生物監測方法在水環境中的應用及研究

山東泉誠檢測技術有限公司 王冰，李叢叢，李居英

由于中國經濟工業化腳步的加深和快速發展，國內經濟蓬勃發展腳步也在不斷加速，但是水自然環境也同時受到了巨大的危害和污染。

由于人們對水環境的危害和污染使得被污染水域上的動植物種類銳減，許多動植物也因此瀕臨滅絕。在危害巨大的水域，人的各種傳染病發生率也在增加。人口日益增多的疑難雜癥和生物的弱堿問題也使人們認識到了水環境的嚴重性。生物水質環境監測方法就是一項基于人們對水體環境現狀了解下的針對性污染控制方法。通過對水體環境的長期觀察，人們能夠認識到水污染源的主要危害成分，并對癥采取控制措施，進而改善了水體環境管理的有效性。生物監測技術也是控制水生態效價與安全的關鍵技術。

研究生態監測技術在水環境工程中的運用，對于進一步提高水環境工程監測的可靠性，具有重大的科學價值。

一、生物監測的原理及其優缺點

（一）生態監測的基本原理

生態監測主要是為了對環境變化進行更有效的監測與評價，即利用生物品種和類型對環境變化來評價產生的環境影響。目前常用的生物監測技術主要有兩類：生態學方法、毒理學方法，作為現階段相對有效的環境測試方式，在環保監測中具有舉足輕重的意義。而毒理學方法則是將某種毒性的化學物質對其他生物進行測試，并利用比較的方法，測試出生物是否具有較大的毒性和在特定環境中所含的毒性指數。而生物學測試與前者比較，生物學測試方式相對而言更加安全和適用，可以直接把環境的變化情況反映出來，并且測試結果也比較精確。現階段所利用的生物監測技術手段相對較多，同時其效益也較為理想，主要目的就是把自然環境中的有害物質及時找出，以防止損害生態環境。

（二）生物監測的優越性

比較理化的檢驗技術，生物檢驗具有很大的優越性，它具有一定的顯示功能而且綜合性比較強。在一般情況下，當水環境受化學物質的污染后，并不會馬上產生改變，而只是有個慢慢地改變過程，因此生物檢驗技術能夠觀測到細節的改變。生化檢驗方法復雜，對自然環境有一定的危害，并且檢驗數據往往不精確。但生物檢驗技術卻可以把數值準確表現出來，同時當水環境受到破壞時，生物檢驗技術能夠及時發現相應的問題，并根據問題采取合理的處理對策。因為生物檢驗技術在費用上相對較少，而理化檢查則需要很大的成本，同時效益上也不理想，而且生物檢驗技術在維護與保養期間，所需要的設備也相對較。

（三）生物監測的缺點

生物監測技術還具有幾個缺陷，無法監測水體中污染物的確切含量，并且目前還缺乏完整、統一的技術標準。另外，一些生物監測方式不能有效把自然環境條件形成的危害和污染的危害聯系起來，監測期限過長。上述原因制約著生態監測技術的廣泛應用，人們必須不斷創新和研發生態技術手段，使之在水環境監測中起到良好的效果。

二、生物監測在水環保監測中的運用應用

（一）群落監測

生物群落是整個生態系統的主要成分，利用生物群系觀察能夠掌握不同物種在整個自然環境中的地位，不同物種間的互動，以及各種條件對整個生態種群的影響，從而掌握整個自然環境的變遷和發展。對生物群系的調查有助于掌握這些種群所在的自然環境的總體狀況，掌握環境污染情況，從而有的放矢地提供環境治理的方法。通常情況下，生物群落監測主要涉及兩方面的內容：一是評估性水體環境監測。利用生物監測技術對水體自然環境進行評估、監測，并通過觀測生物群系在各種水體中的生長狀況，以全面了解水體變化狀況和水體物質濃度的變化趨勢。二是對水體發展做出宏觀計劃。利用生物監測技術全面掌握水體環境保護的實際情況后，按照生物學規律對水體環境保護實施專項綜合治理，提出水體環境保護綜合規劃改造實施方案。例如，中國長江流域部分水庫中存在著水體富營養化問題，產生了大量的藻飾魚，若用物理或化學等辦法處理就會影響水體的生活品質，同時也會對水體生物的繁殖生存環境帶來惡劣的破壞，而利用生物監測技術，在富營養化的水體飼養食藻飾的魚類，就可以很好地解決這一問題，同時可以減少養魚成本，從而獲得了巨大的效益，運用環保科學技術推動經濟社會發展，從而達到雙贏。

（二）發光細菌監測方法

發光細菌檢驗技術可以檢查出水樣中的大部分高毒性有害物質，在對有機物、重金屬和有毒更多的化合物檢驗方面起到了非常關鍵的作用，不過在實際操作中來說，這項檢驗技術也具有操作復雜、誤差數值較大的缺點。后來，電子科學技術的迅速發展為發光微生物技術的使用進行了新的發展，在發光微生物技術中又引進了紫外線分光光度法、熒光光度法等。

（三）微生物監測方法

相對于其他的生物監測技術，從微生物監測技術在水污染環境監測領域中的運用開始，而且經過了長期開發，微生物監測技術已經越來越完善、可信。通過對微生物監測技術的運用，其可以比較高效地監測水體環境中各種菌類的含量、種群大小等，然后再經過一定的計算、數據分析，確定被測水體環境中細菌的分布指數，有助于技術人員比較精確地評估水體環境的污染情況。在其中，可以選用聚氨酯樹脂塊做為基底，然后收集水體環境中的細菌，再經過化驗研究確定各種生物數據，以此來比較全面、精確地評估被測水體環境中的污染情況。在具體使用的監測方法上，由于微生物監測方法的不斷完善，相關的監測手段也比以往也有著不同程度的變化與革新，監測結果的準確水平也大大提高。此外，通過對微生物監測設備進行合理調整，其測試效率和精確水平也能夠獲得有效提高，并與現代計算機技術相結合，從而能夠更加合理地研究出細菌種群的發展變化及其規律，從而使得測試的結果更為真實、可信。

（四）生物行為反應監測方法

生物行為反應監測技術，是指利用海洋生物在受到水污染影響時所引起的趨利避害性的反應變化來判斷水體環境污染狀況，從而判斷水體環境污染的嚴重程度，并針對水體環境污染狀況進行做出警示的技術。在水體監測中所使用的生物行為反應監測技術的主要海洋中生物種類包括了魚、雙殼軟體動物門生物、水蟲類等，以斑馬魚這種水體的生物行為反應監測技術為例，由于當水體中發生環境污染以后，斑馬魚往往能夠在數分鐘之內就顯示出行為反應，所以我們也往往利用斑馬魚進行海洋的淡水生態監測。雖然魚類通常被我們用來在淡水條件下進行監測，但在海洋中則通常是通過雙殼類生物活體來監測對水體的環境污染狀況并進行生理反應。例如，可將電磁傳感器技術運用于貽貝雙殼移動情況的測量項目上，也可利用高頻的電磁感應器技術來測量貝殼類物體的移動。

（五）生物傳感器監測

該項技術的關鍵屬于生物傳感器，通常情況下其由兩部分構成，對于識別元件來講，其中存在一系列的活性物質，比如抗體以及細胞等，而對于轉換器部分，包含較多的分析工具，主要有光敏管以及氧電極等。這項技術利用生物體的靈敏度，來改變電子信號，使其能夠充分地反映環境的污染狀況。這種技術有很多優點，既可以縮短分析的時間，又可以保證準確率，并且更加精確。現在有很多種傳感器，比如DNA。從水質的角度來看，苯酚的監測通常采用BOD和微生物傳感器。前者主要依靠溶解氧的濃度，來判斷水質，在試驗中，這種方法被廣泛應用，但在實際應用中，它的適用性并不是很好。利用微生物傳感器，對苯酚的監測，可以在很短的時間內，準確地測量出苯酚，再加上這些數據，可以更好地了解相關地區的環境。同時，通過對活性劑型傳感器的合理使用，可以達到污染物監測的目的。

（六）基于底棲動物和二棲動物的監測方法

在進行的水體環境監測活動中，也可通過對底棲動物或者二棲動物的監測技術，對水體環境中的是否有底棲動物和二棲動物，及其種類的多少來監測水體環境狀況。同時通過對底棲動物和二棲動物的監測技術還可以將種群多樣化水平，以動物的BI指數及其他指標作為監測參考，這樣可以使得環境監測工作更加的科學全面。可充分利用二棲類哺乳動物的行為改變狀況及其各種生態因素改變狀況把被研究的水體環境的水體質量監測起來，特別是對哺乳動物的健康狀況進行監測后，可以實現對水體生態因子的改變狀況進行深入的了解。通過底棲哺乳動物和二棲動物的監測技術可以實現對水體環境的水體改變狀況進行深度的研究。

三、提高城市飲用水環境保護中，生物監測技術與應用水平的能力措施

（一）發展和構建生物監測的規范制度

當前，由于中國的生物監測技術與西方國家相比還存在著不少的差異，所以為了提高生物監測技術在中國的使用效益，中國的職能部門一定要針對中國的實際狀況，構建和健全生物監測規范管理體系，以立法的方式，把生物監測融入環境監測的管理體系當中，從而使得生物監測技術能夠進行規范化、標準化的實施。

（二）構建自動在線生物監測系統

逐漸拋棄以往低效率、偏差大的人工采樣模式，運用先進科技建設生物監測自動在線平臺，可以提高生物監測的質量，使生物監測成果具有準確性，為后續的環境治理項目的實施創造重要的決策依據。

（三）構建生物監測早期預警系統

現階段，由于中國工業產品的高速增長，部分企業公司為了謀求經濟利潤，卻未能對排放物進行嚴格的管理，加上中國環保監管措施尚未健全，使得很多的自然環境受到很大的破壞。所以，正確、合理地建立生物監測早期預警系統，才能有效對水體環境污染狀況做出正確的警示，防止環境污染范圍的擴展。

（四）建立生物監測數據

隨著網絡信息技術的不斷完善，將安全監測資源加以匯總歸集，并將安全監測資料保存在網絡平臺中，不但可以及時協助相關工作人員查找安全監測資源，同時可以通過數據變動情況了解水環境的污染趨勢，進而使整治工作的實施具有針對性。此外，通過分析環境監測數據與生物學監測指標，從中掌握各種生物學在各個季節，以及機體中污染的積累水平程度，并得出監測生物學的經典表現和污染背景值，并列放在所設置的生物學信息庫中。

（五）尋找更多更可靠的監測生物

鑒于生態監測存在著具有巨大發展潛力的前景，相關組織或部門需要增加對生態監測技術研發方面的資金投入，以加強對生態監測技術的研發力量，以爭取發現更多、更加安全、更為經濟的可進行水質環境監測的生物技術，并嘗試將其運用于實際水質環境監測工作當中，使水質環境監測成果更為全面、精細化。

（六）消除差異性

在使用生物監測技術進行水環境監測的過程中，要綜合水體特征、指示生物的實際生長狀態等各項動態性因素進行周期性的測試。要打造階段性的測試方案，結合不同的變量因素進行多次調整，還應當適當地增加樣本的數量，這樣能夠提升監測結果的可信度。另外針對不同季節以及不同地區的水環境進行監測時，可以在前期進行小規模的試驗，明確監測頻率以及具體的生物反應程度，這樣再結合不同地區的實際特點打造針對性的監測標準。依托這樣的階段性以及區域性監測體系，構建全國以及全世界數據監測生態網，確保所有的數據信息具有普適性以及典型性，這樣才能夠進一步消除地域差別以及個體差別，為生態技術監測體系的應用，提供更多可能性。

（七）提高針對性

要解決這些問題，必須建立健全的生物監測與分析系統，并建立監控系統，從生物分子到生物群落的各個層次進行監控。這樣既保證了生物監測技術的針對性，又保證了一些特殊情況的分析，從而提高了監測的準確性和可靠性。

（八）增強可持續性

這就需要著重研究利用生物技術建立的生態修復技術，并利用微生物和其它生態系統來實現水環境的修復。比如，在海底種植一些水生植物，然后選擇合適的種類和數量，形成一個可循環的海底生態系統。為水生植物的生長創造有利的生長條件，加強水體水質的監控與管理；利用海底生物的培育、生產者與消費者的建立，建立起一個可持續發展的自然生態系統。此外，還應加強水生生物的生境保護，開展稀有、瀕危物種的研究與人工干預。根據不同的農村和城市，制定相應的生態修復產業和治理方案，既能提高生物技術的實用價值，又能促進社會經濟的發展。

四、生物監測技術在水環境中的應用展望

（一）借助遺傳毒理學監測水體污染

單細胞凝膠電泳技術指的是一項通過對細胞DNA鏈損傷程度的監測，并評估遺傳危險性的技術方法，這項監測方法在實際操作過程中尤為突出。由于在通常狀態下環境中的遺傳毒物含量相對較少，通過單細胞凝膠電泳會分析出低濃度的毒性或有害物質。再有，SOS顯色技術同時也是目前基因毒性監測的最新技術，基本原理如下:當DNA分子結構在外界范圍破壞與控制的情況下會發生錯誤的，這樣的基因毒物處理后所發生的反應就被稱作是SOS應答。SOS的方法具有監測靈敏、快捷、簡單的優點。

（二）分子生態毒理學監測水體污染

分子環境毒理學檢驗技術運用了最先進的分子生物學檢驗技術，通常被我們用于分析環境污染物的主要代謝物和細菌中大分子的代謝作用，并以此尋找作用的目標分子，以便于有效預測其個體、物種、群體等的基本狀態。隨著現代科技的進展，生物體中膽堿酯酶活力測定已逐步演變為海洋、淡水水體環境污染監測的一項常規手段，因為海洋環境中有機磷殺蟲劑、氨基甲酸鹽殺蟲子分子結構與水域環境中生物分子之間的高度相似性，因此可以和生物活性中心結構發生不可逆的融合，進而有效控制酶活力，從而更精確地判斷生物體在殺蟲劑、毒性有害的污染物質中的暴露狀態。

五、結束語

隨著技術的日益提高，現階段的技術更加全面，并且在各個領域均有廣闊的應用。生物監測是一種很重要的測試技術，對中國人體的未來發展具有重大影響。但現階段生物監測技術還面臨一些問題，有關人員必須關注問題所在，并采取相應措施處理，以發揮生物監測的優越性，同時還需要對該領域關鍵技術加以研究，為中國的未來發展做出良好基礎。