水環(huán)境監(jiān)測中生物監(jiān)測技術的運用探討

符 哲

（湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，湖南 岳陽 414000）

目前水環(huán)境污染治理主要涉及兩方面，一是加強對工業(yè)廢水、農業(yè)污水及生活污水等根源上的控制，二是監(jiān)測并控制自然水體的污染情況。傳統(tǒng)的污水監(jiān)測技術是將重點放在污染物上，主要監(jiān)測對象是水體的色度、濁度、化學需氧量、生化需氧量及pH值等，但無法得出水環(huán)境污染對生物以及生態(tài)系統(tǒng)造成的影響與破壞。利用生物監(jiān)測技術能夠通過觀察水體中生物群的轉變情況分析污染物對水源、生物以及生態(tài)系統(tǒng)等造成的影響，并以此為依據(jù)制定有效的水環(huán)境污染治理策略。

1 生物監(jiān)測技術的原理

自然生態(tài)中的生物離不開水環(huán)境，與水環(huán)境緊密相連、相互影響。但當水環(huán)境中的污染物含量超過安全閾值后，必然會破壞生物的發(fā)育和繁殖環(huán)境，并導致污染物在生物體內的傳遞和聚集，由此引發(fā)多種生物疾病。因此，研究人員需要加強對水環(huán)境污染的監(jiān)測研究力度，以確保生態(tài)系統(tǒng)的安全和健康。生物監(jiān)測技術基于生物學反應，可針對水環(huán)境下不同生物群種及其水體敏感性，對水環(huán)境進行詳細、全面地分析研究，并將其作為水污染情況的衡量標準，以得到詳細的水環(huán)境污染情況。

相較于常規(guī)理化監(jiān)測技術，生物監(jiān)測技術具有靈敏性高、監(jiān)測范圍廣、成本較低等特點[1]。隨著我國環(huán)境保護工作的不斷深入，在水質檢測中也開始廣泛采用這一新型監(jiān)測方式，以滿足社會發(fā)展對環(huán)境信息實時獲取的需求。然而生物監(jiān)測技術是水環(huán)境監(jiān)測中的一種新型技術，目前仍缺乏完善、詳細的技術標準，因而不能保證監(jiān)測結果的可靠和準確。

2 生物監(jiān)測技術的特點

生態(tài)環(huán)境受到破壞和污染后，會在一定程度上限制生物的正常生長和繁衍，此時將生物監(jiān)測技術應用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，能夠利用生物學反應獲得多種環(huán)境數(shù)據(jù)，為環(huán)境保護工作提供重要參考依據(jù)。通常環(huán)境污染多發(fā)生在小領域中，所以在選擇采樣監(jiān)測點時，要考慮實際狀況，分析可能出現(xiàn)的環(huán)境污染問題，合理選擇監(jiān)測點，確保監(jiān)測結果符合實際情況[2]。同時，在應用該生物檢測技術進行環(huán)境監(jiān)測時，還要結合不同地區(qū)的自然條件與地理環(huán)境特點，達成特定的檢測目標[3]。此外，工作人員還能夠將監(jiān)測數(shù)據(jù)與周邊自然環(huán)境相結合，確保其具有較高的準確性。比如在水環(huán)境的監(jiān)控中，可以監(jiān)測水環(huán)境中的微生物生長與繁衍情況，從而得到更加全面、細致的水環(huán)境污染監(jiān)測報告。在使用生物監(jiān)測技術時，需考慮多種外界因素對環(huán)境監(jiān)測質量產生的影響，不要限制監(jiān)測物種的范圍，而要結合周邊環(huán)境的實際狀況對環(huán)境監(jiān)測報告進行適當?shù)匦拚c補充。

3 不同生物在生物監(jiān)測技術中的應用特點

3.1 微生物

生物監(jiān)測技術中的微生物監(jiān)測對象應具備群落多樣性、群落均勻度、優(yōu)勢細菌豐富度等特征，如在水環(huán)境中分布廣泛的發(fā)光細菌、與多種魚類共生的費氏弧菌等。發(fā)光細菌發(fā)出的光亮取決于發(fā)光酶系統(tǒng)，發(fā)光酶是一種異二聚體蛋白質，當其接觸有毒物質后，如果受到有毒物質的抑制作用，那么細菌發(fā)光強度將急劇下降，因此發(fā)光細菌是一種指示意義十分明確的微生物，目前已成為評價環(huán)境介質污染狀況和監(jiān)測水體質量變化最有效的方法之一。在生物監(jiān)測技術領域中，一般利用發(fā)光細菌對污染物的毒性進行量化研究，量化的對象可為3～5 min的急性毒性，也可為12～24 h的慢性毒性[4]。發(fā)光細菌作為一種新的環(huán)境指標，能夠快速靈敏地反映水體的污染程度和環(huán)境容量，當前發(fā)光細菌在飲用水系統(tǒng)中已被廣泛用于其毒性的定量，同時也能應用于海洋沉積物的水質檢測。

3.2 浮游植物

浮游植物是指在水環(huán)境中以浮游狀態(tài)存活的植物，多指藻類植物。水環(huán)境中藻類植物的過度滋生會出現(xiàn)水華現(xiàn)象，即水體富營養(yǎng)化。近年來生活污水中的含磷量進一步增加，而磷是藻類植物的一種營養(yǎng)物質，在含有過量磷元素的水環(huán)境中，藻類植物將會大量生長，奪取水體溶解氧，影響陽光射入，破壞植物與動物的生存環(huán)境[5]。因此，藻類植物能夠作為生物監(jiān)測領域的有效指示生物。不同類型的藻類植物處于不同污染環(huán)境中，其表現(xiàn)存在明顯差異，監(jiān)測人員可以從藻類的豐度、細胞密度、光合作用的強弱作出判斷。如石莼屬于對重金屬承受能力強的藻類植物，可有效富集水體中的重金屬，所以也有重金屬污染“哨兵”之稱。小球藻為苯并芘敏感藻類植物，苯并芘會在小球藻中聚集，小球藻對判斷船舶漏油情況、工業(yè)廢水排放的影響區(qū)域具有顯著指示效果，所以環(huán)境監(jiān)測人員可使用熒光顯微鏡進行觀察和定位。

3.3 浮游動物

浮游動物分為無脊椎動物和脊椎動物幼體，這些動物不具備主動游泳的能力，只能隨水波漂動。浮游動物種類繁多且數(shù)量大，能夠為魚類提供所需營養(yǎng)。就自然水體而言，浮游動物分布很廣，對污染物也非常敏感，是魚類生物的主要捕食目標，因此能夠間接地反映魚類生物種群在水環(huán)境污染時發(fā)生的變化，因此浮游動物在生物監(jiān)測領域有著重要價值[6]。近年來，人們開始關注浮游動物與環(huán)境的關系，尤其是其對重金屬等有害因子的響應機制，其中的重點就是刺胞學研究。刺胞動物是指暴露于重金屬和其他污染環(huán)境中時，細胞體積發(fā)生改變的浮游動物，可用于水體重金屬及其他污染物的指示生物。此外，這些生物具有快速增殖和迅速死亡的特性，還可用于環(huán)境污染預警與控制的研究。如橈足類湯氏紡錘水蚤卵是脊椎動物幼體，通常用于定量硫化物和其他污染物的生物毒性，其繁殖能力、數(shù)量與死亡率均可用來判斷急性與慢性有毒污染物的生物毒性，如農業(yè)污染。

3.4 著生生物

著生生物是附著于基面之上的生物群落，包含藻類、細菌、真菌及其他原生動物，這些生物在基面均勻度、密度、總量方面均為使用頻率非常高的生物指標。生物監(jiān)測主要用于水質的評價與管理，如水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、生態(tài)功能及對環(huán)境的影響等。在進行生物監(jiān)測時，監(jiān)測人員可對基面生物進行刮取取樣，使用顯微鏡統(tǒng)計單一生物群落，并統(tǒng)計總生物量。監(jiān)測人員在觀察中發(fā)現(xiàn)，生物群落的擴展或收縮，均代表水體中的物質組成發(fā)生了改變。不同地區(qū)受環(huán)境條件影響較大，同一物種的分布也會產生一定的差異。如在存在嚴重重金屬污染的河流中，著生生物在生物總量上呈現(xiàn)擴張趨勢；在富營養(yǎng)化河流中，著生生物部分藻類所占比重不斷擴大，而另一些生物受到限制。

3.5 底棲生物

底棲生物是棲息于水體底部巖石、泥沙中的生物，如牡蠣、河蚌、貽貝、蝦蟹和其他無脊椎動物，這些生物對重金屬、營養(yǎng)物、沉積物有著明顯反應。當前底棲動物已成為水體質量評價中的一個重要指示物。底棲動物種群的完整性、多樣性、優(yōu)勢度、豐度均能作為水質變化的重要指標。近年來，隨著對重金屬毒性研究的深入，貽貝肝臟和胰腺組織中的SOD（超氧化物氣化酶）和碳氮同位素成為監(jiān)測重金屬污染變化的重要指標。

3.6 高等水生植物

高等水生植物指在水中生長與繁衍的植物，如荷花和其他挺水植物、玉蓮、芡實等浮葉植物、水葫蘆等漂浮植物[7]。高等水生植物主要分布于湖泊、水庫、河流及海洋水域等水生生態(tài)系統(tǒng)中，其種類繁多且生態(tài)習性復雜，具有較強的耐鹽性和耐缺氧能力，能適應多種水文條件。高等水生植物在水體的生物鏈上具有重要地位，不但可以凈化水體，也可以為魚類、浮游生物、浮游植物、微生物等的生長棲息提供環(huán)境以及食物來源。高等水生植物具有較強的光合作用能力，可將水中大量的溶解氧轉化為易被水生動植物吸收利用的氧氣。但是，高等水生植物的過度生長會對水體產生遮蔽，過度消耗水體含氧量及營養(yǎng)物質，從而影響水環(huán)境中的浮游生物及其他水體生物的正常生長與繁衍。黃花水龍是一種水生植物，具有較強的親脂性有機物積累能力，常用于有機農藥污染指示生物，用以探測淺水域的水質狀況。

3.7 魚類

魚類在水環(huán)境中位于生物鏈的頂端，水環(huán)境中的多種因素會對魚類的正常生長與繁衍造成影響，許多水體污染物會在魚類體內聚集，對魚類動物的成長、繁殖和其他方面產生不利影響。所以可將魚類作為水體污染物變化監(jiān)測的主要指示生物，通過魚類檢測污染物具有快速簡便和靈敏度高等特點。水體中持久性污染物均可在魚類體內聚集，并會持續(xù)性地影響魚類生物的生長，這種影響會隨著更高的生物鏈對人體健康造成威脅[8]。所以，開展水質分析和研究工作必須要考慮魚類的毒性效應。在生物監(jiān)測領域，收集魚類各項生物指標并不局限于種群上，具體可針對魚類生物的血液、心跳、呼吸、移動、逃逸等行為進行研究。這些生物指標對于評價水質狀況和預測環(huán)境變化具有重要意義，是水生生態(tài)研究不可或缺的部分。近年來魚類生物監(jiān)測技術取得了較大發(fā)展，如遙測技術、聲學監(jiān)測技術等能有效記錄魚類的成長、遷徙、繁衍過程中的海量數(shù)據(jù)，用于評判、測量有毒有害污染物對魚類造成的影響。雖然當前許多技術設備無法大規(guī)模用于一線環(huán)境監(jiān)測中，但已顯示出極大的應用潛力。

4 生物監(jiān)測技術在水環(huán)境監(jiān)測中的具體應用

4.1 水環(huán)境評價

生物監(jiān)測技術在水環(huán)境監(jiān)測中能夠對水域整體狀態(tài)以及水質情況進行監(jiān)控，并通過各類水生物群落和各類水生物種群在水環(huán)境中的生長與繁衍狀態(tài)，分析并判斷水環(huán)境中水質的變化情況和水中礦物質含量的變化，從而更深層次地分析導致水環(huán)境出現(xiàn)變化的原因，并針對性地提出應對水環(huán)境問題的有效措施。在水環(huán)境監(jiān)測中，生物監(jiān)測技術具有重要的指標作用，同時也能在環(huán)境保護與環(huán)境治理中起到實時監(jiān)測與觀察的功能。

4.2 水域宏觀規(guī)劃

應利用環(huán)境生物化學監(jiān)測原理與技術，收集不同水環(huán)境的實際治理情況，對不同的水環(huán)境制定綜合治理、恢復和改造建設工程計劃。同時，結合具體區(qū)域水環(huán)境的實際情況，通過對各類水體污染現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢以及相關水質指標數(shù)據(jù)的研究，有效指導水污染防治工程，確保河流生態(tài)系統(tǒng)的健康有序運行[9]。尤其對于目前我國大型水庫及長江流域支流富營養(yǎng)化現(xiàn)象，可以利用生物監(jiān)測技術建立流域水生態(tài)評價體系，并制訂保護規(guī)劃，以改善流域的水環(huán)境質量。

4.3 微生物群落監(jiān)測技術

由于水環(huán)境中的細菌、藻類與原生動物等微生物的分布數(shù)量可以反映該地區(qū)水環(huán)境質量，因而微生物群落監(jiān)測多用于自然環(huán)境中群落結構與功能信息的采集，并對當?shù)氐淖匀画h(huán)境狀態(tài)進行評估，同時預測將來自然環(huán)境可能發(fā)生的變化。微生物群落監(jiān)測技術以收集水體樣本為主，再配合數(shù)學計算，對微生物分布指數(shù)進行計算，以確定水環(huán)境污染程度。微生物群落監(jiān)測具有操作簡便、成本低、易于自動控制、數(shù)據(jù)可溯源性高等優(yōu)點，因此得到了廣泛運用。在科學技術日益發(fā)展的今天，微生物群落監(jiān)測技術也在不斷發(fā)展和變革，監(jiān)測指標也越來越多。當前，主要應用的評價指標有多樣性指數(shù)、原物種的種類、異養(yǎng)性指數(shù)等。

4.4 制定環(huán)境標準

目前，生物監(jiān)測技術還可用于制訂有關環(huán)境質量和其他標準。通過運用各種先進的環(huán)境監(jiān)測設備和技術，能夠更加準確地分析出水體中存在的各類污染因素。想要明確不同種類微生物滋生、棲息的最適宜環(huán)境，首先需要熟知不同水環(huán)境對于不同微生物及個體種群發(fā)展與增長的作用。通過檢測水中各種污染物含量來評價水環(huán)境的污染情況，并結合其他理化參數(shù)綜合判斷水環(huán)境質量狀況，再根據(jù)這些指標建立相關水環(huán)境標準，既能體現(xiàn)人們在環(huán)境改善方面的成就感，也能有效提升水環(huán)境治理質量，減少環(huán)境風險。

4.5 生物行為反應監(jiān)測技術

自然界的生物種類非常多，不同生物對于自然環(huán)境的改變會出現(xiàn)不同的反饋特征。某些生物受到環(huán)境污染后，會表現(xiàn)出某種應激性生理行為或日常行為變化。為了能夠及時有效地檢測出這些變化并進行相應地處理，就需要建立實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對水質的實時監(jiān)控與管理，生物行為反應監(jiān)測技術正是基于該原理的監(jiān)測技術。通過監(jiān)測生物體內各項指標來反映其健康狀況和環(huán)境壓力情況，并以此為依據(jù)進行預警或預報。從生物的生理功能變化展開分析，進行環(huán)境污染程度的評判，然后測定水環(huán)境中污染物的濃度。水環(huán)境監(jiān)比較普遍的指示生物是斑馬魚、鰻魚和金魚，這些魚通常被用來測定淡水環(huán)境的污染物。由于這些魚類具有較強的自養(yǎng)能力和適應能力，所以可以通過其自身的生理指標監(jiān)測水體中的化學組分含量。如斑馬魚與人類基因相似，對生活水質具有一定的敏感度，生活環(huán)境改變后，短時間內即可出現(xiàn)反應，因而可從斑馬魚響應情況推測水質對人類的危害程度。利用生物行為反應監(jiān)測技術可以準確地分析出水體中的主要污染源和潛在的危害因素，從而為治理水污染提供重要依據(jù)。另外生物行為反應監(jiān)測技術可以測量水環(huán)境中重金屬離子的濃度，例如Cu2+和Pb2+等金屬離子在斑馬魚身上都會產生不同的反應，監(jiān)測人員可據(jù)此對污染程度進行評估。

4.6 生物傳感監(jiān)測技術

在現(xiàn)代醫(yī)學領域，傳感器系統(tǒng)是最熱門的一項技術，在生物監(jiān)測技術領域也有較高的應用價值。隨著科學技術的不斷發(fā)展，生物傳感器已成為生物學研究的重要手段之一。生物傳感監(jiān)測技術主要以生物傳感器為核心，其主要部件包括分子識別部分與轉換部分，分子識別的組成部分有酶、抗體、抗原、微生物和細胞和其他生物活性物質，轉換部分由氧電極、光敏管和場效應管組成。在環(huán)境污染物檢測中，生物傳感器以其獨特的優(yōu)點得到了廣泛應用。生物傳感器技術的原理是將生物對環(huán)境變化做出的反應轉化為電信號，反映環(huán)境污染程度。生物傳感器在環(huán)境污染物檢測中發(fā)揮著重要作用，可以實時監(jiān)測生物的環(huán)境壓力變化情況。生物傳感器技術具有專一性、分析迅速、準確度高的優(yōu)點。近年來，隨著科學技術的發(fā)展，生物傳感器也得到了很大進展。目前，使用比較廣泛的生物傳感器是細胞傳感器、DNA傳感器和免疫傳感器等。生物傳感器在水環(huán)境監(jiān)測中的應用原理是用BOD生物傳感器與微生物傳感器測定水中的酶。BOD生物傳感器主要靠溶解氧的濃度判斷水質情況，該技術目前還處于實驗室研究階段，在現(xiàn)場監(jiān)測中并不適用。微生物傳感器檢測是利用傳感器對焦化、煉油和化工企業(yè)污水中的酚進行快速測定，并結合檢測結果對區(qū)域內的水質情況進行詳細描述。另外，人們還可利用陰離子表面活性劑傳感器對生活污水中的污染物進行檢測。

5 結語

當前，生物監(jiān)測技術已大規(guī)模應用于水環(huán)境保護中，其操作方式簡單易行、使用方便、成本低廉，并且監(jiān)測效果好、精度高。在水環(huán)境保護中，生物監(jiān)測系統(tǒng)能夠通過結合信息技術，對水環(huán)境中的各項信息進行有效監(jiān)控，從而為城市居民的日常生活以及企業(yè)生產提供健康的水資源，并對自然水資源的保護工作提供有效的參考依據(jù)，因此對水污染的檢測與防治、提高流域水環(huán)境質量具有非常重要的作用和指導意義。