環(huán)境生物技術(shù)

環(huán)境質(zhì)量評價(jià)中的生物指示與生物監(jiān)測環(huán)境生物技術(shù)環(huán)境工程目錄一、生物指示與生物監(jiān)測的目的、意義與注意事項(xiàng)二、環(huán)境變化的生物信息三、儀器分析技術(shù)與生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)的比較四、生物指示與生物監(jiān)測整合技術(shù)及其應(yīng)用五、展望一、生物指示與生物監(jiān)測的目的、意義與注意事項(xiàng)1.目的：生物指示與生物監(jiān)測的目的是希望在有害物質(zhì)還未達(dá)到受納系統(tǒng)之前，在工廠或現(xiàn)場就以最快的速度把它監(jiān)測出來，以免破壞受納系統(tǒng)的生態(tài)平衡；或是能偵察出潛在的毒性，以免釀成更大的公害。2.意義:由于生物指示與生物監(jiān)測在一定程度上反映了生態(tài)系統(tǒng)污染或退化的程度，因此，通過生物指示物研究至少可以獲得有關(guān)所處生態(tài)環(huán)境的以下2種不同信息:第一、簡單綜合的信息;第二，高度特定的信息。而后者所包含的信息非常詳細(xì)和精確，具有較強(qiáng)針對性并且可以復(fù)制。3.注意事項(xiàng):首先，要選擇好監(jiān)測的類型，要求在一系列的監(jiān)測定位點(diǎn)上的數(shù)據(jù)能反映出種群、群落或生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量變化;第二，要確定連續(xù)監(jiān)測、周期監(jiān)測和臨時(shí)監(jiān)測的地點(diǎn);第三，要確定測試的終點(diǎn)、參數(shù)或其它對保持環(huán)境優(yōu)佳狀況的關(guān)鍵因子，包括物理、化學(xué)、生物學(xué)的特征;第四，要建立一個(gè)專業(yè)性的協(xié)調(diào)委員會來統(tǒng)一適宜的監(jiān)測方法，如選定測試終點(diǎn)，建立標(biāo)準(zhǔn)方法，進(jìn)行合理的推理、判斷和裁決。第五，要建立監(jiān)測的優(yōu)選權(quán)。二、環(huán)境變化的生物信息圖1復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中有關(guān)污染物的相互關(guān)系

以及對生物指示和生物監(jiān)測的影響二、環(huán)境變化的生物信息在生物指示研究中，首先需要獲得特定、詳細(xì)的生物系統(tǒng)信息，如污染物與生物(指示生物)效應(yīng)之間的關(guān)系。上圖在污染物脅迫下，復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中產(chǎn)生的能夠通過生物指示及生物監(jiān)測所反映的相互作用及其變化。關(guān)于生物指示物、生物監(jiān)測物里所指的“信息”，通常是指特定生物指示物、監(jiān)測物所觀察到或監(jiān)測到的由環(huán)境變化引起的生物不良反應(yīng)。由于目標(biāo)污染物與其它環(huán)境組分之間的關(guān)系極其復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)組成成分具有多功能和多結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，污染物與生物指示物之間的相互作用通常難以解釋。如圖所示，污染物A與污染物B的相互作用不僅僅是簡單的協(xié)同或拮抗關(guān)系，污染物A和B的吸收途徑、作用位點(diǎn)以及代謝方式都無法被全面解釋和了解。三、儀器分析技術(shù)與生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)的比較（一）、儀器分析技術(shù)和生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)：儀器分析與生物指示分析的直接比較見圖2。由圖可知，由于生物指示技術(shù)通常需要整合儀器分析過程，實(shí)驗(yàn)室里研究生物指示物在很大程度上依賴于儀器分析，通過儀器分析從生物指示物中獲取信息。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室操作中，生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)和儀器分析所面臨的共同問題是樣品采集的代表性問題，即所采的樣品必須能夠代表所要解決的科學(xué)問題。圖2：光譜技術(shù)和生物指示物、生物監(jiān)測物技術(shù)之間的比較三、儀器分析技術(shù)與生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)的比較（二）、精確性和準(zhǔn)確性：生物指示與生物監(jiān)測除了與儀器分析一樣需要具有高度代表性的樣品作為分析對象或者指示物以外，儀器分析中的許多操作規(guī)程和質(zhì)量控制條件也適合于生物指示與生物監(jiān)測。只有在整個(gè)分析過程都處于嚴(yán)格的質(zhì)量控制條件下才能獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果，并且精確性和準(zhǔn)確性的檢驗(yàn)必須貫穿于整個(gè)分析過程。目前，有2種基本方法用于檢驗(yàn)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性:1)使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì);2)比較不同驗(yàn)室之間單獨(dú)分析所獲得的結(jié)果。三、儀器分析技術(shù)與生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)的比較（三）、定量校準(zhǔn)：與儀器分析相比，生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)的最大缺陷是定量校準(zhǔn)的問題，即生物系統(tǒng)的定量校正。因此，生物反應(yīng)通常無法定量指示污染物暴露或環(huán)境質(zhì)量，通過分析生物指示物個(gè)體對某種污染物的積累并不能獲得這種污染物在環(huán)境中的濃度，生物指示物與生物監(jiān)測物和環(huán)境污染物濃度之間的關(guān)系并非線性關(guān)系，而是對數(shù)關(guān)系。盡管對數(shù)方程中的線性關(guān)系可以通過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化得到，但是這個(gè)參數(shù)之間的線性關(guān)系只局限于很小的濃度范圍內(nèi)。因此，只有在這種線性關(guān)系與儀器分析的校正線性關(guān)系可等同的情況下，生物反應(yīng)才能夠?yàn)槠渌幍沫h(huán)境提供明確的定量信息。因此，生物指示物的定量標(biāo)準(zhǔn)化是目前生物指示與生物檢測技術(shù)研究中的最大挑戰(zhàn)，而且同一個(gè)生物指示物的不同使用者之間在分析方法和分析條件上的規(guī)范統(tǒng)一也是今后生物指示物利用中需要明確和真正關(guān)注的問題。三、儀器分析技術(shù)與生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)的比較（四）、應(yīng)用規(guī)范：在化學(xué)分析領(lǐng)域中，實(shí)驗(yàn)室之間通過比較同一個(gè)真實(shí)樣品的測試結(jié)果來優(yōu)化和統(tǒng)一各自的分析方法。因此，在生物指示與生物監(jiān)測的“校正”過程中，不同實(shí)驗(yàn)室也必須統(tǒng)一使用同一個(gè)指示物，并在統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行。由于生物試驗(yàn)往往高度標(biāo)準(zhǔn)化，重復(fù)性較好，并廣泛應(yīng)用于生物指示研究的各個(gè)領(lǐng)域，因此在實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作過程中不存在操作程序上規(guī)范統(tǒng)一問題。因而唯一需要強(qiáng)調(diào)的是項(xiàng)目設(shè)計(jì)中不同研究團(tuán)隊(duì)之間合作的問題，項(xiàng)目設(shè)計(jì)包括測試指標(biāo)、感應(yīng)器以及記錄方法等的選擇，以及信息傳遞和信息技術(shù)，需要考慮時(shí)間和空間尺度。通過不同研究團(tuán)隊(duì)的相互合作，對所得出的結(jié)果進(jìn)行比較，以校正生物指示與生物監(jiān)測結(jié)果的“準(zhǔn)確性”。在比較的過程中需要考慮的主要問題是:針對同一現(xiàn)象，通過不同技術(shù)手段(如遙感和原位)所獲得的觀測結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)性問題。四、生物指示與生物監(jiān)測整合技術(shù)及其應(yīng)用生物指示與生物檢測技術(shù)必須能夠?yàn)闇?zhǔn)確評價(jià)生態(tài)系統(tǒng)的污染或退化程度提供信息，不是一個(gè)針對具體環(huán)境狀況的“環(huán)境監(jiān)測儀器”，而是一個(gè)對不同生物指示與監(jiān)測系統(tǒng)有著與其它環(huán)境參數(shù)相關(guān)聯(lián)的綜合技術(shù)，能夠?qū)Νh(huán)境污染狀況進(jìn)行明確的評價(jià)，其發(fā)展目標(biāo)是保護(hù)人體和環(huán)境健康。下面介紹幾種應(yīng)用：人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和預(yù)測環(huán)境樣品庫生物指示技術(shù)在土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中的應(yīng)用水體污染的生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)在中國的應(yīng)用現(xiàn)狀苔蘚在大氣污染生物指示與生物監(jiān)測中的應(yīng)用四、生物指示與生物監(jiān)測整合技術(shù)及其應(yīng)用（一）人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和預(yù)測圖3表示了一個(gè)完整的利用生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)支撐的動態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)或科學(xué)導(dǎo)向框架選擇和重組試驗(yàn)參數(shù)，并且為了能夠綜合監(jiān)測環(huán)境、人和環(huán)境這兩個(gè)調(diào)查主體，以及由此派生的人體毒理學(xué)和生態(tài)毒理學(xué)原理都與各種“工具箱”和檢測項(xiàng)目(“工具”，如生物測試)相聯(lián)系。圖3：人類和生態(tài)毒理學(xué)綜合方法中生物指示工具箱模型的分層結(jié)構(gòu)四、生物指示與生物監(jiān)測整合技術(shù)及其應(yīng)用（二）環(huán)境樣品庫建立環(huán)境樣品庫的主要目的包括:①提供環(huán)境樣品的生態(tài)毒理學(xué)信息；②在盡可能保持原有性質(zhì)的條件下長期保存環(huán)境樣品。具體目標(biāo)有以下幾點(diǎn)：檢測采集樣品時(shí)沒有被確認(rèn)為污染物的物質(zhì)濃度，或者由于當(dāng)時(shí)缺乏精確的分析技術(shù)而沒有檢測的污染物濃度(回顧性監(jiān)測)；檢驗(yàn)當(dāng)前或者未來環(huán)境行業(yè)所制定的禁止和限制條例正確與否；

定期監(jiān)測樣品存儲前已經(jīng)被確認(rèn)為污染物的物質(zhì)濃度;預(yù)測本地的、區(qū)域的和全球的污染趨勢;描述標(biāo)準(zhǔn)化的采樣方法;記錄樣品儲存的條件。四、生物指示與生物監(jiān)測整合技術(shù)及其應(yīng)用（三）生物指示技術(shù)土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中的應(yīng)用土壤微生物能夠通過分泌胞外酶來促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解及含氮化合物的轉(zhuǎn)化，因此，土壤酶活性反映了物質(zhì)循環(huán)中微生物代謝過程的動態(tài)變化，并且能夠作為敏感生物指示物來監(jiān)測導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化的環(huán)境脅迫。重金屬能夠抑制包括酶促過程的土壤微生物活性，在土壤組分如有機(jī)碳或總氮含量不發(fā)生變化的情況下，土壤酶活性對重金屬污染會產(chǎn)生較顯著的響應(yīng)。土壤中的脲酶有助于向土壤植物或微生物的生長和繁殖提供碳源和氮源。這種酶能夠在細(xì)胞水平上監(jiān)測到由于重金屬污染引起的土壤微生物代謝活動變化。四、生物指示與生物監(jiān)測整合技術(shù)及其應(yīng)用（四）水體污染的生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)在中國的應(yīng)用現(xiàn)狀與土壤生態(tài)系統(tǒng)相比，水生生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)組成成分及其相互作用較為簡單，因此水體污染的生物指示與生物監(jiān)測研究較為普遍。通常用于水生生態(tài)系統(tǒng)生物指示與生物監(jiān)測的生物有動物、微生物和植物，對生物指示物的選擇也涉及從分子到細(xì)胞、組織、個(gè)體和種群群落等不同生態(tài)系統(tǒng)水平。中國國學(xué)者在過去幾十年所開展的河流、湖泊、水庫和近海的水污染生物監(jiān)測方面工作取得了很大的成績，不少學(xué)者利用底棲動物、浮游動物-原生動物、藻類監(jiān)測評價(jià)我國很多重要水體的水質(zhì)現(xiàn)狀、污染程度及其發(fā)展趨勢。除了利用以上這些低等生物在群落結(jié)構(gòu)水平上對水生生物進(jìn)行生物監(jiān)測以外，利用較為高等生物如魚類，從分子水平進(jìn)行生物指示與生物監(jiān)測也是目前水生生態(tài)系統(tǒng)生物監(jiān)測的研究熱點(diǎn)。例如:以無污染飼養(yǎng)鯽魚為監(jiān)測生物，以鯽魚腦組織總抗氧化能力為生物指示物，采取主動生物監(jiān)測法(ASM)對太湖北部梅粱湖與貢湖污染區(qū)進(jìn)行生物監(jiān)測。許多水體污染物“三致”效應(yīng)的生物監(jiān)測研究成果已經(jīng)被例如國家環(huán)境監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)方法中，例如：污染物致突變性試驗(yàn)已經(jīng)被建設(shè)部列入城市供水水質(zhì)檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中，而蠶豆根尖微核試驗(yàn)已經(jīng)被列入了國家環(huán)保部編制的《生物監(jiān)測技術(shù)(水環(huán)境部分)》，并受到了廣泛的應(yīng)用。水體原生動物是理想的環(huán)境指示物，能夠從不同層次直接反映出水體的污染狀況。四、生物指示與生物監(jiān)測整合技術(shù)及其應(yīng)用（五）苔蘚在大氣污染生物指示與生物監(jiān)測中的應(yīng)用苔蘚植物結(jié)構(gòu)簡單，葉片一般上只有單層細(xì)胞，沒有保護(hù)層，吸附性強(qiáng)，其營養(yǎng)來源主要是大氣。苔蘚植物對大氣污染的敏感性是種子植物的10倍。以苔蘚為指示生物，通過分析植物組織中的污染物濃度，可以直接監(jiān)測大氣污染、分析大氣重金屬沉降的時(shí)空分布、污染物遷移及其來源。自20世紀(jì)70年代開始，苔蘚袋法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于大氣污染的監(jiān)測。學(xué)者利用苔蘚袋法研究了城市大氣中S、Cu、Pb、Zn元素的時(shí)空分布。還有學(xué)者利用苔蘚植物，結(jié)合大氣凈度指數(shù)法與金屬(Mn、Fe、Cu、Cr和Pb)含量化學(xué)分析法評價(jià)了沈陽市的大氣質(zhì)量狀況五、展望總之，生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)在生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究領(lǐng)域中非常有意義。然而，整合技術(shù)的發(fā)展是生物指示與生物監(jiān)測研究的最終目標(biāo)，而整合技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于必須預(yù)先制定一個(gè)跨學(xué)科的總體方案以及成立研究團(tuán)隊(duì)，并且能夠針對特定的要求對研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行快速、靈活的調(diào)整，以便不同學(xué)科之間進(jìn)行快速信息交流。此外，也需要考慮到文化、環(huán)境質(zhì)量以及人體健康之間的相互關(guān)系。生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)自20世紀(jì)80年代傳統(tǒng)的以環(huán)境污染定性和定量為目標(biāo)，到現(xiàn)在以建立環(huán)境生物指示與人類健康之間的聯(lián)系為目標(biāo)，發(fā)展到將來以建立人體健康預(yù)防的整合技術(shù)為目標(biāo)。目前的生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)水平發(fā)展為更為整合的生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)的過程中會出現(xiàn)一個(gè)“瓶頸”現(xiàn)象。顯然，這個(gè)“瓶頸”的產(chǎn)生是由于不同研究團(tuán)隊(duì)之間缺乏充分交流與合作的原因。生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)想要在生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究領(lǐng)域中得到更好的發(fā)展必須首先客服這個(gè)瓶頸。參考文獻(xiàn)［1］劉保元，王士達(dá)，胡德良．以底棲動物評價(jià)湘江污染的研究．水生生物學(xué)集刊，1984，8(2):225-236．［2］盧敬讓，賴偉，堵南山．應(yīng)用底棲動物監(jiān)測長江口南岸污染的研究．青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1990，20(2):32-43．［3］許木啟，王子健．利用浮游動物群落結(jié)構(gòu)與功能特征監(jiān)測樂安江-鄱陽湖口重金屬污染．應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，1996，2(2):169-174．［4］王旭，朱根海．南麂列島潮間帶底