水环境重金属的指示生物应用范文

随着现代社会的发展，工业化进程的推进，水资源污染日益加剧，特别是水体重金属污染。重金属通常不能被降解，大多富集在矿物和有机物上，具有累积效应，而且通过水体－水生植物－水生动物－人类这一食物链富集后，往往可以转化成毒性更大的化合物，从而影响人类的健康。指示生物应用广泛，能用于监测水体多种污染物，在监测水体重金属过程中，能弥补传统理化监测的不足，反映水体重金属污染的生物学效应。利用指示生物进行环境风险评价，能更全面的了解污染物的环境风险度。本文综述了指示生物在水环境重金属监测及其在环境风险评价中的研究进展，以期为今后水体重金属污染防治决策研究提供新的方法和思路。

1指示生物的含义及其优点

指示生物又叫生物指示物(BiologicalIndicator，Bioindicator)，是指在一定地区范围内，能通过特性、数量、种类或群落等变化，指示环境或某一环境因子特征的生物［1］。使用生物体来对环境状况进行监测的历史由来已久。早在古希腊时期，亚里士多德就把淡水鱼放到盐水中，观察其行为。在工业革命时期，金丝雀被放到地下煤矿中，工人通过观察金丝雀的特殊反应，及时离开煤矿避险;20世纪初期，欧美生物学家为了应对河流湖泊污染，开始研究利用水生生物监测水环境污染。中国开展指示生物监测河流污染研究是从20世纪80年代开始的，到目前还没有完善的监测指标体系，尚需进一步发展研究。使用指示生物监测方法，监测水体重金属污染状况，有着传统理化监测不可比拟的优点，主要表现在［2］:(1)反映生物学效应。常规分析技术只说明污染程度偏离正常值，常常忽视生物个体以及种群对外源性污染物的效应;(2)灵敏性。重金属在一般水体中，浓度很低，Cu、As、Cd、Hg在水体中的浓度通常在1×10－2～10μg/L之间，甚至在检测限以下。生物监测利用生物对重金属的灵敏性、富集、放大作用，准确快速监测出水体中重金属的污染状况;(3)长期性。指示生物可以持续监测水体，可以反映出剂量小，长期作用的慢性毒性效应;(4)综合性。重金属在生物体内可以表现为协同效应或拮抗效应等复合污染效应，指示生物可以反映出重金属对其的综合效应;(5)范围广。(6)成本低。

2指示生物的分类

生物监测是使用活着的生物获得定量的环境变化信息，而这些环境变化往往来自于人为活动。指示生物是生物监测的重要组成部分，根据物种不同，指示生物可以分为动物、植物、微生物。根据不同的环境介质，指示生物又可分为土壤、大气、水体生物。根据生态学层次不同，可以分为个体以及系统水平上的指示生物;种群、群落、生态系统水平上的指示生物［3］。由于重金属在不同的生态学层次中有不同的表达特征，掌握这些特征，对准确监测重金属污染有重要作用。

2．1个体、系统水平上的指示生物研究

2．1．1水生植物监测重金属研究水生植物是指能正常生长在水中的植物。按照水生植物的形态结构和生活习性，水生植物可以分为三类:水生维管植物、水生藓类、高等藻类。底栖植物长期暴露在水环境中，能直接吸收水体和沉积物中的污染物，而积累的重金属元素在其体内不表现出生物响应［4］。然而，环境重金属的压力会导致部分水生植物出现生理变化和生理功能减弱［5］，对指示生物的监测，就是监测其生理变化和生理功能改变，以反映水体重金属的污染状况。水生维管植物通过发达的根系和叶子吸收水体中重金属，结合其定栖的习性，使其适用于监测水环境状况的变化［6］。Fawzy等［7］研究6种水生维管植物富集重金属能力，发现维管植物提供一种具有成本效益的方式来监测水体重金属污染。Magdalena等研究波兰南部沿海地区多种水生植物对汞的累积性时，发现开花维管植物体内汞浓度随着河流中汞浓度上升而增加。苔藓植物自1971年Goodman等人发明藓袋法监测重金属开始，藓袋法在世界范围得到了广泛应用。有研究表明，藓袋法对于河流重金属的慢性污染有良好的监测效果。藻类植物种类繁多，主要有硅藻、绿藻、蓝藻等。藻类吸收重金属后，将影响藻类蛋白质合成以及酶活性，引起藻类生长代谢与生理功能紊乱、抑制光合作用、减少细胞色素、导致细胞畸变、组织坏死、甚至使机体死亡。同种重金属由于价态、化合态和结合态的不同，藻类吸收后引起的毒性也不同，藻类监测重金属就是利用这种特异性。LalitK等利用硅藻监测恒河重金属Cu和Zn，发现细胞膜发生畸变，表明硅藻细胞膜形态异常可以用来监测水体重金属污染。Chakraborty使用海底藻类监测海洋重金属污染，发现绿藻和褐藻能高度富集重金属，可以作为潜在生物指示物用于指示重金属污染。

2．1．2水生动物监测重金属研究水生动物是生态系统重要组成部分，最常见的是鱼类，此外还有腔肠动物，如海葵、海蜇、珊瑚虫;软体动物，如乌贼、章鱼;甲壳动物，如虾、蟹;其他动物，如海豚、鲸(哺乳动物)、龟(爬行动物)等其他生物。水生动物往往能够积累某些重金属，对重金属毒性作出相应的行为反应或表现出某种遗传特征，因此，这一类水生动物能成为监测重金属污染的生物指示物。在突发性重金属污染胁迫下，水生动物常常能作出生物学行为反应。水生动物行为反应能直观、快速地反映水质变化，常见的指标有呼吸、生长、心率、求偶行为和游动行为等。Gendusa发现黑鳟暴露在Cr6+环境中时，快速的胸鳍运动能作为外部生物标识监测Cr。Svecevicius等研究虹鳟鱼在Cr6+胁迫下的行为变化，发现虹鳟鱼的游动行为随着Cr6+浓度增加而增加。黄东龙对斑马鱼行为反应进行研究发现在Zn2+和Cr6+的突发性胁迫下，其行为反应快速而且敏感，表明斑马鱼的行为变化能对突发性重金属污染进行监测，提供早期预警。

2．2种群、群落、生态系统水平上指示生物研究重金属对生物的有害性研究往往侧重个体或细胞水平，然而不同水平上的生物有害效应具有非线性的层次性，即高一级的生物水平上的效应可能具有不能从次一级水平上得到的预测的新特征。如生物标志物的研究集中在细胞水平上，通常不能直接扩展到个体甚至种群水平上，因为细胞水平的毒性效应可能被组织的补偿机制所掩盖。同样，个体的重金属浓度、行为特征等参数并不能直接推移到种群水平上，要监测水体重金属的生物效应，更需要关注种群、群落甚至生态系统上的生物监测研究。生物在重金属胁迫作用下，群落内不同生物具有不同的响应，尤其是长时间低剂量暴露的情况下，群落种数发生变化，同时群落结构也发生变化，敏感种减少，耐受性种成为优势种。常用的利用微生物群落监测水体重金属的方法是国标PFU法(GB/T12990－91)。PFU(polyure-thanefoamunit，聚氨酯泡沫塑料块)法就是将PFU浸没在水中，利用PFU的小孔径(约150μm)，采集微型生物群落，并评价水质。研究表明，高浓度重金属影响底栖生物和浮游生物的多样性。

3对指示生物进行环境风险评价的应用研究

通过指示生物监测获得的环境状况，往往是生物体内重金属浓度的数值，还需要使用适合的评价方法反映当前环境的污染程度，以及后期可能带来的环境风险，提出合理的控制对策。当前水体重金属评价往往局限于对当前浓度的评价达标与否，忽视了长期低剂量暴露下造成的生态风险和对人体的健康风险。对指示生物的风险评价有利于量化这一不确定性的风险。风险评价可分为生态风险评价与健康风险评价。生态风险评价是一个预测环境污染物对生态系统或其中某些部分产生有害影响可能性的过程。环境健康风险评价是以风险度作为评价指标，把人体健康和环境污染相联系，通过定量描述在污染环境中人暴露所受危害的风险。

3．1指示生物在生态风险评价中的应用目前，这些水生生物重金属评价方法均能反映区域水质生态风险水平，实际应用中，为了更全面评估各种风险水平，常常同时使用多种评价方法。其次，还有基于种群、群落的生物评价方法，如对于水体物种种群丰度、敏感种的生态风险评价，常采用生物评价指数。生物评价指数有很多，如基于敏感种和耐污种的出现与否构建的指数BMWP(Bi-ologicalMonitoringWorkingParty)、基于物种的耐污值及其在群落中的重要性构建的FBI(FamilyBioticIndex)指数、基于物种丰度和耐污值构建的BI(Biot-icIndex)指数等。这些评价指数对各种环境问题的灵敏性不一，有研究发现，FBI指数可以有效指示酸污染与氨氮污染，BI指数可以评估流域土地利用和重金属污染对河流生态的影响。

3．2指示生物在健康风险评价中的应用健康风险评价将人体健康和环境污染联系在一起，定量估算有害物质对人体健康的危害程度，并提出减小环境健康风险的对策。指示生物能用于评估重金属对人体健康风险水平，为食用水生生物、消费水产品人群提出早期预警以及安全指导。健康风险评价的程序分为:危害鉴定、剂量反应评估、接触评估、风险评定等四个阶段。目前，健康风险评价方法已被法国、荷兰、日本、中国等许多国家和一些国际组织如经济发展与合作组织(OECD)、欧洲经济共同体(EEC)等所采用。计算生物体内重金属的潜在非致癌风险值，通常使用目标风险系数(THQ)，而致癌风险的计算，则使用致癌系数(CR)表示。在重金属防治对策制定的过程中，必须考虑重金属对人体的危害程度，指示生物的环境健康风险评价能科学地评估其风险值，从而指导决策的制定。

4结语

尽管利用指示生物监测水体重金属有诸多优点，应该越来越广泛，但同时也存在不少问题，如指示生物的普遍适用性问题，难以定量描述污染程度，监测指标不明确，没有完整的国家标准。指示生物能在细胞、个体、种群、群落和生态系统各水平上监测重金属的污染状况，并进行污染评价。未来研究指示生物，应该理化监测和指示生物监测相结合，指示生物监测与评价相结合，扩大研究领域，关注生物群落、生态系统水平上的生物监测。

作者：李仲涛 曾悦 单位：福州大学 环境与资源学院