河流水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)的創(chuàng)新及發(fā)展前景

王旭濤

目前我國(guó)河流常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)體系僅限于物化監(jiān)測(cè)，面對(duì)我國(guó)河流水質(zhì)污染嚴(yán)重、河流開(kāi)發(fā)過(guò)度致使生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重的現(xiàn)狀，急需對(duì)河流生態(tài)安全進(jìn)行監(jiān)控。生物監(jiān)測(cè)是水質(zhì)監(jiān)測(cè)（又稱水環(huán)境監(jiān)測(cè)）的重要組成部分，能夠直接表明各種環(huán)境因素所產(chǎn)生的綜合生態(tài)效應(yīng)，為河流健康、污染防治、生態(tài)修復(fù)等工作提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。 針對(duì)我國(guó)缺乏相應(yīng)的河流水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)體系，河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)以物化監(jiān)測(cè)為主，生物監(jiān)測(cè)不足的缺陷，珠江流域水資源保護(hù)局先后開(kāi)展了中法合作項(xiàng)目“珠江水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)方法研究”、水利部948項(xiàng)目“法國(guó)河流水質(zhì)硅藻生物監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)及Omnidia模型”、水利部公益性科研專項(xiàng)“珠江水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)”，在珠江流域范圍內(nèi)選擇著生硅藻和底棲動(dòng)物作為指示生物，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的生物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)跟物化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，建立了水生物評(píng)價(jià)指數(shù)，劃分了水生態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)，并闡明各指數(shù)所代表的水環(huán)境狀況和生態(tài)意義。

國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

目前水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)研究主要依據(jù)生物個(gè)體形態(tài)、生理、發(fā)育、繁殖以及種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)的變化進(jìn)行觀察和統(tǒng)計(jì)。魚類、大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物、硅藻常被用作水質(zhì)監(jiān)測(cè)的指示生物。

硅藻對(duì)于有機(jī)污染物、重金屬、鹽度、富營(yíng)養(yǎng)化等反應(yīng)敏感，而且硅藻采樣快速、方便，可以制成永久載波片保存，從而被認(rèn)為是目前水質(zhì)監(jiān)測(cè)中最好的指示生物。但是，河流水質(zhì)硅藻評(píng)價(jià)指標(biāo)眾多，包括IPS (硅藻污染響應(yīng)指數(shù))、IBD (硅藻生物指數(shù))、IDAP、SHE、WAT、DG、DES、CEE等等，生態(tài)學(xué)意義各不相同，各國(guó)所選取的硅藻指數(shù)也不相同，例如WAT是日本常用的河流水質(zhì)硅藻評(píng)價(jià)指標(biāo)，法國(guó)以及歐盟水框架中IPS 、IBD是常用的指數(shù)。另外，法國(guó)以及歐盟在對(duì)硅藻水質(zhì)評(píng)價(jià)的生態(tài)學(xué)意義進(jìn)行解釋時(shí)，主要依據(jù)也建立在對(duì)歐洲河流硅藻長(zhǎng)期生態(tài)學(xué)的觀察與研究的基礎(chǔ)上。由于硅藻分類學(xué)的不斷更新，歐洲仍然在對(duì)IPS和IBD進(jìn)行修正，使水質(zhì)硅藻評(píng)價(jià)更加完善。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)在生物監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用,生物信息檢測(cè)的數(shù)字化、智能化技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外生物監(jiān)測(cè)研究的重要領(lǐng)域和發(fā)展方向之一。由于生物監(jiān)測(cè)的鑒定工作量大、監(jiān)測(cè)指數(shù)計(jì)算方法復(fù)雜，數(shù)據(jù)智能化處理和管理正成為目前河流水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展方向。

我國(guó)在水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)方面也開(kāi)展了大量有益的工作，如水中生物群落的測(cè)定、細(xì)菌學(xué)的測(cè)定、急性毒性的測(cè)定與評(píng)價(jià)、生物危害性的測(cè)定與評(píng)價(jià)等，但這些方法還多限于實(shí)驗(yàn)室工作。河流水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)流程、數(shù)據(jù)處理、流域內(nèi)水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)布置的原則、數(shù)據(jù)的傳輸、水質(zhì)生物信息發(fā)布等技術(shù)在我國(guó)尚沒(méi)有開(kāi)展專項(xiàng)研究，另外有關(guān)河流硅藻、底棲動(dòng)物的分類方法、與物化因素的相關(guān)數(shù)據(jù)也極度匱乏。

研究?jī)?nèi)容和成果

珠江流域水資源保護(hù)局通過(guò)在珠江流域的郁江、桂江、北江和東江流域設(shè)置生物監(jiān)測(cè)示范區(qū)，比較了100多個(gè)監(jiān)測(cè)斷面多年的河流水質(zhì)與生物（附生硅藻、底棲動(dòng)物）監(jiān)測(cè)結(jié)果，建立了完整的珠江硅藻和底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)體系（包括珠江硅藻和底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)指南，珠江流域常見(jiàn)硅藻和底棲動(dòng)物檢索表以及珠江流域常見(jiàn)硅藻和底棲動(dòng)物圖譜；劃分了水質(zhì)生物評(píng)價(jià)等級(jí)，闡明了水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)所指示的河流水生態(tài)狀況），規(guī)范了河流水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)（包括斷面布設(shè)、生物樣品采集、樣品處理、鑒定、指數(shù)計(jì)算等），開(kāi)發(fā)了珠江硅藻和底棲動(dòng)物數(shù)據(jù)管理及鑒定輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括生物樣品標(biāo)準(zhǔn)圖譜、生物評(píng)價(jià)指數(shù)和評(píng)價(jià)等級(jí)的自動(dòng)計(jì)算與劃分、與水質(zhì)物化監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)接。該成果完善了我國(guó)現(xiàn)有的水質(zhì)監(jiān)測(cè)體系，為我國(guó)其他流域推廣和應(yīng)用硅藻和底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)奠定理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

①通過(guò)對(duì)大量的物化數(shù)據(jù)和生物數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證了硅藻和底棲動(dòng)物作為指示生物進(jìn)行水環(huán)境及水生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的可行性。

②擬定了珠江硅藻和底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)技術(shù)指南，內(nèi)容包括監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)、樣品采集、標(biāo)本制作以及顯微鏡檢測(cè)等。指南對(duì)各項(xiàng)技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行了反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)各項(xiàng)操作步驟均附有彩色照片，降低了硅藻和底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)技術(shù)的推廣難度。

③建立了珠江流域常見(jiàn)硅藻和底棲動(dòng)物檢索表以及珠江流域常見(jiàn)硅藻和底棲動(dòng)物圖譜。圖譜中采用的均是生物樣品實(shí)拍照片而非傳統(tǒng)生物鑒定圖譜中的手繪圖片。

④開(kāi)發(fā)了硅藻和底棲動(dòng)物數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，包括硅藻、底棲動(dòng)物標(biāo)準(zhǔn)圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠通過(guò)人機(jī)對(duì)話自動(dòng)識(shí)別和查詢，建立了生態(tài)監(jiān)測(cè)信息庫(kù)，能自動(dòng)計(jì)算水質(zhì)生物評(píng)價(jià)指數(shù)和劃分評(píng)價(jià)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)與水質(zhì)物化監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)接，以便預(yù)測(cè)和判定河流生態(tài)發(fā)展趨勢(shì)。

⑤篩選出適合珠江流域特征的硅藻評(píng)價(jià)指數(shù)，闡明了不同硅藻指標(biāo)所代表的生態(tài)學(xué)意義，劃分并驗(yàn)證了珠江水質(zhì)硅藻指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)。在野外采集、室內(nèi)鑒定和分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算了底棲生物參數(shù)值，并開(kāi)展候選參數(shù)的敏感性、冗余性和準(zhǔn)確性的多元統(tǒng)計(jì)分析，以及標(biāo)準(zhǔn)化生物參數(shù)量綱的計(jì)算，建立了珠江流域底棲動(dòng)物評(píng)價(jià)指數(shù)。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

監(jiān)測(cè)結(jié)果可反映水環(huán)境狀況。由于水體是流動(dòng)的，常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)僅能反映采樣“瞬間”的水環(huán)境狀況，而硅藻和底棲動(dòng)物能夠在水中“固著”生長(zhǎng)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果可以反映一定時(shí)間段內(nèi)的水環(huán)境狀況。

硅藻和底棲動(dòng)物能夠反映出水體中各種污染物的綜合效應(yīng)。水中的污染物有成千上萬(wàn)種，出于成本考慮常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)僅檢測(cè)常見(jiàn)的20余種水質(zhì)指標(biāo)，有限的幾種水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)即使合格也不能代表水環(huán)境質(zhì)量合格，而硅藻和底棲動(dòng)物能夠反映出水體中各種污染物的綜合效應(yīng)。近年珠江流域發(fā)生的突發(fā)性水污染事故都是常規(guī)水質(zhì)檢測(cè)正常，而生物監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)異常。

降低生物監(jiān)測(cè)的技術(shù)難度，便于推廣應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)將生物監(jiān)測(cè)難度最大的生物鑒定和指數(shù)計(jì)算部分集成到軟件中，檢測(cè)人員不需具備專業(yè)生物學(xué)知識(shí)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)會(huì)操作軟件就可進(jìn)行水生態(tài)監(jiān)測(cè)，降低了生物監(jiān)測(cè)的技術(shù)難度，方便在基層水文單位大規(guī)模推廣應(yīng)用。同時(shí)所有檢測(cè)人員在同一軟件數(shù)據(jù)庫(kù)下進(jìn)行生物鑒定，可以有效降低由于個(gè)人認(rèn)知水平不同導(dǎo)致的生物鑒定系統(tǒng)誤差和人為誤差。

節(jié)省監(jiān)測(cè)成本。硅藻和底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)可以減少物化監(jiān)測(cè)頻率，優(yōu)化監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，極大節(jié)省監(jiān)測(cè)成本。生物監(jiān)測(cè)采樣簡(jiǎn)單，不需要昂貴的儀器設(shè)備。

檢測(cè)數(shù)據(jù)可追溯性強(qiáng)。水質(zhì)檢測(cè)有時(shí)效性要求，水樣無(wú)法長(zhǎng)期保存。而硅藻樣品制成標(biāo)本后可以保存幾十年或上百年，檢測(cè)數(shù)據(jù)可追溯性強(qiáng)。

發(fā)展前景及展望

目前本項(xiàng)目成果已在珠江流域的云南、貴州、廣東、廣西、海南?。ㄗ灾螀^(qū)），以及太湖、淮河、長(zhǎng)江、黃河、松花江等流域開(kāi)展應(yīng)用，同時(shí)清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、華南師范大學(xué)、中山大學(xué)、暨南大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、廣西師范大學(xué)、三峽大學(xué)、深圳市水務(wù)局等多家單位的科研項(xiàng)目中借鑒應(yīng)用了本項(xiàng)目成果，得到全國(guó)多所知名高校的普遍好評(píng)。

該成果的推廣應(yīng)用，有利于加快起草適合我國(guó)流域特征的生物監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)導(dǎo)則。以珠江流域開(kāi)展的河流水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)工作為基礎(chǔ)，加大水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)的知識(shí)普及、人才培養(yǎng)，不斷優(yōu)化和完善流域各省生物監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為編制未來(lái)流域水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)年報(bào)，反映年際的生態(tài)狀況和發(fā)展趨勢(shì)，做好生態(tài)災(zāi)害的預(yù)報(bào)和預(yù)測(cè)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。