水環(huán)境生物監(jiān)測方法及應用

單子豪，付佳睿

（沈陽師范大學生命科學學院，沈陽 110034）

人的命脈在田，田的命脈在水，水環(huán)境質(zhì)量和水生態(tài)系統(tǒng)安全事關人類健康與福祉。自20世紀80年代以來，我國水資源短缺、水生態(tài)破壞、水環(huán)境污染等問題日益嚴重，對水環(huán)境安全造成嚴重影響，各類水環(huán)境污染呈高發(fā)態(tài)勢，成為民生之患、民心之痛。隨著社會發(fā)展和人民生活水平不斷提高，社會各界對于水資源的需求量也明顯上升，但隨之而來的水資源污染問題嚴重困擾社會經(jīng)濟發(fā)展和廣大人民群眾的身心健康，有相當數(shù)量的有機物、重金屬被排放到水環(huán)境中，導致出現(xiàn)較為嚴重的水體污染現(xiàn)象[1]。解決上述問題的急切程度不斷提升。新時代，我國以天更藍、山更綠、水更清、環(huán)境更優(yōu)美為奮斗目標，大力開展生態(tài)文明建設，打造美麗中國。

水環(huán)境保護的基礎在于水環(huán)境監(jiān)測，主要是定量調(diào)查水體環(huán)境的變化情況來動態(tài)掌握水環(huán)境質(zhì)量，以便為水污染防治與水資源保護提供有效依據(jù)。傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測方法大多為化學法與物理法，但均難以滿足當前水環(huán)境監(jiān)測需求，人們急需采用結果準確、效率高、成本低的新型水環(huán)境監(jiān)測方法[2]。生物監(jiān)測技術是基于生物學知識來檢測環(huán)境污染、評價環(huán)境污染，目前已經(jīng)成為環(huán)境監(jiān)測的主要手段，人們可以將其應用到水環(huán)境監(jiān)測中。本文就水環(huán)境生物監(jiān)測方法及應用進行探討。

1 水環(huán)境生物監(jiān)測方法的重要性與優(yōu)勢

1.1 重要性

傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測方法大多通過監(jiān)測污染物的來源與濃度來反映水質(zhì)狀況，但結果并不全面，既難以詮釋水生物與水污染之間的拮抗作用或協(xié)同效應，又難以表達水生物受到水污染物的影響程度。通常而言，即便是同種污染物，其在水體中的化學形式也不同，無論是在生物利用性，還是在潛在毒性，抑或是流動性等方面均有較大不同；水環(huán)境監(jiān)測也難以實現(xiàn)從經(jīng)濟、技術等角度來全方位追蹤每種污染物。水環(huán)境生物監(jiān)測方法可通過對水環(huán)境中污染物的生物利用度進行分析來有效反映其生物效應，揭示其背后所隱藏的風險。除此之外，為了妥善解決日益嚴重的水環(huán)境問題，水環(huán)境生物監(jiān)測方法還可作為水環(huán)境化學毒性分析、物理評估的重要補充來源[3]。

目前，常用于監(jiān)測的生物類型共計有7 大類，一是高等水生植物，主要包括黃花水龍、海菖蒲等；二是微生物，主要包括變形菌門、綠菌門等；三是魚類，主要包括虎皮魚、紅鼻剪刀魚等；四是浮游植物，主要包括硅藻門、綠藻門等；五是浮游動物，主要包括扁蜉、石蠶等；六是周生生物，主要包括殼頂幼蟲、輪蟲動物門等；七是底棲動物，主要包括蚌、貽貝、牡蠣等。

1.2 優(yōu)勢

水環(huán)境生物監(jiān)測方法的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在四個方面。一是穩(wěn)定性，水環(huán)境生物監(jiān)測方法可在同一水域內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)監(jiān)測；二是長期性，水環(huán)境生物監(jiān)測結果可真實地反映出歷史累積的水環(huán)境污染狀況，尤其是能夠反映出慢性毒性的長期效應；三是敏感性，與其他理化監(jiān)測方法相比，水環(huán)境生物監(jiān)測方法能夠較為靈敏地監(jiān)測出低濃度的污染物，甚至有些生物對微量污染也較為敏感；四是多樣性，水環(huán)境生物監(jiān)測方法應用的生物種類繁多，可用于詮釋水生生物與水污染之間的拮抗作用或協(xié)同效應。由此可見，水環(huán)境生物監(jiān)測方法可對水環(huán)境狀況進行全面反映，為水污染治理提供真實、詳盡的科學基礎[4]。

2 水環(huán)境生物監(jiān)測技術的應用

2.1 微生物群落監(jiān)測技術

水環(huán)境中往往會存活著海量的原生動物、藻類、細菌等物質(zhì)，區(qū)域內(nèi)水環(huán)境的質(zhì)量通?？捎善湮⑸锍霈F(xiàn)頻率與數(shù)量來反映，微生物群落監(jiān)測技術也就隨之而產(chǎn)生。微生物群落監(jiān)測技術可以收集水環(huán)境中的群落功能信息與群落結構信息，實時評價當前水環(huán)境狀況，同時可以有效預測其未來發(fā)展趨勢。微生物群落監(jiān)測技術的應用時間較早，大都是基于數(shù)學計算方式與水體樣本來對微生物的分布指數(shù)進行有效統(tǒng)計，以正確判斷水環(huán)境的污染程度。

近年來，隨著自然環(huán)境的改變與科技的迅猛發(fā)展，微生物群落監(jiān)測技術也取得了跨越式發(fā)展，可用于監(jiān)測的指標數(shù)量日益增多，異養(yǎng)性指數(shù)、原物種類型、多樣性指數(shù)等均是常用評價指標。由此可見，微生物群落監(jiān)測技術既明顯提高了水環(huán)境監(jiān)測的科學性，又有效增加了水環(huán)境生物監(jiān)測的精確度，特別適用于監(jiān)測水體中的內(nèi)分泌干擾物、有機污染物及重金屬等。但是，微生物群落監(jiān)測技術也存在一定缺陷：監(jiān)測方法較為復雜，遠遠沒有達到標準化狀態(tài)，最終的監(jiān)測結果難以廣泛應用[5]。

2.2 生物行為反應監(jiān)測技術

大自然中存在較多的生物類型，不同生物對自然環(huán)境有著不同的反應。一旦自然環(huán)境受到污染，某些生物就會出現(xiàn)行為變化或生理變化，生物行為反應監(jiān)測技術是針對這些行為變化或生理變化而出現(xiàn)的一種環(huán)境監(jiān)測技術，可用于判斷環(huán)境的污染程度。金魚、鰻魚、斑馬魚等均是水環(huán)境監(jiān)測中常見的指示生物，可用于測定水環(huán)境中的污染物。以斑馬魚為例，斑馬魚的基因與人類基因較為相似，對生活水質(zhì)有敏感度較高，一旦生活水質(zhì)出現(xiàn)變化，就會在較短的時間內(nèi)反映出來，人們還可基于斑馬魚的反應來確定水質(zhì)污染程度。與此同時，生物行為反應監(jiān)測技術還可對水環(huán)境中的Pb2+、Cu2+等重金屬離子濃度進行測定。例如，斑馬魚在不同的重金屬離子濃度環(huán)境下會出現(xiàn)不同的反應，這樣一來，可對水環(huán)境的污染程度進行有效判斷。值得注意的是，在自動化技術、計算機技術的推動下，生物行為反應監(jiān)測技術還可在線實時監(jiān)測，無疑可在第一時間內(nèi)對水環(huán)境污染進行預警[6]。

2.3 發(fā)光細菌監(jiān)測技術

發(fā)光細菌監(jiān)測技術是應用較為成熟且較為穩(wěn)定的水環(huán)境生物監(jiān)測方法，主要用于監(jiān)測飲用水源、自來水廠的水質(zhì)情況。從目前來看，發(fā)光細菌監(jiān)測技術的主要參考指標是污染物遺傳毒性及細胞發(fā)光特征，但時常也會通過一系列的檢測儀器（水質(zhì)毒性測定儀等）來測定水質(zhì)，水質(zhì)檢測結果最短可在3 h 內(nèi)完成。與其他類型的監(jiān)測技術相比，發(fā)光細菌監(jiān)測技術的準確度更高、靈敏度更好、便捷性更佳，尤其是在結合了熒光分度法、紫外線分光法之后，監(jiān)測性能更強。

2.4 兩棲動物與底棲動物監(jiān)測技術

在大自然環(huán)境下，兩棲動物與底棲動物是極為特殊的生物，兩棲動物與底棲動物在水域中的存活數(shù)量可以反映水質(zhì)污染情況。從目前來看，在評價水體重金屬污染情況時，人們已經(jīng)廣泛應用了兩棲動物與底棲動物監(jiān)測技術，國內(nèi)的評價指數(shù)常為完整性指數(shù)，國外的評價指數(shù)常為生物指數(shù)（Biotic Index）、有機污染指數(shù)（Saprobic Index）。此外，兩棲動物與底棲動物監(jiān)測技術通常還會分析動物的行為與生理變化，以判斷水體的污染程度。

2.5 生物傳感器監(jiān)測技術

生物傳感器是生物傳感器監(jiān)測技術的關鍵部件，免疫傳感器、DNA 傳感器、BOD 生物傳感器等均是常見的生物傳感器，生物傳感器主要由轉換部分與分子識別部分組成，其中，分子識別部分包括多種生物活性物質(zhì)，如組織、微生物、酶、細胞等，轉換器部分主要包括場效應管、氧電極、光敏管等。生物傳感器監(jiān)測技術的工作原理在于：可將生物質(zhì)敏感程度直接轉換為電信號，而電信號強度的高低可以體現(xiàn)水環(huán)境污染程度，其具備準確度高、專一性強等特點。微生物傳感器、BOD 生物傳感器是水環(huán)境監(jiān)測中最常用的生物傳感器技術，其中，BOD 生物傳感器對水質(zhì)的判斷大都是基于溶解氧的濃度，理論研究性較強，但現(xiàn)場監(jiān)測性較差；而微生物傳感器則可對工業(yè)廢水中的酚成分進行有效測定，還可結合測定結果來掌握水質(zhì)情況[7]。

2.6 生物測試技術

生物測試技術是指通過生物反應來檢測污染物對周邊水環(huán)境的危害，水污染生物測試目前也被稱為毒性試驗，其中，急性毒性試驗最為常用。急性毒性試驗重點研究水體中生物在受到大劑量化學物質(zhì)一次染毒或多次染毒（染毒時間均為24 h）之后的毒性特征與毒性程度，以便將其作為其他類型毒性試驗的參考依據(jù)。在不同濃度的受試物中檢測生物暴露，必然會出現(xiàn)活性下降、生長抑制等反應現(xiàn)象，根據(jù)這些反應現(xiàn)象，人們又可直接構建濃度-效應曲線，真實反映水體污染物的毒性程度。

3 結語

水是大自然最為寶貴的資源，全社會都需要珍惜水資源、保護水環(huán)境。當前，國家高度重視環(huán)境保護工作，水環(huán)境生物監(jiān)測技術的應用越來越廣泛。隨著傳感器技術、計算機技術、圖像視頻技術等的迅猛發(fā)展，水環(huán)境生物監(jiān)測方法的應用必將越來越便捷化，能夠精準監(jiān)測水體污染物的毒性。