張明杰

摘 要：生物監(jiān)測是應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的一門新興技術(shù)，是指利用生物個(gè)體、種群或群落對環(huán)境污染或變化所產(chǎn)生的反應(yīng)，從生物學(xué)角度對環(huán)境污染狀況進(jìn)行監(jiān)測和評價(jià)，具有長期性、連續(xù)性、綜合性及靈敏性等特點(diǎn)。文中綜述了生物監(jiān)測的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用和未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。

關(guān)鍵詞：生物監(jiān)測；水環(huán)境監(jiān)測；應(yīng)用

0 引言

理化檢測技術(shù)能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行定量和定性，因而正確評價(jià)水環(huán)境和準(zhǔn)確鑒定水污染事件時(shí)，可以其成果作為依據(jù)。然而，理化檢測僅僅只能對污染短時(shí)間內(nèi)的情況進(jìn)行監(jiān)測，而難以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測，在水環(huán)境監(jiān)測中達(dá)不到理想的效果，同時(shí)，在對水質(zhì)變化特點(diǎn)與將來的變化趨勢等方面的把握上存在嚴(yán)重不足。為有效解決理化檢測技術(shù)存在的問題，進(jìn)而產(chǎn)生了生物監(jiān)測。生物監(jiān)測即為通過全面使用生物反應(yīng)對環(huán)境變化進(jìn)行評價(jià)的一門科學(xué)，并且能實(shí)現(xiàn)在環(huán)境質(zhì)量控制程序中的有效應(yīng)用。

1 生物監(jiān)測的原理

生物和環(huán)境之間相輔相成，具有緊密的聯(lián)系和影響，在環(huán)境中，改變了各種理化條件，因而會(huì)對在這一環(huán)境當(dāng)中生活的生物遭受一定的影響，并且生物體內(nèi)部生理功能和種間關(guān)系也會(huì)受到進(jìn)一步影響，生態(tài)平衡被打破，反過來生物又會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生影響?？梢妰烧咧g的聯(lián)系，正是由于生物和環(huán)境兩者之間存在協(xié)同進(jìn)化與一致性，所以為環(huán)境質(zhì)量生物監(jiān)測奠定良好的生物學(xué)基礎(chǔ)。在各類文獻(xiàn)資料中，對生物監(jiān)測的定義不一致。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署作出的界定即為對具有生命的生物體所受到的人為壓力的靈敏度的測定；美國國家環(huán)保局也給出了定義，即為利用具有生命的活著的生物體對環(huán)境影響進(jìn)行的測定。實(shí)際上為同一原理，也就是通過水生生物個(gè)體、種群與群落的數(shù)量、性質(zhì)、健康情況、生理特點(diǎn)等的變化將水環(huán)境質(zhì)量的變化展現(xiàn)出來，明確環(huán)境污染的具體情況，并基于生物學(xué)的視角有效監(jiān)測與評價(jià)環(huán)境質(zhì)量。

2 生物監(jiān)測的特點(diǎn)

在水環(huán)境監(jiān)測中，理化監(jiān)測具有操作便捷、高效快速的優(yōu)勢，然而對于水環(huán)境質(zhì)量整體監(jiān)測和評價(jià)來說，理化監(jiān)測又存在較大的限制，難以將污染的綜合性和對生物毒性產(chǎn)生的影響全面細(xì)致地展現(xiàn)出來。而長時(shí)間持續(xù)不斷地生物監(jiān)測的效果更好，更具直觀性，能高效全面地展現(xiàn)影響和變化。相比一般的理化監(jiān)測方法，生物監(jiān)測的主要特點(diǎn)如下：（1）在某一范圍之內(nèi)生活的生物能全面地展現(xiàn)長時(shí)間形成的污染情況，而理化監(jiān)測僅僅針對取樣這一階段內(nèi)的污染情況，生物監(jiān)測能實(shí)現(xiàn)連續(xù)長時(shí)間的監(jiān)測有效性。（2）一些生物對部分污染物具有極高的敏感度，能監(jiān)測出細(xì)致的微量污染物形成的反應(yīng)，而這些反應(yīng)往往甚至是精密儀器都難以監(jiān)測出來，同時(shí)會(huì)存在對應(yīng)的受損傷的效應(yīng)，產(chǎn)生直觀的效果。（3）在生態(tài)系統(tǒng)中，通過食物鏈可以將微量有毒物質(zhì)予以富集，當(dāng)?shù)竭_(dá)該食物鏈末梢時(shí)，可將污染物濃度提高到數(shù)萬倍。（4）因?yàn)橐环N生物對不同的污染物產(chǎn)生反應(yīng)而表現(xiàn)出不同癥狀，所以生物監(jiān)測更具多樣性，監(jiān)測功能更加多樣化。（5）理化監(jiān)測只能監(jiān)測特定條件下水環(huán)境中污染物的類別和含量，而生物監(jiān)測可以反映出多種污染物在自然條件下對生態(tài)的綜合影響，更加客觀、全面地監(jiān)測和評價(jià)水體質(zhì)量。

3 生物監(jiān)測在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 群落監(jiān)測

第一，水環(huán)境評價(jià)。在水體環(huán)境整體評價(jià)中，生物監(jiān)測擁有巨大的優(yōu)勢，利用水生生物群落和類別的變化，能充分了解在長期和短期時(shí)間內(nèi)，水體質(zhì)量的變化情況。例如，二十世紀(jì)就是年代，歐洲一些國家的植物營養(yǎng)素對其水庫產(chǎn)生了極大的污染和破壞，在那個(gè)時(shí)候，迅速展開了對水庫中各個(gè)時(shí)期生物的類別和構(gòu)成的研究，對水體變化情況進(jìn)行充分了解，進(jìn)而加快凈化了水庫，極大影響著水庫的應(yīng)用功能；歐洲許多個(gè)國家都貫穿著萊茵河，長時(shí)間遭受嚴(yán)重污染，嚴(yán)重侵害了河流中的生物，經(jīng)過各個(gè)國家共同的不懈努力，該河水體質(zhì)量得到極大改善，原先消失的生物又重新在河道中出現(xiàn)。水生生物具有顯著的指示作用，不僅能從整體上展現(xiàn)采取環(huán)保舉措所達(dá)到的效果，而且能使人們對環(huán)境質(zhì)量有更全面的了解。

第二，水域宏觀規(guī)劃。水生指示生物會(huì)隨環(huán)境的變化而出現(xiàn)一定的反應(yīng)，以此可掌握水體的質(zhì)量和類型，應(yīng)將其有針對性地利用起來。比如，如果水體中生長著較為旺盛的藻類，就可以放養(yǎng)一些鰱魚、羅非魚等魚種。此類魚的餌料主要為藻類。這樣不僅可增加魚的產(chǎn)量，還能逐步減輕水體的富營養(yǎng)化程度，同時(shí)，也可以減少餌料的投入量。通過觀察和監(jiān)測水體中水生生物的群落結(jié)構(gòu)，了解相應(yīng)水域水體的類別和性質(zhì)，可宏觀規(guī)劃水域，確定水體的相應(yīng)功能，最終達(dá)到合理劃分水域功能的目的。

3.2 生物測試

生物測試即為使用實(shí)驗(yàn)的手段，對生物所受到環(huán)境的污染和影響進(jìn)行研究和監(jiān)測，進(jìn)而對水體的質(zhì)量與受污染的情況進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)，其主要應(yīng)用在以下兩方面：（1）對水中植物營養(yǎng)素和生長刺激激素的情況進(jìn)行監(jiān)測；（2）對生物散發(fā)的毒性進(jìn)行監(jiān)測。在宏觀與非定量評價(jià)中，群落監(jiān)測使用較多，然而在對水體的質(zhì)量與受污染情況進(jìn)行檢測時(shí)，必須以生物測試為依據(jù)。其包括以下兩方面：第一，生物傳感器。固定化細(xì)胞核和固定化酶技術(shù)應(yīng)用于生物傳感器之中，并把生物學(xué)元件當(dāng)做是功能性識(shí)別原件，根據(jù)相關(guān)規(guī)律把識(shí)別和感知為目的的被測物轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺R(shí)別的信號(hào)。它的工作原理是在生物組分與待測對象之間生成相互作用，借助于電子組分檢出待測對象，并對其轉(zhuǎn)化，最終成為可以測量的電子信號(hào)。通常情況下，可以將生物傳感器劃分為多種類型，比如細(xì)胞傳感器、免疫傳感器和DNA傳感器等，這樣劃分的依據(jù)是識(shí)別元件構(gòu)成材料的差異。第二，制訂環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。在水環(huán)境中生長的生物個(gè)體因食物鏈和生長需要，會(huì)在水環(huán)境中積累各種成本。在生物測試應(yīng)用中制訂水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必須將污染物在生物體內(nèi)的累積對生物生理機(jī)能和遺傳效應(yīng)產(chǎn)生的毒害納入考慮范圍內(nèi)。目前，我們已經(jīng)在飲用水中分離和鑒定了超過2000種有機(jī)化合物，但采用理化監(jiān)測無法識(shí)別這些化合物對人體的危害。而通過應(yīng)用生物監(jiān)測技術(shù)合理選擇受試生物和監(jiān)測條件，制訂出的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)更加合理、嚴(yán)格。此外，還可結(jié)合不同的水體，對污染物排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行差異化的制訂。

4 生物監(jiān)測發(fā)展趨勢

4.1 分子生態(tài)毒理學(xué)

分子生態(tài)毒理學(xué)采用現(xiàn)代分子生物學(xué)方法與技術(shù)，研究污染物及代謝產(chǎn)物與細(xì)胞內(nèi)大分子，包括蛋白質(zhì)、核酸、酶的相互作用，找出作用的靶位或靶分子，并揭示其作用機(jī)理，從而能對在個(gè)體、種群、群落或生態(tài)系統(tǒng)水平上的影響作出預(yù)報(bào)，具有很大的預(yù)測預(yù)報(bào)價(jià)值。一般來說，監(jiān)測MT的方法比監(jiān)測組織中金屬總量更可行，因?yàn)檫@種方法可以將胞內(nèi)具有顯著毒理效應(yīng)的金屬結(jié)合片段與不可利用的金屬絡(luò)合物區(qū)分開來。因此貽貝消化腺上皮細(xì)胞中的溶酶體膜的穩(wěn)定性和金屬硫蛋白的含量的測定可以作為水體環(huán)境有毒物質(zhì)變化的早期警報(bào)。近年來，生物體內(nèi)膽堿脂酶活性的測定已經(jīng)成為海水和淡水水體污染的一種監(jiān)測工具。由于環(huán)境中的有機(jī)磷農(nóng)藥和氨基甲酸鹽殺蟲劑與底物乙酰膽堿的分子形狀類似，能與酶酯基的活性中心發(fā)生不可逆的鍵合從而抑制酶活性，因此它可以用來評價(jià)有機(jī)體在殺蟲劑和毒害神經(jīng)的污染物質(zhì)中的暴露程度。

4.2 有效運(yùn)用生物傳感器

生物傳感器技術(shù)能在研究環(huán)境中低濃度污染物與沉積物中污染物上獲得廣泛應(yīng)用，發(fā)揮其在研究上巨大的潛力，生物傳感器即為集生物學(xué)、化學(xué)與物理學(xué)為一體的全新裝置，能結(jié)合生物的酶、亞細(xì)胞器以及細(xì)胞或組織對污染的反應(yīng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換形成電信號(hào)，經(jīng)過放大系統(tǒng)展現(xiàn)出來，再利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理檢測信號(hào)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測的自動(dòng)化。目前，這種生物傳感器技術(shù)可以對水質(zhì)的BOD進(jìn)行快速監(jiān)測。當(dāng)然，生物傳感器的應(yīng)用在未來將向著高性能化、微型化、智能化和專業(yè)化方向發(fā)展。

5 結(jié)語

由于不斷深入開展環(huán)境保護(hù)工作，生物監(jiān)測技術(shù)水平的日益提升，在將來環(huán)境監(jiān)測尤其是水環(huán)境監(jiān)測中，生物監(jiān)測的作用尤為顯著，并能得到廣泛應(yīng)用和普及。生物監(jiān)測作為能對綜合毒性進(jìn)行評價(jià)的一種良好的方法，在將來的研究和應(yīng)用中會(huì)引起人們的高度重視，特別是在監(jiān)測新型毒性物質(zhì)方面，其將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

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（作者單位：偃師市環(huán)境保護(hù)局）