a. Nguyên tắc tiếp cận sử dụng sinh vật thử nghiệm
Giám sát nồng độ hóa chất là phương pháp thường dùng để giám sát các chất hóa học trong môi trường. Mặc dù phương pháp này đã được áp dụng rộng rãi nhưng nó lại không cung cấp những thông tin hữu ích cho việc giám sát môi trường. Để nâng cao hiệu quả chương trình giám sát, cần thiết phải thu thập thông tin về càng nhiều hóa chất càng tốt và tạo ra được kết quả tức thời, liên tục để cảnh báo sớm. Hai hướng đi mới được coi là lời giải đáp cho vấn đề trên là phương pháp giám sát lý hóa liên tục tự động đánh giá những đặc tính lí hóa của một hay một nhóm chất độc có thể cung cấp những báo động sớm khi điều kiện môi trường có những thay đổi bất thường. Nhưng ứng dụng này lại bị hạn chế bởi sự giới hạn của những cảm biến và công cụ giảm sát thích hợp, hiệu quả cho sự phân tích các chất ô nhiễm cần theo dõi. Mặc dù phương pháp này đã phần nào thỏa mãn nhu cầu giám sát liên tục nhưng vẫn chưa có sự liện kết chặt chẽ về mặt sinh thái để đưa ra những cảnh báo chính xác nhất.
Ngược lại, công nghệ giám sát sinh học lại sử dụng những sinh vật như những cảm biến để phát hiện ô nhiễm. Nó phụ thuộc vào bản chất của sinh vật được sử dụng và mức nồng độ có nghĩa trong môi trường cũng như phụ thuộc vào ngưỡng mà sinh vật bị chất độc tác dụng.Điều này tạo nên mối tương quan nồng độ - phản ứng và tính nhạy cảm của mỗi sinh vật. Hầu hết một sinh
vật nhạy cảm đối với nhiều hợp chất, do đó, có thể coi sinh vật là một nguồn cảm biến sinh học (biosensor) vô cùng đa dạng, cho phép các nhà quản lý lựa chọn đối tượng thích hợp cho mục tiêu giám sát. Tuy nhiên, các sinh vật này không cung cấp thông tin xác đinh hóa chất gây độc cụ thể và phản ứng của chúng thường chỉ mang tính chất bán định tính bởi sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố môi trường. Một phản ứng sinh thái của sinh vật thường là để đáp ứng lại một hay nhiều yếu chất ô nhiễm trong rất nhiều hợp chất có trong môi trường.
Sinh vật cảnh báo là loài sinh vật chỉ thị mẫn cảm với điều kiện sinh lý và sinh hóa, nghĩa là chúng hoặc hiện diện hoặc có những phản ứng khác thường hoặc thay đổi số lượng cá thể các loài chỉ thị do môi trường bị ô nhiễm hay môi trường sống bị xáo trộn. Các sinh vật chỉ thị môi trường khác nhau có thể xếp thành các nhóm theo những tiêu chí như:
+ Tính nhạy cảm là các loài mẫn cảm đặc trưng có những phản ứng khác thường với những điều kiện môi trường không thích hợp để có thể sử dụng như là một công cụ cảnh báo sớm
+ Như một công cụ thăm dò là những loài xuất hiện tự nhiên trong môi trường có thể dùng đo đạc sự phản ứng và thích nghi đối với sự thay đổi của môi trường
+ Như một công cụ khai thác là các loài có thể chỉ thị cho sự xáo trộn hay ô nhiễm môi trường
+ Như một công cụ tích lũy sinh học là các loài sinh học bao gồm hóa chất trong mô của chúng
+ Các sịnh vật thử nghiêm là các sịnh vật chọn lọc có thể được sử dụng như là các chất trong thí nghiệm để xác định sự hiện diện hoặc nồng độ chất ô nhiễm
Ở mỗi sinh vật, sự căng thẳng là điều không thể tránh khỏi, nhưng phản ứng không đặc trưng của sinh vật đến bất kỳ yếu tố nào ảnh hưởng đến nó, ở giới hạn thấp hơn hoặc “ngưỡng căng thẳng” có thể được xác định. Sự căng thẳng bao gồm căng thẳng do các chất độc hại, ban đầu sẽ gợi lên một phản ứng báo động, nhưng không một sinh vật nào có thể duy trì trạng thái mãn
tính báo động đó và cuối cùng vào giai đoạn thích ứng hoặc phản kháng. Một sinh vật phản ứng sự căng thẳng bằng nhiều cách, bao gồm cả những thay đổi trong mô hình chuyển động.
Vận động là một tính năng đặc trưng không thể bỏ qua của nhiều sinh vật như là một yếu tố sinh lý quan trọng trong sự sống còn. Những thay đổi trong hành vi di chuyển của sinh vật có thể được sử dụng như một chỉ số thích hợp trong đánh giá rủi ro độc học sinh thái. Sự thay đổi hành vi của sinh vật liên quan đến áp lực và tiếp xúc với độc tố cụng cấp thông tin mới mà không thêt thu được từ phương pháp độc học truyền thống, trong đó bao gồm các hiệu ứng tiếp xúc gây chết trong thời gian ngắn và trung bình, khả năng tử vong.Do đó mỗi sinh vật cảnh báo khi bị tác động bởi môi trường ô nhiễm sẽ biểu hiện các dấu hiệu sinh học. Dựa vào việc phát hiện đánh giá, giám sát các dấu hiệu sinh học đó, có thể phân tích được mức độ ô nhiễm.
Nguyên tắc cơ bản nhất của tất cả các hệ thống sinh học cảnh báo sớm là chọn sinh vật phù hợp cho đối tượng cần được giám sát. Việc lựa chọn này dựa trên khả năng phản ứng của sinh vật đối với các điều kiện môi trường khác nhau để phản ánh chất lượng môi trường sống của chúng. Những sinh vật bị các chất ô nhiễm hoặc các chất tự nhiên có mặt nhiều trong môi trường tác động và thông qua các biểu hiện, những thay đổi bất thương, chúng sẽ chỉ thị cho bản chất và mức độ gây ô nhiễm.
Để ghi nhận những phản ứng nhanh chóng, chức năng sinh lý hay hành vi của sinh vật sẽ được sử dụng như là những thông số đáp ứng. Những thông số này phải phản ánh được sự thay đổi điều kiện môi trường, đặc biệt là đối với sự gia tăng nồng độ của một hay nhiều chất độc hại trong nước.