斑馬魚(yú)對(duì)水源特定污染物的水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警

馬中雨，陳家全，陳興廳，宋武昌，逯南南，孫韶華，賈瑞寶

山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心，山東 濟(jì)南 250021

生物監(jiān)測(cè)預(yù)警是一種利用魚(yú)類(lèi)、發(fā)光菌、水蚤等受試生物作為生物傳感器監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化、判斷其是否受到污染并對(duì)污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。魚(yú)類(lèi)對(duì)水環(huán)境的變化非常敏感，在外部環(huán)境壓力下，魚(yú)類(lèi)的行為會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，所以，通過(guò)監(jiān)測(cè)魚(yú)類(lèi)的行為變化可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)污染事件的在線(xiàn)報(bào)警。目前，魚(yú)類(lèi)行為生態(tài)學(xué)是國(guó)內(nèi)外科研工作者研究的焦點(diǎn)之一［1-5］，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多種生物魚(yú)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用于水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)［6-9］，但是斑馬魚(yú)在水質(zhì)生物預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用研究報(bào)道較少。該研究以斑馬魚(yú)為受試生物，利用水質(zhì)在線(xiàn)生物安全預(yù)警系統(tǒng)分析斑馬魚(yú)在6種環(huán)境污染物下的行為變化及系統(tǒng)報(bào)警特征，為飲用水水源突發(fā)水污染的生物監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在斑馬魚(yú)行為在線(xiàn)監(jiān)測(cè)中，采用水質(zhì)安全在線(xiàn)生物預(yù)警系統(tǒng)(BEWs-3，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)研究中心研制，示意圖見(jiàn)圖1)進(jìn)行。該系統(tǒng)主要由生物傳感器、信號(hào)采集處理系統(tǒng)、信號(hào)分析評(píng)估系統(tǒng)及顯示器組成。其預(yù)警原理是在一定環(huán)境壓力下，生物行為反應(yīng)是外界環(huán)境和內(nèi)部生理變化的外在體現(xiàn)，所以生物行為變化可以起到環(huán)境變化警示作用，通過(guò)生物行為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)斑馬魚(yú)在水體污染情況下行為強(qiáng)度變化，達(dá)到監(jiān)測(cè)被測(cè)水體污染狀況的目的。在斑馬魚(yú)行為監(jiān)測(cè)過(guò)程中，采用直徑為5 cm、長(zhǎng)7 cm的圓柱形生物傳感器。

圖1 水質(zhì)安全在線(xiàn)生物預(yù)警系統(tǒng)示意圖

1.2 受試生物

斑馬魚(yú)(Zebrafish)，屬真骨魚(yú)總目、鯉科，是一種敏感的水生模式生物，其生物學(xué)背景研究充分，對(duì)多種有毒化學(xué)物質(zhì)或環(huán)境污染物敏感，被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織列為毒性實(shí)驗(yàn)受試種之一，國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于多種有毒化學(xué)物質(zhì)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。因此，選擇斑馬魚(yú)為生物傳感器開(kāi)展研究工作。選擇的斑馬魚(yú)長(zhǎng)(30±5)mm、重(0.3 ±0.1)g。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用動(dòng)態(tài)水流監(jiān)測(cè)斑馬魚(yú)的行為反應(yīng)。在污染物暴露實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)黃河下游地區(qū)引黃供水系統(tǒng)水源濁度高、同時(shí)面臨有機(jī)物和重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)的情況，選擇濁度、亞硝酸鹽氮、石油類(lèi)、苯、砷化物、錳等6個(gè)指標(biāo)，分別測(cè)試其對(duì)斑馬魚(yú)的行為毒性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了明確生物綜合行為的變化，采用生物綜合行為強(qiáng)度(Behavior Strength)來(lái)反映其行為變化，在此過(guò)程中，判斷生物行為強(qiáng)度發(fā)生劇烈變化的標(biāo)準(zhǔn):變化以前連續(xù)5次行為強(qiáng)度平均值與變化以后連續(xù)5次行為強(qiáng)度平均值差異達(dá)到20%以上。

在受試生物動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始每個(gè)通道保持2條體長(zhǎng)2.5～3 cm的受試魚(yú)，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不喂食，并控制每個(gè)通道水流量為2 L/h。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中生物暴露的污染物濃度參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)III類(lèi)水體中限值以及生物監(jiān)測(cè)方法的靈敏度2個(gè)因素，除濁度和苯外，其他指標(biāo)均選擇標(biāo)準(zhǔn)濃度的5倍和10倍，濃度設(shè)置見(jiàn)表1。

采用地表水加標(biāo)方式調(diào)整實(shí)驗(yàn)濃度，加標(biāo)物質(zhì)及其參數(shù)如表2所示。在不同濃度污染物暴露過(guò)程中采用6組平行，監(jiān)測(cè)周期24 h，并通過(guò)平均值反映斑馬魚(yú)的行為反應(yīng)，在此基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)斑馬魚(yú)的敏感性。

表1 實(shí)驗(yàn)中各污染物濃度設(shè)置

表2 加標(biāo)物質(zhì)及其參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 斑馬魚(yú)在不同污染物下的行為變化

利用水質(zhì)安全在線(xiàn)生物預(yù)警系統(tǒng)分別測(cè)定了斑馬魚(yú)在濁度、石油類(lèi)、亞硝酸鹽氮、砷、錳、苯6個(gè)指標(biāo)下的行為強(qiáng)度變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2～圖7，圖中各對(duì)照均為純水。

由圖2可以看出:在濁度為10.1 NTU時(shí)，斑馬魚(yú)行為強(qiáng)度沒(méi)有受到顯著的影響;而當(dāng)濁度為53.8 NTU時(shí)，斑馬魚(yú)在暴露11 h后行為強(qiáng)度開(kāi)始緩慢下降，2 h后行為強(qiáng)度降到最低，下降幅度為13.7%，其后行為強(qiáng)度緩慢恢復(fù)?？傮w上看，濁度為10、53.8 NTU的水溶液對(duì)斑馬魚(yú)行為強(qiáng)度的影響不顯著。

當(dāng)斑馬魚(yú)在石油類(lèi)質(zhì)量濃度為0.25 mg/L的水體中暴露時(shí)，10 h后行為強(qiáng)度開(kāi)始緩慢下降;暴露21 h后，行為強(qiáng)度恢復(fù)到初始狀態(tài)，未出現(xiàn)報(bào)警信息;而在石油類(lèi)質(zhì)量濃度為0.5 mg/L的水體中暴露時(shí)，4 h后行為強(qiáng)度開(kāi)始下降，22 h后行為強(qiáng)度恢復(fù)到開(kāi)始狀態(tài)，也未出現(xiàn)報(bào)警信息，見(jiàn)圖3?？梢?jiàn)，石油類(lèi)對(duì)斑馬魚(yú)行為強(qiáng)度的影響有一定的劑量效應(yīng)。

圖2 斑馬魚(yú)在不同濁度下行為變化情況

圖3 斑馬魚(yú)在不同濃度石油類(lèi)條件下行為變化情況

圖4 斑馬魚(yú)在不同濃度亞硝酸鹽氮條件濁度下行為變化情況

圖5 斑馬魚(yú)在不同濃度錳條件下行為變化情況

圖6 斑馬魚(yú)在不同濃度砷條件下行為變化情況

圖7 斑馬魚(yú)在不同濃度苯條件下行為變化情況

由圖4可知，斑馬魚(yú)在亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為5 mg/L的溶液中暴露24 h后，沒(méi)有明顯差異，未出現(xiàn)報(bào)警;而在濃度質(zhì)量達(dá)到10 mg/L時(shí)暴露10 h后即出現(xiàn)報(bào)警。

斑馬魚(yú)分別暴露在質(zhì)量濃度為0.5 mg/L和1 mg/L的錳溶液中時(shí)，分別暴露1 h和1.5 h后即出現(xiàn)報(bào)警，除對(duì)照外其余通道魚(yú)全部死亡，結(jié)果見(jiàn)圖5。這說(shuō)明生物魚(yú)系統(tǒng)對(duì)重金屬錳的靈敏性較好，反應(yīng)敏感。

由圖6可見(jiàn)，斑馬魚(yú)在砷質(zhì)量濃度為0.25 mg/L的溶液中暴露1 h后行為強(qiáng)度開(kāi)始緩慢下降，7 h后斑馬魚(yú)行為強(qiáng)度降到0.2以下，全部死亡，0.5 h后即出現(xiàn)報(bào)警。在砷質(zhì)量濃度為0.5 mg/L時(shí)暴露10 min后行為強(qiáng)度開(kāi)始下降，1.2 h后行為強(qiáng)度下降到0.2以下，除對(duì)照外均死亡，1.7 h后出現(xiàn)報(bào)警?？梢?jiàn)，斑馬魚(yú)對(duì)砷反應(yīng)的劑量效應(yīng)非常明顯。

由圖7可見(jiàn)，斑馬魚(yú)在質(zhì)量濃度為0.25、0.5 mg/L苯溶液中暴露時(shí)，均有報(bào)警，報(bào)警時(shí)間分別是實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后14.25和3 h，2種濃度下均全部死亡;隨著苯濃度的提高，對(duì)其行為的影響也顯著增強(qiáng)。這說(shuō)明苯對(duì)斑馬魚(yú)具有較高的毒性。

在24 h暴露過(guò)程中，對(duì)照組內(nèi)斑馬魚(yú)行為未隨時(shí)間的變化而發(fā)生行為強(qiáng)度的明顯升高或降低，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在同一污染物暴露下，生物行為強(qiáng)度隨暴露時(shí)間變化而變化，也會(huì)隨暴露濃度的變化而變化。在濁度、石油類(lèi)、亞硝酸鹽氮、苯、砷、錳等高濃度的污染水體暴露下，斑馬魚(yú)的行為強(qiáng)度都有所下降，下降幅度分別為13.7%、37.7%、35.4%、62.1%、90%、95%，而在較低濃度的污染水體中，斑馬魚(yú)行為強(qiáng)度下降幅度分別為0、18.6%、0、10.2%、90%、95%，結(jié)果見(jiàn)表 3。

表3 斑馬魚(yú)在各污染物暴露下的行為強(qiáng)度變化分析

由表3可見(jiàn)，不同的污染物及其濃度對(duì)斑馬魚(yú)的行為強(qiáng)度產(chǎn)生了不同的影響，反映了不同污染物對(duì)斑馬魚(yú)毒性作用的不同，而這也為利用水質(zhì)安全在線(xiàn)生物預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化、判斷水質(zhì)污染物的類(lèi)型提供了線(xiàn)索。

2.2 在線(xiàn)生物預(yù)警系統(tǒng)報(bào)警特征與斑馬魚(yú)行為變化之間的關(guān)系

在水質(zhì)安全在線(xiàn)生物預(yù)警系統(tǒng)中，生物魚(yú)是整個(gè)系統(tǒng)的生物傳感器，其作用是感知水質(zhì)變化，并通過(guò)行為上的變化來(lái)反映水質(zhì)的變化。生物魚(yú)行為變化的極端情況是在污染物毒性作用下失去行為能力甚至死亡。在實(shí)驗(yàn)中，生物魚(yú)的死亡率與預(yù)警系統(tǒng)的報(bào)警結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可以看出，不同污染物對(duì)斑馬魚(yú)的毒性作用存在較大差異。在濁度、石油類(lèi)的低濃度和高濃度溶液中，受試生物魚(yú)死亡率均為0;在亞硝酸鈉氮、苯的低濃度溶液中，受試生物魚(yú)未見(jiàn)死亡，在高濃度溶液中，均有死亡;在砷和錳的高、低濃度溶液中，受試生物魚(yú)死亡率為100%。這一結(jié)果與生物魚(yú)行為強(qiáng)度的變化相吻合。生物預(yù)警系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警的情況與生物魚(yú)死亡的情況具有很好的相關(guān)性。生物預(yù)警系統(tǒng)不僅能夠在受試生物魚(yú)全部死亡時(shí)報(bào)警，而且在生物魚(yú)因?yàn)槎拘晕镔|(zhì)的作用出現(xiàn)部分死亡時(shí)也能夠報(bào)警，而在沒(méi)有生物魚(yú)死亡的情況下無(wú)報(bào)警。另外，對(duì)于不同類(lèi)型的污染物，儀器出現(xiàn)報(bào)警的反應(yīng)時(shí)間也不同。例如:在0.5 mg/L亞硝酸鈉氮溶液中，暴露10 h后儀器發(fā)出報(bào)警;而在0.5 mg/L錳溶液中，暴露1 h后即發(fā)出報(bào)警。這一結(jié)果也與生物魚(yú)行為強(qiáng)度變化相吻合。

表4 不同污染狀況下斑馬魚(yú)行為變化及在線(xiàn)報(bào)警特征

3 討論

在線(xiàn)生物監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)生物傳感器監(jiān)測(cè)水體內(nèi)受試水生生物不同水平上的生物學(xué)指標(biāo)變化，預(yù)警水質(zhì)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)對(duì)水環(huán)境污染與否、污染的嚴(yán)重性做出在線(xiàn)評(píng)價(jià)。該技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)國(guó)家應(yīng)用于水體突發(fā)性污染事故的在線(xiàn)預(yù)警［10-13］。在線(xiàn)生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心是通過(guò)生物傳感器監(jiān)測(cè)到在環(huán)境污染物壓力下的各種生物信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理器處理以后，再由計(jì)算機(jī)將處理后的數(shù)字信息以可視信號(hào)顯示出來(lái)，達(dá)到在線(xiàn)生物監(jiān)測(cè)的目的。大量的研究表明［14-16］，生物的行為生態(tài)學(xué)變化與環(huán)境污染物壓力存在顯著的相關(guān)性。本研究結(jié)果表明:生物魚(yú)的行為生態(tài)學(xué)變化與環(huán)境壓力大小直接相關(guān)，在高濃度污染物的環(huán)境內(nèi)，生物魚(yú)的行為生態(tài)學(xué)出現(xiàn)劇烈變化;生物魚(yú)的行為生態(tài)學(xué)變化與在一定壓力環(huán)境內(nèi)的暴露時(shí)間直接相關(guān)，隨著暴露時(shí)間的增長(zhǎng)，生物魚(yú)的行為生態(tài)學(xué)變化會(huì)逐漸降低;生物魚(yú)的行為生態(tài)學(xué)變化隨環(huán)境壓力的變化而不同。

不同地區(qū)的地表水水質(zhì)具有不同的特征性污染物，如濟(jì)南的引黃水庫(kù)水具有高藻、高有機(jī)物的水質(zhì)特征［17］。根據(jù)本研究結(jié)果，按照斑馬魚(yú)行為強(qiáng)度及報(bào)警時(shí)間，可以將濁度、石油、亞硝酸鹽、苯、砷、錳劃分為3類(lèi)指標(biāo):濁度和石油，這2個(gè)指標(biāo)對(duì)斑馬魚(yú)行為強(qiáng)度影響較小，生物魚(yú)未出現(xiàn)死亡和報(bào)警情況;亞硝酸鹽氮和苯，這2個(gè)指標(biāo)對(duì)斑馬魚(yú)的行為強(qiáng)度影響居中，都只在高濃度下報(bào)警;砷和錳，這2個(gè)指標(biāo)對(duì)生物魚(yú)行為強(qiáng)度影響最顯著，報(bào)警時(shí)間也較短。所以，在利用在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)水源水質(zhì)時(shí)，要結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)特征開(kāi)展研究，對(duì)設(shè)備預(yù)警參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)定更加符合水質(zhì)特征的報(bào)警閾值。

另外，斑馬魚(yú)是熱帶魚(yú)種，存在對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的問(wèn)題，應(yīng)該加強(qiáng)研究，開(kāi)發(fā)適合當(dāng)?shù)氐聂~(yú)種，應(yīng)用于水質(zhì)安全預(yù)警。

4 結(jié)論

斑馬魚(yú)的行為生態(tài)學(xué)變化與環(huán)境污染物壓力存在顯著的相關(guān)性。斑馬魚(yú)的行為生態(tài)學(xué)變化與環(huán)境壓力大小直接相關(guān)，在高濃度污染物的環(huán)境內(nèi)，斑馬魚(yú)的行為生態(tài)學(xué)出現(xiàn)劇烈變化;斑馬魚(yú)的行為生態(tài)學(xué)變化與在一定壓力環(huán)境內(nèi)的暴露時(shí)間直接相關(guān)，隨著暴露時(shí)間的增長(zhǎng)，斑馬魚(yú)的行為生態(tài)學(xué)變化會(huì)逐漸降低;斑馬魚(yú)的行為生態(tài)學(xué)變化隨環(huán)境壓力的變化而不同;水質(zhì)在線(xiàn)生物安全預(yù)警系統(tǒng)對(duì)不同類(lèi)型污染物的反應(yīng)靈敏度不同，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)特征設(shè)定報(bào)警閾值。

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