(shù)量為指標,監(jiān)測污染物對染色體的損傷。環(huán)境中存在的污染物越多,誘發(fā)生物染色體的損害也越嚴重,其微核率也就越高。小白鼠血紅細胞微核試驗、蠶豆根尖細胞微核試驗等都表明,污染因子引發(fā)染色體異常和微核率之間有較好的相關(guān)性。BC5試驗(“鼠傷寒沙門氏菌”肝微粒體試驗法)是目前最著名的一種常規(guī)監(jiān)測方法,用于快速檢測和篩選環(huán)境中致突變物和與致癌物。當環(huán)境誘變劑或經(jīng)肝微粒體酶轉(zhuǎn)化的誘變劑作用于鼠傷寒沙門氏菌組氨酸營養(yǎng)缺陷型系列菌株,使其發(fā)生突變,就能在不加生物素和組氨酸的培養(yǎng)基上生長,計數(shù)回復(fù)突變的菌落數(shù)來評價污染物的誘變力。20年來,用這一方法對數(shù)百種化學(xué)品進行了試驗。結(jié)果表明,回復(fù)率與化學(xué)品的遺傳毒性之間有較高的相關(guān)性。BC5試驗成功地運用于多重金屬、環(huán)芳烴、農(nóng)藥和各類污水或廢水等多種污染物的遺傳毒性檢測。

隨著生物技術(shù)地發(fā)展,電泳技術(shù)和DNA技術(shù)也被用于進行環(huán)境污染評價。16srDNA技術(shù)可以準確地表現(xiàn)待測環(huán)境中原核微生物的種類。Roane f213通過16srDNA序列技術(shù),對毒性金屬污染和無污染的水中微生物進行檢測。獲得細菌在基因水平上的多樣性,通過對不同環(huán)境下原核微生物的16srDNA序列比較,證明金屬污染的水體中可培養(yǎng)的細菌微生物數(shù)量和種類減少了。以后發(fā)展的變形梯度凝膠電泳技術(shù)能夠把長度相同但序列不同的DNA片段區(qū)分開來,通過比較微生物種群多樣性變化,預(yù)測環(huán)境污染的程度。

3 生物監(jiān)測在環(huán)境監(jiān)測中的實際應(yīng)用

3.1 大氣污染的生物監(jiān)測

大氣污染是通過對大氣環(huán)境下生物監(jiān)測確定大氣的環(huán)境質(zhì)量水平。在生物體系中,植物更易遭受大氣污染的傷害,植物固定生長的特點使其無法避開污染物。對大氣污染的反應(yīng)敏感性強,本身位置的固定,便于監(jiān)測與管理,大氣污染的生物監(jiān)測主要是利用植物進行監(jiān)測。對大氣污染反應(yīng)靈敏,用以指示和反映大氣污染狀況的植物,稱為大氣污染的指示植物,較常用的大氣污染的指示植物有以下幾種。

3.1.1 SO2指示植物

主要為地衣、落葉松、苔蘚、杜仲、水衫等。其典型癥狀為葉脈間顯現(xiàn)塊狀傷斑,也可能在葉緣,傷斑多呈紅棕色或土黃色。

3.1.2 氟化物指示植物

主要是有唐昌蒲、金線草、郁金香、大蒜、葡萄苔蘚、杏、梅等。典型癥狀為葉尖多見傷斑,少數(shù)在葉脈之間,傷斑一般為淺褐、紅褐色,壞死部分與健康部分存在明顯的界線。

3.1.3 NO2指示植物

應(yīng)用較多的有向日葵、番茄、秋海棠、柑桔、煙草等。典型癥狀為葉脈間有不規(guī)則傷斑,呈現(xiàn)白、棕色或黃褐色,也可能全葉點狀傷斑。

3.2 水體污染的生物監(jiān)測

在天然水域中的各種水生生物之間,以及和賴以生存的水環(huán)境之間,相互依存、相互制約,一旦水體被污染,水環(huán)境改變,各種水生物會產(chǎn)生不同的反應(yīng),從而構(gòu)成水體污染監(jiān)測的生物學(xué)根據(jù)。水體污染的生物監(jiān)測的方法主要有以下幾種。

3.2.1 微型生物群落監(jiān)測法

微型生物群是水體系統(tǒng)的重要部分,對水體污染有敏感的反應(yīng)。最常用的方法是聚氨酯泡沫塑料塊法,特點是將這種泡沫塑料塊投入水體,收集其中的微型生物?；|(zhì)的使用不受時間和空間的限制,相對于其它的生物群落法,具有快速、經(jīng)濟和準確等優(yōu)點,也適用于工業(yè)廢水的監(jiān)測。

3.2.2 指示生物法

指示生物法是最經(jīng)典的水體污染的生物監(jiān)測方法之一。利用對水環(huán)境中污染物敏感的生物種類的存在或缺失,來指示其所依賴的水體內(nèi)污染物的存在狀況。指示生物應(yīng)具有生命周期長,活動范圍固定等特點,便于持久地反映污染物對水體的綜合影響。主要包括浮游動物、底棲動物、魚類和著生生物。從分類地位看,無脊椎動物地應(yīng)用最廣泛。指示水體嚴重污染的生物包括顫蚓類、細長搖靜裸藻、蚊幼蟲、小顫藻等。指示水體中等污染的生物包括四角盤星藻、居櫛水蚤、脆弱剛毛藻等。指示水體清潔的生物包括扁蜉、蜻蜓、田螺等。

3.3 土壤污染的生物監(jiān)測

土壤污染所產(chǎn)生的影響大都是間接的。通過土壤農(nóng)作物、人體及土壤、地下水(地表水)、人體,這兩個最基本的環(huán)節(jié)對人體產(chǎn)生影響。因此土壤污染的生物監(jiān)測,包括土壤污染物對農(nóng)作物生長發(fā)育的影響,對土壤微生物的影響。

3.3.1 植物監(jiān)測法

利用土壤污染的指示植物進行監(jiān)測。土壤受到污染后,污染物對植物產(chǎn)生各種反應(yīng)“信號”,產(chǎn)生可見癥狀,生理代謝異常,如葉片上出現(xiàn)傷斑,蒸騰率降低、呼吸作用加強,生長發(fā)育受阻,植物成分發(fā)生變化等。

3.3.2 動物監(jiān)測法

利用動物監(jiān)測土壤的污染程度最常見的選擇對象是蚯蚓,蚯蚓對土壤中的農(nóng)藥、鉛等有較高的敏感性,此外蚯蚓體中的鎘的濃度與土壤中鎘的濃度明顯相關(guān),是一種有實用價值的土壤鎘監(jiān)測的指示動物。

3.3.3 微生物監(jiān)測法

主要是通過監(jiān)測土壤中微生物群落的變化來反映土壤受到生物污染的狀況。人糞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。通過對土壤中異養(yǎng)菌(主要是細菌、放線菌和霉菌)的分離和計數(shù),觀察和了解受測土壤中微生物群系的結(jié)構(gòu)和數(shù)量的改變,從而評價土壤被微生物所污染的狀況及程度。

4 生物監(jiān)測的發(fā)展趨勢和前景

生物監(jiān)測主要是利用有機體對污染物的反應(yīng)來直接表征環(huán)境質(zhì)量的好壞及污染的程度。環(huán)境污染的效應(yīng)從根本上是對以人為主體核心的生物系統(tǒng)造成影響。因此生物監(jiān)測對環(huán)境素質(zhì)的優(yōu)劣具有指示作用。但是生物監(jiān)測對象的復(fù)雜性,反過來又使生物監(jiān)測的操作面臨許多問題。如其靈敏性、快速性和精確性等都需進一步提高,其對生物學(xué)知識和技術(shù)的依賴性決定需要以生命科學(xué)的理論和實踐作為基礎(chǔ)和指導(dǎo)。污染不僅會對生物的行為、形態(tài)、數(shù)量、種群或群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,而且可能造成細胞結(jié)構(gòu)和遺傳物質(zhì)的破壞,導(dǎo)致機體畸變、致癌和變異。這些復(fù)雜的生物系統(tǒng)會給分析帶來更多的困難。此外選擇的指標生物在自然環(huán)境中,除受污染物影響外,還受到季節(jié)、氣候、地域、病蟲害、土壤等因素的影響,因此建立標準化的監(jiān)測方法,使獲得結(jié)果可比性強,才具有應(yīng)用價值。

90年代以來,我國也開展了一系列的環(huán)境、資源和污染的調(diào)查與研究工作,建立了多個監(jiān)測站。但我國尚未建立起完善的生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),雖然有關(guān)部門和系統(tǒng)相繼建立了一些生態(tài)研究觀測站、定位站和生態(tài)監(jiān)測站,從事一定的生態(tài)監(jiān)測工作,但仍處于分散和不規(guī)范的階段,沒有形成可直接應(yīng)用于生態(tài)監(jiān)測工作的成熟的技術(shù)體系。生態(tài)監(jiān)測是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,對環(huán)境監(jiān)測提出了更高的要求。從生態(tài)監(jiān)測的自身特點可以預(yù)見,生態(tài)監(jiān)測的總體趨勢是技術(shù)和監(jiān)測相結(jié)合,從宏觀和微觀角度全面審視生態(tài)質(zhì)量,網(wǎng)絡(luò)設(shè)計趨于一體化,考慮全球生態(tài)質(zhì)量,在生態(tài)質(zhì)量評價上逐步從生態(tài)質(zhì)量現(xiàn)狀評價轉(zhuǎn)為生態(tài)風(fēng)險評價,提供早期預(yù)警。在信息管理上強調(diào)廣泛采用地理信息系統(tǒng),加強國與國之間的合作。隨著經(jīng)濟地發(fā)展,資源、人口、環(huán)境問題日益嚴峻,生態(tài)監(jiān)測是環(huán)境監(jiān)測發(fā)展的必然趨勢,而生物監(jiān)測是生態(tài)監(jiān)測最主要的手段。

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