生物監測在水環境監測中的應用研究

深圳市生態環境監測站 梁智偉

隨著經濟的發展，各個行業對水資源的需求日益增長，但伴隨而來的是水體污染的不斷加劇，水環境質量和水環境污染逐漸成為影響人們生活和工作的因素之一。因此，水環境的健康和水環境的保護逐漸受到重視。目前，我國對于水環境污染治理的手段主要有兩種，一是從源頭對污染源進行管理和整治，對工業用水和生活污水的排放進行嚴格的監控和管理；另一種是通過監測和治理自然水的污染，降低水污染的程度。在實際操作中，先污染后治理的老路已經不符合我國現代的科學發展觀和可持續發展觀，對于水污染的治理還是更傾向于第二種治理手段。那么，對于水環境的監控就顯得尤為重要。

一、生物監測的基本概述

生物監測技術的基礎和本質，在于探究生物與生物之間、生物與環境之間的影響和關系。通過對于生物與環境之間相互影響、相互制約的關系，了解生物的生存情況反映的所在環境問題，以對生物所在的環境作出判斷。當生物監測技術應用到水環境污染的監測中時，則是通過對水體環境中的水體生物和生物群的生長和生活情況的了解和監測，以及該群生物體內各物質的變化，從而判斷水體環境的變化和污染程度。利用多種監測手段，判斷水體環境的污染情況和污染來源，作出判斷和獲得治理水體污染的方案，恢復水體環境健康，保障水體環境中生物的多樣性以及水體環境的健康程度。目前，我國對于水體環境的監測和水體污染的監測，多采用傳統的物理監測技術，部分水體環境會采用信息監測技術以及生物監測技術。在傳統的水環境監測中，一般會重點圍繞著水體中的金屬含量、色度、濁度、化學需氧量（COD）、生物需氧量（BOD）、pH值等內容進行監測，這些指標均能反映水體中的污染程度和水體的情況，但卻難以直觀地闡述水環境對于水體中生物的危害情況。許多污染物都伴隨水體本身，互相融合、互相影響，對水體重點生物體帶來影響。因此，靠傳統的指標進行水體監測已經難以滿足當代社會對于水環境污染的預防和治理的需求[1]。而生物技術可以通過觀測生物在水環境生存的狀態，了解水環境中的污染情況，可以更全面地得到水體環境的情況，使得監測結果更加具有實踐價值。

二、生物監測的重要意義

（一）了解生物與水環境的關系

水污染常具備污染物不單一的特性，多種污染物的混合，對水生生物產生混合影響，生物之間與水體環境中的污染物常會發生復雜的協同作用，甚至可能導致污染加劇。傳統的物理監測和信息監測，并不能反映生物與環境之間存在的關聯與復雜的關系，而且水體環境質量與生物因素之間也存在著相互影響的關系，單純地監測水體環境的物理指標是無法準確判斷水體環境的健康程度和污染程度的，也做不到對水體生物多樣性的保護，對水體生態系統的保護，只有生物監測技術可以基于生物的活動情況。對水體生物生活的水體環境進行健康程度的認識和評價，獲得對水環境的認識。當然對水體環境中的水生物進行監測，不僅可以了解監測水體的健康程度和水體狀況，也可以保護水體環境中的生物多樣性。

物理監測的多次取樣，對水體環境會造成一定程度的影響，甚至部分監測過程會遺留下不屬于水體環境的異物，造成污染水源或者對水環境造成二次污染。但生物監測是根據生物自身的特性對水環境作出監測和反應，對水體環境的影響較小，監測過程相對環保。另外，隨著生物監測技術的成熟和發展，科研人員和監測人員可以在監測過程中了解水體生物的生活特性，對水體生物對于環境的反應進行研究，促進水環境中生物科技的進步與發展。在維護生物多樣性的同時，改善水體監測技術，進一步推動了解和認識水體生物以及水環境中的關系。

（二）快速對污染作出應對

由于生物監測是利用生物的反應、生物的種類等多項生物的指標來完成對水體環境的監測，相對于傳統的物理監測和信息監測而言，生物對所在的環境變化敏感度高，反應更加迅速，更有效地幫助監測人員感知到水環境的變化，及時對于水環境變化和污染作出應對措施[2]。尤其是在當今許多水體環境的污染都是屬于慢性污染，物理監測的儀器難以感知到水環境精細的變化的情況下，生物監測可以更及時地預見污染的發生，降低污染帶來的損失和傷害。

（三）創造經濟效益

相對于傳統的信息監測技術，生物監測技術可以創造相應的經濟價值。一方面，由于信息監測需要購置相應的監測軟件和硬件設施，對于新產生的水體污染物則需要對設備進行調整，造成較高的損耗和維護費用，生物監測則不需要該項費用的支出。除此之外，生物監測的生物還可以為水體環境保護試驗提供試驗材料，幫助技術上的研究和突破，推動科技的創新和進步，創造額外的經濟效益。

三、生物監測的應用原理及特性

在自然界的水體中，存在著大量的生物和微生物。水體是水中生存的環境，水中生物對水體環境產生影響，兩者互相依存，相互影響。當水體環境的某項指標超過其安全閾值的時候，將會對水環境中的生物帶來影響，甚至是不可逆的死亡現象。有些污染物會轉移到生物體內，造成生物體產生一系列的病癥，并隨著生物的移動帶到其他水體中，進而造成持續污染。因此，需要生物監測技術實現對水體環境進行科學有效的判斷。

生物監測技術不同于傳統的水環境指標監測，能夠直觀地反映污染物對生物的影響，甚至由于生物可以對環境做出快速的反應，使得生物監測更加具備靈敏程度，超過化學監測儀器，且反應更加迅速。水環境中的污染物一般不止一種，對水環境進行指標的監測單次只能監測一個指標項目，導致監測結果緩慢，不利于水環境的保護和污染防治工作的進行。使用生物監測，可以彌補指標監測的不足，生物常常能對復雜的環境快速做出反應。一旦水體環境發生變化，生物就可以使環境中的改變快速被監測到，這種監測技術成本相對較低，且操作簡單，反應快速。與此同時，由于生物無法準確反映水環境變化的程度，也無法正確反映水環境中個別項目的指標數據，而且目前對生物監測還沒有統一的監測標準。由于水中的生物對外界環境可以做出自身的應激反應，因此有些生物監測并不能有效地對環境產生的影響和水環境的改變建立起單一指向的聯系，導致監測需要較長的實踐。生物的特性也成了監測的技術難點之一，這些卡脖子的難點，需要人們在未來對于生物監測技術進行改進和試驗研究，以期獲得更準確的、單向性的、快速的生物監測方式。

四、生物監測技術存在的問題及對策

在生物監測技術投入水環境監測的實踐過程中，仍然存在有一定的應用問題，主要的問題和相關對策研究如下：

（一）生物生長習性復雜

不同的生物具有不同的生長習性，無論是其分布的范圍、對外界作出的反應等方面都具有明顯的差異。因此，對于水環境中的污染物產生的變化也具有不同的反應，多種生物之間存在有正向的協同作用，也會產生負向的抑制作用，這也導致了在監測過程中，可能會由于對生物和生物群落之間的了解程度欠缺，導致對污染來源和污染發生的誤判，生物監測的真實性下降，影響其監測結果的準確性和科學性[3]。因此，在利用生物監測技術對某區域范圍內的水體環境進行監測的時候，需要透徹地了解各種生物的生長特性和相互作用，也許可以提前分析水體環境的特征以及水體生物生活所需要的水體環境特征，設置好科學的生物測試和生物監測周期。與此同時，還可以對監測生物所在氣候條件進行監測和控制，提前開展全方位條件的試驗和監測，設置最有利于生物生長的監測環境、監測頻率、監測方法和監測標準，有效地消除由于地域和極端天氣等要素帶來的差別。

（二）水體環境復雜

部分水體環境自生生態系統復雜，水體環境中的生物數量和生物群落有限，在水體環境污染較低時，生物由于自身的適應性和應激能力，對微弱的污染改變不能做出有效和及時的反應，部分生物物種無法在短時間內體現出明顯的生物反應行為，導致生物監測結果產生一定的延遲，與實際污染產生偏差。因此，監測人員需要提前了解不同生物的生物行為和生物特性，配置最適合某個水體環境的生物監測群體，建設好不同層級的物理監測標準配合監測，以達到更加精確的水體環境污染監測水平，對水生生態系統進行良好的保護。

（三）生物差異性大

不同的生物指示物種適合的生態系統和分子結構具有較大的差異，導致有時難以通過生物群落觀察水體環境的變化。未來需要針對某個作為監測指標的水體生物，構建合適的水環境監測標準，以期更好地利用水體生物對水環境進行監測。

五、生物監測在水環境監測中的應用

（一）微生物群落監測

水環境匯集了大量的生物和微生物，具有大量藻類、細菌、原生動物等。水體環境中微生物的含量，體現了水體的環境質量，這也是生物監測技術應用在水環境監測中的理論基礎。微生物群落的監測，主要是通過收集水體環境中微生物的群落結構完整程度、生物的數量以及生物的功能信息，以此來判斷所在水體環境的條件。通過數據統計和分析，判斷水體環境和水中微生物群落未來的變化。通過對采集的水體樣本進行微生物群體分析，統計微生物的分布指數，根據該分布數值研判水體目前的污染情況和污染程度。但隨著科學技術和統計技術的不斷發展，伴隨著水體污染的多樣性和復雜性的增加，需要監測的微生物群落數量不斷增加，監測指標也不斷增加，對監測的挑戰增加，也帶來了分析數據的難度，以及污染程度分析的挑戰[4]。目前，主要統計和分析的指標有水體中生物群落的多樣性指數、原物種類型、異樣性指數等，也在一定程度上提高了我國水體環境監測的準確性和科學性。

（二）生物行為反應監測

自然界中生物類型繁多，水體中生物的也是如此。不同生物對外界具有不同的反應，對外界環境的變化也會產生不同的反應。環境的污染勢必會導致環境的變化，進而影響處在該環境中的生物行為，使得生物在面對環境變化的過程中作出相對應的反應。這些反應被人類監測并捕捉到，就可以推測出環境發生的改變和環境改變的程度。生物行為反應的監測，就是基于此原理展開監測工作。

（三）發光細菌監測

對發光細菌的監測，屬于目前較為成熟的生物監測技術之一，除了水環境的監測也在多種環境監測中使用，其監測技術穩定且適用范圍廣泛，因此廣受監測人員的歡迎。利用發光細菌發光的生物特性，監測水環境中污染物遺傳毒性，獲得被監測水體的污染程度和污染成分，常被使用在自來水廠、生活飲用水水源水質的檢查和監測中，是水質保障的主要監測方式。發光細菌監測法，相對于其他的生物監測技術，更加高效，所需要的監測時間更短，更加的便攜，也具有更高的靈敏度。隨著電子科學技術的發展，發光細菌監測方法，常常與紫外線分光法以及熒光分度法等多種方法結合，對水體環境的污染監測更加全面，也提升了監測的空間和實用價值。

（四）底棲動物和兩棲動物監測

底棲動物和兩棲動物是生物界中特殊的兩種生物，由于其自身的特殊性，因此常被作為指示物種進行生物監測。人們通過監測所在環境范圍匯總、底棲動物和兩棲動物的數量和生活情況，判斷所在監測環境的污染程度。目前，大部分大型底棲動物都被用于對環境中重金屬要素的監測和評價值，利用 Saprobic指數和BI指數評價監測的環境質量。底棲動物和兩棲動物的完整性和數量，也是監測水體環境條件的重要指標。除此之外，底棲動物和兩棲動物的生理反應、形態變化、行為范圍，也是監測環境變化的重要條件。

（五）生物傳感器監測

生物傳感器監測，是根據生物傳感器中的各組成成分進行監測，了解生物作出的生物反應，并由此測定引起該反應的外界環境的變化。生物傳感器的主要組成部分包括生物對分子的識別部分和轉換部分。識別部分有生物酶、抗原、抗體、微生物、細胞和組織等生物活性物質；轉化部分則包括光敏管、場效應管、氧電極等。生物傳感器的原理是生物在受到外界環境刺激的作用下，生物體內生物敏感程度將受到的刺激轉化成為可被監測到的信號。因此，可以用來監測生物所在環境的變化[5]。生物傳感器具有專一性、高效性和精確性的特征優勢。在目前的監測工作中，使用最多的是胞傳感器、DNA傳感器以及免疫傳感器等。

六、生物監測技術在水環境監測中的實踐探索

（一）明確監測的評價標準

在日常實踐過程中，為了更好地利用生物監測技術對水環境進行監測和污染防治，需要對參與監測的生物進行了解，明確生物的評價標準和評價體系。例如水中的生物和浮游生物數量可以判斷水源的營養標準，其數量的指標也可以判斷水中營養豐富程度是否在科學合理的范圍內，水源是否有富營養化的風險存在。利用生物監測技術對水環境進行監測，還需要考慮水體中的污染毒性，并對其中污染的毒性進行評價，從而通過直接觀察和監測生物的行為指標，得出水環境中的毒性污染程度。因此，在進行生物監測前，需要明確監測的評價指標，以便應用在生物監測中，使其更好地、更直觀地幫助評估水環境的質量和狀態。

（二）分類監測生物類型

根據前文研究分析，生物監測技術涵蓋有多種監測技術和監測內容，每種監測生物可以反映不同的污染來源和污染程度。所以在對某個水體環境進行監測時，需要明確監測的生物技術類型。當需要對多種生物類型同時進行監測的時候，則需要做好監測生物的分類，排除生物之間的相互影響作用，使得監測結果不受其他要素的影響，客觀反映監測水環境的污染水平和污染程度。另外，在使用生物監測技術的過程中，還需要分類水環境中的生物成分，將水環境中有害的微生物和有清潔作用的微生物進行分類，以保證監測結果的準確。針對不同水環境中的生物類型，選擇不同的監測對象和監測技術，以達到最有效的監測技術，獲得最準確的監測成果。

綜上所述，水是重要的自然資源，珍惜水資源，是我國實現可持續發展的必要路徑，也是建設綠水青山的共同責任。為了更好地保護和改善水環境，更需要做好水環境的監測和水污染預防工作。隨著環保工作的不斷展開以及環保技術的不斷提升，生物監測技術被越來越多的應用于水環境監測中。