环境生物技术

环境质量评价中的生物指示与生物监测环境生物技术环境工程目录一、生物指示与生物监测的目的、意义与注意事项二、环境变化的生物信息三、仪器分析技术与生物指示与生物监测技术的比较四、生物指示与生物监测整合技术及其应用五、展望一、生物指示与生物监测的目的、意义与注意事项1.目的：生物指示与生物监测的目的是希望在有害物质还未达到受纳系统之前，在工厂或现场就以最快的速度把它监测出来，以免破坏受纳系统的生态平衡；或是能侦察出潜在的毒性，以免酿成更大的公害。2.意义:由于生物指示与生物监测在一定程度上反映了生态系统污染或退化的程度，因此，通过生物指示物研究至少可以获得有关所处生态环境的以下2种不同信息:第一、简单综合的信息;第二，高度特定的信息。而后者所包含的信息非常详细和精确，具有较强针对性并且可以复制。3.注意事项:首先，要选择好监测的类型，要求在一系列的监测定位点上的数据能反映出种群、群落或生态系统的质量变化;第二，要确定连续监测、周期监测和临时监测的地点;第三，要确定测试的终点、参数或其它对保持环境优佳状况的关键因子，包括物理、化学、生物学的特征;第四，要建立一个专业性的协调委员会来统一适宜的监测方法，如选定测试终点，建立标准方法，进行合理的推理、判断和裁决。第五，要建立监测的优选权。二、环境变化的生物信息图1复杂生态系统中有关污染物的相互关系

以及对生物指示和生物监测的影响二、环境变化的生物信息在生物指示研究中，首先需要获得特定、详细的生物系统信息，如污染物与生物(指示生物)效应之间的关系。上图在污染物胁迫下，复杂生态系统中产生的能够通过生物指示及生物监测所反映的相互作用及其变化。关于生物指示物、生物监测物里所指的“信息”，通常是指特定生物指示物、监测物所观察到或监测到的由环境变化引起的生物不良反应。由于目标污染物与其它环境组分之间的关系极其复杂，生态系统组成成分具有多功能和多结构的特点，污染物与生物指示物之间的相互作用通常难以解释。如图所示，污染物A与污染物B的相互作用不仅仅是简单的协同或拮抗关系，污染物A和B的吸收途径、作用位点以及代谢方式都无法被全面解释和了解。三、仪器分析技术与生物指示与生物监测技术的比较（一）、仪器分析技术和生物指示与生物监测技术：仪器分析与生物指示分析的直接比较见图2。由图可知，由于生物指示技术通常需要整合仪器分析过程，实验室里研究生物指示物在很大程度上依赖于仪器分析，通过仪器分析从生物指示物中获取信息。在实际实验室操作中，生物指示与生物监测技术和仪器分析所面临的共同问题是样品采集的代表性问题，即所采的样品必须能够代表所要解决的科学问题。图2：光谱技术和生物指示物、生物监测物技术之间的比较三、仪器分析技术与生物指示与生物监测技术的比较（二）、精确性和准确性：生物指示与生物监测除了与仪器分析一样需要具有高度代表性的样品作为分析对象或者指示物以外，仪器分析中的许多操作规程和质量控制条件也适合于生物指示与生物监测。只有在整个分析过程都处于严格的质量控制条件下才能获得准确的分析结果，并且精确性和准确性的检验必须贯穿于整个分析过程。目前，有2种基本方法用于检验分析结果的准确性:1)使用标准物质;2)比较不同验室之间单独分析所获得的结果。三、仪器分析技术与生物指示与生物监测技术的比较（三）、定量校准：与仪器分析相比，生物指示与生物监测技术的最大缺陷是定量校准的问题，即生物系统的定量校正。因此，生物反应通常无法定量指示污染物暴露或环境质量，通过分析生物指示物个体对某种污染物的积累并不能获得这种污染物在环境中的浓度，生物指示物与生物监测物和环境污染物浓度之间的关系并非线性关系，而是对数关系。尽管对数方程中的线性关系可以通过数学转化得到，但是这个参数之间的线性关系只局限于很小的浓度范围内。因此，只有在这种线性关系与仪器分析的校正线性关系可等同的情况下，生物反应才能够为其所处的环境提供明确的定量信息。因此，生物指示物的定量标准化是目前生物指示与生物检测技术研究中的最大挑战，而且同一个生物指示物的不同使用者之间在分析方法和分析条件上的规范统一也是今后生物指示物利用中需要明确和真正关注的问题。三、仪器分析技术与生物指示与生物监测技术的比较（四）、应用规范：在化学分析领域中，实验室之间通过比较同一个真实样品的测试结果来优化和统一各自的分析方法。因此，在生物指示与生物监测的“校正”过程中，不同实验室也必须统一使用同一个指示物，并在统一的实验条件下进行。由于生物试验往往高度标准化，重复性较好，并广泛应用于生物指示研究的各个领域，因此在实验室实际操作过程中不存在操作程序上规范统一问题。因而唯一需要强调的是项目设计中不同研究团队之间合作的问题，项目设计包括测试指标、感应器以及记录方法等的选择，以及信息传递和信息技术，需要考虑时间和空间尺度。通过不同研究团队的相互合作，对所得出的结果进行比较，以校正生物指示与生物监测结果的“准确性”。在比较的过程中需要考虑的主要问题是:针对同一现象，通过不同技术手段(如遥感和原位)所获得的观测结果之间的关联性问题。四、生物指示与生物监测整合技术及其应用生物指示与生物检测技术必须能够为准确评价生态系统的污染或退化程度提供信息，不是一个针对具体环境状况的“环境监测仪器”，而是一个对不同生物指示与监测系统有着与其它环境参数相关联的综合技术，能够对环境污染状况进行明确的评价，其发展目标是保护人体和环境健康。下面介绍几种应用：人体健康风险评价和预测环境样品库生物指示技术在土壤重金属污染风险评价中的应用水体污染的生物指示与生物监测技术在中国的应用现状苔藓在大气污染生物指示与生物监测中的应用四、生物指示与生物监测整合技术及其应用（一）人体健康风险评价和预测图3表示了一个完整的利用生物指示与生物监测技术支撑的动态环境监测系统。系统根据监测目标或科学导向框架选择和重组试验参数，并且为了能够综合监测环境、人和环境这两个调查主体，以及由此派生的人体毒理学和生态毒理学原理都与各种“工具箱”和检测项目(“工具”，如生物测试)相联系。图3：人类和生态毒理学综合方法中生物指示工具箱模型的分层结构四、生物指示与生物监测整合技术及其应用（二）环境样品库建立环境样品库的主要目的包括:①提供环境样品的生态毒理学信息；②在尽可能保持原有性质的条件下长期保存环境样品。具体目标有以下几点：检测采集样品时没有被确认为污染物的物质浓度，或者由于当时缺乏精确的分析技术而没有检测的污染物浓度(回顾性监测)；检验当前或者未来环境行业所制定的禁止和限制条例正确与否；

定期监测样品存储前已经被确认为污染物的物质浓度;预测本地的、区域的和全球的污染趋势;描述标准化的采样方法;记录样品储存的条件。四、生物指示与生物监测整合技术及其应用（三）生物指示技术土壤重金属污染风险评价中的应用土壤微生物能够通过分泌胞外酶来促进土壤有机质分解及含氮化合物的转化，因此，土壤酶活性反映了物质循环中微生物代谢过程的动态变化，并且能够作为敏感生物指示物来监测导致土壤质量退化的环境胁迫。重金属能够抑制包括酶促过程的土壤微生物活性，在土壤组分如有机碳或总氮含量不发生变化的情况下，土壤酶活性对重金属污染会产生较显著的响应。土壤中的脲酶有助于向土壤植物或微生物的生长和繁殖提供碳源和氮源。这种酶能够在细胞水平上监测到由于重金属污染引起的土壤微生物代谢活动变化。四、生物指示与生物监测整合技术及其应用（四）水体污染的生物指示与生物监测技术在中国的应用现状与土壤生态系统相比，水生生态系统的生态系统组成成分及其相互作用较为简单，因此水体污染的生物指示与生物监测研究较为普遍。通常用于水生生态系统生物指示与生物监测的生物有动物、微生物和植物，对生物指示物的选择也涉及从分子到细胞、组织、个体和种群群落等不同生态系统水平。中国国学者在过去几十年所开展的河流、湖泊、水库和近海的水污染生物监测方面工作取得了很大的成绩，不少学者利用底栖动物、浮游动物-原生动物、藻类监测评价我国很多重要水体的水质现状、污染程度及其发展趋势。除了利用以上这些低等生物在群落结构水平上对水生生物进行生物监测以外，利用较为高等生物如鱼类，从分子水平进行生物指示与生物监测也是目前水生生态系统生物监测的研究热点。例如:以无污染饲养鲫鱼为监测生物，以鲫鱼脑组织总抗氧化能力为生物指示物，采取主动生物监测法(ASM)对太湖北部梅粱湖与贡湖污染区进行生物监测。许多水体污染物“三致”效应的生物监测研究成果已经被例如国家环境监测的标准方法中，例如：污染物致突变性试验已经被建设部列入城市供水水质检验方法标准中，而蚕豆根尖微核试验已经被列入了国家环保部编制的《生物监测技术(水环境部分)》，并受到了广泛的应用。水体原生动物是理想的环境指示物，能够从不同层次直接反映出水体的污染状况。四、生物指示与生物监测整合技术及其应用（五）苔藓在大气污染生物指示与生物监测中的应用苔藓植物结构简单，叶片一般上只有单层细胞，没有保护层，吸附性强，其营养来源主要是大气。苔藓植物对大气污染的敏感性是种子植物的10倍。以苔藓为指示生物，通过分析植物组织中的污染物浓度，可以直接监测大气污染、分析大气重金属沉降的时空分布、污染物迁移及其来源。自20世纪70年代开始，苔藓袋法已经被广泛应用于大气污染的监测。学者利用苔藓袋法研究了城市大气中S、Cu、Pb、Zn元素的时空分布。还有学者利用苔藓植物，结合大气净度指数法与金属(Mn、Fe、Cu、Cr和Pb)含量化学分析法评价了沈阳市的大气质量状况五、展望总之，生物指示与生物监测技术在生态环境科学研究领域中非常有意义。然而，整合技术的发展是生物指示与生物监测研究的最终目标，而整合技术应用的关键在于必须预先制定一个跨学科的总体方案以及成立研究团队，并且能够针对特定的要求对研究团队进行快速、灵活的调整，以便不同学科之间进行快速信息交流。此外，也需要考虑到文化、环境质量以及人体健康之间的相互关系。生物指示与生物监测技术自20世纪80年代传统的以环境污染定性和定量为目标，到现在以建立环境生物指示与人类健康之间的联系为目标，发展到将来以建立人体健康预防的整合技术为目标。目前的生物指示与生物监测技术水平发展为更为整合的生物指示与生物监测技术的过程中会出现一个“瓶颈”现象。显然，这个“瓶颈”的产生是由于不同研究团队之间缺乏充分交流与合作的原因。生物指示与生物监测技术想要在生态环境科学研究领域中得到更好的发展必须首先客服这个瓶颈。参考文献［1］刘保元，王士达，胡德良．以底栖动物评价湘江污染的研究．水生生物学集刊，1984，8(2):225-236．［2］卢敬让，赖伟，堵南山．应用底栖动物监测长江口南岸污染的研究．青岛海洋大学学报:自然科学版，1990，20(2):32-43．［3］许木启，王子健．利用浮游动物群落结构与功能特征监测乐安江-鄱阳湖口重金属污染．应用与环境生物学报，1996，2(2):169-174．［4］王旭，朱根海．南麂列岛潮间带底