环境质量评价中的生物指示与生物监测

　　摘要:通过比较生物指示与生物监测技术和仪器分析技术的分析过程及原理，结合北京市土壤中土壤脲酶与土壤重金属含量之间的相关关系的案例，及生物指示与生物监测技术在水生生态系统及大气污染研究中的应用状况，系统阐述了生物指示与生物监测技术研究的发展历程、研究前沿及发展方向。指出定量校正及不同学科与地区的科学团队的合作是生物指示与生物监测技术研究中需要克服的关键问题，并提出生物指示与生物监测技术研究的目标是整合不同学科的研究方向，为人类健康与环境安全的保护与预测提供技术支持。

　　关键词:生物指示与生物监测;环境污染;学科整合;人体健康与环境安全

　　人为或自然因素干扰使生物生存的环境及环境条件发生了变化，因此生物对环境变化的响应包含了一定的环境信息，人类由此可以通过观测生物反应获得有关环境变化的信息。在生物科学发展史上，这种借助于生物的手段以获取环境信息的研究大致经历了3个阶段，即:1)1950年之前的描述和观测生物学时期;2)上世纪后半叶环境科学兴起和发展时期(1950—2000年);3)以及当前“新”“旧”生态学结合时期。这个时期以可持续发展为科学目标，包括对生物技术及先进的通讯、信息技术应用，有关环境质量的信息可以通过生物指示或生物监测的方式精确获得。

　　本文拟通过对生物指示与生物监测技术的理论基础、方法手段、应用现状及案例的综述，指出该技术在实际应用中存在的问题以及发展前景，为生物指示与生物监测技术在环境质量评价中的合理利用提供指导。

　　1、生物指示与生物监测的概念、目的和意义

　　“生物指示”的定义最先于1980年由Müller提出:“生物指示简化了生物系统的复杂反应，生物指示物的反应能够用来评估整个生物系统对环境变化的响应。”。因此，生物指示与生物监测技术能够被用于观察极端影响因子对生态系统的影响及其长期变化，或不同地点之间环境效应的差异(例如污染区和清洁区之间)。我国环境科学家沈韫芬在20世纪90年代初指出，生物指示与生物监测的目的是希望在有害物质还未达到受纳系统之前，在工厂或现场就以最快的速度把它监测出来，以免破坏受纳系统的生态平衡;或是能侦察出潜在的毒性，以免酿成更大的公害。

　　对于生物指示和生物监测的定义以及相关术语的解释在国际学术上还未达到统一认识。在前期的理论基础上，对各种生物指示物与生物监测物进行了以下定义:

　　1)生物指示物指包含了周围环境(或部分环境)质量有关信息的某个生物、或生物的某个组成部分，或一个生物群落;生物监测物往往也是生物指示物，但是一个生物指示物不一定符合生物监测物的要求。

　　2)主动生物指示物(生物监测物)指实验室里培养的生物指示物(监测物)，能够以稳定的形态在特定时间内暴露于野外，暴露结束后，记录和分析生物指示物(监测物)对暴露的响应以及所吸收的外源物质。

　　3)被动生物监测物指用于记录环境暴露的自然生态系统中的生物。

　　4)累积性指示物/监测物指从周围环境中积累一种或几种元素和/或化学物质的生物。

　　5)效应或响应指示物/监测物指生物暴露于某种或多种元素或化学物质时，所产生的特定的或非特定的响应。这些响应包括水平变化，如:形态上、组织或细胞结构、生物代谢过程、个体行为或种群结构等。

　　近年来“累积指示物”和“效应指示物”这2个名词大量出现在文献中，这2种指示物反映了生物过程的2个方面。生物对污染物暴露的响应主要表现为生物体对污染物的累积，在累积系数较高的情况下，至少有一种效应指示物/监测物能够达到检测水平，例如:细胞水平上的形态变化，许多无脊椎动物在积累重金属之后所能够形成含金属的胞间颗粒。然而，所示，通常情况下只有在生物累积了足够的化学物质后，细胞间或细胞内的化学物质浓度才达到产生效应的水平，这种效应往往能够被监测到。因此，人们认为“累积指示物”和“效应指示物”在较广泛的意义上可以被称为“响应指示物”。

　　由于生物指示与生物监测在一定程度上反映了生态系统污染或退化的程度，因此，通过生物指示物研究至少可以获得有关所处生态环境的以下2种不同信息:第一、简单综合的信息;第二，高度特定的信息。而后者所包含的信息非常详细和精确，具有较强针对性并且可以复制。为了要达到这些目的，沈韫芬认为:首先，要选择好监测的类型，要求在一系列的监测定位点上的数据能反映出种群、群落或生态系统的质量变化;第二，要确定连续监测、周期监测和临时监测的地点;第三，要确定测试的终点、参数或其它对保持环境优佳状况的关键因子，包括物理、化学、生物学的特征;第四，要建立一个专业性的协调委员会来统一适宜的监测方法，如选定测试终点，建立标准方法，进行合理的推理、判断和裁决。第五，要建立监测的优选权。

　　此外，生物对污染物的敏感性并不能作为生物指示物筛选的唯一条件，对污染物的过度敏感会导致敏感生物的种群密度下降，从而使敏感程度较高的物种与敏感程度一般的物种之间发生直接或间接的竞争关系。

　　目前为止，普遍认为单一物种的生物指示物不可以用来指示污染物对整个生态系统所产生的生态效应。

　　2、环境变化的生物信息

　　在生物指示研究中，首先需要获得特定、详细的生物系统信息，如污染物与生物(指示生物)效应之间的关系。在污染物胁迫下，复杂生态系统中产生的能够通过生物指示及生物监测所反映的相互作用及其变化。

　　关于生物指示物/生物监测物里所指的“信息”，通常是指特定生物指示物/监测物所观察到或监测到的由环境变化引起的生物不良反应。由于目标污染物与其它环境组分之间的关系极其复杂，生态系统组成成分具有多功能和多结构的特点，污染物与生物指示物之间的相互作用通常难以解释。污染物A与污染物B的相互作用不仅仅是简单的协同或拮抗关系，污染物A和B的吸收途径、作用位点以及代谢方式都无法被全面解释和了解。

　　3、仪器分析技术与生物指示与生物监测技术的比较

　　由于仪器化学分析(定性和定量分析)和生物指示(污染控制的定性技术)与生物监测(定量技术)这2种生物检测技术具有很多相似之处，因此有必要对这二类分析技术进行比较。

　　3．1仪器分析技术和生物指示与生物监测技术

　　有关仪器分析的详细技术途径，这些技术概括了化学物质的典型仪器分析过程，包括利用光谱仪和光度仪分析酶活性或其它与生态系统有关的指标。光谱仪法的普遍原理是:在特定的波长下利用光度仪原子吸收光谱等离子体分析待测样品，并进行定量，分析过程中采用标准物质进行质量控制。采样过程以及样品的前处理是仪器分析误差产生的主要来源，误差率分别高达1000%和300%。

　　由于生物指示技术通常需要整合仪器分析过程，实验室里研究生物指示物在很大程度上依赖于仪器分析，通过仪器分析从生物指示物中获取信息。在实际实验室操作中，生物指示与生物监测技术和仪器分析所面临的共同问题是样品采集的代表性问题，即所采的样品必须能够代表所要解决的科学问题。

　　3．2生物指示和生物监测技术的精确性和准确性

　　生物指示与生物监测除了与仪器分析一样需要具有高度代表性的样品作为分析对象或者指示物以外，仪器分析中的许多操作规程和质量控制条件也适合于生物指示与生物监测。近20a来，仪器分析研究中对“精确性”(重复性)和“准确性”(真实性)的定义进行了严格的区分。“精确性”的目的是为了跟踪和消除分析过程中产生的误差，如测试仪器稳定时间不足所产生的误差(仪器特定的失调)。对于一般分析过程，1%—5%的精确度可以满足大部分仪器分析的要求。

　　然而，仅仅因为能够重复出现某个信号并不能说明分析程序的准确性，这是因为不管精确性多高的数据也会出现严重偏离样品的“真实”(如元素等)含量的现象。因此，只有在整个分析过程都处于严格的质量控制条件下才能获得准确的分析结果，并且精确性和准确性的检验必须贯穿于整个分析过程。目前，有2种基本方法用于检验分析结果的准确性:1)使用标准物质;2)比较不同实验室之间单独分析所获得的结果。

　　3．3生物指示与生物监测技术的定量校准