摘 要：随着中国的水资源环境及饮用水水质安全的日益重视，水质生物毒性分析已经逐步成为评价水质污染的手段之一，同时也在供水应急处理水质监测中得到越来越广泛的应用。本文主要对国内外最新的生物毒性检测技术进行综述，并对世界最新的化学发光法毒性分析方法进行介绍，同时对细菌发光及化学发光两种毒性分析方法进行技术理论，以及在水质污染及供水应急处理中的应用进行具体分析。
关键词：毒性监测 细菌发光法 化学发光法 便携式毒性分析仪
1生物毒性监测的必要性
随着近代工业的发展，化学物质的使用日益增多，使人类赖以生存的水生生态系统受到了越来越严重的污染，而且突发性环境污染事故时有发生，如人为投毒、自然灾害引起的水质突变，尤其是石油化工原料、产成品及有毒有害危险品的生产、储存和运输过程中发生的事故对环境水体所造成的污染等。这就要求我们要快速地应对各种突发性环境污染事故，尽量减少各种经济损失或社会影响。几十年来，各种理化分析手段的灵敏度越来越高，大多数研究者都是关注单一污染物对生物体和生态系统的毒性效应，但是，环境中的生物体常常暴露于多组分污染物共存的混合体系中，而非简单的单一体系。混合物体系产生的毒性效应是所有组分污染物拮抗、叠加、协同或抑制作用的综合结果，即使混合物体系中的单一组分处于无毒性效应浓度时，该组分对混合物的总毒性效应仍有一定的贡献【1-4】。因此，发展新的快速、准确评价各类污染物毒性的有效方法显得非常迫切和必要。
本文在此主要对国内外最新的生物毒性监测技术进行研究和探讨。
2 生物毒性监测技术
环境中有毒物质生物毒性的测定与评价，一般用浮游生物、藻类和鱼类等水生生物，以其形态、运动性、生理代谢的变化或者死亡率做指标来评价环境污染物的毒性。这些方法一度成为评价环境污染的必需手段之一，但这些方法操作都比较繁琐，检测时间较长，检测费用较高，且结果不稳定，重复性差，使其难以推广应用，且不适于常规的检验，尤其是现场的应急监测【5】。针对传统生物毒性检测方法的不足，以及现场应急监测的需求，一些快速、简便且经济的现代检测方法逐步发展起来，如发光细菌毒性检测方法、化学发光毒性检测方法等。其中发光细菌因其独特的生理特性，与现代光电检测手段完美匹配的特点而备受关注。而化学发光毒性监测方法则是最新的毒性评价技术，弥补了细菌发光法在现场中使用的一些限制性，可在第一时间内对突发性事件或人为破坏引起的水源地及饮用水污染事件做出评估，越来越受到各个环境领域的关注。
2.1 细菌发光检测技术
发光细菌综合毒性检测技术是建立在细菌发光生物传感方法基础上的毒性检测技术，它能有效地检测突发性或破坏性的环境污染。发光细菌的发光过程是菌体内一种新陈代谢的生理过程，是光呼吸进程，是呼吸链上的一个侧支，该光的波长在490nm左右。这种发光过程极易受到外界条件的影响，凡是干扰或损害细菌呼吸或生理过程的任何因素都能使细菌发光强度发生变化。当有毒有害物质与发光细菌接触时，水样中的毒性物质会影响发光菌的新陈代谢，发光强度的减弱与样品毒性物质的浓度成正比。其反应机理如下列化学方程式所示：
FMNH2 +O2 + R-CHO → FMN + R-COOH + H2O + Light
概括地说，就是细菌生物发光反应是由分子氧作用，细胞内荧光酶催化，将还原态的黄素单核苷酸(FMNH2)及长链脂肪醛氧化为FMN及长链脂肪酸，同时释放出最大发光强度在490nm左右的蓝绿光【6】。
目前，发光细菌法已经成为了成为一种简单、快速的生物毒性检测手段，广泛应用于质检、环境监测、水产养殖等领域，并被列入了国际标准ISO11348，我国国家标准GB/T15441-1995，德国国家标准DIN38412。在我国，目前主要是以国际ISO标准和我国的国家标准为依据，尤其是国际ISO标准。
ISO11348标准的检测原理是，在15℃温度下，以无毒参比溶液做对比，样品或其稀释溶液与Vibrio Fischeri(费氏弧菌)接触15min或30min或5min后，测量出实际样品对发光细菌的抑制率。水质的毒性水平以LID值(当抑制率降低到20%时样品的稀释倍数)、EC20或EC50值(造成20%或50%抑制率时样品的浓度)表示。LID值越高，EC值越低，表明样品的毒性越强。而我国的国家标准GB/T15441-1995采用的菌种是明亮发光杆菌T3小种，水质的毒性水平是以相当的氯化汞浓度或选用EC50值来表征。
2.2 细菌发光法生物毒性仪的特点
目前，国内外常见的快速生物毒性分析仪大多都是建立在细菌发光法的原理上，一般有适用于实验室检测的台式毒性仪和适用于现场使用的便携式毒性仪。台式的毒性仪主要应用于实验室中，在15℃的恒温器中，按照ISO标准流程进行样品的毒性分析，计算出样品的毒性水平LID值或EC值。便携式的毒性仪主要应用于现场的常规快速监测或突发事件的应急监测，采用简化后的ISO标准流程进行分析，一般不配备恒温器，检测水样对发光细菌的发光抑制率。
对于采用发光细菌方法的毒性仪来说，它们的主要特征有：
(1) 菌种：使用不同的菌种，水中毒物对其发光过程的影响程度是不一样的。因此，若要使数据更有权威性及可比性，一般采用符合标准的菌种。目前国内常用的3种发光细菌为：明亮发光杆菌、费氏弧菌、青海弧菌。其中，明亮发光杆菌在GB/T15441-1995标准中所使用;费氏弧菌在国际的ISO11348标准中所使用;青海弧菌属于淡水菌，是在我国青海湖的鱼体内提取的一种可发光的菌种，目前这种菌在国内一般应用于饮用水中。国内的生物发光光度计一般采用符合国标的明亮发光杆菌T3小种，也有采用青海弧菌的。国外的毒性仪基本都是采用符合ISO标准的费氏弧菌Vibrio Fischeri，也有个别采用鳆鱼发光杆菌，该菌灵敏度比较高，但是其复苏时间长达3小时，不利于现场快速检测的应用。
(2) 抗干扰能力：毒性测定是通过一个光度计测定样品的相对发光度，因此水样的颜色或浑浊度会对检测结果造成很大的干扰，这也是所有毒性仪在实际水样测定中遇到的最大干扰。目前，具有对色度和浊度进行补偿功能的，只有某一在德国生产的台式生物毒性仪具有。
(3) 认证：对于水质的现场表征，USEPA不鼓励使用那些性能(例如假阳性或假阴性)没有经过验证的现场测试技术。
(4) 结果表达形式：由于主要是针对在现场的快速筛检，因此便携式毒性仪基本上都是采用简化了的ISO11348标准流程对样品的毒性进行快速评估，一般都是测定一个样品浓度的抑制率，即所谓的单点结果表达方式，抑制率越高，样品溶液的毒性越强。所有的便携式毒性仪基本上都是采用这种方式。除了采用单点表达方式外，美国某一品牌的毒性仪还创新开发了一种独特的类似于ISO标准的三点表达方式，且用一张独特的色卡(见图1和图2)，通过三个点落在不同的颜色区域来判断水样的毒性及危险性。这种方法更直观，令使用者更容易判定水样的毒性强度及处理方法。
(5) 检测速度：现场应用，一般都要求检测速度越快越好，由于使用的都是细菌发光法，因此操作流程基本一致。影响检测速度的就只有菌种的准备过程了。一般来说，菌种需要经过复苏和稀释过程，在所有菌种中，只有鳆鱼发光杆菌的复苏时间需要长达3小时，这对于现场的快速检测不利。
(6) 仪器的便携性能：在野外现场的工作中，仪器的小巧便携性、坚固性及使用方便性是非常重要的。便携性仪器基本上都很小巧，且都可以使用电池为电源，重量在2~3kg，并配备了便携箱，把仪器和试剂都内置在便携箱中，便于携带。这些功能都会增加现场使用的便捷性。
(7) 仪器的辅助功能，某些毒性仪除了具有细菌发光法测量外，还具有一些辅助功能，为快速判断水体毒性提供更多的信息。如某些毒性仪具有ATP(三磷酸腺苷)分析功能，可确定单位样品中活性生物的数量，不过这种功能在水质毒性分析中使用不多。而某些毒性仪的配套设备中还配备了多种现场水质分析的附件，如pH计、TDS计、砷快速试纸、余氯&总氯比色盘、色度盘、农药/神经毒剂试纸等，为现场的综合毒性分析和判断提供有利信息。
2.3 最新的生物毒性检测技术——化学发光法
虽然细菌发光法的现场水质综合毒性分析技术在环境监测中应用很广泛，但是该法所需的发光细菌试剂需要在-18~-20℃的条件下保存，且其复苏温度也要在3~8℃的条件下进行，这种条件对于现场环境来说都是非常苛刻的，从而影响了实验数据的重复性和稳定性。近几年，出现了一种最新的毒性评价技术——化学发光法，根据化学反应产生的辐射光的强度来确定反应中相应物质含量的分析方法，具有灵敏度高、设备简单、分析速度快、线性范围宽等特点。
这种最新的水质生物毒性分析技术最初为军方研发，被美国和英国的军方广泛采用。基于这一方法在军方的成功运用，美国开始在环保署、城市应急中心、水务公司、市政供水公司等领域推广采用。正是基于化学发光法的优势，美国某一水质分析仪器公司研制并成功开发了一款采用化学发光法的现场水质生物毒性测试仪器。该仪器除了具有细菌发光法毒性分析功能外，还具有最新的化学发光法毒性分析功能!该技术不仅已通过了USEPA环境技术认证项目(ETV)，同时该便携式水质毒性分析仪也成为美国环保署(USEPA) 在紧急响应草案中推荐的水质分析仪器。
化学发光法的原理是基于在辣根过氧化物酶的催化下，发光试剂与氧化物发生化学反应，在反应过程中会发生闪光(化学发光)。当样品中存在有毒物质时，便会影响该反应的进行，进而影响发光强度，通过发光强度的变化即可确定样品毒性强度【7-8】。
化学发光法的分析流程非常简单，不需要特殊的温度条件，只需要在测试管中加入1mL的水样，分别加入0.1mL的CT1、CT2及CT3试剂后，把测试管放入仪器中扫描4min，以无毒参比溶液做对比，最后测试结果将会以相对发光强度——抑制率表示，如图3所示。
与细菌发光法相比，化学发光法具有以下的优点：
(1) 测试速度快，5分钟之内就可以得到第一个测量结果，而传统的发光细菌法则至少需要15分钟;
(2) 在常温下即可进行分析，无需恒温器;
(3) 所用试剂可在常温下保存;
(4) 试剂稳定，测试方便，数据重复性好，避免了细菌发光法由于使用不同菌种而得到不同的数据。
3 毒性分析仪的实际应用
细菌发光法早在20世纪70年代就开始应用于水环境的毒性检测，因此在目前来说，该方法的应用比化学发光法更广泛。但是，细菌发光发所使用的发光细菌试剂需要在-18~-20℃的条件下保存，且其复苏温度也要在3~8℃的条件下进行，这种条件对于实验室来说是很容易实现的，但对于现场环境来说都是非常苛刻的，从而不利于在现场的使用，因此，这种技术更适用于实验室。而化学发光法完全是针对现场应用的需求而研发的，其试剂可在常温下保存，且在常温下即可进行分析，因此对各种现场环境的适应性更强。
目前，某品牌推出了最新的二合一仪器，一台仪器同时兼备了以上描述的两种技术——细菌发光法和化学发光法。这个对于具有不同要求的客户来说，将更具实际意义。
3.1 水质应急监测
由于在应急监测中，能在第一时间获得受污染水体的毒性数据是最关键的，因此，当前毒性分析仪的应用主要是集中于现场的应急监测。在发展的初期，现场应用主要采用细菌发光法，但其试剂的保存条件越来越成为其在现场应用的制约条件。而随着简便的化学发光法的出现，弥补了细菌发光法的缺点，越来越受到各种客户的关注。
例如，2010年的上海世博会为了保障世博期间各个水源及饮水的安全，世博区浦西唯一的自来水供应源——南市水厂、上海卫生监督所、上海奉贤水文站、上海长宁区环境监测站等皆购买了同时兼备两种毒性分析技术的仪器，随时为各种突发性饮水安全及环境污染事故做好应急准备。
另外，为了确保2010年的另一国际盛事——广州亚运会的供水安全，广州市水质监测中心在初期专门考察了各个品牌的毒性分析仪，并购买了一台兼具两种技术的便携式毒性分析仪。通过对广州的自来水管网末梢水质进行了初期摸索，检验了这种方法的可行性，肯定了化学发光法在现场使用及长期水质本底监测的可行性及方便性。为了保障广州亚运会的顺利进行，该中心需要对全广州的100多个管网末梢点进行监控，确保亚运会过程的供水安全。为了完成如此艰巨的任务，该中心继续购置了8台具有化学发光法的便携式毒性分析仪，为广州供水安全提供了非常全面的保障。
3.2 水质长期本底监测应用
对于综合毒性分析仪来说，除了现场的应急监测应用外，还有一个非常重要的应用领域——水体长期本底监测。当前水质的污染范围呈现越来越大的趋势，使得各种水体的污染越来越严重，尤其是饮用水水源水。因此，对各个水体建立从早到晚、每一天到每一个季节，乃至每年的水质变化本底监测档案，将会对环境监测等领域提供更多的信息。例如，可对污染事件进行跟踪，追查可能的污染源;对工业现场进行评估;快速应对各种自然灾害所引起的水质影响;还可以评估现有及潜在的水源水，并确定最适合供水系统的处理工艺等等。
由于这类应用将会消耗大量的试剂、人力资源、时间等，因此，能在最少的试剂成本和人力成本下以最短的时间完成每个阶段的水质监测，将会是这类应用的最大挑战。此时，化学发光法的优势将会越来越突出。
随着世博会及亚运会的结束，以上所述的毒性分析仪将会逐渐投入到水质长期本底监测的应用领域中，使以上仪器的应用得到最大的发挥，也为上海和广州两个地区的环境监测作出更大的贡献。
4生物毒性仪的应用前景
发光细菌法与其他传统的生物监测方法相比具有快速、简便、灵敏等特点，使其在水质以及环境评价中得到了广泛的应用。随着技术的发展，更先进的化学发光分析方法以其更快、更简便、灵敏等特点，将会在现场应急监测及长期本底监测的水质综合毒性分析中逐渐得到推广应用。总之，化学发光法与细菌发光法的结合，将会为环境监测提供更加全面、快速、精确的毒性分析，相信这两种测试方法在环境监测中将发挥更大的作用。
参考文献：
【1】Backhaus T, Scholze M, Grimme L H. The single substance and mixture toxicity of quinolones to the bioluminescent bacterium Vibrio fischeri. Aquat Toxicol, 2000, 49: 49-61.
【2】Altenburger R, Backhaus T, Boedeker W. Predictability of the toxicity of multiple chemical mixtures to Vibrio fischeri: mixtures composed of similarly acting Chemicals. Environ Toxicol Chem, 2000, 19: 2341-2347.
【3】Faust M, Altenburger R, Backhaus T. Predicting the joint algal toxicity of multi-component s-triazine mixtures at low-effect con-centrations of individual toxicants. Aquat Toxicol, 2001, 21: 13-32.
【4】王斌，余刚等，烷基醇化合物的定量结构活性相关及联合毒性预测，科学通报，2006，51(13)：1513-1518.
【5】贺志庆，王文波，发光细菌的特性及其在环境监测方面的应用，化学工程与装备，2008，7，105-106.
【6】吴淑杭，凌云等，生物发光法在农产品安全性检测中的应用前景，农业环境科学学报，2006，25(增刊)：421-424.
【7】胡天喜，陈杞等，发光分析与医学[M]，上海:华东师范大学出版社，1990.17-20
【8】李益新，方允中等，血卟啉衍生物光敏反应中化学发光的实验观察，军事医学科学院院刊，1987，11:446.
