生物監(jiān)測(cè)技術(shù)在水環(huán)境工程中的應(yīng)用

徐愛榮，周曉惠

（1.江蘇翰軒環(huán)?？萍加邢薰荆?.東臺(tái)市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，江蘇 東臺(tái) 224200）

我國工業(yè)制造企業(yè)越來越多，一些工廠在生產(chǎn)過程中不注重廢料排放問題，將未處理或處理不達(dá)標(biāo)的廢水直接排放到水環(huán)境中，致使水體中污染物數(shù)量和種類越來越多，不僅破壞了水體和自然環(huán)境，而且危及人們用水安全。為了解決這一問題，相關(guān)專家利用生物監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)水環(huán)境中的污染物，根據(jù)污染物種類選擇針對(duì)性的解決措施。

1 生物監(jiān)測(cè)技術(shù)概述

1.1 生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的原理

生物監(jiān)測(cè)技術(shù)主要通過觀察生物種類、狀態(tài)和行為，監(jiān)測(cè)生物對(duì)環(huán)境的變化，以此實(shí)現(xiàn)環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)和評(píng)定。目前來看，常規(guī)的生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)有生態(tài)學(xué)法和毒理學(xué)法，兩者監(jiān)測(cè)方式各不相同，但是監(jiān)測(cè)效果都很好，監(jiān)測(cè)結(jié)果也比較準(zhǔn)確，是當(dāng)下最受相關(guān)專家和學(xué)者青睞的監(jiān)測(cè)方法，在我國水環(huán)境工程中有著廣泛的應(yīng)用。毒理學(xué)法的原理是通過監(jiān)測(cè)生物的含毒量調(diào)查環(huán)境中的毒性指數(shù)，此種方法涉及有毒物質(zhì)，所以對(duì)監(jiān)測(cè)生物和監(jiān)測(cè)人員存在安全威脅。生物監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比于毒理學(xué)法更加安全和實(shí)用，監(jiān)測(cè)人員只需要監(jiān)測(cè)生物特征情況就能調(diào)查出所測(cè)環(huán)境的具體污染情況，這種方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確，可以真實(shí)反映環(huán)境污染程度[1]。

1.2 生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

當(dāng)前，人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)越來越高，國家對(duì)環(huán)境保護(hù)提出了更高的要求，近幾年針對(duì)水污染物問題也應(yīng)用了很多監(jiān)測(cè)方法，其中應(yīng)用最多的技術(shù)便是生物監(jiān)測(cè)技術(shù)。生物監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比于傳統(tǒng)的理化監(jiān)測(cè)技術(shù)有著更大的優(yōu)勢(shì)，可以綜合調(diào)查生物特征，以此查明環(huán)境污染程度。一般來講，水環(huán)境污染的過程比較緩慢，由于水體的自我調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，所以短時(shí)間的污染不會(huì)使水環(huán)境發(fā)生明顯變化，而生物監(jiān)測(cè)方法可以監(jiān)測(cè)出水環(huán)境的細(xì)微變化，監(jiān)測(cè)結(jié)果也比較準(zhǔn)確，當(dāng)水環(huán)境受到污染時(shí)，人們利用此法可以在第一時(shí)間監(jiān)測(cè)到污染情況，以此制定出有效解決措施。生物監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，而且監(jiān)測(cè)費(fèi)用較低，在監(jiān)測(cè)過程中所需的設(shè)備也比較少，它是當(dāng)下最受人們關(guān)注的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)之一。

2 生物監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的問題

2.1 監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

生物監(jiān)測(cè)技術(shù)可以有效觀測(cè)水環(huán)境情況和污染程度，但是這種方法有著一定的弊端，不同水環(huán)境生物種類不同，導(dǎo)致此項(xiàng)技術(shù)顯示出局限性，各地生物監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，使其無法實(shí)現(xiàn)全覆蓋。面對(duì)這種情況，當(dāng)下沒有針對(duì)性的解決措施，致使生物監(jiān)測(cè)技術(shù)無法進(jìn)一步的發(fā)展，監(jiān)測(cè)人員只能將其作為理論性監(jiān)測(cè)方法來使用。一些較大水域的水體污染情況比較復(fù)雜，生物監(jiān)測(cè)技術(shù)受到極大的限制，監(jiān)測(cè)效果和質(zhì)量都很差。一些發(fā)達(dá)國家對(duì)生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究較為深入，并且已經(jīng)建立相關(guān)監(jiān)測(cè)模型，以此提高監(jiān)測(cè)質(zhì)量。而我國部分地區(qū)受到資源限制，無法實(shí)現(xiàn)模型建立和評(píng)價(jià)。業(yè)內(nèi)人士指出，為了發(fā)揮出評(píng)定模型的作用，需要建立相關(guān)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，但由于各地水體情況不同，無法設(shè)定統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜

不同區(qū)域生物種類有所不同，同類生物對(duì)不同區(qū)域或相同區(qū)域的環(huán)境污染反應(yīng)也不同，同時(shí)一些特殊地區(qū)的環(huán)境影響生物的生長和生活習(xí)慣。除此之外，在生物監(jiān)測(cè)過程中需要觀察生物的特征，為了確保監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，要結(jié)合環(huán)境的實(shí)際情況，考察水域特征和水環(huán)境中生物種類和數(shù)量，還要取樣監(jiān)測(cè)樣本。生物監(jiān)測(cè)技術(shù)受監(jiān)測(cè)環(huán)境的影響，水環(huán)境的生物多樣性使水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作難以開展。

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果不直接

由于生物監(jiān)測(cè)技術(shù)在水環(huán)境工程的應(yīng)用時(shí)間比較短，一些人員對(duì)其認(rèn)識(shí)比較淺，將生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的結(jié)果只作為參考。生物監(jiān)測(cè)的目的是通過監(jiān)測(cè)環(huán)境中生物特征，分析出環(huán)境中存在的問題，所以生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果是生物種類和數(shù)量等信息，無法直接體現(xiàn)環(huán)境污染程度。部分監(jiān)測(cè)人員輕視監(jiān)測(cè)過程中應(yīng)盡的責(zé)任，過于重視監(jiān)測(cè)結(jié)果。生物監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)漫長的過程，需要監(jiān)測(cè)人員利用大量時(shí)間觀察生物特征，以此推斷水環(huán)境污染情況，不能只根據(jù)結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。為了提高監(jiān)測(cè)質(zhì)量，相關(guān)監(jiān)測(cè)人員要具備較高的素質(zhì)和技術(shù)，可以通過生物特征的細(xì)微變化，分析出環(huán)境問題。水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)綜合性項(xiàng)目，需要配合其他技術(shù)一同使用，才能充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在監(jiān)測(cè)過程中，相關(guān)監(jiān)測(cè)人員需要注意，一些水體污染物對(duì)水環(huán)境有潛在的危害，而在短時(shí)間內(nèi)無法觀察出污染變化，為了有效解決這一問題，需要研究實(shí)際水環(huán)境和水體中生物的關(guān)系，通過監(jiān)測(cè)污染物的毒性結(jié)果，開展進(jìn)一步研究。

3 生物監(jiān)測(cè)技術(shù)在水環(huán)境工程中的應(yīng)用

3.1 微生物群落監(jiān)測(cè)

微生物群落監(jiān)測(cè)是生物監(jiān)測(cè)技術(shù)在水環(huán)境工程中的主要應(yīng)用之一，應(yīng)用時(shí)間相對(duì)較早。水中微生物包含細(xì)菌、真菌、藻類和原生動(dòng)物等，監(jiān)測(cè)人員監(jiān)測(cè)它們?cè)谒h(huán)境中的物種頻率和相對(duì)數(shù)量，通過相關(guān)數(shù)學(xué)公式計(jì)算出評(píng)價(jià)水污染程度的分布指數(shù)。最早將生物監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于微生物群落監(jiān)測(cè)的實(shí)例是以聚氨酯塑料塊為基質(zhì)，統(tǒng)計(jì)分析微生物群落參數(shù)，以此評(píng)價(jià)水質(zhì)污染情況。后來，我國一些專家以這一案例為基礎(chǔ)修正和改進(jìn)了微生物群落監(jiān)測(cè)法，并提出了與化學(xué)參數(shù)相關(guān)的原生動(dòng)物種類、植鞭毛蟲含量、多樣性指數(shù)和異養(yǎng)性指數(shù)等四個(gè)生物學(xué)參數(shù)，以此研究出適用于我國水環(huán)境的生物監(jiān)測(cè)技術(shù)，并建立了相關(guān)生物監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。后來，又有一些學(xué)者將微生物監(jiān)測(cè)過程中使用的設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，把聚氨酯泡沫塑料塊裝入瓶子中，減小海洋潮汐流和環(huán)流對(duì)生物監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響[2]。

近幾年，我國相關(guān)部門為了提高化工廠廢料的監(jiān)測(cè)質(zhì)量，將微生物群落監(jiān)測(cè)法應(yīng)用到化工廠廢水的靜態(tài)毒性監(jiān)測(cè)中。研究發(fā)現(xiàn)，原生動(dòng)物群落對(duì)廢水濃度變化極為敏感，濃度增加速度越快，毒性反應(yīng)時(shí)間越長，環(huán)境中物種的多樣性下降就越快，物種聚集的速度也會(huì)越慢。隨著微生物群落監(jiān)測(cè)法研究的深入，人們逐漸將數(shù)學(xué)分析引入生物監(jiān)測(cè)技術(shù)中。數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)等知識(shí)有助于提高探索生物群落參數(shù)變化規(guī)律的速度，使監(jiān)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確。

3.2 發(fā)光細(xì)菌監(jiān)測(cè)

我國對(duì)發(fā)光細(xì)菌監(jiān)測(cè)的研究較為深入，這種生物監(jiān)測(cè)方法在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用相對(duì)成熟。發(fā)光細(xì)菌監(jiān)測(cè)方法簡單，靈敏度高，應(yīng)用范圍廣，所以深受國內(nèi)外專家青睞。發(fā)光細(xì)菌監(jiān)測(cè)法可以監(jiān)測(cè)出水環(huán)境中絕大多數(shù)的有毒物質(zhì)，并且具備標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。我國一些專家根據(jù)費(fèi)氏弧菌細(xì)胞的發(fā)光特性，設(shè)計(jì)了一種水質(zhì)毒性監(jiān)測(cè)儀，將其用于監(jiān)測(cè)水環(huán)境中的綜合毒素水平。后來又有一些學(xué)者將遺傳改造的發(fā)光細(xì)菌作為指示物種，開發(fā)出一種新型污染物監(jiān)測(cè)方法，此法可以將監(jiān)測(cè)時(shí)間控制在3 h以內(nèi)。據(jù)了解，Beckman公司根據(jù)這一原理，設(shè)計(jì)了一種生物毒性監(jiān)測(cè)儀，將其應(yīng)用在自來水廠中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)自來水源水和出廠水的水質(zhì)毒性監(jiān)測(cè)。利用發(fā)光細(xì)菌法可以有效監(jiān)測(cè)出水環(huán)境中的有機(jī)物、重金屬等毒性物質(zhì)，有著廣泛的應(yīng)用前景，但是，該方法較為煩瑣，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)誤差過大。為了解決這一問題，可以借助電子技術(shù)，利用熒光光度法、紫外分光光度法和基因操作技術(shù)等方法，增強(qiáng)發(fā)光細(xì)菌法的應(yīng)用效果。發(fā)光細(xì)菌法近幾年在我國飲水質(zhì)量監(jiān)測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用，例如，2010年上海世博會(huì)飲水監(jiān)測(cè)就應(yīng)用了這一技術(shù)，相關(guān)專家利用青?；【鶴67菌株的生物學(xué)特性保證了監(jiān)測(cè)結(jié)果的靈敏性和準(zhǔn)確性。這種監(jiān)測(cè)方法比較簡單，監(jiān)測(cè)人員只需要將微量青?；【后w放入被測(cè)水樣中，利用便攜式監(jiān)測(cè)儀讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，以此快速測(cè)出飲用水的質(zhì)量，監(jiān)測(cè)時(shí)間一般在0.5 h之內(nèi)。發(fā)光細(xì)菌監(jiān)測(cè)法在世博會(huì)飲用水安全監(jiān)測(cè)中發(fā)揮積極作用，早在上海蘇州河治理、汶川大地震后災(zāi)區(qū)水質(zhì)安全快速監(jiān)測(cè)中都得到應(yīng)用和科學(xué)驗(yàn)證。

3.3 生物行為反應(yīng)監(jiān)測(cè)

生物在水環(huán)境中受到污染物危害時(shí)會(huì)做出趨利避害的反應(yīng)，人們利用這一特性來評(píng)價(jià)水體污染情況，根據(jù)污染物的濃度，做出有效預(yù)警和控制措施。常見生物行為反應(yīng)監(jiān)測(cè)的對(duì)象有魚類、雙殼軟體動(dòng)物和水蚤等，其中魚類行為反應(yīng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用最為廣泛。斑馬魚是一種熱帶淡水魚，它對(duì)水質(zhì)極為敏感，如果所處的水環(huán)境受到污染，會(huì)在第一時(shí)間做出相應(yīng)的反應(yīng)行為，監(jiān)測(cè)效果比較明顯。由于斑馬魚的基因和人類基因類似，所以斑馬魚對(duì)水質(zhì)污染的反應(yīng)結(jié)果適用于人類。我國一些專家采用半靜態(tài)法，以斑馬魚為樣本，監(jiān)測(cè)重金屬物質(zhì)水生物的毒性作用，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同類型的重金屬離子對(duì)斑馬魚有著不同的毒性反應(yīng)，斑馬魚體內(nèi)存在過氧化氫酶，在遇到重金屬離子時(shí)會(huì)發(fā)生反應(yīng)，所以人們可以將其利用到水環(huán)境的重金屬監(jiān)測(cè)中。魚類一般用于淡水環(huán)境監(jiān)測(cè)，為了實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)，可以將雙殼類生物活體投入到生物監(jiān)測(cè)中。雙殼貝類的張合頻率與水體污染狀況有關(guān)，通過電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)蚌殼張合情況，以此實(shí)現(xiàn)水環(huán)境污染的在線監(jiān)測(cè)和早期預(yù)警。除了魚類和雙殼貝類，水蚤也是常見的生物監(jiān)測(cè)知識(shí)生物，利用水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，觀察水蚤的位移能力，從而判斷水蚤的生命活動(dòng)，分析水質(zhì)污染情況[3]。

我國在水污染治理方面投入了大量的資金，但水安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻，重大水污染事件頻發(fā)，近幾年多個(gè)重大水污染事故暴露出水環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的不足。為了提高生物監(jiān)測(cè)的質(zhì)量，在各流域已有的生物監(jiān)測(cè)科研成果基礎(chǔ)上，我國啟動(dòng)分區(qū)域水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和方法的研究制定工作，不斷完善儀器設(shè)施，加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)，不斷提高水生態(tài)監(jiān)測(cè)能力。同時(shí)，加強(qiáng)在線生物監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，推廣成熟方法，以此有效解決水污染突發(fā)事件的預(yù)警問題。

3.4 底棲動(dòng)物和兩棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)

底棲動(dòng)物和兩棲動(dòng)物也是常見的生物監(jiān)測(cè)指示動(dòng)物，通過觀察它們?cè)谒w中出現(xiàn)和消失的數(shù)量，人們可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)。發(fā)達(dá)國家已將BI（Biotic Index）指數(shù)等列為重要的水質(zhì)生物評(píng)價(jià)指數(shù)，我國相關(guān)學(xué)者對(duì)底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)在水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用展開研究，發(fā)現(xiàn)提高數(shù)據(jù)采集頻率可以增強(qiáng)監(jiān)測(cè)指數(shù)的可靠性和合理性[4]。

無論是哪種生物監(jiān)測(cè)手段，都要盡可能減少人為因素對(duì)環(huán)境的破壞。全國各地的環(huán)境監(jiān)測(cè)站都在應(yīng)用生物監(jiān)測(cè)技術(shù)，例如，2018年3月，濟(jì)南市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站開展了濟(jì)南市水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，開展采樣和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作，監(jiān)測(cè)地點(diǎn)包括大明湖歷下亭、匯波橋、還鄉(xiāng)店、大碼頭等點(diǎn)位和斷面，還包括臥虎山等水庫。調(diào)查監(jiān)測(cè)工作主要包括現(xiàn)場(chǎng)采樣、實(shí)驗(yàn)室分析鑒定、后期數(shù)據(jù)分析及評(píng)價(jià)三項(xiàng)內(nèi)容。水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物、葉綠素a和微生物。水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)工作準(zhǔn)確反映了部分重點(diǎn)流域和湖泊的治理和保護(hù)成效以及人民群眾對(duì)水體環(huán)境質(zhì)量的真實(shí)感受。全國各地的環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站將需要進(jìn)一步開展生物監(jiān)測(cè)工作，為政府管理部門掌握城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，創(chuàng)建生態(tài)文明城市提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

生物監(jiān)測(cè)技術(shù)在水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中有著極大的應(yīng)用價(jià)值和研究價(jià)值，本文分析了一系列生物監(jiān)測(cè)技術(shù)在水環(huán)境工程中的應(yīng)用，為未來相關(guān)學(xué)者對(duì)生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究提供經(jīng)驗(yàn)參考。