水環(huán)境生物監(jiān)測方法及應用

單子豪，付佳睿

（沈陽師范大學生命科學學院，沈陽 110034）

人的命脈在田，田的命脈在水，水環(huán)境質量和水生態(tài)系統(tǒng)安全事關人類健康與福祉。自20世紀80年代以來，我國水資源短缺、水生態(tài)破壞、水環(huán)境污染等問題日益嚴重，對水環(huán)境安全造成嚴重影響，各類水環(huán)境污染呈高發(fā)態(tài)勢，成為民生之患、民心之痛。隨著社會發(fā)展和人民生活水平不斷提高，社會各界對于水資源的需求量也明顯上升，但隨之而來的水資源污染問題嚴重困擾社會經(jīng)濟發(fā)展和廣大人民群眾的身心健康，有相當數(shù)量的有機物、重金屬被排放到水環(huán)境中，導致出現(xiàn)較為嚴重的水體污染現(xiàn)象[1]。解決上述問題的急切程度不斷提升。新時代，我國以天更藍、山更綠、水更清、環(huán)境更優(yōu)美為奮斗目標，大力開展生態(tài)文明建設，打造美麗中國。

水環(huán)境保護的基礎在于水環(huán)境監(jiān)測，主要是定量調查水體環(huán)境的變化情況來動態(tài)掌握水環(huán)境質量，以便為水污染防治與水資源保護提供有效依據(jù)。傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測方法大多為化學法與物理法，但均難以滿足當前水環(huán)境監(jiān)測需求，人們急需采用結果準確、效率高、成本低的新型水環(huán)境監(jiān)測方法[2]。生物監(jiān)測技術是基于生物學知識來檢測環(huán)境污染、評價環(huán)境污染，目前已經(jīng)成為環(huán)境監(jiān)測的主要手段，人們可以將其應用到水環(huán)境監(jiān)測中。本文就水環(huán)境生物監(jiān)測方法及應用進行探討。

1 水環(huán)境生物監(jiān)測方法的重要性與優(yōu)勢

1.1 重要性

傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測方法大多通過監(jiān)測污染物的來源與濃度來反映水質狀況，但結果并不全面，既難以詮釋水生物與水污染之間的拮抗作用或協(xié)同效應，又難以表達水生物受到水污染物的影響程度。通常而言，即便是同種污染物，其在水體中的化學形式也不同，無論是在生物利用性，還是在潛在毒性，抑或是流動性等方面均有較大不同；水環(huán)境監(jiān)測也難以實現(xiàn)從經(jīng)濟、技術等角度來全方位追蹤每種污染物。水環(huán)境生物監(jiān)測方法可通過對水環(huán)境中污染物的生物利用度進行分析來有效反映其生物效應，揭示其背后所隱藏的風險。除此之外，為了妥善解決日益嚴重的水環(huán)境問題，水環(huán)境生物監(jiān)測方法還可作為水環(huán)境化學毒性分析、物理評估的重要補充來源[3]。

目前，常用于監(jiān)測的生物類型共計有7 大類，一是高等水生植物，主要包括黃花水龍、海菖蒲等；二是微生物，主要包括變形菌門、綠菌門等；三是魚類，主要包括虎皮魚、紅鼻剪刀魚等；四是浮游植物，主要包括硅藻門、綠藻門等；五是浮游動物，主要包括扁蜉、石蠶等；六是周生生物，主要包括殼頂幼蟲、輪蟲動物門等；七是底棲動物，主要包括蚌、貽貝、牡蠣等。

1.2 優(yōu)勢

水環(huán)境生物監(jiān)測方法的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在四個方面。一是穩(wěn)定性，水環(huán)境生物監(jiān)測方法可在同一水域內實現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)監(jiān)測；二是長期性，水環(huán)境生物監(jiān)測結果可真實地反映出歷史累積的水環(huán)境污染狀況，尤其是能夠反映出慢性毒性的長期效應；三是敏感性，與其他理化監(jiān)測方法相比，水環(huán)境生物監(jiān)測方法能夠較為靈敏地監(jiān)測出低濃度的污染物，甚至有些生物對微量污染也較為敏感；四是多樣性，水環(huán)境生物監(jiān)測方法應用的生物種類繁多，可用于詮釋水生生物與水污染之間的拮抗作用或協(xié)同效應。由此可見，水環(huán)境生物監(jiān)測方法可對水環(huán)境狀況進行全面反映，為水污染治理提供真實、詳盡的科學基礎[4]。

2 水環(huán)境生物監(jiān)測技術的應用

2.1 微生物群落監(jiān)測技術

水環(huán)境中往往會存活著海量的原生動物、藻類、細菌等物質，區(qū)域內水環(huán)境的質量通常可由其微生物出現(xiàn)頻率與數(shù)量來反映，微生物群落監(jiān)測技術也就隨之而產生。微生物群落監(jiān)測技術可以收集水環(huán)境中的群落功能信息與群落結構信息，實時評價當前水環(huán)境狀況，同時可以有效預測其未來發(fā)展趨勢。微生物群落監(jiān)測技術的應用時間較早，大都是基于數(shù)學計算方式與水體樣本來對微生物的分布指數(shù)進行有效統(tǒng)計，以正確判斷水環(huán)境的污染程度。

近年來，隨著自然環(huán)境的改變與科技的迅猛發(fā)展，微生物群落監(jiān)測技術也取得了跨越式發(fā)展，可用于監(jiān)測的指標數(shù)量日益增多，異養(yǎng)性指數(shù)、原物種類型、多樣性指數(shù)等均是常用評價指標。由此可見，微生物群落監(jiān)測技術既明顯提高了水環(huán)境監(jiān)測的科學性，又有效增加了水環(huán)境生物監(jiān)測的精確度，特別適用于監(jiān)測水體中的內分泌干擾物、有機污染物及重金屬等。但是，微生物群落監(jiān)測技術也存在一定缺陷：監(jiān)測方法較為復雜，遠遠沒有達到標準化狀態(tài)，最終的監(jiān)測結果難以廣泛應用[5]。

2.2 生物行為反應監(jiān)測技術

大自然中存在較多的生物類型，不同生物對自然環(huán)境有著不同的反應。一旦自然環(huán)境受到污染，某些生物就會出現(xiàn)行為變化或生理變化，生物行為反應監(jiān)測技術是針對這些行為變化或生理變化而出現(xiàn)的一種環(huán)境監(jiān)測技術，可用于判斷環(huán)境的污染程度。金魚、鰻魚、斑馬魚等均是水環(huán)境監(jiān)測中常見的指示生物，可用于測定水環(huán)境中的污染物。以斑馬魚為例，斑馬魚的基因與人類基因較為相似，對生活水質有敏感度較高，一旦生活水質出現(xiàn)變化，就會在較短的時間內反映出來，人們還可基于斑馬魚的反應來確定水質污染程度。與此同時，生物行為反應監(jiān)測技術還可對水環(huán)境中的Pb2+、Cu2+等重金屬離子濃度進行測定。例如，斑馬魚在不同的重金屬離子濃度環(huán)境下會出現(xiàn)不同的反應，這樣一來，可對水環(huán)境的污染程度進行有效判斷。值得注意的是，在自動化技術、計算機技術的推動下，生物行為反應監(jiān)測技術還可在線實時監(jiān)測，無疑可在第一時間內對水環(huán)境污染進行預警[6]。

2.3 發(fā)光細菌監(jiān)測技術

發(fā)光細菌監(jiān)測技術是應用較為成熟且較為穩(wěn)定的水環(huán)境生物監(jiān)測方法，主要用于監(jiān)測飲用水源、自來水廠的水質情況。從目前來看，發(fā)光細菌監(jiān)測技術的主要參考指標是污染物遺傳毒性及細胞發(fā)光特征，但時常也會通過一系列的檢測儀器（水質毒性測定儀等）來測定水質，水質檢測結果最短可在3 h 內完成。與其他類型的監(jiān)測技術相比，發(fā)光細菌監(jiān)測技術的準確度更高、靈敏度更好、便捷性更佳，尤其是在結合了熒光分度法、紫外線分光法之后，監(jiān)測性能更強。

2.4 兩棲動物與底棲動物監(jiān)測技術

在大自然環(huán)境下，兩棲動物與底棲動物是極為特殊的生物，兩棲動物與底棲動物在水域中的存活數(shù)量可以反映水質污染情況。從目前來看，在評價水體重金屬污染情況時，人們已經(jīng)廣泛應用了兩棲動物與底棲動物監(jiān)測技術，國內的評價指數(shù)常為完整性指數(shù)，國外的評價指數(shù)常為生物指數(shù)（Biotic Index）、有機污染指數(shù)（Saprobic Index）。此外，兩棲動物與底棲動物監(jiān)測技術通常還會分析動物的行為與生理變化，以判斷水體的污染程度。

2.5 生物傳感器監(jiān)測技術

生物傳感器是生物傳感器監(jiān)測技術的關鍵部件，免疫傳感器、DNA 傳感器、BOD 生物傳感器等均是常見的生物傳感器，生物傳感器主要由轉換部分與分子識別部分組成，其中，分子識別部分包括多種生物活性物質，如組織、微生物、酶、細胞等，轉換器部分主要包括場效應管、氧電極、光敏管等。生物傳感器監(jiān)測技術的工作原理在于：可將生物質敏感程度直接轉換為電信號，而電信號強度的高低可以體現(xiàn)水環(huán)境污染程度，其具備準確度高、專一性強等特點。微生物傳感器、BOD 生物傳感器是水環(huán)境監(jiān)測中最常用的生物傳感器技術，其中，BOD 生物傳感器對水質的判斷大都是基于溶解氧的濃度，理論研究性較強，但現(xiàn)場監(jiān)測性較差；而微生物傳感器則可對工業(yè)廢水中的酚成分進行有效測定，還可結合測定結果來掌握水質情況[7]。

2.6 生物測試技術

生物測試技術是指通過生物反應來檢測污染物對周邊水環(huán)境的危害，水污染生物測試目前也被稱為毒性試驗，其中，急性毒性試驗最為常用。急性毒性試驗重點研究水體中生物在受到大劑量化學物質一次染毒或多次染毒（染毒時間均為24 h）之后的毒性特征與毒性程度，以便將其作為其他類型毒性試驗的參考依據(jù)。在不同濃度的受試物中檢測生物暴露，必然會出現(xiàn)活性下降、生長抑制等反應現(xiàn)象，根據(jù)這些反應現(xiàn)象，人們又可直接構建濃度-效應曲線，真實反映水體污染物的毒性程度。

3 結語

水是大自然最為寶貴的資源，全社會都需要珍惜水資源、保護水環(huán)境。當前，國家高度重視環(huán)境保護工作，水環(huán)境生物監(jiān)測技術的應用越來越廣泛。隨著傳感器技術、計算機技術、圖像視頻技術等的迅猛發(fā)展，水環(huán)境生物監(jiān)測方法的應用必將越來越便捷化，能夠精準監(jiān)測水體污染物的毒性。