水污染監(jiān)測中生物監(jiān)測的應(yīng)用策略與展望

楊淞惠

（臨沂市生態(tài)環(huán)境局臨沭縣分局，山東 臨沂 276700）

從自然科學(xué)上分析，生物和環(huán)境本身就是一種穩(wěn)定平衡關(guān)系，是相互依存的。水是生命之源，研究水生生物不僅僅具有重要的科學(xué)意義，更兼有歷史價(jià)值。特別是對水生生物繁衍進(jìn)化進(jìn)行研究，可以充分反映水質(zhì)污染的源頭，將自然生態(tài)下的水進(jìn)行研究分析，也可以通過分析反映出有害物質(zhì)的危害形式，通過毒理學(xué)和藥物學(xué)，研究出解決水質(zhì)污染的方法?；?yàn)檢測分析是有科學(xué)依據(jù)的，這種檢測方法可以進(jìn)行毒理學(xué)分析，比起理化分析更加經(jīng)濟(jì)、可靠，同時(shí)分析數(shù)據(jù)也會(huì)更加準(zhǔn)確。隨著科學(xué)的進(jìn)步，自然水質(zhì)檢測可以通過長時(shí)間監(jiān)測，并同時(shí)加裝報(bào)警裝置，一旦發(fā)現(xiàn)水質(zhì)存在污染物，甚至可以威脅到生態(tài)平衡，就可以快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測出來，第一時(shí)間進(jìn)行預(yù)防和處理，防止生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞[1]。水是動(dòng)植物生存不可缺少的，人類生存需要干凈的水資源，而且水是最寶貴的不可再生資源。因此，必須要最大限度地避免水資源的污染。對于生物監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展一定要精益求精，在今后的時(shí)間里，我們將會(huì)更加廣泛、頻繁地運(yùn)用到環(huán)境污染監(jiān)測系統(tǒng)來對水源進(jìn)行監(jiān)測，因此，本文的目的是闡述目前生物監(jiān)測中存在的優(yōu)勢和不足。

1 生物監(jiān)測的優(yōu)缺點(diǎn)

從世界環(huán)?？萍嫉陌l(fā)展情況來看，水質(zhì)生物監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展時(shí)間是從20世紀(jì)初開始的，經(jīng)歷的時(shí)間不是很長，所以還有很大的提升空間。從其發(fā)展過程來看，經(jīng)歷了對生物個(gè)體的研究、對細(xì)胞的研究，目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對于基因的研究。上世紀(jì)90年代，我國開始對信息技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行扶持，生物監(jiān)測技術(shù)在信息技術(shù)的幫助下也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署對于水下測量活體微生物和水質(zhì)壓力對人的影響有了新的發(fā)現(xiàn)，即水下生物是以環(huán)境作為寄生體的，而環(huán)境變化也受到水下生物的影響，因此生物的體征和環(huán)境二者互為影響，這體現(xiàn)了生物學(xué)的統(tǒng)一性和協(xié)同性[2]。

生物監(jiān)測具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）能夠反映污染物的生物學(xué)理論特征，這樣可以直觀地判斷出污染物對于生物本身的影響，目前我國在這一領(lǐng)域有許多精密的儀器是可以判斷的；（2）生物監(jiān)測技術(shù)可以監(jiān)測出多種不同類型的污染物對水質(zhì)產(chǎn)生的負(fù)面影響，這樣就可以采取物理或化學(xué)手段攻克這些負(fù)面影響，努力保證優(yōu)質(zhì)水源；（3）生物監(jiān)測技術(shù)的操作流程較為簡單，成本較低；（4）對水下生物的監(jiān)測，只采用儀器監(jiān)測即可，不需要人力物力。

生物監(jiān)測中也存在以下缺點(diǎn)：（1）在監(jiān)測水下微生物的時(shí)候，無法準(zhǔn)確判斷微生物的數(shù)量和濃度，數(shù)據(jù)不夠精確；（2）國家缺少對于該項(xiàng)環(huán)境評測的排放標(biāo)準(zhǔn)；（3）某些生物監(jiān)測方法對于環(huán)境因素和污染物的影響檢測不夠全面；（4）水源監(jiān)測過程所耗時(shí)間成本太大。

由于生物監(jiān)測存在上述問題，亟需改進(jìn)水質(zhì)污染監(jiān)測技術(shù)，這需要更先進(jìn)的技術(shù)力量作為支撐。

2 生物監(jiān)測技術(shù)在水環(huán)境中的應(yīng)用

2.1 微生物群落監(jiān)測技術(shù)

大自然中的水環(huán)境寄生了許多微生物，其中含有大量細(xì)菌、藻類以及原生生物，許多原生生物的種類和特征并沒有進(jìn)行科學(xué)證實(shí)。因此，水中微生物群落監(jiān)測技術(shù)就顯得更為重要了。水中微生物群落監(jiān)測是將水下微生物進(jìn)行群體性分類的一種監(jiān)測手段，它可以將水下微生物按照生存環(huán)境，繁衍周期等劃分出類型、等級等。隨著科技的不斷進(jìn)步，該項(xiàng)技術(shù)得到了發(fā)展和推廣。而就目前而言，水質(zhì)污染越來越嚴(yán)重，水下微生物繁衍和進(jìn)化的速度越來越快，這項(xiàng)技術(shù)的更新并不足以滿足對當(dāng)前自然水質(zhì)的監(jiān)測。以此作為水質(zhì)污染指標(biāo)，已經(jīng)缺少說服力了。因此，目前研究者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和修正，以原生動(dòng)物種數(shù)、植鞭毛蟲百分比、多樣性指數(shù)和異養(yǎng)性指數(shù)為參數(shù)，建立適用于中國生態(tài)環(huán)境的微生物群落監(jiān)測技術(shù)[3]。水下生物研究完全可以通過改進(jìn)生物監(jiān)測裝置取得監(jiān)測效果，比如以瓶裝聚氨酯泡沫塑料塊為材料，可以滿足對水下暗流的監(jiān)測，這對海洋微生物的監(jiān)測有良好的效果。同時(shí)還有研究者提出，可以通過污染類型的分類對污水進(jìn)行處理，在處理的過程中可以對污水進(jìn)行研究，這就可以通過科學(xué)手段證明微生物對于污水中的生存環(huán)境有怎樣的適應(yīng)性?？梢酝ㄟ^此項(xiàng)研究不斷地偵測水下微生物的多樣性。從某種意義上來看，這充分帶動(dòng)了微生物群落監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。而且這種發(fā)展可以更大程度地精確監(jiān)測水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)，由此來判斷這些廢水是否可以用來灌溉，使之變廢為寶。

2.2 生物行為反應(yīng)監(jiān)測技術(shù)

生物行為反應(yīng)監(jiān)測技術(shù)是一種重要的水生物監(jiān)測技術(shù)。通俗地講，就是監(jiān)測水生物在受到水下污染物的影響下會(huì)有什么樣的生理反應(yīng)和生理變化，從這些變化的現(xiàn)象可以得出水質(zhì)污染的情況，以此作為證據(jù)來綜合評價(jià)水質(zhì)污染程度和安全濃度，看這些水是否可以經(jīng)過處理，用于灌溉。目前，我國水下生物研究中檢測到的類型有雙殼軟體動(dòng)物、魚類和水蚤等，當(dāng)然，魚類是我們經(jīng)常見的生物，因此它也是水下生物環(huán)境監(jiān)測最常用的生物。有的研究者通過對斑馬魚的研究，監(jiān)測出熱帶水源的魚類大部分都對水質(zhì)比較敏感，一旦水質(zhì)受到了污染，它們就會(huì)在幾分鐘之內(nèi)作出感應(yīng)。而且，實(shí)驗(yàn)證明斑馬魚的基因與人類有較高的相似度，因此，國外的一些水生物研究專家經(jīng)常會(huì)提取斑馬魚的基因來研究水質(zhì)，看什么樣的水質(zhì)更適應(yīng)人類飲用或作為農(nóng)業(yè)灌溉。

魚類分為淡水魚和海洋魚。以海洋生物為例，雙殼生物對于水體污染程度較為敏感。有研究者發(fā)現(xiàn)，利用電磁感應(yīng)技術(shù)可以監(jiān)測到海洋中的雙殼生物在污水中對于染毒毒性的反應(yīng)[4]。而研究結(jié)果也證實(shí)了這些生物對于生存環(huán)境的選擇也具有一定的規(guī)律性。同時(shí)這種監(jiān)測方式除以魚類和雙殼軟體動(dòng)物為研究標(biāo)本外，還曾利用水蚤等生物作為研究生物，他們通過利用光電檢測儀器監(jiān)測水蚤在海洋中的移動(dòng)能力，從而判斷出水蚤在海洋下的生命狀態(tài)和活動(dòng)軌跡，以此也可以作為水下污染的判斷依據(jù)。

2.3 發(fā)光細(xì)菌監(jiān)測技術(shù)

在飲用水的處理中，逐步研發(fā)出一種比較實(shí)用的監(jiān)測技術(shù)，發(fā)光細(xì)菌監(jiān)測技術(shù)。目前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟[5]。我們常常運(yùn)用這種技術(shù)對生活用水、污水處理等進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測。它的原理是根據(jù)微生物細(xì)胞可以發(fā)光這一特征，敏捷快速地捕捉到水下微生物，從而對其結(jié)果進(jìn)行分析，判斷出該水源的水質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種方法比較靈敏，實(shí)用性較強(qiáng)，因此應(yīng)用范圍比較廣泛，而且絕大多數(shù)的微生物可以通過這種方法檢測出來。還有研究者通過這種監(jiān)測手段將微生物捕捉上來之后進(jìn)行基因研究，可以對其毒害性進(jìn)行評估。

3 生物監(jiān)測方法在水環(huán)境中的應(yīng)用

3.1 生物群落監(jiān)測方法

為了掌握水環(huán)境中生物的群落數(shù)據(jù)，技術(shù)人員研發(fā)了指示生物監(jiān)測方法，該方法的優(yōu)勢是操作便捷，可統(tǒng)計(jì)特定范圍內(nèi)的生物群落。水污染指示生物包含復(fù)雜的內(nèi)容，常見的是著生生物，即真菌和藻類等，對于底棲大型無脊椎動(dòng)物來說，其包括著甲殼類、腔腸動(dòng)物等，而大型水生植物主要有海藻等。魚類也是生物群落的重要數(shù)據(jù)，可分為鲇魚、鮭魚、河鱸。生物指數(shù)法能夠了解水體的污染狀態(tài)，通過對水環(huán)境中生物種類的分析，明確生物群落的數(shù)量和種類，并在計(jì)算機(jī)的協(xié)助下計(jì)算出生物發(fā)分布狀況，這也是評價(jià)水環(huán)境污染程度的重要指標(biāo)。隨著科技的提升，物種多樣性指數(shù)Shannon-Wiener實(shí)現(xiàn)了全面應(yīng)用，主要用來評價(jià)水體的污染情況，得到了廣泛的好評。

3.2 PFU微型生物群落監(jiān)測法

為了減輕技術(shù)人員的工作壓力，提高微生物種群監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確度，科研人員提出了聚氨酯泡沫塑料塊法（PFU），該方式主要適用于湖泊、大江等環(huán)境的監(jiān)測。近年來，該監(jiān)測方式成為了水庫、池塘水污染狀況的主要監(jiān)測手段。初步研究發(fā)現(xiàn)，PFU的優(yōu)勢是數(shù)據(jù)精確，操作簡單，能夠收集水體環(huán)境中絕大多數(shù)微生物的種類，即使在惡劣的環(huán)境下，其也可在1-3 d內(nèi)完成數(shù)據(jù)的采集，有助于微生物群落數(shù)據(jù)的采集。隨著科技的發(fā)展，PFU的應(yīng)用范圍得到了全面拓展，不僅局限在室外的環(huán)境中，而且可用于室內(nèi)化工廠水污染的監(jiān)測。

3.3 生物測試法

從定義角度來看，生物毒性試驗(yàn)重視的是有毒物質(zhì)的監(jiān)測，其能夠?qū)λ杏卸疚镔|(zhì)的含量和種類進(jìn)行分析，屬于生物測試的范疇。生物測試法根據(jù)其應(yīng)用方式的不同可分為兩類：第一類是靜水式生物測試，即對穩(wěn)定水環(huán)境的監(jiān)測，在實(shí)驗(yàn)室中較為常見；第二類是流水式生物測試，其可對河流等動(dòng)態(tài)水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，盡管兩者在形式上存在差異，但具體的監(jiān)測原理是一致的。生物測試法的出現(xiàn)使得水環(huán)境的監(jiān)測方式發(fā)生了變化，其不僅可以幫助科研人員了解水環(huán)境的污染狀況，掌握有害物質(zhì)的類型，還可以明確污染物造成的影響，為后續(xù)環(huán)保制度的調(diào)整創(chuàng)造條件。生物測試法有助于科研人員實(shí)施環(huán)境質(zhì)量的評定，并在污染物的清理和排放層面有著重要的指導(dǎo)意義。生物測試法適用于復(fù)雜的環(huán)境，滿足不同科研人員的需求。

3.4 在線生物監(jiān)測

在線生物監(jiān)測技術(shù)的開展需要計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持，其能夠分析水環(huán)境下生物的生理指標(biāo)，掌握生物的生活習(xí)性，并以此為基礎(chǔ)，探索不同生物對毒性的耐受力。生物在線監(jiān)測的對象有多種，常見的是魚、大型蚤、發(fā)光菌等。

4 水生生物環(huán)境監(jiān)測技術(shù)存在的問題及對策

在水生生物監(jiān)測研究的過程中，需要大量的實(shí)踐工作，這些實(shí)踐也是以理論作為基礎(chǔ)的。理論加實(shí)踐，為許多科研人員提供了研究思路和理論導(dǎo)向。而在研究中發(fā)現(xiàn)，也存在著許多制約微生物生長和分布差異性較大性的因素。

4.1 差異性較大

水中的生物，大多以微生物為主，我國土地幅員遼闊，同是水下微生物，地域不同，產(chǎn)生的微生物也不同。此外，不同污染物導(dǎo)致的微生物分布和生長具有較大的差異性。除去這兩點(diǎn)重要的原因，氣候、溫度、濕度等諸多環(huán)境因素都會(huì)對水下生長的微生物造成很大的差異。對于這些不同種類的微生物監(jiān)測，要通過其反應(yīng)程度制定不同地區(qū)的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)。對于各地的監(jiān)測結(jié)果要分情況進(jìn)行處理，有助于消除地域差別。

4.2 濃度較低的污染物對水生生態(tài)產(chǎn)生危害

在認(rèn)識(shí)論上，通常我們認(rèn)為濃度、密度越大，產(chǎn)生的影響就會(huì)越大。相反，濃度、密度越小，產(chǎn)生的影響就會(huì)越小。然而這種觀點(diǎn)在水下微生物研究中是不絕對的。許多生態(tài)地區(qū)的水下生物并不多，或者說密度并不大，但是對于復(fù)雜的水生生態(tài)結(jié)構(gòu)卻產(chǎn)生著巨大的影響。許多水下微生物具有慢性毒性釋放的能力，針對這一異常情況，我們應(yīng)當(dāng)分門別類地處理，要對水下生物分子進(jìn)行高密度監(jiān)測，并及時(shí)對于污染物作出預(yù)警和處理預(yù)案。

5 總結(jié)及展望

水下生物監(jiān)測不僅是水質(zhì)監(jiān)測的重要組成部分，也可以上升到環(huán)境監(jiān)測的高度，是環(huán)保事業(yè)的一部分，雖然從全球的范圍上看，由于地域不同，物種和生理變化會(huì)存在著很大的差異，但是可以通過對物種的研究總結(jié)出一種綜合評價(jià)的方法，這種方法是以監(jiān)測水質(zhì)毒性、細(xì)菌和微生物含量為主，但是也可以說對于微生物研究起著很大的幫助，尤其是對于新型毒性物質(zhì)的監(jiān)測體現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢，應(yīng)當(dāng)在水下生物監(jiān)測的同時(shí)結(jié)合其它物理、生物的研究方式，對于污染物作出綜合評價(jià)，特別是毒害性的評價(jià)，監(jiān)測越精確，對我們未來的發(fā)展就越有保障。目前，利用生物監(jiān)測結(jié)果應(yīng)對水質(zhì)突發(fā)性污染和預(yù)警是具有很大的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)效應(yīng)的。在未來的時(shí)間里，水污染監(jiān)測技術(shù)還將繼續(xù)探索，并向著生物監(jiān)測的趨勢發(fā)展，為后續(xù)水資源保護(hù)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。