深圳市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站 梁智偉
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,各個(gè)行業(yè)對(duì)水資源的需求日益增長(zhǎng),但伴隨而來的是水體污染的不斷加劇,水環(huán)境質(zhì)量和水環(huán)境污染逐漸成為影響人們生活和工作的因素之一。因此,水環(huán)境的健康和水環(huán)境的保護(hù)逐漸受到重視。目前,我國(guó)對(duì)于水環(huán)境污染治理的手段主要有兩種,一是從源頭對(duì)污染源進(jìn)行管理和整治,對(duì)工業(yè)用水和生活污水的排放進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控和管理;另一種是通過監(jiān)測(cè)和治理自然水的污染,降低水污染的程度。在實(shí)際操作中,先污染后治理的老路已經(jīng)不符合我國(guó)現(xiàn)代的科學(xué)發(fā)展觀和可持續(xù)發(fā)展觀,對(duì)于水污染的治理還是更傾向于第二種治理手段。那么,對(duì)于水環(huán)境的監(jiān)控就顯得尤為重要。
生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)和本質(zhì),在于探究生物與生物之間、生物與環(huán)境之間的影響和關(guān)系。通過對(duì)于生物與環(huán)境之間相互影響、相互制約的關(guān)系,了解生物的生存情況反映的所在環(huán)境問題,以對(duì)生物所在的環(huán)境作出判斷。當(dāng)生物監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到水環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)中時(shí),則是通過對(duì)水體環(huán)境中的水體生物和生物群的生長(zhǎng)和生活情況的了解和監(jiān)測(cè),以及該群生物體內(nèi)各物質(zhì)的變化,從而判斷水體環(huán)境的變化和污染程度。利用多種監(jiān)測(cè)手段,判斷水體環(huán)境的污染情況和污染來源,作出判斷和獲得治理水體污染的方案,恢復(fù)水體環(huán)境健康,保障水體環(huán)境中生物的多樣性以及水體環(huán)境的健康程度。目前,我國(guó)對(duì)于水體環(huán)境的監(jiān)測(cè)和水體污染的監(jiān)測(cè),多采用傳統(tǒng)的物理監(jiān)測(cè)技術(shù),部分水體環(huán)境會(huì)采用信息監(jiān)測(cè)技術(shù)以及生物監(jiān)測(cè)技術(shù)。在傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)中,一般會(huì)重點(diǎn)圍繞著水體中的金屬含量、色度、濁度、化學(xué)需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)、pH值等內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)測(cè),這些指標(biāo)均能反映水體中的污染程度和水體的情況,但卻難以直觀地闡述水環(huán)境對(duì)于水體中生物的危害情況。許多污染物都伴隨水體本身,互相融合、互相影響,對(duì)水體重點(diǎn)生物體帶來影響。因此,靠傳統(tǒng)的指標(biāo)進(jìn)行水體監(jiān)測(cè)已經(jīng)難以滿足當(dāng)代社會(huì)對(duì)于水環(huán)境污染的預(yù)防和治理的需求[1]。而生物技術(shù)可以通過觀測(cè)生物在水環(huán)境生存的狀態(tài),了解水環(huán)境中的污染情況,可以更全面地得到水體環(huán)境的情況,使得監(jiān)測(cè)結(jié)果更加具有實(shí)踐價(jià)值。
水污染常具備污染物不單一的特性,多種污染物的混合,對(duì)水生生物產(chǎn)生混合影響,生物之間與水體環(huán)境中的污染物常會(huì)發(fā)生復(fù)雜的協(xié)同作用,甚至可能導(dǎo)致污染加劇。傳統(tǒng)的物理監(jiān)測(cè)和信息監(jiān)測(cè),并不能反映生物與環(huán)境之間存在的關(guān)聯(lián)與復(fù)雜的關(guān)系,而且水體環(huán)境質(zhì)量與生物因素之間也存在著相互影響的關(guān)系,單純地監(jiān)測(cè)水體環(huán)境的物理指標(biāo)是無法準(zhǔn)確判斷水體環(huán)境的健康程度和污染程度的,也做不到對(duì)水體生物多樣性的保護(hù),對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù),只有生物監(jiān)測(cè)技術(shù)可以基于生物的活動(dòng)情況。對(duì)水體生物生活的水體環(huán)境進(jìn)行健康程度的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià),獲得對(duì)水環(huán)境的認(rèn)識(shí)。當(dāng)然對(duì)水體環(huán)境中的水生物進(jìn)行監(jiān)測(cè),不僅可以了解監(jiān)測(cè)水體的健康程度和水體狀況,也可以保護(hù)水體環(huán)境中的生物多樣性。
物理監(jiān)測(cè)的多次取樣,對(duì)水體環(huán)境會(huì)造成一定程度的影響,甚至部分監(jiān)測(cè)過程會(huì)遺留下不屬于水體環(huán)境的異物,造成污染水源或者對(duì)水環(huán)境造成二次污染。但生物監(jiān)測(cè)是根據(jù)生物自身的特性對(duì)水環(huán)境作出監(jiān)測(cè)和反應(yīng),對(duì)水體環(huán)境的影響較小,監(jiān)測(cè)過程相對(duì)環(huán)保。另外,隨著生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的成熟和發(fā)展,科研人員和監(jiān)測(cè)人員可以在監(jiān)測(cè)過程中了解水體生物的生活特性,對(duì)水體生物對(duì)于環(huán)境的反應(yīng)進(jìn)行研究,促進(jìn)水環(huán)境中生物科技的進(jìn)步與發(fā)展。在維護(hù)生物多樣性的同時(shí),改善水體監(jiān)測(cè)技術(shù),進(jìn)一步推動(dòng)了解和認(rèn)識(shí)水體生物以及水環(huán)境中的關(guān)系。
由于生物監(jiān)測(cè)是利用生物的反應(yīng)、生物的種類等多項(xiàng)生物的指標(biāo)來完成對(duì)水體環(huán)境的監(jiān)測(cè),相對(duì)于傳統(tǒng)的物理監(jiān)測(cè)和信息監(jiān)測(cè)而言,生物對(duì)所在的環(huán)境變化敏感度高,反應(yīng)更加迅速,更有效地幫助監(jiān)測(cè)人員感知到水環(huán)境的變化,及時(shí)對(duì)于水環(huán)境變化和污染作出應(yīng)對(duì)措施[2]。尤其是在當(dāng)今許多水體環(huán)境的污染都是屬于慢性污染,物理監(jiān)測(cè)的儀器難以感知到水環(huán)境精細(xì)的變化的情況下,生物監(jiān)測(cè)可以更及時(shí)地預(yù)見污染的發(fā)生,降低污染帶來的損失和傷害。
相對(duì)于傳統(tǒng)的信息監(jiān)測(cè)技術(shù),生物監(jiān)測(cè)技術(shù)可以創(chuàng)造相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。一方面,由于信息監(jiān)測(cè)需要購(gòu)置相應(yīng)的監(jiān)測(cè)軟件和硬件設(shè)施,對(duì)于新產(chǎn)生的水體污染物則需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整,造成較高的損耗和維護(hù)費(fèi)用,生物監(jiān)測(cè)則不需要該項(xiàng)費(fèi)用的支出。除此之外,生物監(jiān)測(cè)的生物還可以為水體環(huán)境保護(hù)試驗(yàn)提供試驗(yàn)材料,幫助技術(shù)上的研究和突破,推動(dòng)科技的創(chuàng)新和進(jìn)步,創(chuàng)造額外的經(jīng)濟(jì)效益。
在自然界的水體中,存在著大量的生物和微生物。水體是水中生存的環(huán)境,水中生物對(duì)水體環(huán)境產(chǎn)生影響,兩者互相依存,相互影響。當(dāng)水體環(huán)境的某項(xiàng)指標(biāo)超過其安全閾值的時(shí)候,將會(huì)對(duì)水環(huán)境中的生物帶來影響,甚至是不可逆的死亡現(xiàn)象。有些污染物會(huì)轉(zhuǎn)移到生物體內(nèi),造成生物體產(chǎn)生一系列的病癥,并隨著生物的移動(dòng)帶到其他水體中,進(jìn)而造成持續(xù)污染。因此,需要生物監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水體環(huán)境進(jìn)行科學(xué)有效的判斷。
生物監(jiān)測(cè)技術(shù)不同于傳統(tǒng)的水環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè),能夠直觀地反映污染物對(duì)生物的影響,甚至由于生物可以對(duì)環(huán)境做出快速的反應(yīng),使得生物監(jiān)測(cè)更加具備靈敏程度,超過化學(xué)監(jiān)測(cè)儀器,且反應(yīng)更加迅速。水環(huán)境中的污染物一般不止一種,對(duì)水環(huán)境進(jìn)行指標(biāo)的監(jiān)測(cè)單次只能監(jiān)測(cè)一個(gè)指標(biāo)項(xiàng)目,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果緩慢,不利于水環(huán)境的保護(hù)和污染防治工作的進(jìn)行。使用生物監(jiān)測(cè),可以彌補(bǔ)指標(biāo)監(jiān)測(cè)的不足,生物常常能對(duì)復(fù)雜的環(huán)境快速做出反應(yīng)。一旦水體環(huán)境發(fā)生變化,生物就可以使環(huán)境中的改變快速被監(jiān)測(cè)到,這種監(jiān)測(cè)技術(shù)成本相對(duì)較低,且操作簡(jiǎn)單,反應(yīng)快速。與此同時(shí),由于生物無法準(zhǔn)確反映水環(huán)境變化的程度,也無法正確反映水環(huán)境中個(gè)別項(xiàng)目的指標(biāo)數(shù)據(jù),而且目前對(duì)生物監(jiān)測(cè)還沒有統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。由于水中的生物對(duì)外界環(huán)境可以做出自身的應(yīng)激反應(yīng),因此有些生物監(jiān)測(cè)并不能有效地對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響和水環(huán)境的改變建立起單一指向的聯(lián)系,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)需要較長(zhǎng)的實(shí)踐。生物的特性也成了監(jiān)測(cè)的技術(shù)難點(diǎn)之一,這些卡脖子的難點(diǎn),需要人們?cè)谖磥韺?duì)于生物監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和試驗(yàn)研究,以期獲得更準(zhǔn)確的、單向性的、快速的生物監(jiān)測(cè)方式。
在生物監(jiān)測(cè)技術(shù)投入水環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)踐過程中,仍然存在有一定的應(yīng)用問題,主要的問題和相關(guān)對(duì)策研究如下:
不同的生物具有不同的生長(zhǎng)習(xí)性,無論是其分布的范圍、對(duì)外界作出的反應(yīng)等方面都具有明顯的差異。因此,對(duì)于水環(huán)境中的污染物產(chǎn)生的變化也具有不同的反應(yīng),多種生物之間存在有正向的協(xié)同作用,也會(huì)產(chǎn)生負(fù)向的抑制作用,這也導(dǎo)致了在監(jiān)測(cè)過程中,可能會(huì)由于對(duì)生物和生物群落之間的了解程度欠缺,導(dǎo)致對(duì)污染來源和污染發(fā)生的誤判,生物監(jiān)測(cè)的真實(shí)性下降,影響其監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性[3]。因此,在利用生物監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)某區(qū)域范圍內(nèi)的水體環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)的時(shí)候,需要透徹地了解各種生物的生長(zhǎng)特性和相互作用,也許可以提前分析水體環(huán)境的特征以及水體生物生活所需要的水體環(huán)境特征,設(shè)置好科學(xué)的生物測(cè)試和生物監(jiān)測(cè)周期。與此同時(shí),還可以對(duì)監(jiān)測(cè)生物所在氣候條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,提前開展全方位條件的試驗(yàn)和監(jiān)測(cè),設(shè)置最有利于生物生長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)環(huán)境、監(jiān)測(cè)頻率、監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn),有效地消除由于地域和極端天氣等要素帶來的差別。
部分水體環(huán)境自生生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜,水體環(huán)境中的生物數(shù)量和生物群落有限,在水體環(huán)境污染較低時(shí),生物由于自身的適應(yīng)性和應(yīng)激能力,對(duì)微弱的污染改變不能做出有效和及時(shí)的反應(yīng),部分生物物種無法在短時(shí)間內(nèi)體現(xiàn)出明顯的生物反應(yīng)行為,導(dǎo)致生物監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生一定的延遲,與實(shí)際污染產(chǎn)生偏差。因此,監(jiān)測(cè)人員需要提前了解不同生物的生物行為和生物特性,配置最適合某個(gè)水體環(huán)境的生物監(jiān)測(cè)群體,建設(shè)好不同層級(jí)的物理監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)配合監(jiān)測(cè),以達(dá)到更加精確的水體環(huán)境污染監(jiān)測(cè)水平,對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行良好的保護(hù)。
不同的生物指示物種適合的生態(tài)系統(tǒng)和分子結(jié)構(gòu)具有較大的差異,導(dǎo)致有時(shí)難以通過生物群落觀察水體環(huán)境的變化。未來需要針對(duì)某個(gè)作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)的水體生物,構(gòu)建合適的水環(huán)境監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn),以期更好地利用水體生物對(duì)水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
水環(huán)境匯集了大量的生物和微生物,具有大量藻類、細(xì)菌、原生動(dòng)物等。水體環(huán)境中微生物的含量,體現(xiàn)了水體的環(huán)境質(zhì)量,這也是生物監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的理論基礎(chǔ)。微生物群落的監(jiān)測(cè),主要是通過收集水體環(huán)境中微生物的群落結(jié)構(gòu)完整程度、生物的數(shù)量以及生物的功能信息,以此來判斷所在水體環(huán)境的條件。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析,判斷水體環(huán)境和水中微生物群落未來的變化。通過對(duì)采集的水體樣本進(jìn)行微生物群體分析,統(tǒng)計(jì)微生物的分布指數(shù),根據(jù)該分布數(shù)值研判水體目前的污染情況和污染程度。但隨著科學(xué)技術(shù)和統(tǒng)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展,伴隨著水體污染的多樣性和復(fù)雜性的增加,需要監(jiān)測(cè)的微生物群落數(shù)量不斷增加,監(jiān)測(cè)指標(biāo)也不斷增加,對(duì)監(jiān)測(cè)的挑戰(zhàn)增加,也帶來了分析數(shù)據(jù)的難度,以及污染程度分析的挑戰(zhàn)[4]。目前,主要統(tǒng)計(jì)和分析的指標(biāo)有水體中生物群落的多樣性指數(shù)、原物種類型、異樣性指數(shù)等,也在一定程度上提高了我國(guó)水體環(huán)境監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。
自然界中生物類型繁多,水體中生物的也是如此。不同生物對(duì)外界具有不同的反應(yīng),對(duì)外界環(huán)境的變化也會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)。環(huán)境的污染勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的變化,進(jìn)而影響處在該環(huán)境中的生物行為,使得生物在面對(duì)環(huán)境變化的過程中作出相對(duì)應(yīng)的反應(yīng)。這些反應(yīng)被人類監(jiān)測(cè)并捕捉到,就可以推測(cè)出環(huán)境發(fā)生的改變和環(huán)境改變的程度。生物行為反應(yīng)的監(jiān)測(cè),就是基于此原理展開監(jiān)測(cè)工作。
對(duì)發(fā)光細(xì)菌的監(jiān)測(cè),屬于目前較為成熟的生物監(jiān)測(cè)技術(shù)之一,除了水環(huán)境的監(jiān)測(cè)也在多種環(huán)境監(jiān)測(cè)中使用,其監(jiān)測(cè)技術(shù)穩(wěn)定且適用范圍廣泛,因此廣受監(jiān)測(cè)人員的歡迎。利用發(fā)光細(xì)菌發(fā)光的生物特性,監(jiān)測(cè)水環(huán)境中污染物遺傳毒性,獲得被監(jiān)測(cè)水體的污染程度和污染成分,常被使用在自來水廠、生活飲用水水源水質(zhì)的檢查和監(jiān)測(cè)中,是水質(zhì)保障的主要監(jiān)測(cè)方式。發(fā)光細(xì)菌監(jiān)測(cè)法,相對(duì)于其他的生物監(jiān)測(cè)技術(shù),更加高效,所需要的監(jiān)測(cè)時(shí)間更短,更加的便攜,也具有更高的靈敏度。隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,發(fā)光細(xì)菌監(jiān)測(cè)方法,常常與紫外線分光法以及熒光分度法等多種方法結(jié)合,對(duì)水體環(huán)境的污染監(jiān)測(cè)更加全面,也提升了監(jiān)測(cè)的空間和實(shí)用價(jià)值。
底棲動(dòng)物和兩棲動(dòng)物是生物界中特殊的兩種生物,由于其自身的特殊性,因此常被作為指示物種進(jìn)行生物監(jiān)測(cè)。人們通過監(jiān)測(cè)所在環(huán)境范圍匯總、底棲動(dòng)物和兩棲動(dòng)物的數(shù)量和生活情況,判斷所在監(jiān)測(cè)環(huán)境的污染程度。目前,大部分大型底棲動(dòng)物都被用于對(duì)環(huán)境中重金屬要素的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)值,利用 Saprobic指數(shù)和BI指數(shù)評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)的環(huán)境質(zhì)量。底棲動(dòng)物和兩棲動(dòng)物的完整性和數(shù)量,也是監(jiān)測(cè)水體環(huán)境條件的重要指標(biāo)。除此之外,底棲動(dòng)物和兩棲動(dòng)物的生理反應(yīng)、形態(tài)變化、行為范圍,也是監(jiān)測(cè)環(huán)境變化的重要條件。
生物傳感器監(jiān)測(cè),是根據(jù)生物傳感器中的各組成成分進(jìn)行監(jiān)測(cè),了解生物作出的生物反應(yīng),并由此測(cè)定引起該反應(yīng)的外界環(huán)境的變化。生物傳感器的主要組成部分包括生物對(duì)分子的識(shí)別部分和轉(zhuǎn)換部分。識(shí)別部分有生物酶、抗原、抗體、微生物、細(xì)胞和組織等生物活性物質(zhì);轉(zhuǎn)化部分則包括光敏管、場(chǎng)效應(yīng)管、氧電極等。生物傳感器的原理是生物在受到外界環(huán)境刺激的作用下,生物體內(nèi)生物敏感程度將受到的刺激轉(zhuǎn)化成為可被監(jiān)測(cè)到的信號(hào)。因此,可以用來監(jiān)測(cè)生物所在環(huán)境的變化[5]。生物傳感器具有專一性、高效性和精確性的特征優(yōu)勢(shì)。在目前的監(jiān)測(cè)工作中,使用最多的是胞傳感器、DNA傳感器以及免疫傳感器等。
在日常實(shí)踐過程中,為了更好地利用生物監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和污染防治,需要對(duì)參與監(jiān)測(cè)的生物進(jìn)行了解,明確生物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系。例如水中的生物和浮游生物數(shù)量可以判斷水源的營(yíng)養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn),其數(shù)量的指標(biāo)也可以判斷水中營(yíng)養(yǎng)豐富程度是否在科學(xué)合理的范圍內(nèi),水源是否有富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)存在。利用生物監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè),還需要考慮水體中的污染毒性,并對(duì)其中污染的毒性進(jìn)行評(píng)價(jià),從而通過直接觀察和監(jiān)測(cè)生物的行為指標(biāo),得出水環(huán)境中的毒性污染程度。因此,在進(jìn)行生物監(jiān)測(cè)前,需要明確監(jiān)測(cè)的評(píng)價(jià)指標(biāo),以便應(yīng)用在生物監(jiān)測(cè)中,使其更好地、更直觀地幫助評(píng)估水環(huán)境的質(zhì)量和狀態(tài)。
根據(jù)前文研究分析,生物監(jiān)測(cè)技術(shù)涵蓋有多種監(jiān)測(cè)技術(shù)和監(jiān)測(cè)內(nèi)容,每種監(jiān)測(cè)生物可以反映不同的污染來源和污染程度。所以在對(duì)某個(gè)水體環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí),需要明確監(jiān)測(cè)的生物技術(shù)類型。當(dāng)需要對(duì)多種生物類型同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的時(shí)候,則需要做好監(jiān)測(cè)生物的分類,排除生物之間的相互影響作用,使得監(jiān)測(cè)結(jié)果不受其他要素的影響,客觀反映監(jiān)測(cè)水環(huán)境的污染水平和污染程度。另外,在使用生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的過程中,還需要分類水環(huán)境中的生物成分,將水環(huán)境中有害的微生物和有清潔作用的微生物進(jìn)行分類,以保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確。針對(duì)不同水環(huán)境中的生物類型,選擇不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象和監(jiān)測(cè)技術(shù),以達(dá)到最有效的監(jiān)測(cè)技術(shù),獲得最準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)成果。
綜上所述,水是重要的自然資源,珍惜水資源,是我國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要路徑,也是建設(shè)綠水青山的共同責(zé)任。為了更好地保護(hù)和改善水環(huán)境,更需要做好水環(huán)境的監(jiān)測(cè)和水污染預(yù)防工作。隨著環(huán)保工作的不斷展開以及環(huán)保技術(shù)的不斷提升,生物監(jiān)測(cè)技術(shù)被越來越多的應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)中。