生物監(jiān)測技術(shù)在工業(yè)廢水監(jiān)測工作中的作用及實(shí)踐運(yùn)用

劉愛萍，馬亞娟

（1.江蘇新銳環(huán)境監(jiān)測有限公司，江蘇 張家港 215600；2.蘇州捷盈環(huán)境檢測有限公司，江蘇 張家港 215600）

工業(yè)產(chǎn)業(yè)的繁榮發(fā)展，對(duì)于拉動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)具有重要意義，但是在長期的粗放式發(fā)展體系下，會(huì)造成嚴(yán)重的水污染問題，甚至危及群眾的正常生活，并對(duì)飲水安全形成威脅。工業(yè)廢水的成分十分復(fù)雜，而且隨著時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生較大改變，這給監(jiān)測工作帶來了一定的難度。近年來，生物監(jiān)測技術(shù)逐漸興起，應(yīng)用該技術(shù)可以分析水生動(dòng)植物和微生物在水體中的變化情況，掌握工業(yè)廢水對(duì)水環(huán)境的影響程度，并能全面分析其中氮元素、磷元素和重金屬元素等污染物的濃度、分布特點(diǎn)等，以便在治理工作中采取有效的應(yīng)對(duì)措施，有效恢復(fù)水體環(huán)境，同時(shí)在預(yù)防重大污染問題中也發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

1 生物監(jiān)測技術(shù)在工業(yè)廢水監(jiān)測工作中的作用

首先，該技術(shù)可以對(duì)水環(huán)境進(jìn)行綜合分析。相較于生活污水，工業(yè)廢水中污染物的類型更多，而且很多污染物呈現(xiàn)出有毒有害的特點(diǎn)，會(huì)抑制水環(huán)境中動(dòng)植物和微生物的生長，且隨著污染物濃度的上升，其生存狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變，這可以作為監(jiān)測和評(píng)估水環(huán)境質(zhì)量的依據(jù)。運(yùn)用生物監(jiān)測技術(shù)，可以獲取微生物體內(nèi)元素含量的信息和群落數(shù)量、分布特點(diǎn)等，通過綜合分析的方式了解工業(yè)廢水的具體污染狀況，相較于傳統(tǒng)方法，該技術(shù)的靈敏度和精確度都較高，避免了監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)較大誤差[1]。其次，該技術(shù)可以降低工業(yè)廢水監(jiān)測的成本投入。隨著技術(shù)成熟度的提升，監(jiān)測設(shè)備的造價(jià)也在降低，而且該技術(shù)呈現(xiàn)出高效化的特點(diǎn)，簡化了工業(yè)廢水監(jiān)測工作的流程，因此該技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)，適合大面積的水環(huán)境監(jiān)測工作。最后，該技術(shù)可以有效預(yù)防環(huán)境污染問題。通過對(duì)工業(yè)廢水中各類污染物濃度和含量的監(jiān)測，能夠分析出是否超過水體的凈化極限，并及時(shí)做好無害化處理和資源化處理工作，防止在污水排放后造成難以挽回的損失，因此，生物監(jiān)測工作起到了事前控制的作用。生物處理技術(shù)在工業(yè)廢水治理中的應(yīng)用流程如圖1所示。

圖1 生物處理技術(shù)在工業(yè)廢水治理中的應(yīng)用流程

2 生物監(jiān)測技術(shù)在工業(yè)廢水監(jiān)測工作中的實(shí)踐運(yùn)用策略

在工業(yè)廢水處理中，生物監(jiān)測技術(shù)發(fā)揮了最大功能，對(duì)于相關(guān)工作的開展具有較大幫助。微生物群落監(jiān)測技術(shù)以及生物毒性測試技術(shù)等都是相對(duì)客觀的手段，在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，必須要明確利用途徑，并通過適合的方式優(yōu)化應(yīng)用成果，保障工業(yè)廢水監(jiān)測到位，從而為后續(xù)的凈化處理奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.1 微生物群落監(jiān)測技術(shù)

2.1.1 聚氨酯泡沫塑料塊監(jiān)測技術(shù)

聚氨酯泡沫塑料塊在監(jiān)測工業(yè)廢水具有關(guān)鍵作用，該技術(shù)在上世紀(jì)60年代就已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)踐工作中，可以獲取精確的評(píng)價(jià)結(jié)果。水體中的各類污染物會(huì)進(jìn)入到PFU塊中，因此可以在實(shí)驗(yàn)室中分析單位水域內(nèi)污染物的總數(shù)，明確群落結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水域?qū)嶋H情況的評(píng)估。該技術(shù)操作十分便捷，而且降低了外部環(huán)境因素對(duì)監(jiān)測結(jié)果的干擾，因此受到相關(guān)工作者的歡迎。在實(shí)踐工作中，應(yīng)該明確《水質(zhì)微型生物群落監(jiān)測PFU法》中的相關(guān)使用標(biāo)準(zhǔn)和要求，保障整個(gè)操作過程的規(guī)范性。該方法對(duì)工業(yè)廢水毒性程度的監(jiān)測效果也較好，降低了廢水對(duì)水體安全和居民安全的威脅[2]。在傳統(tǒng)工作體系下，綜合污染指數(shù)法的應(yīng)用較多，PFU監(jiān)測技術(shù)的出現(xiàn)，不僅能夠達(dá)到上述方法的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，而且解決了該技術(shù)無法評(píng)估毒性的缺陷。效應(yīng)濃度是衡量廢水污染情況和毒性的主要指標(biāo)，運(yùn)用PFU技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)快速監(jiān)測，這是由于隨著暴露時(shí)間的推移，集群速度受到抑制，因此工業(yè)廢水會(huì)破壞水生態(tài)環(huán)境的生物系統(tǒng)。造紙工業(yè)產(chǎn)生的較多廢水也可以運(yùn)用PFU監(jiān)測技術(shù)對(duì)其毒性進(jìn)行評(píng)估，獲得更高的靈敏度，使原生動(dòng)物群落發(fā)生明顯的改變。相較于傳統(tǒng)工藝方法而言，聚氨酯泡沫塑料塊監(jiān)測方法不僅能夠降低成本，而且可以實(shí)現(xiàn)有效預(yù)警，并實(shí)時(shí)監(jiān)測水質(zhì)變化狀況，避免引發(fā)嚴(yán)重的突發(fā)性污染事件。

2.1.2 分子生物學(xué)-微生物群落監(jiān)測技術(shù)

微生物群落監(jiān)測技術(shù)也可以和分子生物學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)融合使用，獲得更好的監(jiān)測效果。隨著我國工業(yè)生產(chǎn)體系和污水處理系統(tǒng)的逐步完善，污水處理廠對(duì)于工業(yè)廢水處理的作用十分顯著。由于微生物群落也會(huì)減少，所以單純采用PFU監(jiān)測技術(shù)會(huì)影響監(jiān)測工作的時(shí)效性。為此，應(yīng)該引入分子生物學(xué)技術(shù)改進(jìn)監(jiān)測工藝的不足，從宏觀和微觀角度出發(fā)對(duì)微生物群落實(shí)施科學(xué)評(píng)估和分析，確定水體具體的豐度值。利用核算雜交的方式，可以發(fā)揮特異性單鏈核苷酸片段的作用，運(yùn)用雜交分子監(jiān)測工業(yè)廢水中污染物的變化情況，尤其是顯影技術(shù)的融合應(yīng)用，能夠幫助工作人員更直觀地觀察群落狀況。除了可以分析污染程度外，還能夠了解致病菌的分布特點(diǎn)，維護(hù)水質(zhì)安全。該技術(shù)省去了PCR過程，因此監(jiān)測結(jié)果的誤差更小，但是也會(huì)受到序列互補(bǔ)性的影響，可能出現(xiàn)假陽性的情況[3]。在PCR技術(shù)的基礎(chǔ)上，PCR-DGGE技術(shù)也獲得了全面發(fā)展，由于跑膠速度存在差異，因此能夠?qū)崿F(xiàn)DNA片段的快速區(qū)分，準(zhǔn)確分析工業(yè)廢水中微生物群落的狀況，該技術(shù)在冶金行業(yè)和石化行業(yè)應(yīng)用較多。此外，二代測序技術(shù)和高通量測序技術(shù)也是微生物群落監(jiān)測技術(shù)與分子生物學(xué)技術(shù)融合的產(chǎn)物，也可以用于水環(huán)境變化狀況的科學(xué)監(jiān)測。

2.2 生物毒性測試技術(shù)

2.2.1 發(fā)光細(xì)菌急性毒性測試技術(shù)

有毒物質(zhì)會(huì)對(duì)發(fā)光細(xì)菌產(chǎn)生顯著的影響，因此采用發(fā)光細(xì)菌急性毒性測試技術(shù)能夠監(jiān)測工業(yè)廢水的毒性情況，具有良好的靈敏度，理化性質(zhì)十分優(yōu)越。隨著水體毒性的增強(qiáng)，細(xì)菌的發(fā)光強(qiáng)度也會(huì)出現(xiàn)改變，因此通過這樣顯著的特征能夠獲取準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果，滿足單物質(zhì)測定的要求。青?；【?、費(fèi)式弧菌和明亮發(fā)光桿菌等，是實(shí)踐工作中幾種常見的發(fā)光細(xì)菌，可以通過半數(shù)效應(yīng)濃度評(píng)估具體毒性狀況[4]。為了保障工業(yè)廢水監(jiān)測工作的便捷性，可以通過試劑盒的方式開展監(jiān)測工作，在造紙行業(yè)和石化行業(yè)中都得到廣泛應(yīng)用。明亮發(fā)光桿菌和青?；【梢詮南嚓P(guān)動(dòng)物體內(nèi)提取，由于隨著水體中重金屬濃度的提升，細(xì)菌的生長會(huì)受到抑制，因此可以作為評(píng)估水污染程度的重要指標(biāo)。在采用該方法時(shí)，污染源和采樣點(diǎn)的距離會(huì)對(duì)最終的監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生影響。與食品加工行業(yè)相比，金屬冶煉行業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)廢水毒性更強(qiáng)，因此對(duì)于發(fā)光細(xì)菌的抑制效果也更加顯著，對(duì)于工業(yè)廢水毒性的監(jiān)測效率更高，在幾十分鐘內(nèi)就能完成任務(wù)，因此比其他技術(shù)更實(shí)用[5]。

2.2.2 藻類和蚤類毒性測試技術(shù)

隨著水體中污染物的增多，藻類和蚤類的生長狀況會(huì)發(fā)生不同程度的改變，因此可以利用其變化特征分析水體的毒性狀況，獲得可靠的測試結(jié)果。比如在監(jiān)測廢水毒性時(shí)引入不同類型的微藻，經(jīng)過一段時(shí)間后對(duì)比其生長抑制率，可以獲得可靠的評(píng)價(jià)結(jié)果。為了防止結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差，可以選擇不同的蚤類實(shí)施測試并進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)工業(yè)廢水中氧化劑濃度和NH3-N濃度升高時(shí)，蚤類的繁殖率則會(huì)逐漸下降。但是，采用藻類進(jìn)行測試時(shí)也會(huì)受到其他外在環(huán)境因素的影響，其中氮磷濃度和光照強(qiáng)度的影響較大，導(dǎo)致結(jié)果中的偏差增大，因此可以選擇大型的蚤類代替，以準(zhǔn)確評(píng)估疏水性有機(jī)污染物對(duì)水體的影響特點(diǎn)[6]。在采用藻類和蚤類開展工業(yè)廢水的毒性測試時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性培養(yǎng)，所以在很大程度上降低了監(jiān)測工作的效率，而且周期較長，不適用于 應(yīng)急污染監(jiān)測工作。在運(yùn)用相關(guān)技術(shù)手段時(shí)，應(yīng)該明確實(shí)際的應(yīng)用方法和渠道，這樣才能保證應(yīng)用效果更加顯著，也能達(dá)到最可靠的處理實(shí)效。

2.2.3 魚類毒性測試技術(shù)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的明顯加快，工業(yè)廢水的處理已成為現(xiàn)階段備受矚目的焦點(diǎn)，因此，要高度重視相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用方式，根據(jù)工業(yè)廢水處理標(biāo)準(zhǔn)展開分析，保證更好地體現(xiàn)出技術(shù)的優(yōu)勢。在監(jiān)測工業(yè)廢水毒性時(shí)，也可以運(yùn)用魚類，通過分析魚類在水環(huán)境中的生長和存活狀況，得到有效的測定結(jié)果。除了可以分析仔魚和成魚的外觀、行為等，還可以分析LC50進(jìn)行毒性評(píng)估，這是了解工業(yè)廢水污染性的關(guān)鍵方法之一。在選擇魚類時(shí)應(yīng)該盡可能挑選與人類相近的基因組，以更加全面地分析工業(yè)廢水可能對(duì)人體造成的影響，因此在毒性測試中通常選擇斑馬魚。隨著工業(yè)廢水濃度的增大，會(huì)導(dǎo)致其毒性上升，因此分析斑馬魚的LC50，能夠得到準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果，尤其是電子行業(yè)廢水中的毒性物質(zhì)更多。在制革行業(yè)，可以引入斑馬魚的胚胎和幼魚開展測試，尤其是胚胎的變化更加顯著，因此可以作為測定工業(yè)廢水污染狀況的主要監(jiān)測方法。在評(píng)估毒性時(shí)，還應(yīng)該從慢性與急性毒性、內(nèi)分泌干擾狀況、形態(tài)變化等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[7]。在國際領(lǐng)域，該方法已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但是我國在工業(yè)廢水監(jiān)測中缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此限制了魚類毒性測試技術(shù)的推廣應(yīng)用，采用該方法時(shí)也需要和其他測試技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用。魚類毒性測試技術(shù)如圖2所示。

圖2 魚類毒性測試技術(shù)

2.2.4 成組生物毒性測試技術(shù)

在相關(guān)技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，還應(yīng)該結(jié)合區(qū)域環(huán)境進(jìn)行分析，以保證能夠體現(xiàn)出具體技術(shù)的優(yōu)勢。水環(huán)境中存在多種多樣的生物，因此在采用生物監(jiān)測技術(shù)時(shí)如果按照單一指標(biāo)進(jìn)行分析，有可能導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果的偏差過大。同時(shí)，動(dòng)物、植物和微生物之間也會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，因此可以采用成組生物毒性測試技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)一步降低監(jiān)測結(jié)果中偶然性因素的影響，得到更加準(zhǔn)確的水生態(tài)健康狀況，在實(shí)踐中需要分析LC50和毒性當(dāng)量、EC50等指標(biāo)，得到有效的監(jiān)測結(jié)果。比如在污染源廢水監(jiān)測中，可以引入發(fā)光細(xì)菌、斑馬魚和蠶豆等實(shí)施綜合測試，也可以采用觀賞魚實(shí)施監(jiān)測，能夠獲得精確的毒性級(jí)別，這對(duì)于確定劃分標(biāo)準(zhǔn)也更加合理。PEEP技術(shù)融合了多種生物進(jìn)行監(jiān)測，比如大型蚤類和發(fā)光細(xì)菌等，相較于傳統(tǒng)的單一化監(jiān)測方法，該技術(shù)能夠保障結(jié)果的客觀性[8]。隨著生產(chǎn)技術(shù)水平的提升，先進(jìn)的在線監(jiān)測設(shè)備在實(shí)踐中應(yīng)用得也越來越多，這些設(shè)備能夠發(fā)揮生物傳感器的作用，采集和分析水環(huán)境中生物的變化情況，在污染事件預(yù)警中的效果顯著，而且監(jiān)測范圍也會(huì)更加廣泛。

2.3 其他監(jiān)測技術(shù)

工業(yè)廢水監(jiān)測是現(xiàn)階段最基礎(chǔ)的任務(wù)，也是工業(yè)化進(jìn)程中相對(duì)重要的環(huán)節(jié)，在開展基本監(jiān)測工作時(shí)，不僅要結(jié)合具體要求進(jìn)行分析，還要通過可靠路徑推動(dòng)相關(guān)工作的穩(wěn)步落實(shí)，以有效提升工作的實(shí)效性。除了可以采用上述方法實(shí)施檢測外，在實(shí)踐工作中還可以引入生物傳感器監(jiān)測技術(shù)和生物電化學(xué)監(jiān)測技術(shù)等，在物理轉(zhuǎn)換器和生物識(shí)別模塊的幫助下，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的快速采集和轉(zhuǎn)換，可視化分析微生物和酶類物質(zhì)的變化狀況，全面監(jiān)測工業(yè)廢水中的重金屬污染物和有機(jī)污染物等，微生物化學(xué)傳感器技術(shù)如圖3所示。全細(xì)胞細(xì)菌生物傳感器的性能更加可靠，能夠獲取生物在水體中的發(fā)光狀況，從而評(píng)估水域內(nèi)COD的濃度情況。微生物燃料電池也是生物監(jiān)測領(lǐng)域的新技術(shù)，可以對(duì)COD、BOD和DO實(shí)施針對(duì)性監(jiān)測，使有機(jī)污染物的檢出效率更高。多氯聯(lián)苯也是工業(yè)廢水中的主要成分，可以采用電化學(xué)生物傳感器實(shí)施檢測，而酚類生物傳感器則能夠?qū)λ械泥徏追雍袜彵蕉拥葘?shí)施精確化監(jiān)測[9]。隨著智能化的發(fā)展，生物芯片技術(shù)的研發(fā)工作也在逐步推進(jìn)，有效提高了該技術(shù)的靈敏度，而且特異性作用顯著?？傊谶x擇相關(guān)技術(shù)手段時(shí)要綜合考慮，除了分析應(yīng)用要求和基本標(biāo)準(zhǔn)以外，也要了解具體的應(yīng)用方式，這樣才能更好地提升作業(yè)實(shí)效，滿足相關(guān)工作的需求。

圖3 微生物化學(xué)傳感器技術(shù)

3 結(jié)語

在工業(yè)廢水監(jiān)測工作中，生物監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，該技術(shù)可以幫助監(jiān)測人員全面了解水環(huán)境狀況，且具有成本投入低的特點(diǎn)，為污染治理工作提供了可靠依據(jù)。目前常用的兩種技術(shù)主要為微生物群落監(jiān)測技術(shù)和生物毒性測試技術(shù)，前者又包括PFU監(jiān)測技術(shù)和分子生物學(xué)-微生物群落監(jiān)測技術(shù)，后者主要包括發(fā)光細(xì)菌急性毒性測試技術(shù)、藻類和蚤類毒性測試技術(shù)、魚類毒性測試技術(shù)和成組生物毒性測試技術(shù)等。隨著信息時(shí)代的發(fā)展，生物傳感器監(jiān)測技術(shù)和生物芯片技術(shù)等的應(yīng)用也逐漸增多，可以獲得更加精確可靠的工業(yè)廢水信息，為環(huán)境保護(hù)工作的實(shí)施提供保障。