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水环境生物监测方法及应用

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发表时间:2021-12-08 10:02来源:北极星环境监测网
文章附图

北极星环境监测网讯: 摘要:近年来,因水污染引发的危害性事件时有发生。水环境监测是科学防治水污染的基础。与传统的理化监测技术相比,生物监测方法具有灵敏性、稳定性、多样性和长期性等优点,可以直接有效地反映水环境面临的生态风险。总结了生物监测方法的重要性和优势以及监测生物的主要类型;根据大量国内外文献,水环境生物监测的主要生物类型——微生物、浮游植物、浮游动物、活体生物、底栖动物、高等水生植物及鱼类监测方法研究进展 探讨了国内外生物监测方法的实践和应用,并对生物监测方法的未来发展进行了展望。

长期、高强度的污染排放导致水环境出现有毒化学污染、水体富营养化等一系列问题。近年来,由有毒有害物质引起的水中毒事件时有发生。有毒有害污染物往往是多种污染物的混合物,它们之间的相互作用和潜在的生态毒理效应非常复杂,这使得对水环境监测评价的技术要求越来越高。目前,传统的理化技术已经不能完全满足监测的需要。生物监测是通过观察生物种群、数量、群落组成和结构的变化,从生物学角度监测和评价环境污染,生物习性、生长繁殖甚至遗传特征[1]。生物监测可以显示所有化学物质的综合生态毒理效应。结合传统的监测技术,可以对水环境产生更好的监测效果。我国1986年颁布的《环境监测技术规范-生物监测(部分水环境)》规定了生物监测的基本任务。后来,原国家环境保护局于1993年组织编制了《水生生物监测手册》,但目前该手册的局限性逐渐显现,急需更新[2]。国外生物监测的发展比国内更广泛和深入,但由于水生态系统的差异性和复杂性,无法复制。笔者总结了水环境生物监测方法的研究进展,希望为我国生物监测技术在水环境中的应用和水污染防治提供科学参考。

1 生物监测的重要性和优势

1.1 重要性

水环境理化监测主要通过确定污染物的浓度和来源来反映水质,但这些理化指标不能反映水污染对水生生物的影响,也不能解释水的协同作用或拮抗作用。污染和水生生物。影响。水体中相同的污染物往往以不同的化学形态存在,其流动性、潜在毒性和生物利用度也存在显着差异。在水环境监测中,从技术经济角度对每一种污染物进行跟踪是不可行的。. 通过生物监测,分析水环境中污染物的生物有效性,可以直接反映污染物的生物效应,从而反映其潜在的风险。

1.2 优点

生物监测对水环境具有重要的现实意义。生物监测的优点是:1)灵敏度,说明生物体对低浓度污染物更敏感,有些生物体甚至可以对微量污染表现出相应的反应2)稳定性的作用,说明生物体对低浓度污染物更敏感生物的生存环境相对固定,与物理化学监测方法相比,可以更方便地实现同一区域的连续监测;3) 多样性,水环境中的生物种类很多,可以体现污染物的拮抗和协同作用的综合作用。同一种生物对不同的污染物有不同的反应;4)长期,生物监测结果可以反映污染的历史积累。慢性毒性作用更为明显。因此,生物监测可以有效地反映水环境状况,从而为采取科学的预防措施和治理方法提供科学依据。

2 监测生物的主要类型

水环境质量评价不仅需要参考理化参数,还需要通过生物监测来确定毒性作用并进行综合评价,从而明确水环境对人体健康的风险。 . 常用于监测的生物种类:1)微生物,如绿藻、放线菌、变形菌等;2)浮游植物,如蓝藻(蓝藻、绿藻、芽孢杆菌等;3)浮游动物,如Phryganea japonica、Heptageniidae(4)、水蚤等;4)生物,如硅藻、轮虫、Umbo幼虫等[5];5)底栖动物,如牡蛎(Ostrea gigas tnub)、贻贝(Mytilus galloprovincialis)、贻贝(Anodonta woodianawoodiana)、摇蚊幼虫(Chirono)等[5];6)高等水生植物,如海菖蒲(Enhalus acodoides)、黄花水龙(Ludwigia peploides)等;7)鱼类,如红鼻剪刀鱼、鲭鱼、虎皮鱼等[6]。虽然我国大部分地区仍然采用物理和化学监测方法对水环境进行监测,但生物监测也得到了一定程度的发展。其中,较为成熟的生物监测方法是发光细菌、藻类和底栖动物。等待监控。近年来,生物传感器、行为监测方法等新的生物监测技术也得到了进一步的探索[7]。黄花水龙(Ludwigia peploides)等;7)鱼类,如红鼻剪刀鱼、鲭鱼、虎皮鱼等[6]。虽然我国大部分地区仍然采用物理和化学监测方法对水环境进行监测,但生物监测也得到了一定程度的发展。其中,较为成熟的生物监测方法是发光细菌、藻类和底栖动物。等待监控。近年来,生物传感器、行为监测方法等新的生物监测技术也得到了进一步的探索[7]。黄花水龙(Ludwigia peploides)等;7)鱼类,如红鼻剪刀鱼、鲭鱼、虎皮鱼等[6]。虽然我国大部分地区仍然采用物理和化学监测方法对水环境进行监测,但生物监测也得到了一定程度的发展。其中,较为成熟的生物监测方法是发光细菌、藻类和底栖动物。等待监控。近年来,生物传感器、行为监测方法等新的生物监测技术也得到了进一步的探索[7]。生物监测也得到了一定程度的发展。其中,较为成熟的生物监测方法是发光细菌、藻类和底栖动物。等待监控。近年来,生物传感器、行为监测方法等新的生物监测技术也得到了进一步的探索[7]。生物监测也得到了一定程度的发展。其中,较为成熟的生物监测方法是发光细菌、藻类和底栖动物。等待监控。近年来,生物传感器、行为监测方法等新的生物监测技术也得到了进一步的探索[7]。

2.1 个微生物

水体中微生物的个体、种群和群落及其在一定时空范围内的水环境,通过物质循环和能量流动形成水体微生物生态。目前,水环境中最常用的微生物监测主要包括绿细菌、放线菌、变形菌、拟杆菌、酸杆菌等的监测[8],监测指标为群落多样性、群落结构、群落均匀度、丰度。其中,发光细菌,包括磷光杆菌、费氏弧菌和秦海弧菌等荧光法溶解氧传感器,由于其独特的生理特性,已被用作水环境中有毒物质的衡量标准。主要指标。

发光细菌广泛分布于水环境,如沉积物和鱼鳞中。细菌发光主要依赖于生物发光酶系统。该系统中的荧光素酶是异二聚体蛋白质。当发光细菌暴露于有毒物质时,细菌荧光素酶会受到抑制,其光强迅速降低。通过测量暴露于测试样品的细菌的光强度,并将其与对照细菌进行比较,可以量化化学物质对发光细菌的毒性。发光细菌不仅可用于测量急性毒性(5-30 分钟),还可根据细菌生长速率的变化评估慢性毒性(12-24 小时)[9]。该方法可广泛用于饮用水水质的安全评价,供水系统的毒性监测和海洋沉积物的综合毒性监测 [10]。例如,费氏弧菌作为革兰氏阴性杆菌,可以与各种鱼类形成共生关系,可以独立生活。它只需要一个简短的简单测试来推断水环境中的物理、化学和微生物变化。据统计,费氏弧菌的毒性与电导率和浊度呈负相关,与粪便大肠菌群数量、磷、铁、汞、砷浓度和硬度呈正相关[11]。在微生物生物传感中,常用的技术包括电流分析、电位分析、电导分析、伏安分析、荧光分析、生物发光分析和比色分析[12]。此外,

2.2 浮游植物

浮游植物是指生活在水中的微小植物,通常是指浮游藻类。近年来,由于合成洗涤剂的大量使用,污水中的磷含量显着增加,而磷是藻类的营养物质。一旦过量,就会引起浮游植物代谢紊乱和功能障碍,导致细胞凋亡和组织坏死。甚至中毒死亡。浮游植物是监测水质的指示生物之一。作为初级生产者,它在水生态系统的能量流动、物质循环和信息传递中发挥着重要作用。一旦浮游植物过度生长,就会增加水中有机物的浓度,降低溶解氧的浓度,导致水质恶化,这对水生生物是极其有害的。由于不同藻类对养分的需求和反应不同,因此可以通过检测藻类的丰度、种类和化学成分来判断水质的综合状况[14]。当水环境受到污染时,藻类的细胞密度和光合作用强度会发生相应的变化[1]。

藻类在水生生态系统中发挥着重要作用,对水环境的变化反应非常快[15]。它们常用于急性和慢性毒性试验,常涉及酯酶抑制、ATP能量损失、生长抑制、运动抑制和叶绿素荧光评价等方面[16]。绿叶石斛生长迅速,能承受各种生态条件和高污染,对重金属具有较高的生物蓄积能力,常被用作污染的哨兵。石莼还富含镉、铜、锰和铅[18]。此外,藻类生物测定还可用于评价有机污染物、油分散剂、废水、固体废物渗滤液等的毒性。苯并芘(BaP)是一种已知的致癌物质。水中 BaP 的主要来源是降水、储水罐和管道中涂层的浸出、水上航行船舶的溢油、工业废水排放和生物合成。BaP 在小球藻的脂质体中聚集后,可以使用荧光共聚焦显微镜和荧光寿命成像显微镜对其进行定位 [17]。藻类生物监测评价方法包括聚氨酯泡沫塑料块法(PFU)、生物试验法、硅藻指数和藻类毒性计[10]。它可以使用荧光共聚焦显微镜和荧光寿命成像显微镜进行定位 [17]。藻类生物监测评价方法包括聚氨酯泡沫塑料块法(PFU)、生物试验法、硅藻指数和藻类毒性计[10]。它可以使用荧光共聚焦显微镜和荧光寿命成像显微镜进行定位 [17]。藻类生物监测评价方法包括聚氨酯泡沫塑料块法(PFU)、生物试验法、硅藻指数和藻类毒性计[10]。

2.3 浮游动物

浮游动物是生活在浮游生物中的异养动物,主要包括无脊椎动物和脊索动物的幼虫。他们不会游泳或非常虚弱。它们随水流漂流,是鱼类和贝类的重要诱饵来源。浮游动物数量和种类丰富,分布范围极广。水体缺氧引起的水体富营养化和水体浑浊会影响浮游动物群落组成、空间分布和丰度[19]。浮游动物的时空变化也受捕食压力的影响,与鱼类生物量存在统计相关性[20]。

库克丽娜等人。[21] 研究表明,长期或高浓度接触亚硝酸盐可能会降低小龙虾的存活率和适应性。海岸蟹是一种可靠的生物标志物,可用于河口或海洋模型的生态毒理学研究和环境质量评估。因为它不仅对各种水污染物敏感,其生物反应还与暴露浓度或剂量有关[22]。莫拉比托等人。[23] 表明刺胞动物可以吸收、摄取或接触海洋中的化学物质,这构成了监测环境质量的重要模型。它们具有高度特异性的刺细胞,细胞体积的变化可以监测水环境中的重金属。以及其他污染物。塞等人。[24] 表明桡足类动物 Acariatonsa 卵可作为生物监测器,用于评估缺氧条件下持久性污染物的毒性和硫化物在降低金属毒性方面的作用。影响。此外,水蚤的死亡率和繁殖力等急性毒性试验指标已被用于检测饮用水和地表水中无机砷和农药的污染[10,25]。

荧光法溶解氧传感器_荧光定量pcr溶解曲线分析_三苯基氧膦+溶解

2.4 活物

生物体是在人造或天然基质表面积累的群落。它们主要由藻类、细菌、真菌和原生动物组成。它们是水环境污染的预警标志。像底栖动物一样,活生物体具有丰富的多样性和生物量。常用的监测指标包括生物多样性指数、均匀度指数、藻类密度、总生物量等,其生物量常采用体积换算算法计算[5],其群落结构也可用于动态监测[26]。

生物体的监测多采用人工基质法,通过刮削和剥离基质表面藻膜和生长物采集样品,在显微镜下计数,分析其生物量[5]。在活藻类中,蓝藻 Dactylococcopsis 和 Lyngbya limnetica 是反映氮和磷营养过剩的指示藻类 [27]。一些受污染的水体中出现了抗污染的物种,例如Zoothamnium(Zoothamnium),其密度过高,导致其他生物的生长受限[26]。其他研究表明,被三价铁、铜、锌等重金属污染的河流,其生态系统的生物量对于生物来说过于丰富,而底栖动物的种类和数量却明显减少[28]。

2.5 底栖生物

底栖动物是指栖息于海底或内陆水域的动物,是水生生态系统的重要组成部分。底栖动物多为无脊椎动物,栖息地多固定在岩石、沉积物和其他基质上,如牡蛎、虾、贻贝和贻贝等。无脊椎动物可能会受到高浓度金属和营养物质、精细沉积物和流动特性的影响 [29]。在水生生态系统中,底栖无脊椎动物扮演分解者的角色。目前,利用底栖动物评价水质和监测水污染已得到广泛应用,并取得了一定的效果。

越来越多的研究证实,底栖无脊椎动物在评估污染物对水环境的影响方面发挥着关键作用。然而,选择合适的无脊椎动物、设计合适的测试和确定生物测定方法以及控制毒性测试中的潜在混杂因素对于获得科学有效的结果至关重要。例如,原鳃蜗牛是水生栖息地的重要成员。它们对海洋和淡水生态系统具有重要的生态意义。它们的激素系统在很大程度上与脊椎动物的激素系统相同,适合识别。内分泌干扰物质 [30]。超氧化物歧化酶 (SOD) 是生物体抵御环境污染物的生物标志物。通过测量贻贝肝胰腺组织中的 SOD 和碳氮同位素组成,可以监测水中污染物的水平,尤其是重金属污染。31]。国际上已经建立了多种底栖动物指标。其中,较为成熟的生物指标包括指示生物、多样性指数、优势度、物种丰度等[32],还有希尔森博夫生物指数(Hilsenboff of bio index,HBI)、底栖生物指数(B-IBI) 、家庭生物指数(FBI)和生物污染指数(BPI)等[33] . 多样性指数、优势度、物种丰度等[32],以及希尔森博夫生物指数(Hilsenboff of bio index,HBI)、底栖生物指数(B-IBI)、科生物指数(FBI)和生物污染指数( BPI)等[33] . 多样性指数、优势度、物种丰度等[32],以及希尔森博夫生物指数(Hilsenboff of bio index,HBI)、底栖生物指数(B-IBI)、科生物指数(FBI)和生物污染指数( BPI)等[33] .

2.6 高等水生植物

高等水生植物是指长期生活在水环境中,能生长、繁殖、繁殖的植物,包括睡莲、水葱等挺水植物,芡实、王莲等浮叶植物,水葫芦等。漂浮植物和金鱼 水下植物,如藻类和池塘草。高等水生植物一般生长在浅湖或水库的岸边。它们可以为鱼类提供产卵场所,也可以为水鸟和昆虫提供食物来源和栖息地。此外,它们还起到净化水质和维持生态平衡的作用。起着重要的作用。但是高等水生植物的过度生长会消耗大量的养分,遮阳,阻碍通风等,影响浮游生物的繁殖,

艾哈迈德等人。[34] 表明,在河口生态系统中,海菖蒲具有吸收沉积物中重金属As、Cd、Cu、Hg和Pb的能力,且吸收量与沉积物中重金属浓度呈正相关,即适合作为河口。生物监视器。黄花水龙是生长在浅水区的多年生浮叶植物。由于其对亲脂性有机农药具有较高的生物积累能力,其生物富集因子(BCF)和生物沉积物富集因子(生物群-沉积物积累因子(BSAF))可用于水环境的生物监测[35]。

2.7 条鱼

水质恶化会使鱼生病、变形,甚至死亡。长期作用会抑制鱼类的生长、繁殖和洄游。某些污染物会刺激鱼类。例如,当氯胺在水中降解时,会释放出游离氯,导致鱼的急性呼吸系统问题和鱼血中的酸碱紊乱[36]。重金属可能转化为具有高毒性和持久性的金属化合物,并在鱼类体内形成生物蓄积[21]。此外,DDT、PCBs等一些持久性污染物也会在鱼类体内蓄积,造成持久性蓄积危害。重金属通过食物链积累到一定浓度,可能对其他动物和人类的健康构成潜在威胁。鱼可以对污染物表现出明显的生理和行为反应。因此,可以通过监测鱼类来检测水环境的变化[37]。鱼类监测已被用于评估水质。常用的监测鱼类有红鼻刀鱼、鲭鱼、虎鱼、红绿灯鱼、斑马鱼、鲶鱼、鲑鱼、鲈鱼等[6,10]。

鱼类生物测定的指标包括生理指标和行为指标。其中,生理指标主要包括心率和血液pH值;行为指标主要包括逃避行为(快速游泳、回旋频率)、运动行为(速度、高度、转身频率、摆动频率、社交互动)、呼吸行为(呼吸频率、呼吸深度)。此外,新孵化的幼鱼暴露于污染物的急性死亡率也可用于水质评价[12]。鱼类的监测方法主要包括遥测系统、声学监测、通气活动测量、心电图和光纤体积描记法[21]。最近几年,凭借先进的计算机技术,基于视频跟踪的生物预警系统有了长足的进步,对多种生物物种的视频跟踪能力有了很大的提高。目前的行为监测系统产生了大量详细的行为数据,可用于毒性监测。尽管视频跟踪在环境科学中还没有被广泛采用,但它在行为分析中已经显示出巨大的潜力 [38]。


2.8 不同类型监测生物的特点

不同种类的水生生物代表食物链中的不同环节,对不同污染物的敏感性也不同。因此,根据不同污染监测的需要,选择待监测的生物种类就显得尤为重要。不同类型监测生物的优缺点及适用条件见表1。

3 生物监测方法的应用

目前,生物监测方法已在国内外独立水域的水环境监测中得到实践和应用。例如,杜拉多等人。[47]采用洋葱和鱼类细胞毒性试验、微核试验、彗星试验等对巴西中西部河流进行监测。在鱼彗星试验中观察到的 DNA 损伤发生在重金属 Cu、Pb 和 Cd 中。在高Ni浓度的水环境中,体现了遗传毒性检测对水质管理计划制定的重要性。水生生物接触有毒剂量的污染物会通过食物链对人类和动物造成伤害。水环境的变化会直接影响原生动物群落结构,进而影响水体质量。所以,原生动物群落的特征可用于监测和评估水质[39]。也有大量研究利用寡营养菌的特性诱导饥饿反应和对重金属的敏感性来监测水环境的富营养化程度[40]。化学品能长期抑制水生生物的生长,改变水生生物的繁殖和迁移。因此,水环境中有毒化学物质的监测对人类和地球上所有生物群体的整体安全具有非常重要的作用。也有大量研究利用寡营养菌的特性诱导饥饿反应和对重金属的敏感性来监测水环境的富营养化程度[40]。化学品能长期抑制水生生物的生长,改变水生生物的繁殖和迁移。因此,水环境中有毒化学物质的监测对人类和地球上所有生物群体的整体安全具有非常重要的作用。也有大量研究利用寡营养菌的特性诱导饥饿反应和对重金属的敏感性来监测水环境的富营养化程度[40]。化学品能长期抑制水生生物的生长,改变水生生物的繁殖和迁移。因此,水环境中有毒化学物质的监测对人类和地球上所有生物群体的整体安全具有非常重要的作用。

4 研究展望

水环境监测的新趋势迫切需要开发快速、低成本、常规的污染物检测工具来保护水源安全。生物监测作为一种突发性水污染风险识别和预警方法[48],是一种值得发展的方法。当然,这种方法也有一定的缺点:例如,因为生物监测只是根据某个物种的敏感指标发生变化,它的到来的不确定性很大,有时某些生物指标的变化几乎没有相关性。随着水生生态系统性质和功能的变化[33];指示生物的分布在地理空间上是不同的,在很大程度上受环境因素的影响;将包含物种信息的多个指标整合到一个单一的指标中可能会出现偏差荧光法溶解氧传感器,而这些偏差是难以克服的。为了更好地利用生物监测手段,需要深入研究,真正为保护水环境健康提供科学参考。目前,新的污染物还在不断涌现,合适的效应指标尚未确定,生物监测的对象大多是相当复杂的水生生态系统。生物监测难以确定适用于不同水生生态系统的统一评价标准,也难以比较物理和化学方法。该监测方法已得到大规模推广应用[49],但显示出广阔的发展前景。

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