生物早期警报系统在水和废水水质评价中的应用

　　摘 要：生物监测是评价环境质量的重要手段。生物早期警报系统根据活生物对污染物的灵敏反应，快速确认污染事件。本文对生物早期警报系统的发展、设计与应用进行探讨。

　　关键词：污染；生物监测；生物报警；水质

　　评估或预测外源性化学物质对环境的影响是开展环境保护活动的重要任务之一。过去几十年内，环境分析化学长足发展，为研究污染物在环境中的行为、最终归宿和效应等提供了强大工具。然而，尽管化学分析易标准化，能够准确检出目标污染物的含量，但耗时长，检测费用高，较难实现在线连续监测，最大的局限还在于污染物的化学分析浓度与其生物可利用性不相关，因而不能区分不同形态污染物的毒性。此外，污染物浓度较低，化学分析的准确性下降。因此，单纯的化学分析是不能全面评价环境质量的。

　　对污染物的生物监测可追溯到20世纪初。1902年，Kolkwitz和Marsson利用微生物类群研究有机物污染的严重程度。Richardson (1928)在调查家畜工业对芝加哥Illinois河的有机污染时也指出，底栖生物类群可反映水质的恶化和恢复状态。30年代后，工业化对自然动、植物种群的影响研究开始受重视，而发生在50年代的杀虫剂和其他污染事件促进了生物监测的进一步发展。1984，美国国家环境保护局(USEPA)正式确认生物监测的实际应用价值，并将之定义为合适技术。

　　1 生物监测的优势分析

　　生物监测表明外源性化学物质影响生物种或生物调控过程的细微变化。采用生物监测技术，可连续监测污染物及其产生的微小扰动，而这些变化可能为常规化学分析错过。

　　生物监测灵敏，可能在数分钟内对污染物的存在作出反应。此外，生物监测整合了污染物的时空变化，将污染物间、污染物与环境条件的相互作用考虑在内，因而综合反映了污染物对生物和生态系统的危害。

　　生物监测直接测定了污染物的可生物利用性。有些环境影响并不是化学性质的，如生态环境破坏、过度开采等，生物监测也可起指示作用。

　　目前，生物监测的成功范例还不是很多，主要是生物反应过于复杂，难以确定其与化学物质污染的定量关系。此外，急性致死或慢性中毒试验等生物监测的持续时间长，不适合开展实时监测或用于预防性监测目的。

　　2 生物早期警报系统

　　生物早期警报系统是将活生物置于监测室内，建立生物信号检测系统，根据生物个体的异常生理或行为参数变化警报污染事件，主要用于监测污染物毒性在短期内的变化。系统的基本特征包括：(1)生物生活在受控制的实验室或野外；(2)水体处于连续或半连续流动状态；(3)通过适当的检测装置监视生物个体的生理或行为参数，当参数检测值高于或低于预设值后发出警报信息。

　　2.1 生物早期警报系统的工作原理

　　生物早期警报系统的基本组成见图1。

 

　　将用作传感器的水生生物置于连续水流中。反应变量以电信号形式检出，或用测量变换器转换成电信号。反应信号传输到电子处理系统，进一步转化成可为计算机或电子监测器识别的信号形式，由计算机或电子监测器根据预设算法判断是否发生了有毒化学物质污染，在有污染物检出的情况下发出警报信号。

　　建立生物早期警报系统需要获得丰富的生物生理和行为信息。只有全面掌握了传感生物的行为和生理特征，才能形成有效的信号收集系统。适当的统计算法有助于提高检测的可*性和灵敏度。一般的处理方式是建造模型，将检测信号输入后，比较当前状态与本底水平，以此发现微小变化。

　　2.2 生物早期警报系统的技术要求

　　生物早期警报系统必须能及时而准确地检出生理或行为参数的偏移。所谓及时，就是有充足的反应时间以便采取污染控制措施。对反应时间的要求取决于应用环境。例如，如果警报河流下游对水资源的利用，几小时甚至1d左右的反应时间是可接受的，而检测自来水厂流入水或污水处理厂流出水的水质则要求反应时间短，以不超过1h为宜。

　　要求生物早期警报系统能够连续、自动运行。检测频次设置合理，如每0.5h扫视一次。检测结果具有良好的重现性，并且易于解释。

　　生物早期警报系统应具有相当高的敏感性和可*性。传感生物对污染物的反应是非特异性的，因而能指示不同性质的污染事件。系统误警概率低，干扰信息控制在可接受水平。

　　为适合实地运行，要求控制生物早期警报系统的体积，并且结构坚固，日常维修量小，系统易操作，使用界面友好。

　　2.3 生物早期警报系统的类型

　　多种不同营养级的生物都可用作生物早期警报系统的传感器。选择传感生物主要依据包括；(1)生态重要性，对水生态系的营养转化和能量传递具有重要意义；(2)分布广泛，检测结果具有可比性； (3)易实验室培养、繁殖，可长期获得基因稳定的均质种群；(4)对多种污染物敏感，反应稳定；(5)生活周期较长，饲养、替换等维持工作少，能较长时间保持运动活力，表观无明显变化；(6)具有易被检出的指标，背景干扰少，而预设反应易判断；(7)有关基础资料丰富；(8)考虑物种的经济重要性，抗疾病、寄生虫病和物理损伤，对环境水质，如水温、溶解氧和浑浊度等的耐受，形体大小，适应在流体系统内生活等因素。

　　鱼最早用于生物预警。此后，水溞、双壳类软体动物、虾、细菌等活生物，以及细胞、酶等也开始应用。这些生物对不同污染物的敏感性相差很大，常根据应用环境选用。

　　水生生物对污染物的反应是综合性的。理论上，各种特征反应都可用作检测变量。然而，为达到连续、自动监测目的，同时使系统具有良好的应时、灵敏性，一般优先检测行为、生理或生化反应。

　　行为反应直观、快速。可用视频相机跟踪成相，磁场定位，超声或光速遮挡等技术确定生物的行为变化，在较短的时间内指示污染的发生。

　　污染物对水生生物的生理、生化过程产生复杂影响。呼吸或心跳速率，光合作用，化学基质的消耗或释放，生物发光等都具有污染指示作用。可用各种电极或光电倍增管等监视这些生理或生化过程的细微变化。

　　2.3.1 鱼早期警报系统

　　发展鱼生物监测的努力始于1929年。其时，Bdding根据鱼的呼吸变化指示有毒环境。后来，鱼的游泳行为、正趋流性、选择行为等相继得到应用。Cairns及其同事对发展鱼的自动、实时监测的贡献尤其大。德国、法国、日本和英国等国已出现鱼早期警报系统专利。

　　隆头鱼(Salmo gairdneri)，大鳞大麻哈鱼 (Oncorhynchus tshawytscha)、虹蝤(Poecilia reticulata)，铜吻鳞鳃太阳鱼等淡水和海洋鱼常用于早期警报系统。对它们的监测方法有多种，但不一定都已有应用实例。

　　2.3.1.1 以鱼死亡为终点的早期警报系统

　　严重的污染事故，如石油、有毒化学物质泄漏，导致鱼在短期内因氧气缺乏或神经损伤等原因死亡。死亡现象的发生表明水质急剧恶化，应尽快查明污染源并控制污染扩散。

　　2.3.1.2腮呼吸早期警报系统

　　腮呼吸对污染物敏感，0.5h内可检出接近半致死浓度的污染物，亚致死浓度(20％— 50％LC50)的污染物也可在24h内检出，但对 <10％LC50浓度的污染物不发生反应。

　　在有污染物存在的情况下，鱼腮呼吸加快且无规律。系统研制初期，将检测电极直接安装在鱼腮上，监视当前呼吸频率并将之与前1或2h的平均呼吸频率比较，如果出现明显差异，则表明发生了污染。现在发展是在容器壁上安装双电极，不仅可以测呼吸频率，同时还获得呼吸强度、心跳速度等信息，但信号较弱。

　　2.3.1.3 正趋流性早期警报系统

　　很多生活在流水环境中的鱼都表现出一种独特的位移行为，即总是逆水游动，定义为正趋流性。水体污染物可使鱼的正趋流能力被破坏，鱼失去逆游能力而顺水动。

　　德国从1977年开始研究利用鱼的正趋流性开展生物监测。在下游设强光区或适度电击，控制健康鱼向下游的活动，或间歇性提高水流速度，迫使鱼反应。如果鱼不能维持在上游的位置，则表明污染产生了危害。

　　2.3.1.4 选择行为早期警报系统

　　鱼类能够凭借其强大的运动能力逃避不利环境。设计选择装置，使洁净水和受试水分别流入，在出口处混合，形成污染物浓度梯度，鱼在二个极端间选择停留位置。如果大多数鱼集中在洁净水一端，则受试水遭受了污染。

　　2.3.1.5 弱电脉冲早期警报系统

　　Mormyriden和Gymnotiden等科的鱼周期性发出弱电脉冲。脉冲频率与种类有关，20-30~C温度范围内1—1600S-1”。尼罗河狗鱼(Gnatonemus Petersi)的正常脉冲频率为C.18S”，但在污染达到一定程度后，鱼体运动和弱电脉冲频率均下降。根据这种变化预警污染事件。

　　2.3.1.6 游泳活动早期警报系统

　　污染物提高或降低鱼的游泳能力，用光电技术连续或半连续确定鱼的位置变化，通过比较鱼的当前运动与历史记录检出污染物。

　　2.3.2 双壳类软体动物早期警报系统

　　美国的Butler最早用双壳软体动物监测河海交汇水中的杀虫剂，后来进一步发展为淡水蚌观察工程(Mussel Watch Program)，监测污染物又增加了放射性元素、金属稳定同位素、碳氢化合物等。

　　双壳类软体动物数量丰富，易获得，大小可选择，坚硬而好处理。正常环境中，它们有规律地开壳呼吸和摄食。然而，在有污染物存在的情况下，受胁迫个体长时间闭壳以抵抗危害。根据双壳软体动物的闭壳反应可检测重金属、杀虫剂及其他有毒有机物。历史上曾用机械方法记录壳瓣的运动。1972年，Schuring和Geense首次用电磁感应技术测壳瓣的运动。Jenner等在1989年改用高频电磁感应系统，进一步提高了监测的自动化水平。

　　淡水双壳软体动物，如斑贻贝(Dreissena polymorpha)，普通贻贝(Mytilusspp.)等常用作监测生物。将传感器的2个线圈粘贴到软体动物的2个壳瓣上，1个线圈用作发送器，另 1个用作接受器，同步工作，记录线性反应。

　　双壳软体动物的心跳、挖掘活动等也具有污染指示作用。

　　2.3.3 水溞早期警报系统

　　一般认为，大型无脊椎动物对污染物的敏感性较鱼强，而且它们在多种水体，尤其在流水中广泛分布，采集方便，同时生活周期足以记录环境质量，群落异质性强，总是存在对污染物发生反应的生物类群，因而较多研究集中在开发无脊椎动物早期警报系统。

　　水溞(Daphnia)是最常用的无脊椎动物。水溞在水生态系食物网中处于关键地位，适宜环境中以孤雌生殖为主，实验动物具有良好的均质性，生长和繁殖周期能保证获得足量个体。正是由于独特的生态和生物学意义，水溞成为标准毒理实验动物。

　　2.3.3.1 游泳活动早期警报系统

　　受污染物刺激，水溞在初期的运动速率变快，而且旋转角度加大，运动的随机性增强。但随着时间延长，受损水溞的游泳能力下降。根据这种特征反应判断污染事件。

　　2.3.3.2 位移能力早期警报系统

　　设垂直管，水由上而下流人，将光源和检测器沿管壁相对安装。检测水溞在水柱内单位时间产生的光斑。

　　3.1.2提高系统的敏感性

　　生物早期警报系统的敏感性与传感材料密切相关。然而，理想物种很难选择，人工条件下易饲养或维持的物种往往对污染物的敏感性差，也没有一个物种对所有污染物都同样敏感。此外，生物个体对毒物存在自然延时反应，而且所有生物都具有抵抗低水平污染胁迫的能力，在某些情况下并不能完全反映对人体的有害浓度。要保证警报系统的敏感性，必须加强对实验材料的维持，避免弱信号，同时优选生长良好的个体，使之在活跃期内对污染物作出反应。

　　由于生物个体对低水平污染物的适应性，生物早期警报系统的敏感性会随使用时间延长而下降，因此要注意实验生物的及时更换。废水可能具有高温、pH异常、离子含量过高或溶解氧水平低等特点，不能支持实验生物的生长，需进行适当预处理，如冷却、调节pH、曝气或按一定比例稀释后开展监测工作。

　　物种联用是提高生物早期警报系统敏感性的有效措施。物种结合监测不仅可能提高检测速度，而且扩大了污染物检出范围，准确确定污染事件的概率明显增加。

　　3.1.3 系统的标准化设计和运行

　　生物早期警报系统的设计和运行必须标准化。例如，监测室的大小要合理，室内水的周转不会影响传感生物对污染物的应时反应。只有在标准化条件下运行，才能保证监测结果的真实性和可比性。与此同时，系统的设计和运行要保持一定弹性，从而使系统能在各种独特的环境中应用，或更准确地描述在野外的行为。

　　生物早期警报系统的位置安装应综合考虑，要保证有充足的时间采取污染控制措施，同时易接近，方便维修操作，而且不易受洪水等自然灾害威胁。

　　降低运行成本是推广使用生物早期警报系统的关键。至少要使系统的运行费用不高于现场96h急性致死试验。

　　3.2 生物早期警报系统与理化险测相结合

　　生物警报的最大困难在于生物个体对化学物质反应的不确定性。在实验室受控条件下，生物个体表现出良好的线性反应，但引入实际环境中，监测数据可能极度分散，干扰结果分析。

　　生物早期警报系统只能获得毒性信息，而不能表明污染物性质。因此，在确认污染事件时，生物警报必须与理化检测结合，通过理化检测鉴定污染物类型。此外，可根据待检水体的性质选择对出现概率较大的污染物敏感的传感生物开展特异性监测。

　　生物早期警报系统监测的结果要通过多种途径证实，至少周期性开展传统毒理学试验，修正监测结果。

　　3.3 生物早期警报系统的自动化发展

　　计算机技术的应用提高了处理检测数据的能力，而远程数据传输系统的发展为生物早期警报系统的在线运行提供了强大支持。

　　未来监测系统的野外工作性能将得到显著改善，并逐步发展成便携式。

　　生物早期警报系统的远程控制模式见图2。

 

　　3.4 生物早期警报系统的应用展望

　　生物早期警报系统的环境保护作用已普遍为欧美国家接受。1984年，在北威尔士迪伊河发生酚污染后，英国西北水务局要求各水厂在取水口处安装鱼监测装置。德国、荷兰和美国等国也陆续利用生物早期警报系统监测和保护饮用水水源。美加州洛杉矶水厂还设立了向公众显示的系统，希望通过生物监测降低氰化物和PCBs的污染风险。俄亥俄州则第一个将生态生物监测列入水质条例中。

　　目前以鱼早期警报系统的应用情况最好，要求新建系统至少达到鱼的灵敏水平。但由于应用环境的复杂性，实验室内运行良好的系统并不一定能在实地稳定工作，现阶段的发展仍以实验室研究为主。根据已取得的进展，建立具有预警功能的入水或出水口生物保护系统是可能的，但强调生物和电子信号处理、统计学等先进技术的综合运用。只要能实现生物信号向电子信号的有效转换，通过大量测试确定了基准生物行为或生理值，就可研制出实用性强的商业生物早期预警系统，在各种受保护环境中普遍应用。