水环境生物毒性检测技术研究

郭晓玮

摘要：生物监测是预测和控制水环境毒性污染的一种不可缺少的辅助手段，得到了广泛应用和迅速发展。文章结合已有研究，从鱼类、水蚤、藻类、发光细菌以及生物传感器等方面介绍了水环境污染生物毒性检测技术，旨在推动建立完备的水质生物监测系统，提高水质安全。

关键词：水环境污染；水生物监测；毒性检测；预警监测

1前言

随着科学技术的进步，工农业生产的发展，人类合成越来越多的化学品，水环境作为工农业废物的最终摊放点，突发性污染事故及水质突变现象时有发生，且呈现出明显的增加趋势，直接危害生活饮水和城市集中供水的安全。水环境中有毒污染已成为世界各国科学界和政府关注的新热点，对水质进行安全检测及预测控制势在必行。其中，当水体受到污染而使水环境改变时，各种不同的水生生物由于对环境的要求和适应能力不同而产生不同反应。利用生物受到污染物危害或毒害后所产生的反应或生理机能的变化来评价水体污染状况，称为生物监测技术，这能够确定毒物安全浓度，了解污染对水生生物的直接危害和影响，判断水体污染类型和程度。

2鱼类生物毒性检测技术

早在1946年，美国DAVID就完成了废水毒性的现场检验，用的是一种比较小的食蚊鱼。近些年，随着科技的发展，涉及了多种鱼类和多种有毒物质的鱼类急性毒性试验得到了更快的发展。实验室的鱼类的急性毒性是以LC50的值来表示被测物质或污染物毒性大小的。鲢鱼、鳙鱼、草鱼、青鱼、金鱼、鲤鱼、食蚊鱼、非洲鲫鱼、尼罗罗非鱼、马苏大马哈鱼、泥鳅和斑马鱼等是国内通用的鱼，斑马鱼为国际上通用的鱼。

陈盈盈等用花鲈对三聚氰胺的毒性进行了研究，采用接触、腹腔注射及口服三种致毒方式，证明了三聚氰胺对花鲈21d的最大未观察到有害作用剂量为131.99mg/kg.w.d，用花鲈鱼对水质的急性毒性表征效果显著。

刘海燕，张伟等人利用斑马鱼对水体中甲苯、乙苯和二甲苯进行了实验研究，得到暴露在甲苯中的斑马鱼行为改变更为严重，且水体中甲苯、乙苯和二甲苯对斑马鱼96h半致死浓度LC50分别为77.5、31.0和34.8mg•L-1，3种物质对斑马鱼毒性大小与疏/亲水性有关，疏水性越强，对水生生物的毒性作用越大。

范亚维，周启星采用换水试验，用不同浓度的苯酚及氰化物标准作为模拟污染物，对斑马鱼进行毒性测试，得24小时苯酚和氰化钾的全致死浓度分别为0.30mg/L和0.50mg/L，探索出了一种新的快速检测污水处理厂出厂水中酚类及氰化物的方法。李淑琼、周勤进行了静态方式的急性毒性试验，得到3种重金属作用下斑马鱼的行为突变情况，Zn2+、Cr6+、Cd2+的12h半致死浓度（LC50）分别是35.08mg/L、64.83mg/L、1.65mg/L；24h的LC50分别是25.88mg/L、46.20mg/L、1.04mg/L，得出重金属对斑马鱼的毒性排列为Cd2+＞Zn2+＞Cr6+，Cd2+为剧毒，Zn2+、Cr6+为高毒。并且发现Zn2+、Cr6+、Cd2+的联合作用为协同作用，Cr6+的影响较显著，提供了建立斑马鱼预警系统的参考。

3水蚤生物毒性检测技术

在浮游生物中，水蚤是体形较小的一类，以水体中的藻类、真菌、碎屑物及溶解性有机物为食，因其具有分布范围广、繁殖适应能力强、对多种有毒有害物质敏感等优点，成为国际上普遍选用的标准毒性实验生物。水蚤的生长会因水体受到不同的有毒物质污染而发生不同的影响，对其的生殖和发育造成干扰，进而导致蚤类个体死亡，因此水蚤的死亡率或繁殖能力常常作为毒性测试指标，对水质应急预警起到一定的作用。水蚤是一个敏感的水生生物，且比一般哺乳动物实验结果敏感，因此水蚤的死亡率或繁殖能力常作为毒性检测指标，对水质应急预警起到一定的作用。水蚤比一般哺乳动物的实验结果更为敏感，作为一种接水生物，污染物进入水体后，便会通过各种方式直接危害水蚤的正常活动，其中毒结果可以对人类起到一个预警的作用。此外，它也可以反映水质污染程度。无论同一水域有多少毒物污染，无论水中毒物含量的具体数据是否了解，无论未测毒物是否存在水中，水蚤毒性测试法都能对其毒性及毒性的大小进行测验。

潘力军、高世荣等应用大型水蚤对工业废水和生活污水进行监测，皮革厂和化工厂排污口出水对大型水蚤有较高毒性，其96hLC50均在17.27%～35.93%之间，生活污水和生产车间排水毒性相对较小，96hLC50为59.18%。苏丽敏等通过实验得出了苯胺与硝基苯胺对大型蚤的单一毒性和二元混合物的联合毒性，任意两种二元混合物的作用为协同作用，在毒性单位比分别为1：1、1：4、2：3、3：2、4：1的情况下，均在等毒配比时的协同作用最强。赵守城应用大型水蚤研究cu2+和cr6+对其毒性的协同作用，在不同浓度配比（1：1和2：1）的条件下协同作用要大于单一作用，可以对水质毒性起到一定的预警。孙成波、陈荣盛等利用5种水产消毒剂氯氰菊酯、三氯异氰尿酸、高锰酸钾、溴氯海因、二氧化氯对中华哲水蚤的急性毒性试验，得出每种水产消毒剂的安全质量浓度分别为0.02μL/L、0.05mg/L、0.06mg/L、0.19mg/L、0.30mg/L，为正确合理使用该类物质提供参考依据。张凤民研究了13种硝基苯类有机物对大型蚤的急性毒性，表明对二硝基苯的毒性鱼类最大，24hLC50为0.98±0.03ppm。董晓晓等以静水生物测试法研究了Cu2+、Cd2+对大型蚤的单一及联合毒性效应，并对其联合毒性进行了评价，采用水生遗传毒理联合毒性相加指数法得到单一毒性的毒性大小为Cu2+＞Cd2+＞Se4+，且Cu2+-Cd2+在毒性1：1配比时，联合毒性效应随暴露时间的延长由拮抗作用转变为协同作用。

4藻类生物毒性检测技术

藻类是水生生态系统中的初级生产者，在维持生态系统的平衡和稳定的过程中发挥着极其重要的作用，其通过生产量和种类的多样性等指标，对水生生态系统的结构和功能起到直接影响的作用。藻类因其具有个体微小、繁殖迅速、对毒物敏感、易于分离培养并且中毒症状易于观察等优点，成为生物毒性实验中一种较为理想的材料。重金属和有机污染物通过在水体中抑制藻类的光合作用、呼吸作用、酶的活性和生长等对其进行毒性作用。藻类的生长抑制常作为急性毒性实验的常用指标。

将藻类的生长抑制作为主要测试指标，准确严谨可靠，但存在工作量大、测定周期长等缺点。为了改变这种现状并且使藻类测试方法得到进一步的完善，陈德辉等将藻类毒性测试指标定为氧电极法的光合率，将研究内容定为铜离子对羊角月牙藻光合作用效率，整个实验过程方便、快捷，不受时间限制，随时测定对藻类光合作用在受试毒物作用下的影响，与传统急性毒性实验相比，测定时间由原来的96h缩短为2h，灵敏度为原来的2倍。秦文弟、钟先龙对5种有机磷农药对鱼腥藻和铜绿微囊藻的急性毒性的研究表明，不同有机磷农药对鱼腥藻和铜绿微囊藻的生长都有不同程度的影响，结果为鱼腥藻：辛硫磷＞虫胺磷＞三唑磷＞二嗪磷＞杀扑磷；铜绿微囊藻：虫胺磷＞杀扑磷＞三唑磷＞辛硫磷＞二嗪磷。鱼腥藻和铜绿微囊藻对不同有机磷农药的敏感性不同。张树林等以BG11为基础培养基，研究了实验室条件下重金属Cu2+在不同质量浓度下对铜绿微囊藻的急性毒性效应，表明Cu2+对藻类的抑制效应随Cu2+质量浓度的增加而增加，不同质量浓度Cu2+对铜绿微囊藻的生长及生理活动产生影响，抑制铜绿微囊藻生长的最有效质量浓度为Cu2+为1.5mg/L。

5发光细菌生物毒性检测技术

发光细菌毒性实验在微生物毒性实验中研究领域是最为广泛的。在正常条件下发光细菌能发出一定波长的光，其发光强度可以受到许多有毒物质的抑制，通过对其发光强度变化的测定可以实现水质的急性毒性检测，故受到众多研究者的关注。早在1978年，一种名为Microtox的生物发光光度计由美国Backman公司率先研发出，将明亮发光杆菌发光强度的变化作为检测污染物的毒性的指标，其灵敏度与鱼类96h急性毒性实验异曲同工。1995年，我国将这一方法列为水质急性毒性检测的标准方法。但是在研究的过程中，我们发现发光细菌法检测毒性存在一些问题，如发光强度随本底值变化发生的变化幅度较大，在检测期间发光变化幅度宽泛等。林志芬等通过测定培养时间、世代、温度等条件对测定值的影响，引入校正因子实验数据的标准偏差得到降低，对实验的测试方法进行了改进，并且使实验的重现性得到提高。

明亮发光杆菌作为海水发光菌中的一种，在毒性测试时需向待测样品中加入一定量的盐以维持正常生长，这种措施会使样品中一些有毒物质的毒性发生变化。由于这些问题的存在，中国学者在1985年从青海湟鱼体表分离出了一种淡水型发光细菌——青海孤菌（Vibrioqinghaiensispnov），在淡水体系中不仅能正常发光，并且更加适用于在淡水环境中的生物毒性检测。马勇等在充分借鉴国际标准化组织的基础上，针对国内现行发光细菌标准测试方法中存在的结果重现性查以及准确度低等不足，并对实验运行条件、操作规则步骤进行了一定的优化，通过增添两个参数来减少实验结果的误差，取得良好的实验效果。李雪梅等用淡水发光菌Q67对某地区7座污水处理厂的进出水进行了急性毒性检验，对水质进行了综合评估，结合化学需氧量（CODCr）、五日生化需氧量（BOD5）和悬浮物（SS）等参数，得出总进水的化学指标和毒性指标呈正相关，而二沉池的化学指标和毒性指标不相关。由此得出在任何水体中毒性指标和化学指标并不都是正相关的，但发光细菌仍然是化学指标的有效补充。李娟英等通过研究5种酚类化合物对发光细菌毒性和活性污泥脱氢酶活性的抑制作用，得出酚类化合物对种海水发光细菌的毒性大小顺序为2，4-二氯苯酚＞对硝基苯酚＞邻甲基苯酚＞苯酚＞对氨基苯酚，对应的EC50值分别为4.95、23.90、42.43、83.65和178.75mg/L。对活性污泥脱氢酶活性抑制的毒性大小顺序为2，4-二氯苯酚＞邻甲基苯酚＞对氨基苯酚＞苯酚＞对硝基苯酚，相应的EC50值分别为37、398、575、794和1333mg/L。由此可以得出对酚类化合物毒性大小的顺序与对活性污泥脱氢酶活性抑制的大小顺序不同，在实际中要判定有机污染物的毒性最好依据两种或多种毒性测定方法。Winger等通过利用发光细菌对美国乔治亚州氯碱厂污染土壤进行毒性检测分析，得出甲基汞、多氯联苯是造成其毒性的主要来源的结论。

发光细菌毒性检测具有准确度好、监测范围宽、检测场所任意（现场、实验室）等优点，对于常见所有有毒有害的化合物及污染物的生物毒性均可进行测定，并且能有效快捷地指示突发性污染事故的发生，一度成为环境污染事故应急监测的先进技术，并且在后续的工作中，可以作为初步筛选、精确监测受污染生物毒性较为理想的工具。

6生物传感器生物毒性检测技术

生物识别基本元件、转换能量器和电子电路系统是构成生物传感器的主要部分，灵敏性、响应快是其主要特点，近些年被广泛用于环境监测等领域。目前，酶、微生物、DNA和免疫传感器作为主要的生物毒性检测传感器。由于酶、DNA和抗原/抗体具有很强的专一性，因此酶、DNA和免疫传感器对某种未知的有毒物质的特异毒性可以起到识别检测的作用。对于微生物而言，其本身作为一个复杂的有机体，体内的多种酶系及代谢系统对相应的底物进行进一步的识别、检测，对多种混杂的有毒有害物质起到检测综合毒性、混合毒性的目的，故微生物传感器发展前途大好。

王学江等通过对不同浓度Cu2+及Cu2+和Cd2+联合对活性污泥系统COD去除进行了实验，并利用ToxTell生物传感器，以活性污泥为指示微生物，分析了上述金属离子的毒性抑制作用，ToxTell生物传感器的毒性分析结果与COD去除抑制率相近，初步证实该生物传感器可以起到对活性污泥处理系统受Cu2+、Cd2+离子冲击的预警监测作用，不会对系统带来明显的冲击作用的条件为Cu2+的浓度低于10mg/L。钱俊等构建了以大肠杆菌为指示生物的全细胞微生物传感器，并用其在重金属、二元联合毒物、农药污染物等环境中进行了急性毒性实验。大肠杆菌微生物传感器在对数生长后期和稳定期时具有良好的毒性分析性能，可以利用其快速灵敏、成本低廉、操作简单等优点监测水体急性生物毒性。

7结束语

综上所述，利用水生物生命有机体对污染物的种种反应，来直接地表征环境质量的好坏及所受污染的程度的生物监测作为化学分析的补充手段是评价水质的一个有效方案。虽然水环境生物监测技术尚存不足，不过随着现有技术的不断完善以及生物传感等新技术的不断发展，相信今后必将建立完备的水质生物监测系统，满足人们对水质生物检测的迫切需求，最终确保人们饮水安全。

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