生物監測技術在水環境監測中的應用

寧 梅

（遼寧省丹東生態環境監測中心 遼寧丹東 118000）

引言

水環境治理對于居民生活、經濟生產有著深遠影響，是提升用水安全，降低用水成本的重要舉措。2021 年，全國地表水I～III類斷面比例達到84.9%，同比增長1.5%，339 個地級及以上城市中，有218 個城市水體質量達標，占64.3%，同比上升3.5%。實際工作中，應當著眼于水環境治理的總體定位，嘗試進行技術創新，通過引入生物監測技術等現代化手段，借助監測技術科學化、多元化運用，推動水環境監測現有工作機制轉型升級。

1 水環境監測與生物監測技術概述

分析水環境監測與生物監測技術構成，厘清技術特性，細化技術體系，為后續生物監測技術合理化應用，水環境監測體系科學構建提供便利。

1.1 水環境監測概念

從以往經驗來看，水資源在區域經濟發展、水體生態保護方面發揮著引導約束、協同保障等系列作用，是提升水生態環境空間布局合理性，增強生態承載力的重要舉措[1]。良好的水生態環境對水資源配置及利用有著深遠影響，為構建良好水生環境，實現水體污染治理、水體環境修復等工作的有序開展，水環境監測將水資源作為研究對象，借助物理、化學、生物等多元技術手段，完成污染物類型、組成成分以及濃度體量綜合分析，實現對水環境變化規律的精準把控。

1.2 生物監測技術概念

生物監測技術在遵循生物學規律的基礎上，監測生物與環境之間的關系，評價水體污染情況。在實際應用環節，其可以集中反映出監測對象于某一時間周期內的污染程度，客觀體現污染物對水體環境的綜合影響，監測結果更為客觀、全面，在很大程度上滿足了現階段水環境監測工作的開展要求。與物理監測技術、化學監測技術相比，生物監測技術在實際應用環節體現出靈敏度高、經濟效益好等優勢。多數情況下，物理監測、化學監測需要在污染物達到一定濃度時才可進行，具有明顯的局限性。而生物監測技術靈敏度高，可在污染物濃度較低的情況下，迅速識別污染物類型、濃度以及體量等基礎性數據，確保技術人員快速完成相關監測任務。生物監測技術充分利用生物學規律，借助污染物在食物鏈中的積累效應，通過長期監測獲取污染物來源，輔助相關部門制定水環境治理方案，確保決策的有效性與精準性[2]。

2 生物監測技術在水環境監測中的應用原則

生物監測技術在水環境監測中的應用需從實踐角度出發，以科學性原則與實用性原則為導向，框定監測流程，增強生物監測技術應用的指向性，構建生物環境監測體系。

2.1 生物監測技術的科學性原則

為有效發揮生物監測的技術優勢，實現技術資源、人力資源精準調配，及時應對水體環境監測環節暴露出的短板與問題，應當在技術體系謀劃、設置、應用環節，遵循科學性原則，將生物監測技術的安全、平穩、高效應用作為基礎與前提，堅持目標導向，避免監測方法選擇不當，影響生物監測技術應用水平，應當消除干擾因素影響，增強水體環境監測的科學性與有效性，以更好地服務水體環境治理、生態修復等相關工作。

2.2 生物監測技術的實用性原則

為不斷提升生物監測技術的應用效能，應當在相關技術應用環節遵循實用性原則，多角度出發，立足水體環境監測既有屬性，著眼監測技術原理，評估生物監測技術應用方案可行性。技術人員對于生物監測技術方案的制定，應當采取更為審慎的態度，從效率提升、精益管理等角度出發，確保生物監測技術有效性，充分滿足水環境監測的相關要求。

3 生物監測技術在水環境監測中的應用路徑

水環境監測環節，應當嚴格遵循生物監測技術規范，通過生物監測技術介入，全面強化環境監測能力，為水環境治理與保護提供相應支撐。

3.1 發光細菌法在水環境監測中的應用

發光細菌法充分利用非致病性革蘭氏陰性兼性厭氧菌的生物學特征，根據細菌發光強度完成污染物危害性判定。作為現階段較為成熟的生物監測技術，發光細菌法在實際使用過程中表現出良好的環境適應性，可以滿足多種水體環境下的污染物監測要求，具體監測原理如圖1 所示。

圖1 發光細菌法監測原理

利用發光細菌法開展水環境監測的過程中，技術人員應當做好細節處理，嚴格按照操作要求，根據測定對象的不同，采取差異化處置方式。

3.1.1 新鮮發光細菌培養物測定法

使用新鮮發光細菌培養物測定法測定水環境時，技術人員要將發光細菌接種到液體培養皿中，在20℃的溫度條件下，連續通氣培養12h，通氣結束后，利用緩沖液進行稀釋處理，當稀釋后的菌液濃度達到要求后進行測試，讀取發光強度，判定水體環境等級。

3.1.2 發光細菌和藻類混合測定法

監測過程中，部分污染物雖對發光細菌無明顯毒害作用，但對水體環境中的藻類、魚類等生物危害性較強，為應對這種情況，技術人員可以采取發光細菌和藻類混合測定法，將培養好的發光菌懸液與藻類懸液充分混合后，測定發光菌的發光強度。

3.1.3 發光細菌冷凍干燥制劑測定法

由于污染物會破壞藻類正常光合作用，導致水體內氧氣含量持續降低，進而使發光菌放光能力受到削弱，因此技術人員可以選用發光細菌冷凍干燥制劑測定法。該方法在應用前，技術人員需將提前制成的發光細菌干燥粉劑使用緩沖液進行保溫平衡處理，處理周期控制在5～10min，使得發光細菌恢復到正常生理狀態，達到監測要求。

3.2 微生物群落法在水環境監測中的應用

微生物群落法主要借助真菌、藻類以及原生動物的生物形態，通過監測對象出現頻率或相對數量獲取有關信息，借助數學統計方法，計算分布指數，從而判定水體污染程度。經過長時間探索，微生物群落法日益完善，可根據不同監測需求，靈活選擇污水生物系統法、生物指數法、PFU 微型生物群落檢測法，通過對不同微生物群的定向選擇，獲取水體污染有關數據，完成相關監測任務[3]。同時，為保證監測結果的準確性，在微生物群落法應用過程中，技術人員可以使用克隆文庫方法進行分析，克隆文庫方法是基于DNA 提取，16SrRNA 基因擴增和序列測定。16S rRNA 基因可以作為多樣性研究的一個標記分子，因為它是所有微生物細胞的重要組成部分，具有高度保守的引物結合位點和高度易變的可供特定微生物鑒定的特異性位點。鮮有證據表明16SrRNA 基因在物種間進行水平轉移。克隆文庫方法有很多優點，如簡單易行、可操作性較強、實用水平較高；使用引物可以不必對微生物種的背景知識進行了解；微生物群落能夠進行聚類分析；實現對水體環境的全方位監測以及分析，排除干擾因素對于監測活動的影響。

3.3 生物行為反應監測法在水環境監測中的應用

生物行為反應監測法主要通過評估生物反應行為，論證水體污染程度，計算水體污染物安全濃度，并進行相應預警，輔助水體環境治理工作的開展。生物行為反應監測技術主要使用斑馬魚、水蚤[4]，這2 類生物對水質要求較高，對絕大多數污染物有著較強應激反應。以國內某科研團隊為例，其在水環境監測過程中，使用斑馬魚作為指示生物，聯合半靜態方法持續監測水體環境中的重金屬污染程度，經過長期論證與研究，發現斑馬魚聯合半靜態監測的方式對銅離子、鉻離子有著較強的監測能力。對于海洋水體的監測，往往選擇雙殼生物作為主要監測指示生物，通過電磁感應技術掌握貝類活動規律，結合規律變化情況，判定水環境質量，確保監測工作穩步有序開展。

3.4 生物傳感器監測法在水環境監測中的應用

生物傳感器監測法主要借助生物傳感器，將水體污染物進行精準識別，完成生物分子層面的污染監測。在各類技術支持下，該方法可以完成水體內生物酶、抗體、抗原、微生物、細胞等生物活性物質的識別，根據生物活性物質識別情況，判定是否存在污染物。為更好地提升監測效率，確保監測準確率，技術人員往往使用氧電極、光敏管、場效應等設備，將生物信號轉化為電信號，通過對電信號有效捕捉，快速判定環境污染程度。在生物傳感器監測法應用過程中，技術人員要根據使用場景的不同，選擇免疫傳感器、DNA 傳感器以及細胞傳感器等硬件設備。由于技術對精密度要求較高，生物傳感器監測法更多情況下偏向于實驗室研究，使用場景受限，在實際應用環節，需要靈活調整技術方案，提升技術應用成效。

4 生物監測技術應用要點

考慮到生物監測技術原理與應用場景，要準確把控技術要點，著眼關鍵環節，創新生物監測技術路徑，滿足水環境監測要求。

4.1 調整生物監測技術思路

為確保水體環境生物監測技術工作高質量開展，消除潛在認識誤區，準確把握監測技術要點，技術人員要通過結合實際、案例研究等方式，快速轉變傳統工作思路，從新的視角、新的思路，把握生物監測技術主體架構，確保各項工作穩步開展。同時，要組織相關業務培訓，依托專業知識培訓，幫助技術人員更新知識架構，對水體環境生物監測技術工作形成全新認知，既明確生物監測技術的重要作用，又厘清生物監測技術的基本要點，增強生物監測技術方案的可行性。

4.2 構建綜合化監測機制

生物監測作為水環境監測的重要組成，有效彌補了物理監測技術與化學監測技術的不足，增強了水環境監測的全面性與精準性。但必須清楚地認識到，水生環境下生物生長及分布差異較大，同一種生物對于污染物的反應時間、反應強度也會表現不同。基于這種情況，在生物監測技術應用環節，為最大程度地提升生物監測結果精準度，技術人員需在科學性原則指導下，結合水體特征、指示生物生長狀態，來靈活判定測試周期，避免因測試周期選擇不當而影響最終監測結果。考慮到水體環境多樣性，技術人員需要盡量增加樣本數量，通過監測樣品數量的提升，確保監測結果可信度，降低檢測誤差。

4.3 提升數據信息共享能力

為應對現階段水環境監測中信息數據共享不及時等問題，生物監測技術應在開展常規性監測任務的同時，嘗試拓寬技術應用范疇，積極搭建生物監測數據信息平臺，通過信息共享體系的有效介入，給污染物源頭分析、生態修復平穩推進奠定堅實基礎。著眼于這種目標定位，嘗試利用大數據技術的信息獲取優勢，借助各類軟件，開展項目施工進度追蹤，實現施工信息實時更新。設立生物監測數據采集層、生物監測數據存儲層、生物監測分析挖掘層、生物監測業務應用層等系統模塊，搭建生物監測技術平臺。具體而言，生物監測數據采集層借助大數據技術完成外部數據導入、項目特征提取以及監測技術生物監測提取等工作，通過上述工作的合理化應用，確保核算數據真實性，避免數據缺失。考慮到整體污染物監測數據較多，信息獲取難度相對較大，可在數據存儲層構建環節，通過分布式數據庫、知識庫及溯源庫等結構，開展數據中轉，為后續軟件的使用提供數據支持。北京、上海、廣州等地區，在生物監測技術應用環節考慮到自身城市規模體量以及用水安全，將大數據技術與生物監測技術有機融合，通過技術協同化運用，穩步增強水環境監測數據處置能力，大大縮短水環境監測周期，提升監測效率，平衡成本投入。

結語

水環境監測可對區域水體資源合理開發與高效應用提供技術支持，為持續提升監測能力，本文以生物監測技術為切入點，著眼于系列技術概念，在科學性原則與實用性原則框架下，采取有效舉措，改進和創新生物監測應用路徑。