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《发光细菌毒性试验在水质监测与评价中的应用精》
《发光细菌毒性试验在水质监测与评价中的应用(精)》
第一篇:
发光细菌毒性试验在水质监测与评价中的应用(精)全国水体污染控制、治理技术与突发性水污染事故应急处理高级研讨会发光细菌毒性试验在水质监测与评价中的应用张绮王克波赵人王争
南京210029南京医科大学公共卫生学院
摘要。
发光细菌毒性试验已广泛应用于水质监测中。
本文主要概述了发光细菌的分类、发光细菌毒性检测原理及其在工业废水、城市污水及河流等水域的水质综合毒性评价的应用。
关键词:
发光细菌;水质监测;综述
随着工农业的不断发展,当今世界面临日益严重的环境污染问题,水污染尤为突出。
水中污染物种类繁多,性质复杂,且污染物之间可发生协同、相加或拮抗等复杂作用。
传统的水质检测虽能准确定量分析污染物中主要成分及含量,但不能检测水中各种污染物对环境和生物产生的综合毒性。
发光细菌毒性试验因其独特的生理特性,与现代光电检测手段结合具快速、灵敏、简便等特点,检测结果可反映水中污染物的综合毒性,比测定单一组分污染物更具实际意义。
1.发光细菌的分类及其生物毒性检测用商品种类
发光细菌属革兰氏阴性、兼性厌氧菌,大小约0.4一1.O×1.0—2.5um。
无孢子、荚膜,有端生鞭毛一根或数根,最适温度20—30"C,pH6~9,NaCl浓度3%,0.3%的甘油对发光反应有利。
其分类目前普遍采用美国学者EBaumann的方法【l’21,见表1。
表1发光细菌的分类
大多用明亮发光杆菌、鲳鱼发光杆菌及费氏弧菌作有毒有害物急性毒性效应的检测。
检测时测试体系中须加入较高浓度的盐以维持其正常生存,大量氯离子的存在会在相当程度上影响样品中一些污染物的生物可利用性和毒性顺序。
由我国学者分离的淡水型发光青海弧菌则具有较广泛的酸碱和温度适应性,可在蒸馏水中正常发光,使测试体系得到简化【引。
发光菌除用于急性毒性效应检测外,其发光菌经过处理以后的暗变异株在接触致突变物后可恢复一定的发光能力,通常可使暗变株的发光强度增加1000倍左右。
因此利用暗变异株恢复发光的现象可对各种遗传毒物进行筛选、检测。
这类菌株有鲳鱼发光杆菌暗变株SD.18、RC.93,费氏弧菌暗变异株Pf-13,明亮发光菌暗变种"1"9171等。
目前发光细菌毒性检测有3种方法,即发光菌新鲜培养物测定、发光菌冷冻干燥制剂测定及发光菌与海藻混合测定的方法。
新鲜培养的发光细菌其培养条件很难限制在同一水平上,这会造成发光细菌对130
全国水体污染控制、治理技术与突发性水污染事故应急处理高级研讨会
有毒物质的敏感性不一致,导致重复性差且操作麻烦。
而发光细菌冷冻干燥制剂可以避免以上问题,将其贮存于冰箱中,使用相对方便。
2.发光细菌毒性试验检测原理
发光细菌的发光现象是其正常的代谢活动,不同种类的发光机理是相同的,其主要的过程概括如下:
RCHO+02+FMNH扣卫>RCOOH+FMN+H20+hv(490nm)
茵细胞内由黄素单核苷酸(FMNH2)、长链脂肪醛(RCHO)及氧(02)参与。
在细菌荧光素酶(E)的催化下发生生化反应,产生波长多为465~490nm的磷光。
外界条件和培养基成分以及温度、pH、氧浓度变化会影响细菌的发光。
温度影响细胞内化学反应速率、生物吸收基质过程和发光细菌的生理状态。
温度越高,抑制浓度越低,即响应越灵敏14】
。
pH则影响发光细菌的代谢或造成化学品的水解,随着pH的变化,化学品毒性表现出增加或减弱[51。
有毒的化学物质、重金属离子、抗生素、化学治疗剂、农药等污染物质也会影响细菌发光。
这类物质抑制细菌发光的途经有两个:
一是直接抑制参与发光反应的酶类活性;另一方面是抑制细胞内与发光反应有关的代谢过程。
因此能够干扰或破坏发光细菌呼吸、生长、新陈代谢等生理过程的任何有毒物质都可以根据发光程度的变化来测定。
发光细菌法【6】
就是利用灵敏的光电测量系统测定毒物对发光细菌发光强度的影响。
毒物的毒性可以用EC50表示,即发光细菌发光强度降低50%时毒物的浓度。
一般情况下有毒物质和与发光菌接触时,发光强度立即发生变化。
并随着毒物浓度的增加而发光减弱,即发光抑制。
因而可以根据发光强度判断毒物毒性大小。
3.发光细菌水质检测方法3.1样品采集及处理
自美国上世纪70年代首次分离到PhotabacteriumPhsphoreum细菌并用于污水监测获得成功以来,30多年中,成功用于多种类型污染物监测【71尤其是各类水质毒性检测。
如工业废水、城市污水、河流海洋水质等。
试验中样品的采集及处理有直接采样和半渗膜被动式采样(SPM)两种方式。
直接采样一般用四氟乙烯衬垫的塑料瓶采样。
采集一定水样量后,根据需要对水样进行预处理。
如要可用NaOH和HCI调节水样pH值在6.0~8.0之间,实验前将样品稀成不同浓度直接测定。
半渗膜被动式采样是用SPMD采样器采样。
将SPMD采样器固定于水面下lm处,暴露28天,收回SPMD样品,将水样经0.45um膜后,用二氯甲烷萃取,净化和浓缩后用高纯氮气干后用DMSO溶解,低温保存样品。
这种采样技术可以富集到水样中的
有机有毒污染物,从而评价样品中有毒有机物含量及急性毒性的变化规律【81。
3.2发光检测仪器
20世纪80年代初美国Beckman公司推出功能完备的生物毒性测试仪,它具有应用范围广,灵敏度高,相关性好,反应速度快等优点,在世界范围内广泛使用。
我国于1995年将发光细菌法列为环境检测的标准方法(GB/T15441.1995),使用国产的DXY.2型生物毒性测试仪,或SHG.1型生物发光测量仪。
美国MICROBICSCORPORATION也推出Microtox2055型毒物分析系统191。
为克服细菌发光强度本底差异较大、检测期间发光自然变化幅度宽、操作繁琐、重现性不佳、误差较大等不足,我国学者也研究细菌发光传感器进行污染物急性毒性快速检测,将细胞固定化技术、生物传感器技术与发光细菌毒性测试技术有机结合起来,改善了细菌发光的稳定性,实现急性毒性的快速检测llo】
。
3.3发光细菌毒性试验结果表达
往往以相对发光率、相对抑光率、EC如表达发光细菌毒性试验结果。
相对发光率=样品光强度,对照光强度×100%,相对抑光率=(对照光强度.样品光强度)/对照光强度×100%。
ECso为相对抑光率达到50%的样品浓度(或稀释度)。
根据测定结果判定毒性待测样品急性毒性的大小。
其判定标准有三种方式:
①有毒,无毒;②百分数等级;③对数等级。
国内多数采用百分数等级,百分数等级可根据相对发光率的大小及等当HgCl2溶液浓度来判定待测样品的毒性大小,也可以用ECso判定待测样品的毒性大小,具体见表2、表3。
131
全国水体污染控制、治理技术与突发性水污染事故应急处理高级研讨会表2发光细菌试验相对发光率毒性百分数等级等级IIIIII
V相对发光率(L)(%)L>70等当的HgCl2溶液浓度C(mg/L)CHg<0.07毒性级别低毒中毒重毒高毒剧毒5tY<L≤7030<L≤500<L≤300.07、<CHg<0.090.09≤CHg<0.120.12≤CHg<0.16CHg>0.16L卸表3发光细菌试验EC50或LCso毒性百分数等级4.发光细菌毒性在水质监测及评价中的具体运用4.1工业废水综合毒性测定
工业废水是导致水污染问题不断加重的原因,能否达标排发,涉及到待测项目多、成本高、工作量大,尤其难以判定废水的毒性大小,更无法判定多种有毒化合物的相互影响。
生物方法的检测可以弥补这些缺憾,国内有多项研究运用发光细菌毒性评价水质毒性。
于晓丽等用此评价了某油田不达标采油污水的综合毒性111)e张秀君等运用发光细菌法对辽宁16个污染源废水样的毒性进行测定,指出从行业分布来看,毒性最强为化纤业、化工业、黑色金属冶炼业,其次是煤炭开采炼焦煤制品业,毒性最低的是医药、造纸、食品加工业n2l。
董玉瑛等应用发光细菌法对啤酒、酿造、印染、化纤、造纸废水进行的生物毒性测定其结果表明,不同行业废水的生物毒性与其TOC值之间不存在相关性,将二者相结合,能正确反映废水的实际毒性大小【l31。
周秀艳利用发光菌、斑马鱼和蚕豆根尖微核对辽宁典型21家工业污染废水进行的急性生物毒性其结果发现发光菌相对抑光率的毒性等级在中等以上的占81%,其中高毒及剧毒占61.9%,工业废水发光菌相对抑光率的毒性等级略高于相应鱼类LC50值的毒性等级,建议在对污染源废水生物毒性实行监测时,应该首选对污染物反应敏感的发光菌进行毒性试验【141。
运用发光细菌毒性试验对工业废水水质毒性进行评价,一般能较好地反映水质状况,并可根据结果评估其废水安全排放的可靠性。
杨碧波等检测了以沈阳冶炼厂为代表的冶金类行业废水,结果显示废水毒性呈剧毒水平,处理后废水尽管符合废水排放标准但仍表现为低毒水平【l51。
另外发光细菌法是一种定量表征污染水体毒性的生物监测方法,它能对环境的总体作出反应,有助于对水环境进行综合评价。
乔鸿泽等用发光细菌测定法估算了两城市污水对河道水体污染的分担率,评价了工厂排放废水的毒性,并据此确定污染源监督管理中应优先治理的工厂(车间)废水Il们。
发光细菌进行工业废水毒性试验时也存在局限性。
发光菌主要受废水中有机或无机毒物影响,使其正常新陈代谢发生改变,从而使相对发光量发生变化的过程,当水中存在某些无毒有机物,且未及时分解时,在短时间,反而可成为该细菌生长、繁殖的营养源,从而刺激其相对发光度的提高。
因此,在食品加工、酿造等行业废水监测中,不宜采用该方法。
4.2河流海域等水质监测
用氯化汞作为参比毒物用发光菌试验对鞍山市三条河流的水质及底泥进行毒性分析其结果符合实际水质状况。
从而据此可以判定河流水质及底泥能否作为灌溉的依据【171。
而杜惠文等用发光细菌的急性毒性试验对洹河断面水质同监测发现细菌发光检测结果与理化检测结果并不完全一致,但根据发光菌的检测结果分析造成洹河毒性增大的因素之一是工业废水的排入【l引。
132全国水体污染控制、治理技术与突发性水污染事故应急处理高级研讨会
海域水质也可以用发光菌毒性试验进行检测,吴伟等用发光菌检测渔业水域污染物的急性毒性。
张秀君等人研究了如何选择污染水样的稀释液以避免海水非污染组分对菌体初始发光度的影响,确保测定精度【191。
郑天凌等采用发光细菌测试毒性法(MICROTOX)检测了取自厦门大学海滨浴场、厦门大学医院排污口、厦门大学东大沟排污口的海水水样毒性并比较了四种稀释液:
30%oNaCI溶液、陈海水、人工海水I及人工海水II对发光菌发光强度的影响和在不同盐度条件下发光强度的变化。
结果表明前两个站住水体无毒性反应,后一个站住水体存在毒性物质:
除人工海水lI对发光菌有较强的抑制作用外,其它两种稀释液的活化作用与常用稀释液(30%0Nacl溶液)相近;当盐度变化在25‰~40%o范围时,对发光强度影响极小㈤。
4.3城市污水毒性评价
城市污水一般是由工业废水和生活污水组成的混合污水,污染成分复杂。
但由于技术和经济的原因,目前主要以处理后的化学需氧量、生化需氧量、悬浮固体等常规指标的达标为目的,很少对城市污水处理过程中的有害物质进行监测,也没有相应的国家标准,对出厂水质进行控制。
运用发光细菌急性毒性可评价城市污水的综合毒性。
黄满红等运用发光细菌急性毒性测试比较了上海市几个污水厂的毒性,分析了发光抑菌率与污水中有机物的关系,结果发现发光抑菌率随着ln(CODnb/(mg.L-1))增大而增大,说明水中难降解物质对发光菌可能存在发光抑菌作用【211。
4.4水中污染物质状态对细菌发光毒性的影响
水中污染物的状态及一些因素可影响某些物质的生物毒性。
有研究表明五氯酚钠对发光细菌的ECso值随着pH值和硬度的增加而增加:
而实验中常规有机污染物的存在对五氯酚钠毒性测定的结果影响较小
【221。
化学物质的结构不同对发光菌的急性毒性也不同,胺类化合物质对发光菌的毒性随pH的升高而增大,酚类和茉甲酸类的毒性随pH的升高而减少,这与不同pH下有机酸碱的电离程度有关。
分析显示有机酸碱的生物毒性主要是由分子态引起,但离子态作用不可忽略。
4.5发光细菌毒性试验与遗传毒性评价
细菌发光急性毒性评价与遗传毒性评价结合可较全面反应水质的情况。
应用细菌发光试验及Ames试验对比研究了武汉市易家墩、黄孝河污灌区工业废水的急性毒性及致突变性,同时应用色质谱(GC/MS)分离鉴定技术测定了工业废水中有机污染物的化学组成。
结果表明,罗家渠废水的急性毒性、致突变活性在所研究废水中最为严重:
废水中急性毒性物质主要包括苯酚、苯甲酸苯甲酯等。
致突变致癌物包括联苯、萘等1231。
另外利用发光细菌的暗变种,也可直接检测化学品的基因毒性,此技术称为“Mutator'’。
Kwan等人将Mutator结合到一组生态毒性筛选试验中,在加拿大的Yameska河流盆地监测河水和沉积物的基因毒性,Hoke等人在美国大湖地区运用了Microtox对沉积物和间隙水中的基因毒性进行检测,我国学者顾宗濂等人也从明亮发光杆菌T3小种分离到了自发的暗变种T9171菌株,并以此检测了化学品致突变效应。
张秀君等用其检测十种化合物,其中六种化合物呈致突变阳性,二种化合物呈可疑阳性,二种化合物呈阴性反映,该方法比传统的Alnes试验检测化合物的灵敏度高1241。
赵华清等人用发光细菌法检测苯酚、溴化乙锭、甲基磺酸乙酯的基因毒性显示为阳性、环磷酰胺、缩水甘油、硫酸二乙酯、黄曲霉素BI、硫酸锌、重铬酸钾为可疑阳性。
对14种环境样品(某污水处理厂出厂黄浦江支流的检测显示)检测结果显示检出2个环境样品,7个可疑样品,激活系统S9能极大地提高试验的灵敏度1251。
实验显示发光细菌法的灵敏度与Ames试验相似。
发光细菌法对某些具有基因毒性的化合物的检测不敏感,这主要与它的作用机理有关,发光细菌法是利用发光细菌暗变种在基因毒物的诱导下回复突变,恢复正常发光,移码剂主要使发光细菌暗变种的发光系统阻遏物结合操纵子位置的能力发生改变。
DNA插入剂以共价键与发光细菌的DNA结合,产生移码突变,DNA损伤剂启动“SOS功能”,使发光系统阻遏物失物。
因而,该方法一般仅对DNA损伤剂、DNA插入剂、DNA合成抑制剂及引起碱基替代、移码的直接诱变剂敏感,对基因毒物的筛选具有特异性。
5.发光细菌毒性试验存在的问题及运用前景133
全国水体污染控制、治理技术与突发性水污染事故应急处理高级研讨会
目前发光细菌毒性测试方法中仍存在结果重现性不高,报告结果不统一,部分急性毒性评价使用剧毒物质氯化汞作为毒性参照物容易造成环境污染等不足,且发光细菌法对某些具有基因毒性的化合物的检测不敏感等。
这一类问题均需加以解决。
如已有人通过一系列实验筛选出了zll2+作为毒性参照物代替传统方法中的剧毒物质HgCl2,采用zn2+作为参照物不仅可以方便地表征不同化学物质的毒性,而且可以直观地表征复杂环境样品的毒性,是一种简便可行的方法【矧。
发光细菌毒性试验具快速、灵敏、简便和经济,并较好地反映综合毒性,具有广阔的运用前景。
今后可进一步开展与人体健康关系等研究,发展对内分泌、免疫及遗传毒性等毒性进行评价的方法,通过生物传感器开展在线监测等。
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第二篇:
光合细菌在水产养殖中的应用_综述_(精)应用与环境生物学报xx,5(suppl:
204~206chin.j.appl.environ.biol.xx1005收稿日期:
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xx0604光合细菌在水产养殖中的应用[综述]xx史家樑
(华东师范大学环境科学与技术系上海xx62关键词光合细菌;水产养殖中图法分类号s917.1applicationofphotosyntheticbacteriainaquaticrearingzhangmingshijialiang(departmentofenvironmentalscienceandtechnology,eastchinanormaluniversity,shanghaixx62abstractthispaperreviewsthepresentandongoingresearchesandapplicationofphotosyntheticbacteriainaquaticrearinginchinaandabroad.itshowsthatphotosyntheticbacteriawillbewildlyusedinaquaticrearinginfuture.keywordsphotosyntheticbacteria(psb;aquaticrearing光合细菌(photosyntheticbacteria,以下简称psb是地球上最早出现的一大类能以光作为能源,以co2和有机物作为光合作用碳源,以有机物、氢气或硫化物为供
氢体而营养繁殖的原核生物的总称;除蓝细菌外都能在厌氧光照条件下进行不产氧的光合作用.psb分布广泛(见表1,类型多样,根据伯杰细菌鉴定手册(第九版psb可分为六个类群,27个属(见表2.其中的红色非硫细菌由于其分解利用有机物能力强、营养丰富,因而得到广泛的应用.表1各种环境下psb数量(n(psb/g-1table1thequantityofpsbindifferentenvironments沟ditch(bod=250mg/l106~107湖lake(bod=10mg/l102~103河river(bod
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