環(huán)境生物監(jiān)測的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王世朋

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，成都　610065)

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環(huán)境生物監(jiān)測的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王世朋

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，成都610065)

目前全球面臨著嚴(yán)重的環(huán)境問題，要解決環(huán)境污染問題必須對環(huán)境中的污染物的存在狀態(tài)以及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律有全面的了解，環(huán)境監(jiān)測起到至關(guān)重要的作用。環(huán)境監(jiān)測方法有許多種，其中生物監(jiān)測方法在所有的方法中具有連續(xù)性、靈敏性、綜合長期性等突出的優(yōu)勢。簡單闡述了生物監(jiān)測的傳統(tǒng)和現(xiàn)代技術(shù)，根據(jù)生物監(jiān)測方法的發(fā)展現(xiàn)狀以及存在的不足，提出了環(huán)境生物監(jiān)測未來的發(fā)展趨勢。

環(huán)境監(jiān)測；生物監(jiān)測；發(fā)展

1　引　言

自二十世紀(jì)五、六十年代起，隨著工業(yè)化和城市化的進(jìn)程加快，社會經(jīng)濟得以快速發(fā)展，然而在經(jīng)濟快速發(fā)展的過程中環(huán)境質(zhì)量卻面臨巨大的威脅。過度的追求經(jīng)濟的快速增長，嚴(yán)重忽視環(huán)境保護(hù)，使得環(huán)境質(zhì)量急劇下降，環(huán)境與經(jīng)濟之間的矛盾日益尖銳，同時也嚴(yán)重威脅人類的生存。目前的環(huán)境問題已經(jīng)不僅僅局限于某一區(qū)域，更多的是一些全球性的環(huán)境問題。

社會的進(jìn)步使人們認(rèn)識到保護(hù)環(huán)境的重要性，而保護(hù)環(huán)境的前提基礎(chǔ)是對環(huán)境中的污染物存在狀態(tài)以及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行了解。因此，環(huán)境監(jiān)測至關(guān)重要。環(huán)境監(jiān)測是指間斷或連續(xù)地測定環(huán)境中污染物的濃度，觀察、分析其變化和對環(huán)境影響的過程[1]。如果仍舊采用常規(guī)的理化監(jiān)測方法，僅對環(huán)境中污染物的一些理化性狀作出分析，不能夠反映環(huán)境污染物對生物的的影響。因此，將生物監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境污染物的監(jiān)測上，能夠更好地反映環(huán)境污染物對生物的影響，為保護(hù)生物的生存環(huán)境提供直接的依據(jù)。

2　環(huán)境生物監(jiān)測的優(yōu)點

環(huán)境生物監(jiān)測技術(shù)是隨著生物技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的運用于環(huán)境檢測的重點技術(shù)，環(huán)境生物監(jiān)測技術(shù)相對于傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)具有諸多優(yōu)點：(1)傳統(tǒng)的監(jiān)測方法采用的是定期采樣進(jìn)行分析，檢測結(jié)果只能夠反映采樣時期的污染狀況，而生物監(jiān)測方法可以實時連續(xù)地監(jiān)控環(huán)境污染的狀況，提供更加全面的污染特征，對于制定污染治理與防控方案更具有科學(xué)依據(jù)；(2)傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)僅針對某一種已知污染物進(jìn)行檢測，對于不明污染物難以及時檢測，生物監(jiān)測技術(shù)可以通過分析生物的代謝過程進(jìn)而判斷環(huán)境的污染狀況，不局限于已知污染物；(3)對于環(huán)境中低濃度的污染物運用物理、化學(xué)方法難以檢測出，但是生物方法可以通過生物富集、生物放大等作用對污染物進(jìn)行積累，提高檢測的靈敏度，同時也可以反映低濃度污染物的生物毒性；(4)環(huán)境是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其中的污染物之間存在交互作用，采用生物監(jiān)測技術(shù)可以通過監(jiān)測生物的生長和代謝狀況來反映多種環(huán)境污染物的復(fù)合作用。

3　傳統(tǒng)生物監(jiān)測技術(shù)

傳統(tǒng)生物監(jiān)測技術(shù)是指利用生物個體、種群或群落對環(huán)境污染或變化所產(chǎn)生的反應(yīng)，從生物學(xué)角度對環(huán)境污染狀況進(jìn)行監(jiān)測和評價的一種技術(shù)[2]。利用生物對污染物的敏感性，通過觀察生物的種群或群落變化監(jiān)測環(huán)境中的污染物以及污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

3.1土壤污染生物監(jiān)測的應(yīng)用

土壤污染是目前污染比較嚴(yán)重的問題，尤其是土壤的重金屬污染。土壤中的污染物可以被植物富集，進(jìn)而通過食物鏈進(jìn)一步放大，因此土壤中的污染物對動植物都具有嚴(yán)重的危害。常用于監(jiān)測土壤污染物的有動物、植物和微生物。

動物監(jiān)測法：選取在土壤中生長繁殖速度快，對土壤變化比較敏感的生物作為對象，用來檢測土壤中是否存在污染物和污染程度，以及污染物對生物的生長發(fā)育存在的影響。Lee認(rèn)為環(huán)節(jié)動物是一種有實用價值的土壤污染物監(jiān)測指示動物，研究蚯蚓體內(nèi)的鎘濃度與其所生存的土壤總鎘濃度，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在顯著的相關(guān)性[3]。

植物監(jiān)測法：一些植物對土壤的污染非常敏感，可以通過觀察植物的生理狀態(tài)、形態(tài)等特征變化判斷土壤的污染程度。植物通過土壤獲取其生長的一些營養(yǎng)物質(zhì)，如果土壤環(huán)境遭到污染，一些污染物可以通過植物獲取能養(yǎng)的途徑進(jìn)入植物體內(nèi)，對植物的生長造成影響。例如植物的葉子變黃，甚至掉落，樹干出現(xiàn)裂痕等。其中植物的反季節(jié)變化是對土壤污染的一個明顯的指示。

微生物監(jiān)測法：微生物具有繁殖速度快，且對環(huán)境因素變化敏感的特點，土壤一旦受到污染，該區(qū)域的微生物群落很快會發(fā)生改變，因此微生物被用來指示土壤的污染狀況，常用于有毒物質(zhì)以及抗生素的檢測。

3.2大氣污染生物監(jiān)測的應(yīng)用

大氣污染生物監(jiān)測主要用的是植物，環(huán)境中對大氣污染最敏感的為植物，植物的光合作用、呼吸作用均在大氣中進(jìn)行，一旦大氣受到污染最先受到傷害的即為植物，植物對大氣污染具有高度的敏感性。另外植物的生長位置比較固定，易于監(jiān)管，通過監(jiān)測植物的生長情況，可以判斷某一區(qū)域的大氣環(huán)境狀況。常見的有SO2、NO2和氟化物指示生物。

SO2指示生物：主要為地衣、落葉松、苔蘚、杜仲、水杉等。其典型癥狀為葉脈間顯現(xiàn)出塊狀傷斑，也可能在葉緣，傷斑多呈紅棕色或土黃色。

NO2指示生物：常見的有向日葵、番茄、秋海棠、柑桔、煙草等。典型癥狀為葉脈間有不規(guī)則傷斑，呈現(xiàn)白、棕色或黃褐色，也可能全葉點狀傷斑。

氟化物指示生物：主要有唐菖蒲、金線草、郁金香、大蒜、葡萄苔蘚、杏、梅等。典型癥狀為葉尖多見傷斑，少數(shù)在葉脈之間，傷斑一般為淺褐、紅褐色，壞死部分與健康部分存在明顯的界線。

3.3水體污染生物監(jiān)測的應(yīng)用

水體受到污染之后會對生活在水體的生物產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，造成一些動植物的死亡、畸形生長、瘋狂生長等現(xiàn)象。生物監(jiān)測可以選擇水體中種群豐富，繁殖速度快而且對污染物比較敏感的生物作為監(jiān)測對象，通過監(jiān)測這些生物的生長情況反映水體的污染狀況。

指示生物法：利用水環(huán)境中對污染物敏感物種的存在與否，來指示所依靠水體中污染物的存在情況。該方法是目前水體污染檢測中最普遍的方法，選取的指示生物應(yīng)具備生長周期長，在水體中位置比較固定，對水體污染比較敏感等特點

微生物群落監(jiān)測法：水體中存在大量的微生物，這些微生物對于水體污染很敏感，一旦水體環(huán)境發(fā)生略微變化，微生物的生理性狀很快就會發(fā)生改變?，F(xiàn)在用的最多的是聚氨酯泡沫塑料法。

水體植物監(jiān)測法：水生植物具有位置固定，生長周期長，對水體污染敏感的特點，水體一旦發(fā)生污染，敏感水生植物的生長狀況會出現(xiàn)明顯的變化。

4　現(xiàn)代生物監(jiān)測技術(shù)

隨著生物技術(shù)的飛速發(fā)展，一些新的生物技術(shù)已經(jīng)運用到環(huán)境當(dāng)中，對環(huán)境的保護(hù)起到推動作用，其中一些技術(shù)已經(jīng)被運用到環(huán)境監(jiān)測當(dāng)中。例如生物傳感器、生物芯片、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)、環(huán)境微生物群落多樣性分析技術(shù)、彗星試驗、生物酶技術(shù)等。

4.1生物傳感器

生物傳感器是一種特殊的傳感器，生物傳感器以生物活性單元作為生物敏感元件，通過生物元件對待測物結(jié)合的專一性與一個能夠產(chǎn)生與待測物濃度成比例的信號傳導(dǎo)器相結(jié)合[4]，檢測待測物的濃度。最先問世的生物傳感器是酶電極，上個世紀(jì)六十年代，Clark等[5]最先提出酶電極的設(shè)想，進(jìn)而制成了第一支酶電極。隨后隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)用不同種生物元件制成的生物傳感器不斷地被研究者開發(fā)出來，并廣泛運用。生物傳感器的基本原理如下圖所示。

圖　生物傳感器基本原理[3]Fig.　The basic principle of Biosensors

生物傳感器與傳統(tǒng)分析方法相比具有明顯的優(yōu)勢：(1)生物傳感器由專一性的生物元件構(gòu)成，一般不需要樣品預(yù)處理，測定時一般不需要加入其他試劑；(2)生物傳感器體積小，可以實現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測；(3)響應(yīng)速度快，樣品用量少；(4)生物傳感器比較靈敏，可以用于監(jiān)測低濃度污染物；(4)生物傳感器的成本比較低等。

目前已經(jīng)發(fā)展起來的生物傳感器已經(jīng)有很多種，其中一些生物傳感器已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)，由于生物傳感器具有靈敏度高、成本低、穩(wěn)定性較好以及能在復(fù)雜系統(tǒng)中快速在線監(jiān)測等特點，使它在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域得到迅速發(fā)展[6]。常用的生物傳感器有BOD生物傳感器、亞硫酸鹽傳感器等。

BOD生物傳感器：生化需氧量(BOD)的測定是監(jiān)測水體被有機物污染狀況的最常用指標(biāo)，常規(guī)的BOD測定耗時長、操作復(fù)雜、干擾大，且不宜現(xiàn)場操作。目前研究人員分離酵母菌株制成的BOD生物傳感器[7]，用于測量BOD靈敏度高、抗干擾能力強、能夠現(xiàn)場測定且耗時短。

BOD生物傳感器的工作原理[8]為當(dāng)生物傳感器置于恒溫緩沖溶液中時，在不斷攪拌下，溶液中的氧達(dá)到飽和狀態(tài)，此時生物膜中的生物處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)，溶液中的氧通過微生物的擴散作用與內(nèi)源呼吸耗氧達(dá)到一個平衡，傳感器輸出一個恒定電流。當(dāng)加入樣品時，微生物由內(nèi)源呼吸轉(zhuǎn)入外源呼吸，導(dǎo)致擴散至傳感器的氧減少，輸出電流減少，之后重新達(dá)到一個平衡。一定條件下，傳感器輸出的電流值與BOD濃度呈線性關(guān)系。

BOD生物傳感器仍存在許多缺點：(1)環(huán)境中可能存在一些污染物質(zhì)對生物活性元件具有毒性導(dǎo)致出現(xiàn)“中毒”現(xiàn)象，最終測定的BOD嚴(yán)重錯誤；(2)一種生物活性元件不能夠同時用于測定多種廢水，檢測范圍有限；(3)生物活性元件一般都具有其最適條件，如果條件發(fā)生變化，不僅影響檢測結(jié)果，同時也會造成傳感器的壽命縮短。

亞硫酸鹽傳感器：酸雨問題是一個全球性的環(huán)境問題，形成酸雨的主要污染物為氮氧化物和二氧化硫，常規(guī)的方法檢測這些化合物濃度非常復(fù)雜。Karube等用含有亞硫酸鹽氧化酶的肝微粒體和氧電極制成安培型生物傳感器，能夠迅速靈敏地測定亞硫酸鹽。亞硫酸鹽傳感器根據(jù)含有二氧化硫或三氧化硫的樣品溶液通過傳感器時會消耗氧，引起電極周圍溶解氧濃度降低，傳感器輸出的電流降低。亞硫酸鹽傳感器輸出的電流值與二氧化硫或三氧化硫的濃度呈線性關(guān)系。

生物傳感器還可以用于檢測有毒有害物質(zhì)，如殺蟲劑、除草劑、重金屬等[9]。常用于檢測殺蟲劑的酶為乙酰膽堿酯酶，首先將乙酰膽堿酯酶固定于生物傳感器內(nèi)，如果試樣中含有殺蟲劑時會對乙酰膽堿酯酶的活性造成抑制，可以通過測定酶的活性進(jìn)而檢測有毒有害物質(zhì)。

4.2生物芯片

生物芯片是通過微加工技術(shù)將成千上萬乃至幾十萬的生命信息集成在一個微小的芯片上，達(dá)到對基因、抗原和活體細(xì)胞等進(jìn)行分析和檢測。由于生物芯片與其他的儀器相比具有體積小、重量輕、便攜、無污染、分析速度快等優(yōu)點，已被廣泛的應(yīng)用。

1991年Fodor等[10]提出DNA芯片的概念后，近年來以DNA芯片為代表的生物芯片技術(shù)得以快速發(fā)展。目前已經(jīng)開發(fā)出多種不同功能的生物芯片，例如根據(jù)核酸序列設(shè)計的基因芯片，根據(jù)多肽、蛋白、酶等[11]蛋白質(zhì)設(shè)計的蛋白芯片，根據(jù)免疫功能設(shè)計的免疫芯片以及芯片實驗室[12]等。

生物芯片是根據(jù)環(huán)境中污染物與芯片上固定的生物活性物質(zhì)發(fā)生特異性結(jié)合的特點，對環(huán)境中的污染物進(jìn)行檢測。生物芯片可以快速檢測污染微生物或有機化合物對環(huán)境、人體、動植物的污染和危害[13]。生物芯片已經(jīng)應(yīng)用于水體環(huán)境生物監(jiān)測中，法國一家水管理企業(yè)Lyonnaise des Eaux開發(fā)生物芯片用于檢測公共飲用水中微生物；生物芯片還可以用于瞬時檢測水體中病原微生物，保障水體安全；通過基因芯片雜交試驗可以檢測水體中某種監(jiān)測微生物的基因表達(dá)水平，判斷該微生物對水體安全的影響。

4.3聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)又稱PCR技術(shù)，PCR技術(shù)能快速、特異地在體外擴增所希望的目的基因或DNA片段，可以將極微量的DNA特異地擴增百萬倍。PCR技術(shù)具有快速、靈敏、準(zhǔn)確、簡便、特異性強等優(yōu)點[14]，在環(huán)境監(jiān)測中起到了巨大的作用。環(huán)境監(jiān)測中PCR技術(shù)主要用于研究某一特定環(huán)境微生物區(qū)系的組成，進(jìn)而了解其種群動態(tài)變化；監(jiān)測環(huán)境中特定種群(如致病菌、工程菌等)的動態(tài)變化。

目前PCR技術(shù)在實際環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用有(1)檢測水體中病原體的數(shù)量，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)PCR對星狀病毒的檢測靈敏度比電鏡更高，并可鑒定這一病毒的不同血清型；(2)利用多鏈PCR技術(shù)可檢測非人源性E.coli的甘氨酸羧酶基因，從而可快速鑒定河流是否受到人類糞便的污染；(3)英國人開發(fā)了一種基于PCR的E.coli檢測方法可以在24小時完成對99種不同環(huán)境水樣的檢測。

4.4環(huán)境微生物群落多樣性分析技術(shù)

環(huán)境生物監(jiān)測主要通過監(jiān)測環(huán)境的變化對其中生物的影響，從而確定環(huán)境污染的危害程度，為環(huán)境保護(hù)提供可靠的信息。環(huán)境中存在最多的生物即為微生物，且微生物對環(huán)境狀況的變化十分敏感。因此，可以通過分析環(huán)境中微生物群落多樣性的變化，反映環(huán)境污染狀況。常用于微生物群落多樣性分析的方法有微生物平板純培養(yǎng)、磷酸脂肪酸(PLFA)、分子生物學(xué)方法等。

4.4.1微生物平板純培養(yǎng)

微生物平板純培養(yǎng)是研究微生物群落多樣性最傳統(tǒng)的方法，該方法對于檢測特殊微生物的群落變化非常有效。根據(jù)目標(biāo)微生物選擇相應(yīng)的培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)，通過觀察培養(yǎng)基中各種微生物的生理特征和外觀形態(tài)，分析環(huán)境中目標(biāo)微生物的豐度。該方法應(yīng)用于環(huán)境微生物群落多樣性研究存在其局限性，環(huán)境中的微生物比較豐富，且存在較多的微生物不能夠進(jìn)行純培養(yǎng)。因此，通過微生物平板純培養(yǎng)研究環(huán)境微生物群落多樣性易造成較多的數(shù)據(jù)缺失。另外微生物平板純培養(yǎng)提供的微生物生長環(huán)境與實際環(huán)境存在較大的差距會引起微生物群落的多樣性發(fā)生一定的改變。

4.4.2磷酸脂肪酸(PLFA)

White等于20世紀(jì)70年代末發(fā)展了磷酸脂肪酸(PLFA)譜圖分析方法，該方法是基于脂肪酸可作為生物標(biāo)記物而發(fā)展起來的分析技術(shù)[15]。由于磷脂幾乎是所有生物細(xì)胞膜的重要組成部分，自然條件下細(xì)胞中的磷脂含量恒定，不同種屬微生物具有不同的磷脂種類和水平。因此，可以將磷酸脂肪酸作為生物標(biāo)記物，對環(huán)境中的微生物群落多樣性進(jìn)行分析。磷酸脂肪酸分析方法不同于依靠分離技術(shù)和生理學(xué)特性的平板純培養(yǎng)，具有以下優(yōu)勢：(1)不需要依賴培養(yǎng)體系，可以直接有效地提供環(huán)境中微生物群落的特征；(2)磷酸脂肪酸隨著環(huán)境中微生物的死亡，會很快得以分解，該方法提供的環(huán)境微生物群落信息反映的是環(huán)境中活的微生物群落信息；(3)PLFA可以對環(huán)境中整個微生物群落進(jìn)行定量描述。

目前PLFA分析法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于土壤、水體沉積物、水體以及污水處理過程中的生物膜和菌膠團等的微生物群落多樣性分析。該方法比較適合分析環(huán)境中總體微生物群落的多樣性特征，然而對于單一的微生物種類的研究具有缺陷性，需要結(jié)合其他的分析方法，如變性梯度凝膠電泳(DGGE)等，才能獲得較好的效果。

4.4.3分子生物學(xué)方法

(1)變性梯度凝膠電泳(DGGE)

變性梯度凝膠電泳技術(shù)是將16SrRNA的基因通過PCR技術(shù)進(jìn)行擴增，得到長度相同的片段，然后線性增加變性梯度通過電泳分開不同序列的過程[16]。目前DGGE技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土壤、水體等環(huán)境微生物群落多樣性的分析和微生物群體動態(tài)的追蹤研究中[17]。袁飛等[18]運用DGGE技術(shù)對我國三種不同土壤中的氨氧化細(xì)菌(AOB)的區(qū)系變化進(jìn)行了研究；朱建林等[19]采用PCR-DGGE技術(shù)對梯田式和復(fù)合垂流式人工濕地污水處理系統(tǒng)的微生物群落結(jié)構(gòu)動態(tài)變化做出了研究；余躍惠等[20]利用PCR-DGGE技術(shù)分析了新疆克拉瑪依油田注水井和采油井的微生物群落多樣性。

DGGE技術(shù)相對于其他的環(huán)境微生物群落多樣性分析技術(shù)具有一定的優(yōu)勢，但其也存在一定的缺陷：①檢測的DNA片段長度有限；②對PCR擴增的DNA序列的G-C堿基對含量有一定的要求；③電泳的條件必須適宜，不然可能造成DNA片段不能夠完全分開；④DGGE的條帶有時可能代表幾種菌株，或者幾個條帶代表同一菌株。

(2)原位熒光雜交技術(shù)(FISH)

FISH技術(shù)是一種應(yīng)用非放射性熒光物質(zhì)依靠核酸探針雜交原理在核中或染色體上顯示DNA序列位置的方法[21]。FISH技術(shù)已廣泛應(yīng)用于微生物分子生態(tài)學(xué)和環(huán)境微生物學(xué)中，成為環(huán)境微生物群落多樣性分析的重要技術(shù)手段，尤其對環(huán)境中復(fù)雜的混合微生物群落監(jiān)測具有更明顯的優(yōu)勢。

根據(jù)不同種微生物比較穩(wěn)定的DNA序列設(shè)計FISH探針，通過原位雜交的方法，檢測環(huán)境中的微生物群落。環(huán)境中微生物群落比較復(fù)雜，多數(shù)微生物不能夠獲得純培養(yǎng)，但可以提取環(huán)境樣品中微生物的DNA序列，根據(jù)獲得的DNA序列設(shè)計特定的核酸探針，研究環(huán)境中的不可獲得純培養(yǎng)菌株，了解這些微生物的生長狀況及群落組成。

FISH技術(shù)在環(huán)境微生物群落多樣性分析中已得到廣泛的應(yīng)用，但其還存在一些不足：①檢測的精確度和可靠性依賴寡核苷酸探針的特異性，因此探針的靈敏度還有待提高[21]；②一些微生物自身能夠發(fā)熒光，對FISH的檢測有干擾作用；③熒光會發(fā)生淬滅，導(dǎo)致檢測結(jié)果出現(xiàn)偏差。

(3)末端限制性片段長度多態(tài)性技術(shù)(T-RFLP)

末端限制性片段長度多態(tài)性技術(shù)(Terminal-restriction fragment length polymorphism, T-RFLP)是根據(jù)微生物的比較基因組學(xué)信息[22]，選取微生物基因組中的保守序列(如16SrRNA，18SrRNA)的末端限制性片段的多態(tài)性[23]，通過分析微生物基因組中保守序列的末端限制性片段長度多態(tài)性進(jìn)而實現(xiàn)分析微生物群落的多樣性。該技術(shù)相對于其它的指紋圖譜具有以下優(yōu)點：①高通量，能夠產(chǎn)生大量重復(fù)、精確的數(shù)據(jù)，可以用于微生物群落結(jié)構(gòu)的時空演替研究；②可以根據(jù)末端限制性片段的長度與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，直接鑒定圖譜中的菌種；③末端限制性片段長度多態(tài)性分析靈敏度高。

由于T-RFLP具有明顯的優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境微生物群落多樣性的研究。Tom-Petersen等[24]運用T-RFLP對受銅污染和正常土壤中的微生物群落多樣性進(jìn)行了研究，表明銅污染對土壤整個微生物群落結(jié)構(gòu)具有較大的影響；Kaplan等[25]調(diào)查研究了石油污染治理過程中的微生物群落動態(tài)變化，表明在治理石油污染的過程中微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化。Lian等[26]利用T-RFLP技術(shù)研究了盤尼西林發(fā)酵殘渣和城市污泥聯(lián)合堆肥過程中的坑生素抗性基因(β-內(nèi)酰胺抗性基因)的拷貝數(shù)，對聯(lián)合堆肥的產(chǎn)品安全性作出評價。

(4)下一代測序技術(shù)(Next Generation Dequencing，NGS)

測序技術(shù)的飛速發(fā)展對DNA測序領(lǐng)域產(chǎn)生著巨大的沖擊，目前應(yīng)用于環(huán)境微生物群落多樣性研究的其他方法相對于下一代測序技術(shù)具有信息量小和通量低的缺點。而以IIIumina公司的Solexa、Roche公司的454和Life Techonlogies公司的SOLiD、Ion Torrent為主的下一代測序技術(shù)具有數(shù)據(jù)產(chǎn)出通量高的特點[27]，已經(jīng)普遍應(yīng)用于對環(huán)境微生物群落多樣性的分析。

4.5彗星試驗

彗星試驗即單細(xì)胞凝膠電泳分析技術(shù)(SCGE)，SCGE是在細(xì)胞水平上檢測核酸損傷的方法[9]。當(dāng)細(xì)胞在中性或堿性瓊脂糖凝膠中進(jìn)行電泳，細(xì)胞DNA解旋形成單鏈的過程中，如果細(xì)胞受損會出現(xiàn)分子量較小的DNA片段。在電場中，帶負(fù)電荷的核酸片段向陽極移動，熒光下可以觀察到受損傷的核酸形成形似夜空中的彗星圖像，故也稱彗星試驗[28]。鑒于環(huán)境中的遺傳毒物濃度比較低，單細(xì)胞凝膠電泳在檢測低濃度遺傳毒物方面具有較高的靈敏度，而且對細(xì)胞沒有特殊的要求，因此該方法已被應(yīng)用于生物監(jiān)測、遺傳毒理學(xué)的研究。Mirjana等[29]將淡水蚌類暴露在五氯苯酚(PCP)中，并用其進(jìn)行血細(xì)胞的彗星試驗，研究血細(xì)胞中DNA的損傷程度。研究結(jié)果表明高濃度的PCP會引起血細(xì)胞中DNA的斷裂，說明彗星試驗可以用于監(jiān)測水體中PCP的污染狀況。

4.6生物酶技術(shù)

4.6.1酶抑制技術(shù)

由于許多農(nóng)藥具有致癌、致畸、致突變的作用，在農(nóng)業(yè)發(fā)展的過程中，大量的使用農(nóng)藥造成食品中具有較高的農(nóng)藥殘留，同時噴灑農(nóng)藥也會造成環(huán)境污染。為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境和人類的健康，農(nóng)藥殘留的監(jiān)測成為許多國家關(guān)注的中心。隨著生物酶技術(shù)的迅猛發(fā)展，酶抑制技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢測中發(fā)揮了重要作用。

有機磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥都是神經(jīng)毒劑，對人類和動物具有較強的毒性，對參與神經(jīng)生理傳遞過程的AchE具有抑制作用，導(dǎo)致乙酰膽堿的積累，影響正常的神經(jīng)傳導(dǎo)[30]。酶抑制技術(shù)是依據(jù)有機磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥對乙酰膽堿酯酶的特異性抑制作用而發(fā)展的酶化學(xué)分析技術(shù)[31]。目前酶抑制技術(shù)已被應(yīng)用于對食品和環(huán)境中殘留的微量和痕量有機磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥的檢測。實際環(huán)境或者食品中的農(nóng)藥殘留可能存在多種組分，某些氯代煙堿類物質(zhì)也對乙酰膽堿酯酶具有抑制作用，檢測中可能會出現(xiàn)假陽性的結(jié)果。

4.6.2酶免疫技術(shù)

酶免疫技術(shù)是基于抗原和抗體之間的特異性反應(yīng)將生物酶技術(shù)與免疫分析技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的一門新技術(shù)，其中酶聯(lián)免疫吸附技術(shù)(ELISA)是應(yīng)用最廣的酶免疫技術(shù)。 ELISA是把抗原抗體的免疫反應(yīng)與酶的高效催化作用原理有機結(jié)合起來的一種超微量的測定技術(shù)，可以定量檢測[32]，該技術(shù)的核心是抗原抗體的特異性反應(yīng)。ELISA特別適用于有毒有害物質(zhì)的檢測，在水體和土壤農(nóng)藥殘留物的檢測方面已經(jīng)取得了很好的效果，已成功應(yīng)用于甲基對硫磷、甲胺磷等農(nóng)藥的檢測[33]。目前一些發(fā)達(dá)國家應(yīng)用該技術(shù)開發(fā)檢測試劑盒，對環(huán)境中殘留的農(nóng)藥進(jìn)行檢測分析。

5　環(huán)境生物監(jiān)測的發(fā)展趨勢

環(huán)境生物監(jiān)測是環(huán)境監(jiān)測的重要內(nèi)容，和傳統(tǒng)監(jiān)測方法相比具有非破壞性、連續(xù)性、敏感性、經(jīng)濟性、綜合長期性等優(yōu)點。為環(huán)境監(jiān)測的連續(xù)化和自動化提供了可能，同時也降低了環(huán)境監(jiān)測的成本。鑒于生物監(jiān)測可以反映環(huán)境中污染物對生物體的影響，在環(huán)境監(jiān)測中具有廣闊的應(yīng)用前景，但環(huán)境生物監(jiān)測仍存在許多不足：(1)生物監(jiān)測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性不足，雖然生物元件具有特異性結(jié)合的能力，但是環(huán)境中的污染物是復(fù)雜的，可能存在協(xié)同作用，也可能某些污染物對生物元件具有毒性作用，因此生物監(jiān)測的穩(wěn)定性和精確性有待提高；(2)生物監(jiān)測目前缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，無規(guī)矩不成方圓，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測得到的結(jié)果就缺乏可比性，實際應(yīng)用價值降低，建立統(tǒng)一的生物監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)是亟待解決的問題。

生物監(jiān)測今后的發(fā)展要多學(xué)科結(jié)合，發(fā)展具有集成化、智能化的生物監(jiān)測系統(tǒng)，使監(jiān)測技術(shù)更精細(xì)、更準(zhǔn)確、更靈敏，同時伴隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展，更多基于分子水平的生物監(jiān)測方法的建立有利于克服現(xiàn)在生物監(jiān)測準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性不足的問題。生物技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的成功應(yīng)用，表明加強學(xué)科間的交流、滲透和合作，對于今后環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展至關(guān)重要。

6　結(jié)　語

目前全球環(huán)境問題突出，通過環(huán)境監(jiān)測可以對污染物在環(huán)境中的存在形態(tài)和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律有全面的了解，有助于更好地解決環(huán)境問題，然而常規(guī)的理化監(jiān)測不能夠反映環(huán)境中污染物對生物的毒害作用，且對痕量污染物的監(jiān)測不夠靈敏，相對于常規(guī)監(jiān)測方法，生物監(jiān)測具有明顯的優(yōu)勢，且彌補了常規(guī)監(jiān)測方法的不足。因此，環(huán)境生物監(jiān)測具有廣闊的發(fā)展前景。目前已存在多種環(huán)境生物監(jiān)測的方法，有比較傳統(tǒng)的生物指示法，也有現(xiàn)代的環(huán)境生物監(jiān)測方法，例如生物傳感器、生物芯片、PCR技術(shù)、彗星試驗、生物酶技術(shù)、環(huán)境微生物群落多樣性分析等。雖然現(xiàn)代生物技術(shù)的應(yīng)用極大提高了生物監(jiān)測在環(huán)境監(jiān)測中的地位，但仍然存在準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性差的不足，隨著多學(xué)科的結(jié)合，尤其是分子生物學(xué)的發(fā)展，更多的分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境生物監(jiān)測中，將進(jìn)一步提升環(huán)境生物監(jiān)測的穩(wěn)定性和精確性。另外必須建立統(tǒng)一的生物監(jiān)測規(guī)范，提高生物監(jiān)測結(jié)果的可比性和實用價值。加強多學(xué)科的交流、滲透和合作，發(fā)展具有集成化、智能化的生物監(jiān)測系統(tǒng)，使監(jiān)測技術(shù)更精細(xì)、更準(zhǔn)確、更靈敏，是今后環(huán)境生物監(jiān)測發(fā)展的大趨勢。

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Current Status and Development Trends of Environmental Bio-monitoring

WANG Shi-peng

(CollegeofArchitecture&Enviroment,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

The world has been confronted with severe environmental problems nowadays. To solve environment pollution problems, it is very important to learn the existing state and the migration transformation rule of pollutants, which makes environmental monitoring crucial. There are many kinds of environmental monitoring methods, Bio-monitoring method shows better performance in continuity, sensitivity and comprehensive long-term. This paper briefly introduced traditional and modern bio-monitoring technologies. Based on development status and existing disadvantages of bio-monitoring technologies, the development trends of environmental bio-monitoring technology were proposed.

Environmental monitoring; bio-monitoring; development

2016-04-24

王世朋(1990- )，男，河南南陽人，四川大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)2015級在讀碩士，研究方向為環(huán)境生物技術(shù)及有機固廢的資源化。

X835

A

1001-3644(2016)05-0041-07