家蠶作環(huán)境監(jiān)測指示生物可行性分析

張智勇 杜周和 劉彬斌 劉俊鳳

(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)研究所，四川 南充 637000)

生物監(jiān)測技術(shù)起源于20世紀(jì)初Kolkwitz和 Marson提出的“污水生物系統(tǒng)”[1]，50年代后，該技術(shù)逐漸被用于水質(zhì)和大氣環(huán)境污染監(jiān)測。生物監(jiān)測技術(shù)具有不同于傳統(tǒng)物理化學(xué)監(jiān)測方法的獨特優(yōu)勢，如監(jiān)測的敏感性、長期性、連續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性、非破壞性和綜合性等，近年來發(fā)展迅速。我國在這方面的研究起步較晚，上世紀(jì)80年代才開始將該技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測。目前相關(guān)體系仍不標(biāo)準(zhǔn)、不健全。家蠶有五千多年的馴養(yǎng)歷史，長期的人工馴養(yǎng)使其進(jìn)化出對環(huán)境變化的高度敏感性，成就了其作為環(huán)境監(jiān)測生物的可能性。本文就家蠶作環(huán)境監(jiān)測生物的可行性進(jìn)行初步探討。

1 生物監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 土壤污染監(jiān)測

土壤污染是目前比較嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，尤其是重金屬污染。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。土壤中的污染物對動植物都具有嚴(yán)重的危害。常用于土壤污染監(jiān)測的生物有動物、植物和微生物。

1.1.1 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動物作為對象，用來檢測土壤中是否存在污染物及污染程度。常見的土壤檢測動物有蚯蚓、線蟲、食菌原生動物、鞭毛蟲、螨等[1]。蚯蚓體內(nèi)的鎘濃度與其所生存的土壤總鎘濃度間存在顯著的相關(guān)性[2]。

1.1.2 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所需的一些營養(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。

1.1.3 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。主要的微生物有細(xì)菌、放線菌和霉菌。我國目前應(yīng)用的微生物監(jiān)測主要是監(jiān)測農(nóng)藥和重金屬對土壤環(huán)境的影響[1]。

1.2 大氣污染監(jiān)測

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是植物，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是植物。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。

不同植物對不同污染物種類的敏感性不同。二氧化硫(SO2)污染指示生物常用的有法國梧桐、雪松、臘梅、月季、菠菜、南瓜、萵筍、胡蘿卜、地衣、苔蘚等。氟化氫(HF)污染指示生物常用的有郁金香、番茄、芝麻、玉米、杏樹等。臭氧(O3)污染指示生物常用的有花生、燕麥、馬鈴薯、洋蔥、葡萄、牡丹、梨樹等。氯化氫(HCl)污染指示生物常用的有韭菜、番茄、落葉松、李樹和五角松等。氮氧化物(NOx)污染指示生物常用的有向日葵、萵筍、玉米、洋蔥、秋海棠等。過氧乙酰硝酸脂(PAN)污染指示生物常用的有萵筍、芥菜、矮牽牛、菜豆等。氯氣(Cl2)污染指示生物常用的有大麥、向日葵、白菜、金銀花、夜來香、水杉、油松、桃、柿子樹等。乙烯(C2H2)污染指示生物常用的有菜豆、豌豆、萬壽菊、番茄等。硫化氫(H2S)污染指示生物常用的有大葉紫、三葉草、黃瓜、番茄、煙草等。氨氣(NH3)污染指示生物常用的有芥菜、向日葵、菜花等[3]。

1.3 水體污染監(jiān)測

水體受到污染之后會對生活在其中的生物產(chǎn)生嚴(yán)重影響，造成一些動植物的死亡、畸形生長、瘋狂生長等。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。

1.3.1 指示生物法。利用水環(huán)境中對污染物敏感物種是否存在來指示所監(jiān)測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。常見的指示生物有斑馬魚、雙殼貝類、水蚤、底棲生物、兩棲生物等[3,4]。

1.3.2 微生物群落監(jiān)測法。水體中存在大量的微生物，這些微生物對水體污染很敏感，一旦水體環(huán)境發(fā)生輕微變化，微生物的生理性狀很快就會發(fā)生改變。目前使用最多的是聚氨酯泡沫塑料法。

1.3.3 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。

2 家蠶作環(huán)境監(jiān)測指示生物

2.1 家蠶用于監(jiān)測土壤和水體污染

土壤中的重金屬可通過桑樹的富集作用最后通過桑葉傳遞給家蠶。水中的重金屬可通過淘洗桑葉的水附著在葉表以及桑樹生長吸水通過桑葉傳遞給家蠶。大氣中的重金屬粉塵顆?？赏ㄟ^蠶體直接接觸或通過桑葉吸附傳遞到家蠶。

1996年，日本學(xué)者增井博之以無菌飼養(yǎng)的家蠶為材料，測定了多種重金屬對不同發(fā)育階段家蠶的毒性，結(jié)果表明，Cd、Zn、Pb、Ni、Co的100%致死濃度為0.08‰-10‰不等。對1齡蠶的致死作用強(qiáng)弱為Cd>Co>Ni>Zn(Pb)，對3齡蠶的致死作用強(qiáng)弱為Cd>Co>Ni>Zn>Pb，對5齡蠶的致死作用強(qiáng)弱為Cd>Co>Zn>Pb>Ni[5]。

1991年，周偉等用桑葉浸泡染毒法研究HgCl2、As2O3、 K2CrO4、Pb3O4對蠶的毒性，結(jié)果表明對蠶的致死作用強(qiáng)弱順序為As>Hg>Cr>Pb，且As、Hg易在蠶體內(nèi)積累，還可能通過蠶卵影響次代蠶致死。試驗蠶與對照蠶相比，一齡和二齡期沒有明顯的異常表現(xiàn)，從三齡開始部分試驗蠶發(fā)生了軟化病、膿病和僵病，并有死亡現(xiàn)象發(fā)生。試驗蠶體發(fā)育緩慢、行動遲呆，各齡眠期都向后推遲1～2d。以上情況隨著蠶齡的增長和桑葉含毒量的增大而加劇[6]。家蠶攝入過量重金屬離子后產(chǎn)生生理障害，體內(nèi)能量消耗增多，對食物的消化、吸收及同化能力下降，嚴(yán)重影響對脂質(zhì)、碳水化合物和蛋白質(zhì)的代謝及細(xì)胞的正常生理功能[7]。

2.2 家蠶用于大氣污染監(jiān)測

大氣中對環(huán)境影響較大的污染物質(zhì)種類多，如二氧化硫、氮氧化物、臭氧、二氧化碳、一氧化碳、總懸浮顆粒物(TSP)、可吸入顆粒物、碳?xì)浠衔?、鉛、氟化物、氨氣等。大部分已被列為空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中需控制濃度限值的物質(zhì)。

1994年管競芳等以桑樹和家蠶為試驗生物，采用靜態(tài)模擬熏氣和自然污染調(diào)查相結(jié)合的方法，對大氣苯酚引起家蠶生長發(fā)育障礙進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，大氣苯酚以間歇性較高濃度侵入蠶室時會直接致蠶中毒。大氣中苯酚以持續(xù)較低濃度作用時桑葉內(nèi)會累積苯酚，間接對家蠶有毒害。家蠶受害后，輕則表現(xiàn)為食欲不振、群體發(fā)育不齊、體色灰暗、體重減輕、主要經(jīng)濟(jì)性狀下降，重則死亡[8]。

桑葉吸收污染空氣中的氟含量超過30ppm時就會造成家蠶中毒。1986年，杭州市春蠶大面積遭受氟化物污染， 6個縣(區(qū))近3萬戶蠶農(nóng)18187張蠶種受害，經(jīng)濟(jì)損失137萬元[9]。

李正方等研究大氣污染對家蠶的影響，結(jié)果表明桑葉中的含硫量超過0.3%時就會對蠶產(chǎn)生毒害。其受害癥狀是食欲減退，行動不活潑，發(fā)育不齊，呈現(xiàn)軟化病癥狀，最后可導(dǎo)致死亡。桑葉中碘的含量達(dá)100ppm時會對蠶產(chǎn)生危害。蠶吃了受碘污染的桑葉后，氣門周圍常呈黑色，體型異狀，不能正常脫皮，不結(jié)繭，麻痹而死。碘進(jìn)入上皮角質(zhì)層時，前部絲腺呈茶褐色，脂肪細(xì)胞核和肌肉細(xì)胞核呈蘭色[10]。

喬鄧君等報道了家蠶塑料廢氣中毒現(xiàn)象，3～4齡中毒的，蠶兒發(fā)育不齊、食欲不振、行動不活潑、有起縮現(xiàn)象，個別蠶慢慢萎縮而死，死后尸體半干癟、體色黑褐色、不腐爛，有的死蠶尸體個別部位變硬。5齡中毒蠶的，5～6環(huán)節(jié)體壁上出現(xiàn)塊狀黑斑或節(jié)間膜處出現(xiàn)環(huán)狀黑斑，摸上去粗糙不平，黑斑處易破，并流出淡黃色體液，有的黑斑處會自動爆裂[11]。

張志華等報道家蠶氟化物中毒分為急性與慢性兩種。慢性中毒一般表現(xiàn)為發(fā)育緩慢，入眠推遲，個體大小不齊，個別蠶節(jié)間膜處出現(xiàn)高節(jié)或黑斑：急性中毒多發(fā)生在大蠶期，表現(xiàn)為食桑量突然減少，蠶體平伏呆滯、行動不活潑，后陸續(xù)死亡，臨死前有吐液現(xiàn)象[12]。

如上所述，利用家蠶對空氣污染物的毒性反應(yīng)可以將家蠶作為這幾種大氣污染物的監(jiān)測指示生物。

2.3 家蠶用于農(nóng)藥污染監(jiān)測

關(guān)于農(nóng)藥對家蠶的毒性有大量報道，包括殺蟲劑、除草劑、殺菌劑、殺螨劑等等。甲氬基阿維菌素苯甲酸鹽、阿維菌素、高效氯氰菊酯、聯(lián)苯菊酯、蟲酰肼、三唑磷等對家蠶有極高毒性；硫克百威、蟲螨腈、殺鈴脲、氟蟲腈、噻嗪酮、高滲氯胺磷、敵百蟲、甲氧蟲酰肼等對家蠶有高風(fēng)險性；溴蟲腈和擎脲等對家蠶有中度風(fēng)險性?，F(xiàn)在市面上流通的絕大多數(shù)殺蟲劑對家蠶有較強(qiáng)的毒性，少部分殺菌劑、殺螨劑、除草劑的毒性較中等，極少部分殺蟲劑、大部分殺菌劑、殺螨劑、除草劑的毒性較低等。家蠶農(nóng)藥中毒癥狀表現(xiàn)出多種相似的特征，急性中毒主要特征有吐液、拒食，身體扭曲呈“C或“S”形、靜臥等[13-15]。

家蠶對絕大多數(shù)農(nóng)藥敏感，且中毒癥狀明顯易辨，因此家蠶可用作農(nóng)藥污染監(jiān)測指示生物。

2.4 家蠶作物生物監(jiān)測指示生物經(jīng)濟(jì)性分析

家蠶對飼養(yǎng)環(huán)境要求雖然較高，但飼養(yǎng)管理簡單，只要環(huán)境沒有污染，有足量桑葉供應(yīng)，調(diào)節(jié)好溫度與濕度，做好眠起處理就能將蠶養(yǎng)活。如果僅作為生物監(jiān)測而不考慮經(jīng)濟(jì)性的話，飼養(yǎng)一千多頭足夠，一千頭蠶一個蠶期的飼養(yǎng)費(fèi)用很小，即能滿足環(huán)境監(jiān)測部門使用。

3 討論

雖然家蠶有較為理想的環(huán)境監(jiān)測效果，但要將家蠶真正發(fā)展為環(huán)境監(jiān)測生物還有許多工作要做。

首先是現(xiàn)行蠶桑產(chǎn)業(yè)未實現(xiàn)全國各地全覆蓋，在無蠶地區(qū)不能起到監(jiān)控作用。解決這個問題有兩條途徑：一是家蠶育種機(jī)構(gòu)培育出廣適性蠶品種，適合多種環(huán)境飼養(yǎng)，擴(kuò)大養(yǎng)蠶覆蓋面；二是發(fā)明一種容器能通過快遞或其他方式發(fā)往目的地且家蠶不受影響，到地方直接使用飼養(yǎng)好的各個齡期的家蠶進(jìn)行監(jiān)測。

其次是非蠶區(qū)的人缺乏家蠶養(yǎng)殖技術(shù)。這個問題可以從兩方面著手解決：一是養(yǎng)蠶技術(shù)培訓(xùn)；二是家蠶養(yǎng)殖技術(shù)人員遠(yuǎn)程指導(dǎo)。

第三就是用戶在家蠶飼養(yǎng)過程中發(fā)現(xiàn)家蠶發(fā)生異樣情況，怎樣對異樣情況進(jìn)行處理以及如何確定異常情況是否是由環(huán)境污染引起。這個問題可以從兩方面解決：一是家蠶養(yǎng)殖技術(shù)人員首先要加強(qiáng)學(xué)習(xí)做到能快速判斷家蠶出現(xiàn)問題的原因所在；二是也可將所有不是癥狀所對應(yīng)的處理方法以及可能是哪一種或多種污染物造成的作一個詳細(xì)的文字材料放于互聯(lián)網(wǎng)方便用戶查看對比。

綜上所述，家蠶對重金屬污染物、絕大部分農(nóng)藥污染、部分大氣污染物都能起到很好的監(jiān)測指示作用，其作為監(jiān)測生物是可行的。對比現(xiàn)階段生物監(jiān)測指示生物斑馬魚、兩棲生物、蚯蚓等動物、微生物、向日葵、月季、雪松等植物有著更加廣泛的適用范圍、更加明顯易辨的表像以及更加經(jīng)濟(jì)的成本費(fèi)用。