生物监测与指示体研究进展

生物监测与指示体研究进展

市政公司的快速发展改变了农村产业结构，提高了农民的生活水平。然而,囿于设备、布局、人员素质与管理水平等因素,乡镇企业的1/5属污染企业,废物排放量占全国工业废物排放量的10%。加上比邻农田近距污染,其污染农田面积占全部农业承污面积的30%。与此不相对应的是受经费等因素限制环境监测力量与水平在农村薄弱,这对控制农业环境污染、确保农业生产安全非常不利。生物监测具有价廉、不需烦琐仪器操作和维修、能评价环境中已知和未知因素对生物体与生态系统综合影响等优点,从不同层面分析环境污染危害程度,为环境评价、污染预报提供依据。因此,如果能够建立起一套适合农村环境特点而又简单易行、成本低的生物监测方法,无疑会推动农村环境保护工作的开展。1生物监测和指示体的概念1.1生物监测载体生物监测(biomonitoring)是指利用指示体对环境污染或变化所产生的反应来阐明环境污染状况的科学。生物监测的载体是指示生物(也称指示体)。指示体(indicator)是指,生态幅狭窄、对环境正常或异常(污染)变化作出敏感反应的生物。在方法学上,多以生物形态、结构、生理生化、遗传、生态特性的改变或种群数量、结构或群落形态、结构、功能以及生物多样性变化等参数,获取污染相关信息及暴露所造成的影响,表征环境污染状况与程度。1.2个体生长特性指示体一般具有以下特点:①能够积累一定浓度污染物,但又不致衰亡;②分布广泛;③生物量大且固定生长;④终年可获,取样分析不影响其生长;⑤易收集且实验条件下性质稳定;⑥所含污染物不用预浓缩即可直接分析;⑦体内与环境中相应污染物浓度具有简单的共轭关系。显然,在指示体中,植物因其叶面积与根系庞大、分布固定、缺乏动物的排泄系统等特点,使污染物更易进入植物体并在体内富集,由此更易受环境污染伤害。反应敏感、便于监测与管理是其成为环境监测首选指示体的原因。2农村污染的生物监测2.1大气污染的生物监测2.1.1有极量限制的恶意伤害的种类表现大气环境质量的项目很多,实际工作中没有必要监测所有项目,应遵循优先原则,只选择对大气质量影响大、可靠监测手段、有可比性资料的污染物。如总悬浮微粒、飘尘、SO2、氮氧化物、CO2和光化学氧化剂等几种。由于大气环境污染物的时空变化规律还受气象条件约束,需要对气象因素进行同步观测。大气污染对植物的伤害有急，慢性伤害之别,每种危害都具有一定征象(表1)。需注意的是,在进行大气污染生物监测时,要注意区分大气污染所造成的危害与由一般病虫害、缺肥、农药害、生理干旱及自然枯黄等所造成的症状。有时大气污染危害和非大气污染危害具有协同作用,因此在确定是哪种污染物时要综合考虑原因,排除干扰因素。2.1.2利用生物多样性的丰富度来监测选择大气污染指示植物原则是指示体对大气污染反应敏感且可再现,有典型伤害症状,个体要发育正常、健壮、叶片无斑痕、植株间均匀一致,在监测区容易生长和管理。为使测量结果有可比性,种子应取自同一生境。迄今很多高等植物被成功用于大气污染监测(表1),最近Giordani利用地衣的生物多样性的丰富度来监测大气污染,取得与物化自动检测相一致的结果。Pacheco证明一些高等植物如橄榄树的树皮可被用以代替低等植物(如地衣或苔藓)来监测大气污染,从而解决了低等植物生物量不足的问题。2.2境间矛盾平衡的表现水体中存在各种水生生物,生物与生物、生物与环境间,处于相互依存、相互制约的平衡状态。一旦水体污染,水环境发生变化,各种水生指示体即产生不同反应,从而构成水体污染监测的生态学依据。2.2.1改性聚氨酯泡沫塑料块微型生物指生活在水体中细菌、藻类、原生动物、轮虫、线虫和甲壳类等微小生物。微型生物群落是水体生态系统重要组成部分,对水体污染有敏感和稳定反应。常用方法是聚氨酯泡沫塑料块法(PolyurethaneFoamUnit,PFU法)。方法是将三维基质聚氨酯泡沫塑料块投入水体,收集其中的微型生物。基质使用不受时空限制,即可随时随地浸泡于任何深度的水体,研究证明所获微型生物群落达水体群落总数的85%,具环境真实性。研究还表明,相对于其它生物群落法(如浮游生物群落法,底栖动物群落法等),它具有快速、经济和准确等优点,也适于工业废水监测。2.2.2浮游植物和鱼类该法是最经典的水体污染生物监测方法。利用对水环境中污染物敏感的或有较高耐受性的指示体种类的存在或缺失,来判断其所生存的水体内污染物的种类、浓度及水体质量状况。指示体应具特点是生命周期长、有固定空间分布格局,便于持久反映污染物对水体的综合影响。从分类成分看,主要包括底栖动物、浮游动物、浮游植物和鱼类,其中大型无脊椎动物应用最广;从指示对象看,在严重污染水体,颤蚓类、细长摇蚊幼虫、静裸藻、小颤藻优势度高;在中等污染水体,居栉水蚤、四角盘星藻、脆弱刚毛藻等优势度高;清洁水体,扁蜉、蜻蜓、田螺等优势度高。Kikuchi报道一种Daphniamagna甲壳类动物在监测水体有机磷农药污染时效果明显,精度可达痕量至超痕量级。Pucci发现Chirocephalusdiaphanous淡水小虾在极低水平下也可富积As(0.46mg/g～3.11mg/g,单位下同)、Cd(0.82)、Cu(2.62～13.00)、Hg(0.01～0.21)、Pb(0.96～8.46)、Se(0.29～2.45)与Zn(16.4-50.4)等重金属,利用这一现象可用于水体生物监测并且可用于水产业开发。软体动物如蜗牛(Lymnaeastagnalis)可用来监测水体受重金属或其他物质污染情形,只需观察其活动期和休整期的变化情况即可得出判断。2.2.3生物区系系统Kolkwitz和Marrson提出污水生物系统(Saprobicsystem)已近百年,但至今仍被广泛用于水体污染的生物监测。该系统要点是,受污河流的自净作用,导致河流从上游向下游形成污染程度渐降的连续区带,每一带中分布有标志生物,构成生物区系,根据区系种群构成可鉴别河流不同区带受有机污染程度。如从多污带到中污带,直至寡污带的时空推移中,水体中与之相对应的特征种群,将经历以细菌和低等原生动物为主,到食菌的耐污动物占优势、藻类大量出现、原生动物增多及高等鱼类出现,直至最后细菌锐减、藻类增多、轮虫等微型动物占优势的演替过程。2.2.4生物监测系统生物标志物(Biomarker)是以研究污染物作用下生物体内各种指标的变化为特征。作为一种新技术,目前被应用于水体污染监测。生物标志物是可衡量的环境污染物暴露及效应的生物反应。所以它所包含的生物层次最为广泛,覆盖了从生物大分子到细胞器、细胞、组织、器官、个体、群体、群落,直至生态系统所有层面,是完整而综合的生物监测。生物标志物分两类:①暴露生物标志物,仅指由污染物引起的生物体的变化,重在变化;②效应生物标志物,则指污染物对生物体的不利效应,重在效应。生物标志物具有特异性、警示性和广泛性。它的优势在于,能反应污染物的累积作用,确定污染物与生物效应之间的因果关系,揭示污染物暴露特征,更具备现场应用性等。指示水体污染的主要生物标志物有细胞色素P4501A1,金属硫蛋白(MT),DNA加合物等。2.3人体因素的影响土壤污染所产生的影响大都是间接的。通过土壤—农作物—人体及土壤—地下水(地表水)—人体,这两个最基本的环节对人体产生影响。因此土壤污染的生物监测,包括土壤污染物对农作物生长发育的影响,对土壤微生物的影响。2.3.1土壤重金属污染特征①根据形态异常变化判定土壤污染。研究发现,当土壤中Cu过量时,罂粟(Papaversomniferum)植株矮化,蔷薇(Rosamultiflora)花色由玫瑰色转为天蓝色;Ni过量时,白头翁(Pulsatillapatens)的花瓣变为无色;Mo过量时,植物叶片畸形、茎呈金黄色;而土壤中Mn、Fe、S超量时,石竹(Dianthuschineniss)、紫宛(Astertataricus),八仙花(Hydrangeamacrophylla),Acanthophyllumpungens花色分别呈深紫色、无色(原玫瑰色)和天蓝色(原玫瑰色)。②根据生态习性判定土壤污染。新近研究证实,有些植物具有超量积累重金属能力,通常分布于重金属过量土壤中,此生态习性可资判断土壤重金属污染与否。如萱麻(Boehmerianivea)能在含Hg丰富土壤中分布,早熟禾(Poaannua)、裸柱菊(Solivaanthemifolia)北美独行菜(Lepidiumvirginicum)能在Cu污染土壤中生存,北美车前(Plantagovirginica)、蚊母草(Veronicaperegrina)、早熟禾、裸柱菊则能在Cd污染土壤中存活。2.3.2主动放射源对土壤的影响环节动物是一种有实用价值的土壤污染监测指示动物。研究表明,蚯蚓体中的镉浓度与土壤中镉浓度明显相关,蚯蚓对土壤中的农药、铅等有较高的敏感性;同样,在蚯蚓对土壤中有机磷杀虫剂的回避行为实验中发现,蚯蚓对有机磷杀虫剂极为敏感,当土壤中有机磷杀虫剂浓度达到半致死浓度(LD50)的1/5时,引起50%蚯蚓逃避,其灵敏度比利用LD50的毒理学检验方法高出5～25倍。3实验结果的测量与评价农村环境污染是个不争事实,加强农村环保只是时间问题。生物监测赖其指示体易得性、灵敏性、成本低、好管理,更兼农村生物多样性丰富等特点,易在农村环境监测上实行。目前存在主要问题有:①监测方法标准化。指示体生活史长,个体差异大,使不同时段生长、生理反应存在差别,加之生境不同会给观测带来误差。只有建立标准监测方法(材料及环境条件),实验结果才具可比性与准确性;②监测参数复杂。影响指示体的环境要素庞杂,决定了监测参数选择,要视监测环境(土壤、大气、水域)、污染物类型(重金属、杀虫剂、有毒气体、放射性元素、致癌物等)、特别是污染物与指示体应激反应关联度(专一性)而定;③时空有限性。由于指示体地理成分差异,其空间