水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用研究

武今巾 何巍偉 袁豪

摘??要：水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)技術(shù)作為理化監(jiān)測(cè)的有效補(bǔ)充，隨著我國生態(tài)文明建設(shè)步伐的不斷推進(jìn)，逐步趨向系統(tǒng)化與規(guī)范化。梳理了國內(nèi)水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程，分析了不同指示生物包括微生物、浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物、魚類等的特點(diǎn)，跟蹤了當(dāng)前發(fā)展迅速的生物監(jiān)測(cè)新興技術(shù)，如光譜技術(shù)、圖形識(shí)別技術(shù)等，最后對(duì)水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)技術(shù)做出了展望并提出發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞??生物監(jiān)測(cè)????發(fā)展歷程????指示生物????新興技術(shù)

中圖分類號(hào)：X835

Research?on?the?Development?and?Application?of??Biological?Monitoring?Technology?for?the?Water?Environment

WU?Jinjin*???HE?Weiwei???YUAN?Hao

（Chinese?Academy?of?Sciences?（Heifei）?&?Yu?Intelligent?Engineering?Co.，?Ltd.，?Hefei，?Anhui?Province，?230000?China）

Abstract：As?an?effective?supplement?to?physicochemical?monitoring，?the?biological?monitoring?technology?of?the?water?environment?is?gradually?tending?to?be?systematized?and?standardized?with?the?continuous?advancement?of?ecological?civilization?construction?in?China.?The?article?sorts?out?the?development?process?of?the?domestic?biological?monitoring?technologies?of?the?water?environment，?analyzes?the?characteristics?of?different?indicator?organisms，?including?microorganisms，?phytoplankton，?zooplankton，?benthonic?animals，?fish，?etc.，?and?tracks?the?current?rapidly-developing?emerging?technologies?of?biological?monitoring，?such?as?spectral?technology?and?graphic?recognition?technology，?and?finally，?it?makes?a?prospect?for?the?biological?monitoring?technologies?of?the?water?environment?and?puts?forward?development?suggestions.

Key?Words???Biological?monitoring;?Development?history;?Indicator?organism;?Emerging?technology

近年來，隨著我國工業(yè)事業(yè)的持續(xù)發(fā)展及經(jīng)濟(jì)的不斷增長，畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)耕開發(fā)、工業(yè)排污、生活排污等一系列人類活動(dòng)給水體環(huán)境帶來了嚴(yán)重污染，甚至導(dǎo)致了水生態(tài)系統(tǒng)退化的現(xiàn)狀。水質(zhì)狀況的及時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)是評(píng)估、治理水環(huán)境污染的重要技術(shù)手段[1]。研究表明：水環(huán)境中污染物種類繁多，其間的拮抗作用、協(xié)同作用、生態(tài)毒理作用等較為復(fù)雜，理化監(jiān)測(cè)作為傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段，僅能反映水環(huán)境質(zhì)量的部分變化特征，無法更深層次地解析污染物來源及動(dòng)態(tài)變化過程，這就對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)提出了更高要求[2]。

生物監(jiān)測(cè)（Biomonitoring），一種利用生物個(gè)體數(shù)量及種群群落組成對(duì)水環(huán)境變化所做出的動(dòng)態(tài)反應(yīng)來反饋水環(huán)境污染的范圍、程度及性質(zhì)的技術(shù)方法。生物監(jiān)測(cè)主要從生物學(xué)角度對(duì)水環(huán)境質(zhì)量展開綜合評(píng)估及分析，做到對(duì)水生態(tài)功能衰退及水質(zhì)變化的及時(shí)預(yù)警，進(jìn)一步為有序開展水污染防治工作提供技術(shù)支撐[3]。

本文梳理了國內(nèi)生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程，探討了不同指示生物的技術(shù)應(yīng)用，并跟蹤了新興的生物監(jiān)測(cè)技術(shù)，以期為生物監(jiān)測(cè)應(yīng)用于水生態(tài)環(huán)境污染防治提供一定參考。

1??我國水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展歷程

我國水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)工作始于20世紀(jì)80年代，整體而言，經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展階段（表1），?分別為20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初的初步發(fā)展階段及2010年后的快速發(fā)展階段[4]。

1984年，原國家環(huán)境保護(hù)局召開了我國第一次環(huán)境生物監(jiān)測(cè)工作會(huì)議，之后又于1986年、1989年、1993年陸續(xù)頒發(fā)了相關(guān)技術(shù)手冊(cè)?[5]。這一時(shí)期為我國生物監(jiān)測(cè)工作初步發(fā)展時(shí)期，首要關(guān)注了生物毒性（魚類、發(fā)光菌等），細(xì)菌學(xué)（總大腸菌群數(shù)、細(xì)菌總數(shù)等），生物群落（浮游植物、底棲動(dòng)物等）等監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

20世紀(jì)90年代中后期，理化監(jiān)測(cè)技術(shù)快速發(fā)展、理化監(jiān)測(cè)任務(wù)逐漸加重，我國水環(huán)境保護(hù)工作進(jìn)入了“污染防治”為重點(diǎn)的階段。在此背景下，生物監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮，加上國家在人力、物力、財(cái)力上均未提供有效保障，最終導(dǎo)致生物監(jiān)測(cè)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中失去地位，面臨著無的放矢的尷尬境地[6]。

直至21世紀(jì)初，生物監(jiān)測(cè)工作才再次得到重視。2010年后，根據(jù)“十二五”提出的“大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)”的工作重心，我國生物監(jiān)測(cè)工作進(jìn)入了快速發(fā)展階段。生態(tài)環(huán)境部、水利部、中國監(jiān)測(cè)總站等多部委研究機(jī)構(gòu)積極推進(jìn)生物監(jiān)測(cè)工作的發(fā)展：組織湖北、江蘇、黑龍江等省市在南水北調(diào)源頭、太湖、松花江流域等重點(diǎn)湖庫開展生物監(jiān)測(cè)試點(diǎn)工作；積極修訂包含淡水魚（斑馬魚）、發(fā)光菌、浮游動(dòng)物（大型溞）、蝦蟹等19項(xiàng)生物監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[7]；組織南京、上海等地監(jiān)測(cè)站開展水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)指標(biāo)、生物毒性試驗(yàn)、生物體微量有機(jī)物檢測(cè)等研究工作[8]。我國水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)技術(shù)由此得到快速提升。

2??不同指示生物在生物監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

指示生物，指包含環(huán)境（或部分環(huán)境）質(zhì)量信息的生物個(gè)體（或組織、群落）[9]。一般具有以下特征：分布廣、數(shù)量多、分類明、敏感度高、移動(dòng)性低、易于量化和標(biāo)準(zhǔn)化、生態(tài)學(xué)特征明確[10]。目前，應(yīng)用在水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)中的指示生物主要有魚類、細(xì)菌、浮游動(dòng)物、浮游植物、底棲動(dòng)物等。

2.1??微生物

微生物包括小型原生動(dòng)物、真菌、病毒、細(xì)菌等，應(yīng)用在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中較多的有酸桿菌門、變形菌門等，一般通過微生物的群落特征、優(yōu)勢(shì)菌豐度等，來表征水體環(huán)境的健康狀況[11]。其中發(fā)光細(xì)菌因其獨(dú)特的生理特征被廣泛應(yīng)用。

發(fā)光細(xì)菌體內(nèi)含熒光酶、熒光蛋白，且能夠發(fā)射可見熒光，當(dāng)暴露于有毒環(huán)境時(shí)，發(fā)光菌的熒光酶活性會(huì)被抑制進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度降低[12]。通過測(cè)試樣與對(duì)照樣發(fā)光強(qiáng)度的對(duì)比表征，可量化水環(huán)境有毒物質(zhì)的毒性大小。

2.2??浮游植物

浮游植物一般指浮游藻類，其直徑大小通常在微米之間。浮游植物作為初級(jí)生產(chǎn)者，影響著水環(huán)境系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)流動(dòng)及信息傳遞：一方面，若其過量生長，會(huì)造成水體有機(jī)物濃度增加、溶解氧濃度降低，從而惡化水質(zhì)；另一方面，其種群結(jié)構(gòu)對(duì)水環(huán)境質(zhì)量改變異常敏感，能夠快速發(fā)生種群變化從而反饋污染物對(duì)水體的影響，進(jìn)一步反映水質(zhì)狀況[13]。通過藻類豐度、多樣性、化學(xué)組成等指標(biāo)判斷水質(zhì)綜合狀況已被廣泛應(yīng)用[14]。

2.3??浮游動(dòng)物

浮游動(dòng)物是指包括橈足類、枝角類、原生動(dòng)物等，于水中懸浮生長、隨水流漂動(dòng)的異養(yǎng)型微小水生動(dòng)物。浮游動(dòng)物既是魚類、貝類的食物來源，也是浮游植物等初級(jí)生產(chǎn)者的獵食者；既是敏感的水環(huán)境質(zhì)量指示生物，也是次級(jí)生產(chǎn)者。有研究表明，水體渾濁、水體富營養(yǎng)化等造成的水體缺氧，會(huì)影響浮游動(dòng)物的豐度、空間分布、群落組成[15]。此外，某些浮游動(dòng)物具有積累轉(zhuǎn)移污染物的功能，可間接反映水環(huán)境質(zhì)量的變化，可利用此特性采用指示生物法表征水體富營養(yǎng)化、生態(tài)毒理特性等?[16]。

2.4??底棲動(dòng)物

底棲動(dòng)物是水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，一般指大部分或全部時(shí)間生活在內(nèi)陸水域或海洋底部的動(dòng)物。底棲動(dòng)物因其壽命長、生活期敏感且多為固著生長，故能夠反映一段時(shí)間的環(huán)境效應(yīng)且能夠代表特定位點(diǎn)的環(huán)境狀況。據(jù)此，國際上現(xiàn)已建立了諸多底棲動(dòng)物指數(shù)，如多樣性指數(shù)、物種豐度、優(yōu)勢(shì)度等，另有底棲動(dòng)物完整性指數(shù)（B-IBI）、Hilsenboff指數(shù)、生物學(xué)污染性指數(shù)和科級(jí)水平生物指數(shù)（FBI）等[17]。

2.5??魚類

作為河流生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的頂端，魚類對(duì)流量調(diào)節(jié)、物種引入和人類開發(fā)等幾乎所有類型的人為干擾都能夠產(chǎn)生響應(yīng)。目前被用于水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)的魚類主要有斑馬魚、河鱸等，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括行為指標(biāo)（如呼吸行為、運(yùn)動(dòng)行為、逃逸行為等）和生理指標(biāo)[18]。魚類的監(jiān)測(cè)手段主要有聲學(xué)監(jiān)測(cè)、心電圖、遙測(cè)系統(tǒng)、通氣活動(dòng)的測(cè)量等。當(dāng)前，以魚類為指示生物的水環(huán)境毒性監(jiān)測(cè)、生物預(yù)警等已取得較多成果，在實(shí)際應(yīng)用中顯示出巨大潛力。

3??水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)新興技術(shù)

隨著生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，藻類熒光光譜分析技術(shù)、生物傳感器技術(shù)、環(huán)境DNA技術(shù)等新興技術(shù)逐步研發(fā)使用，有效彌補(bǔ)了生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的部分缺陷，包括耗時(shí)長、對(duì)鑒定人員及鑒定經(jīng)驗(yàn)要求高等，推動(dòng)了生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的大規(guī)模開展。

藻類熒光光譜分析技術(shù)是基于不同藻種的發(fā)光色素組成及含量不同，從而產(chǎn)生的熒光光譜不同而建立的，而光譜的差異正是展開活體藻類藻種分類的重要依據(jù)[19]。殷高方等人[20]根據(jù)藍(lán)藻、綠藻、硅藻、甲藻、隱藻五大門類藻種的三維熒光光譜特征，提取了8個(gè)發(fā)射波段、12個(gè)激發(fā)波段組成的96個(gè)特征光譜點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)藻、綠藻、硅藻、甲藻、隱藻的實(shí)時(shí)在線測(cè)量，并完成了技術(shù)的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化，即水體藻類熒光光譜在線分析儀（AFA）。

生物毒性監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)是利用指示生物在水體污染物的脅迫下的生理變化或行為反應(yīng)（如光合作用、發(fā)光強(qiáng)度、死亡等）進(jìn)行水質(zhì)預(yù)警的一種技術(shù)手段。目前，該技術(shù)逐漸從單一指示生物發(fā)展到多種指示生物（魚類、發(fā)光菌類、溞類、藻類）聯(lián)合預(yù)警，覆蓋的水質(zhì)污染物更為全面，實(shí)現(xiàn)了大多數(shù)污染物的及時(shí)有效預(yù)警，有力保障了水環(huán)境的安全。

數(shù)字全息顯微成像技術(shù)，因其能清晰呈現(xiàn)成像水體內(nèi)的所有微小浮游生物，并獲得生物全方位三維形貌而受到廣泛關(guān)注。“全息”即全部信息，既包括物體的相位信息、也包括物體的振幅信息。此外，該技術(shù)還可利用計(jì)算機(jī)對(duì)水體全息圖進(jìn)行數(shù)值重建、濾波去噪，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)三維成像識(shí)別、大景深清晰成像等功能?[21]。

魚類回聲探測(cè)技術(shù)，其原理是利用換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲信號(hào)，然后向水中發(fā)射脈沖超聲波，當(dāng)聲波遇到魚類時(shí)，因魚類與水的聲阻抗率不同，故魚類會(huì)對(duì)聲波產(chǎn)生反射及散射作用，部分聲波散射至換能器產(chǎn)生回波信號(hào)，換能器會(huì)進(jìn)一步將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[22]。根據(jù)聲波發(fā)射、收到回聲的時(shí)間間隔，可測(cè)得魚類所在深度；根據(jù)回聲信號(hào)的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)弱，可估算魚類數(shù)量、分布狀況等[23]。

環(huán)境DNA宏條形碼技術(shù)指從水環(huán)境中提取DNA（包括核DNA和線粒體DNA），之后利用高通量測(cè)序擴(kuò)增獲得大量DNA序列，進(jìn)一步與數(shù)據(jù)庫中的序列進(jìn)行對(duì)比，從而得到水環(huán)境中的物種信息[24]。該項(xiàng)技術(shù)結(jié)合了高通量測(cè)序技術(shù)和傳統(tǒng)DNA條形碼技術(shù)，在水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用主要包括：對(duì)水環(huán)境中病原體、指示生物的DNA序列進(jìn)行PCR擴(kuò)增，完成水體有毒有害物質(zhì)的識(shí)別并得到指示生物完整的DNA序列以此鑒定生物種類[1]。

4??結(jié)語

隨著“十四五”進(jìn)程的推進(jìn)，水環(huán)境“生態(tài)健康”成為國家新一輪發(fā)展戰(zhàn)略，水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作面臨著從環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)向生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)型的極大挑戰(zhàn)，而生物監(jiān)測(cè)作為監(jiān)測(cè)水環(huán)境脅迫壓力的理化監(jiān)測(cè)的補(bǔ)充，充分體現(xiàn)了水環(huán)境的脅迫響應(yīng)，只有做到生物監(jiān)測(cè)、理化監(jiān)測(cè)并行，才能逐步實(shí)現(xiàn)水環(huán)境管理向“生態(tài)健康”轉(zhuǎn)折的目標(biāo)。在此背景下，需穩(wěn)步推進(jìn)生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的有效應(yīng)用：（1）補(bǔ)齊生物監(jiān)測(cè)能力短板，加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)體系、專業(yè)技能的學(xué)習(xí)培訓(xùn)；（2）推進(jìn)流域監(jiān)測(cè)站能力建設(shè)，部署生物監(jiān)測(cè)網(wǎng)，完善監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)保障，包括設(shè)備、場(chǎng)地、資質(zhì)等；（3）積極推進(jìn)先進(jìn)技術(shù)手段的應(yīng)用，包括光譜、無人機(jī)、遙感等，提高水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度與效率，為水環(huán)境生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)支撐。

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