水質(zhì)生物毒性的監(jiān)測技術(shù)探討

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展，水質(zhì)生物毒性已經(jīng)逐步成為評價(jià)水質(zhì)污染的手段之一。本文主要探討國內(nèi)外的兩種生物毒性檢測技術(shù)——細(xì)菌發(fā)光法及化學(xué)發(fā)光法，以及采用這兩種技術(shù)的毒性儀特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：生物毒性監(jiān)測 細(xì)菌發(fā)光法 化學(xué)發(fā)光法 便攜式毒性分析儀

1生物毒性監(jiān)測的必要性

隨著近代工業(yè)的發(fā)展，化學(xué)物質(zhì)的使用日益增多，使人類賴以生存的水生生態(tài)系統(tǒng)受到了越來越嚴(yán)重的污染，而且突發(fā)性環(huán)境污染事故時(shí)有發(fā)生，如人為投毒、自然災(zāi)害引起的水質(zhì)突變，尤其是石油化工原料、產(chǎn)成品及有毒有害危險(xiǎn)品的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中發(fā)生的事故對環(huán)境水體所造成的污染等。這就要求我們要快速地應(yīng)對各種突發(fā)性環(huán)境污染事故，盡量減少各種經(jīng)濟(jì)損失或社會(huì)影響。幾十年來，各種理化分析手段的靈敏度越來越高，大多數(shù)研究者都是關(guān)注單一污染物對生物體和生態(tài)系統(tǒng)的毒性效應(yīng)，但是，環(huán)境中的生物體常常暴露于多組分污染物共存的混合體系中，而非簡單的單一體系。混合物體系產(chǎn)生的毒性效應(yīng)是所有組分污染物拮抗、疊加、協(xié)同或抑制作用的綜合結(jié)果，即使混合物體系中的單一組分處于無毒性效應(yīng)濃度時(shí)，該組分對混合物的總毒性效應(yīng)仍有一定的貢獻(xiàn)【1-4】。因此，發(fā)展新的快速、準(zhǔn)確評價(jià)各類污染物毒性的有效方法顯得非常迫切和必要。

本文在此主要對國內(nèi)外的生物毒性監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行研究和探討。

2 生物毒性監(jiān)測技術(shù)

環(huán)境中有毒物質(zhì)生物毒性的測定與評價(jià)，一般用浮游生物、藻類和魚類等水生生物，以其形態(tài)、運(yùn)動(dòng)性、生理代謝的變化或者死亡率做指標(biāo)來評價(jià)環(huán)境污染物的毒性。這些方法一度成為評價(jià)環(huán)境污染的必需手段之一，但這些方法操作都比較繁瑣，檢測時(shí)間較長，檢測費(fèi)用較高，且結(jié)果不穩(wěn)定，重復(fù)性差，使其難以推廣應(yīng)用，且不適于常規(guī)的檢驗(yàn)，尤其是現(xiàn)場的應(yīng)急監(jiān)測【5】。針對傳統(tǒng)生物毒性檢測方法的不足，以及現(xiàn)場應(yīng)急監(jiān)測的需求，一些快速、簡便且經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代檢測方法逐步發(fā)展起來，如發(fā)光細(xì)菌毒性檢測方法、化學(xué)發(fā)光毒性檢測方法等。其中發(fā)光細(xì)菌因其獨(dú)特的生理特性，與現(xiàn)代光電檢測手段良好匹配的特點(diǎn)而備受關(guān)注。而化學(xué)發(fā)光毒性監(jiān)測方法則是的毒性評價(jià)技術(shù)，彌補(bǔ)了細(xì)菌發(fā)光法在現(xiàn)場中使用的一些限制性，可在時(shí)間內(nèi)對突發(fā)性事件或人為破壞引起的水源地及飲用水污染事件做出評估，越來越受到各個(gè)環(huán)境領(lǐng)域的關(guān)注。

2.1 細(xì)菌發(fā)光檢測技術(shù)

發(fā)光細(xì)菌綜合毒性檢測技術(shù)是建立在細(xì)菌發(fā)光生物傳感方法基礎(chǔ)上的毒性檢測技術(shù)，它能有效地檢測突發(fā)性或破壞性的環(huán)境污染。發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光過程是菌體內(nèi)一種新陳代謝的生理過程，是光呼吸進(jìn)程，是呼吸鏈上的一個(gè)側(cè)支，該光的波長在490nm左右。這種發(fā)光過程極易受到外界條件的影響，凡是干擾或損害細(xì)菌呼吸或生理過程的任何因素都能使細(xì)菌發(fā)光強(qiáng)度發(fā)生變化。當(dāng)有毒有害物質(zhì)與發(fā)光細(xì)菌接觸時(shí)，水樣中的毒性物質(zhì)會(huì)影響發(fā)光菌的新陳代謝，發(fā)光強(qiáng)度的減弱與樣品毒性物質(zhì)的濃度成正比。其反應(yīng)機(jī)理如下列化學(xué)方程式所示：

FMNH2 +O2 + R-CHO → FMN + R-COOH + H2O + Light

概括地說，就是細(xì)菌生物發(fā)光反應(yīng)是由分子氧作用，胞內(nèi)熒光酶催化，將還原態(tài)的黃素單核苷酸（FMNH2）及長鏈脂肪醛氧化為FMN及長鏈脂肪酸，同時(shí)釋放出發(fā)光強(qiáng)度在490nm左右的藍(lán)綠光【6】。

目前，發(fā)光細(xì)菌法已經(jīng)成為了成為一種簡單、快速的生物毒性檢測手段，廣泛應(yīng)用于質(zhì)檢、環(huán)境監(jiān)測、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域，并被列入了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11348，我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15441-1995，德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN38412。在我國，目前主要是以國際ISO標(biāo)準(zhǔn)和我國的國家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，尤其是國際ISO標(biāo)準(zhǔn)。

ISO11348標(biāo)準(zhǔn)的檢測原理是，在15℃溫度下，以無毒參比溶液做對比，樣品或其稀釋溶液與Vibrio Fischeri（費(fèi)氏弧菌）接觸15min或30min或5min后，測量出實(shí)際樣品對發(fā)光細(xì)菌的抑制率。水質(zhì)的毒性水平以LID值（當(dāng)抑制率降低到20%時(shí)樣品的稀釋倍數(shù)）、EC20或EC50值（造成20%或50%抑制率時(shí)樣品的濃度）表示。LID值越高，EC值越低，表明樣品的毒性越強(qiáng)。而我國的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15441-1995采用的菌種是明亮發(fā)光桿菌T3小種，水質(zhì)的毒性水平是以相當(dāng)?shù)穆然瘽舛然蜻x用EC50值來表征。

2.2 常見的細(xì)菌發(fā)光法生物毒性儀

目前，國內(nèi)外常見的快速生物毒性分析儀大多都是建立在細(xì)菌發(fā)光法的原理上，一般有適用于實(shí)驗(yàn)室檢測的臺(tái)式毒性儀和適用于現(xiàn)場使用的便攜式毒性儀。臺(tái)式的毒性儀主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室中，在15℃的恒溫器中，按照ISO標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行樣品的毒性分析，計(jì)算出樣品的毒性水平LID值或EC值。便攜式的毒性儀主要應(yīng)用于現(xiàn)場的常規(guī)快速監(jiān)測或突發(fā)事件的應(yīng)急監(jiān)測，采用簡化后的ISO標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行分析，一般不配備恒溫器，檢測水樣對發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光抑制率。

2.3 臺(tái)式細(xì)菌發(fā)光法毒性儀的對比分析

對于臺(tái)式毒性儀來說，它們的主要區(qū)別主要有：

（1） 菌種：使用不同的菌種，水中毒物對其發(fā)光過程的影響程度是不一樣的，因此，若要使數(shù)據(jù)更有權(quán)威性及可比性，一般采用符合標(biāo)準(zhǔn)的菌種。有些公司采用的菌種是ISO標(biāo)準(zhǔn)中采用的費(fèi)氏弧菌Vibrio Fischeri，復(fù)蘇時(shí)間為15min；有些公司采用的菌種是我國國家標(biāo)準(zhǔn)中采用的明亮發(fā)光桿菌T3小種，復(fù)蘇時(shí)間為2min；還有些公司的毒性儀采用的菌種為鰒魚發(fā)光桿菌，其復(fù)蘇時(shí)間長達(dá)3小時(shí)。

（2） 抗干擾能力：毒性測定是通過一個(gè)光度計(jì)測定樣品的相對發(fā)光度，因此水樣的顏色或渾濁度會(huì)對檢測結(jié)果造成很大的干擾，這也是所有毒性儀在實(shí)際水樣測定中遇到的干擾。在目前市場上的毒性儀中，只有Hach公司的臺(tái)式LUMIStox300毒性儀具有色度和濁度的自動(dòng)補(bǔ)償功能。

2.4 便攜式細(xì)菌發(fā)光法毒性儀的對比分析

對于便攜式毒性儀，由于應(yīng)用場所是各類現(xiàn)場環(huán)境，因此大多儀器特點(diǎn)集中在檢測速度及其是否適合應(yīng)用于各種惡劣現(xiàn)場環(huán)境中，各品牌的主要區(qū)別如下：

（1） 菌種：使用符合標(biāo)準(zhǔn)的菌種可使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有更好的權(quán)威性及可比性。哈希公司的Eclox、使用的是ISO標(biāo)準(zhǔn)中的費(fèi)氏弧菌，有些公司的毒性分析儀采用的是鰒魚發(fā)光桿菌，靈敏度高，還有些毒性儀采用的是淡水菌——青?；【?，但是由于既不符合國際標(biāo)準(zhǔn)，也不符合我國的國家標(biāo)準(zhǔn)，因此，其數(shù)據(jù)的可比性和權(quán)威性不強(qiáng)。

（2） 檢測速度：現(xiàn)場應(yīng)用，一般都要求檢測速度越快越好，由于使用的都是細(xì)菌發(fā)光法，因此操作流程基本一致。影響檢測速度的就只有菌種的準(zhǔn)備過程了。一般來說，菌種需要經(jīng)過復(fù)蘇和稀釋過程，有些菌種長達(dá)3小時(shí)的復(fù)蘇時(shí)間對現(xiàn)場快速檢測不利。

（3） 儀器的便攜性能：在野外現(xiàn)場的工作中，儀器的小巧便攜性、堅(jiān)固性及使用方便性是非常重要的。以上品牌的便攜性儀器基本上都很小巧，且都可以使用電池為電源，重量在2~3kg，并配備了便攜箱，把儀器和試劑都內(nèi)置在便攜箱中，便于攜帶。這些功能都會(huì)增加現(xiàn)場使用的便捷性。

（4） 認(rèn)證：對于水質(zhì)的現(xiàn)場表征，USEPA不鼓勵(lì)使用那些性能（例如假陽性或假陰性）沒有經(jīng)過驗(yàn)證的現(xiàn)場測試技術(shù)。哈希公司的Eclox毒性分析儀具有USEPA環(huán)境技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目（ETV）的認(rèn)可。

（5） 結(jié)果表達(dá)形式：由于主要是針對在現(xiàn)場的快速篩檢，因此便攜式毒性儀基本上都是采用簡化了的ISO11348標(biāo)準(zhǔn)流程對樣品的毒性進(jìn)行快速評估，一般都是測定一個(gè)樣品濃度的抑制率，即所謂的單點(diǎn)結(jié)果表達(dá)方式，抑制率越高，樣品溶液的毒性越強(qiáng)。所有的便攜式毒性儀基本上都是采用這種方式。其中的Eclox除了采用單點(diǎn)表達(dá)方式外，還創(chuàng)新開發(fā)了一種獨(dú)特的類似于ISO標(biāo)準(zhǔn)的三點(diǎn)表達(dá)方式，且用一張獨(dú)特的色卡（見圖1和圖2），通過三個(gè)點(diǎn)落在不同的顏色區(qū)域來判斷水樣的毒性及危險(xiǎn)性。這種方法更直觀，令使用者更容易判定水樣的毒性強(qiáng)度及處理方法。