生物監測技術在工業廢水監測領域的應用研究

胡文聰

（清遠市清新區環境監測站，廣東 清遠 511500）

現階段我國經濟發展呈持續上升趨勢，工業發展、人口等增幅較大，對于環境的破壞日益加重，因此，環境與發展之間的矛盾已成為目前急需解決的問題，可以通過采取科學、合理的監測方法，利用相關設備設施，對可能造成環境污染的物質進行全面分析。然而，隨著環境污染的不斷加重，對人體健康及生物種群的生存造成極大地影響[1]。如果只是借助物理方式進行環境監測，無法將污染物對生態系統的影響真實地反映出來。因此，將生物監測技術應用于環境監測領域，有利于更好地開展相關工作，并實現對環境污染物一系列危害的分析研究。

1 生物監測技術概述

在過去的環境監測領域中，通常采用化學方式對其進行分析研究，通過對不同種類污染物及其具體濃度進行一系列測定判斷污染的實際狀況。大多數化學檢驗已經達到不間斷監測的預期效果，但是依然需要對相關數據及參數進行取樣調查，在此過程中無法將環境變化真實、客觀地表現出來。隨著生物監測技術的應用，可以通過對其中生物群落變化特點的合理分析，并結合生物中污染物濃度的測定結果，真實地反應實驗環境的變化情況，從而有效克服上述不足。生物監測技術的應用能夠測定自然界中生態系統以及生物中的各項生理指標數據。通過這些監測結果以及測定的數據，能夠將環境污染的實際情況在不同環境條件下真實地反應出來。通過生物監測技術與化學監測技術的對比可知，生物監測技術仍然處于發展階段，尚未形成一套相對完善、標準的體系，但是，生物監測技術的應用前景十分廣闊，其價值和作用相對明顯[2]。

2 生物監測技術的特點

2.1 生物監測技術具有更高的靈敏性

在生物監測技術中，靈敏性是其十分顯著的特征之一。通過對生物收集以及累積效應的應用，能夠測定生物體內累積的有害物質，在對污染物進行長期監測的過程中，具有較好的適用性。比如在對水生生物進行監測的過程中，能夠有效地監測出水體中的重金屬含量，精準的測量數據能夠幫助相關工作人員判斷重金屬的含量是否超標。

2.2 生物監測技術具有探知性

傳統的物理監測方式及化學監測方式，無法有效測定未知指標，一旦出現不明污染物質，將很難被發現。但是，如果這些污染物進入人體內，將會發生一系列的特異性反應。而生物監測方法可以通過對這些具體反應進行一系列地分析，然后根據分析數據盡快找到不明污染源，有效防治污染。

2.3 生物監測技術具有直觀性

生物監測技術能夠直觀地反映出污染物對于環境所造成的危害，可以利用生物種群有效地判斷生態系統的實際狀況。

2.4 生物監測技術具有連續性[3]

通過生物監測技術的應用，能夠實現在不同環境條件下，對不同生物體在一定周期內產生的與環境相關的信息進行收集，并將污染的實際狀況真實地反映出來的目的。結合整體情況進行分析，生物監測技術與傳統的監測技術相比，某些步驟的優勢明顯，但是生物監測技術會受到地域環境的限制。目前，生物監測技術尚未形成一套完善、標準的檢測體系，與傳統的檢測方法相比仍然存在一定的差距。

3 生物監測技術在工業廢水監測領域的應用研究

現代生物監測技術以分子生物學為基礎，然而隨著DNA重組技術的提出，該項技術被廣泛應用于環境監測領域。通常情況下，可以采用微生物群落測量法以及生物毒性測試法對工業廢水進行監測[4]，再分別對這兩種監測技術進行詳細分析，分析受試生物及測定方法、標準等，最后通過靈敏性、可操作性以及經濟性等指標對相關檢測技術的性能展開對比分析。工業廢水生物處理流程見圖1。

圖1 工業廢水生物處理流程圖

3.1 微生物群落監測法

與普通清潔水體的監測過程對比，浮游生物、著生生物以及底棲動物等常用的生物群落指標存在差異，工業廢水通常根據微生物群落相關指標的變化進行監測。監測流程如下：①采取相應技術測定廢水中微生物群落狀況，主要包含群落成份以及分布情況。②通過生物群落在監測過程中豐度的變化規律，實現對污水處理后的工業廢水變化趨勢的監測，最終實現廢水水質評價。本文主要研究聚氨酯泡沫塑料塊法（基于傳統培養）和微生物群落監測法（基于分子生物學）兩種微生物群落監測法[5]。

3.1.1 聚氨酯泡沫塑料塊法

21世紀，我國正式進入工業革命時期，在進行工業生產過程中，大量生活污水、工業廢水通常沒有經過專業化處理就直接排入河流，嚴重破壞了河道生態系統的平衡性。美國CAIRNS等相關人員于二十世紀六十年代中期首次采用聚氨酯泡沫塑料塊法測定了微生物的群集速度，監測和評價了水體水質情況。通常情況下，選定聚氨酯泡沫塊置于工業廢水水體并設定時長，后期對聚氨酯泡沫塊進行采樣并完成鏡檢觀察，并依據鏡檢結果測定樣品中微生物群落狀況，進而科學合理地判斷出水體水質的實際污染程度[6]。聚氨酯泡沫塑料塊法具有以下優勢：①限制因素少，廢水類型、監測時間及空間等因素基本不會影響測定效果。②操作流程相對簡單，現階段在工業及其他廢水監測領域得到了廣泛應用。

在二十世紀八十年代初期，我國開始通過聚氨酯泡沫塑料塊法對監測的工業廢水水質進行評價。八十年代中期，相關學者通過聚氨酯泡沫塑料塊法對實驗區域的廢水進行微生物群落采樣，對采樣后的微生物種群進行實驗分析，實現了農藥廢水水質的監測與評價，該實驗過程有效證實了聚氨酯泡沫塑料塊法的實際應用效果。通過對實驗操作流程、成本等相關應用指標進行分析，可證實該監測方法具有應用流程相對簡單，水域監測范圍廣等優勢。除此之外，此項監測技術還可以用于監測其他污染源廢水的生物累積效應，并通過累積效應實現水質監測和評估。例如在應用于造紙廠廢水水質的監測過程中，通過監測數據的分析結果可以看出，與其他工業廢水相比，造紙過程產生的廢水中毒素效應和毒素濃度的變化更能夠引發水生微生物群落反應，可以更精準地測定廢水污染程度[7]。

3.1.2 微生物群落監測法

隨著分子生物學技術的進步，污水中微生物群落的監測工作擁有了新的發展方向，可利用微生物基因水平實現群落豐度、種類等指標的測定。眾所周知，受經濟條件及科技水平的限制，以往大部分工業廢水沒有經過專業化處理便直接排放至自然水體中。然而隨著我國經濟水平的提高以及科學技術的發展，現階段要求污水必須經過相應的處理設施進行處理，符合排放標準后才能排放到自然水體中，多數地區現已將污水排放納入處理管網進行管理，要經過處理廠進行統一處理。以上處理措施在提升排放標準的同時，也能夠降低污水中微生物群落的分布密度。因此，如果使用聚氨酯泡沫塑料塊法監測，會出現收集時間較長、監測效果不理想等問題。因此，基于核酸雜交技術的微生物群落分析方法開始得到廣泛應用。該方法基于堿基互補性匹配標準對生物群落的分布進行測試。產品中微生物的核苷酸產生雜合的雜化分子結構，可根據自顯影等技術指標分析微生物群落的變化結果。該技術的廣泛應用，可以幫助相關工作人員在短時間內檢測污水中菌體的多樣性、進化速度和其他指標，從而減少現場采樣的時間，同時還可以大幅提高發現微生物的效率[8]。此外，核酸雜交技術可以有效降低聚合酶鏈反應全過程形成的偏差，而不需要對整個靶基因進行聚合酶鏈反應，未增加的遺傳基因濃度值相對較低。此外，由于微生物亞群之間存在一定的差異，如果涉及探針的核苷酸編碼序列與某些亞群的總體靶基因的多樣性過低，可能會導致某些微生物群落檢測結果不一致。

3.2 生物毒性測試法

雖然通過物理和化學檢測方法，可以準確區分水污染物在環境中的分布水平，但因工業廢水中存在的污染成分相對較為復雜，針對工業廢水的水質監測，此類方法并不能高效測定所有污染物成分以及污染物對自然環境的危害程度。應用生物毒性試驗方法，能夠區分水環境污染程度與生物效益之間的關系，因而可以有效測定工業廢水中各種污染物的組成。目前在工業廢水生物毒性分析方法中，普遍使用發光細菌亞急性毒性試驗法、魚類毒性試驗法、藻類及蚤類毒性試驗法等[9]，詳見表1。

表1 不同受試生物標準毒性測試方法

3.2.1 發光細菌毒性測試法

在對工業廢水進行監測的過程中，發光細菌能夠通過細菌發光程度評估廢水毒性，對有毒物質反應的靈敏度相對較高，并能夠將檢測結果與實驗室檢驗理化分析進行關聯。現階段主要以細菌發光強度與水體毒性之間的關聯進行工業廢水監測，并出現了較為成功的應用案例。據相關數據分析得知，此項技術具有受測試生物反應靈敏、儀器設備自動化操作程度較高等優勢，被廣泛應用于重污染行業廢水毒性的常規監測以及突發性事件安全應急監測等，但是，這種方法存在缺乏統一的毒性等級劃分標準、發光菌菌種成本較高以及表征指標過于單一等不足[10]。

3.2.2 魚類毒性測試法

魚類相對于水體中其他生物群落，其級別相對更高。現階段在工業廢水毒性測定工作中，常使用魚類作為測試用生物，相關廢水毒性測定效果較為穩定，已經在工業廢水監測領域得到普及。該技術主要通過魚類行為、外形變化鑒定水質的污染程度，并可通過部分魚種確定工業廢水毒性對人類的危害。此類技術在工業廢水監測領域中的實際應用受到一定的限制[11]，主要體現在以下兩方面：①國內相關廢水檢測指標中未將魚類毒性列為規定指標。②檢測水質的魚類種類受限制，部分魚種無法有效測定特定污染物的毒性。

3.2.3 蚤類及藻類毒性測試法

水體中，蚤類、藻類群落繁殖能力較強，在繁殖環境受污染物影響時，其生長、繁殖等方面的能力將發生大幅度波動，可利用其生長率、繁殖率等指標測定水體毒性。部分行業產生的廢水，能夠對蚤類及藻類產生生長抑制效果，并產生相應的毒性效應，不同行業抑制效果差異性明顯，通過蚤類及藻類變化趨勢，能夠真實、客觀地測定廢水毒性。在利用蚤類及藻類測定工業廢水的過程中，同樣存在經濟成本較高、培養時間長且可操作性復雜等不足，各種生物監測技術指標對比見表2。

表2 生物監測技術對比

4 生物監測技術在工業廢水監測領域的應用現狀及相關對策

工業廢水中污染物的排放量較大，且種類較為復雜，將生物監測技術應用于工業廢水監測領域，能夠實現連續監測污染物對環境的影響，同時，能夠分析工業排放廢水的水質狀況，然而，現階段在監測過程中仍然存在以下問題：①現代分子生物技術具有較高的靈敏度以及較好的特異性，能夠有效提升生物處理效率，縮短研究周期，提高數據的豐度，但是仍然存在諸多不足。例如，在聚氨酯泡沫塑料塊法的操作過程中，由于樣品以及實驗試劑容易受到污染，致使檢測結果出現誤差，因此，必須嚴格做好實驗室的質控工作，降低這類錯誤的出現。除相關儀器設備以外，分子生物實驗室的專業設備設施及相關實驗試劑的成本價格過于高昂，同時對相關實驗人員的專業技能水平具有較為嚴格的要求。②生物群落鑒定技術在某些應用環境中受限，致使大多數生物監測技術不能做到精準化的定量分析。同時，與理化監測進行對比得知，現階段的相關廢水生物監測缺乏統一規范和監管、評價體系，需要繼續開展對生物監測與理化監測的相關研究，全面對廢水進行系統化、綜合化的污染物監測。

隨著生物學技術的迅速發展，相關科研人員可以進行更深入的研究試驗，不斷完善和優化生物監測技術。在實際監測過程中，還應與其他監測技術結合使用，為工業廢水監測領域應用生物監測技術提供技術支持。

5 結語

隨著我國社會和經濟的迅速發展，對企業產生的工業廢水中相關污染物的含量進行檢測非常重要。工業廢水監測承擔著一定的經濟發展責任以及社會責任，所以必須要不斷提高工業廢水的監測質量及效率，使污水處理廠的經營管理嚴格按照相關標準及制度進行，確保我國水資源能夠實現可持續發展。作為一種綜合性監測技術，生物監測技術應用于工業廢水監測領域中，能夠從宏觀、微觀兩個角度全面監測并評價水環境的污染狀況，進而客觀、真實地評價水環境質量產生的生物健康效應，為人們的生命健康提供有力保障。