水生生物監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用分析

魏 民 ，尤世界 ，鄭國臣 ，周緒申 ，李 環(huán) ，劉 巍 ，張 蕾

（1.松遼流域水資源保護(hù)局，吉林 長春 130021；2.城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150090；3.水利部海河水利委員會，天津 300170)

1 引言

隨著人類活動對河湖污染的加劇，河湖水生態(tài)環(huán)境退化日趨嚴(yán)重，河湖生態(tài)健康評估受到廣泛關(guān)注。河湖健康是描述河湖功能的狀況，通過物理、化學(xué)、生物和生態(tài)學(xué)等方面進(jìn)行監(jiān)測，涉及的研究領(lǐng)域?qū)挕?nèi)容多、影響因素復(fù)雜，現(xiàn)有的理論和方法有待完善。河湖健康的評估始于水質(zhì)的監(jiān)測，最早只有生化需氧量、化學(xué)需氧量和濁度等幾項(xiàng)指標(biāo)。隨著工業(yè)的發(fā)展，廢水大量進(jìn)入水體，又引入了有機(jī)物、重金屬、氮、磷等指標(biāo)。理化分析法檢測準(zhǔn)確，但只能反映特定條件下的水體狀況[1]。并且河湖中的多項(xiàng)化合物參與的各種復(fù)雜作用(如協(xié)同、拮抗作用等)，給河湖水質(zhì)理化指標(biāo)的監(jiān)測帶來巨大困難。由于水生生物是水生態(tài)環(huán)境中的重要組成部分，直接反映了環(huán)境變化對生物的危害程度，有效實(shí)現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測目的，因此，開展水生生物的監(jiān)測已勢在必行。

水生生物評價(jià)法的優(yōu)勢主要有∶

1）理化指標(biāo)的監(jiān)測只能在特定條件下檢測水環(huán)境中污染物的類別和含量，而生物監(jiān)測可以反映出多種污染物在自然條件下對生物的綜合影響。

2）理化監(jiān)測只能代表取樣期間的污染情況，而在一定區(qū)域內(nèi)生活的生物，卻可以將長期的污染狀況反映出來。

3）與理化監(jiān)測相比，生物監(jiān)測更具多功能性，因?yàn)橐环N生物可以對不同的污染物產(chǎn)生反應(yīng)而表現(xiàn)出不同癥狀，可以有效簡潔的明晰污染物類別及來源。

4）生物處于生態(tài)系統(tǒng)中，通過食物鏈可以把環(huán)境中微量有毒物質(zhì)予以富集，當(dāng)?shù)竭_(dá)該食物鏈末梢時(shí)，可將污染物濃度提高達(dá)數(shù)萬倍，因此，通過對富集污染物后的生物進(jìn)行監(jiān)測，能更好的評價(jià)河湖的健康水平。

5）某些監(jiān)測生物對一些污染物非常敏感，它們能夠?qū)ξ⒘课廴疚锂a(chǎn)生反應(yīng)，并表現(xiàn)出相應(yīng)受損傷的效應(yīng)[2]。

盡管水生生物在河湖健康評估中起著關(guān)鍵性的指示作用，它本身也存在著許多不足：①目前我國很多河湖的外來生物入侵，有些水生生物的特異性不夠顯著，且部分指示生物在實(shí)際環(huán)境中靈敏度不夠；②特定流域中水生生物種類的本底值的獲取還比較困難，花費(fèi)相當(dāng)高；③水質(zhì)的生物監(jiān)測過程中，由于選用的是活體生物具有個(gè)體差異性，因此，水生生物監(jiān)測出的結(jié)果未必可靠。因此，在監(jiān)測和評價(jià)水體污染的過程中，需要把水生生物指標(biāo)和理化指標(biāo)的分析結(jié)合起來，建立綜合監(jiān)測評價(jià)體系以更好的評估河湖的健康水平[3]。

2 水生生物在河湖水質(zhì)監(jiān)測分析中的研究進(jìn)展

自Lindeman發(fā)表水生生物營養(yǎng)動力學(xué)理論后，水生生物學(xué)就跳出原來水生動物、植物和微生物分類學(xué)的圈子，而趨向于生態(tài)系統(tǒng)的概念來研究水生生物在水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，即越來越突出其生態(tài)學(xué)意義。國外的學(xué)者也從不同的角度研究水生生物在河湖中水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用。例如：Pina[4]提出在未來的調(diào)查中需要重點(diǎn)研究淡水生態(tài)物種和類群，需要更好地理解不同物種基因組信息。Colombo[5]進(jìn)行了全氟化合物對藻類、水蚤、大的胚胎、幼蟲的虹鱒魚、虹鱒的急性和慢性毒性方面的研究等。

近年我國關(guān)于水生生物的生態(tài)因子的研究有：①水中污染物在微生物鐵載體與鐵離子共存下的光化學(xué)轉(zhuǎn)化機(jī)制；②淡水綠藻對典型環(huán)境雌激素類內(nèi)分泌干擾物的去除機(jī)制；③氮濃度升高，對湖泊中螺類、附著藻類、沉水植物關(guān)系的影響及其機(jī)理；④多環(huán)芳烴/表面活性劑復(fù)合污染體系對小球藻生長的影響及機(jī)制；⑤重金屬與有機(jī)弱酸堿類污染物復(fù)合體系對水生生物的聯(lián)合毒性及作用機(jī)理；⑥紫外線對熱帶珊瑚礁海區(qū)浮游藻類光合作用的生態(tài)效應(yīng)；⑦典型河口區(qū)外源磷的遷移轉(zhuǎn)化及其對藻類生長的影響；⑧典型藥物與個(gè)人護(hù)理品在水生生物體內(nèi)的吸收、轉(zhuǎn)化和凈化代謝過程；⑨底棲藻類對淺水湖泊沉積物/水層磷循環(huán)的調(diào)節(jié)過程及機(jī)理：基于放射性同位素示蹤研究；⑩內(nèi)源磷非常態(tài)釋放及其與水生生物的關(guān)系等。

針對不同的研究目的，選擇合適的指示物種進(jìn)行生態(tài)評價(jià)是獲得可靠評價(jià)的基礎(chǔ)。指示物種是在某種特殊環(huán)境條件很敏感的，因此可作為環(huán)境變化的早期預(yù)警指標(biāo)。有些指示物種出現(xiàn)可以表明其他物種的存在，其缺失則表明了整個(gè)種群的缺失；它們在一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的出現(xiàn)或消失都會導(dǎo)致其他物種的多度和出現(xiàn)率發(fā)生重要變化；另外，指示物種構(gòu)成了一個(gè)地區(qū)的大部分生物量或個(gè)體數(shù)量的優(yōu)勢物種，它們能反映生態(tài)壓力影響的效果。一般來說，選擇指示物種的原則包括：它們必須對被評價(jià)的環(huán)境條件非常敏感；它們必須能準(zhǔn)確地對目標(biāo)環(huán)境作出響應(yīng)；它們的活動范圍必須比其它生物的活動范圍要大。近年關(guān)于水生生物區(qū)系分類方面的研究，主要包括：①中國大陸并殖吸蟲淡水蟹類宿主動物起源；②中小型浮游動物的數(shù)字全息成像探測與分析方法；③養(yǎng)殖魚類氣單胞菌感染的病原追蹤；④中國氣生、亞氣生藻類橘色藻科的區(qū)系；⑤湖南魚類單殖吸蟲區(qū)系分類；⑥田螺科的分子分類和進(jìn)化；⑦中國淡水曲殼藻屬分類學(xué)；⑧白洋淀濕地腹毛類纖毛蟲的區(qū)系與多樣性；⑨黃河三角洲淡水真菌中了與分布；⑩東、黃海海沿海不同緯度浮游動物優(yōu)勢種分布差異的成因分析等。

這些工作為開展河湖生態(tài)學(xué)研究積累了資料。但由于技術(shù)力量薄弱和經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重不足，河湖生物監(jiān)測工作在我國還沒有很好地開展，至今仍缺乏對我國河湖水生生物群落結(jié)構(gòu)特征的全面了解，尤其是不同流域中的指示物種的相關(guān)研究未能進(jìn)行系統(tǒng)分析，選取一些對水生態(tài)系統(tǒng)有顯著影響的物種作為指示生物，力求通過保護(hù)敏感生物來保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從而保證健康的水生態(tài)系統(tǒng)。

3 水生生物學(xué)在水質(zhì)監(jiān)測的應(yīng)用及展望

我國水生生物物種豐富，且分布很廣。因此，針對不同的流域，需要建立相應(yīng)的水生生物物種數(shù)據(jù)庫。進(jìn)而在線監(jiān)測水生生物，才能更快的對比、分析、研究，以得出較好的監(jiān)測結(jié)果。由于生態(tài)系統(tǒng)中同種生物在不同地域?qū)ξ廴疚锏哪褪苄缘牟灰恢?，且生物不同的生長階段對污染物也有不同反應(yīng)，這些特點(diǎn)決定了在設(shè)計(jì)生物監(jiān)測方案時(shí)，不僅要考慮水體的特征，還要研究水生生物毒理學(xué)特征，以提高河湖健康評估的可信度。

生物多樣性高低是一個(gè)地區(qū)生態(tài)質(zhì)量優(yōu)劣的重要量度，生物多樣性指數(shù)和各種指數(shù)早就被應(yīng)用于水質(zhì)的生物學(xué)評價(jià)。目前我國學(xué)者研究生物多樣性指標(biāo)評價(jià)的主要有：①小型浮游動物在我國近海浮游生態(tài)系統(tǒng)中的作用；②三峽庫區(qū)地質(zhì)成因富磷河流藻類多樣性及初級生產(chǎn)力時(shí)空演變特征；③全球變暖對海洋微型浮游動物攝食浮游植物的影響；④長江和密西西比河，沖淡水區(qū)域碳酸鹽系統(tǒng)和海氣二氧化碳通量的比較研究；⑤馬尾藻海藻場水生生物資源養(yǎng)護(hù)機(jī)制；⑥福壽螺入侵對稻田水體生物多樣性的影響；⑦環(huán)渤、黃海山東沿岸潮間帶藻生真菌物種多樣性；⑧楊樹人工林對洞庭湖濕地植物多樣性的影響及機(jī)理；⑨南海浮游藻類脂類標(biāo)志物和群落豐度關(guān)系；⑩福壽螺入侵對稻田水體生物多樣性的影響及其作用機(jī)理等。應(yīng)用多樣性指數(shù)雖能定量地反映群落結(jié)構(gòu)，但不能反映個(gè)體生態(tài)學(xué)信息及各種生物的生理生化特性，也不能反映由于水中營養(yǎng)鹽類的變化，可能引起的群落的改變等，這些均有待進(jìn)一步的完善。

水體富營養(yǎng)化是指在人類活動的影響下，氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧下降，水質(zhì)惡化，魚類及其他生物大量死亡的現(xiàn)象。關(guān)于水體富營養(yǎng)化研究的內(nèi)容主要有：①巢湖富營養(yǎng)化湖泊沉積物甲烷厭氧氧化作用；②水華擬多甲藻的孢囊形成和萌發(fā)機(jī)理；③富營養(yǎng)淡水環(huán)境中金屬腐蝕后期反轉(zhuǎn)加速行為與機(jī)理；④基于浮游植物色素反演的富營養(yǎng)化湖泊主要藻類遙感識別機(jī)理；⑤附植藻類在淺水富營養(yǎng)化湖泊沉水植被衰退中的作用及機(jī)制；⑥鐵對富營養(yǎng)化湖泊典型藻類生長及光譜特征的影響；⑦湖庫藻類水華形成機(jī)理建模與預(yù)測方法；⑧湖水游離細(xì)菌和附著細(xì)菌與藻類之間的營養(yǎng)偶聯(lián)關(guān)系；⑨黃渤海低營養(yǎng)級關(guān)鍵魚種對浮游動物的捕食及其時(shí)空變化；⑩城鎮(zhèn)溪流底棲藻類和底棲動物群落的退化規(guī)律與機(jī)制研究等。

目前采用的水生生態(tài)毒理監(jiān)測技術(shù)主要有魚類毒性試驗(yàn)、水蚤類急性毒性試驗(yàn)、藻類急性毒性試驗(yàn)等。由于受到試驗(yàn)條件、技術(shù)分析方法等制約，不能對水生動物各種生理、生化變化原因進(jìn)行全面定量分析，特別是低濃度水體污染物在短期內(nèi)的生物學(xué)效應(yīng)不明顯。特征污染物對水生生態(tài)系統(tǒng)有潛在、長期的危害，最終影響種群結(jié)構(gòu)、特性、物種個(gè)體的生理、生態(tài)、遺傳等。因此，關(guān)于水生生態(tài)毒理對水生動物和其他水生生物潛在的、長期的影響值得進(jìn)一步研究。如基于Abraham線性溶劑化方程研究可離子化有機(jī)污染物對水生生物的毒性。相當(dāng)多的研究已經(jīng)進(jìn)行研究重金屬、農(nóng)藥、抗生素，內(nèi)分泌干擾物等對水生生物的影響;Maarten[6]評估在河流的重金屬污染的影響，采用無脊椎動物和硅藻綜合評價(jià)要優(yōu)于單獨(dú)使用生物群。由于生物體中的氧化蛋白質(zhì)的含量是不會改變的，Amado[7]通過測定魚類、微囊藻等總抗氧化能力的新方法研究其毒理的潛力。水質(zhì)問題本質(zhì)是水生態(tài)問題，由于河湖生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜，關(guān)于水生生物對水生態(tài)調(diào)控機(jī)理方面的研究也非常豐富。關(guān)于這方面的研究主要有：①水庫浮游微型扁蟲，對后生浮游動物群落的控制及其下行效應(yīng)；②太陽光催化氧化對復(fù)合污染水源中藻類的控制效能及機(jī)理；③生物結(jié)皮中藻類分泌胞外聚合物的生態(tài)調(diào)控機(jī)理；④以滇池藻類生物為模版，合成太陽光催化產(chǎn)氫催化劑的研究；⑤在鰱、鳙捕食壓力下的亞熱帶水源地水庫藻類增長非線性動力學(xué)；⑥泥沙淤積對洞庭湖濕地植被演替的調(diào)控機(jī)理；⑦深水型水源水庫藻類垂向被動遷移特性及取水調(diào)控；⑧淡水魚體內(nèi)多溴聯(lián)苯醚的代謝過程解析及其代謝物污染現(xiàn)狀與危害性；⑨藻類毒素污染暴露人群生物標(biāo)志物；⑩淡水底棲藻類對磷的滯留作用等。

4 結(jié)語

水生生物監(jiān)測是水質(zhì)分析的重要方法。與傳統(tǒng)的理化監(jiān)測相結(jié)合，水生生物監(jiān)測，體現(xiàn)其綜合、靈敏的優(yōu)勢特點(diǎn)，但還需要從技術(shù)、方法等基礎(chǔ)方面進(jìn)行深入研究。水生生物監(jiān)測要注意監(jiān)測的連續(xù)性，對結(jié)果進(jìn)行時(shí)間和空間的綜合分析。還要加強(qiáng)生物多樣性指標(biāo)、富營養(yǎng)化問題、水生態(tài)調(diào)控機(jī)理、水生生物毒理學(xué)等方面的研究，為河湖健康評估提供更好的技術(shù)支持。

［1］Maxine Wright Walters,Conrad Volz,Evelyn Talbott,et al.Anupdatedweightofevidenceapproachtotheaquatichazard assessment of Bisphenol and the derivation a new predicted no effect concentration(Pnec)using a non-parametric methodology［J］.Science of the Total Environment，2011（409）：676—685.

［2］張遠(yuǎn)，張楠，孟偉.遼河流域河湖生態(tài)系統(tǒng)健康的多要素評價(jià)［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2008，26(17)∶35-41.

［3］張丹，丁愛中，林學(xué)鈺，等.河湖水質(zhì)監(jiān)測和評價(jià)的生物學(xué)方法［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，45（2）：200-203.

［4］BenjaminPina,CarlosBarata.Agenomicandecotoxicological perspective of DNA array studies in aquatic environmental risk assessment［J］.Aquatic Toxicology,2011（53）：10-19.

［5］C.C.M.Ip,X.D.Li,G.Zhang,et al.Heavy metal and Pb isotopic compositions of aquatic organisms in the Pearl River Estuary,South China［J］.Environmental Pollution,2005,（138）：494-504.

［6］Maarten De Jongea,Bart Van de Vijver,Ronny Blust,et al.Responsesofaquaticorganismstometalpollutioninalowland river in Flanders∶A comparison of diatoms and macroinvertebrates［J］.Science of the totalenvironment,2008,（407）：615-629.

［7］L.L.Amado,J.M.Monserrat.Oxidative stress generation by microcystinsinaquaticanimals∶Whyandhow［J］.Environment International,2010（36）：226—235.