生物監(jiān)測技術(shù)在工業(yè)廢水污染監(jiān)測中的應(yīng)用探討

萬夢雪

（樂陵市生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，山東 樂陵 253600）

1 生物監(jiān)測技術(shù)的概念

水是生命之源。在大自然中，有很多生物與水環(huán)境密切聯(lián)系、互相依存，如果水環(huán)境發(fā)生污染，將會對生物造成重要影響，輕則干擾生物的正常生長、繁殖，重則導(dǎo)致生物基因變異，甚至滅絕。生物監(jiān)測技術(shù)主要是利用生物學(xué)原理和關(guān)聯(lián)效應(yīng)，對水環(huán)境中有關(guān)的生物體發(fā)育、繁殖、存活等各類形態(tài)進行分析，通過對其敏感性、反應(yīng)度的研究，判斷水體污染情況，且不同生物水平所采用的生物監(jiān)測技術(shù)也有所不同，如表1 所示。[1]與傳統(tǒng)的物理、化學(xué)等監(jiān)測技術(shù)不同，生物監(jiān)測技術(shù)的靈敏度更高、監(jiān)測內(nèi)容更豐富、監(jiān)測方式更便捷、投入成本更低廉、監(jiān)測結(jié)果更直觀明顯，同時，生物監(jiān)測技術(shù)還能與物理、化學(xué)等監(jiān)測技術(shù)同步使用，作為有效補充和驗證手段。但是，因生物監(jiān)測規(guī)范標準還不夠系統(tǒng)科學(xué)、技術(shù)手段還不夠豐富全面，對個別工業(yè)廢水污染的監(jiān)測準確性還有一定的存疑。

表1 生物監(jiān)測技術(shù)匯總

2 生物監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

2.1 微生物群落監(jiān)測技術(shù)

一般來說，水體自身含有很多豐富的營養(yǎng)元素、細菌藻類，可供微生物的生存繁殖。如果水體發(fā)生污染，將首先對微生物造成影響，因此微生物群成為水體污染監(jiān)測的首選，其監(jiān)測技術(shù)在工業(yè)廢水污染治理中廣泛應(yīng)用。在一定的條件下，通過對水體中微生物群的種類、數(shù)量、活動頻率等監(jiān)測，可以對水體污染范圍、時間、程度進行有效評價，根據(jù)數(shù)據(jù)演算，還可以預(yù)測出未來一段時間水體改善或惡化的情況變化。隨著微生物群落監(jiān)測技術(shù)的不斷完善，對微生物群落分析更加細化、專業(yè)化，該技術(shù)市場應(yīng)用前景將越來越廣泛。例如，在海水的水環(huán)境監(jiān)測中，受環(huán)流、潮汐影響，一些監(jiān)測結(jié)果不夠精準，但應(yīng)用該技術(shù)，加上聚氨酯泡沫塊體，可以明顯提升監(jiān)測精準度。[2]

2.2 生物毒性監(jiān)測技術(shù)

對于成分相對單一的工業(yè)廢水，采用理化監(jiān)測可有效且準確地判斷出工業(yè)廢水的污染情況。但如果污染成分相對復(fù)雜，通過理化監(jiān)測很難完整的反映出污染綜合影響，這時就需要進行生物毒性監(jiān)測，通過毒性的相互關(guān)聯(lián)作用，全面判斷廢水污染的成分、程度以及與生物效益的關(guān)系。當前，較為常用的廢水生物毒性監(jiān)測主要有發(fā)光細菌毒性監(jiān)測、藻類毒性監(jiān)測、蚤類毒性監(jiān)測和魚類毒性監(jiān)測等，不同生物具體監(jiān)測方法見表2。

表2 不同生物標準毒性監(jiān)測

2.2.1 發(fā)光細菌毒性監(jiān)測

部分細菌自身具備發(fā)光性能，在氧分子作用下，細胞內(nèi)的熒光酶受到催化，核黃素-5-磷酸被氧化成LCFA，同時釋放一定強度和波長的光（藍綠色）。這一類細菌的監(jiān)測時，主要通過pH6～9.3 的氯化鈉和0.3%濃度的甘油進行發(fā)光監(jiān)測，這類細菌主要可分為淡水發(fā)光細菌如青海弧菌、霍亂弧菌以及發(fā)光異短桿菌等，以及海水發(fā)光細菌。[3]在工業(yè)廢水中，一旦水體污染濃度改變，發(fā)光細菌的發(fā)光強度將會發(fā)生改變，因此，發(fā)光強度可作為水污染監(jiān)測的直接、有效指標之一。

目前，該技術(shù)主要用于監(jiān)測重金屬和有機物的濃度，相對來說，其操作更簡捷、結(jié)果更準確、靈敏度更高，因此應(yīng)用較為廣泛。

2.2.2 底棲生物毒性監(jiān)測

水體中生存著一定數(shù)量和種類的底棲生物，如螺螄、河蚌、牡蠣等，這些動物的分布范圍、關(guān)聯(lián)行為、繁殖能力等都可以作為水體污染的評標指標，特別是一些需要凈水的動物，更易判斷出水體污染程度和水體健康指數(shù)。通過對底棲生物的發(fā)育成長過程監(jiān)測，以及對環(huán)境的適應(yīng)、敏感程度的分析可以有效對水體進行評價，并測定水體中重金屬、農(nóng)藥殘留的濃度。

2.2.3 魚類毒性監(jiān)測

在水體中，魚蝦類屬于高等級動物，屬于食物鏈的頂端，采用魚蝦類作為測體，其技術(shù)應(yīng)用已久且很成熟，主要應(yīng)用于工業(yè)廢水的毒性測試。當水體污染超過一定范圍，其含氧量會下降，靠氧氣生存的魚蝦類將會很快地做出明顯反應(yīng)，如跳躍水面、肚皮向上等。有的魚蝦類與人類基因很接近，比如斑馬魚，其基因和人類相似度約90%，用斑馬魚作毒性測試，其結(jié)果對人類有直接借鑒意義。[4]當水體有嚴重污染，或存在致毒物質(zhì)時，敏感的斑馬魚將會加快呼吸，魚鰓無節(jié)奏的煽動，跳躍出水面，直至死亡。

2.2.4 藻類、蚤類毒性監(jiān)測

藻類和蚤類等生物個體相對較小，在正常的水體中可進行大量繁殖。然而，一旦水體環(huán)境出現(xiàn)惡化，藻類的生長就會因環(huán)境改變而受到抑制，蚤類的生長以及繁殖能力也會相應(yīng)發(fā)生改變。因此，在生物毒性監(jiān)測中，可通過將生長率、繁殖率作為生物毒性監(jiān)測評價的終點。尤其是藻類、蚤類等微生物毒性監(jiān)測，能夠通過生物生長狀態(tài)的改變直接反應(yīng)工業(yè)廢水的毒性效應(yīng)，但采用該監(jiān)測方法，前期培養(yǎng)工作量往往較大，且監(jiān)測周期也相對較長，對于水污染應(yīng)急監(jiān)測適用性差[5]。

2.3 生物傳感器監(jiān)測技術(shù)

生物傳感器監(jiān)測技術(shù)的原理是使用檢測儀器，將水體中微生物的濃度值傳感轉(zhuǎn)化成電信號進行監(jiān)測的一項技術(shù)。生物傳感器是整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心，主要作用是接收和轉(zhuǎn)換微生物信號，其識別元件涵蓋微生物的性能識別元件、理化換能器和信號放大裝置等（如圖1）。相對來說，該技術(shù)專業(yè)性強、分析數(shù)據(jù)快速且準確，誤差小。生物傳感器包括BOD 傳感器、DNA 傳感器以及微生物傳感器等，其中，BOD 傳感器主要測定生化需氧量，通過瓦勃呼吸法、庫倫滴定法等，監(jiān)測分析溶解氧的含量和濃度，進而確定水環(huán)境污染情況。[6]采用該方式進行廢水污染監(jiān)測，能夠簡化整個監(jiān)測流程，確保水污染監(jiān)測相關(guān)設(shè)施的有序推進，從而進一步提升工業(yè)廢水污染治理的成效，因此在很多地方應(yīng)用廣泛。較為常見的生物傳感器監(jiān)測技術(shù)有酚類生物傳感器、光化學(xué)生物傳感器、電化學(xué)生物傳感器、DNA 生物傳感器，以及基于熒光蛋白表達的細菌生物傳感器、基于抑制效應(yīng)的酶生物傳感器等，不同傳感器監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)Σ煌w污染類型進行監(jiān)測，該技術(shù)特異性好、靈敏度高，能夠有效提高水體中的生物處理效率，但也不同程度地存在監(jiān)測設(shè)備、試劑等耗材經(jīng)濟成本高等不足。

圖1 生物傳感器監(jiān)測技術(shù)示意圖

3 生物監(jiān)測技術(shù)的不足

在工業(yè)廢水污染監(jiān)測中，生物監(jiān)測技術(shù)還存在一定的不足，主要有：

一是水體生物的習(xí)性、分布、喜好不同，不同物種之間存在較大差異，對污染物的反應(yīng)也不相同，即使同一種生物因個體大小、成長環(huán)境差異，對同樣水體的反應(yīng)也不盡相同，如此就會造成監(jiān)測結(jié)果的真實性及準確性無法保證。因此，在監(jiān)測時要綜合考慮水體的不同特征、生物的不同習(xí)性、監(jiān)測區(qū)域的不同環(huán)境，設(shè)定差異性的測試周期，同時，還要結(jié)合氣候、溫度等條件，提前做好監(jiān)測試驗，并對監(jiān)測標準及頻率燈光各項指標進一步優(yōu)化，以最大化減少和消除誤差[7-8]。

二是水體中生態(tài)鏈條交叉，生態(tài)系統(tǒng)相對復(fù)雜，在工業(yè)廢水污染濃度較低或污染危害釋放緩慢時，一些生物群體難以在短期內(nèi)出現(xiàn)明顯的反應(yīng)，即生物學(xué)效應(yīng)不明顯，監(jiān)測結(jié)果往往會存在偏差。因此，要結(jié)合不同生物群體的特征、行為，確定不同的理化監(jiān)測指標，以精準地監(jiān)測出廢水污染的濃度，分析潛在危害。

三是受技術(shù)影響，生物群落鑒定、實驗技術(shù)還不夠先進，生物監(jiān)測技術(shù)難以做到精確、量化分析，也遠遠沒有達到理化監(jiān)測的規(guī)范性評價標準。因此，在條件具備時，要統(tǒng)籌生物監(jiān)測和理化監(jiān)測方式，從不同側(cè)面、不同角度綜合分析，以做出更精準的判定，進而建立符合人體健康的評價指標。

四是隨著生物監(jiān)測技術(shù)的普及，經(jīng)過實踐檢驗的監(jiān)測技術(shù)更加便捷有效，既能提高處理效率，又能完善數(shù)據(jù)鏈，形成系統(tǒng)的勾稽關(guān)系。但還有一定的不足，如應(yīng)用PCR 監(jiān)測時，一旦試劑被污染，或樣品采集不合理，就會導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果南轅北轍，因此，需要加強實驗室質(zhì)量控制，提高平行采樣能力[9]；有的地區(qū)對常規(guī)儀器設(shè)備投入較多，考慮到經(jīng)濟成本，對高精密儀器投入較少，對一些試劑耗材應(yīng)用不夠全面，對專業(yè)監(jiān)測人員培訓(xùn)教育不足，都可能導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)偏差。

4 結(jié)語

生物監(jiān)測技術(shù)作為水環(huán)境污染監(jiān)測的重要手段，與常規(guī)的理化監(jiān)測相比，其能夠通過監(jiān)測生物種群的變化來實現(xiàn)對水體污染情況的監(jiān)測，彌補了傳統(tǒng)理化監(jiān)測無法反應(yīng)污染物對水體生物的具體影響等不足，促使水體污染監(jiān)測更加全面、直觀、科學(xué)，使水體污染的影響一目了然。因此，應(yīng)對該類監(jiān)測技術(shù)予以深入研究，全面探索，積極改進，廣泛應(yīng)用，以為區(qū)域水環(huán)境監(jiān)測、評價以及相應(yīng)處治措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。