何 蕾，韓施悅，黃啟慧，夏威林，謝健強，陳立斌

(長江大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100)

1 引言

水是人類生存和發(fā)展必不可缺的重要資源之一。工業(yè)的高速發(fā)展及人類生活生產(chǎn)活動給水環(huán)境帶來了各種污染問題[1]。目前我國大陸地區(qū)的水體普遍受到了持續(xù)性的污染且污染狀況日趨嚴(yán)重，尤其是近年來頻發(fā)的突發(fā)性水體污染事故，嚴(yán)重威脅到了當(dāng)?shù)鼐用竦挠盟踩粌H對人群的身心健康產(chǎn)生威脅還對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞[2]。此外，突發(fā)性水體污染也會給水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失，嚴(yán)重影響了社會安定和秩序[3]；例如廣西壯族自治區(qū)龍江河曾經(jīng)的鎘污染突發(fā)事件[4]，峰值時鎘濃度值超標(biāo)約62倍；四川省彭州市的柴油泄漏事件造成下游地區(qū)供水中斷，在當(dāng)?shù)卦斐蓢?yán)重的不良影響；吉林松花江苯類物質(zhì)(苯、硝基苯等)污染事件，造成了江水嚴(yán)重污染，沿岸數(shù)百萬居民的生活受到巨大的影響。

大量的污染物在較短的時間內(nèi)進(jìn)入水體并對水環(huán)境造成嚴(yán)重危害的污染事件，是水體突發(fā)性污染事件，污染物在水體中擴散很快，因此水體突發(fā)性污染事件通常發(fā)生非常迅速且難以辨別具體的污染物質(zhì)[5]。由于污染物排放沒有固定的時間、方式和途徑，污染物在水中擴散極快且會隨著水體流動而擴大影響范圍，所以在水體突發(fā)性污染事件中是難以確定排放的污染物類型的，這就加大了我們對污染事故的應(yīng)急處理難度[6]。因此，充分了解水質(zhì)在線生物監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，建立更完善的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，利用更科學(xué)、有效的監(jiān)測手段來實時在線監(jiān)測水質(zhì)已成為水體污染監(jiān)測和評價的重要措施[7]，從而達(dá)到對水體突發(fā)污染事件的及時預(yù)警的目的。

常用的監(jiān)測手段有物理監(jiān)測、化學(xué)監(jiān)測和生物監(jiān)測。其中物理監(jiān)測和化學(xué)監(jiān)測通常是對水體理化性質(zhì)的監(jiān)測，如溫度、色度、濁度、pH、懸浮物、溶解氧、化學(xué)需氧量、生化需氧量、有毒重金屬和有機農(nóng)藥等，這種傳統(tǒng)的監(jiān)測方式多由人工攜帶便攜式監(jiān)測儀器現(xiàn)場監(jiān)測或是由固定站點連續(xù)監(jiān)測，成本高，所得到的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于水體的變化情況，且往往是反映某單一指標(biāo)的變化狀況，不能全面地反映水質(zhì)各方面指標(biāo)的變化狀況[6，8]。目前的生物在線監(jiān)測技術(shù)的建立主要依賴于水生生物對有害污染物的不同毒理學(xué)反應(yīng)參數(shù)，監(jiān)測水生生物的生理或行為的改變，通過收集、整合、分析和傳輸數(shù)據(jù)對水體可能發(fā)生的污染提供快速并且準(zhǔn)確的警報，從而可以在突發(fā)性水體污染事件發(fā)生的時候，及時發(fā)出預(yù)警[9]，同時它的預(yù)警范圍相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測方式更廣，不僅可以用來判定和評價單一污染化學(xué)物質(zhì)，還可以用來直接判定多種混合化學(xué)物質(zhì)或復(fù)雜的工業(yè)廢水的綜合毒性[6，10，11]。在實際應(yīng)用中，水體的毒性效應(yīng)是一項包含多種指標(biāo)的生物學(xué)參數(shù)，是所組成物質(zhì)拮抗作用或抑制作用的綜合結(jié)果[12]。當(dāng)前用于水體毒性測試的生物學(xué)方法主要有發(fā)光細(xì)菌法、藻類法、魚類法、貝類法、蚤類法、電化學(xué)活性微生物法以及多種生物聯(lián)合法等[13]，這些方法因其生物特性、生存環(huán)境以及個體或群體行為等條件的不同，其操作的復(fù)雜程度及實用性等效果也有所不同[14]。

本文綜述了國內(nèi)外采用不同生物作為受試生物的生物在線水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警的研究發(fā)展進(jìn)程及其優(yōu)缺點，為生物水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的研究和發(fā)展提供參考。

2 以魚類為受試生物進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警的研究進(jìn)展

魚類是較早被作為生物在線水質(zhì)預(yù)警的生物指示種。1929年國外開始出現(xiàn)利用魚類死亡率或其呼吸變化為監(jiān)測指標(biāo)的魚類在線監(jiān)測系統(tǒng)，與此同時，以魚類的正趨運動、回避行為、耗氧率等為指標(biāo)的生物監(jiān)測儀器也開始大量出現(xiàn)[15，16]。早期的魚類水質(zhì)監(jiān)測主要針對生物器官、個體、群落、系統(tǒng)的變化進(jìn)行統(tǒng)計觀察，其實驗對象是較大型的藍(lán)鰓太陽魚、虹鱒等，所需的試驗場地、試驗藥劑以及對污染物的敏感性都具有一定的局限性。其中，藍(lán)鰓太陽魚作為溫水性中小型魚類，生長適溫范圍廣，對水體中的重金屬、有機溶劑及殺蟲劑能比虹鱒做出更迅速、更精準(zhǔn)的生理反應(yīng)，除此之外，藍(lán)鰓太陽魚對其它類型的污染物的反應(yīng)程度的生理反應(yīng)明顯下降[17]。后期對孔雀魚、劍尾魚、斑馬魚等小型魚類進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警的方法隨著水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的持續(xù)發(fā)展不斷衍生[6，18]。20世紀(jì)70年代以后，斑馬魚開始受到眾多環(huán)境毒理學(xué)家的高度重視。隨著人們的研究發(fā)現(xiàn)，斑馬魚有體型小、繁殖快、生活場地小、成本低且具有與人類類似的基因組成等優(yōu)勢，這使其成為專家們進(jìn)行有毒物質(zhì)脅迫下的急性毒性試驗研究以及污染物的積累效應(yīng)研究的重點試驗對象[19～23]。

隨著魚類監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外出現(xiàn)了大量的魚類監(jiān)測模型及系統(tǒng)。一種基于Light GBM模型的魚類異常行為的檢測技術(shù)隨之誕生，其精度高、占用內(nèi)存少、運算速度快、準(zhǔn)確率高、支持并行化學(xué)習(xí)、可處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，因而在魚類監(jiān)測方面逐漸得到廣泛應(yīng)用。有研究表明，有效的特征提取可以提高魚類異常行為檢測的精確度，但自然條件下水質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，易產(chǎn)生其它因素干擾。因此為進(jìn)一步提高模型的魯棒性，即在異常和危險情況下系統(tǒng)正常運行的能力，實際應(yīng)用還需要考慮魚類行為的其他特征(如運動加速度、游動軌跡)[24]。其次是利用計算機視覺技術(shù)監(jiān)測魚的活動電位變化、應(yīng)激行為等指標(biāo)[25～27]，以魚類活動電位的功率頻譜密度測量取代電壓測量[28]。此方法將魚類活動電位按照不同的運動方式的相應(yīng)的頻率分為呼吸電位頻率和游泳電位頻率，通過對呼吸電位頻率和游泳電位頻率的共同數(shù)值監(jiān)測得來的水質(zhì)數(shù)據(jù)能夠涵蓋更大范圍的污染物濃度，即提高了單一監(jiān)測系統(tǒng)對水中毒物的敏感度；除此以外，加上讀取呼吸運動所占的功率和游泳運動所占的功率在總運動功率中的各占的比例能在進(jìn)一步提高單一監(jiān)測系統(tǒng)對水中毒物的敏感度的基礎(chǔ)上消除由于魚類的個體行為、生理差異等帶來的監(jiān)測誤差，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的精確度。盡管將魚類活動電位按照不同的運動方式相應(yīng)的頻率來監(jiān)測提高了相應(yīng)的精確度，但目前以魚類活動電位的功率頻譜密度測量取代電壓測量的方法只能對毒性較強的污染物例如氰化物、硫化物等進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測，而為了將該方法應(yīng)用于大多數(shù)情況即證明任何實際情況下實驗判據(jù)選擇的合理性以及整個系統(tǒng)的靈敏性，該方法還需要和目前國際先進(jìn)的毒物監(jiān)測系統(tǒng)(如德國的MFB等)進(jìn)行所用毒物的濃度以及檢測所需時間的對比[28]。除上述技術(shù)外，魚類監(jiān)測技術(shù)還有基于卡爾曼濾波的魚群三維跟蹤算法技術(shù)[29]、基于視覺化的計算機監(jiān)測系統(tǒng)分析斑馬魚的應(yīng)激行為并運用RGB顏色空間下的紅藍(lán)分量差分法實現(xiàn)運動目標(biāo)監(jiān)測技術(shù)[24]和以魚死亡為終點的應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)[30]等。

魚類作為最古老的脊椎動物，又是水生態(tài)系統(tǒng)中的頂極群落，在環(huán)境因子的影響下，魚類不僅能夠反映各類污染物對水中生物不同程度的影響，也能直接反映污染物對魚類所處的環(huán)境脅迫影響，由此，魚類常被作為水體環(huán)境狀況的指示生物[17]。監(jiān)測項目中利用到了魚類的回避反應(yīng)等，用于監(jiān)測的參數(shù)則包括魚類的活動規(guī)律、呼吸行為和放電行為等，監(jiān)測指標(biāo)各異，數(shù)據(jù)處理較為繁瑣復(fù)雜，且不及時處理死亡的受試生物會進(jìn)一步加劇監(jiān)測水體的污染，使附加成本大幅提高[31]。另外，使用魚類進(jìn)行水質(zhì)在線監(jiān)測的儀器及魚苗供應(yīng)商能夠保證監(jiān)測項目的正常開始，但隨著實驗的進(jìn)程，魚類在生長的過程中出現(xiàn)的各類問題需要一定的魚類養(yǎng)護(hù)技術(shù)和經(jīng)驗才能保證項目的順利進(jìn)行，人力成本也隨之增加。

3 以發(fā)光細(xì)菌為受試生物進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警的研究進(jìn)展

細(xì)菌毒性監(jiān)測技術(shù)采用的菌種通常有發(fā)光異短桿菌、明亮發(fā)光桿菌、費氏弧菌、青?；【⒂鹛锵Ｍ呤暇鶾32]等，而在對亞鐵硫桿菌法、硝化細(xì)菌法和發(fā)光細(xì)菌法在內(nèi)的多種細(xì)菌生物毒性監(jiān)測方法中，發(fā)光細(xì)菌法有著更明顯的優(yōu)勢且應(yīng)用更為廣泛，在衛(wèi)生、環(huán)保、疾控領(lǐng)域都有大規(guī)模的應(yīng)用[33，34]。發(fā)光細(xì)菌是一種非致病的革蘭氏陰性厭氧細(xì)菌。發(fā)光細(xì)菌在正常的生理條件下能夠發(fā)射波長在450～490 nm的藍(lán)綠色可見熒光。當(dāng)與外來有毒污染物質(zhì)接觸時，其新陳代謝會受到影響，根據(jù)污染物性質(zhì)和毒性的不同發(fā)光強度會減弱甚至熄滅[35]。在1672年發(fā)現(xiàn)發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光受化學(xué)物質(zhì)抑制這一現(xiàn)象以后，有學(xué)者在1976年發(fā)現(xiàn)并闡明了有機物對發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光抑制效應(yīng)以及毒性作用機制，之后相繼衍生出的生物毒性測試系統(tǒng)、便攜式毒性測定儀等監(jiān)測系統(tǒng)或監(jiān)測儀器都促進(jìn)了生物毒性監(jiān)測的發(fā)展。其中基于費氏弧菌的常用監(jiān)測儀器型號有荷蘭TOXcontrol、美國US Almightier和深圳朗石Lumifox8000[36，37]等,而英國的AMTOX檢測儀和日本的固定化菌膜傳感器[38]則是基于硝化細(xì)菌對有毒物質(zhì)的反應(yīng)的監(jiān)測儀器。用于環(huán)境毒物監(jiān)測的發(fā)光細(xì)菌法起源于20世紀(jì)80年代，它通過光電檢測系統(tǒng)測試發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光強度，在特定范圍內(nèi)有毒物濃度的高低與發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光強度的強弱呈劑量-效應(yīng)關(guān)系[32，39，40]，因此可根據(jù)發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光強度大小與有毒物濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系這一規(guī)律來推算出毒物濃度[14，19，32，41，42]。1995年我國頒布應(yīng)用發(fā)光細(xì)菌進(jìn)行水質(zhì)毒性測試的標(biāo)準(zhǔn)以后，大量學(xué)者開始研究重金屬、有機溶劑、除草劑等不同種類的污染物對發(fā)光細(xì)菌的毒性評價，研究發(fā)光細(xì)菌的最佳測試條件以及其與污染物的相關(guān)性等。

發(fā)光細(xì)菌生物監(jiān)測技術(shù)的設(shè)備操作簡單、具有較好的可擴展性，在國內(nèi)外的飲用水安全、食品飲料安全及水質(zhì)污染監(jiān)測預(yù)警等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。此外，發(fā)光細(xì)菌法有國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 11348-3-1998)和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T15441-1995)支持，其評價指標(biāo)及體系也具有較大的權(quán)威性[14，34，42，43]。但是由于發(fā)光細(xì)菌需要定期更換菌種，維護(hù)周期較短(一般為1～2周一次)，因此運營成本也較高[32，34]。發(fā)光細(xì)菌生物毒性監(jiān)測技術(shù)具有可進(jìn)行應(yīng)急檢測、檢測時間短以及檢測譜寬的特點。但是發(fā)光菌種的生物毒性有效期較短，不適合用于較長時間段的全自動監(jiān)測。目前我國大多數(shù)水質(zhì)檢測都是實驗室內(nèi)指標(biāo)的檢測，而在自然環(huán)境中運用的更廣的生物毒性的檢測還處在發(fā)展階段，需要進(jìn)一步研究。此外，發(fā)光細(xì)菌的生物毒性監(jiān)測儀器的成本較高且需考慮水體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)對監(jiān)測結(jié)果的影響也是其需要格外注意及改進(jìn)的部分。

4 以藻類為受試生物進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警的研究進(jìn)展

藻類是一類通過細(xì)胞營養(yǎng)性分裂，或借助于單細(xì)胞的孢子、合子的方式進(jìn)行生長繁殖的懸浮生活在水中的水生生物，其群落結(jié)構(gòu)特征被廣泛應(yīng)用于評價和監(jiān)測水質(zhì)[44，45]。藻類常被用作化學(xué)品毒性測試，特別是重金屬離子的毒性測試的指示物種。常用的藻類監(jiān)測系統(tǒng)有德國bbe公司藻類在線水體生態(tài)毒性檢測系統(tǒng)(A-Tox)和藻類在線熒光檢測系統(tǒng)[46，47]等。其中Algae Toximeter[46]是一種對水體中藻類新陳代謝導(dǎo)致的葉綠素含量熒光光譜和熒光動力變化在線分析的系統(tǒng)，該系統(tǒng)對除草劑尤為敏感，它將標(biāo)準(zhǔn)化培養(yǎng)的藻類自動加入受測水體中，實時監(jiān)測其葉綠素濃度的變化，當(dāng)水質(zhì)發(fā)生變化的時候，產(chǎn)生的環(huán)境脅迫會降低藻類的新陳代謝使其葉綠素水平降低，激發(fā)系統(tǒng)警報。該系統(tǒng)裝置不需要進(jìn)行特殊的管理，受試生物的更換周期為7d，并且可以進(jìn)行自動清洗，進(jìn)行24 h不間斷的監(jiān)測，通過電腦或手機遠(yuǎn)程監(jiān)控，斷電后再通電也可正常運行，但其不能反映污染物的濃度與種類，只能起預(yù)警的作用；而應(yīng)用的最典型的技術(shù)則是光電子技術(shù)，藻類分析法以水藻作為探測生物，利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)連續(xù)檢測被測水樣，一旦有毒物質(zhì)進(jìn)入水體，受到毒性作用的藻類的光合作用強度減弱、活性降低，平行對比正常生理條件下藻類光合作用的活性，根據(jù)兩者的差異得知污染物毒性的強弱；以此技術(shù)為基礎(chǔ)的藻類在線檢測儀，可以快速測得葉綠素?zé)晒庵蹬c葉綠素濃a濃度、細(xì)胞密度的相關(guān)性等，因為不同藻類對設(shè)定波長的激發(fā)光所響應(yīng)的熒光光譜不同，根據(jù)測得的熒光光譜及其強度，對藻類進(jìn)行分類和定量檢測，獲得水環(huán)境實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，為災(zāi)害性事故和水華的發(fā)生做出預(yù)判[47,48]。此外，用于檢測水質(zhì)的方法還有通過生物催化劑的發(fā)光和真核藻類氧氣的產(chǎn)生量測定光合作用行為的強弱，或?qū)Ρ仍孱惣?xì)胞(如單細(xì)胞鞭毛眼蟲藻)的活動或其游走孢子(如石莼)的釋放規(guī)律[42，49,50]。

藻類對除草劑類的農(nóng)藥、重金屬等較為敏感，并且有國際標(biāo)準(zhǔn)ISO8692支持，但是藻類對殺蟲劑的敏感度較低，且不穩(wěn)定、受基準(zhǔn)藻培養(yǎng)質(zhì)量影響較大[43]。此外，以藻類為探測生物的儀器，通常都會選擇培養(yǎng)馴化當(dāng)?shù)匚锓N，需要一定的馴化技術(shù)和培養(yǎng)經(jīng)驗，且藻類更換較為頻繁[50]。

5 以貝類為受試生物進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警的研究進(jìn)展

早期美國有學(xué)者將淡水蚌作為受試生物對碳?xì)浠衔铩⒎派湫栽?、金屬穩(wěn)定同位素等污染物進(jìn)行監(jiān)測，之后科學(xué)家發(fā)明了通過電磁感應(yīng)技術(shù)來感應(yīng)殼瓣運動的監(jiān)測系統(tǒng)[51]。英國、美國、法國和澳大利亞等國家則利用牡蠣和貽貝監(jiān)測水質(zhì)變化[52,56]。貝類在水體中通過過濾水體中的藻類等微型生物吸取營養(yǎng)來生長繁殖，它在不利環(huán)境下會產(chǎn)生緊閉外殼的現(xiàn)象來排除外界刺激物。在水體被污染的情況下，貝類的運動狀況會因污染物的種類和濃度不同而受到不同程度的影響。因此，貝類動物生物毒性監(jiān)測技術(shù)通常利用貝類動物的防衛(wèi)機能即貝類遇到外界刺激時會發(fā)生閉殼反應(yīng)來監(jiān)測水質(zhì)毒性[18，41，50，57]。目前常用的貝類監(jiān)測生物有斑貽貝、普通貽貝、河蚌、珠蚌、食用牡蠣等[11，58～61]。

貝類對重金屬、農(nóng)藥較敏感，但是相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)生物物種較少，可供選擇的探測生物種類范圍較小[43]。相比于其他探測生物而言，采用貝類作為受試生物時通常選用當(dāng)?shù)匚锓N，所以使用和購買都較為便利。此外，貝類生存能力較強，其更換周期相比于其他傳統(tǒng)受試生物會較長一些[50]，考慮到其個體較大、所需檢測時間較長且個體差異對監(jiān)測結(jié)果影響大等原因，可能存在靈敏度低等缺點。

6 以蚤類為受試生物進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警的研究進(jìn)展

水蚤作為一種受試生物，在生物毒性監(jiān)測方面取得了一定進(jìn)展，它對多種有毒物質(zhì)都很敏感，具有良好的重現(xiàn)性，是國際公認(rèn)的一種標(biāo)準(zhǔn)毒性實驗生物[58，62]。利用蚤類在受污染環(huán)境中的游動速度、高度以及運動軌跡，分析它在該環(huán)境中的形態(tài)、生理和行為的變化，可以對水體毒性進(jìn)行初步判斷，為水質(zhì)在線生物監(jiān)測預(yù)警提供實驗基礎(chǔ)[19，42,43，50]。蚤類中用于毒性研究最多的是大型溞，利用其體內(nèi)酶活性的變化可以更早地檢測出污染物的存在，有利于我們提前對受污染水體進(jìn)行控制，抑制污染物的擴散[63]。在水蚤用于環(huán)境監(jiān)測的評價指標(biāo)分析中，通過研究水體富營養(yǎng)化對隆線溞的影響，發(fā)現(xiàn)隆線溞體內(nèi)的乙酰膽堿酯酶的活性隨受污染水體中三唑磷含量的增加而降低。另外，在研究重金屬鎘和鋅的聯(lián)合毒性作用時發(fā)現(xiàn)，蚤類體內(nèi)的MT含量隨鎘和鋅的聯(lián)合濃度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在較低濃度時表現(xiàn)為協(xié)同作用，在中等濃度時表現(xiàn)為相加作用，在較高濃度時表現(xiàn)為拮抗作用，由此可知蚤類體內(nèi)的MT物質(zhì)可作為鎘、鋅聯(lián)合毒性評價的敏感指標(biāo)[64]。

蚤類的體積小、易觀察、易培養(yǎng)且發(fā)生率高、繁殖周期短、對污染物敏感，具有良好的重現(xiàn)性[65]。此外，蚤類對殺蟲劑敏感度較高，但是對除草劑敏感度低，且缺少標(biāo)準(zhǔn)毒理試驗的標(biāo)準(zhǔn)方法[66]。在水蚤監(jiān)測水質(zhì)的實驗中，通過分析水蚤在受污染環(huán)境中的繁殖率及死亡率可以得到較直觀的實驗結(jié)果，但測試的靈敏度、實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比性都會受到水蚤種類和年齡的影響，為此，需要對進(jìn)行測試的水蚤的基因型、投喂的食物和水蚤培養(yǎng)所需的外界環(huán)境因素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的限定[64]。此外，以蚤類為探測生物的儀器通常存在誤報警率高、維護(hù)難度大以及生物更換頻繁等缺點。

7 以電化學(xué)活性微生物為受試生物進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警的研究進(jìn)展

目前用作毒性監(jiān)測的生物傳感器有DNA傳感器、免疫傳感器、微生物傳感器和酶傳感器。以電化學(xué)活性微生物為受試生物通常采用的是微生物傳感器法。微生物傳感器法包括固定化微生物、換能器和信號輸出裝置三部分，微生物活體是作為分子識別固定于電機表面的敏感材料的一種生物傳感器，由于微生物本身包含多種酶系，利用其體內(nèi)的各種酶系及代謝系統(tǒng)來檢測和識別相應(yīng)底物，就可以達(dá)到測試有毒物質(zhì)綜合毒性的目的。常見的生物活體包括細(xì)菌、真菌、酵母菌和動物細(xì)胞等[42]。目前已有的監(jiān)測系統(tǒng)有美國喬治亞理工大學(xué)采用的利用中紅外區(qū)域光纖消逝光譜測量待測微生物與對應(yīng)標(biāo)記物的相互作用的生物光電傳感器系統(tǒng)[67]。系統(tǒng)的傳感區(qū)域涂有特定的薄聚合物層形成疏水膜，可使疏水性分析物在傳感器附近富集，減少對基質(zhì)的干擾。該傳感器能快速并實時測量且具有高靈敏度，不需要額外的步驟或消耗性試劑，并能夠檢測水和空氣中各種化學(xué)和生物樣本[68]。此外,英國研究國際公司和美國海軍研究實驗室研發(fā)的基于光纖的生物傳感技術(shù)RAPTOR，是一套便攜式快速自動熒光測定系統(tǒng)。該系統(tǒng)是集流體、光學(xué)、軟件和電子于一體的獨立結(jié)構(gòu)，適用于生物毒素、爆炸物、生物和化學(xué)污染物的現(xiàn)場檢測和實驗室分析[67]。

以電化學(xué)活性微生物為受試生物的微生物傳感器法通常具有靈敏度高、檢測速度快以及操作維護(hù)簡單等優(yōu)點，但是也存在抗干擾能力差以及誤報警率高等缺陷。

8 以多種生物聯(lián)合為受試生物進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警的研究進(jìn)展

鑒于生物個體具有生理局限和敏感程度等限制因素，不同種類的水生生物對相同污染水體的響應(yīng)差別巨大，往往在使用單一生物進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測時容易存在錯誤報警或未及時報警的情況。因此，使用多物種在線預(yù)警技術(shù)能夠更為全面、準(zhǔn)確地反映水體污染事故中不同污染物的危害及其疊加效應(yīng)，在一定程度上降低監(jiān)測系統(tǒng)報警的失誤率，還可以考慮到多種污染物造成的水體污染的綜合影響[41,42]。多物種在線生物監(jiān)測儀可以通過預(yù)先設(shè)定的方法，采用96種以內(nèi)的生物種類同時進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測，從而實現(xiàn)對水體內(nèi)多種不同生物運動行為的在線監(jiān)測。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的各閾值，如果連續(xù)3次記錄中的設(shè)定頻率偏離正常值的百分率超過了警示閾值，生物監(jiān)測儀就會發(fā)出預(yù)警信號，從而達(dá)到持續(xù)在線監(jiān)測水質(zhì)的目的。常見的監(jiān)測技術(shù)有根據(jù)水體生物的呼吸頻率監(jiān)測水體污染的生物早期預(yù)警系統(tǒng)BEWs[6，69]以及與BEWs系統(tǒng)相似的運用四級阻抗技術(shù)的多物種生物監(jiān)測儀，其中多物種生物監(jiān)測儀MFB(Multispecies Freshwater Biomonitor)是一種較成熟的在線監(jiān)測儀[6，70]。

利用多種生物同時進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警，可以持續(xù)進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量的在線監(jiān)測，幾乎所有能夠?qū)Νh(huán)境脅迫產(chǎn)生行為反應(yīng)的水生生物都可以用來監(jiān)測水環(huán)境污染和突發(fā)性水體污染事故。因此，以多種生物聯(lián)合作為探測生物可以極大程度地提高生物水質(zhì)監(jiān)測儀器的敏感性和選擇性，降低誤報警率。但由于生物物種過多導(dǎo)致維護(hù)成本較高，且需要掌握對不同種生物的觀測分析技術(shù)及數(shù)據(jù)處理方法，因此操作難度較大[32，41]。此外，生物預(yù)警雖然可以在發(fā)生突發(fā)污染事件的時候發(fā)出及時的預(yù)警，但從定量角度確定污染因子的種類和污染量的能力較弱，但目前尚沒有標(biāo)準(zhǔn)的生物監(jiān)測體系，對于該領(lǐng)域的技術(shù)監(jiān)督和儀器質(zhì)檢都還有巨大的發(fā)展空間。

9 結(jié)論

根據(jù)所選擇的作為生物傳感器的探測生物的不同，生物綜合毒性監(jiān)測設(shè)備的優(yōu)缺點也不同。本文綜述了常見的幾種毒性監(jiān)測設(shè)備的研究現(xiàn)狀及其優(yōu)缺點，通過對比發(fā)現(xiàn)：

(1)以魚類為受試生物的監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測的污染范圍較小，且設(shè)備維護(hù)成本較高；以發(fā)光細(xì)菌為受試生物的監(jiān)測系統(tǒng)，不適用于較長時間段的全自動監(jiān)測，且成本高、需定期更換菌種、維護(hù)周期較短；以藻類為受試生物的監(jiān)測系統(tǒng)，對馴化人員的技術(shù)要求較高，對殺蟲劑敏感度較低且不穩(wěn)定，更換受試生物也較為頻繁；以蚤類為受試生物的監(jiān)測系統(tǒng)，對除草劑的敏感度低，需要頻繁地更換受試生物，誤報警率高、維護(hù)難度大；以電化學(xué)活性微生物為受試生物的監(jiān)測系統(tǒng)，抗干擾能力差、誤報警率高。

(2)以貝類為受試生物的監(jiān)測系統(tǒng)，對重金屬和農(nóng)藥等常見的生活及工業(yè)污染物都較敏感，能對自然水體水質(zhì)的毒性變化進(jìn)行中長期監(jiān)測預(yù)警。另外，其使用和購買較便利、成本低、對個體發(fā)育程度要求不高、運動范圍小、易于觀察、更換周期長、不需要額外投喂食物、生存能力強、適應(yīng)范圍廣、簡單易行、在各個湖泊、水庫以及河流流速較緩的水域都可利用現(xiàn)有的無線信號裝置實現(xiàn)在線監(jiān)測。

(3)目前懸浮式貝類生物監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)還處于萌芽階段，以貝類為受試生物的監(jiān)測預(yù)警具有較大的發(fā)展前景。