利用水生生物评价水质及环境污染

中国疾病预防控制中心环境所（北京100050）

高世荣、孙凤英、许永香

摘要：浮游生物对许多物质，特别是外来的污染物质的敏感性以及积累、转移作用，也使它们在研究物质对生态系统的生态毒理影响和生态系统的演替、稳定性等方面起着重要作用。而且判断水质时，把指示水质污染的有无拔染强度的指示种作为指标进行判断?/SPAN>

关键词：水生生物、水质、群落、环境污染

在自然水域中生存着大量的水生生物群落，他们与水环境有着错综复杂的相互关系，对水质变化起着重要作用。不同种类的水生生物对水体污染的适应能力不同，有的种类只适于在清洁水中生活，被称为清水生物（或寡污生物）。而有些水生生物则可以生活在污水中，被称为污水生物。水生生物的存亡标志着水质变化程度，因此生物成为水体污化的指标，通过水生生物的调查，可以评价水体被污染的状况。有许多水生生物对水中毒物很敏感，也可以通过水生生物毒性实验结果来判断水质污染程度。

一、污化指示生物检验

各种不同类群的污水生物在自然水域的自净过程中起着非常重要的作用。随着水体的污化程度的改变，不同污化的水体中就有着不同的污水生物群，多污生物能在多污带生存，他们有着对毒物及不良环境较强的忍受力和抵抗力。对不良环境有一定的适应性。总之水体中一定种类生物的存在，是水体污化程度的良好指标，因此我们在检查水质时，除了化学方法外，还可以利用水生物的方法，也就是可以借助于水体中出现的水生生物的种类和数量来判定水质的情况。污水指示生物包含着鱼类、昆虫、浮游植物、浮游动物、水底生物，真菌、细菌等等。

二、指示鱼类

各种废水的污染程度，因废水的性质数量不同而发生显著的变化。栖息在那里的生物，在整个生活史期间都经受着水域的不断变化的污染过程的影响，并反映到该生物的生活和生产上。因此可以说这正是污水生物能作为水体污染指标的重要根据。从无机污染来看，在强污染区没有鱼类栖息。从中污染区到弱污染区进而到正常区，鱼类的栖息密度则随着环境污染程度的变化而发生相应的变化。因为鱼类，特别是上层鱼，移动性大，对于水的混浊和毒物表示嫌忌而迁移，所以要正确地反应特定物的污染程度有一定的困难。然而，因为鱼的这种迁移行动本身就应该是污染物存在的指标。底栖鱼类对底质污染敏感，作为污染的指示鱼类可以说比上层鱼类优越。

三、指示底栖动物

底栖动物通常是以网眼可见的大小的动物作为调查对象。它们运动不敏捷，移动性没有鱼类那样大，所以定量采集容易，因为是底栖性的，所以对水质和底质两方面的污染反应都敏感，其种类的多样性比鱼类大，而种类的鉴定又不象藻类那样难。底栖动物对水体污染的耐受性和适应性因种类或分类群的不同而有较大变化。生活史的长短次于鱼类，与人类的直接联系少。但是作为鱼类的饵料同鱼类有着密切的关系。

把底栖动物分为非耐污性种和耐污性种两群，把两者（2A+B）的值作污染生物指数，在有机污染水体，这类耐污性种当中，象颤蚓科（Tubificidae）和摇蚊科（Chironomidac）的种类，喜欢生活在污染水体中，有的种在没有污染的水体中反而不生存。而在无机污染的情况下，即便是在悬浮物质污浊或毒性物质污染的水域中，几乎看不到喜好在污染水体中大量出现的污染性种的污染群落。在强酸性水体中出现的应称为耐酸性种，其中，短尾石蝇（vemourasp）等的个体数为多，而且它们也出现于中性水体。无机污染水体，在强污染区完全没有底栖动物或者只有少量耐污染的种类，在中污染区、弱污染区其种类和个体数有逐渐增加的倾向。一般种类、个体数、重量大致表现出随污染而变动。这种情况下就不用特别考虑生物指数。如果要进一步表现污染指标的级差，耐受污染特别弱的种类也可以采用重量指数。个体数和重量值比种数更能反映污染强度的变化，而在个体数和重量之间又是重量能更严格地反映出污染强度的变化倾向，如果在无机污染的场合下，把动物的鉴定限于目的水平，并进行个体计数或湿重测定作为指标。

在未受到干扰的情况下，底栖动物的种群和群落结构是比较稳定的。而由于生活周期的不同，某些种类的生物量会有较大的变动。在正常情况下比较稳定的水体中，底栖动物的种类比较多，每个种的个体数量适当。群落结构稳定，多样性指标高。当水体严重的有机污染伴随毒物的影响时，水中溶解氧将大幅度降低，以致多数较为敏感的种类和不适应缺氧的种类逐渐消失，而仅保留耐污染的种类。这些种类的密度增加，成为优势种类。另一方面，重金属及其各种盐类在水体重严重污染，也会影响底栖动物的生存，甚至全部消失。因此，底栖动物可客观地反映环境的变化，并且与对照点相比显示出种类数量和多样性的差异。同时，由于底栖动物可以被动地忍受毒物的刺激，富集有毒物质。因此测定底栖动物体内有毒物质含量，有助于了解该水质的污染历史，也是进行毒理学的良好资料。

四、指示着生藻类

着生藻类比底栖动物，其生活周期要短，恢复率快。而着生藻类的生产速度与动物不同。容易测定，如果是作为污染强度指标的比较值，根据黑白瓶法测定就足够了。这种情况，要选择几个调查地点，则以24小时为单位进行测定。然而这样长的时间会由于污染的影响而扩大生产速度的级差。在无机污染水体，特别是河流的上游地区，因为不象在有机污染水体那样，细菌和原生动物大量繁殖以及有机物的大量存在，所以可以把光合作用速度同呼吸作用速度的差大致当作粗生产速度。

五、多样性指数

多样性指数和各种生物指数早就被应用于水质的生物学评价。浮游藻类，已经用多样性指数进行评价。藻类各类群在群落中所占比例也往往作为污染的指标。如果绿藻和蓝藻数量多，甲藻、黄藻和金藻数量少，往往是污染的象征，而绿藻和蓝藻数量下降，甲藻、黄藻和金藻数量增加，则反映水质的好转。例如采用PFU法，研究三价砷对藻类群落多样性指数的变化，在不同浓度砷的水体中，由于不同种类对污染的反应不同，少数种类的种群数量增加，但在严重污染时，种类数和种群数量都降低。从群集速度、消失速度和多样性指数可以看出藻类在PFU群集过程中，高浓度组中的藻类群落迁入速度随时间的延长而下降，消失速度则随时间而上升，藻类群落在1mg/L、5.6mg/L、10mg/L、32mg/L和56mg/L的砷浓度中，中毒1d、3d、7d、11d及15d，多样性指数平均值为8.59、8.19、8.08、7.33及6.78，对照组为8.68，随着AS^3＋浓度的增加，而多样性指数也明显下降，从结果可见，三价砷对藻类群落结构有一定的毒性作用，按多样性指数由高到低，水质则由优到劣可把砷的污染程度区分开来，可见利用微型生物群落结构在PFU上群集过程的变化，能够直观地反映水质状况，可以区别污染的类型及污染的程度。而轮虫和甲壳动物也能反映水的污染状况，特别是在严重污染地区枝角类和桡足类种类和数量往往减少。

六、污水生物的生活环境及主要种类

（1）       多污带

多污带是多污污水生物生存的地带，多处在污水的入口处。污物使水呈暗灰色，极浑浊。水中含有大量的有机物质。首先是未分解的蛋白质和碳水化合物，在这些物质的分解过程中，大量地产生有毒气体，如硫化氢、二氧化碳、以及甲烷。多污带中氧气极为缺乏，几乎全部消失，氧气的唯一来源是从大气中极慢地扩散到水中。这里的化学作用都是还原性的。多污带的水底被沉下来的大量悬浮物所覆盖。水中可能存在着有毒成分以及不适宜的PH。

特别不良的环境条件决定了多污带生物界种类是有限的，多污污水生物全部是异养性生物（也叫消费性生物，即生活中需要制造好了的有机物质），而不存在自养性生物，（也叫生产性生物）即用无机物制造有机物的绿色植物。

多污带的指示生物主要是水细菌，水细菌的种类是很多的，其中硫磺细菌的存在表示水中含有许多硫化氢，它是分解蛋白质放出硫化氢的细菌。水细菌的数量极多，有时在每1毫升水中可达到几亿之多。在多污带的底部淤泥沉积层中大量生活着寡毛目蠕虫。在多污带是看不到显花植物的。

（2）       中污带

中污带又分为两个亚带，即污染较严重的甲型中污带和污染较轻一些的乙型中污带。

（3）       甲型中污带

甲型中污带的化学特点与多污带近似，水为灰色，但是，在这带中除了还原作用外，已发生了氧化作用，由于有机物的分解，形成了氨和氨基酸，氧气仍然很缺乏，为半嫌氧条件，并有硫化氢存在，有时水面上能见到浮泥。生活在这一带的生物叫做甲型中污污水生物。生物的种数仍然不多，比多污带的生物多些，主要还是水细菌，每一毫升水中几千万个。除了水细菌外，还出现了吞食细菌的纤毛虫类和轮虫类。另外还有蓝藻和绿色鞭毛藻类。水底污染已部分矿质化，滋生了多量的颤蚯蚓等需氧较低的生物，如小球藻、绿裸藻、单衣藻、绿球藻等等。

（4）       乙型中污带

乙型中污带的化学特点是氧化作用比还原作用占优势，绿色植物大量出现，使水中含氧量增高，溶解氧有时达到饱和。由于蛋白质的进一步矿物质化，氮的化合物呈铵盐、亚硝酸盐类和硝酸盐类。相反，有机质的含量极为微小。水中的二氧化碳和硫化氢含量很少。

乙型中污带的生物界特点是种类多种多样。这一带的主要生物种类是各种藻类（如蓝藻、硅藻、绿藻等），以及轮虫、甲壳动物和昆虫。

乙型中污带不利于水细菌的生存，因此，细菌的数量显著减少，每一毫升水中有几万个。本带已出现了鱼类，如泥鳅、鲫鱼、鲤鱼等。

（5）       寡污带

在这一带中，自净作用已经完成。溶解氧极为丰富，有时甚至达到氧饱和。二氧化碳含量极少，硫化氢几乎完全消失，水中PH适于生物的存在。污泥沉淀已经矿质化，蛋白质达到矿质化的最后阶段，形成了硝酸盐氮，水中不存在有毒物质。水中的有机物、混浊度极低，水的生化需氧量极低。

寡污带的生物种类极为丰富，多种多样，都是需氧性生物。细菌的数量已极少。水中有大量的浮游植物（如各种硅类、甲藻、金藻等等）。动物中有轮虫、甲壳类、苔藓虫、水螅、海绵类等等。并有大量的显花植物。本带鱼类的种类很多。

浮游植物长期以来就被用作水质的指示生物。有些种类在高度富营养的水体蓬勃发展，有些种类对有机污染和化学废水非常敏感。如浮游植物清水指示种类有冰岛直链藻、小环藻和锥囊藻属的种类。污染指示种类有谷皮菱形藻、铜锈微囊藻和水花束丝藻。后两种和引起毒性水华及缺氧条件有关，这两种藻类及其它种类和污水中的毒水华有关，产生令人讨厌的味道和气味。和浮游植物一样，一定水域内的浮游动物种群对评价水质是有用的。

在进行江、河、湖、海的污染调查时，由于污染源十分复杂，所以往往难于对单一的理化指标表示其污染程度，而水生生物可以在一定程度上综合地反映出水体的污染情况和污染物毒性。当复杂的工业废水及有毒物质排入水体后，可用水生生物配合理化测定共同说明水质污染情况，检定水质。由于工业废水成分复杂，各种毒物间的拮抗、加成作用，往往使废水的毒性与单一存在毒物的毒性有所不同，运用水生生物直接测得的废水综合毒性结果就可以弄清废水的实际毒性，可以作为对水体进行卫生学评价的综合指标。

能够做为指示生物种类是很多的，国内外已有许多研究报导。水生物毒性实验中的实验生物，较多运用的是鱼类和浮游生物。浮游生物的代表常常采用枝角类中的大型水蚤、蚤状水蚤，以及藻类中的栅藻，鱼类常采用斑马鱼等。

在水生毒性实验方面，主要有：

1、  混合毒物的急性联合效应研究

混合毒物的短效应实验是研究高浓度毒物间相互作用的快速方法，它反映生物受到多种污染物冲击时的危害情况。已建立的一些联合作用统计模型大都适用于急性联合毒性实验结果分析。各国水生毒理学家们做了不少研究，提供了大量数据。已研究的毒物很广泛，多数为环境中的污染物，其中包括金属离子之间的联合作用，被研究的有机物主要有农药、致畸剂、致癌剂及表面活性剂等，都是环境中危害较大的物质 ，用于研究的实验生物包括水环境中的各种生物，较多的为脊椎动物鱼类，浮游动物水蚤类，此外还有瓣鳃类贻贝，甲壳类蟹虾，浮游植物藻类等。

2、  混合毒物的长效应研究

混合毒物的长效应实验一般以存活、生长、体重、体长、繁殖力、孵化率、子代存活率、残留毒性或致畸率为指标，反应混合毒物在低浓度水平对生物的影响。混合毒物的长效应研究更接近于实验环境中水生物的染毒情况，其数据有很重要的参考价值。

蓄积性实验也是长效应研究的一个方面，一个毒物的存在可能会对另一毒物在生物体内的蓄积作用产生影响。如腐殖酸可以降低1龄蚤对Cu的富集作用，腐殖酸海可以降低大型水蚤对三种除虫菊酯的富集。而研究现存的水质标准（由各种物质单一毒性实验推导得到）在多种毒物共同存在时是否仍安全是联合作用研究的目的之一。如美国EpA的环境研究室研究了Cd、As、Cr、Cu、Hg和Pb六种金属离子的水质标准对三种水生物的安全性，即观察六种金属在最大允许毒物浓度（MATC）和平均安全浓度下混合，以及在几倍或几分之一这两个浓度下混合对水生物的毒性效应，结果在MATC浓度下，32天流水实验黑头软口鲦死亡率很高，幼鱼生长率降低，卵孵化后畸形，表明用各个单一物质毒性实验结果推导出的水质标准并不能够保护全部水生物。在制定水质标准时有必要考虑不同物质间的相同作用。

3、  联合作用的生化水平研究

毒物对水生物联合作用的生化指标研究得还不多。国外学者对Cu、Cd、Zn联合作用引起鱼肝金属蛋白生成进行一系列研究，结果表明鱼肝MT浓度与金属浓度成正相关，但肝MT浓度的增加并不一定能指示对金属耐受性增强，监测鱼体中的MT可以做为金属污染的一种指标。对HgCl₂和Na₂SeO₂对黑蛔肾非蛋白质巯基化物的影响中，Hg与Se起相反的作用，Se引起的肾非蛋白质巯基化物增高大于Hg的降低作用。生化指标的变化反映了毒物对生物体内正常代谢的影响，可用于进一步探讨混合物对水生物的联合作用机制。

4、  鱼类急性毒性试验

在测定化学物质和工业废水的毒性、评价废水废物对水生生物影响，以及废水和河流的监测中，鱼类急性毒性已成为国际上公认的生物测试方法。

急性毒性实验对称短期试验，其基本原理是利用鱼类在不同浓度的毒物或废水中短期暴露时产生的中毒反应，以50％受试鱼的死亡浓度给出半致死浓度值，以LC₅₀值大小来表示被测毒物或废水废物的毒性大小。

毒性试验资料应用广泛，通过半致死浓度LC₅₀值，可了解毒物或废水的毒物程度，LC₅₀愈小则毒性愈大。急性毒性资料能预测对鱼类的急性损害及短期暴露的最大容许浓度，并可估计毒物或废水在接纳水体中的无可见效应浓度，NoEL较低，则意味着废水或毒物的毒性较大。现在鱼类急性毒性试验已成为管理工业废水的一种常规方法，也是制订渔业水质标准和工业排放标准的重要依据。

由于鱼类急性毒性试验方法简便，测定快速、经济等特点。在国际上也仍是广泛用于毒物和废水的生物监测和评价，危险品评价及标准制订、工业废水管理等方面的标准方法。

5、  枝角类毒性试验

枝角类属甲壳纲、鳃足亚纲、双甲目，通称蚤类。蚤类处于水体初级生产者（藻类）与最终消费者（鱼类）之间的环节，它对毒物比鱼敏感。

蚤类毒性试验基本过程是将蚤类暴露于高浓度毒物中，在短时间内测定受试物质（或废水）致死试验生物50％死亡率时的有害浓度。常用24h或48h半致死浓度（LC₅₀）来度量受试污染物的毒性程度。或用蚤类在低浓度污染物长时间暴露后测定毒物对蚤类的生长、发育、繁殖的影响，这称为慢性毒性试验。用急性和慢性试验的测定结果，可确定化学物质的安全浓度，评价化学物质及废水对水生生物的影响，为制订标准及废水管理提供依据。

6、  生态毒理联合效应相加指数法

由于水体中共存的各种化学物质，尽管他们的毒性不同，但往往对生物的作用性质或方法是相似的，因而一种毒物产生的毒性可被一定量的另一毒物所代替，当毒物的有效浓度以相同的单位表示时，混合物的有效浓度为各毒物有效浓度之和。

主要做法是：

（1）、先测单一毒物毒性，分别获得LC₅₀或EC₅₀值。

（2）、按浓度1比1或毒性单位1比1进行一系列浓度的联合毒性实验。

（3）、各种生物LC₅₀和EC₅₀毒性实验方法按国际标准组织法（ISO）或我国标准法GB。原则上做一系列等距离对数浓度，分别放置10－20个实验生物，观察24、48或96h实验生物的死亡数或运动受抑制数，统计处理后取得半数致死浓度LC₅₀值或半数运动受抑制浓度EC₅₀值，得出95％可信限范围，再进一步计算出相加指数AI，由AI值判断毒性联合效应。

计算方法及联合毒性评价方法

当实验完成了单一毒性与混合毒性实验，得到LC₅₀值或EC₅₀值后，用下列公式先求S

               Am       Bm       Cm

         S =         +         +         +  ……

               A1            B1          C1

式中，S：对生物毒性相加作用之和。A₁，B₁，C₁：分别为A、B、C等毒物的毒性LC₅₀或EC₅₀值。A_M、B_M、C_M：混合物毒性中各毒物的毒性（LC₅₀或EC₅₀），然后用以下公式将S转换成AI。

当S  ≤ 1时：AI=（1/s）—1.0

当S  ＜ 1时：AI= S（－1）＋1.0

最后用相加指数AI评价毒物的联合效应，AI>0为大于相加作用，即协同作用；AI<0为小于相加作用，即拮抗作用；AI＝0为相加作用。

如Cd与Zn在毒性1：1情况下24h LC₅₀值，Cd为3.30mg/L，Zn为19mg/L，48h为3.11mg/L，Zn为18.5mg/L，96hCd为3.11mg/L，Zn为18.5mg/L。所获得的AI24h为0.219，48h为0.076，AI值都大于零，其联合毒性为协同作用，但96hAI为－0.271则为拮抗作用。当Cd与Zn在浓度1比1时，其LC₅₀值分别为2.3mg/L（24h），2.15mg/L（48h）及2.05mg/L（96h）。AI值再24h、48h及96h分别为1.86、1.61及1.09，均大于零，都为协同作用。由此可见，Cd与Zn共存时，除了毒性1比1时，96h结果为拮抗作用外均为毒性剧增的协同作用，镉的存在增加了锌的毒性。而镉与锌共存时的毒性绝非是镉与锌单一毒性的相加，远远大于镉锌单一毒性的和。

所取得的LC₅₀值或EC₅₀值要求得出95％可信限或范围，由上下限可求出相加指数范围。

7、  生物体内残鱼的测定

要分析器官与组织的残毒，主要是肌肉、肝脏和鳃。还可以包括血液、脑、肾、肠道、生殖腺、骨及皮肤等部位。整体样品的分析不能取代各部组织，特别是肌肉部分的分析。

生物学观察及亚致死反映的测定。

鱼体受到污染物的压力后，在组织学、生理学、生物化学、行为、生长、繁殖能力等方面的变化，都可以成为观察测定的指标。对这些亚致死反应的研究，不但是确定安全浓度的依据。也是了解毒物作用方式的有效途径。

组织病理学是最灵敏的指标之一。鳃是气体与体盐离子的交换器官，又是许多毒物的靶器官。肝是解毒器官，肾是水平衡器官。这些器官及其它一些器官和组织常被用于组织病理研究。鱼类的生长变化是对毒物最敏感的亚致死反应之一，作用于实验动物的各种亚致死水平的影响都可能反映到生长率的变化上。生长率直接关系到生产力，易于测定，因此慢性试验几乎都把生长率的变化作为主要指标。进行生长率的研究不一定持续很长时间，有时两个星期也能显出差异。时间太长反而有可能涉及到季节性的生长率变化等因素。更有意义的测定是食物转化率与毒物水平的关系。而鱼类的繁殖是另一个最敏感的反应。如对性成熟的推迟，对产卵的抑制，对胚胎发育的干扰和孵化的阻碍与推迟等，常常出现在生长和组织学及有反应的浓度水平上。此外，持久性毒物可能通过繁殖由亲体传给下一代。所以在测定安全浓度时，观察对繁殖的危害有特别的重要意义。

七、水生生态系统藻类生长抑制试验。

水环境中生态因子的变化会刺激或抑制藻类的生长，导致水体初级生产力的变化。它可用受试物对有机体短期暴露效应的初评，而且可指示藻的群体效应，所得结果可以反映受试物对水体中初级生产营养级的影响。

试验是将不同浓度的受试物加到处于对数生长期的藻培养物中，在规定的试验条件下进行培养，每隔24小时测定藻类种群的浓度或生物量，试验时间不少于96小时，低于对照的生长率称作抑制。如三价砷、五价砷对栅藻的影响。

表1 三价砷对栅藻的毒性

表2 五价砷对栅藻的毒性

表3 砷对栅藻的毒性（mg/L）

结果表明砷对栅藻有一定的毒性作用，高浓度组都能影响藻的生存、生长繁殖及破坏藻的叶绿体，从不同价态的毒性结果分析，三价砷的毒性比五价砷的毒性大。

综上所述，浮游生物对一些污染物的敏感性以及它们在水生态系统中的重要性，在了解污染物对水环境的影响，制订水质标准或污水排放标准时，常常选择浮游生物中的一些种类作为生物测试的材料，而且在污水生化处理、污水处理及污染治理当中也能发挥作用。