水生生物監測技術應用分析

魏 民 ，尤世界 ，鄭國臣 ，周緒申 ，李 環 ，劉 巍 ，張 蕾

（1.松遼流域水資源保護局，吉林 長春 130021；2.城市水資源與水環境國家重點實驗室，哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱 150090；3.水利部海河水利委員會，天津 300170)

1 引言

隨著人類活動對河湖污染的加劇，河湖水生態環境退化日趨嚴重，河湖生態健康評估受到廣泛關注。河湖健康是描述河湖功能的狀況，通過物理、化學、生物和生態學等方面進行監測，涉及的研究領域寬、內容多、影響因素復雜，現有的理論和方法有待完善。河湖健康的評估始于水質的監測，最早只有生化需氧量、化學需氧量和濁度等幾項指標。隨著工業的發展，廢水大量進入水體，又引入了有機物、重金屬、氮、磷等指標。理化分析法檢測準確，但只能反映特定條件下的水體狀況[1]。并且河湖中的多項化合物參與的各種復雜作用(如協同、拮抗作用等)，給河湖水質理化指標的監測帶來巨大困難。由于水生生物是水生態環境中的重要組成部分，直接反映了環境變化對生物的危害程度，有效實現水環境監測目的，因此，開展水生生物的監測已勢在必行。

水生生物評價法的優勢主要有∶

1）理化指標的監測只能在特定條件下檢測水環境中污染物的類別和含量，而生物監測可以反映出多種污染物在自然條件下對生物的綜合影響。

2）理化監測只能代表取樣期間的污染情況，而在一定區域內生活的生物，卻可以將長期的污染狀況反映出來。

3）與理化監測相比，生物監測更具多功能性，因為一種生物可以對不同的污染物產生反應而表現出不同癥狀，可以有效簡潔的明晰污染物類別及來源。

4）生物處于生態系統中，通過食物鏈可以把環境中微量有毒物質予以富集，當到達該食物鏈末梢時，可將污染物濃度提高達數萬倍，因此，通過對富集污染物后的生物進行監測，能更好的評價河湖的健康水平。

5）某些監測生物對一些污染物非常敏感，它們能夠對微量污染物產生反應，并表現出相應受損傷的效應[2]。

盡管水生生物在河湖健康評估中起著關鍵性的指示作用，它本身也存在著許多不足：①目前我國很多河湖的外來生物入侵，有些水生生物的特異性不夠顯著，且部分指示生物在實際環境中靈敏度不夠；②特定流域中水生生物種類的本底值的獲取還比較困難，花費相當高；③水質的生物監測過程中，由于選用的是活體生物具有個體差異性，因此，水生生物監測出的結果未必可靠。因此，在監測和評價水體污染的過程中，需要把水生生物指標和理化指標的分析結合起來，建立綜合監測評價體系以更好的評估河湖的健康水平[3]。

2 水生生物在河湖水質監測分析中的研究進展

自Lindeman發表水生生物營養動力學理論后，水生生物學就跳出原來水生動物、植物和微生物分類學的圈子，而趨向于生態系統的概念來研究水生生物在水生態系統的結構和功能，即越來越突出其生態學意義。國外的學者也從不同的角度研究水生生物在河湖中水質監測應用。例如：Pina[4]提出在未來的調查中需要重點研究淡水生態物種和類群，需要更好地理解不同物種基因組信息。Colombo[5]進行了全氟化合物對藻類、水蚤、大的胚胎、幼蟲的虹鱒魚、虹鱒的急性和慢性毒性方面的研究等。

近年我國關于水生生物的生態因子的研究有：①水中污染物在微生物鐵載體與鐵離子共存下的光化學轉化機制；②淡水綠藻對典型環境雌激素類內分泌干擾物的去除機制；③氮濃度升高，對湖泊中螺類、附著藻類、沉水植物關系的影響及其機理；④多環芳烴/表面活性劑復合污染體系對小球藻生長的影響及機制；⑤重金屬與有機弱酸堿類污染物復合體系對水生生物的聯合毒性及作用機理；⑥紫外線對熱帶珊瑚礁海區浮游藻類光合作用的生態效應；⑦典型河口區外源磷的遷移轉化及其對藻類生長的影響；⑧典型藥物與個人護理品在水生生物體內的吸收、轉化和凈化代謝過程；⑨底棲藻類對淺水湖泊沉積物/水層磷循環的調節過程及機理：基于放射性同位素示蹤研究；⑩內源磷非常態釋放及其與水生生物的關系等。

針對不同的研究目的，選擇合適的指示物種進行生態評價是獲得可靠評價的基礎。指示物種是在某種特殊環境條件很敏感的，因此可作為環境變化的早期預警指標。有些指示物種出現可以表明其他物種的存在，其缺失則表明了整個種群的缺失；它們在一個生態系統的出現或消失都會導致其他物種的多度和出現率發生重要變化；另外，指示物種構成了一個地區的大部分生物量或個體數量的優勢物種，它們能反映生態壓力影響的效果。一般來說，選擇指示物種的原則包括：它們必須對被評價的環境條件非常敏感；它們必須能準確地對目標環境作出響應；它們的活動范圍必須比其它生物的活動范圍要大。近年關于水生生物區系分類方面的研究，主要包括：①中國大陸并殖吸蟲淡水蟹類宿主動物起源；②中小型浮游動物的數字全息成像探測與分析方法；③養殖魚類氣單胞菌感染的病原追蹤；④中國氣生、亞氣生藻類橘色藻科的區系；⑤湖南魚類單殖吸蟲區系分類；⑥田螺科的分子分類和進化；⑦中國淡水曲殼藻屬分類學；⑧白洋淀濕地腹毛類纖毛蟲的區系與多樣性；⑨黃河三角洲淡水真菌中了與分布；⑩東、黃海海沿海不同緯度浮游動物優勢種分布差異的成因分析等。

這些工作為開展河湖生態學研究積累了資料。但由于技術力量薄弱和經費嚴重不足，河湖生物監測工作在我國還沒有很好地開展，至今仍缺乏對我國河湖水生生物群落結構特征的全面了解，尤其是不同流域中的指示物種的相關研究未能進行系統分析，選取一些對水生態系統有顯著影響的物種作為指示生物，力求通過保護敏感生物來保護水生態系統的結構，從而保證健康的水生態系統。

3 水生生物學在水質監測的應用及展望

我國水生生物物種豐富，且分布很廣。因此，針對不同的流域，需要建立相應的水生生物物種數據庫。進而在線監測水生生物，才能更快的對比、分析、研究，以得出較好的監測結果。由于生態系統中同種生物在不同地域對污染物的耐受性的不一致，且生物不同的生長階段對污染物也有不同反應，這些特點決定了在設計生物監測方案時，不僅要考慮水體的特征，還要研究水生生物毒理學特征，以提高河湖健康評估的可信度。

生物多樣性高低是一個地區生態質量優劣的重要量度，生物多樣性指數和各種指數早就被應用于水質的生物學評價。目前我國學者研究生物多樣性指標評價的主要有：①小型浮游動物在我國近海浮游生態系統中的作用；②三峽庫區地質成因富磷河流藻類多樣性及初級生產力時空演變特征；③全球變暖對海洋微型浮游動物攝食浮游植物的影響；④長江和密西西比河，沖淡水區域碳酸鹽系統和海氣二氧化碳通量的比較研究；⑤馬尾藻海藻場水生生物資源養護機制；⑥福壽螺入侵對稻田水體生物多樣性的影響；⑦環渤、黃海山東沿岸潮間帶藻生真菌物種多樣性；⑧楊樹人工林對洞庭湖濕地植物多樣性的影響及機理；⑨南海浮游藻類脂類標志物和群落豐度關系；⑩福壽螺入侵對稻田水體生物多樣性的影響及其作用機理等。應用多樣性指數雖能定量地反映群落結構，但不能反映個體生態學信息及各種生物的生理生化特性，也不能反映由于水中營養鹽類的變化，可能引起的群落的改變等，這些均有待進一步的完善。

水體富營養化是指在人類活動的影響下，氮、磷等營養物質大量進入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧下降，水質惡化，魚類及其他生物大量死亡的現象。關于水體富營養化研究的內容主要有：①巢湖富營養化湖泊沉積物甲烷厭氧氧化作用；②水華擬多甲藻的孢囊形成和萌發機理；③富營養淡水環境中金屬腐蝕后期反轉加速行為與機理；④基于浮游植物色素反演的富營養化湖泊主要藻類遙感識別機理；⑤附植藻類在淺水富營養化湖泊沉水植被衰退中的作用及機制；⑥鐵對富營養化湖泊典型藻類生長及光譜特征的影響；⑦湖庫藻類水華形成機理建模與預測方法；⑧湖水游離細菌和附著細菌與藻類之間的營養偶聯關系；⑨黃渤海低營養級關鍵魚種對浮游動物的捕食及其時空變化；⑩城鎮溪流底棲藻類和底棲動物群落的退化規律與機制研究等。

目前采用的水生生態毒理監測技術主要有魚類毒性試驗、水蚤類急性毒性試驗、藻類急性毒性試驗等。由于受到試驗條件、技術分析方法等制約，不能對水生動物各種生理、生化變化原因進行全面定量分析，特別是低濃度水體污染物在短期內的生物學效應不明顯。特征污染物對水生生態系統有潛在、長期的危害，最終影響種群結構、特性、物種個體的生理、生態、遺傳等。因此，關于水生生態毒理對水生動物和其他水生生物潛在的、長期的影響值得進一步研究。如基于Abraham線性溶劑化方程研究可離子化有機污染物對水生生物的毒性。相當多的研究已經進行研究重金屬、農藥、抗生素，內分泌干擾物等對水生生物的影響;Maarten[6]評估在河流的重金屬污染的影響，采用無脊椎動物和硅藻綜合評價要優于單獨使用生物群。由于生物體中的氧化蛋白質的含量是不會改變的，Amado[7]通過測定魚類、微囊藻等總抗氧化能力的新方法研究其毒理的潛力。水質問題本質是水生態問題，由于河湖生態系統復雜，關于水生生物對水生態調控機理方面的研究也非常豐富。關于這方面的研究主要有：①水庫浮游微型扁蟲，對后生浮游動物群落的控制及其下行效應；②太陽光催化氧化對復合污染水源中藻類的控制效能及機理；③生物結皮中藻類分泌胞外聚合物的生態調控機理；④以滇池藻類生物為模版，合成太陽光催化產氫催化劑的研究；⑤在鰱、鳙捕食壓力下的亞熱帶水源地水庫藻類增長非線性動力學；⑥泥沙淤積對洞庭湖濕地植被演替的調控機理；⑦深水型水源水庫藻類垂向被動遷移特性及取水調控；⑧淡水魚體內多溴聯苯醚的代謝過程解析及其代謝物污染現狀與危害性；⑨藻類毒素污染暴露人群生物標志物；⑩淡水底棲藻類對磷的滯留作用等。

4 結語

水生生物監測是水質分析的重要方法。與傳統的理化監測相結合，水生生物監測，體現其綜合、靈敏的優勢特點，但還需要從技術、方法等基礎方面進行深入研究。水生生物監測要注意監測的連續性，對結果進行時間和空間的綜合分析。還要加強生物多樣性指標、富營養化問題、水生態調控機理、水生生物毒理學等方面的研究，為河湖健康評估提供更好的技術支持。

［1］Maxine Wright Walters,Conrad Volz,Evelyn Talbott,et al.Anupdatedweightofevidenceapproachtotheaquatichazard assessment of Bisphenol and the derivation a new predicted no effect concentration(Pnec)using a non-parametric methodology［J］.Science of the Total Environment，2011（409）：676—685.

［2］張遠，張楠，孟偉.遼河流域河湖生態系統健康的多要素評價［J］.科技導報，2008，26(17)∶35-41.

［3］張丹，丁愛中，林學鈺，等.河湖水質監測和評價的生物學方法［J］.北京師范大學學報(自然科學版)，2009，45（2）：200-203.

［4］BenjaminPina,CarlosBarata.Agenomicandecotoxicological perspective of DNA array studies in aquatic environmental risk assessment［J］.Aquatic Toxicology,2011（53）：10-19.

［5］C.C.M.Ip,X.D.Li,G.Zhang,et al.Heavy metal and Pb isotopic compositions of aquatic organisms in the Pearl River Estuary,South China［J］.Environmental Pollution,2005,（138）：494-504.

［6］Maarten De Jongea,Bart Van de Vijver,Ronny Blust,et al.Responsesofaquaticorganismstometalpollutioninalowland river in Flanders∶A comparison of diatoms and macroinvertebrates［J］.Science of the totalenvironment,2008,（407）：615-629.

［7］L.L.Amado,J.M.Monserrat.Oxidative stress generation by microcystinsinaquaticanimals∶Whyandhow［J］.Environment International,2010（36）：226—235.