生物監測技術在水環境工程中的應用

徐愛榮，周曉惠

（1.江蘇翰軒環保科技有限公司；2.東臺市環境監測站，江蘇 東臺 224200）

我國工業制造企業越來越多，一些工廠在生產過程中不注重廢料排放問題，將未處理或處理不達標的廢水直接排放到水環境中，致使水體中污染物數量和種類越來越多，不僅破壞了水體和自然環境，而且危及人們用水安全。為了解決這一問題，相關專家利用生物監測技術監測水環境中的污染物，根據污染物種類選擇針對性的解決措施。

1 生物監測技術概述

1.1 生物監測技術的原理

生物監測技術主要通過觀察生物種類、狀態和行為，監測生物對環境的變化，以此實現環境污染的監測和評定。目前來看，常規的生態監測技術有生態學法和毒理學法，兩者監測方式各不相同，但是監測效果都很好，監測結果也比較準確，是當下最受相關專家和學者青睞的監測方法，在我國水環境工程中有著廣泛的應用。毒理學法的原理是通過監測生物的含毒量調查環境中的毒性指數，此種方法涉及有毒物質，所以對監測生物和監測人員存在安全威脅。生物監測技術對比于毒理學法更加安全和實用，監測人員只需要監測生物特征情況就能調查出所測環境的具體污染情況，這種方法的監測結果比較準確，可以真實反映環境污染程度[1]。

1.2 生物監測技術的優點

當前，人們的環境保護意識越來越高，國家對環境保護提出了更高的要求，近幾年針對水污染物問題也應用了很多監測方法，其中應用最多的技術便是生物監測技術。生物監測技術對比于傳統的理化監測技術有著更大的優勢，可以綜合調查生物特征，以此查明環境污染程度。一般來講，水環境污染的過程比較緩慢，由于水體的自我調節能力較強，所以短時間的污染不會使水環境發生明顯變化，而生物監測方法可以監測出水環境的細微變化，監測結果也比較準確，當水環境受到污染時，人們利用此法可以在第一時間監測到污染情況，以此制定出有效解決措施。生物監測技術不僅監測結果準確，而且監測費用較低，在監測過程中所需的設備也比較少，它是當下最受人們關注的環境監測技術之一。

2 生物監測技術存在的問題

2.1 監測標準不統一

生物監測技術可以有效觀測水環境情況和污染程度，但是這種方法有著一定的弊端，不同水環境生物種類不同，導致此項技術顯示出局限性，各地生物監測標準不統一，使其無法實現全覆蓋。面對這種情況，當下沒有針對性的解決措施，致使生物監測技術無法進一步的發展，監測人員只能將其作為理論性監測方法來使用。一些較大水域的水體污染情況比較復雜，生物監測技術受到極大的限制，監測效果和質量都很差。一些發達國家對生物監測技術的研究較為深入，并且已經建立相關監測模型，以此提高監測質量。而我國部分地區受到資源限制，無法實現模型建立和評價。業內人士指出，為了發揮出評定模型的作用，需要建立相關監測標準，但由于各地水體情況不同，無法設定統一的監測標準。

2.2 監測環境復雜

不同區域生物種類有所不同，同類生物對不同區域或相同區域的環境污染反應也不同，同時一些特殊地區的環境影響生物的生長和生活習慣。除此之外，在生物監測過程中需要觀察生物的特征，為了確保監測的準確性，要結合環境的實際情況，考察水域特征和水環境中生物種類和數量，還要取樣監測樣本。生物監測技術受監測環境的影響，水環境的生物多樣性使水環境監測工作難以開展。

2.3 監測結果不直接

由于生物監測技術在水環境工程的應用時間比較短，一些人員對其認識比較淺，將生物監測技術的結果只作為參考。生物監測的目的是通過監測環境中生物特征，分析出環境中存在的問題，所以生物監測技術的監測結果是生物種類和數量等信息，無法直接體現環境污染程度。部分監測人員輕視監測過程中應盡的責任，過于重視監測結果。生物監測是一項漫長的過程，需要監測人員利用大量時間觀察生物特征，以此推斷水環境污染情況，不能只根據結果進行確認。為了提高監測質量，相關監測人員要具備較高的素質和技術，可以通過生物特征的細微變化，分析出環境問題。水環境生物監測技術是一項綜合性項目，需要配合其他技術一同使用，才能充分發揮技術優勢。在監測過程中，相關監測人員需要注意，一些水體污染物對水環境有潛在的危害，而在短時間內無法觀察出污染變化，為了有效解決這一問題，需要研究實際水環境和水體中生物的關系，通過監測污染物的毒性結果，開展進一步研究。

3 生物監測技術在水環境工程中的應用

3.1 微生物群落監測

微生物群落監測是生物監測技術在水環境工程中的主要應用之一，應用時間相對較早。水中微生物包含細菌、真菌、藻類和原生動物等，監測人員監測它們在水環境中的物種頻率和相對數量，通過相關數學公式計算出評價水污染程度的分布指數。最早將生物監測技術應用于微生物群落監測的實例是以聚氨酯塑料塊為基質，統計分析微生物群落參數，以此評價水質污染情況。后來，我國一些專家以這一案例為基礎修正和改進了微生物群落監測法，并提出了與化學參數相關的原生動物種類、植鞭毛蟲含量、多樣性指數和異養性指數等四個生物學參數，以此研究出適用于我國水環境的生物監測技術，并建立了相關生物監測標準。后來，又有一些學者將微生物監測過程中使用的設備進行改進，把聚氨酯泡沫塑料塊裝入瓶子中，減小海洋潮汐流和環流對生物監測結果的影響[2]。

近幾年，我國相關部門為了提高化工廠廢料的監測質量，將微生物群落監測法應用到化工廠廢水的靜態毒性監測中。研究發現，原生動物群落對廢水濃度變化極為敏感，濃度增加速度越快，毒性反應時間越長，環境中物種的多樣性下降就越快，物種聚集的速度也會越慢。隨著微生物群落監測法研究的深入，人們逐漸將數學分析引入生物監測技術中。數學和計算機等知識有助于提高探索生物群落參數變化規律的速度，使監測結果更為準確。

3.2 發光細菌監測

我國對發光細菌監測的研究較為深入，這種生物監測方法在水環境監測中的應用相對成熟。發光細菌監測方法簡單，靈敏度高，應用范圍廣，所以深受國內外專家青睞。發光細菌監測法可以監測出水環境中絕大多數的有毒物質，并且具備標準認證。我國一些專家根據費氏弧菌細胞的發光特性，設計了一種水質毒性監測儀，將其用于監測水環境中的綜合毒素水平。后來又有一些學者將遺傳改造的發光細菌作為指示物種，開發出一種新型污染物監測方法，此法可以將監測時間控制在3 h以內。據了解，Beckman公司根據這一原理，設計了一種生物毒性監測儀，將其應用在自來水廠中，已經實現了對自來水源水和出廠水的水質毒性監測。利用發光細菌法可以有效監測出水環境中的有機物、重金屬等毒性物質，有著廣泛的應用前景，但是，該方法較為煩瑣，導致監測誤差過大。為了解決這一問題，可以借助電子技術，利用熒光光度法、紫外分光光度法和基因操作技術等方法，增強發光細菌法的應用效果。發光細菌法近幾年在我國飲水質量監測中有著廣泛的應用，例如，2010年上海世博會飲水監測就應用了這一技術，相關專家利用青海弧菌Q67菌株的生物學特性保證了監測結果的靈敏性和準確性。這種監測方法比較簡單，監測人員只需要將微量青海弧菌液體放入被測水樣中，利用便攜式監測儀讀取相關數據，以此快速測出飲用水的質量，監測時間一般在0.5 h之內。發光細菌監測法在世博會飲用水安全監測中發揮積極作用，早在上海蘇州河治理、汶川大地震后災區水質安全快速監測中都得到應用和科學驗證。

3.3 生物行為反應監測

生物在水環境中受到污染物危害時會做出趨利避害的反應，人們利用這一特性來評價水體污染情況，根據污染物的濃度，做出有效預警和控制措施。常見生物行為反應監測的對象有魚類、雙殼軟體動物和水蚤等，其中魚類行為反應監測的應用最為廣泛。斑馬魚是一種熱帶淡水魚，它對水質極為敏感，如果所處的水環境受到污染，會在第一時間做出相應的反應行為，監測效果比較明顯。由于斑馬魚的基因和人類基因類似，所以斑馬魚對水質污染的反應結果適用于人類。我國一些專家采用半靜態法，以斑馬魚為樣本，監測重金屬物質水生物的毒性作用，試驗發現，不同類型的重金屬離子對斑馬魚有著不同的毒性反應，斑馬魚體內存在過氧化氫酶，在遇到重金屬離子時會發生反應，所以人們可以將其利用到水環境的重金屬監測中。魚類一般用于淡水環境監測，為了實現海洋環境的監測，可以將雙殼類生物活體投入到生物監測中。雙殼貝類的張合頻率與水體污染狀況有關，通過電磁轉換系統可以監測蚌殼張合情況，以此實現水環境污染的在線監測和早期預警。除了魚類和雙殼貝類，水蚤也是常見的生物監測知識生物，利用水質預警監測系統，觀察水蚤的位移能力，從而判斷水蚤的生命活動，分析水質污染情況[3]。

我國在水污染治理方面投入了大量的資金，但水安全形勢依然嚴峻，重大水污染事件頻發，近幾年多個重大水污染事故暴露出水環境監測方面的不足。為了提高生物監測的質量，在各流域已有的生物監測科研成果基礎上，我國啟動分區域水質生物監測標準和方法的研究制定工作，不斷完善儀器設施，加強人才隊伍建設，不斷提高水生態監測能力。同時，加強在線生物監測技術研究，推廣成熟方法，以此有效解決水污染突發事件的預警問題。

3.4 底棲動物和兩棲動物監測

底棲動物和兩棲動物也是常見的生物監測指示動物，通過觀察它們在水體中出現和消失的數量，人們可以實現水質監測。發達國家已將BI（Biotic Index）指數等列為重要的水質生物評價指數，我國相關學者對底棲動物監測在水環境污染監測中的應用展開研究，發現提高數據采集頻率可以增強監測指數的可靠性和合理性[4]。

無論是哪種生物監測手段，都要盡可能減少人為因素對環境的破壞。全國各地的環境監測站都在應用生物監測技術，例如，2018年3月，濟南市環境監測中心站開展了濟南市水環境生物監測項目，開展采樣和現場監測工作，監測地點包括大明湖歷下亭、匯波橋、還鄉店、大碼頭等點位和斷面，還包括臥虎山等水庫。調查監測工作主要包括現場采樣、實驗室分析鑒定、后期數據分析及評價三項內容。水環境生物監測指標包括浮游植物、浮游動物、底棲動物、葉綠素a和微生物。水環境生物監測工作準確反映了部分重點流域和湖泊的治理和保護成效以及人民群眾對水體環境質量的真實感受。全國各地的環境監測中心站將需要進一步開展生物監測工作，為政府管理部門掌握城市生態環境質量，創建生態文明城市提供技術支撐。

4 結論

生物監測技術在水環境污染監測中有著極大的應用價值和研究價值，本文分析了一系列生物監測技術在水環境工程中的應用，為未來相關學者對生物監測技術的研究提供經驗參考。