水质生物毒性在线监测的必要性和常用方法探讨

司 镪，武 丹，王海英

（天津市环境监测中心，天津300191）

1 水质在线监测引入生物毒性监测的必要性

随着近代工业的发展，化学物质的使用日益增多，使人类赖以生存的水生生态系统受到了越来越严重的污染，而且突发性环境污染事故时有发生，如人为投毒、自然灾害、突发事故引起的水质突变，尤其是石油化工原料及有毒有害危险品的生产、储存和运输过程中发生的事故对环境水体所造成的污染等，这些情况引起了国内外对水质生态、生物安全性的高度重视。

自2004年5月沱江特大污染事故后，我国平均两三天发生一起水环境污染事件，其中不乏重大水污染事件。如2005年11月松花江苯污染：2005年11月中石油吉林石化分公司双苯厂发生爆炸事故造成松花江水体严重污染。爆炸发生后，约100t苯类物质（苯、硝基苯等）流入松花江，造成了江水严重污染，沿岸数百万居民的生活受到影响。2007年5月太湖蓝藻爆发：2007年5月29日开始，无锡市城区的大批市民家中自来水水质突然发生变化，并伴有难闻的气味，无法正常饮用。各方监测数据显示，由于入夏以来无锡市区域内的太湖出现50年以来最低水位，加上天气连续高温少雨，太湖水富营养化较重，诸多因素导致蓝藻提前暴发，影响了自来水水源地水质。此次污染导致无锡市各大超市纯净水供不应求，无锡街头零售的桶装纯净水也出现较大价格波动。2010年7月紫金矿业铜酸水渗漏事故：2010年7月福建紫金矿业厂因连续降雨造成厂区溶液池区底部黏土层掏空，污水池防渗膜多处开裂渗漏，由此发生铜酸水渗漏事故。事故造成汀江部分水域严重污染，导致汀江部分河段污染及大量网箱养鱼死亡。2011年6月云南曲靖铬渣污染：云南省曲靖市陆良化工公司将总量5000t的重毒化工废料铬渣非法丢放，致珠江源头南盘江附近水质遭到铬渣污染；曲靖麒麟区三宝镇、茨营乡、越州镇附近山区以及三宝镇张家营村黑煤沟的一处100m3左右的积水潭积水遭到铬渣污染。2012年1月广西龙江“镉污染”事件：事件危及百万沿江群众的饮水安全，引爆公众视线，事件发生后，河池市下辖的县级宜州市众多依靠在龙江打渔为生的民众、下游柳州市300多万市民的生活均受到不同程度的影响，一度出现市民抢购矿泉水情况。专家称，泄露量之大在国内历次重金属环境污染事件中都是罕见的，此次污染事件波及河段约达300km。

这些污染事件触目惊心，不仅严重影响了人们的生产和生活，给人民健康带来一定的威胁，造成了巨大的经济损失，同时也使生态环境遭受了难以恢复的破坏。

水环境监测是水资源保护的基础性工作，为了全面掌握地表水的水质状况，现有水质监测体系主要包括两大部分：一方面是人工监测，另一方面是在线监测。人工监测项目多，但监测频次较低，例如对饮用水水源地监测点位开展109项全指标分析监测工作，全年开展一次，29项常规监测指标和35项特定项目每月开展一次。在线监测方面，现有的水环境在线监测系统监测指标包括常规五参数，高锰酸盐指数，氨氮、TOC等常规参数和总氮、总磷等营养盐参数。监测频次为每4h监测1次，能够达到实时监控的目的。虽然这些理化参数的监测指标在水环境监测中发挥了巨大作用，但仍存在很多不足，其缺陷主要体现在：①水环境中成分复杂，能够被检测的污染物仅占实际存在污染物的很少部分，未被检测的污染物可能存在潜在的毒性效应；②环境条件复杂，污染物间的相互作用无法只靠常规的物理、化学分析方法来评估；③理化指标无法反应污染物对人体健康、环境生态系统的综合影响。因此，当前的监测系统不能为环境污染事故提供及时完备的数据，无法及时指导管理者警醒决策。

目前国际上先进的水质在线监测预警体系认为：在线监测站点应该有以下三类仪表，即常规多参数、特征污染物、生物毒性监测仪表，这三类参数的总和才可以真正达到水质在线监测预警的目的。为了推进水质在线监测预警体系建设，提升环境应急和监测预警能力，有必要引入新的监测技术，开展水质生物毒性在线监测，这对保护人民群众的生活用水安全，及时预警重特大水质污染事故的发生，及时采取有效措施降低损失具有十分重要的意义。

2 生物毒性在线监测的常用方法

目前生物毒性在线监测的常用方法主要有鱼类法、蚤类法、藻类法、细菌法、微生物燃料电池法等监测方法，现分别给予介绍。

2.1 鱼类法

鱼类对水环境的变化十分敏感，当水体中有毒物质达到一定浓度时，就会引起一系列中毒反应，可表现为：①索饵、生殖或者形态的变化；②迟钝迟发性症状、行为反常、运动痉挛失调或游动停滞、麻痹甚至因终止摄食而死；③种群数量或结构的变化。因而鱼类毒性试验可用于毒物和废水的生物监测、评价。

目前我国国标的急性毒性测试标准用鱼是斑马鱼（Brachydanio rerio，真 骨 鱼 总 目，鲤 科 ）和 青 鳉 鱼（Oryzias latipes，真骨鱼总目，青鳉科）。国内常用于毒性测试的鱼还有青、草、鲢、鳙四大家鱼以及鳟鱼、金鱼、呆头鱼等。

鱼类毒性测定方法的指标过于简单，实验周期较长，且需要大量实验材料和多次重复实验，因而其应用范围受到很大限制。利用鱼类进行在线监测必须排除运行过程中由于投饵不当、鱼类自身状况等造成的影响，使各种干扰因素降到最低。此外还要将鱼类在水中的生理反应作为信号与计算机相联，通过进行放大、处理、分析、预警、报警、记录等，得到较为精确的分析数据和相对可靠的毒性资料。

2.2 蚤类法

蚤类是体形较小的浮游动物，以藻类、真菌、碎屑物及溶解性有机物为食，分布广泛，繁殖能力强，对多种有毒物质敏感。大多数蚤类在自然条件下.通过无性生殖产生雌性后代，而当受到环境信号刺激时会产生雄性后代。当水体受到污染时，有毒物质会影响水蚤生长，干扰其生殖和发育，甚至导致个体死亡。因此，目前常用蚤类死亡率、繁殖能力或生理行为变化作为毒性测试指标。

利用水蚤作为测试生物进行毒性监测，具有实验现象直观易观察的优点，但是测试灵敏度低，实验时间长，影响因素较复杂，如水体的pH值和温度都能在一定程度增大和降低毒性大小，而且不同年龄、类别的水蚤对毒物的反应也有差异，必须考虑综合因素的毒性效应，以便提高其在生物毒性监测中的实用性和精准性。

2.3 藻类法

藻类是水生生态系统及水生食物链的初级生产者，对生态系统的平衡和稳定起着十分重要的作用。其个体小，繁殖快，对毒物敏感，易分离培养，可直接观察细胞水平的中毒症状，是理想的生物毒性试验材料。

水体中重金属和有机污染物对藻类的毒性表现在可抑制其光合作用、呼吸作用、酶的活性和生长等。在急性毒性实验中，常用藻类的生长抑制和光合作用效率作为测试指标。

如新月藻是国内及东北亚淡水中栖息的一种自然种类，哪怕其外泄到生态界，也不会造成不好的影响。新月藻作为水生生态系统及水生食物链中的初级生产者，易于分离、培养并可直接观察细胞水平上的中毒症状，是一种较理想的生物毒性实验材料。而且新月藻是真核细胞生物（与人类一样），对毒性物质极敏感。

利用藻类进行生物毒性监测，结果较为准确可靠，不仅可以指示生物毒性，同时根据藻类的生长情况还可以提供水样中N、P等无机营养物和重金属、除草剂类有机化合物含量方面的信息。但是工作量大，测定周期长，严重影响了生物监测效率。此外，目前尚缺乏相应的监测标准。

2.4 细菌法

细菌是一类形状细短，结构简单，多以二分裂方式进行繁殖的原核生物，是在自然界分布最广、个体数量最多的有机体，是大自然物质循环的主要参与者。依据毒物抑制细菌维持正常生理功能的酶的活性，破坏细菌细胞膜的正常结构，削弱细胞膜的识别、粘着功能，或者是在毒物的刺激下改变细菌的正常生理行为，都能作为测定水体污染的指标。目前常用的细菌监测法主要有氧化亚铁硫化菌法、硝化细菌法和发光细菌法。

发光细菌是一种特殊的细菌，在正常的生理条件下能够发射可见荧光，荧光波长在450～490nm之间，在黑暗处肉眼可见，发光的强弱程度与该细菌的存活量有关。当水质受到污染时，发光细菌就会死亡，发光量就减弱，污染越严重，发光细菌死亡量越多，发光量就越弱，正是利用发光菌的这一独特生理特性，可以判断出水质的综合毒性。

利用发光细菌来检测有毒物质，由于有毒物质仅干扰发光细菌的发光系统，费时较少且灵敏度高，操作简便，结果准确，对各类毒物都很敏感。

首先，发光细菌法有国家标准（GB／T 15441－1995）和国际标准（ISO 11348－3－1998）的支持，评价方法和指标具有权威性；其次，发光细菌法在国际上已经广泛应用于食品饮料安全、水质污染监测等领域，其高效、全面、直观、便捷的优点得到普遍认同；此外，发光细菌为成品冻干粉，安瓿瓶包装，取材便捷，在－20℃冰箱内可有效保存6个月，冻干粉复苏2min后即可发光，是生物毒性连续监测的理想材料。再次，发光细菌与现代光电子技术结合的发光细菌毒性测试技术是20世纪70年代后期发展起来的一种生物毒性监测方法。该法具有快速、简便、灵敏、廉价和应用广泛等特点，因而倍受推崇。

2.5 微生物燃料电池法

微生物燃料电池是一种以微生物为阳极催化剂，将化学能直接转化成电能的装置。其基本原理是微生物直接将水中的有机物降解，同时产生电子，代谢过程中的电子转化成电流，电流与质量浓度呈线性关系；当微生物燃料电池阳极处于“饥饿”状态后，喂养新鲜污水可使微生物燃料电池电流恢复；电池中污水浓度发生变化时，电流需滞后1h达到稳定。

微生物燃料电池型传感器虽然具有电流与污染物浓度之间呈良好线性关系、对污水浓度响应速度较快、重复性较好等优点，但应用于贫营养水体时，阴极还原速率低，导致电池输出电流的信号很小。

3 生物毒性在线监测方法的选取

利用生物本身对毒物的反应便可连续监测水质情况，且灵敏度非常高，检测谱非常宽，几乎涵盖自然界中所有的毒物。其中动、植物毒性试验尽管具有直观性，但试验时间长，不能满足快速检测的需要，与动、植物毒性试验相比较，细菌毒性试验具有以下特点：第一，细菌在自然界的物质循环中起着非常重要的作用。从污染物对细菌毒性影响的大小可推测化学物质对生态系统物质循环功能的影响；第二，细菌结构简单，生长速度相对较快，对化学物质反映灵敏，毒性试验费用较低廉，能满足对大量化学物质进行简便快速筛选的需要；第三，化学物质污染多具慢性生物效应，其毒理作用机制十分复杂，对人体的危害短期内不易发现，往往被忽视。而细菌毒性试验能快速检测出化学物质的综合毒性；第四，有毒化学物质接触细菌后，可造成胞内蛋白质变性、遗传物质破坏或者细胞破裂，从而对细菌造成直接危害，用适当的指标把这些危害反映出来，就可以对化学物质的毒性强弱和浓度大小做出评价。

综上所述，基于发光细菌法的生物毒性在线监测仪器以其可靠的评价方法、高效的检测能力、全面的毒性反映、便捷的设备操作、较为经济的运营维护等优势成为水质生物毒性在线监测方法的必然选择。目前研制生产发光细菌法水质生物毒性在线测试仪器的较为先进可靠的公司主要有Toxcontrol（荷兰）、Check light（以色列）和AppliTek（比利时）等。

在水质生物毒性在线仪器的选型时必须满足以下条件：第一，符合国家（国际）标准监测方法；第二，仪器运行稳定，数据真实可靠；第三，能够实现实时连续监测；第四，具备远程控制、数据分析和故障排除能力；第五，国内已经积累一定经验；第六，运行维护经济、方便、快捷。参照这些必需的条件，认真研究现有较为成熟的仪器的适应性，总结分析不同仪器的综合性能和特点，同时考虑其产品升级换代的能力，来选取适合自己需要的产品。

［1］彭强辉，陈明强，蔡 强，等.水质生物毒性在线监测技术研究进展［J］.环境监测管理与技术，2009（4）：12～16.

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