評估或預測外源性化學物質(zhì)對環(huán)境的影響是開展環(huán)境保護活動的重要任務(wù)之一。過去幾十年內(nèi)，環(huán)境分析化學長足發(fā)展，為研究污染物在環(huán)境中的行為、最終歸宿和效應等提供了強大工具。然而，盡管化學分析易標準化，能夠準確檢出目標污染物的含量，但耗時長，檢測費用高，較難實現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測，最大的局限還在于污染物的化學分析濃度與其生物可利用性不相關(guān)，因而不能區(qū)分不同形態(tài)污染物的毒性。此外，污染物濃度較低，化學分析的準確性下降。因此，單純的化學分析是不能全面評價環(huán)境質(zhì)量的。

        對污染物的生物監(jiān)測可追溯到20世紀初。1902年，Kolkwitz和Marsson利用微生物類群研究有機物污染的嚴重程度。Richardson (1928)在調(diào)查家畜工業(yè)對芝加哥Illinois河的有機污染時也指出，底棲生物類群可反映水質(zhì)的惡化和恢復狀態(tài)。30年代后，工業(yè)化對自然動、植物種群的影響研究開始受重視，而發(fā)生在50年代的殺蟲劑和其他污染事件促進了生物監(jiān)測的進一步發(fā)展。1984，美國國家環(huán)境保護局(USEPA)正式確認生物監(jiān)測的實際應用價值，并將之定義為合適技術(shù)。

        1 生物監(jiān)測的優(yōu)勢分析

        生物監(jiān)測表明外源性化學物質(zhì)影響生物種或生物調(diào)控過程的細微變化。采用生物監(jiān)測技術(shù)，可連續(xù)監(jiān)測污染物及其產(chǎn)生的微小擾動，而這些變化可能為常規(guī)化學分析錯過。生物監(jiān)測靈敏，可能在數(shù)分鐘內(nèi)對污染物的存在作出反應。此外，生物監(jiān)測整合了污染物的時空變化，將污染物間、污染物與環(huán)境條件的相互作用考慮在內(nèi)，因而綜合反映了污染物對生物和生態(tài)系統(tǒng)的危害。生物監(jiān)測直接測定了污染物的可生物利用性。有些環(huán)境影響并不是化學性質(zhì)的，如生態(tài)環(huán)境破壞、過度開采等，生物監(jiān)測也可起指示作用。

        目前，生物監(jiān)測的成功范例還不是很多，主要是生物反應過于復雜，難以確定其與化學物質(zhì)污染的定量關(guān)系。此外，急性致死或慢性中毒試驗等生物監(jiān)測的持續(xù)時間長，不適合開展實時監(jiān)測或用于預防性監(jiān)測目的。

        2 生物早期警報系統(tǒng)

        生物早期警報系統(tǒng)是將活生物置于監(jiān)測室內(nèi)，建立生物信號檢測系統(tǒng)，根據(jù)生物個體的異常生理或行為參數(shù)變化警報污染事件，主要用于監(jiān)測污染物毒性在短期內(nèi)的變化。系統(tǒng)的基本特征包括：(1)生物生活在受控制的實驗室或野外；(2)水體處于連續(xù)或半連續(xù)流動狀態(tài)；(3)通過適當?shù)臋z測裝置監(jiān)視生物個體的生理或行為參數(shù)，當參數(shù)檢測值高于或低于預設(shè)值后發(fā)出警報信息。

        2.1 生物早期警報系統(tǒng)的工作原理

        生物早期警報系統(tǒng)的基本組成見圖1。
 

        將用作傳感器的水生生物置于連續(xù)水流中。反應變量以電信號形式檢出，或用測量變換器轉(zhuǎn)換成電信號。反應信號傳輸?shù)诫娮犹幚硐到y(tǒng)，進一步轉(zhuǎn)化成可為計算機或電子監(jiān)測器識別的信號形式，由計算機或電子監(jiān)測器根據(jù)預設(shè)算法判斷是否發(fā)生了有毒化學物質(zhì)污染，在有污染物檢出的情況下發(fā)出警報信號。

        建立生物早期警報系統(tǒng)需要獲得豐富的生物生理和行為信息。只有全面掌握了傳感生物的行為和生理特征，才能形成有效的信號收集系統(tǒng)。適當?shù)慕y(tǒng)計算法有助于提高檢測的可*性和靈敏度。一般的處理方式是建造模型，將檢測信號輸入后，比較當前狀態(tài)與本底水平，以此發(fā)現(xiàn)微小變化。

        2.2 生物早期警報系統(tǒng)的技術(shù)要求

        生物早期警報系統(tǒng)必須能及時而準確地檢出生理或行為參數(shù)的偏移。所謂及時，就是有充足的反應時間以便采取污染控制措施。對反應時間的要求取決于應用環(huán)境。例如，如果警報河流下游對水資源的利用，幾小時甚至1d左右的反應時間是可接受的，而檢測自來水廠流入水或污水處理廠流出水的水質(zhì)則要求反應時間短，以不超過1h為宜。

        要求生物早期警報系統(tǒng)能夠連續(xù)、自動運行。檢測頻次設(shè)置合理，如每0.5h掃視一次。檢測結(jié)果具有良好的重現(xiàn)性，并且易于解釋。

        生物早期警報系統(tǒng)應具有相當高的敏感性和可*性。傳感生物對污染物的反應是非特異性的，因而能指示不同性質(zhì)的污染事件。系統(tǒng)誤警概率低，干擾信息控制在可接受水平。

        為適合實地運行，要求控制生物早期警報系統(tǒng)的體積，并且結(jié)構(gòu)堅固，日常維修量小，系統(tǒng)易操作，使用界面友好。

        2.3 生物早期警報系統(tǒng)的類型

        多種不同營養(yǎng)級的生物都可用作生物早期警報系統(tǒng)的傳感器。選擇傳感生物主要依據(jù)包括；(1)生態(tài)重要性，對水生態(tài)系的營養(yǎng)轉(zhuǎn)化和能量傳遞具有重要意義；(2)分布廣泛，檢測結(jié)果具有可比性； (3)易實驗室培養(yǎng)、繁殖，可長期獲得基因穩(wěn)定的均質(zhì)種群；(4)對多種污染物敏感，反應穩(wěn)定；(5)生活周期較長，飼養(yǎng)、替換等維持工作少，能較長時間保持運動活力，表觀無明顯變化；(6)具有易被檢出的指標，背景干擾少，而預設(shè)反應易判斷；(7)有關(guān)基礎(chǔ)資料豐富；(8)考慮物種的經(jīng)濟重要性，抗疾病、寄生蟲病和物理損傷，對環(huán)境水質(zhì)，如水溫、溶解氧和渾濁度等的耐受，形體大小，適應在流體系統(tǒng)內(nèi)生活等因素。

        魚最早用于生物預警。此后，水溞、雙殼類軟體動物、蝦、細菌等活生物，以及細胞、酶等也開始應用。這些生物對不同污染物的敏感性相差很大，常根據(jù)應用環(huán)境選用。

        水生生物對污染物的反應是綜合性的。理論上，各種特征反應都可用作檢測變量。然而，為達到連續(xù)、自動監(jiān)測目的，同時使系統(tǒng)具有良好的時、靈敏性，一般優(yōu)先檢測行為、生理或生化反應。

        行為反應直觀、快速�？捎靡曨l相機跟蹤成相，磁場定位，超聲或光速遮擋等技術(shù)確定生物的行為變化，在較短的時間內(nèi)指示污染的發(fā)生。

        污染物對水生生物的生理、生化過程產(chǎn)生復雜影響。呼吸或心跳速率，光合作用，化學基質(zhì)的消耗或釋放，生物發(fā)光等都具有污染指示作用。

        可用各種電極或光電倍增管等監(jiān)視這些生理或生化過程的細微變化。

        2.3.1 魚早期警報系統(tǒng)

        發(fā)展魚生物監(jiān)測的努力始于1929年。其時，Bdding根據(jù)魚的呼吸變化指示有毒環(huán)境。后來，魚的游泳行為、正趨流性、選擇行為等相繼得到應用。Cairns及其同事對發(fā)展魚的自動、實時監(jiān)測的貢獻尤其大。德國、法國、日本和英國等國已出現(xiàn)魚早期警報系統(tǒng)專利。

        隆頭魚(Salmo gairdneri)，大鱗大麻哈魚 (Oncorhynchus tshawytscha)、虹蝤(Poecilia reticulata)，銅吻鱗鰓太陽魚等淡水和海洋魚常用于早期警報系統(tǒng)。對它們的監(jiān)測方法有多種，但不一定都已有應用實例。

        2.3.1.1 以魚死亡為終點的早期警報系統(tǒng)

        嚴重的污染事故，如石油、有毒化學物質(zhì)泄漏，導致魚在短期內(nèi)因氧氣缺乏或神經(jīng)損傷等原因死亡。死亡現(xiàn)象的發(fā)生表明水質(zhì)急劇惡化，應盡快查明污染源并控制污染擴散。

        2.3.1.2腮呼吸早期警報系統(tǒng)

        腮呼吸對污染物敏感，0.5h內(nèi)可檢出接近半致死濃度的污染物，亞致死濃度(20％— 50％LC50)的污染物也可在24h內(nèi)檢出，但對 <10％LC50濃度的污染物不發(fā)生反應。

        在有污染物存在的情況下，魚腮呼吸加快且無規(guī)律。系統(tǒng)研制初期，將檢測電極直接安裝在魚腮上，監(jiān)視當前呼吸頻率并將之與前1或2h的平均呼吸頻率比較，如果出現(xiàn)明顯差異，則表明發(fā)生了污染�，F(xiàn)在發(fā)展是在容器壁上安裝雙電極，不僅可以測呼吸頻率，同時還獲得呼吸強度、心跳速度等信息，但信號較弱。

        2.3.1.3 正趨流性早期警報系統(tǒng)

        很多生活在流水環(huán)境中的魚都表現(xiàn)出一種獨特的位移行為，即總是逆水游動，定義為正趨流性。水體污染物可使魚的正趨流能力被破壞，魚失去逆游能力而順水動。

        德國從1977年開始研究利用魚的正趨流性開展生物監(jiān)測。在下游設(shè)強光區(qū)或適度電擊，控制健康魚向下游的活動，或間歇性提高水流速度，迫使魚反應。如果魚不能維持在上游的位置，則表明污染產(chǎn)生了危害。

        2.3.1.4 選擇行為早期警報系統(tǒng)

        魚類能夠憑借其強大的運動能力逃避不利環(huán)境。設(shè)計選擇裝置，使?jié)崈羲褪茉囁謩e流入，在出口處混合，形成污染物濃度梯度，魚在二個極端間選擇停留位置。如果大多數(shù)魚集中在潔凈水一端，則受試水遭受了污染。

        2.3.1.5 弱電脈沖早期警報系統(tǒng)

        Mormyriden和Gymnotiden等科的魚周期性發(fā)出弱電脈沖。脈沖頻率與種類有關(guān)，20-30~C溫度范圍內(nèi)1—1600S-1”。尼羅河狗魚(GnatonemusPetersi)的正常脈沖頻率為C.18S”，但在污染達到一定程度后，魚體運動和弱電脈沖頻率均下降。根據(jù)這種變化預警污染事件。

        2.3.1.6 游泳活動早期警報系統(tǒng)

        污染物提高或降低魚的游泳能力，用光電技術(shù)連續(xù)或半連續(xù)確定魚的位置變化，通過比較魚的當前運動與歷史記錄檢出污染物。

        2.3.2 雙殼類軟體動物早期警報系統(tǒng)

        美國的Butler最早用雙殼軟體動物監(jiān)測河海交匯水中的殺蟲劑，后來進一步發(fā)展為淡水蚌觀察工程(Mussel Watch Program)，監(jiān)測污染物又增加了放射性元素、金屬穩(wěn)定同位素、碳氫化合物等。

        雙殼類軟體動物數(shù)量豐富，易獲得，大小可選擇，堅硬而好處理。正常環(huán)境中，它們有規(guī)律地開殼呼吸和攝食。然而，在有污染物存在的情況下，受脅迫個體長時間閉殼以抵抗危害。根據(jù)雙殼軟體動物的閉殼反應可檢測重金屬、殺蟲劑及其他有毒有機物。歷史上曾用機械方法記錄殼瓣的運動。1972年，Schuring和Geense首次用電磁感應技術(shù)測殼瓣的運動。Jenner等在1989年改用高頻電磁感應系統(tǒng)，進一步提高了監(jiān)測的自動化水平。

        淡水雙殼軟體動物，如斑貽貝(Dreissena polymorpha)，普通貽貝(Mytilusspp.)等常用作監(jiān)測生物。將傳感器的2個線圈粘貼到軟體動物的2個殼瓣上，1個線圈用作發(fā)送器，另 1個用作接受器，同步工作，記錄線性反應。

        雙殼軟體動物的心跳、挖掘活動等也具有污染指示作用。

        2.3.3 水溞早期警報系統(tǒng)

        一般認為，大型無脊椎動物對污染物的敏感性較魚強，而且它們在多種水體，尤其在流水中廣泛分布，采集方便，同時生活周期足以記錄環(huán)境質(zhì)量，群落異質(zhì)性強，總是存在對污染物發(fā)生反應的生物類群，因而較多研究集中在開發(fā)無脊椎動物早期警報系統(tǒng)。

        水溞(Daphnia)是最常用的無脊椎動物。水溞在水生態(tài)系食物網(wǎng)中處于關(guān)鍵地位，適宜環(huán)境中以孤雌生殖為主，實驗動物具有良好的均質(zhì)性，生長和繁殖周期能保證獲得足量個體。正是由于獨特的生態(tài)和生物學意義，水溞成為標準毒理實驗動物。

        2.3.3.1 游泳活動早期警報系統(tǒng)

        受污染物刺激，水溞在初期的運動速率變快，而且旋轉(zhuǎn)角度加大，運動的隨機性增強。但隨著時間延長，受損水溞的游泳能力下降。根據(jù)這種特征反應判斷污染事件。

        2.3.3.2 位移能力早期警報系統(tǒng)

        設(shè)垂直管，水由上而下流人，將光源和檢測器沿管壁相對安裝。檢測水溞在水柱內(nèi)單位時間產(chǎn)生的光斑。

        3.1.2提高系統(tǒng)的敏感性

        生物早期警報系統(tǒng)的敏感性與傳感材料密切相關(guān)。然而，理想物種很難選擇，人工條件下易飼養(yǎng)或維持的物種往往對污染物的敏感性差，也沒有一個物種對所有污染物都同樣敏感。此外，生物個體對毒物存在自然延時反應，而且所有生物都具有抵抗低水平污染脅迫的能力，在某些情況下并不能完全反映對人體的有害濃度。要保證警報系統(tǒng)的敏感性，必須加強對實驗材料的維持，避免弱信號，同時優(yōu)選生長良好的個體，使之在活躍期內(nèi)對污染物作出反應。

        由于生物個體對低水平污染物的適應性，生物早期警報系統(tǒng)的敏感性會隨使用時間延長而下降，因此要注意實驗生物的及時更換。廢水可能具有高溫、pH異常、離子含量過高或溶解氧水平低等特點，不能支持實驗生物的生長，需進行適當預處理，如冷卻、調(diào)節(jié)pH、曝氣或按一定比例稀釋后開展監(jiān)測工作。

        物種聯(lián)用是提高生物早期警報系統(tǒng)敏感性的有效措施。物種結(jié)合監(jiān)測不僅可能提高檢測速度，而且擴大了污染物檢出范圍，準確確定污染事件的概率明顯增加。

        3.1.3 系統(tǒng)的標準化設(shè)計和運行

        生物早期警報系統(tǒng)的設(shè)計和運行必須標準化。例如，監(jiān)測室的大小要合理，室內(nèi)水的周轉(zhuǎn)不會影響傳感生物對污染物的應時反應。只有在標準化條件下運行，才能保證監(jiān)測結(jié)果的真實性和可比性。與此同時，系統(tǒng)的設(shè)計和運行要保持一定彈性，從而使系統(tǒng)能在各種獨特的環(huán)境中應用，或更準確地描述在野外的行為。

        生物早期警報系統(tǒng)的位置安裝應綜合考慮，要保證有充足的時間采取污染控制措施，同時易接近，方便維修操作，而且不易受洪水等自然災害威脅。

        降低運行成本是推廣使用生物早期警報系統(tǒng)的關(guān)鍵。至少要使系統(tǒng)的運行費用不高于現(xiàn)場96h急性致死試驗。

        3.2 生物早期警報系統(tǒng)與理化險測相結(jié)合

        生物警報的最大困難在于生物個體對化學物質(zhì)反應的不確定性。在實驗室受控條件下，生物個體表現(xiàn)出良好的線性反應，但引入實際環(huán)境中，監(jiān)測數(shù)據(jù)可能極度分散，干擾結(jié)果分析。

        生物早期警報系統(tǒng)只能獲得毒性信息，而不能表明污染物性質(zhì)。因此，在確認污染事件時，生物警報必須與理化檢測結(jié)合，通過理化檢測鑒定污染物類型。此外，可根據(jù)待檢水體的性質(zhì)選擇對出現(xiàn)概率較大的污染物敏感的傳感生物開展特異性監(jiān)測。

        生物早期警報系統(tǒng)監(jiān)測的結(jié)果要通過多種途徑證實，至少周期性開展傳統(tǒng)毒理學試驗，修正監(jiān)測結(jié)果。

        3.3 生物早期警報系統(tǒng)的自動化發(fā)展

        計算機技術(shù)的應用提高了處理檢測數(shù)據(jù)的能力，而遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的發(fā)展為生物早期警報系統(tǒng)的在線運行提供了強大支持。未來監(jiān)測系統(tǒng)的野外工作性能將得到顯著改善，并逐步發(fā)展成便攜式。生物早期警報系統(tǒng)的遠程控制模式見圖2。

        3.4 生物早期警報系統(tǒng)的應用展望

        生物早期警報系統(tǒng)的環(huán)境保護作用已普遍為歐美國家接受。1984年，在北威爾士迪伊河發(fā)生酚污染后，英國西北水務(wù)局要求各水廠在取水口處安裝魚監(jiān)測裝置。德國、荷蘭和美國等國也陸續(xù)利用生物早期警報系統(tǒng)監(jiān)測和保護飲用水水源。美加州洛杉磯水廠還設(shè)立了向公眾顯示的系統(tǒng)，希望通過生物監(jiān)測降低氰化物和PCBs的污染風險。俄亥俄州則第一個將生態(tài)生物監(jiān)測列入水質(zhì)條例中。

        目前以魚早期警報系統(tǒng)的應用情況最好，要求新建系統(tǒng)至少達到魚的靈敏水平。但由于應用環(huán)境的復雜性，實驗室內(nèi)運行良好的系統(tǒng)并不一定能在實地穩(wěn)定工作，現(xiàn)階段的發(fā)展仍以實驗室研究為主。根據(jù)已取得的進展，建立具有預警功能的入水或出水口生物保護系統(tǒng)是可能的，但強調(diào)生物和電子信號處理、統(tǒng)計學等先進技術(shù)的綜合運用。只要能實現(xiàn)生物信號向電子信號的有效轉(zhuǎn)換，通過大量測試確定了基準生物行為或生理值，就可研制出實用性強的商業(yè)生物早期預警系統(tǒng)，在各種受保護環(huán)境中普遍應用。
 
 
 
 

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