摘要:指出了近年来环境污染问题日益突出,环保问题受到越来越多人的重视。而生物监测作为环境监测的一个重要手段,在日常工作中发挥了越来越重要的作用。综合分析了生物监测技术在土壤污染、大气污染以及水体污染等方面的运用,探讨了目前生物监测技术的不足,展望了生物监测技术的发展前景。
关键词:生物; 监测; 环境; 应用
中图分类号:X830
文献标识码:A 文章编号:1674-9944(2016)16-0084-03
1 引言
近年来,社会经济不断发展,人口急增,环境污染日益严重,环保问题受到越来越多的人关注。治理污染、保护环境成了全社会的共识。监测环境污染的变化情况,成为治污的首要前提。传统的理化监测方法,不能全面的反应污染物对生物体及生态系统的影响。运用生物监测,可以弥补理化监测的不足,从不同角度研究污染物带来的危害,受到社会各界的认可。
2 生物监测
生物监测(Biomonitoring,Biological Monitoring)是利用生物的组分、个体、种群或群落对环境污染或环境变化所产生的的反应,从生物学的角度,为环境质量的监测和评价提供依据。其具有如下优点:
2.1 长期性
理化监测是定期采样,监测结果只能反映采样期间的情况,而生物体作为理想的环境监测器,能把一定时间内的环境变化情况反映出来,因而能够更全面地反映环境污染状况。
2.2 富集性
易于富集污染物。处于生态系统中的生物,微量污染物可以通过食物链产生富集效应,在食物链终端检测,可检测到高达数万倍的污染物浓度。
2.3 综合性
环境污染的成因复杂,并不是各个污染物之间的简单加合。传统的理化监测只能检测各种成分的类别和含量,不能多种污染物、多种暴露途径的综合暴露进行累积风险评价。而生物监测可以真实地反映环境中诸多因子、多种污染物的成分的综合效应,进行累积风险评价,为污染物环境总量控制提供依据。
2.4 灵敏性
生物监测具有灵敏性,某些生物能够对一些精密仪器都无法检测出的痕量污染物产生反应,表现出受危害的效应,可以在早期发现污染,从而提高了灵敏度,有助于早期预警。
3 生物监测在不同介质的环境监测中的应用分析
3.1 生物监测在土壤污染监测中的应用分析
3.1.1 土壤动物监测
土壤动物对于土壤有机质分解、养分循环、改善土壤结构等方面具有重要的作用。土壤中无脊椎动物因繁殖力强,分布广,且暴露于土壤中,与土壤接触面积广,其生命活动和代谢与土壤息息相关,是良好的土壤污染的指示生物。
王丹丹等研究蚯蚓对锌污染土壤养分状况及锌形态的影响,实验中蚯蚓生长率随污染浓度升高而下降,重金属污染对蚯蚓生长表现出抑制作用。蚯蚓活动降低了土壤pH值,而显著提高了土壤DTPA-Zn含量,使土壤中Zn的形态从残渣态、有机态向铁锰氧化态和交换态转变,提高了重金属植物有效性。
3.1.2 土壤植物检测
土壤受到污染后,生长在其上的植物会表现出各种“信号”, 如叶片上出现伤斑蒸腾率降低、呼吸作用加强、生长发育受抑,由于吸收污染物质,导致植物体中的某些成分相对于正常情况下发生改变等。
宋囊在5种阔叶绿化树种对土壤Cu污染的耐性评价研究中表明,植物对Cu的吸收主要积累部位由多到少依次是根部、茎部、叶。不同程度的Cu污染对植物的生长代谢都有影响。Cu胁迫下,植物的比叶重、生物量下降;叶绿素含量降低,光合作用受到抑制;膜脂过氧化严重;丙二醛含量增加,酶活性失调,细胞膜透性增大,刺激脯氨酸的合成,根系活力降低。
3.1.3 土壤微生物监测
土壤微生物是土壤生物体系中关键的功能要素,受到污染的土壤,其微生物群落结构会改变,可用来评估土壤质量。
杨萌青等在石油污染土壤微生物群落结构与分布特性研究中,探讨典型油田区石油污染土壤微生物群落的结构特征,污染水平与微生物群落分布的关系。结果表明,污染土壤石油含量的差异是造成微生物群落结构相似度差异的主要原因;随着土壤污染程度的增加,微生物群落的均匀度指数降低,菌属分布不均匀,表现出土壤微生物群落结构和种属的污染胁迫与分异现象。
3.2 生物监测在大气污染监测中的应用分析
大气污染物主要为SO2,HF,氮氧化物,H2S等。大气污染的生物监测中,应用较为成熟的为植物监测。其指示植物主要分为3 类:高等植物、地衣和苔藓。
3.2.1 高等植物
很多植物对大气污染具有敏感性,暴露在污染的大气环境中,植物在宏观层面会有响应,包括植物性状、生长代谢及繁殖能力。微观层面也会有变化,包括净光合速率、蒸腾速率、细胞膜渗透率、气孔导度、电子传递速率及植物细胞液中线粒体和质体等。暴露在污染大气环境中的植物,经过长期的微观响应积累,将通过宏观响应表现出来。
目前已筛选出有多种敏感植物,指示不同的大气污染物,通过指示植物监测法或植物群落监测法进行监测。
3.2.2 苔藓和地衣
苔藓植物因具有独特的形态和生理特征, 对空气污染反应十分敏感,已被广泛用于监测城市或地区的环境质量与变化。苔藓和地衣还可用于指示偏远地区大气持久性有机污染物状态。
李琦等在苔藓植物对青岛市大气重金属污染的生物监测作用中证明,苔藓植物体内重金属含量能够反映空气重金属污染程度和空气质量变化。该研究为评价青岛市空气重金属污染状况提供了一个有效的生物监测方法。
3.3 生物监测在水体污染监测中的应用分析
在一定条件下的水环境中,生物群落和水环境之间通过相互作用,保持着动态平衡关系。外来物质进入水环境后,会影响生态系统中生物的生理指标、种群的数量及结构等方面。根据监测指示物和监测对象的不同,可将生物监测分为如下几类。
3.3.1 微生物群落监测方法
微生物群落监测法是发展应用较早的生物监测方法。微型生物主要包括藻类、原生动物、轮虫、线虫、甲壳类等,常用的方法是聚氨酯泡沫塑料块法,又称PFU 法。通过PFU 法可得到的原生动物群集过程:群集速度随着种类增加而减少,群集速度与种类数的交叉点即为种数的平衡点。水体污染能影响集群速度和平衡点,水体污染程度不同,其集群速度和种类数也不同,因此可以监测水环境质量变化。
李朝霞等用PFU微型生物群落监测技术评价园区化工废水的静态毒性。结果表明,原生动物群落对化工废水效应浓度(EC)变化非常敏感。随着EC的增加和毒性时间的延长,原生动物群落群集的物种多样性指数下降,群集的速度也减缓。
在微生物群落监测法的发展过程中,数学分析在其中的作用越来越明显。数学分析以及计算机应用的发展能在更大范围内揭示生物群落的变化规律,使微生物群落监测法的使用范围更广,结果更加准确。
3.3.2 生物毒性试验
随着生物学技术的快速发展,近年来研究者们提出了多种包括DNA、RNA、酶、组织器官、细菌、海藻、浮游生物、底栖软体动物及鱼等的生物毒性试验方法。急性毒性试验( Acute Toxicity Test) 是研究水环境污染,确定浓度-效应曲线的常用方法。分为以下几类:①鱼类毒性试验,②藻类急性毒性试验,③水蚤类急性毒性试验,④种子发芽和根生长的毒性试验,⑤发光细菌的急性毒性试验。用细菌进行生物毒性试验主要集中在细菌发光、酶活性变化、生长及呼吸抑制等方面。
陈继红等在发光细菌法在水质综合毒性在线检测中的应用中,以海洋发光细菌费氏弧菌(Vibrio fischeri)作为检测生物,确定了费氏弧菌冻干粉的复苏条件。HgCl2等几种毒物对费氏弧菌均具有较强的光抑制作用。以费氏弧菌作为指示生物,对实际水样的测试和分析表明,发光细菌法能够应用于水质环境安全的综合毒性在线监测预警中。
3.3.3 其他监测方法
伴随着生物技术的不断发展,一些新的分子工具介入到了生物检测技术中。如基因工程技术、PCR技术、DNA探针技术、酶蛋白标志物、免疫检测技术、生物传感器等现代生物技术越来越多的应用于水环境的监测中,大大提高了环境监测的灵敏度,起到了很好的预警效果。
张昊等在生物荧光传感器检测环境水样中氨基甲酸酯类农药残留时,建立了简便、灵敏的氨基甲酸酯类农药生物荧光传感器及其检测方法。此方法有望用于快速检测水环境中氨基甲酸酯类农药残留情况。李鑫等应用基于单克隆抗体的免疫传感器检测环境中的芘和苯并芘,建立了免疫传感器法对芘和苯并芘进行检测,线性范围为0.2~10.0 μg/L。该方法可以用于含有芘和苯并芘的环境样品的快速筛选,可以在10 min内初步获得检测结果。
4 结语
虽然生物监测在环境监测中的作用越来越明显,但是也表现出一定的不足。比如在精确性、快速性以及灵敏性等方面还需要不断的提高。另外,生物监测易受各种环境因素的影响,不仅会受到污染物带来的影响, 还在一定程度上受到土壤、地域、季节、病虫害等原因的影响。
受到多种原因的限制,生物监测技术目前并不完善,但是作为能够评价综合毒性的有效方法,能为人类提供大量的、连续的、综合的环境信息。生物监测方法与理化检测方法联合应用,更能够评价污染物的综合毒性效应,更准确地监测综合污染状况。
参考文献:
[1]王春香,李媛媛,徐顺清.生物监测及其在环境监测中的应用[J]. 生态毒理学报, 2010, 12(9):23~24.
[2]张美平. 生物监测技术在环境监测中的应用研究[J].低碳世界, 2010, 23(7):23~25.
[3]石利戈. 生物监测及其在环境监测中的应用[J]. 低碳世界,2014, 12(19):335~336.
[4]王丹丹,巫丽俊,戴莹. 蚯蚓对锌污染土壤养分状况及锌形态的影响[J]. 土壤, 2013, 45(6):1048~1054.
[5]宋 囊.5种阔叶绿化树种对土壤Cu污染的耐性评价研究[D].北京:北京林业大学,2009.
[6]杨萌青,李立明,李 川. 石油污染土壤微生物群落结构与分布特性研究[J]. 环境科学, 2013,34(2):789~794.
[7]李 琦,籍 霞,王恩辉. 苔藓植物对青岛市大气重金属污染的生物监测作用[J]. 植物学报, 2014, 49 (5): 569~577.
[8]李朝霞,张玉国,梁彗星. PFU微型生物群落监测技术评价园区化工废水的静态毒性[J]. 生态学报, 2012,32(23):7336~7345.
[9]陈继红,王富生,舒易强. 在发光细菌法在水质综合毒性在线检测中的应用[J]. 环境工程学报, 2013,7(10): 4144~4148.
[10]张 昊, 刘传志, 徐 影,等.生物荧光传感器检测环境水样中氨基甲酸酯类农药残留[J]. 分析化学, 2014, 42(1):104~108.
[11]李 鑫,乔 琰,钟国祯.应用基于单克隆抗体的免疫传感器检测环境中的芘和苯并芘[J]. 环境科学, 2015, 36(11):4319~4324.