1991年中国废水排放的总量是336.2亿t,其中70%是工业废水。预计至2000年废水排放将增至800亿t。在42个主要城市中废水处理的量还不到5%,甚至在北京废水处理能力也小于8%。在中国的1 200条河流中850条河流已有污染,79%人民的饮用水所含的大肠杆菌超过了标准,并含有机物质的污染。作为发展中的国家,又有巨大的人口,中国把环境保护看作头等重要的大事,并把它作为一项基本的国策。根据中国科学技术协会(CAST)和美国下属的与中华人民共和国学者通讯委员会(CSCPRC)签订的、优秀访问学者交换项目,本文作者于1981年访问美国,并和Cairns,Buikema,Yongue,Pratt等教授在一条接纳了电镀厂和生活处理厂排放废水的,名为Cedar Run的小溪流中应用原生动物群落进行水质评价(Shen等,1986)。以后,以PFU微型生物群落为基础的监测方法在中国经历了10余年的不断改进、验证和推广。
中国国家环保局标准处、中国科学院水生生物研究所于1983、1984、1989、1990年举办了四期微型生物群落监测培训班。150多名学员来自26个省市(除西藏、海南、青海、台湾之外)参加了培训。1 PFU法的生态学原理浮游生物采集的传统方法是用浮游生物纲和人工基质(如载波片)。1969年Cairns博士首次用PFU(聚氨酯泡沫塑料块Polyurethane FoamUnit的缩写)采集微型生物。他证明微型生物在PFU上的群集过程符合MacArthur-Wilson岛屿生物地理平衡模型:S t=S eq(1-e-Gt),S 1为在t时的种类数;S eq为平衡时的种类数;G为群集速度常数;T 90%为达到90%S eq所需的时间(Cairns等,1969)。考虑到环境压迫(H)的效应,王继忠等(1989)在将MacArthur-Wilson平衡模型应用到PFU法中时,对该模型作了修正,提出了一个更为合适的模型:S t=S eq(1-e-Gt)1+He-Gt此4个功能参数(S eq,G,H,T 90%)可用于水质评价,已从野外生物监测扩展到实验室内的毒性试验。一束PFU绑到小石头上,并把它掷进水中,曝露到一定时间(1,3,7,11,15,28天)后,从此束PFU上取下2～4块PFU,分别放进食品塑料袋内。在水中的这些PFU块对微型生物来说,就象一个个小岛。PFU泡沫孔径为150μm左右。只有超微型生物(0.2～2.0μm)、微型浮游生物(2～20μm)和小型浮游生物(20～200μm)能迁移到PFU小孔中,而中型浮游生物(1～5 mm)、大型浮游生物(>5 mm)和巨型浮游生物(>1 cm)是无法进入PFU小孔内。把PFU的水挤出来后,在显微镜下可观察到真菌、细菌、藻类、原生动物和小的轮虫。他们各自占领自己的小生境,并表现出复杂的相互关系,创造了一个复杂的食物网——由此构成一个微型生物群落。PFU法是在群落水平上的,是较物种水平、种群水平更高的,因此它能提供较大的环境真实性。作为一个群落,就可以测定出一些结构参数(如种类数、指示种类、多样性指数、异养性指数、叶绿素a等)和功能参数(如群集速度、功能类群、光合作用率、呼吸作用率等)。我们将自养性指数(autotrophic index,AI)更正为异养性指数(heterotrophic index,HI)。因为这个指数是生物量(mg/L)与叶绿素a(mg/L)之比,较高的AI意指有较丰富的异养性生物,因之表示水质也较差,用异养性指数HI更为确切。在食物习性的基础上,提出了557种划分为6个功能类群的原生动物(沈韫芬等,1990)。这6个功能类群分别是光合作用自养者(P)、食菌——碎屑者(B)、食藻者(A)、食肉者(R)、腐养者(S)和无选择性的杂食者(N)。其中自养者(植物性鞭毛虫)占原生动物群落总种类数的百分比,在评价水质中是最敏感的参数。植物性鞭毛虫百分比越高,水质越好。
2 PFU法在中华人民共和国的进展和标准化2.1 重金属废水的生物监测 在Cedar Run河流的10个采样站上,随着重金属浓度的下降,原生动物群落得到了恢复。从同样的10个采样站上取回的水样进行室内静态毒性试验,所得的结果与野外结果相符。由此预报重金属的EC5(指原生动物种类数损失5%的效应浓度)为18μg/L接近重金属在该河流中的背景值浓度(图1)。此项研究首次揭示PFU法的预报能力(Shen等,1986)。2.2 农药废水的生物监测 湖北省葛店化工厂生产有机磷农药如对硫磷、马拉硫磷、乐果、六六六。废水不经任何处理直接从工厂排入鸭儿湖。为治理该湖的污染问题,1976年在中国建立了第一个氧化塘系统。水生生物研究所的研究组成员和培训班的学员们于1982、1983、1984年先后对此5个串连氧化塘进行净化效能的评价。发现结构参数(原生动物种数、叶绿素量、细菌密度)和功能参数(S eq、G、T 90%和呼吸作用率)能正确地反映出氧化塘系统的净化过程。研究表明PFU曝露1或3天后,群集的原生动物种数就足以作为常规的生物监测(图2,在第5个氧化塘中原生动物种数下降是由于该塘已人工养鱼之故)(沈韫芬等,1985)。
2.3 石油废水的生物监测 北京燕山地区的5条河流受到燕山石油公司的工业废水和生活污水的污染。最为有害的成分是油、酚和强酸(或强碱)等废水。1985年以PFU法的结构和功能参数为基础,反映出这5条河流水系的毒性压迫增加的序列依次是大石河—丁家湾河—西沙河—东沙河—周口店河。由于接受了其他4条河流的废水,大石河的中游出现了富营养化现象。大石河潜在的污染威胁着河北省最重要的水源——北拒马河。燕山地区水系的污染治理已成为紧迫的问题。对科学调查报告中的多次警告没有引进石油公司的关注和认为须要进行治理,由此而发生与当地农民因严重的水污染而引起争议和麻烦。
2.4 对发电站排放冷却水引起的热污染进行生物监测 用PFU法在长山电厂的热排水增温区和自然水温区进行监测。用辽宁省大伙房水库18～20 m深的天然水(5℃)进行室内升温梯度试验。结构和功能参数包括个体量、S eq、G、T 90%等均表示出30℃是最合适的温度,进一步升温会使群落结构简单化,群落功能下降(图3)(金琼贝等,1988)。
2.5 化工厂、炼钢厂废水的生物监测 在1983～1985年用PFU法监测安徽省南淝河的水质。南淝河发源于肥西县,合肥市的90%工业废水和生活污水流进南淝河而汇入巢湖。尤其对化工厂和钢厂排污口的上下游予以特别重视。结果表明在化工厂和钢厂下游水质受到毒物影响而严重污染(汪金陵,1987)。
2.6 京津地区水污染和湿地处理系统的生物监测对北京的污染水系进行了野外监测和室内毒性试验。室内的结果符合水系的污染和净化的野外监测结
果。在严重污染地段的站位上群集速度慢,而在自净地段的站位上群集速度快(图4)。靠近河北省天津市的汉沽水库接纳了用海盐为原料的化工废水,以及其他污染物如666、汞、石油、酚、氰化物和氟化物。除了用PFU法监测污染的胁迫外,PFU毒性试验也成功地预报了天津地区汉沽水库和湿地系统的净化效能(图5～6)(许木启,1991a,b)。
2.7 常德市水质的生物监测 PFU法应用于评价湖南省常德市水系。废水主要来自生物污水和工业废水,包括纺织、印染、食品、饮料、药品等废水。在河流、湖泊、池塘、护城河等设置了16个站位。从1986～1987年用PFU法在野外进行四季的生物监测,结果表明生物参数(HI、S eq、G和T 90%)和以COD、BOD 5、溶解氧、酚、硫化物为控制项目的化学综合污染指数呈显著性相关(沈韫芬等,1991)。
2.8 对饮用水源——重要河流的评价 以下河流已用PFU法进行水质监测:(1)长江(重庆至宜昌,650 km,沈韫芬等,1987)(2)汉江(997 km,沈韫芬等,1995)(3)乌江(1 037 km,沈韫芬等,1989b)(4)乌江(423 km,沈韫芬等,1989b)(5)沅江(1 022 km,沈韫芬、白庆笙,1989b,沈韫芬等1989b)
2.9 航空废水的生物监测 航空航天部第三设计院环境监测站的研究人员参加了微型生物群落监测的培训班后,于1990～1992年用PFU法监测牛河的水质,该河接纳了该设计院排出的未经处理的工业废水和生活污水。在排污口严重污染的几个站仅有原生动物17种,下流600 m后升至25种,进入牛河后有30种。此结果表明由于河流的自净作用原生动物种数逐渐恢复(私人通信)。
2.10 对环境工程可行性的预测 废水再循环是一项重要的水资源保护措施。在《常德市护城河污水处理与资源化生态工程系统研究》中设计了可模拟进行污水氧化塘-土地处理和利用的中型生态系统。这个系统的水处理部分包括一个沉淀池和四个串联的氧化塘。1987年春、夏两季用PFU法进行了监测,结果表明水质逐级净化,系统效能良好,工程设计可行(冯伟松等,1990)。
2.11 对有毒化学品安全浓度的预报 1985年蔡俊鹏等用流水稀释装置在微宇宙中研究洗涤剂LAS(Lin-ear alkaline sulfonate直链烷基苯磺酸钠)对微型生物群落的毒性强度,发现S eq和LAS浓度成负相关。其相关公式为:Y(S eq)=20.728 1-5.672 2 LAS浓度,并由此计算出效应浓度EC 20、EC 5分别为0.51和0.168 1 mg/L LAS(r=0.955 7,P<0.05,蔡俊鹏等,1989)。中国有丰盛的稀土矿藏,许多含稀土元素的产品已在日常生活中应用。70年代以来,稀土已广泛应用于农业。作为肥料它可使许多农作物(如小麦、大豆、花生、大米)增产8%～10%。已有报道经常摄入含稀土残留物的食品会增加人体组织中的稀土成分,因为它们很容易被肝、脾、骨骼和肾吸收。至今中国还没有制订稀土元素的排放标准。用PFU法我们得出稀土肥料(农乐)的MATC在3.04～12.59 mg/L范围内(顾曼如等,1991)。
3 讨 论 由于特定的优点,PFU法作为生物监测已在中国广泛应用。这是一个快速、正确、经济的方法。但是它仍然有一些人们关心的问题,在下文提出加以探讨:
3.1 与传统的水质评价方法分析比较,PFU的结果如何 自50年代起许多原生动物学家用周丛生物(着生的藻类和原生动物),也即载玻法评价水质。哪种方法较好呢?在评价北京燕山地区水系时,我们用三种方法进行比较,即传统的浮游生物沉淀法,载玻片周丛生物法和PFU法。评价的水系是含强酸和强碱废水的周口店河,以及受到炼油、油、酚和生活废水污染的东沙河、丁家湾河及西沙河。这些污染的河流都流入大石河的中游。大石河再流入河北省最重要的水源拒马河。研究的目的是用这三种方法同步评价这5条河流的水质。在这5条河流上共设置12个站位。浮游生物沉淀法只能指出在周口店河的上游水质受到损害,原生动物的丰度最低(390个/L)(表1)。此法不能判别其他4条河流的污染程度。表1 用浮游生物沉淀法示原生动物丰度(个/L)在5条河流中的分布(1985年5月24日)河 流站 位丰 度河 流站 位丰 度大石河1 2 160东沙河7 4 680 3 28 320 10 26 790周口店河16 390 12 60 528 18 5 070 14 22 020西沙河24 44 913丁家湾河20 147 480 25 32 280 23 992 610 载玻片周丛生物法指出周口店河的上游是最危害的(多样性指数为0),但是在东沙河有自净过程,物种多样性指数随上游流到下游而逐步增加。然而载玻片法无法判别其他3条河的污染程度(表2)。表2 用载玻片法示5条河流中原生动物种数、丰度(个/cm 2)和Margalef多样性指数河 流站 位种 数丰 度多样性周口店河16 1 0.2 0.00 18 8 11.3 2.89东沙河7 18 126.2 3.51 10 18 41.9 3.55 12 27 109.0 5.54 14 26 18.4 8.59河 流站 位种 数丰 度多样性丁家湾河20 11 672.0 1.54 23 24 1 184.9 3.25西沙河24 36 89.66 7.78 25 32 518.8 4.96大石河1 36 124.65 7.75 3 32 1 442.7 4.26PFU法与上述两种方法不同之处是它能估算出群落的结构和功能参数。表3出示这5条河流的群集过程的参数S eq、G、T 90%。表4示5条河流中PFU原生动物群落的多样性指数。大石河的上游作为对照河流有最高的多样性指数。周口店河受环境胁迫最大,而其多样性指数也最低。以多样性指数来排序,这5条河流受胁迫的严重程度递减次序依次为A(周口店河)—B(东沙河)—C(丁家湾河)—D(西沙河)—E(大石河)。此外,用5条河流的PFU原生动物群落内种类的相似系数作—聚类分析,也得到同样的结果(图7)。只有PFU法能够指出这5条河流的毒性胁迫程度依A—B—C—D—E次序而递减。
表3 5条河流中PFU群集过程的参数与MacArthur┐Wilson平衡模型的符合度河 流站位S eq G T 90%(d)F F(0.05)(3.5)=5.41大石河1 44.67 0.32 7.10 2.44符合Fit 3 47.62 1.49 1.53 3.41符合Fit东沙河7 37.91 0.99 2.30 5.30符合Fit 10 38.13 2.11 1.09 0.53符合Fit 12 32.88 2.42 0.94 1.72符合Fit 14 30.58 1.53 1.50 0.62符合Fit河 流站位S eq G T 90%(d)F F(0.05)(3.5)=5.41周口店河16 1.00 16.19 0.14 1.00符合Fit 18 15.82 0.53 4.29 42.84不符合Fit丁家湾河2034.29 1.15 2.00 4.44符合Fit 23 42.18 0.44 5.19 2.46符合Fit西沙河24 32.900.982.3415.47不符合Fit 25 37.941.05 2.18 3.21符合Fit表4 5条河流中PFU微型生物群落的Margalef多样性指数(平均值指3、6、15天的,并给出各条河流的平均值)河 流站 位PDU曝露/d 1 3 6 10 15平均值河流的平均值周口店河16-1.21 1.54 0 0 0.91 3.92 18-5.39 7.65 7.05 7.75 6.93东沙河7-7.25 6.89-9.25 7.79 7.26 14-6.98 7.46-5.80 6.74丁家湾河20-8.08 6.86 7.70 7.71 7.55 8.34 23-6.98 10.3 9.04 10.1 9.14西沙河24 4.88 4.95 7.43 7.03 8.83 7.07 7.50 25 5.66 6.10 9.14 9.29 8.57 7.93大石河1 3.39 6.52 7.57 10.2 10.9 8.34 9.39 3 8.69 9.60 10.1 11.6 11.6 10.4
3.2 是否任何地区、任何时候、任何污染物都能用PFU法 过去的十余年中,许多试验已证明这一方法可应用于淡水、工业废水、城市污水和各种有毒化学品的生物监测。例如,长江是世界上第三长的河流,有很快的流速和大量的泥沙。已规划在这条河的中游建立三峡大坝。起初我们十分担心用PFU法能否得到合理的结果。在三峡地区进行原生动物群落背景值和环境评价的研究结果表明四川印染厂、铁合金厂和万县造纸厂未经处理的废水可减少长江原生动物物种多样性的60%～70%。只是由于河流的流速快,稀释率高,原生动物群落在0.5～1 km距离内得到恢复。如果三峡大坝建立后,流速会下降,长江的工业公害将成为一个严重的问题(沈韫芬等,1987)。已经用PFU法监测的工业废水见表5。表5 已用PFU法监测的工业废水造纸厂纺织厂铁合金厂制烟厂污水处理厂饮料厂发电厂制药厂炼油厂食品加工厂炼钢厂汽车制造厂化工厂采石厂自来水厂炼焦厂化肥厂冶炼厂厂油化工厂酿酒厂印染厂电渡厂(氰化物、氯化物、硫化物、钠、镉、铜、铅、镍、锌等)有机磷农药厂(对硫磷、马拉硫磷、乐果、六六六)
3.3 这一生物监测方法的参数能否与化学监测方法的参数相适 水生生物研究所的一个由化学家和生物学家组成的研究小组在湖南省常德市进行了一项城市废水净化和资源化生态工程研究。废水主要由生活污水和工业废水(包括纺织厂、印染厂、食品厂、饮料厂、制药厂等排出的废水)组成。每天的排放量为7万～8万t。大部分不经处理直接排放于沅江中。共设置16个站位,进行四季的,每季为期15天的PFU群
集过程试验,共测PFU样品640块。生物参数(如异养性指数、群集速度等)和化学综合污染指数呈显著性相关(图8～11),指出PFU生物监测和化学监测结合可提供对水环境的正确评价(沈韫芬等,1991)。
3.4 用PFU毒性试验能否正确地预报安全浓度 1988年9月22日美国参议院通过了一项《消费者产品安全试验法令》。法令提出在产品试验中用脊椎动物进行的LD 50(半致死剂量)试验是不准确的,使人误解而无益的。为此联邦政府禁止使用LD 50试验。我们认为单一种类的LD 50急性毒性试验可应用于污染物毒性试验的初始阶段,但是LD 50不能作为决定安全浓度的基础,或是用它来计算MATC,即用公式:应用因子(AF)=MATC/LD 50。因为这试验是在单个物种或种群水平上的,而同一毒物对不同种类其毒性是不同的,同一种类对不同毒物的反响也是不同的。因而用LD 50来判断整个生态系对毒物的反响显然是不合理的。在一个正常的PFU群落中,一般能观察到50种左右的原生动物种类(包括自养性的植鞭毛虫)。微型生物群落中还包括真菌、细菌、藻类、原生动物和小的轮虫。这些生物组合一起对毒物作出反响,因而这个方法对水生态系有较高的模拟度和较大的环境真实性。用动态的PFU毒性试验预测的洗涤剂LAS的MATC必须低于0.5 mg/L,若能低于0.17 mg/L则更好(蔡俊鹏等,1989)。和种类、种群水平所测LAS的LD 50试验相比较,PFU法预报的LAS安全浓度更接近1971年世界卫生组织公布的饮用水标准中LAS为0.2或l mg/L中国为0.3 mg/L。一个中华人民共和国的国家标准,称之为《水质-PFU微型生物群落监测——PFU法》(GB/T12990-91),终于 1991年由国家环保局通过。任何一种方法,包括标准方法在内,仍须要不断改进。这个方法已经在韩国(仁荷大学郑坪林教授通讯)和英国(Ulster大学B.Wood教授通信)得到了应用。不论何时只要提起Cairns博士所说的“当知道太阳永远会照耀PFU的研究时真是令人鼓舞”时,总会感到莫大的欣慰
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