河流水質生物監測與評價技術的創新及發展前景

王旭濤

目前我國河流常規水質監測體系僅限于物化監測，面對我國河流水質污染嚴重、河流開發過度致使生態系統退化嚴重的現狀，急需對河流生態安全進行監控。生物監測是水質監測（又稱水環境監測）的重要組成部分，能夠直接表明各種環境因素所產生的綜合生態效應，為河流健康、污染防治、生態修復等工作提供強有力的技術支撐。 針對我國缺乏相應的河流水質生物監測與評價技術體系，河流水質監測以物化監測為主，生物監測不足的缺陷，珠江流域水資源保護局先后開展了中法合作項目“珠江水質生物監測方法研究”、水利部948項目“法國河流水質硅藻生物監測與評價技術及Omnidia模型”、水利部公益性科研專項“珠江水質生物監測與評價技術”，在珠江流域范圍內選擇著生硅藻和底棲動物作為指示生物，通過長時間、大范圍的生物監測數據跟物化監測數據的對比分析，建立了水生物評價指數，劃分了水生態評價等級，并闡明各指數所代表的水環境狀況和生態意義。

國內外研究進展

目前水質生物監測研究主要依據生物個體形態、生理、發育、繁殖以及種群、群落、生態系統的變化進行觀察和統計。魚類、大型底棲無脊椎動物、硅藻常被用作水質監測的指示生物。

硅藻對于有機污染物、重金屬、鹽度、富營養化等反應敏感，而且硅藻采樣快速、方便，可以制成永久載波片保存，從而被認為是目前水質監測中最好的指示生物。但是，河流水質硅藻評價指標眾多，包括IPS (硅藻污染響應指數)、IBD (硅藻生物指數)、IDAP、SHE、WAT、DG、DES、CEE等等，生態學意義各不相同，各國所選取的硅藻指數也不相同，例如WAT是日本常用的河流水質硅藻評價指標，法國以及歐盟水框架中IPS 、IBD是常用的指數。另外，法國以及歐盟在對硅藻水質評價的生態學意義進行解釋時，主要依據也建立在對歐洲河流硅藻長期生態學的觀察與研究的基礎上。由于硅藻分類學的不斷更新，歐洲仍然在對IPS和IBD進行修正，使水質硅藻評價更加完善。

隨著現代信息技術在生物監測領域的應用,生物信息檢測的數字化、智能化技術已成為國內外生物監測研究的重要領域和發展方向之一。由于生物監測的鑒定工作量大、監測指數計算方法復雜，數據智能化處理和管理正成為目前河流水質生物監測與評價技術的發展方向。

我國在水質生物監測方面也開展了大量有益的工作，如水中生物群落的測定、細菌學的測定、急性毒性的測定與評價、生物危害性的測定與評價等，但這些方法還多限于實驗室工作。河流水質生物監測的標準、技術流程、數據處理、流域內水質生物監測網絡布置的原則、數據的傳輸、水質生物信息發布等技術在我國尚沒有開展專項研究，另外有關河流硅藻、底棲動物的分類方法、與物化因素的相關數據也極度匱乏。

研究內容和成果

珠江流域水資源保護局通過在珠江流域的郁江、桂江、北江和東江流域設置生物監測示范區，比較了100多個監測斷面多年的河流水質與生物（附生硅藻、底棲動物）監測結果，建立了完整的珠江硅藻和底棲動物監測與評價技術體系（包括珠江硅藻和底棲動物監測與評價技術指南，珠江流域常見硅藻和底棲動物檢索表以及珠江流域常見硅藻和底棲動物圖譜；劃分了水質生物評價等級，闡明了水質生物監測所指示的河流水生態狀況），規范了河流水質生物監測與評價技術（包括斷面布設、生物樣品采集、樣品處理、鑒定、指數計算等），開發了珠江硅藻和底棲動物數據管理及鑒定輔助系統，該系統包括生物樣品標準圖譜、生物評價指數和評價等級的自動計算與劃分、與水質物化監測及評價結果的對接。該成果完善了我國現有的水質監測體系，為我國其他流域推廣和應用硅藻和底棲動物監測與評價技術奠定理論與實踐基礎。

主要創新點

①通過對大量的物化數據和生物數據進行數理統計，驗證了硅藻和底棲動物作為指示生物進行水環境及水生態監測與評價的可行性。

②擬定了珠江硅藻和底棲動物監測技術指南，內容包括監測斷面布設、樣品采集、標本制作以及顯微鏡檢測等。指南對各項技術細節進行了反復實驗驗證，同時各項操作步驟均附有彩色照片，降低了硅藻和底棲動物監測技術的推廣難度。

③建立了珠江流域常見硅藻和底棲動物檢索表以及珠江流域常見硅藻和底棲動物圖譜。圖譜中采用的均是生物樣品實拍照片而非傳統生物鑒定圖譜中的手繪圖片。

④開發了硅藻和底棲動物數據管理系統，包括硅藻、底棲動物標準圖譜數據庫，能夠通過人機對話自動識別和查詢，建立了生態監測信息庫，能自動計算水質生物評價指數和劃分評價等級，實現與水質物化監測及評價結果的對接，以便預測和判定河流生態發展趨勢。

⑤篩選出適合珠江流域特征的硅藻評價指數，闡明了不同硅藻指標所代表的生態學意義，劃分并驗證了珠江水質硅藻指數評價等級。在野外采集、室內鑒定和分析的基礎上，計算了底棲生物參數值，并開展候選參數的敏感性、冗余性和準確性的多元統計分析，以及標準化生物參數量綱的計算，建立了珠江流域底棲動物評價指數。

技術優勢

監測結果可反映水環境狀況。由于水體是流動的，常規的水質監測僅能反映采樣“瞬間”的水環境狀況，而硅藻和底棲動物能夠在水中“固著”生長，其監測結果可以反映一定時間段內的水環境狀況。

硅藻和底棲動物能夠反映出水體中各種污染物的綜合效應。水中的污染物有成千上萬種，出于成本考慮常規的水質監測僅檢測常見的20余種水質指標，有限的幾種水質檢測指標即使合格也不能代表水環境質量合格，而硅藻和底棲動物能夠反映出水體中各種污染物的綜合效應。近年珠江流域發生的突發性水污染事故都是常規水質檢測正常，而生物監測發現異常。

降低生物監測的技術難度，便于推廣應用。該項技術將生物監測難度最大的生物鑒定和指數計算部分集成到軟件中，檢測人員不需具備專業生物學知識，經過簡單培訓會操作軟件就可進行水生態監測，降低了生物監測的技術難度，方便在基層水文單位大規模推廣應用。同時所有檢測人員在同一軟件數據庫下進行生物鑒定，可以有效降低由于個人認知水平不同導致的生物鑒定系統誤差和人為誤差。

節省監測成本。硅藻和底棲動物監測可以減少物化監測頻率，優化監測站點，極大節省監測成本。生物監測采樣簡單，不需要昂貴的儀器設備。

檢測數據可追溯性強。水質檢測有時效性要求，水樣無法長期保存。而硅藻樣品制成標本后可以保存幾十年或上百年，檢測數據可追溯性強。

發展前景及展望

目前本項目成果已在珠江流域的云南、貴州、廣東、廣西、海南省（自治區），以及太湖、淮河、長江、黃河、松花江等流域開展應用，同時清華大學、同濟大學、華南師范大學、中山大學、暨南大學、南京農業大學、廣西師范大學、三峽大學、深圳市水務局等多家單位的科研項目中借鑒應用了本項目成果，得到全國多所知名高校的普遍好評。

該成果的推廣應用，有利于加快起草適合我國流域特征的生物監測及評價標準和技術導則。以珠江流域開展的河流水質生物監測工作為基礎，加大水質生物監測的知識普及、人才培養，不斷優化和完善流域各省生物監測網絡系統，為編制未來流域水質生物監測年報，反映年際的生態狀況和發展趨勢，做好生態災害的預報和預測打下扎實的基礎。