水質生物毒性在線監測的必要性和常用方法探討

司 鏹，武 丹，王海英

（天津市環境監測中心，天津300191）

1 水質在線監測引入生物毒性監測的必要性

隨著近代工業的發展，化學物質的使用日益增多，使人類賴以生存的水生生態系統受到了越來越嚴重的污染，而且突發性環境污染事故時有發生，如人為投毒、自然災害、突發事故引起的水質突變，尤其是石油化工原料及有毒有害危險品的生產、儲存和運輸過程中發生的事故對環境水體所造成的污染等，這些情況引起了國內外對水質生態、生物安全性的高度重視。

自2004年5月沱江特大污染事故后，我國平均兩三天發生一起水環境污染事件，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雙苯廠發生爆炸事故造成松花江水體嚴重污染。爆炸發生后，約100t苯類物質（苯、硝基苯等）流入松花江，造成了江水嚴重污染，沿岸數百萬居民的生活受到影響。2007年5月太湖藍藻爆發：2007年5月29日開始，無錫市城區的大批市民家中自來水水質突然發生變化，并伴有難聞的氣味，無法正常飲用。各方監測數據顯示，由于入夏以來無錫市區域內的太湖出現50年以來最低水位，加上天氣連續高溫少雨，太湖水富營養化較重，諸多因素導致藍藻提前暴發，影響了自來水水源地水質。此次污染導致無錫市各大超市純凈水供不應求，無錫街頭零售的桶裝純凈水也出現較大價格波動。2010年7月紫金礦業銅酸水滲漏事故：2010年7月福建紫金礦業廠因連續降雨造成廠區溶液池區底部黏土層掏空，污水池防滲膜多處開裂滲漏，由此發生銅酸水滲漏事故。事故造成汀江部分水域嚴重污染，導致汀江部分河段污染及大量網箱養魚死亡。2011年6月云南曲靖鉻渣污染：云南省曲靖市陸良化工公司將總量5000t的重毒化工廢料鉻渣非法丟放，致珠江源頭南盤江附近水質遭到鉻渣污染；曲靖麒麟區三寶鎮、茨營鄉、越州鎮附近山區以及三寶鎮張家營村黑煤溝的一處100m3左右的積水潭積水遭到鉻渣污染。2012年1月廣西龍江“鎘污染”事件：事件危及百萬沿江群眾的飲水安全，引爆公眾視線，事件發生后，河池市下轄的縣級宜州市眾多依靠在龍江打漁為生的民眾、下游柳州市300多萬市民的生活均受到不同程度的影響，一度出現市民搶購礦泉水情況。專家稱，泄露量之大在國內歷次重金屬環境污染事件中都是罕見的，此次污染事件波及河段約達300km。

這些污染事件觸目驚心，不僅嚴重影響了人們的生產和生活，給人民健康帶來一定的威脅，造成了巨大的經濟損失，同時也使生態環境遭受了難以恢復的破壞。

水環境監測是水資源保護的基礎性工作，為了全面掌握地表水的水質狀況，現有水質監測體系主要包括兩大部分：一方面是人工監測，另一方面是在線監測。人工監測項目多，但監測頻次較低，例如對飲用水水源地監測點位開展109項全指標分析監測工作，全年開展一次，29項常規監測指標和35項特定項目每月開展一次。在線監測方面，現有的水環境在線監測系統監測指標包括常規五參數，高錳酸鹽指數，氨氮、TOC等常規參數和總氮、總磷等營養鹽參數。監測頻次為每4h監測1次，能夠達到實時監控的目的。雖然這些理化參數的監測指標在水環境監測中發揮了巨大作用，但仍存在很多不足，其缺陷主要體現在：①水環境中成分復雜，能夠被檢測的污染物僅占實際存在污染物的很少部分，未被檢測的污染物可能存在潛在的毒性效應；②環境條件復雜，污染物間的相互作用無法只靠常規的物理、化學分析方法來評估；③理化指標無法反應污染物對人體健康、環境生態系統的綜合影響。因此，當前的監測系統不能為環境污染事故提供及時完備的數據，無法及時指導管理者警醒決策。

目前國際上先進的水質在線監測預警體系認為：在線監測站點應該有以下三類儀表，即常規多參數、特征污染物、生物毒性監測儀表，這三類參數的總和才可以真正達到水質在線監測預警的目的。為了推進水質在線監測預警體系建設，提升環境應急和監測預警能力，有必要引入新的監測技術，開展水質生物毒性在線監測，這對保護人民群眾的生活用水安全，及時預警重特大水質污染事故的發生，及時采取有效措施降低損失具有十分重要的意義。

2 生物毒性在線監測的常用方法

目前生物毒性在線監測的常用方法主要有魚類法、蚤類法、藻類法、細菌法、微生物燃料電池法等監測方法，現分別給予介紹。

2.1 魚類法

魚類對水環境的變化十分敏感，當水體中有毒物質達到一定濃度時，就會引起一系列中毒反應，可表現為：①索餌、生殖或者形態的變化；②遲鈍遲發性癥狀、行為反常、運動痙攣失調或游動停滯、麻痹甚至因終止攝食而死；③種群數量或結構的變化。因而魚類毒性試驗可用于毒物和廢水的生物監測、評價。

目前我國國標的急性毒性測試標準用魚是斑馬魚（Brachydanio rerio，真 骨 魚 總 目，鯉 科 ）和 青 鳉 魚（Oryzias latipes，真骨魚總目，青鳉科）。國內常用于毒性測試的魚還有青、草、鰱、鳙四大家魚以及鱒魚、金魚、呆頭魚等。

魚類毒性測定方法的指標過于簡單，實驗周期較長，且需要大量實驗材料和多次重復實驗，因而其應用范圍受到很大限制。利用魚類進行在線監測必須排除運行過程中由于投餌不當、魚類自身狀況等造成的影響，使各種干擾因素降到最低。此外還要將魚類在水中的生理反應作為信號與計算機相聯，通過進行放大、處理、分析、預警、報警、記錄等，得到較為精確的分析數據和相對可靠的毒性資料。

2.2 蚤類法

蚤類是體形較小的浮游動物，以藻類、真菌、碎屑物及溶解性有機物為食，分布廣泛，繁殖能力強，對多種有毒物質敏感。大多數蚤類在自然條件下.通過無性生殖產生雌性后代，而當受到環境信號刺激時會產生雄性后代。當水體受到污染時，有毒物質會影響水蚤生長，干擾其生殖和發育，甚至導致個體死亡。因此，目前常用蚤類死亡率、繁殖能力或生理行為變化作為毒性測試指標。

利用水蚤作為測試生物進行毒性監測，具有實驗現象直觀易觀察的優點，但是測試靈敏度低，實驗時間長，影響因素較復雜，如水體的pH值和溫度都能在一定程度增大和降低毒性大小，而且不同年齡、類別的水蚤對毒物的反應也有差異，必須考慮綜合因素的毒性效應，以便提高其在生物毒性監測中的實用性和精準性。

2.3 藻類法

藻類是水生生態系統及水生食物鏈的初級生產者，對生態系統的平衡和穩定起著十分重要的作用。其個體小，繁殖快，對毒物敏感，易分離培養，可直接觀察細胞水平的中毒癥狀，是理想的生物毒性試驗材料。

水體中重金屬和有機污染物對藻類的毒性表現在可抑制其光合作用、呼吸作用、酶的活性和生長等。在急性毒性實驗中，常用藻類的生長抑制和光合作用效率作為測試指標。

如新月藻是國內及東北亞淡水中棲息的一種自然種類，哪怕其外泄到生態界，也不會造成不好的影響。新月藻作為水生生態系統及水生食物鏈中的初級生產者，易于分離、培養并可直接觀察細胞水平上的中毒癥狀，是一種較理想的生物毒性實驗材料。而且新月藻是真核細胞生物（與人類一樣），對毒性物質極敏感。

利用藻類進行生物毒性監測，結果較為準確可靠，不僅可以指示生物毒性，同時根據藻類的生長情況還可以提供水樣中N、P等無機營養物和重金屬、除草劑類有機化合物含量方面的信息。但是工作量大，測定周期長，嚴重影響了生物監測效率。此外，目前尚缺乏相應的監測標準。

2.4 細菌法

細菌是一類形狀細短，結構簡單，多以二分裂方式進行繁殖的原核生物，是在自然界分布最廣、個體數量最多的有機體，是大自然物質循環的主要參與者。依據毒物抑制細菌維持正常生理功能的酶的活性，破壞細菌細胞膜的正常結構，削弱細胞膜的識別、粘著功能，或者是在毒物的刺激下改變細菌的正常生理行為，都能作為測定水體污染的指標。目前常用的細菌監測法主要有氧化亞鐵硫化菌法、硝化細菌法和發光細菌法。

發光細菌是一種特殊的細菌，在正常的生理條件下能夠發射可見熒光，熒光波長在450～490nm之間，在黑暗處肉眼可見，發光的強弱程度與該細菌的存活量有關。當水質受到污染時，發光細菌就會死亡，發光量就減弱，污染越嚴重，發光細菌死亡量越多，發光量就越弱，正是利用發光菌的這一獨特生理特性，可以判斷出水質的綜合毒性。

利用發光細菌來檢測有毒物質，由于有毒物質僅干擾發光細菌的發光系統，費時較少且靈敏度高，操作簡便，結果準確，對各類毒物都很敏感。

首先，發光細菌法有國家標準（GB／T 15441－1995）和國際標準（ISO 11348－3－1998）的支持，評價方法和指標具有權威性；其次，發光細菌法在國際上已經廣泛應用于食品飲料安全、水質污染監測等領域，其高效、全面、直觀、便捷的優點得到普遍認同；此外，發光細菌為成品凍干粉，安瓿瓶包裝，取材便捷，在－20℃冰箱內可有效保存6個月，凍干粉復蘇2min后即可發光，是生物毒性連續監測的理想材料。再次，發光細菌與現代光電子技術結合的發光細菌毒性測試技術是20世紀70年代后期發展起來的一種生物毒性監測方法。該法具有快速、簡便、靈敏、廉價和應用廣泛等特點，因而倍受推崇。

2.5 微生物燃料電池法

微生物燃料電池是一種以微生物為陽極催化劑，將化學能直接轉化成電能的裝置。其基本原理是微生物直接將水中的有機物降解，同時產生電子，代謝過程中的電子轉化成電流，電流與質量濃度呈線性關系；當微生物燃料電池陽極處于“饑餓”狀態后，喂養新鮮污水可使微生物燃料電池電流恢復；電池中污水濃度發生變化時，電流需滯后1h達到穩定。

微生物燃料電池型傳感器雖然具有電流與污染物濃度之間呈良好線性關系、對污水濃度響應速度較快、重復性較好等優點，但應用于貧營養水體時，陰極還原速率低，導致電池輸出電流的信號很小。

3 生物毒性在線監測方法的選取

利用生物本身對毒物的反應便可連續監測水質情況，且靈敏度非常高，檢測譜非常寬，幾乎涵蓋自然界中所有的毒物。其中動、植物毒性試驗盡管具有直觀性，但試驗時間長，不能滿足快速檢測的需要，與動、植物毒性試驗相比較，細菌毒性試驗具有以下特點：第一，細菌在自然界的物質循環中起著非常重要的作用。從污染物對細菌毒性影響的大小可推測化學物質對生態系統物質循環功能的影響；第二，細菌結構簡單，生長速度相對較快，對化學物質反映靈敏，毒性試驗費用較低廉，能滿足對大量化學物質進行簡便快速篩選的需要；第三，化學物質污染多具慢性生物效應，其毒理作用機制十分復雜，對人體的危害短期內不易發現，往往被忽視。而細菌毒性試驗能快速檢測出化學物質的綜合毒性；第四，有毒化學物質接觸細菌后，可造成胞內蛋白質變性、遺傳物質破壞或者細胞破裂，從而對細菌造成直接危害，用適當的指標把這些危害反映出來，就可以對化學物質的毒性強弱和濃度大小做出評價。

綜上所述，基于發光細菌法的生物毒性在線監測儀器以其可靠的評價方法、高效的檢測能力、全面的毒性反映、便捷的設備操作、較為經濟的運營維護等優勢成為水質生物毒性在線監測方法的必然選擇。目前研制生產發光細菌法水質生物毒性在線測試儀器的較為先進可靠的公司主要有Toxcontrol（荷蘭）、Check light（以色列）和AppliTek（比利時）等。

在水質生物毒性在線儀器的選型時必須滿足以下條件：第一，符合國家（國際）標準監測方法；第二，儀器運行穩定，數據真實可靠；第三，能夠實現實時連續監測；第四，具備遠程控制、數據分析和故障排除能力；第五，國內已經積累一定經驗；第六，運行維護經濟、方便、快捷。參照這些必需的條件，認真研究現有較為成熟的儀器的適應性，總結分析不同儀器的綜合性能和特點，同時考慮其產品升級換代的能力，來選取適合自己需要的產品。

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