打破水環境監測的數據瓶頸

◎本刊記者 崔悅

我國水生態環境復雜，水質監測數據龐大。

構建現代化水生態環境監測技術體系

水質監測作為水污染控制工作中的基礎性工作,其監測數據不僅為評價江河和海洋水質狀況提供了重要依據,也為環境管理和決策提供了支持和服務。然而，基于我國水生態環境復雜，水質監測數據龐大，其環境數據還沒有充分發揮作用。中國環境監測總站主辦的第一屆生態環境監測技術交流會，近日在北京會議中心召開，大會特意開展了“生態環境監測技術分論壇”，為生態環境監測領域的科技工作者提供交流平臺，為水環境監測獻言獻策，力圖打破水環境監測瓶頸。

制定水質基準需要四類數據

環境基準是環境標準的理論基礎和科學依據，也是構建國家生態環境風險防范體系的重要基石。

什么是基準呢？筑土為基，水平為準，也就是說，“基”和“準”是我國生態環境保護的一個基石和尺度的概念。環境基準包括大氣環境基準、水環境基準和噪聲基準等，是一種綜合性基準，它是由與人體健康有關的衛生基準、與各種動植物保護有關的生物基準以及與保護各種物質財富有關的物理基準綜合而成。中國環境科學研究院研究員趙曉麗團隊主要圍繞水質基準里面保護水生生物及使用功能的基準來展開研究。

數據是整個水質基準的核心基礎和根基，沒有科學的數據就沒有科學的基準，數據不準確，那獲得的基準值也是不準確的。在研究水質基準的推導和制定過程中，趙曉麗指出：“水質基準的制定需要四大類的數據，一是水中生物的物種數據，二是水體的理化參數，三是污染物特征和含量分布的數據，四是水生態的毒理數據。然而，我國目前有關水質基準數據的獲取，在很大程度上還是依賴國外的數據庫，這實際上是存在戰略風險的。此外，我們經常提到一些卡脖子的技術和工程，實際上我覺得是數據的問題，數據實際上是我國環保中有可能會被卡脖子的環節。”

近期，生態環境部發布了首個環境基準值，就是國家淡水水生生物水質鎘的基準值。中國環境科學研究院就是研究單位之一，趙曉麗研究員介紹了鎘基準值制定中的創新性，鎘基準值的制定采用了1137篇中英文文獻里的7000多條毒性數據，通過這些毒性數據，發布的鎘水質基準值基本代表了淡水水生生物區系的特點，涵蓋了我國草魚、鯉魚和鳙魚等一些淡水水生生物的優勢種。同時，在方法學方面，使用物種敏感度的方法，而美國和加拿大采用的是毒性百分數排序法和評價因子法，我們在方法學上面更加準確、科學。

2019年12月6日，生態環境部發布了關于征求國家生態環境基準，淡水水生生物水質基準——氨氮的征求意見稿，據了解，氨氮主要受水體溫度和PH值影響，目前，中國環境科學研究院已經建立了差異化七大流域的氨氮基準。

趙曉麗指出：“水質基準制定的過程中，數據獲取途徑有限，獲取成本高，資源分散，因此首先要開展前期技術規范標準，解決數據參差不齊的問題。在未來，我們期望能夠構建智能化、信息化、可視化的數據庫和數據平臺。”

構建本土水生物種DNA數據庫

水體污染往往造成水生生物多樣性的銳減。據世界自然基金會發布的《地球生命力報告(2016年)》統計，1970至2012年間，淡水生物數量整體下降了81%。雖然對污染物的監測可以直接了解水體的污染狀況，但往往忽略了污染物潛在的生物毒性及長期的生態群落效應。而對棲息在水中的生物群落進行監測，可以更為全面地衡量水體水質與生態健康狀況。然而，傳統生物監測存在費時費力、物種分辨度低、成本高等諸多缺陷，一直以來無法在流域尺度開展大規模、高頻率的監測。因此，迫切需要更加便捷且準確的生物監測技術，來應用于生物多樣性及水生態系統的保護。

南京大學環境學院張效偉教授課題組近年來匯集力量，重點研究基于環境DNA與基因組學的河流健康監測與診斷方法，建立了一套基于環境DNA宏條形碼的高通量生物監測技術。

環境基準是環境標準的理論基礎和科學依據，也是構建國家生態環境風險防范體系的重要基石。

中國環境科學研究院研究員趙曉麗

中國環境科學研究院研究員徐建

南京大學環境學院教授張效偉

據張效偉教授介紹：“生態風險評估和環境管理面臨很多挑戰，一是忽視對野外本土生物種群的監測；二是只評估一個物種，缺乏對生物多樣性和群落結構影響的評估；三是生態環境的服務和功能是由基本生態過程支撐，但我們往往只研究一兩個環節。因此，我們認為，建立本土物種DNA條形碼數據庫是當前的工作重點。DNA技術可以在生態環境保護和管理中發揮比較重要的作用和價值，大幅度提高我們對生態環境的觀測能力。”

張效偉教授以太湖為例，太湖流域4萬平方公里，假設布設一百個點去采樣，進行DNA分析，通過本土物種的數據庫來快速做生物多樣性的監測，一周可以完成100多個點的生物多樣性測試的分析。

據張效偉介紹，除了水生浮游植物、浮游動物可以這么做，大型的水生動物，像魚類、江豚也可以這么做。在一個航次里面，隨意取水樣，可以檢測水中DNA的濃度，以此來弄清楚這個群落在當時是怎么發生變化的。

如何構建水生態監測技術體系

我國的環境監測起步較晚，但如今也已初成規模，監測系統由操作間斷性發展為自動連續性，無論是環境監測能力、監測管理還是技術突破等方面都有了質的飛躍。

中國環境科學研究院研究員徐建介紹：“在水環境監測技術方面，目前在環境監測方面的數據大部分基于總量，但實際上水環境里的污染物形態是有很多種的，比如說有顆粒態、膠體結合態還有一些溶解態，這些污染物質不同的形態決定了生物有效性不同。就是說，總量這么多，但是真正能起到靶點作用，生物體對環境造成潛在的毒性效應的量是有差距的，因此難以準確地評估污染物的環境風險。”

那么，如何對水流域生態環境進行精準監測？徐建認為，水生態環境監測指標復雜多樣，確定監測指標，使用相應的監測儀器進行監測，并把所有儀器得到的監測數據通過物聯網的方式，進行硬件的接入和數據傳輸存儲，形成基于物聯網的水生態環境監測信息系統，這是水環境監測的主要監測思路。

水生態監測技術體系是水資源保護最基礎且關鍵的組成部分。水生態監測技術體系如何構建？

生態環境監測技術分論壇現場

徐建認為：“一是要研發基于DGT理論的水生態環境監測評估技術，根據DGT裝置監測的濃度和生物體內的濃度，構建基于生物環境有效性的水生態環境監測評估方法。二是要選擇合適的小型化監測儀器，儀器布設進去之后可以同時測9個參數，不到一平方米的面積就可以布設一個儀器小型站。三是要信息化，基于物聯網的流域水生態監測技術集成，實際上是基于物聯網的共性平臺和應用子集。首先，建一個平臺，搭一個臺子讓別人唱戲，實現多種監測設備的管理，將所有物聯網應用接入，提供一站式開發服務。其次，物聯網標準化的開發模塊，包括四個集成，一是業務應用層，可以實現應用集成，二是基礎支撐層，實現數據和服務集成，三是網絡傳輸層，通訊集成，四是感知互動層設備集成。也就是說，這是一個開放的物聯網體系，可以實現所有設備的接入，解決社會接入管理、多元異構數據集成、平臺兼容擴展等一系列關鍵問題。”

國產監測儀器水平日漸提高

除了研究水環境的監測技術方法，我國在水環境監測儀器的生產上也已達到一定水平，除了加大對監測儀器的生產投資外，我國環境監測儀器的生產技術水平也日益提高，如油分測定、電磁波監測儀器、水質多參數機器人全自動分析儀等。目前，中國生態環境監測事業已站在新的歷史起點上，環境監測者理應乘勢而上，銳意進取，為加強生態文明建設、建設美麗中國做出新的更大貢獻！

在生態環境保護和管理中，DNA技術有比較重要的作用和價值，它可以大幅度提高我們對生態環境中生物元素和生物結構的觀測能力。

國產的水環境監測儀器已達到較高水平

【環境百科】

DNA宏條形碼

DNA宏條形碼(DNA metabarcording)是利用高通量測序技術獲得混合條形碼擴增序列,通過生物信息學分析手段來鑒定混合樣本中物種組成的方法。該方法已廣泛用于宏基因組學、動植物生物多樣性等研究,并開始應用于傳統草藥的鑒定領域,為混合草藥物種鑒定提供了有力手段。

DGT技術

DGT技術的全名是薄膜擴散梯度技術（diffusive gradients in thin-films technique,DGT），是一種原位被動采樣方法。DGT技術主要用于原位測量可溶性重金屬、陰離子以及營養元素在水界面中的縱向濃度分布。

原位被動采樣技術可以在不影響母體溶液濃度和周圍環境的前提下，在線收集目標監測物質，可以真實反映出被測體系中的真實濃度或時間平均濃度。