環(huán)境監(jiān)測中的生物監(jiān)測技術(shù)分析

丁 偉

（安徽晟創(chuàng)檢測技術(shù)有限公司，安徽合肥 230000）

引言

生物監(jiān)測技術(shù)對環(huán)境監(jiān)測具有助力作用，需要對生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，及時發(fā)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境中存在的問題，提高生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方法的有效性。環(huán)境中常常會存在污染現(xiàn)象，并且污染問題難以被發(fā)現(xiàn)，因而采用環(huán)境監(jiān)測的方式，保證環(huán)境污染得到精準(zhǔn)判斷。污染物對環(huán)境及生物均具有影響，需要確保生物對污染物的指示作用，借助生物對污染物進(jìn)行識別。

1 環(huán)境監(jiān)測中的生物監(jiān)測技術(shù)方法

環(huán)境監(jiān)測是應(yīng)對環(huán)境污染的主要形式，需要注重監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)環(huán)境中存在的污染物質(zhì)。環(huán)境監(jiān)測范圍包括土壤、水體、大氣等，重金屬、有機(jī)物等均可對環(huán)境造成污染，使環(huán)境中帶有一定的毒性，影響動植物的正常生長。以生物測試法為例，持續(xù)時間通常為7～14 d，若毒物毒性較低，則會延長測試時間，需要做好長期測試的準(zhǔn)備，最長可持續(xù)2～3 個月。對環(huán)境污染進(jìn)行分析時，需要明確具體的污染指標(biāo)，結(jié)合生物手段展開監(jiān)測，提高監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。以土壤重金屬污染為例，鎘含量不能超過47 mg/m3，鉻含量不能超過30 mg/m3，鉛含量不能超過800 mg/m3，汞含量不能超過33 mg/m3。由此可見，生物檢測技術(shù)具有嚴(yán)格的指標(biāo)，需要結(jié)合監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)展開分析，確保生物監(jiān)測技術(shù)能夠發(fā)揮作用[1]。

2 環(huán)境監(jiān)測中的生物監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

2.1 土壤監(jiān)測

2.1.1 植物監(jiān)測 土壤是植物賴以生存的環(huán)境，需要對土壤的污染情況進(jìn)行判斷，將生物監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用其中，對生物的受害情況進(jìn)行判斷。土壤監(jiān)測可以運用指示植物，對環(huán)境中植物生長情況進(jìn)行判斷，一旦植物出現(xiàn)異常生長情況，則要考慮到土壤污染的影響。土壤對植物的根、莖、葉造成影響，應(yīng)對植物的整體特征進(jìn)行觀察，與正常生長情況進(jìn)行對比。如銅、鎳、鈷會抑制新根生長，使根系呈現(xiàn)為絮狀，導(dǎo)致植物無法正常吸收水分和養(yǎng)分，引起植株矮小甚至枯死。通過指示植物可以確定土壤的特性污染情況，根據(jù)植物生長變化對污染進(jìn)行判斷，實現(xiàn)對土壤污染狀況的分析。此外，農(nóng)藥殘留也會對土壤造成污染，一旦農(nóng)藥殘留超標(biāo)，將會對植物造成危害，尤其是幼嫩組織部分，將會產(chǎn)生褐色焦斑或葉片脫落，使植物因土壤污染而受害。

2.1.2 動物監(jiān)測 土壤監(jiān)測過程中，可以將動物作為指示生物，對土壤的污染情況進(jìn)行判斷，實現(xiàn)對土壤環(huán)境的監(jiān)測。土壤監(jiān)測需要對采樣區(qū)域進(jìn)行劃分，每個樣方大小為0.5 m，深度為45 cm，如圖1 所示，將深度劃分為5 個層次，分別為1～5 cm 層、5～15 cm 層、15～25 cm 層、25～35 cm 層、35～45 cm 層，對土壤空間區(qū)域進(jìn)行明確劃分。選擇蚯蚓作為指示生物，對不同區(qū)域蚯蚓種類、數(shù)量等進(jìn)行統(tǒng)計，分析蚯蚓的表征狀況。對于處于污染土壤環(huán)境下的蚯蚓，其體征將會出現(xiàn)卷曲、僵硬、腫大等，甚至導(dǎo)致蚯蚓的體表存在損傷[2]。如DDT、有機(jī)氯化物等污染便會出現(xiàn)上述狀況。除了土壤生物外，還可以采用其捕食者進(jìn)行監(jiān)測，如鳥類、昆蟲等。通常情況下，成鳥將土壤生物喂食給幼鳥，通過對幼鳥血液、肝臟等進(jìn)行分析，實現(xiàn)殘留毒性的檢驗，進(jìn)而對土壤污染情況進(jìn)行監(jiān)測。

圖1 土壤監(jiān)測層次劃分

2.1.3 微生物監(jiān)測 土壤中存在著大量的微生物，可以采用微生物對土壤污染情況進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)土壤的毒性檢驗。衛(wèi)生物監(jiān)測過程中，將發(fā)光細(xì)菌作為檢測指示生物，根據(jù)污染物狀況確定對發(fā)光情況的影響，對污染物情況進(jìn)行分析，確保微生物監(jiān)測的映應(yīng)用水平。微生物監(jiān)測運用細(xì)菌對污染物的發(fā)光特性，具有較短的監(jiān)測結(jié)果獲取時間，可將時間縮短在3 h 左右，提高土壤污染物的監(jiān)測效率。發(fā)光細(xì)菌需要進(jìn)行培養(yǎng)，細(xì)菌以凍干粉形式存在，保存溫度不能超過-20 ℃，防止對發(fā)光細(xì)菌的活性造成影響，使微生物監(jiān)測能夠發(fā)揮作用。土壤污染物檢測過程在常溫進(jìn)行，通過復(fù)蘇稀釋液使發(fā)光細(xì)菌復(fù)蘇，使其具有良好的發(fā)光活性，確保發(fā)光檢測的效果。土壤監(jiān)測過程中，需要對發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光量進(jìn)行檢測，時間在20～30 min 之間，對發(fā)光情況進(jìn)行精準(zhǔn)識別。經(jīng)過對監(jiān)測結(jié)果的整理，不同濃度污染物監(jiān)測結(jié)果見表1。對土壤中的HgCl2、K2Cr2O、C6H3OH 進(jìn)行了監(jiān)測，得到了對應(yīng)的濃度和相對發(fā)光度，實現(xiàn)了對污染物濃度的精準(zhǔn)檢驗。

表1 不同濃度污染物監(jiān)測結(jié)果

2.2 水體監(jiān)測

2.2.1 生態(tài)監(jiān)測 生態(tài)監(jiān)測可以運用生物指示法，提高對環(huán)境的監(jiān)視作用，快速對環(huán)境狀態(tài)形成反應(yīng)，確定環(huán)境是否存在問題。知識生物在檢測方法上具有針對性，并且指示生物的種類較多，便于對其進(jìn)行培養(yǎng)，應(yīng)用價值非常廣泛。指示生物包括浮游生物、魚類、微生物等，可以針對監(jiān)測環(huán)境進(jìn)行選材，選擇適合作為監(jiān)測的生物，提高環(huán)境監(jiān)測的效率。對于存在污染的環(huán)境，生物的生存狀態(tài)將會受到影響，引起生物發(fā)生數(shù)量、種類等變化，根據(jù)污染程度的不同，將會帶來不同的變化。如地衣可以指示SO2的污染狀況，含量不能超過80 mg/m3、顫蚓數(shù)量可以指示水體有機(jī)物污染程度等。需要注意的是，指示生物具有選擇要求，需要具有足夠的敏感性且屬于生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，既要具有較為廣泛的分布，又要對特定毒物或因子形成反應(yīng)，確保污染物得到精準(zhǔn)辨識[3]。

水體屬于復(fù)雜的檢測環(huán)境，為污染物提供了擴(kuò)散途徑，且水中生物流動性較大，使得污染的傳播較為迅速。生態(tài)監(jiān)測采用微生物工程、細(xì)胞工程等實現(xiàn)監(jiān)測，需要注重生物領(lǐng)域技術(shù)的應(yīng)用，確保生物監(jiān)測取得良好成效，對水體環(huán)境進(jìn)行綜合評價。如藻類、底棲生物等，具有較強(qiáng)的耐污能力。一旦生物體內(nèi)出現(xiàn)污染物，則說明水體污染較為嚴(yán)重，需要對水體環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行治理。在水體環(huán)境中，生態(tài)特征容易發(fā)生變化，采用生態(tài)監(jiān)測手段具有必要性，便于采取不同方式開展監(jiān)測，并且指示生物的選擇種類較多，對水體環(huán)境進(jìn)行全方位檢驗。生態(tài)監(jiān)測利用水體生物的生命周期特性，實現(xiàn)對水體異常情況的檢驗，有助于環(huán)境的常態(tài)化檢測，及時發(fā)現(xiàn)水體中存在的環(huán)境問題。

2.2.2 污染監(jiān)測 水體環(huán)境中的污染物較多，包括重金屬、無機(jī)陰離子、有機(jī)農(nóng)藥等，需要注重現(xiàn)行環(huán)境中污染的檢測，提高對污染物質(zhì)的辨識能力。以重金屬為例，環(huán)境自身很難進(jìn)行降解，將會引起重金屬的長期存在，一旦被生物吸收，不僅會影響生物的正常生長，還會進(jìn)入到食物鏈中，重金屬污染問題將長期存在。重金屬可以采用微生物進(jìn)行檢測，通過特定微生物對重金屬進(jìn)行識別，確保重金屬的檢驗效率。水體環(huán)境監(jiān)測應(yīng)明確重金屬的檢測標(biāo)準(zhǔn)，具體標(biāo)準(zhǔn)見表2。若監(jiān)測指標(biāo)超過標(biāo)準(zhǔn)值，則說明水環(huán)境中重金屬含量超標(biāo)。微生物監(jiān)測主要利用重金屬基因的高通特性，通過高通qRCP 技術(shù)實現(xiàn)重金屬的針對性檢驗。如利用重金屬抗性基因芯片（MRG），可針對鎘、鉻、鉛等多種重金屬進(jìn)行監(jiān)測，3 h 內(nèi)可監(jiān)測出50 份樣品，具有較高的重金屬監(jiān)測效率。

表2 水環(huán)境中重金屬監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)

2.2.3 群落監(jiān)測 在環(huán)境因素影響下，生物群落將會發(fā)生一定程度的變化，通過群落變化的觀測，可以對自然環(huán)境污染情況進(jìn)行評估，提高環(huán)境監(jiān)測的效率。群落結(jié)構(gòu)的影響較為廣泛，包括植物、動物、微生物等，需要對不同的群落展開分析，嚴(yán)格把握群落的影響因素。生物群落分為水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)，環(huán)境對生物的影響將上升到空間層面，需要注重群落空間層次的劃分[4]。以森林群落為例，若土壤環(huán)境存在污染，將會影響到森林的整體空間生長，水平結(jié)構(gòu)表現(xiàn)上為個體數(shù)量的減少，垂直結(jié)構(gòu)上將會影響到長勢，引起林木的矮小、枯葉等問題，導(dǎo)致林木無法順利生長。因此，通過群落結(jié)構(gòu)的監(jiān)測可以對環(huán)境污染情況進(jìn)行判斷，需要做好生物群落的分析工作，保障環(huán)境監(jiān)測控制的穩(wěn)定性[5]。

水體環(huán)境中生物群落具有復(fù)雜性，通過生物群落確定污染情況，對水體環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格觀察。浮游生物群落結(jié)構(gòu)是確定水體污染情況的重要形式，如圖2 所示，采用了8 個采樣點進(jìn)行監(jiān)測，若浮游生物的數(shù)量則多，則說明該區(qū)域存在著一定程度的污染，需要做好污染問題的監(jiān)測工作，對浮游生物數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計。

圖2 浮游生物群落結(jié)構(gòu)

水體群落監(jiān)測通常選擇浮游生物，如藻類、原生動物等，生物群落的選擇較為廣泛，便于對污染的影響情況展開分析。生物群落監(jiān)測采用網(wǎng)格計數(shù)的方式，計算公式如下

式中，N 為浮游生物數(shù)量（個/L），C 為計數(shù)的生物個數(shù)（個）；V1為1L 水濃縮成的樣品水量；V2為計數(shù)的樣品水量。通過上述公式，可確定生物群落的分布情況，對受到污染的群落進(jìn)行檢驗。水體污染將會導(dǎo)致群集的迅速消失，影響水體環(huán)境中種群的正常存活，需要對種群的存活數(shù)進(jìn)行對比。種群消失速度計算公式如下

式中，V 為消失速度（種/d）；S 為消失種數(shù)（種）；T 為間隔天數(shù)（d）。通過這種方式，可以對水體環(huán)境對群落消亡情況進(jìn)行分析，確定污染物的影響特征及范圍，由群落方面判斷水體環(huán)境的質(zhì)量。

2.2.4 抗原監(jiān)測 抗原監(jiān)測利用生物免疫原理，針對抗原對環(huán)境中的污染物進(jìn)行識別，使污染物得到及時發(fā)現(xiàn)。酶免疫檢測主要利用酶的催化反應(yīng)，將抗體固定在塑料板上，根據(jù)免疫特征檢驗污染情況，提高監(jiān)測方法的有效性。利用微生物的抗原機(jī)制，可以對水中的有機(jī)物進(jìn)行吸收，將特定的污染物質(zhì)吸收到微生物體內(nèi)，實現(xiàn)對污染物的精準(zhǔn)監(jiān)測。微生物的構(gòu)造較為簡單，采取細(xì)胞層面的培養(yǎng)方式，培養(yǎng)出適宜的抗原檢測酶，提高對污染物的識別作用。水環(huán)境中的污染物質(zhì)將會引發(fā)生物代謝紊亂，使生物體內(nèi)帶有一定的毒素，結(jié)合發(fā)光細(xì)菌培養(yǎng)方式，可以使感染毒素的微生物發(fā)光，便于對抗原進(jìn)行監(jiān)測，并且對污染物的代謝情況進(jìn)行了解，保障水環(huán)境監(jiān)測具有良好的免疫特征。

2.3 大氣監(jiān)測

2.3.1 植物監(jiān)測 大氣屬于環(huán)境檢測的重要組成部分，需要對常見污染成分進(jìn)行分析，借助植物來確定大氣污染情況，對空氣質(zhì)量進(jìn)行一定程度的判斷。在大氣環(huán)境中，植物與空氣直接接觸，可以通過植物來監(jiān)測污染。通常情況下，長期處于污染環(huán)境下的植物葉片將會處于發(fā)黃狀態(tài)，如水杉、地衣等，對空氣污染物較為敏感，將會出現(xiàn)生長異常狀況。而且，通過植物表征變化可對污染物進(jìn)行識別，如大蒜受到氟化物影響后，葉片尾處會呈現(xiàn)尖形，顏色變?yōu)榧t褐色，同時伴有斑點。在大氣環(huán)境中，植物監(jiān)測的取材較為廣泛，可尋找具有針對性的指示生物，根據(jù)生物的現(xiàn)狀進(jìn)行監(jiān)測，確保植物監(jiān)測法得到有效運用。植物對顆粒物具有吸附作用，將會附著在植物的表面，通過植物表面監(jiān)測可判斷空氣中顆粒物情況，對顆粒物污染具有輔助檢測效果。

2.3.2 濃度檢測 如圖3 所示，大氣環(huán)境中的污染物種類眾多，如SO2、NO2、CO 等，采用生物技術(shù)可將污染物質(zhì)沉降下來，實現(xiàn)對污染物總量的監(jiān)測，確定污染物的濃度狀況。例如：采用海藻酸鈉包埋固定微生物，可以形成SO2固定床，增強(qiáng)對SO2的吸收作用，借助生物手段固化污染物。濃度監(jiān)測具有一定的難度，需要將污染物固化下來，同時實現(xiàn)對污染物的檢測，防止污染物對空氣造成持續(xù)污染。

圖3 大氣環(huán)境中污染物含量

濃度計算采用質(zhì)量-體積濃度，計算公式如下

式中，X 為濃度值（mg/m3）；C 為以ppm 表示的濃度值；M為分子量。污染物濃度具有限定值的要求，通過濃度監(jiān)測對污染濃度進(jìn)行判斷，由濃度限值作為污染程序的界定條件。環(huán)境空氣污染物濃度限制見表3，濃度限制分為一級和二級兩個限制條件，以SO2濃度為例，若X（SO2）≤20 μg/m3，則符合一級濃度限值條件；若20＜X（SO2）≤60 μg/m3，則符合二級濃度限值條件；X（SO2）＞60 μg/m3，則污染物濃度嚴(yán)重超標(biāo)。

表3 環(huán)境空氣污染物濃度限值

3 結(jié)論

綜上所述，生物監(jiān)測技術(shù)對環(huán)境具有監(jiān)測作用，需要合理對技術(shù)進(jìn)行使用，提高對環(huán)境的監(jiān)測質(zhì)量。生物監(jiān)測包括表征、群落等，實現(xiàn)對污染物質(zhì)的有效監(jiān)測，確定污染物的具體成分。生物監(jiān)測對環(huán)境的影響程度較小，監(jiān)測費用方面要低一些，屬于環(huán)境監(jiān)測中的常用方法，對環(huán)境的質(zhì)量進(jìn)行控制。環(huán)境污染作用范圍包括土壤、水體、空氣，需要確保環(huán)境監(jiān)測的精準(zhǔn)性。