近年來,水環境污染造成的危害事件頻頻發生,對水環境進行監測是科學進行水污染防治的基礎。相對于傳統的理化監測技術,生物監測方法具有敏感性、穩定性、多樣性及長期性等優勢,可直接、有效地反映水環境面臨的生態風險。總結了生物監測方法的重要性、優勢及主要監測生物類型;基于國內外大量文獻,綜述了水環境生物監測的主要生物類型——微生物、浮游植物、浮游動物、著生生物、底棲動物、高等水生植物和魚類等監測方法的研究進展;對生物監測方法國內外的實踐和應用進行了探討,對生物監測方法未來的發展進行了展望。

長期、高強度的污染排放使水環境出現了諸如有毒化學品污染和水體富營養化等一系列問題,近年來,由有毒有害物質引起的水體毒害事件頻頻發生。有毒有害污染物往往是多種污染物的混合物,其相互作用和潛在的生態毒理作用非常復雜,這使得對水環境監測和評價的技術要求越來越高。目前,傳統的物理和化學技術已難以完全滿足監測的需求。生物監測是通過觀察生物種群、數量、群落組成和結構、生物習性、生長繁殖甚至遺傳特性的改變,從生物學的角度對環境污染狀況進行監測和評價[1]。生物監測可以顯示出所有化學物質的綜合生態毒理效應,與傳統監測技術相結合,可對水環境有更好的監測效果。我國于1986年頒布的《環境監測技術規范——生物監測(水環境部分)》規定了生物監測的基本任務,之后原國家環境保護局于1993年組織編寫了《水生生物監測手冊》,但目前該手冊的局限性逐漸突顯,迫切需要更新[2]。國外的生物監測發展相比國內來說更為廣泛深入,但由于水生態系統的差異性和復雜性,并不能照摹照搬。筆者綜述了水環境生物監測方法的研究進展,以期為我國生物監測技術在水環境領域的應用及水污染防治提供科學參考。

1 生物監測的重要性與優勢

1.1 重要性

水環境的物理、化學監測主要通過確定污染物的濃度、來源以反映水質狀況,但這些物理、化學指標并不能反映水污染對水生生物的影響,也不能解釋水污染與水生生物的協同或拮抗作用。水體中同種污染物常以不同的化學形式存在,其流動性、潛在毒性、生物利用度有明顯差異,而在水環境監測中,追蹤每種污染物從技術與經濟角度來講并不可行。通過生物監測,分析水環境中污染物的生物利用度,可以直接反映污染物的生物效應,從而反映出其潛在的風險。此外,生物監測也可用作物理評估和化學毒性分析的補充,以解決復雜的水環境問題[3]。

1.2 優勢

生物監測對水環境來說具有很大的現實意義,生物監測的優勢在于:1)敏感性,指示生物對低濃度的污染物比較靈敏,某些生物甚至可以對微量污染表現出相應的效應;2)穩定性,指示生物的生存環境較為固定,與理化監測手段相比,可以較為方便地在同一區域實現連續監測;3)多樣性,水環境中生物種類繁多,可以反映出污染物的拮抗、協同等綜合效應,同種生物對不同污染物的反應也不相同;4)長期性,生物監測結果可以將歷史累積的污染狀況反映出來,對慢性毒性的效應更為明顯。因此,生物監測能夠有效反映水環境狀況,從而為采取科學預防措施和治理手段提供科學基礎。

2 監測生物的主要類型

水環境的質量評估不僅要參考理化參數,還需要利用生物監測確定毒性作用并進行綜合評價,從而明確水環境對人類健康的風險。常用于監測的生物類型:1)微生物,如綠菌門(Chlorobi)、放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)等;2)浮游植物,如藍藻門(Cyanophyta)、綠藻門(Chlorophyta)、硅藻門(Bacillariophyta)等;3)浮游動物,如石蠶(Phryganea japonica)、扁蜉(Heptageniidae)[4]、水蚤(Daphnia)等;4)著生生物,如硅藻門、輪蟲動物門(Rotifera)、殼頂幼蟲(Umbo larvae)等[5];5)底棲動物,如牡蠣(Ostrea gigas tnunb)、貽貝(Mytilus galloprovincialis)、蚌(Anodonta woodianawoodiana)、搖蚊幼蟲(Chirono)等[5];6)高等水生植物,如海菖蒲(Enhalus acodoides)、黃花水龍(Ludwigia peploides)等;7)魚類,如紅鼻剪刀魚、馬頭鰍、虎皮魚等[6]。雖然目前我國大多數地區仍采用以物理和化學監測為主的手段對水環境進行監測,但生物監測也得到了一定的發展,其中較為成熟的生物監測手段為對發光細菌、藻類、底棲動物等進行監測。近年來對生物傳感器、行為監測法及其他生物監測新技術也在進一步探索之中[7]。

2.1 微生物

水體中的微生物個體、種群、群落及其在一定時間和空間范圍內的水環境通過物質循環和能量流動組成了水體微生物生態。當前水環境中應用較多的微生物監測主要有對綠菌門、放線菌門、變形菌門、擬桿菌門(Bacteroidetes)、酸桿菌門(Acidobacteria)等的監測[8],監測指標為群落多樣性、群落結構、群落均勻度、優勢細菌豐度等。其中發光細菌,包括明亮發光桿菌(Photosbacterium phosphoreum)、費氏弧菌(V. fischeri)和青海弧菌(V. qinhaiensis),由于其獨特的生理特性,已被用作測定水環境中有毒物質的主要指標。

發光細菌廣泛分布于水環境中,如沉積物和魚鱗等,細菌發光主要依賴生物發光酶系統,該系統中的熒光酶為異二聚體蛋白質。當發光細菌暴露于有毒物質時,細菌熒光酶可被抑制且其光強度迅速降低。通過測量暴露于測試樣品的細菌的光強度并與對照的細菌進行比較,可以量化化學物質對發光細菌的毒性。發光細菌不僅可用于測量急性毒性(5~30 min),也可基于細菌生長速率的變化用于評價慢性毒性(12~24 h)[9]。該方法可廣泛用于生活飲用水水質的安全評價、給水系統的毒性監測和海洋沉積物的綜合毒性監測[10]。如費氏弧菌作為一種革蘭氏陰性桿菌,既可與各種魚類形成共生關系,又可獨立生活,只需短時間的簡單測試即可推斷出水環境的物理、化學、微生物變化。經統計分析,費氏弧菌的毒性反應與電導率和濁度呈負相關,與糞大腸菌群數,磷、鐵、汞、砷濃度和硬度呈正相關[11]。在微生物生物傳感方面,常用的技術包括電流分析法、電位法、電導法、伏安法、熒光法、生物發光法和比色法[12]。另外,細菌還用于基于氧消耗(細菌呼吸計)、硝化、細菌生長(濁度或細胞密度)的生態毒理學研究中[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,通常指浮游藻類。近年來,由于合成洗滌劑的大量使用,污水中的磷含量明顯增加,而磷是藻類的營養物質,一旦過剩,會引起浮游植物代謝紊亂、功能失調等問題,導致細胞凋亡、組織壞死,乃至中毒死亡。浮游植物是監測水質的指示生物之一,作為初級生產者,其對水生態系統的能量流動、物質循環、信息傳遞具有重要作用。浮游植物一旦過量生長,將會導致水中有機物濃度增加、溶解氧濃度下降,致使水質惡化,對水生生物極為不利。由于不同藻類對營養物質的需求和反應不同,因此通過對藻類的豐度、種類和化學組成進行檢測,可以判斷水質的綜合狀況[14]。水環境受到污染時,藻類的細胞密度和光合作用強度將隨之發生變化[1]。

藻類在水生態系統中發揮著重要的作用,對水環境的變化反應非常迅速[15],常被用于急性和慢性毒性測試,常從酯酶抑制、ATP能量損失、生長抑制、運動抑制和葉綠素熒光等方面進行評價[16]。綠藻門的石莼(Ulva lactucaL.)生長迅速,可以承受各種生態條件和高污染,具有較高的重金屬生物累積能力,常被用作污染的哨兵。石莼也是鎘、銅、錳和鉛的良好蓄積物[18]。此外,藻類生物測定還可用于評估有機污染物、油分散劑、廢水、固體廢物瀝濾液等的毒性。苯并芘(BaP)是一種已知的致癌物質,水體中BaP的來源主要有降水、儲水槽及管道涂層淋溶、水上行駛的船舶漏油、工業廢水排放和生物體合成等。BaP聚集在小球藻的脂質體中后,可以使用熒光共焦顯微鏡和熒光壽命成像顯微鏡對其定位[17]。藻類生物監測評估方法包括聚氨酯泡沫塑料塊法(PFU)、生物測試法、硅藻指數和藻類毒性計等[10]。

2.3 浮游動物

浮游動物是營浮游生活的異養型動物,主要包括無脊椎動物和脊索動物的幼體。它們無游泳能力或很弱,隨水流而漂動,是魚、貝類的重要餌料來源。浮游動物的數量和種類豐富,分布范圍極為廣泛。水體富營養化和水質渾濁造成的水體缺氧,都會對浮游動物的群落組成、空間分布和豐度產生影響[19]。浮游動物的時空變化也受捕食壓力的影響,與魚類生物量之間存在統計學關聯[20]。

Kuklina等[21]研究表明,長期或高濃度暴露于亞硝酸鹽可能會降低小龍蝦等的存活率和適應能力。濱岸蟹是一種可靠的生物標志物,可用于河口或海洋模型的生態毒理學研究和環境質量評估。因為其不僅對各種水體污染物敏感,且其生物反應與暴露濃度或劑量有關[22]。Morabito等[23]研究表明,刺胞動物可以吸收、攝取或接觸海中的化學物質,構成監測環境質量的重要模型,其具有高度特異性的刺細胞,細胞體積的改變可以監測水環境中的重金屬等污染物。Sei等[24]研究表明,橈足類湯氏紡錘水蚤(Acartia tonsa)卵可以作為生物監測器,用于評估缺氧條件下持久性污染物的毒性及硫化物在降低金屬生物毒性中的作用。除此之外,大型水蚤的死亡率和繁殖力等急性毒性測試指標已被用于檢測飲用水和地表水中無機砷和農藥的污染[10,25]。

2.4 著生生物

著生生物是積聚在人造或天然基質表面的群落,主要由藻類、細菌、真菌和原生動物組成,是水環境污染的早期預警標志物。與底棲動物一樣,著生生物有著豐富的多樣性和生物量,常用的監測指標有生物多樣性指數、均勻度指數、藻類密度、總生物量等。其生物量常采用體積換算法[5]進行計算,也可利用其群落結構進行動態監測[26]。

對著生生物的監測多采用人工基質法,通過刮取、剝離基質上的表層藻膜和生長物進行樣品采集,在顯微鏡下進行計數用以分析其生物量[5]。著生藻類中,藍藻類的藍纖維藻(Dactylococcopsis)和湖泊鞘絲藻(Lyngbya limnetica)是反映氮磷過營養化的指示藻類[27]。在某些污染水體已經出現了耐污染種類,如聚縮蟲(Zoothamnium)密度過高導致其他生物生長受限[26]。另有研究表明,受三價鐵、銅、鋅等重金屬污染的河流,其生態系統表現為著生生物的生物量過于豐富,而底棲動物的種類和數量則明顯減少[28]。

2.5 底棲動物

底棲動物是指棲息于海洋或內陸水域底部的動物,是水生態系統的重要組分。底棲動物多為無脊椎動物,棲息形式多固著于巖石、泥沙等基底上,如牡蠣、蝦、貽貝和河蚌等。無脊椎動物可能受到高濃度的金屬和營養物、細沉積物以及流量特征的影響[29]。在水生態系統中,底棲無脊椎動物承擔著分解者的角色。目前,以底棲動物評價水質和監測水體污染已被廣泛采用,并取得了一定的效果。

越來越多的研究證實,底棲無脊椎動物在評估污染物對水環境影響方面具有關鍵作用。但選擇適當的無脊椎動物,設計適當的試驗和確定生物測定方法,以及控制毒性測試中潛在的混雜因素對獲得科學有效的結果至關重要。如匍匐棘螺(Prosobranch snails)是水生棲息地中的重要成員,其對海洋和淡水生態系統具有重要的生態意義,它們的激素系統在很大程度上與脊椎動物的激素系統相當,適用于鑒定內分泌干擾物質[30]。超氧化物歧化酶(SOD)是生物體防御環境中污染物的生物標志物,通過測定貽貝肝胰腺組織中的SOD和碳氮同位素組成,可以監測水中的污染物水平,尤其是重金屬污染[31]。國際上已經建立了多種底棲動物指數,其中發展比較成熟的生物指數,包括指示生物、多樣性指數、優勢度、物種豐度等[32],另有Hilsenboff生物指數(Hilsenboff of biotic index,HBI),底棲動物完整性指數(benthic index of biotic index,B-IBI),科級水平生物指數(family biotic index,FBI)和生物學污染性指數(biology pollution index,BPI)等[33]。

2.6 高等水生植物

高等水生植物是指長期生活在多水的環境中,并且能生長、蔓延、繁殖的植物,包括荷花、水蔥等挺水植物,芡實、王蓮等浮葉植物,水葫蘆等漂浮植物和金魚藻、眼子菜等沉水植物。高等水生植物一般生長在淺水湖泊或水庫沿岸,能為魚類提供產卵場所,也能為水鳥、昆蟲等提供食物來源和棲息場所,除此之外,還在凈化水質和維護生態平衡方面發揮著重要作用。但高等水生植物過度生長會消耗大量的營養物質,遮蔽陽光,妨礙通風等,影響浮游生物的繁衍,同時也會不同程度地影響水體的溫度和溶解氧水平。

Ahmad等[34]研究表明,在河口生態系統中,海菖蒲具有從沉積物中吸收重金屬As、Cd、Cu、Hg和Pb的能力,吸收量與沉積物中重金屬濃度呈正相關,適合作為河口的生物監測器。黃花水龍是生長在淺水域的多年生浮葉植物,由于其具備對親脂性有機農藥的高生物積累能力,通過計算其生物富集因子(bioconcentration factor,BCF)和生物沉積物富集因子(biota-sediment accumulation factors,BSAF)可用于水環境的生物監測[35]。

2.7 魚類

水質惡化會造成魚類患病、畸形,乃至死亡,長時間的作用會抑制魚類的生長、繁殖和遷移。某些污染物會對魚類起到刺激作用,如氯胺在水中降解時會釋放出游離氯,引起魚類的急性呼吸問題和魚血中的酸堿紊亂[36]。重金屬可能轉化為具有高毒性和持久性的金屬化合物,在魚類體內形成生物累積[21]。此外,一些持久性污染物如滴滴涕、多氯聯苯等也會在魚類體內積累并造成持續性蓄積危害。重金屬通過食物鏈積累到一定濃度,可能對其他動物和人類的健康構成潛在威脅。魚類對污染物可表現出明顯的生理反應和行為反應,由此,通過監測魚類可以檢測到水環境的變化[37],魚類監測已被用于評估水質。通常可用于監測的魚類包括紅鼻剪刀魚、馬頭鰍、虎皮魚、紅綠燈魚、斑馬魚、鲇魚、鮭魚、河鱸等[6,10]。

魚類生物測定的指標包括生理指標和行為指標。其中,生理指標主要有心跳速率和血液酸堿度;行為指標主要包括逃逸行為(快速游泳、迂回頻率),運動行為(速度、高度、轉向頻率、擺動頻率、社交)以及呼吸行為(呼吸頻率、呼吸深度)。此外,剛孵出的幼魚暴露于污染物的急性死亡率也可用于水質評價[12]。魚類的監測手段主要有遙測系統、聲學監測、通氣活動的測量、心電圖和光纖體積描記術[21]。近年來,基于視頻跟蹤的生物預警系統憑借先進的計算機技術取得了很大的進步,對多種生物的視頻跟蹤能力大大提高。目前的行為監測系統產生了大量詳細的行為數據,可用于毒性監測。雖然視頻跟蹤尚未在環境科學中被廣泛采用,但其已在行為分析中顯示出了巨大潛力[38]。

2.8 不同類型監測生物的特點

不同的水生生物種群代表了食物鏈的不同環節,其對不同污染物的敏感性不同,因此,針對不同污染監測的需求,有針對性地選擇監測的生物類型十分重要。不同類型監測生物的優缺點及適用條件。
3 生物監測方法應用

目前,生物監測方法已在國內外獨立水域的水環境監測中有一定的實踐和應用。如Dourado等[47]在巴西中西部的河流中應用洋蔥、魚類的細胞毒性試驗、微核試驗、彗星試驗等進行監測,魚類彗星試驗觀察到的DNA損傷發生在重金屬Cu、Pb、Cd、Ni濃度高的水環境中,體現了遺傳毒性測試對制定改善水質管理計劃的重要性。水生生物體接觸有毒劑量的污染物經由食物鏈會對人類和動物造成危害。水環境的改變會對原生動物群落結構產生直接的影響,從而影響水體質量。因此,可以利用原生動物群落特征來監測與評價水質[39]。另有大量研究利用寡營養細菌誘導饑餓性反應及對重金屬敏感的特征,監測水環境的富營養化程度[40]。化學品可以長期抑制水生生物的生長,改變水生生物的繁殖和遷移。因此,水環境中有毒化學物質的監測對于人類和地球上所有生物群的整體安全性具有非常重要的作用。

4 研究展望

水環境監測的新趨勢迫切需要開發快速、低成本、常規的污染物檢測工具,以保護水源安全。作為風險識別和突發水污染早期預警的方法[48],生物監測不失為值得發展的方法,當然該方法也存在著一定的不足:如由于生物監測僅依據某一物種的敏感指標變化,因此帶來的不確定性較大,有時某些生物指標的變化與其所在水生態系統的性質和功能變化相關性非常小[33];指示生物的分布在地理空間上有差異,并在很大程度上受到環境因子的影響;把包含物種信息的多個指標整合成單一的指數,可能存在偏差,而且這些偏差很難被克服。要更好地利用生物監測方法,還需要進行深入研究,從而真正為保障水環境健康提供科學參考。目前,新的污染物還在不斷出現,合適的效應指標尚待確定,而且生物監測的對象大多是相當復雜的水生態系統,生物監測難以確定適合不同水生態系統的統一評價標準,難以像理化監測方法那樣大范圍地推廣應用[49],但其已顯示出廣闊的發展前景。