環境質量評價中的生物指示與生物監測環境生物技術環境工程目錄一、生物指示與生物監測的目的、意義與注意事項二、環境變化的生物信息三、儀器分析技術與生物指示與生物監測技術的比較四、生物指示與生物監測整合技術及其應用五、展望一、生物指示與生物監測的目的、意義與注意事項1.目的：生物指示與生物監測的目的是希望在有害物質還未達到受納系統之前，在工廠或現場就以最快的速度把它監測出來，以免破壞受納系統的生態平衡；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測在一定程度上反映了生態系統污染或退化的程度，因此，通過生物指示物研究至少可以獲得有關所處生態環境的以下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和精確，具有較強針對性并且可以復制。3.注意事項:首先，要選擇好監測的類型，要求在一系列的監測定位點上的數據能反映出種群、群落或生態系統的質量變化;第二，要確定連續監測、周期監測和臨時監測的地點;第三，要確定測試的終點、參數或其它對保持環境優佳狀況的關鍵因子，包括物理、化學、生物學的特征;第四，要建立一個專業性的協調委員會來統一適宜的監測方法，如選定測試終點，建立標準方法，進行合理的推理、判斷和裁決。第五，要建立監測的優選權。二、環境變化的生物信息圖1復雜生態系統中有關污染物的相互關系

以及對生物指示和生物監測的影響二、環境變化的生物信息在生物指示研究中，首先需要獲得特定、詳細的生物系統信息，如污染物與生物(指示生物)效應之間的關系。上圖在污染物脅迫下，復雜生態系統中產生的能夠通過生物指示及生物監測所反映的相互作用及其變化。關于生物指示物、生物監測物里所指的“信息”，通常是指特定生物指示物、監測物所觀察到或監測到的由環境變化引起的生物不良反應。由于目標污染物與其它環境組分之間的關系極其復雜，生態系統組成成分具有多功能和多結構的特點，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同或拮抗關系，污染物A和B的吸收途徑、作用位點以及代謝方式都無法被全面解釋和了解。三、儀器分析技術與生物指示與生物監測技術的比較（一）、儀器分析技術和生物指示與生物監測技術：儀器分析與生物指示分析的直接比較見圖2。由圖可知，由于生物指示技術通常需要整合儀器分析過程，實驗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。在實際實驗室操作中，生物指示與生物監測技術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問題。圖2：光譜技術和生物指示物、生物監測物技術之間的比較三、儀器分析技術與生物指示與生物監測技術的比較（二）、精確性和準確性：生物指示與生物監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程和質量控制條件也適合于生物指示與生物監測。只有在整個分析過程都處于嚴格的質量控制條件下才能獲得準確的分析結果，并且精確性和準確性的檢驗必須貫穿于整個分析過程。目前，有2種基本方法用于檢驗分析結果的準確性:1)使用標準物質;2)比較不同驗室之間單獨分析所獲得的結果。三、儀器分析技術與生物指示與生物監測技術的比較（三）、定量校準：與儀器分析相比，生物指示與生物監測技術的最大缺陷是定量校準的問題，即生物系統的定量校正。因此，生物反應通常無法定量指示污染物暴露或環境質量，通過分析生物指示物個體對某種污染物的積累并不能獲得這種污染物在環境中的濃度，生物指示物與生物監測物和環境污染物濃度之間的關系并非線性關系，而是對數關系。盡管對數方程中的線性關系可以通過數學轉化得到，但是這個參數之間的線性關系只局限于很小的濃度范圍內。因此，只有在這種線性關系與儀器分析的校正線性關系可等同的情況下，生物反應才能夠為其所處的環境提供明確的定量信息。因此，生物指示物的定量標準化是目前生物指示與生物檢測技術研究中的最大挑戰，而且同一個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范統一也是今后生物指示物利用中需要明確和真正關注的問題。三、儀器分析技術與生物指示與生物監測技術的比較（四）、應用規范：在化學分析領域中，實驗室之間通過比較同一個真實樣品的測試結果來優化和統一各自的分析方法。因此，在生物指示與生物監測的“校正”過程中，不同實驗室也必須統一使用同一個指示物，并在統一的實驗條件下進行。由于生物試驗往往高度標準化，重復性較好，并廣泛應用于生物指示研究的各個領域，因此在實驗室實際操作過程中不存在操作程序上規范統一問題。因而唯一需要強調的是項目設計中不同研究團隊之間合作的問題，項目設計包括測試指標、感應器以及記錄方法等的選擇，以及信息傳遞和信息技術，需要考慮時間和空間尺度。通過不同研究團隊的相互合作，對所得出的結果進行比較，以校正生物指示與生物監測結果的“準確性”。在比較的過程中需要考慮的主要問題是:針對同一現象，通過不同技術手段(如遙感和原位)所獲得的觀測結果之間的關聯性問題。四、生物指示與生物監測整合技術及其應用生物指示與生物檢測技術必須能夠為準確評價生態系統的污染或退化程度提供信息，不是一個針對具體環境狀況的“環境監測儀器”，而是一個對不同生物指示與監測系統有著與其它環境參數相關聯的綜合技術，能夠對環境污染狀況進行明確的評價，其發展目標是保護人體和環境健康。下面介紹幾種應用：人體健康風險評價和預測環境樣品庫生物指示技術在土壤重金屬污染風險評價中的應用水體污染的生物指示與生物監測技術在中國的應用現狀苔蘚在大氣污染生物指示與生物監測中的應用四、生物指示與生物監測整合技術及其應用（一）人體健康風險評價和預測圖3表示了一個完整的利用生物指示與生物監測技術支撐的動態環境監測系統。系統根據監測目標或科學導向框架選擇和重組試驗參數，并且為了能夠綜合監測環境、人和環境這兩個調查主體，以及由此派生的人體毒理學和生態毒理學原理都與各種“工具箱”和檢測項目(“工具”，如生物測試)相聯系。圖3：人類和生態毒理學綜合方法中生物指示工具箱模型的分層結構四、生物指示與生物監測整合技術及其應用（二）環境樣品庫建立環境樣品庫的主要目的包括:①提供環境樣品的生態毒理學信息；②在盡可能保持原有性質的條件下長期保存環境樣品。具體目標有以下幾點：檢測采集樣品時沒有被確認為污染物的物質濃度，或者由于當時缺乏精確的分析技術而沒有檢測的污染物濃度(回顧性監測)；檢驗當前或者未來環境行業所制定的禁止和限制條例正確與否；

定期監測樣品存儲前已經被確認為污染物的物質濃度;預測本地的、區域的和全球的污染趨勢;描述標準化的采樣方法;記錄樣品儲存的條件。四、生物指示與生物監測整合技術及其應用（三）生物指示技術土壤重金屬污染風險評價中的應用土壤微生物能夠通過分泌胞外酶來促進土壤有機質分解及含氮化合物的轉化，因此，土壤酶活性反映了物質循環中微生物代謝過程的動態變化，并且能夠作為敏感生物指示物來監測導致土壤質量退化的環境脅迫。重金屬能夠抑制包括酶促過程的土壤微生物活性，在土壤組分如有機碳或總氮含量不發生變化的情況下，土壤酶活性對重金屬污染會產生較顯著的響應。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。這種酶能夠在細胞水平上監測到由于重金屬污染引起的土壤微生物代謝活動變化。四、生物指示與生物監測整合技術及其應用（四）水體污染的生物指示與生物監測技術在中國的應用現狀與土壤生態系統相比，水生生態系統的生態系統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測研究較為普遍。通常用于水生生態系統生物指示與生物監測的生物有動物、微生物和植物，對生物指示物的選擇也涉及從分子到細胞、組織、個體和種群群落等不同生態系統水平。中國國學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測方面工作取得了很大的成績，不少學者利用底棲動物、浮游動物-原生動物、藻類監測評價我國很多重要水體的水質現狀、污染程度及其發展趨勢。除了利用以上這些低等生物在群落結構水平上對水生生物進行生物監測以外，利用較為高等生物如魚類，從分子水平進行生物指示與生物監測也是目前水生生態系統生物監測的研究熱點。例如:以無污染飼養鯽魚為監測生物，以鯽魚腦組織總抗氧化能力為生物指示物，采取主動生物監測法(ASM)對太湖北部梅粱湖與貢湖污染區進行生物監測。許多水體污染物“三致”效應的生物監測研究成果已經被例如國家環境監測的標準方法中，例如：污染物致突變性試驗已經被建設部列入城市供水水質檢驗方法標準中，而蠶豆根尖微核試驗已經被列入了國家環保部編制的《生物監測技術(水環境部分)》，并受到了廣泛的應用。水體原生動物是理想的環境指示物，能夠從不同層次直接反映出水體的污染狀況。四、生物指示與生物監測整合技術及其應用（五）苔蘚在大氣污染生物指示與生物監測中的應用苔蘚植物結構簡單，葉片一般上只有單層細胞，沒有保護層，吸附性強，其營養來源主要是大氣。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，可以直接監測大氣污染、分析大氣重金屬沉降的時空分布、污染物遷移及其來源。自20世紀70年代開始，苔蘚袋法已經被廣泛應用于大氣污染的監測。學者利用苔蘚袋法研究了城市大氣中S、Cu、Pb、Zn元素的時空分布。還有學者利用苔蘚植物，結合大氣凈度指數法與金屬(Mn、Fe、Cu、Cr和Pb)含量化學分析法評價了沈陽市的大氣質量狀況五、展望總之，生物指示與生物監測技術在生態環境科學研究領域中非常有意義。然而，整合技術的發展是生物指示與生物監測研究的最終目標，而整合技術應用的關鍵在于必須預先制定一個跨學科的總體方案以及成立研究團隊，并且能夠針對特定的要求對研究團隊進行快速、靈活的調整，以便不同學科之間進行快速信息交流。此外，也需要考慮到文化、環境質量以及人體健康之間的相互關系。生物指示與生物監測技術自20世紀80年代傳統的以環境污染定性和定量為目標，到現在以建立環境生物指示與人類健康之間的聯系為目標，發展到將來以建立人體健康預防的整合技術為目標。目前的生物指示與生物監測技術水平發展為更為整合的生物指示與生物監測技術的過程中會出現一個“瓶頸”現象。顯然，這個“瓶頸”的產生是由于不同研究團隊之間缺乏充分交流與合作的原因。生物指示與生物監測技術想要在生態環境科學研究領域中得到更好的發展必須首先客服這個瓶頸。參考文獻［1］劉保元，王士達，胡德良．以底棲動物評價湘江污染的研究．水生生物學集刊，1984，8(2):225-236．［2］盧敬讓，賴偉，堵南山．應用底棲動物監測長江口南岸污染的研究．青島海洋大學學報:自然科學版，1990，20(2):32-43．［3］許木啟，王子健．利用浮游動物群落結構與功能特征監測樂安江-鄱陽湖口重金屬污染．應用與環境生物學報，1996，2(2):169-174．［4］王旭，朱根海．南麂列島潮間帶底