Bernd Markert，王美娥，Simone Wünschmann，陳衛(wèi)平，*

(1.Environmental Institute of Scientific Networks(EISN－Institute)，F(xiàn)liederweg 17，D－49733 Haren，Germany;2.城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085)

人為或自然因素干擾使生物生存的環(huán)境及環(huán)境條件發(fā)生了變化，因此生物對環(huán)境變化的響應(yīng)包含了一定的環(huán)境信息，人類由此可以通過觀測生物反應(yīng)獲得有關(guān)環(huán)境變化的信息。在生物科學(xué)發(fā)展史上，這種借助于生物的手段以獲取環(huán)境信息的研究大致經(jīng)歷了3個(gè)階段，即:1)1950年之前的描述和觀測生物學(xué)時(shí)期;2)上世紀(jì)后半葉環(huán)境科學(xué)興起和發(fā)展時(shí)期(1950—2000年);3)以及當(dāng)前“新”“舊”生態(tài)學(xué)結(jié)合時(shí)期。這個(gè)時(shí)期以可持續(xù)發(fā)展為科學(xué)目標(biāo)，包括對生物技術(shù)及先進(jìn)的通訊、信息技術(shù)應(yīng)用［1］，有關(guān)環(huán)境質(zhì)量的信息可以通過生物指示或生物監(jiān)測的方式精確獲得。

本文擬通過對生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)的理論基礎(chǔ)、方法手段、應(yīng)用現(xiàn)狀及案例的綜述，指出該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題以及發(fā)展前景，為生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)在環(huán)境質(zhì)量評價(jià)中的合理利用提供指導(dǎo)。

1 生物指示與生物監(jiān)測的概念、目的和意義

“生物指示”的定義最先于1980年由Müller提出:“生物指示簡化了生物系統(tǒng)的復(fù)雜反應(yīng)，生物指示物的反應(yīng)能夠用來評估整個(gè)生物系統(tǒng)對環(huán)境變化的響應(yīng)?！保?］。因此，生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)能夠被用于觀察極端影響因子對生態(tài)系統(tǒng)的影響及其長期變化，或不同地點(diǎn)之間環(huán)境效應(yīng)的差異(例如污染區(qū)和清潔區(qū)之間)［1，3－4］。我國環(huán)境科學(xué)家沈韞芬在20世紀(jì)90年代初指出，生物指示與生物監(jiān)測的目的是希望在有害物質(zhì)還未達(dá)到受納系統(tǒng)之前，在工廠或現(xiàn)場就以最快的速度把它監(jiān)測出來，以免破壞受納系統(tǒng)的生態(tài)平衡;或是能偵察出潛在的毒性，以免釀成更大的公害［5］。

對于生物指示和生物監(jiān)測的定義以及相關(guān)術(shù)語的解釋在國際學(xué)術(shù)上還未達(dá)到統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。在前期的理論基礎(chǔ)上，對各種生物指示物與生物監(jiān)測物進(jìn)行了以下定義［6－7］:

1)生物指示物 指包含了周圍環(huán)境(或部分環(huán)境)質(zhì)量有關(guān)信息的某個(gè)生物、或生物的某個(gè)組成部分，或一個(gè)生物群落;生物監(jiān)測物往往也是生物指示物，但是一個(gè)生物指示物不一定符合生物監(jiān)測物的要求。

2)主動(dòng)生物指示物(生物監(jiān)測物) 指實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)的生物指示物(監(jiān)測物)，能夠以穩(wěn)定的形態(tài)在特定時(shí)間內(nèi)暴露于野外，暴露結(jié)束后，記錄和分析生物指示物(監(jiān)測物)對暴露的響應(yīng)以及所吸收的外源物質(zhì)。

3)被動(dòng)生物監(jiān)測物 指用于記錄環(huán)境暴露的自然生態(tài)系統(tǒng)中的生物。

4)累積性指示物/監(jiān)測物 指從周圍環(huán)境中積累一種或幾種元素和/或化學(xué)物質(zhì)的生物。

5)效應(yīng)或響應(yīng)指示物/監(jiān)測物 指生物暴露于某種或多種元素或化學(xué)物質(zhì)時(shí)，所產(chǎn)生的特定的或非特定的響應(yīng)。這些響應(yīng)包括水平變化，如:形態(tài)上、組織或細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生物代謝過程、個(gè)體行為或種群結(jié)構(gòu)等。

圖1 圖解說明響應(yīng)指示物、累積指示物以及效應(yīng)/影響指示物［1］Fig.1 Illustration of the terms reaction，accumulation and effect/impact indicator［1］

近年來“累積指示物”和“效應(yīng)指示物”這2個(gè)名詞大量出現(xiàn)在文獻(xiàn)中，這2種指示物反映了生物過程的2個(gè)方面。生物對污染物暴露的響應(yīng)主要表現(xiàn)為生物體對污染物的累積，在累積系數(shù)較高的情況下，至少有一種效應(yīng)指示物/監(jiān)測物能夠達(dá)到檢測水平，例如:細(xì)胞水平上的形態(tài)變化，許多無脊椎動(dòng)物在積累重金屬之后所能夠形成含金屬的胞間顆粒。然而，如圖1［1］所示，通常情況下只有在生物累積了足夠的化學(xué)物質(zhì)后，細(xì)胞間或細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)濃度才達(dá)到產(chǎn)生效應(yīng)的水平，這種

效應(yīng)往往能夠被監(jiān)測到。因此，人們認(rèn)為“累積指示物”和“效應(yīng)指示物”在較廣泛的意義上可以被稱為“響應(yīng)指示物”。

由于生物指示與生物監(jiān)測在一定程度上反映了生態(tài)系統(tǒng)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(guān)所處生態(tài)環(huán)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(xì)和精確，具有較強(qiáng)針對性并且可以復(fù)制。為了要達(dá)到這些目的，沈韞芬認(rèn)為:首先，要選擇好監(jiān)測的類型，要求在一系列的監(jiān)測定位點(diǎn)上的數(shù)據(jù)能反映出種群、群落或生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量變化;第二，要確定連續(xù)監(jiān)測、周期監(jiān)測和臨時(shí)監(jiān)測的地點(diǎn);第三，要確定測試的終點(diǎn)、參數(shù)或其它對保持環(huán)境優(yōu)佳狀況的關(guān)鍵因子，包括物理、化學(xué)、生物學(xué)的特征;第四，要建立一個(gè)專業(yè)性的協(xié)調(diào)委員會(huì)來統(tǒng)一適宜的監(jiān)測方法，如選定測試終點(diǎn)，建立標(biāo)準(zhǔn)方法，進(jìn)行合理的推理、判斷和裁決。第五，要建立監(jiān)測的優(yōu)選權(quán)［5］。

此外，生物對污染物的敏感性并不能作為生物指示物篩選的唯一條件，對污染物的過度敏感會(huì)導(dǎo)致敏感生物的種群密度下降，從而使敏感程度較高的物種與敏感程度一般的物種之間發(fā)生直接或間接的競爭關(guān)系。目前為止，普遍認(rèn)為單一物種的生物指示物不可以用來指示污染物對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)所產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)［8］。

2 環(huán)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(xì)的生物系統(tǒng)信息，如污染物與生物(指示生物)效應(yīng)之間的關(guān)系。圖2在污染物脅迫下，復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中產(chǎn)生的能夠通過生物指示及生物監(jiān)測所反映的相互作用及其變化［8］。

關(guān)于生物指示物/生物監(jiān)測物里所指的“信息”，通常是指特定生物指示物/監(jiān)測物所觀察到或監(jiān)測到的由環(huán)境變化引起的生物不良反應(yīng)。由于目標(biāo)污染物與其它環(huán)境組分之間的關(guān)系極其復(fù)雜［9］，生態(tài)系統(tǒng)組成成分具有多功能和多結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，污染物與生物指示物之間的相互作用通常難以解釋。如圖2所示，污染物A與污染物B的相互作用不僅僅是簡單的協(xié)同或拮抗關(guān)系［10－11］，污染物A和B的吸收途徑、作用位點(diǎn)以及代謝方式都無法被全面解釋和了解。

3 儀器分析技術(shù)與生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)的比較

由于儀器化學(xué)分析(定性和定量分析)和生物指示(污染控制的定性技術(shù))與生物監(jiān)測(定量技術(shù))這2種生物檢測技術(shù)具有很多相似之處，因此有必要對這二類分析技術(shù)進(jìn)行比較。

3.1 儀器分析技術(shù)和生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)

有關(guān)儀器分析的詳細(xì)技術(shù)途徑見圖3［4］，這些技術(shù)概括了化學(xué)物質(zhì)的典型儀器分析過程，包括利用光譜儀和光度儀分析酶活性或其它與生態(tài)系統(tǒng)有關(guān)的指標(biāo)。光譜儀法的普遍原理是:在特定的波長下利用光度儀原子吸收光譜等離子體分析待測樣品，并進(jìn)行定量，分析過程中采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量控制。采樣過程以及樣品的前處理是儀器分析誤差產(chǎn)生的主要來源，誤差率分別高達(dá)1000%和300%。

圖2 復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中有關(guān)污染物的相互關(guān)系以及對生物指示和生物監(jiān)測的影響［4，10-11］Fig.2 Simplified representation of complex(eco-)system interrelations with regard to a pollutant，and consequences for bioindication and biomonitoring［4，10-11］

圖3 光譜技術(shù)和生物指示物/生物監(jiān)測物技術(shù)之間的比較;在實(shí)踐中，儀器分析通常是生物指示技術(shù)中不可分割的部分［4］Fig.3 Comparison of measurements performed by spectrometers and bioindicators/biomonitors.In practice，instrumental measurements are often an integral part of bioindication［4］

儀器分析與生物指示分析的直接比較見圖3［4］。由圖可知，由于生物指示技術(shù)通常需要整合儀器分析過程，實(shí)驗(yàn)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(shí)際實(shí)驗(yàn)室操作中，生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)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(xué)問題［12－15］。

3.2 生物指示和生物監(jiān)測技術(shù)的精確性和準(zhǔn)確性

生物指示與生物監(jiān)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(guī)程和質(zhì)量控制條件也適合于生物指示與生物監(jiān)測。近20a來，儀器分析研究中對“精確性”(重復(fù)性)和“準(zhǔn)確性”(真實(shí)性)的定義進(jìn)行了嚴(yán)格的區(qū)分(圖4)［8］。“精確性”的目的是為了跟蹤和消除分析過程中產(chǎn)生的誤差，如測試儀器穩(wěn)定時(shí)間不足所產(chǎn)生的誤差(儀器特定的失調(diào))。對于一般分析過程，1%—5%的精確度可以滿足大部分儀器分析的要求。然而，僅僅因?yàn)槟軌蛑貜?fù)出現(xiàn)某個(gè)信號(hào)并不能說明分析程序的準(zhǔn)確性，這是因?yàn)椴还芫_性多高的數(shù)據(jù)也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重偏離樣品的“真實(shí)”(如元素等)含量的現(xiàn)象。因此，只有在整個(gè)分析過程都處于嚴(yán)格的質(zhì)量控制條件下才能獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果，并且精確性和準(zhǔn)確性的檢驗(yàn)必須貫穿于整個(gè)分析過程。目前，有2種基本方法用于檢驗(yàn)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性:1)使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì);2)比較不同實(shí)驗(yàn)室之間單獨(dú)分析所獲得的結(jié)果。

圖4 分析化學(xué)的精確性(可重復(fù)性)和準(zhǔn)確性(真實(shí)性)的圖解［8］Fig.4 Illustration of the terms“precision”(reproducibility)and“accuracy”(the“true”value)in analytical chemistry［8］

3.3 生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)的定量校準(zhǔn)

與儀器分析相比，生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)的最大缺陷是定量校準(zhǔn)的問題，即，生物系統(tǒng)的定量校正，因此，生物反應(yīng)通常無法定量指示污染物暴露或環(huán)境質(zhì)量［4］。隨著生物指示與生物監(jiān)測研究的日益深入，發(fā)現(xiàn)了越來越多的環(huán)境污染生物指示物，然而符合環(huán)境質(zhì)量指示標(biāo)準(zhǔn)的，可以用來作為主動(dòng)或被動(dòng)生物監(jiān)測物的自然界生物卻很少。通過分析生物指示物個(gè)體對某種污染物的積累并不能獲得這種污染物在環(huán)境中的濃度，如圖5［6］所示，環(huán)境濃度和生物體內(nèi)積累量之間是一個(gè)坪特性曲線的關(guān)系。許多植物和動(dòng)物在污染物的環(huán)境濃度較低的情況下表現(xiàn)出很高的累積系數(shù)，但是當(dāng)環(huán)境濃度升高時(shí)，累積系數(shù)急劇降低。并且，由于一般情況下環(huán)境污染物生物都是通過主動(dòng)吸收的途徑進(jìn)入生物體內(nèi)，許多生物在較寬的污染物濃度范圍內(nèi)都能夠保持較低的吸收系數(shù)［4］，只有在污染物濃度超過急性毒性濃度時(shí)，生物體調(diào)節(jié)機(jī)制才會(huì)被破壞，從而導(dǎo)致污染物累積量大幅度增加。只有當(dāng)污染物通過被動(dòng)擴(kuò)散途徑進(jìn)入生物體內(nèi)時(shí)，生物體對污染物的累積與環(huán)境污染物濃度之間才會(huì)出現(xiàn)線性關(guān)系，但是被動(dòng)擴(kuò)散途徑在生物體吸收無機(jī)污染物如金屬化合物時(shí)較少出現(xiàn)。總之，生物指示物與生物監(jiān)測物和環(huán)境污染物濃度之間的關(guān)系并非線性關(guān)系，而是對數(shù)關(guān)系。盡管對數(shù)方程中的線性關(guān)系可以通過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化得到，但是這2個(gè)參數(shù)之間的線性關(guān)系只局限于很小的濃度范圍內(nèi)。因此，只有在這種線性關(guān)系與儀器分析的校正線性關(guān)系可等同的情況下，生物反應(yīng)才能夠?yàn)槠渌幍沫h(huán)境提供明確的定量信息。

圖5 被監(jiān)測環(huán)境污染物濃度與生物體內(nèi)污染物濃度之間的關(guān)系［6］Fig.5 Correlation between the environmental concentration of thepollutantto be monitored and the concentration in the organism［6］

綜上所述，因此，生物指示物的定量標(biāo)準(zhǔn)化是目前生物指示與生物檢測技術(shù)研究中的最大挑戰(zhàn)，而且同一個(gè)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(guī)范統(tǒng)一也是今后生物指示物利用中需要明確和真正關(guān)注的問題。

3.4 生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用規(guī)范

在化學(xué)分析領(lǐng)域中，實(shí)驗(yàn)室之間通過比較同一個(gè)真實(shí)樣品的測試結(jié)果來優(yōu)化和統(tǒng)一各自的分析方法。因此，在生物指示與生物監(jiān)測的“校正”過程中，不同實(shí)驗(yàn)室也必須統(tǒng)一使用同一個(gè)指示物，并在統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行。由于生物試驗(yàn)往往高度標(biāo)準(zhǔn)化，重復(fù)性較好，并廣泛應(yīng)用于生物指示研究的各個(gè)領(lǐng)域，因此在實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作過程中不存在操作程序上規(guī)范統(tǒng)一問題。因而唯一需要強(qiáng)調(diào)的是項(xiàng)目設(shè)計(jì)中不同研究團(tuán)隊(duì)之間合作的問題，項(xiàng)目設(shè)計(jì)包括測試指標(biāo)、感應(yīng)器以及記錄方法等的選擇，以及信息傳遞和信息技術(shù)，需要考慮時(shí)間和空間尺度。通過不同研究團(tuán)隊(duì)的相互合作，對所得出的結(jié)果進(jìn)行比較，以校正生物指示與生物監(jiān)測結(jié)果的“準(zhǔn)確性”。在比較的過程中需要考慮的主要問題是:針對同一現(xiàn)象，通過不同技術(shù)手段(如遙感和原位)所獲得的觀測結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)性問題［16－17］。

4 生物指示與生物監(jiān)測整合技術(shù)及其應(yīng)用

生物指示與生物檢測技術(shù)必須能夠?yàn)闇?zhǔn)確評價(jià)生態(tài)系統(tǒng)的污染或退化程度提供信息，不是一個(gè)針對具體環(huán)境狀況的“環(huán)境監(jiān)測儀器”，而是一個(gè)對不同生物指示與監(jiān)測系統(tǒng)有著與其它環(huán)境參數(shù)相關(guān)聯(lián)的綜合技術(shù)，能夠?qū)Νh(huán)境污染狀況進(jìn)行明確的評價(jià)，其發(fā)展目標(biāo)是保護(hù)人體和環(huán)境健康。

4.1 人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和預(yù)測

圖6［4］表示了一個(gè)完整的利用生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)支撐的動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)或科學(xué)導(dǎo)向框架選擇和重組試驗(yàn)參數(shù)，并且為了能夠綜合監(jiān)測環(huán)境，人和環(huán)境這兩個(gè)調(diào)查主體，以及由此派生的人體毒理學(xué)和生態(tài)毒理學(xué)原理都與各種“工具箱”和檢測項(xiàng)目(“工具”，如生物測試)相聯(lián)系。

圖6 人類和生態(tài)毒理學(xué)綜合方法中生物指示工具箱模型的分層結(jié)構(gòu)［4］Fig.6 Possible hierarchical structure of a bioindicative toolbox model for integrative approaches in human-and ecotoxicology［4］

如圖6［4］所示，系統(tǒng)由6個(gè)工具箱所組成，前兩個(gè)主要來源于環(huán)境研究，分別為數(shù)據(jù)DAT和趨勢TRE。DAT包含一整套有關(guān)被調(diào)查(生態(tài))環(huán)境的全部可獲得數(shù)據(jù):包括純儀器檢測得到的數(shù)據(jù)如氣象球數(shù)據(jù)，還包括工作場所的飲用水、食物或空氣中物質(zhì)的最大容許濃度，以及相關(guān)的可接受的每日攝取量ADI和無效應(yīng)劑量NO(A)EL。工具箱TRE包含有關(guān)趨勢的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要由國家環(huán)境樣品庫幾年的調(diào)查結(jié)果組成，或者是國家和國際上的長期研究結(jié)果［18－20］。TRE可以利用后續(xù)的工具箱針對人類的數(shù)據(jù)庫HSB和針對環(huán)境的數(shù)據(jù)庫ESB來判斷環(huán)境特征以及進(jìn)行趨勢預(yù)測［21］。藥品工具箱MED包含所有用于亞慢性和慢性毒理學(xué)血液病和化學(xué)臨床調(diào)查的常規(guī)方法，生態(tài)系統(tǒng)工具箱ECO由特定生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)的所有生物指示與生物監(jiān)測系統(tǒng)和檢測物組成，使其更適用于被監(jiān)測的特定狀況。所有工具箱的數(shù)據(jù)必須是相互聯(lián)系的，以便能夠用來評價(jià)一個(gè)群體中每個(gè)特定小組的平均健康風(fēng)險(xiǎn)，或者通過組成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來預(yù)設(shè)最高風(fēng)險(xiǎn)值。這種風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方式能夠充分利用當(dāng)前科學(xué)水平下的所有基于污染物生態(tài)效應(yīng)及劑量－效應(yīng)關(guān)系所獲得的毒理學(xué)限值［21］。

由于不能利用人類進(jìn)行毒理學(xué)試驗(yàn)，只能依賴于工作場所的經(jīng)驗(yàn)以及中毒案例來進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和評估。此外，除了個(gè)體案例的檢驗(yàn)報(bào)告以外，必須通過對暴露人群和控制人群的流行病學(xué)調(diào)查來確定物質(zhì)的致病效應(yīng)。由于模擬模型往往已經(jīng)考慮到了所有能收集到的數(shù)據(jù)，同時(shí)還能夠整合沒有直接相互作用的參數(shù)，因此，開發(fā)和利用信息技術(shù)為基礎(chǔ)的模擬模型在人體健康生物指示與生物監(jiān)測中具有十分重要的作用。這些數(shù)據(jù)來源于流行病學(xué)、免疫學(xué)、毒物代謝動(dòng)力學(xué)和代謝學(xué)研究以及構(gòu)－效關(guān)系。

正如Markert所指出的那樣，這些不同工具箱之間所組成的網(wǎng)絡(luò)不僅詮釋了生物指示與生物監(jiān)測的整體概念，而且還概括了多元標(biāo)記生物指示MMBC的概念［4］。

4.2 環(huán)境樣品庫

環(huán)境樣品庫的主要目的包括:1)提供環(huán)境樣品的生態(tài)毒理學(xué)信息;2)在盡可能保持原有性質(zhì)的條件下長期保存環(huán)境樣品［22］。

具體目標(biāo)有以下幾點(diǎn)［12，21，23］:1)檢測采集樣品時(shí)沒有被確認(rèn)為污染物的物質(zhì)濃度，或者由于當(dāng)時(shí)缺乏精確的分析技術(shù)而沒有檢測的污染物濃度(回顧性監(jiān)測);2)檢驗(yàn)當(dāng)前或者未來環(huán)境行業(yè)所制定的禁止和限制條例正確與否;3)定期監(jiān)測樣品存儲(chǔ)前已經(jīng)被確認(rèn)為污染物的物質(zhì)濃度;4)預(yù)測本地的、區(qū)域的和全球的污染趨勢;5)描述標(biāo)準(zhǔn)化的采樣方法;6)記錄樣品儲(chǔ)存的條件。

德國環(huán)境樣品庫計(jì)劃指出，特定地區(qū)的污染狀況不能僅僅依賴于某一個(gè)生物指示物［12］。因此，只有一整套生物指示物才能夠客觀地反映出生態(tài)系統(tǒng)中的污染物狀況，表1［12］和圖7［14］列出了德國聯(lián)邦環(huán)境樣品庫(ESB)中所保存的生物標(biāo)記物及其在生態(tài)系統(tǒng)水平上的相互聯(lián)系。

表1 德國聯(lián)邦樣本庫中的樣本物種［12］Table 1 Sample species from the German Federal Environmental Sample Bank［12］

中國上海環(huán)境樣品庫是由上海原子核研究所在上海環(huán)境科學(xué)研究院配合下于1998年開始建立，上海地區(qū)首批入庫的典型樣品有:蘇州河水、底泥和大氣飄塵樣品［23］。

4.3 生物指示技術(shù)在北京市土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中的應(yīng)用

土壤微生物能夠通過分泌胞外酶來促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解及含氮化合物的轉(zhuǎn)化［24］，因此，土壤酶活性反映了物質(zhì)循環(huán)中微生物代謝過程的動(dòng)態(tài)變化，并且能夠作為敏感生物指示物來監(jiān)測導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化的環(huán)境脅迫。重金屬能夠抑制包括酶促過程的土壤微生物活性［25－27］，在土壤組分如有機(jī)碳或總氮含量不發(fā)生變化的情況下，土壤酶活性對重金屬污染會(huì)產(chǎn)生較顯著的響應(yīng)。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［28］。這種酶能夠在細(xì)胞水平上監(jiān)測到由于重金屬污染引起的土壤微生物代謝活動(dòng)變化［29－30］。

圖7 德國聯(lián)邦環(huán)境樣本庫中生態(tài)系統(tǒng)水平上的樣本物種［14］Fig.7 Selected sets of sample species at the ecosystem level for the German Federal Environmental Sample Bank［14］

對北京市建成區(qū)表層土壤脲酶活性與重金屬Cd、Cu、Zn、Pb濃度的對數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系可以分為以下三類，即:二次相關(guān)關(guān)系，如與Cd濃度;線性正相關(guān)關(guān)系，如與Cu和Zn;線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，如與Pb(圖8)。盡管Kizilkaya的研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田土壤中 Cd、Cu和Pb的濃度分別在0.95—3.20 μg/g、23.05—96.68和76.10—210.43時(shí)，這3種重金屬含量與土壤脲酶活性沒有顯著相關(guān)性［31］，Zhang對青藏高原的土壤脲酶與土壤重金屬濃度的研究發(fā)現(xiàn)，3.7—59.4 μg/g的Cd濃度以及19.7—481.7 μg/g Zn濃度顯著地抑制了土壤脲酶活性，然而1.1—135.7 μg/g和13.05—495.88 μg/g的Pb和Zn與土壤脲酶活性沒有顯著相關(guān)性［32］。Doelman和Haanstra的研究表明，在幾種土壤類型中，Cd在砂壤土中對土壤脲酶的半效應(yīng)濃度EC50最低為30 μg/g;Cu在沙土中的EC50最低為680 μg/g;Pb在粘土中的EC50最低為1340 μg/g;而Zn在沙質(zhì)泥炭土中的EC50最低為70 μg/g［33］。綜上所述，重金屬對土壤脲酶的抑制作用不僅與土壤中的重金屬濃度有關(guān)，并且與土壤性質(zhì)有關(guān)，而且只有在土壤重金屬濃度較高的情況下才表現(xiàn)出顯著的抑制作用。

此外，由于Cu和Zn元素為微生物生長的必需元素，因此，在一個(gè)適宜的濃度范圍內(nèi)，土壤Cu和Zn含量的增加能夠促進(jìn)微生物活性。然而，由于Pb對于微生物是有毒元素，因此，土壤Pb濃度的增加會(huì)抑制土壤微生物的活性。從圖8中可以看出，北京市土壤中的Cd、Cu和Zn濃度與脲酶活性之間沒有顯著相關(guān)關(guān)系，但是，土壤Pb濃度與土壤脲酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。然而，北京市土壤脲酶活性仍然不能單獨(dú)作為土壤Pb污染的生物指示物，這是由于土壤Pb濃度只能解釋10%的顯著性。

4.4 水體污染的生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)在中國的應(yīng)用現(xiàn)狀

與土壤生態(tài)系統(tǒng)相比，水生生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)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(jiān)測研究較為普遍。通常用于水生生態(tài)系統(tǒng)生物指示與生物監(jiān)測的生物有動(dòng)物、微生物和植物，對生物指示物的選擇也涉及從分子到細(xì)胞、組織、個(gè)體和種群群落等不同生態(tài)系統(tǒng)水平。中國國學(xué)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(jiān)測方面工作取得了很大的成績，不少學(xué)者利用底棲動(dòng)物、浮游動(dòng)物－原生動(dòng)物、藻類監(jiān)測評價(jià)我國很多重要水體的水質(zhì)現(xiàn)狀、污染程度及其發(fā)展趨勢。

圖8 脲酶與重金屬Cd、Cu、Zn、Pb濃度的對數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系Fig.8 Relationship between urease acitivities and concentrations of Cd，Cu，Zn and Pb in Beijing urban soils

底棲生物指數(shù)法評價(jià)水質(zhì)在我國已有近30a的歷史，底棲生物多樣性指數(shù)如Shannon多樣性指數(shù)以及BI指數(shù)被廣泛應(yīng)用于湘江［35］、長江［36］等的水質(zhì)評價(jià)。以水體原生動(dòng)物作為指示生物的生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用中最為重要的是聚氨酯泡沫塑料塊(Polyurethane Foam Unit，PFU)微型生物群落監(jiān)測方法，該方法于1969年，由美國佛吉尼亞工程學(xué)院及州立大學(xué)環(huán)境研究中心的Cairns創(chuàng)建，根據(jù)生物地理平衡模型及微型生物在PFU上群集過程中的3個(gè)功能參數(shù)，即，平衡時(shí)的物種數(shù)量、群集曲線斜率(或群集常數(shù))和達(dá)到90%平衡物種數(shù)量的時(shí)間的變化，來評價(jià)水質(zhì)和監(jiān)測水污染。1982年由中國科學(xué)院水生生物研究所沈韞芬引進(jìn)國內(nèi)后并加以改進(jìn)與完善，在廢水處理、河流污染及其自凈生物監(jiān)測方面被廣泛應(yīng)用。例如，徐潤林等及許木啟等利用PFU原生動(dòng)物群落特征監(jiān)測了珠江廣州市段及北京通惠河的水質(zhì)以及安江－鄱陽湖口重金屬污染情況［37］。浮游植物中的硅藻、顫藻、裸藻、衣藻、柵藻等也是水體生物監(jiān)測中常見的指示生物。藻類是水生生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者，所有進(jìn)入水體的物質(zhì)首先被藻類所吸收，同時(shí)藻類作為一種結(jié)構(gòu)簡單的生命體對水體污染物的敏感性較強(qiáng)。在中國，利用藻類進(jìn)行水質(zhì)和水體污染生物監(jiān)測的研究較多?？傮w上可以根據(jù)藻類群落結(jié)構(gòu)特征以及藻類生理生化指標(biāo)如葉綠素含量等來對水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測。王旭和朱根海等根據(jù)南麂列島附近潮間帶的底棲藻類的生態(tài)種群、密度、形狀與環(huán)境質(zhì)量的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對該地區(qū)的監(jiān)測目的［38］。

除了利用以上這些低等生物在群落結(jié)構(gòu)水平上對水生生物進(jìn)行生物監(jiān)測以外，利用較為高等生物如魚類，從分子水平進(jìn)行生物指示與生物監(jiān)測也是目前水生生態(tài)系統(tǒng)生物監(jiān)測的研究熱點(diǎn)。例如:計(jì)勇等以無污染飼養(yǎng)鯽龜為監(jiān)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(dòng)生物監(jiān)測法(ASM)對太湖北部梅粱湖與貢湖污染區(qū)進(jìn)行生物監(jiān)測［39］。許多水體污染物“三致”效應(yīng)的生物監(jiān)測研究成果已經(jīng)被例如國家環(huán)境監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)方法中［40］，例如，污染物致突變性試驗(yàn)已經(jīng)被建設(shè)部列入城市供水水質(zhì)檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中，而蠶豆根尖微核試驗(yàn)已經(jīng)被列入了國家環(huán)保部編制的《生物監(jiān)測技術(shù)(水環(huán)境部分)》，并受到了廣泛的應(yīng)用。水體原生動(dòng)物是理想的環(huán)境指示物，能夠從不同層次直接反映出水體的污染狀況。

4.5 苔蘚在大氣污染生物指示與生物監(jiān)測中的應(yīng)用

苔蘚植物結(jié)構(gòu)簡單，葉片一般上只有單層細(xì)胞，沒有保護(hù)層，吸附性強(qiáng)，其營養(yǎng)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［41］。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(jiān)測大氣污染、分析大氣重金屬沉降的時(shí)空分布、污染物遷移及其來源。自20世紀(jì)70年代開始，苔蘚袋法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于大氣污染的監(jiān)測。Cao等利用苔蘚袋法研究了城市大氣中S、Cu、Pb、Zn元素的時(shí)空分布［42］。陳龍等利用苔蘚植物，結(jié)合大氣凈度指數(shù)法與金屬(Mn、Fe、Cu、Cr和Pb)含量化學(xué)分析法評價(jià)了沈陽市的大氣質(zhì)量狀況［41］。

圖9 環(huán)境生物指示用于人體健康預(yù)防的發(fā)展途徑［43］Fig.9 Possible tracks to follow from environmental monitoring to human health［43］

5 展望

總之，生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)(圖9)［43］在生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究領(lǐng)域中非常有意義，然而，整合技術(shù)的發(fā)展是生物指示與生物監(jiān)測研究的最終目標(biāo)，而整合技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于必須預(yù)先制定一個(gè)跨學(xué)科的總體方案以及成立研究團(tuán)隊(duì)，并且能夠針對特定的要求對研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行快速、靈活的調(diào)整，以便不同學(xué)科之間進(jìn)行快速信息交流。此外，也需要考慮到文化、環(huán)境質(zhì)量以及人體健康之間的相互關(guān)系。圖9［43］表示了生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)自20世紀(jì)80年代傳統(tǒng)的以環(huán)境污染定性和定量為目標(biāo)，到現(xiàn)在以建立環(huán)境生物指示與人類健康之間的聯(lián)系為目標(biāo)，發(fā)展到將來以建立人體健康預(yù)防的整合技術(shù)為目標(biāo)的發(fā)展過程。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，從目前的生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)水平發(fā)展為更為整合的生物指示與生物監(jiān)測技術(shù)的過程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“瓶頸”現(xiàn)象。顯然，這個(gè)“瓶頸”的產(chǎn)生是由于不同研究團(tuán)隊(duì)之間缺乏充分交流與合作的原因。為了克服這個(gè)障礙，必須要關(guān)注以下2個(gè)重要的問題:

1)使用綜合教科書在高校對毒理學(xué)家們進(jìn)行統(tǒng)一培訓(xùn);

2)設(shè)立如圖9所示的共同科學(xué)項(xiàng)目。

尤其針對第二點(diǎn)，需要開發(fā)跨學(xué)科術(shù)語、樹立共同目標(biāo)和發(fā)展共同的方法，最后成功的啟動(dòng)研究項(xiàng)目。

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