水体突发污染事件的在线生物监测技术研究进展

水体突发性污染事件的污染方式具有多样性,污染物种类具有复杂性。水体突发污染事件的特征决定在线生物监测的难度。结合受试生物种类和生物生理生态指标的不同,综合分析了已经报道的水体污染在线生物监测技术。根据统计分析结果,已经报道的水体突发性污染在线生物监测技术主要分为:基于生物行为变化的在线生物监测技术、基于生物生理变化的在线生物监测技术和基于综合生物指标的在线生物监测技术3类。在不同生物种类和生理生态指标分析基础上,对不同在线生物监测技术的基本原理和优缺点进行分析,也对不同在线生物监测技术存在的缺点提出解决的主要方案,为水体突发污染事件监测分析提供支持,以满足水体突发污染事件的在线监测和应急管理需求。     

1985年以来我国重大水体突发污染事件及在线生物监测的必要性分析

通过查阅和检索公开报道的期刊、报纸和网络,统计分析我国1985以来水体突发污染事件。1985—2015年间,我国水体突发污染事件年均发生数量总体变化呈现先动态增长后逐渐下降的趋势,其中2006年为水体突发性污染事件发生频次的转折点。导致水体突发性污染的主要原因包括企业违规排放、企业事故性泄漏、交通事故、自然因素和人为投毒等,污染方式多样。水体突发性污染的污染物种类包括化学品、污水(工业废水和生活污水)、油类、农药、重金属、生物污染物和其他不明污染物。鉴于水体突发性污染事件污染方式的多样性和污染物的复杂性,采用在线生物监测技术可实现对水体突发性污染事件在线监测与分析预警,已成为当前监测和评价水体突发污染事件有效手段。     

在线生物毒性监测技术预警水质有毒物质污染与因果关系分析的案例研究

有毒化学物质排放引起的水质污染可以用暴露后水生生物的生物学响应来监测预警。本文利用2013年7月份广东某水源流域发生的一次突发污染物事件作为案例分析,讨论在线生物预警技术在实际应用中的效果及存在的问题。研究结果表明,采用发光菌抑制和鱼类行为改变的生物预警技术均能够有效判别突发性污染事件。结合预警后的采样和化学分析,18种金属元素和114种有机污染物监测指标中,所有指标的浓度均低于国家地面水水质II类标准(GB3838-2002)。在能够检出的金属元素和有机污染物中,超出检出限最大的金属元素是钡,达到检出限的870倍;超出检出限最大的有机物是二氯甲烷,是检出限的145倍。根据文献发表的毒性数据和毒理学证据,推测本次案例研究中的二氯甲烷是潜在的污染因子;二氯甲烷通过其神经毒性和较强烈的嗅味影响到青鳉鱼的运动行为、导致报警。另外,文章分析了生物监测技术的优点和缺陷,以期为进一步开发水源污染生物预警系统提供基础数据。     

马拉硫磷急性暴露对斑马鱼的行为毒性研究

以斑马鱼为受试生物,通过水质毒性生物监测仪记录行为轨迹,研究了亚致死浓度的马拉硫磷急性暴露下斑马鱼游动行为和群体分布等多项行为参数的变化。结果表明:斑马鱼对环境变化响应快速,游动速度短时间内急剧增大,之后下降再调整稳定至一定范围,变化趋势符合环境压力模型。游泳高度不断增大,暴露1 h后斑马鱼几乎全部集中到水箱上部,与暴露前水平差异显著。通讯行为参数平均距离和分散度在暴露后短时间内减小之后恢复到暴露前水平。通过解析斑马鱼的行为变化可以实现水体有机磷农药突发污染的早期预警。     

汞胁迫下蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)的生理生化响应

由于工农业生产废水的大量排放,重金属污染已成为21世纪人们关注的焦点.重金属进入水体后,可通过多种途径影响生物的生长发育、形态行为及生理生化过程.其中,汞(Hg)是一种最常见的环境重金属污染物,在自然水体中的含量为16.6—65.9 ng.L-1[1],具有持久性、易迁移性和高度的生物富集性等特点.而蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)     

污染水体中河蚬的生物毒性响应研究进展

河蚬作为广泛分布于世界各国的典型底栖生物,由于其活动性低、滤食性等特征被广泛用作指示生物研究多种水体污染物的生物有效性。但迄今为止,尚没有系统论述污染水体中河蚬生物毒性响应的研究进展。为此,本文从污染物种类、测试指标、试验参数等角度探讨了过去30多年间河蚬在氨、重金属、有机污染物生物富集及生物毒性效应等方面的研究过程及主要成果。以往研究主要以河蚬生物体内累积、形态学及行为学观察、生化指标、代谢组学、基因完整性等指标表征污染水体的生物毒性效应,并随着分子生物学的发展已逐步由多指标全面表征代替单一指标测试。此外,现有研究多偏重于重金属和持久性有机污染物,对氨、新型污染物及纳米材料的河蚬生物毒性效应探讨尚处于起步阶段。河蚬在自然水体污染状况评估、污染水体的生物修复、水体毒性预测等方面具有较高适用性,但河蚬在沉积物毒性鉴定评估(TIE,Toxicity Identification and Evaluation)中的应用研究依然较为缺乏,有待进一步开展。     

生物硫铁复合材料对Cr(VI)污染水体中斑马鱼的保护作用

目前铬污染已经成为世界性的环境问题.为探究生物硫铁复合材料(生物硫铁,BISC)在Cr~(6+)污染水体中对鱼类的保护作用,以斑马鱼为实验载体,在测定Cr~(6+)对斑马鱼的半数致死浓度(LC50)的基础上,研究生物硫铁对Cr~(6+)污染水体的处理效果,以及生物硫铁投加比(生物硫铁与Cr~(6+)的摩尔浓度之比)、投加时间和水体p H对Cr~(6+)污染水体中斑马鱼保护作用的影响.结果显示,在79.30 mg/L(24 h-LC50)Cr~(6+)污染水体(p H=6.98)中,生物硫铁的投加能够快速降低水体Cr~(6+)的浓度.当生物硫铁投加比达到3时能将Cr~(6+)快速去除,15 min后Cr~(6+)去除率达到84.01%,96 h后达到99.99%.斑马鱼存活率随生物硫铁投加比的增加和投加时间的减少而增大,最佳投加比为0.5;最佳投加时间为0-4 h,此时能将斑马鱼存活率提高90%以上,24 h时投加,作用96 h后亦可使斑马鱼存活率提高约3倍.在p H 6-9内,生物硫铁的投加可显著提高斑马鱼的存活率,且对斑马鱼的保护作用随p H降低而逐渐增强.本研究表明生物硫铁对Cr~(6+)污染水体中的斑马鱼保护效果显著,在Cr~(6+)突发污染治理方面具有广阔的应用前景.     

不同浓度的五氯酚对斑马鱼运动行为的影响

由于突发性水源污染频发,建立一种实时的风险监测评估系统十分迫切。本研究通过在线生物监测仪实时记录斑马鱼在五氯酚(PCP)中暴露前后的3D行为响应数据,分别从运动轨迹、游动速度(中值)、浮出水面频率及熵值4个指标分析斑马鱼的行为响应。结果表明：与对照组相比,暴露于低浓度(0.25、0.5 mg·L^-1)的PCP中的斑马鱼,其游动速度(中值)和熵值呈递减趋势,但趋势不明显,其浮出水面频率有不同程度的增加;而暴露于较高浓度(1.0、2.0 mg·L^-1)的PCP中的斑马鱼,其游动速度(中值)、浮出水面频率、熵值约有10 min的急速升高之后降低;暴露于高浓度(4.0 mg·L^-1)的PCP中的斑马鱼,所有指标均呈明显下降趋势。这表明斑马鱼的毒性行为响应随PCP的浓度变化而变化,所以可以通过监测鱼类的行为变化来反映水体的污染状况。因此,鱼类行为学研究在高浓度突发性水源污染的实时监测方面具有一定的应用前景。     

石油污染生物修复研究进展

石油污染多见于油田附近的土壤污染和海上油轮泄漏造成的海域污染,自1970s便出现了利用微生物降解石油污染物的生物修复研究,总结了1970s至今的相关文献发现石油污染生物修复技术受到越来越多的关注,其目前的主要研究方向包括:添加辅助营养物质或辅助乳化剂、石油污染降解过程的生物标记研究、菌株具体降解途径、工程示范研究.而由于石油污染成分复杂,不同微生物可利用的石油底物不同,降解途径也不同,因此传统的石油污染生物修复研究存在效率不高、难以维持等问题,而随着1990s以来分子生物学技术的迅速发展,其在石油污染生物修复中得到越来越多的应用,并有效地提高了修复效率.其应用主要包括以下两方面:(1)在掌握已有石油污染物生物降解途径和降解基因的基础上,研究针对石油污染不同底物的高效降解菌株,构建高效基因工程菌或功能互补的混合菌剂.譬如石油污染物的生物降解过程中,一系列的加氧酶/羟化酶起着最重要的作用,其中包括了单加氧酶和双加氧酶等.它们一般作用于降解的加羟基或后续的开环过程.而不同的脱氢酶、脱羧基酶、辅酶A连接酶等,则对底物加氧后的降解起着重要作用.因此本文重点分析整理了一系列典型石油污染物降解途径中的加氧酶及其参考菌株.(2)由于下游多态性分析方法的进步,越来越多的研究利用PCR对修复过程中群落的重要降解基因进行扩增,譬如对芳烃开环有重要作用的儿茶酚1,2-双加氧酶(C120)、儿茶酚2,3-双加氧酶(C23O)以及对长链烷烃降解起作用的alkB,alkM等基因,并进而应用rDNA扩增及限制性位点分析、梯度凝胶电泳、末端限制性片段长度多态性分析等方法监测研究石油污染的生物降解过程.本文总结了近年来石油污染修复中应用上述方法的研究,为今后的石油污染生物修复工作提供参考.     

监测水体重金属污染的分子生物标志物研究进展

水体重金属污染具有持久性、高度危害性和难治理性,如何快速、准确监测并对其进行科学评价,成为当今环境科学关心的热点问题。大量研究表明,水生生物体内某些生理指标的变化可以反映水体重金属的污染程度。综述了乙酰胆碱酯酶、抗氧化防御系统、腺苷三磷酸、DNA损伤以及金属硫蛋白等几种分子水平上的生物标志物监测重金属污染的原理、国内外研究进展以及应用现状。认为分子生物标志物具有特异性、敏感性等优势,可以较快指示水体重金属污染对生物体的影响,在实际应用中需注意各种干扰因素。在进行野外研究时,要注重混合重金属与多途径暴露下,分子生物标志物的变化规律。生物体之间差异性会导致标志物在同样暴露条件下产生不同的变化规律,需要加强＂离体＂标志物和＂标准化＂标志物的研究,确保监测结果的可靠性和可重复性。生物标志物较为敏感,容易受到外界环境及体内生理因素影响,可考虑综合运用多种生物标志物指示重金属污染。目前,有关重金属对水生生物毒性效应的研究较多,但重金属对生物体的致毒机理方面研究并不深入,这将是今后研究的重点问题之一。     

Emergency drinking water treatment in source water pollution incident—technology and practice in China

An investigation into emergency potable water treatment technologies was conducted to investigate China’s water pollution situation. In order to confirm optimum parameters, the technological efficiency of each pollutant was obtained. About 100 contaminants were tested to find the emergency treatment technologies, most of which were found to be positive. This paper presents the three largest and most significant water pollution incidents in China to date, analyzing cases such as the nitrobenzene pollution incident in the Songhua River in November 2005, the cadmium pollution incident in the Beijiang River in December 2005, and the water crisis with odorous tap water in Wuxi City in May 2007.     

流域水体污染的生态学效应及监测预警

从流域生态系统的结构与功能出发,分述流域水体污染引起的生态学效应(结构与功能效应),并归纳目前国内外生物、生态监测预警的特点.生态监测经历了以敏感和耐污种类比例为主的传统简单指数、以群落结构变化为主的单一指数到以群落结构、营养结构为主要特征的复合多参数指数的发展过程.生物预警利用在线生物监测技术,主要形成了鱼类、无脊椎动物和微生物的三大类生物预警系统.目前,生物完整性指数能从群落水平较好地指示水体污染状况,生态预警则缺乏生态系统水平的研究.因此提出以群落结构为主的生态监测以及生态系统整体水平上的生态预警是未来研究方向的重点.     

TWIN: a TWo-stage INdex to evaluate ecological quality status in lagoon environments by means of hard bottom zoobenthos

The macrobenthos colonizing the artificial hard bottoms in lagoons has been used in biomonitoring programs as it requires easy sampling procedures and provides a variety of responses to different environmental pressures, like marine or continental influence, eutrophication, and urban pollution. In this paper we present the development and application of a new TWo-stage INdex (TWIN), aimed to assess water quality of lagoon environments using the hard bottom macrobenthos community. TWIN is calculated in two separate stages. First, the presence and abundance of macrobenthic species are used to define, through a fuzzy model, a station's membership grade in six pre-defined ecological sectors (Lagoon Mouth, Vivified Lagoon, Rough Eutrophic, Calm Eutrophic, Urban, Estuarine), each corresponding to characteristic communities. Then a formula links the membership grades to the five ecological status classes ranging from high to bad quality, as requested by the European Water Framework Directive. This method was tested in four Adriatic lagoons: the results are consistent with literature information and expert judgement, therefore we propose its use in the definition of water quality in lagoons.     

长江上游宜宾至泸州江段突发水污染风险评估

为防控长江上游重大突发水污染事件的发生,收集整理长江宜宾至泸州江段沿江水环境污染源及受体基础资料,构建水环境潜在污染风险分级评价体系。采用地统计学理论和地理信息系统(Geographic Information System,GIS)相结合的方法开展突发水污染风险分区评价研究,以揭示研究区江段突发水污染风险空间分布差异性。结果表明,污染源或受体热点分布主要集中在城镇化、工业化较快的地区,如宜宾市叙州区污染源最多,泸州市龙马潭区高风险污染源最密集,宜宾县和南溪县高敏感受体数量最多;其他区域污染源或受体分布较为均衡,未形成明显的冷点区域。水环境潜在污染高风险区集中分布在龙马潭区江段和江阳区江段,须提高该区域对潜在污染的风险管理能力,以降低污染事故发生的可能性。     

Review of water pollution control in China

Water resource shortage and pollution has seriously threatened the survival and development of developing countries. Because of China’s specific economical and social circumstances, complete adoption of developed countries’ experience is unrealistic. At present, China needs to develop strategies and technologies in source water pollution control and municipal environmental remediation that embrace the country’s specific need to battle the water resource problem. Among them, efficient source water pretreatment is a critical step to ensure a safe municipal water supply. Unlike developed countries, it is not yet feasible in China to treat water supplied to the household and have it meet the standard of direct drinking; therefore, it is more appropriate to refer to it as service water. As a beneficial supplement, an additional community drinking water network and household drinking water apparatus can be considered.     

Development and application of some renovated technologies for municipal wastewater treatment in China

China has been experiencing fast economic development in recent decades at the cost of serious environmental deterioration. Wastewater discharge, especially municipal wastewater discharge, and non-point pollution sources are becoming the major water pollution source and research focus. Great efforts have been made on water pollution control and a number of renovated technologies and processes for municipal wastewater treatment and reclamation as well as non-point pollution control have been developed and applied in China. This paper discusses the development and application of the appropriate technologies, including natural treatment systems, anaerobic biological treatment, biofilm reactors and wastewater reclamation technologies, for water pollution control in the country.     

Introduction of the land snail Cornu aspersum as a bioindicator organism of terrestrial pollution with the use of a suite of biomarkers

The use of organisms in biomonitoring studies allows the determination of the pollution levels, the assessment of the quality of the enviroment and the study of toxic effects of pollutants on the organisms. By studying the responses (biomarkers) of organisms, it is possible to assess the exposure and effects of pollutants. Land gastropods are widely used in relevant studies as they possess several characteristics that make them ideal for use as bioindicators. In the present study we sought to evaluate several biomarkers in the laboratory using snails of the species Cornu aspersum after the exposure to heavy metals (Cd, Hg) and a mixture of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) (anthracene, phenanthrene and naphthalene). The biomarkers studied were the following: lysosomic membrane stability using the neutral red retention assay (NRR), the production of reactive oxygen species (ROS) using the compound DCFH-DA and flow cytometry, lipid peroxidation using the TBARs assay that measures the concentration of malondialdehyde (MDA), protein carbonylation (–CO) using ELISA, and single strand breaks of DNA using the comet assay. Our results show significant differences in the responses between the control group and the groups that were exposed to pollutans, enhancing the role of Cornu aspersum as a promising bioindicator organism in terrestrial pollution studies with the use of the biomarkers applied.