淺談水質(zhì)生物毒性自動(dòng)監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展

司傳海，馮端，丁聰，張永濤＊

（1.中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100045；2.北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院，北京 100029）

2015 年7 月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》，提出在重點(diǎn)領(lǐng)域開展生物毒性監(jiān)測(cè)。2016 年11 月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》，提出開展廢水綜合毒性評(píng)估，開展飲用水水源地生物毒性監(jiān)測(cè)預(yù)警。2020 年1 月，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《應(yīng)對(duì)新型冠狀病毒感染肺炎疫情應(yīng)急監(jiān)測(cè)方案》，要求在飲用水水源地常規(guī)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上增加生物毒性指標(biāo)監(jiān)測(cè)。

在相關(guān)政策的推動(dòng)下，我國(guó)水質(zhì)生物毒性監(jiān)測(cè)工作穩(wěn)步推進(jìn)，相關(guān)設(shè)備在水體突發(fā)性污染事故的監(jiān)測(cè)預(yù)警方面逐步得到應(yīng)用，但也存在一些問題。本文梳理了水質(zhì)生物毒性監(jiān)測(cè)的主要方法、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)展，分析了相關(guān)設(shè)備在研發(fā)和應(yīng)用推廣中存在的問題，并提出了相關(guān)建議。

1 水質(zhì)生物毒性監(jiān)測(cè)技術(shù)

生物毒性監(jiān)測(cè)技術(shù)可分為發(fā)光細(xì)菌法、藻類法、溞類法、魚類行為法及微生物燃料電池法[1]。

1.1 發(fā)光細(xì)菌法

發(fā)光細(xì)菌是一類在正常的生理?xiàng)l件下能夠發(fā)出可見熒光的細(xì)菌[2]，發(fā)出熒光的強(qiáng)度與其代謝活性相關(guān)，而水中污染物會(huì)影響其代謝活性。發(fā)光細(xì)菌法的基本原理是通過測(cè)定發(fā)光細(xì)菌發(fā)出熒光強(qiáng)度的變化來評(píng)價(jià)水質(zhì)毒性大小[3]。常見的發(fā)光細(xì)菌有費(fèi)氏弧菌、明亮發(fā)光桿菌及青海弧菌等[1]。

用發(fā)光細(xì)菌法測(cè)定水質(zhì)生物毒性，具有簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確、成本低、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)[2]。

1.2 藻類法

藻類是一類比較原始、古老的低等生物，構(gòu)造簡(jiǎn)單，沒有根、莖、葉的分化，多為單細(xì)胞、群體或多細(xì)胞的葉狀體。當(dāng)水體中污染物達(dá)到一定濃度時(shí)，會(huì)對(duì)藻類的光合作用、呼吸作用、酶活性和生長(zhǎng)等產(chǎn)生影響。藻類法的基本原理是通過測(cè)定藻類的生長(zhǎng)抑制和光合作用效率來評(píng)價(jià)生物毒性大小[4]。利用藻類進(jìn)行生物毒性監(jiān)測(cè)，具有結(jié)果準(zhǔn)確、可靠的優(yōu)點(diǎn)，但也存在工作量大、測(cè)定周期較長(zhǎng)的缺點(diǎn)[2]。

1.3 溞類法

水溞是一種小型的甲殼動(dòng)物，屬于節(jié)肢動(dòng)物門甲殼綱枝角目。當(dāng)水體受到污染時(shí)，溞類的生長(zhǎng)、生殖和發(fā)育會(huì)受到影響。通過觀察溞類的生長(zhǎng)、生殖和發(fā)育的變化，可用來評(píng)價(jià)水質(zhì)毒性的大小[4]。

水溞培養(yǎng)簡(jiǎn)便、繁殖較快且對(duì)許多有毒物質(zhì)敏感，利用溞類進(jìn)行生物毒性監(jiān)測(cè)，具有應(yīng)用范圍廣、直觀易觀察的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是靈敏度低、周期較長(zhǎng)[2,4]。

1.4 魚類行為法

魚類對(duì)水環(huán)境的變化比較敏感，水質(zhì)的變化會(huì)導(dǎo)致其行為改變[4]。通過大量實(shí)驗(yàn)，建立魚類行為與水質(zhì)毒性的效應(yīng)關(guān)系，即可通過監(jiān)測(cè)魚類行為的變化來評(píng)價(jià)水質(zhì)生物毒性。

魚類行為法存在靈敏度較低、響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)[1]，但是魚類與人類對(duì)水質(zhì)有毒物質(zhì)的反應(yīng)更為接近，因此更能反映水質(zhì)變化對(duì)人體的危害。

1.5 微生物燃料電池法

在自然環(huán)境中，存在一類特別的微生物——電化學(xué)活性微生物，它們具有獨(dú)特的胞外電子傳遞過程，可以在厭氧呼吸時(shí)產(chǎn)生電流，直接將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。試驗(yàn)表明，產(chǎn)生電流的強(qiáng)度與有毒物質(zhì)的濃度呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。微生物燃料電池法的基本原理即是利用該相關(guān)關(guān)系，通過測(cè)定電流強(qiáng)度，評(píng)估水質(zhì)生物毒性。

微生物燃料電池法具有響應(yīng)速度快、操作簡(jiǎn)便、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)[5,6]，缺點(diǎn)是受試生物的組分模糊，毒性的一致性差，而且受試生物受沖擊后，重建過程慢[1]。

2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情況

生物毒性監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)分為檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。其中，檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)開展較早，目前已經(jīng)較為成熟，除了生物燃料電池法外，其他方法都有對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)（見下表）。

相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的制定工作開展較晚，也不成熟，目前尚無國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面，2017 年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《城鎮(zhèn)供水水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ/T 271—2017），自2018 年6 月1 日起實(shí)施，對(duì)生物毒性在線監(jiān)測(cè)儀、魚類行為法生物綜合毒性在線監(jiān)測(cè)儀作出了技術(shù)要求；2020 年12 月30 日，中國(guó)質(zhì)量檢驗(yàn)協(xié)會(huì)發(fā)布《城鎮(zhèn)給水綜合毒性在線監(jiān)測(cè)設(shè)備通用技術(shù)規(guī)則》（T/CAQI 146—2020），自2021 年3 月30 日起實(shí)施，對(duì)發(fā)光細(xì)菌法、魚類行為法、微生物燃料電池法的生物毒性監(jiān)測(cè)設(shè)備作出了要求。地方標(biāo)準(zhǔn)方面，僅對(duì)發(fā)光細(xì)菌法和生物燃料電池法的生物毒性監(jiān)測(cè)設(shè)備制定了對(duì)應(yīng)的地方標(biāo)準(zhǔn)，分別為2016 年廣東省發(fā)布的《生物毒性水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)儀技術(shù)要求 發(fā)光細(xì)菌法》（DB44/T 1946—2016）和2018 年黑龍江省發(fā)布的《水質(zhì)綜合毒性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)要求 微生物燃料電池法》（DB 23/T 2111—2018）。

各類生物毒性監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)

3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備研發(fā)和應(yīng)用情況

德國(guó)從20 世紀(jì)90 年代起就開始應(yīng)用生物毒性自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)河流水質(zhì)。我國(guó)生物毒性自動(dòng)監(jiān)測(cè)起步較晚，但也已經(jīng)在水體突發(fā)性污染事故的自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警中得到應(yīng)用[7]。

指示生物為發(fā)光細(xì)菌的自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備占市場(chǎng)的70%左右。常應(yīng)用于水庫(kù)、飲用水水源地等環(huán)境水的監(jiān)測(cè)。指示生物為魚類的自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備也得到一定的應(yīng)用，主要為湖泊、河流等水域的監(jiān)測(cè)。

微生物燃料電池的監(jiān)測(cè)設(shè)備成本低、操作簡(jiǎn)單，在水質(zhì)生物毒性監(jiān)測(cè)方面有著廣泛的應(yīng)用前景。但是該類設(shè)備目前還處于示范階段。藻類生物毒性在線監(jiān)測(cè)設(shè)備和溞類生物毒性在線監(jiān)測(cè)設(shè)備在我國(guó)應(yīng)用較少，鮮見相關(guān)報(bào)道。

4 存在問題

4.1 市場(chǎng)認(rèn)可度不高

雖然我國(guó)重視生物毒性監(jiān)測(cè)工作，并在《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》《“十四五”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)劃》等文件中明確提出開展生物毒性監(jiān)測(cè)。但是，由于該指標(biāo)不是環(huán)境監(jiān)測(cè)考核指標(biāo)，因此市場(chǎng)認(rèn)可度并不高，這給此類產(chǎn)品在我國(guó)的推廣、應(yīng)用帶來一定的困難和挑戰(zhàn)。

4.2 缺少成熟的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

目前，生物毒性在線監(jiān)測(cè)設(shè)備還沒有國(guó)家層面的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，也沒有在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到普遍認(rèn)可的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，造成生物綜合毒性監(jiān)測(cè)儀器市場(chǎng)、無序競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象嚴(yán)重，亟須在行業(yè)內(nèi)制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范行業(yè)行為。

5 建議

（1）將生物毒性指標(biāo)在飲用水水源地的監(jiān)測(cè)常態(tài)化、法規(guī)化，大力推動(dòng)生物毒性在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的應(yīng)用，提高我國(guó)生物毒性監(jiān)測(cè)預(yù)警水平。

（2）廣泛開展生物毒性監(jiān)測(cè)設(shè)備性能指標(biāo)的測(cè)試和評(píng)價(jià)，并優(yōu)先為應(yīng)用廣泛、性能指標(biāo)明確、數(shù)據(jù)支撐充分的水質(zhì)生物毒性在線監(jiān)測(cè)設(shè)備制定權(quán)威、科學(xué)、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新引領(lǐng)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。