家蚕作环境监测指示生物可行性分析

张智勇 杜周和 刘彬斌 刘俊凤

(四川省农业科学院蚕业研究所，四川 南充 637000)

生物监测技术起源于20世纪初Kolkwitz和 Marson提出的“污水生物系统”[1]，50年代后，该技术逐渐被用于水质和大气环境污染监测。生物监测技术具有不同于传统物理化学监测方法的独特优势，如监测的敏感性、长期性、连续性、经济性、非破坏性和综合性等，近年来发展迅速。我国在这方面的研究起步较晚，上世纪80年代才开始将该技术应用于环境监测。目前相关体系仍不标准、不健全。家蚕有五千多年的驯养历史，长期的人工驯养使其进化出对环境变化的高度敏感性，成就了其作为环境监测生物的可能性。本文就家蚕作环境监测生物的可行性进行初步探讨。

1 生物监测发展现状

1.1 土壤污染监测

土壤污染是目前比较严重的环境污染问题，尤其是重金属污染。土壤中的污染物可以被植物富集，进而通过食物链进一步放大。土壤中的污染物对动植物都具有严重的危害。常用于土壤污染监测的生物有动物、植物和微生物。

1.1.1 动物监测法。选取在土壤中生长繁殖速度快，对土壤变化比较敏感的动物作为对象，用来检测土壤中是否存在污染物及污染程度。常见的土壤检测动物有蚯蚓、线虫、食菌原生动物、鞭毛虫、螨等[1]。蚯蚓体内的镉浓度与其所生存的土壤总镉浓度间存在显著的相关性[2]。

1.1.2 植物监测法。一些植物对土壤的污染非常敏感，可以通过观察植物的生理状态、形态等特征变 化判断土壤的污染程度。植物通过土壤获取其生长所需的一些营养物质，如果土壤环境遭到污染，一些污染物可以通过植物获取能养的途径进入植物体内，对植物的生长造成影响，例如叶子变黄，甚至掉落，树干出现裂痕等，其中植物的反季节变化是对土壤污染的一个明显的指示。

1.1.3 微生物监测法。微生物具有繁殖速度快，且对环境因素变化敏感的特点。土壤一旦受到污染，该区域的微生物群落很快会发生改变，因此微生物被用来指示土壤的污染状况，常用于有毒物质以及抗生素的检测。主要的微生物有细菌、放线菌和霉菌。我国目前应用的微生物监测主要是监测农药和重金属对土壤环境的影响[1]。

1.2 大气污染监测

大气污染生物监测主要用的是植物。环境中对大气污染最敏感的是植物，植物的光合作用、呼吸作用均在大气中进行，一旦大气受到污染最先受到伤害的即是植物。另外植物的生长位置比较固定，易于监管，通过监测植物的生长情况，可以判断某一区域的大气环境状况。

不同植物对不同污染物种类的敏感性不同。二氧化硫(SO2)污染指示生物常用的有法国梧桐、雪松、腊梅、月季、菠菜、南瓜、莴笋、胡萝卜、地衣、苔藓等。氟化氢(HF)污染指示生物常用的有郁金香、番茄、芝麻、玉米、杏树等。臭氧(O3)污染指示生物常用的有花生、燕麦、马铃薯、洋葱、葡萄、牡丹、梨树等。氯化氢(HCl)污染指示生物常用的有韭菜、番茄、落叶松、李树和五角松等。氮氧化物(NOx)污染指示生物常用的有向日葵、莴笋、玉米、洋葱、秋海棠等。过氧乙酰硝酸脂(PAN)污染指示生物常用的有莴笋、芥菜、矮牵牛、菜豆等。氯气(Cl2)污染指示生物常用的有大麦、向日葵、白菜、金银花、夜来香、水杉、油松、桃、柿子树等。乙烯(C2H2)污染指示生物常用的有菜豆、豌豆、万寿菊、番茄等。硫化氢(H2S)污染指示生物常用的有大叶紫、三叶草、黄瓜、番茄、烟草等。氨气(NH3)污染指示生物常用的有芥菜、向日葵、菜花等[3]。

1.3 水体污染监测

水体受到污染之后会对生活在其中的生物产生严重影响，造成一些动植物的死亡、畸形生长、疯狂生长等。生物监测可以选择水体中种群丰富、繁殖速度快而且对污染物比较敏感的生物作为监测对象，通过监测这些生物的生长情况反映水体的污染状况。

1.3.1 指示生物法。利用水环境中对污染物敏感物种是否存在来指示所监测水体中污染物的存在情况，该方法是目前水体污染检测中最普遍的方法。选取的指示生物应具备生长周期长、在水体中位置 比较固定、对水体污染比较敏感等特点。常见的指示生物有斑马鱼、双壳贝类、水蚤、底栖生物、两栖生物等[3,4]。

1.3.2 微生物群落监测法。水体中存在大量的微生物，这些微生物对水体污染很敏感，一旦水体环境发生轻微变化，微生物的生理性状很快就会发生改变。目前使用最多的是聚氨酯泡沫塑料法。

1.3.3 水体植物监测法。水生植物具有位置固定、生长周期长、对水体污染敏感的特点，水体一旦发生污染，敏感水生植物的生长状况会出现明显的变化。

2 家蚕作环境监测指示生物

2.1 家蚕用于监测土壤和水体污染

土壤中的重金属可通过桑树的富集作用最后通过桑叶传递给家蚕。水中的重金属可通过淘洗桑叶的水附着在叶表以及桑树生长吸水通过桑叶传递给家蚕。大气中的重金属粉尘颗粒可通过蚕体直接接触或通过桑叶吸附传递到家蚕。

1996年，日本学者增井博之以无菌饲养的家蚕为材料，测定了多种重金属对不同发育阶段家蚕的毒性，结果表明，Cd、Zn、Pb、Ni、Co的100%致死浓度为0.08‰-10‰不等。对1龄蚕的致死作用强弱为Cd>Co>Ni>Zn(Pb)，对3龄蚕的致死作用强弱为Cd>Co>Ni>Zn>Pb，对5龄蚕的致死作用强弱为Cd>Co>Zn>Pb>Ni[5]。

1991年，周伟等用桑叶浸泡染毒法研究HgCl2、As2O3、 K2CrO4、Pb3O4对蚕的毒性，结果表明对蚕的致死作用强弱顺序为As>Hg>Cr>Pb，且As、Hg易在蚕体内积累，还可能通过蚕卵影响次代蚕致死。试验蚕与对照蚕相比，一龄和二龄期没有明显的异常表现，从三龄开始部分试验蚕发生了软化病、脓病和僵病，并有死亡现象发生。试验蚕体发育缓慢、行动迟呆，各龄眠期都向后推迟1～2d。以上情况随着蚕龄的增长和桑叶含毒量的增大而加剧[6]。家蚕摄入过量重金属离子后产生生理障害，体内能量消耗增多，对食物的消化、吸收及同化能力下降，严重影响对脂质、碳水化合物和蛋白质的代谢及细胞的正常生理功能[7]。

2.2 家蚕用于大气污染监测

大气中对环境影响较大的污染物质种类多，如二氧化硫、氮氧化物、臭氧、二氧化碳、一氧化碳、总悬浮颗粒物(TSP)、可吸入颗粒物、碳氢化合物、铅、氟化物、氨气等。大部分已被列为空气质量标准中需控制浓度限值的物质。

1994年管竞芳等以桑树和家蚕为试验生物，采用静态模拟熏气和自然污染调查相结合的方法，对大气苯酚引起家蚕生长发育障碍进行了研究。结果表明，大气苯酚以间歇性较高浓度侵入蚕室时会直接致蚕中毒。大气中苯酚以持续较低浓度作用时桑叶内会累积苯酚，间接对家蚕有毒害。家蚕受害后，轻则表现为食欲不振、群体发育不齐、体色灰暗、体重减轻、主要经济性状下降，重则死亡[8]。

桑叶吸收污染空气中的氟含量超过30ppm时就会造成家蚕中毒。1986年，杭州市春蚕大面积遭受氟化物污染， 6个县(区)近3万户蚕农18187张蚕种受害，经济损失137万元[9]。

李正方等研究大气污染对家蚕的影响，结果表明桑叶中的含硫量超过0.3%时就会对蚕产生毒害。其受害症状是食欲减退，行动不活泼，发育不齐，呈现软化病症状，最后可导致死亡。桑叶中碘的含量达100ppm时会对蚕产生危害。蚕吃了受碘污染的桑叶后，气门周围常呈黑色，体型异状，不能正常脱皮，不结茧，麻痹而死。碘进入上皮角质层时，前部丝腺呈茶褐色，脂肪细胞核和肌肉细胞核呈兰色[10]。

乔邓君等报道了家蚕塑料废气中毒现象，3～4龄中毒的，蚕儿发育不齐、食欲不振、行动不活泼、有起缩现象，个别蚕慢慢萎缩而死，死后尸体半干瘪、体色黑褐色、不腐烂，有的死蚕尸体个别部位变硬。5龄中毒蚕的，5～6环节体壁上出现块状黑斑或节间膜处出现环状黑斑，摸上去粗糙不平，黑斑处易破，并流出淡黄色体液，有的黑斑处会自动爆裂[11]。

张志华等报道家蚕氟化物中毒分为急性与慢性两种。慢性中毒一般表现为发育缓慢，入眠推迟，个体大小不齐，个别蚕节间膜处出现高节或黑斑：急性中毒多发生在大蚕期，表现为食桑量突然减少，蚕体平伏呆滞、行动不活泼，后陆续死亡，临死前有吐液现象[12]。

如上所述，利用家蚕对空气污染物的毒性反应可以将家蚕作为这几种大气污染物的监测指示生物。

2.3 家蚕用于农药污染监测

关于农药对家蚕的毒性有大量报道，包括杀虫剂、除草剂、杀菌剂、杀螨剂等等。甲氬基阿维菌素苯甲酸盐、阿维菌素、高效氯氰菊酯、联苯菊酯、虫酰肼、三唑磷等对家蚕有极高毒性；硫克百威、虫螨腈、杀铃脲、氟虫腈、噻嗪酮、高渗氯胺磷、敌百虫、甲氧虫酰肼等对家蚕有高风险性；溴虫腈和擎脲等对家蚕有中度风险性。现在市面上流通的绝大多数杀虫剂对家蚕有较强的毒性，少部分杀菌剂、杀螨剂、除草剂的毒性较中等，极少部分杀虫剂、大部分杀菌剂、杀螨剂、除草剂的毒性较低等。家蚕农药中毒症状表现出多种相似的特征，急性中毒主要特征有吐液、拒食，身体扭曲呈“C或“S”形、静卧等[13-15]。

家蚕对绝大多数农药敏感，且中毒症状明显易辨，因此家蚕可用作农药污染监测指示生物。

2.4 家蚕作物生物监测指示生物经济性分析

家蚕对饲养环境要求虽然较高，但饲养管理简单，只要环境没有污染，有足量桑叶供应，调节好温度与湿度，做好眠起处理就能将蚕养活。如果仅作为生物监测而不考虑经济性的话，饲养一千多头足够，一千头蚕一个蚕期的饲养费用很小，即能满足环境监测部门使用。

3 讨论

虽然家蚕有较为理想的环境监测效果，但要将家蚕真正发展为环境监测生物还有许多工作要做。

首先是现行蚕桑产业未实现全国各地全覆盖，在无蚕地区不能起到监控作用。解决这个问题有两条途径：一是家蚕育种机构培育出广适性蚕品种，适合多种环境饲养，扩大养蚕覆盖面；二是发明一种容器能通过快递或其他方式发往目的地且家蚕不受影响，到地方直接使用饲养好的各个龄期的家蚕进行监测。

其次是非蚕区的人缺乏家蚕养殖技术。这个问题可以从两方面着手解决：一是养蚕技术培训；二是家蚕养殖技术人员远程指导。

第三就是用户在家蚕饲养过程中发现家蚕发生异样情况，怎样对异样情况进行处理以及如何确定异常情况是否是由环境污染引起。这个问题可以从两方面解决：一是家蚕养殖技术人员首先要加强学习做到能快速判断家蚕出现问题的原因所在；二是也可将所有不是症状所对应的处理方法以及可能是哪一种或多种污染物造成的作一个详细的文字材料放于互联网方便用户查看对比。

综上所述，家蚕对重金属污染物、绝大部分农药污染、部分大气污染物都能起到很好的监测指示作用，其作为监测生物是可行的。对比现阶段生物监测指示生物斑马鱼、两栖生物、蚯蚓等动物、微生物、向日葵、月季、雪松等植物有着更加广泛的适用范围、更加明显易辨的表像以及更加经济的成本费用。