生物監測技術在水環境監測中的應用

曹如星

（甘肅省嘉峪關生態環境監測中心，甘肅 嘉峪關 735100）

引言

我國近些年發布的《生態環境狀況公報》信息顯示，對于我國水體環境產生污染現象的主要污染物，包括化學需氧量、高錳酸鉀指數和總磷等。水體環境作為生態環境系統的重要組成部分，對于人們的日常生活以及飲用水都會產生十分顯著的影響。在我國提倡生態環境與經濟社會協調發展的背景下，水環境監測已經成為我國生態環保部門日常工作的重要組成部分。為了得到水體環境的精準污染監測結果，必須根據經濟社會的發展，選擇現代化的監測技術。相較于物理和化學監測技術，生物監測技術的整體成本投入能夠得到控制，并且在監測過程中不會因為各種物理和化學反應對水體產生二次污染。因此，生物監測技術成為現階段我國水環境監測工作的主要技術手段。本文通過研究分析水環境監測工作中生物監測技術的實際應用，為該項技術在環境監測工作中的推廣普及提供參考。

1 生物監測技術概述

1.1 技術原理

水體環境是整個生態系統的重要組成部分，在該環境體系下的生物種群之間保持著一種相互制約、共同發展的關系，使得整個水體生態系統能夠維持動態發展的狀態[1]。污染物在進入水體環境后，會利用自身物質形態對生態系統產生影響，并且這種影響會隨著食物鏈傳入其他生態系統中，在影響水體原生生物成長發展的同時，生物彼此之間的制衡關系也會逐漸被打破，從而出現各種連鎖反應。實際上，生物監測技術便是利用各種水生指示生物對水質的變化進行監測，部分生物對水體中污染物的含量變化會產生十分明顯的應激反應，這也是目前水環境監測中常見的指示生物，以浮游生物、底棲生物和微生物為主，這些指示生物也是生物監測技術得以應用的主要媒介。監測人員可以根據指示生物的類型及存活數量的變化，對水質狀況及時做出判斷，并且可以根據指示生物的實際種類，對于引發水污染現象的污染物種類以及水污染事件發展程度進行分析。

在水環境監測工作中，生物監測技術能夠利用水生生物的反應變化，針對水體中的某一種或者多種污染物同步進行監測和管理，幫助監測人員對不同劑量化學物質影響下的水生生物的反應進行觀察和研究，部分水生生物會出現活性降低甚至死亡的現象。監測人員可以根據水生生物在活性、數量方面的變化，描繪出水生生物污染物的具體種類以及狀態變化曲線，對水體污染物的危害進行分析[2]。

1.2 技術優勢

生物監測技術是一種在水環境監測過程中立足于生物學層面利用多種水生生物對具體污染物種類以及污染發展程度進行監管的現代化監測技術。以目前國內技術體系的發展來看，生態環境監測技術中所使用的生物種類存在明顯的不同，代表監測技術的分支發展較為快速，該項技術同樣加入了生態動力學方面的專業知識，能夠幫助監測人員針對不同水域的實際污染狀況全方位進行調查和分析。

相較于傳統的物理和化學水環境監測方法，生物監測技術在應用過程中逐漸體現出如下幾點優勢：一是長期性優勢?？紤]到生物監測技術是以生活在水體環境中的各種指示生物作為主要的監測媒介，意味著生物監測技術能夠在水環境監測過程中連續進行取樣，確保水環境監測工作能夠長期進行，有助于促進水環境監測工作的動態化日常化發展。二是多元性優勢。物理、化學的水體環境監測技術無法針對外源性化學物質進行全面監管，生物監測技術則可以對這類化學物質進行監測，并且對于外源性化學物質進入水體之后產生的細微影響也能夠利用指示生物的變化進行研究。三是綜合性優勢。在不同水體環境中長時間存在的指示生物會與多種類型的污染物頻繁進行接觸，并且多種污染物在混合進入水體后會產生明顯的協同效應，從而威脅到水體環境的穩定性以及生態群落的均衡性[3]。在水生生物長時間接受混合污染物協同作用的情況下，能夠幫助監測人員通過觀測生物活性水平及數量，反映水體污染物種類以及具體含量。

2 用于水環境監測中的常見生物監測技術類型

對水環境的監測和保護是我國生態環境工作體系的重要組成內容，生態監測技術的應用可以幫助監測人員利用各種科學依據和技術對水生生物的活性反應進行觀察，準確評估造成水體污染現象的主要污染物種類和含量。水生指示生物的數據匯總能夠形成水環境質量控制工作必要的理論體系。生物監測技術能夠幫助監測人員在實時觀察污染物種類、數量具體變化以及危害程度的前提下，及時采取相應的措施進行處理和控制，確保水環境污染現象帶來的危害能夠降到最低?？傮w看來，目前我國的生態監測技術多元化特征十分明顯，這與我國經濟、技術、資金等方面的支持有著密切的關聯，大致可以分為如下幾種類型。

一是指示生物監測技術。該項監測技術是以生而有之作為主要的工作原則，水體中的各種微生物和生物對于水環境中的污染元素變化十分靈敏，一旦出現了嚴重污染現象，指示生物很有可能會大規模出現活性降低以及死亡的現象。比如，監測人員能夠通過水體中分布較為廣泛的搖蚊幼蟲和浮游生物滅亡的次數和程度，對水環境的總體質量以及污染物種類進行研究和分析。

二是群落結構監測法。從某種程度上看，在特定的地域范圍內，水體內部的群落結構彼此之間保持著一種相互依存、和諧發展的關系。對于水生環境生成的群落結構而言，一旦水體遭受污染物的影響，群落結構發生變化是不可避免的。通常而言，水體中的生物群落結構如果受到有機物的嚴重污染，或者是附近區域的含氧量明顯降低，整體結構就會以抗低溶解氧的特征為主，如果群落結構所處的水體環境質量優秀，則水體物理性狀和化學性狀會得到明顯改善，這也為國內水環境監測和保護工作的實施提供了技術支持。

三是生物測試技術。這種方法以污染物進入水體之后，水生生物遭受毒害時產生的一種身體機能變化為核心，監測人員可以根據生物在機能方面的具體變化，對當地水污染的狀況以及污染物的種類進行衡量和分析。這種生物監測技術可以在單一污染源頭的監測工作中應用，同時也能夠聯合其他監測技術，對于復雜因素誘發的水體污染現象進行監測。

四是殘毒監測方法。如果水生生物長時間處于污染嚴重的水體環境中，體內會出現污染物殘留物質被大量吸收的問題，并且這些物質可以經過水生生物自發的吸收、消化、再分配等環節，以固定形式在生物體進行儲存，相關人員可以將這些生物作為水環境監測研究的對象，針對水生生物體內殘留的各種有毒有害物質的種類和含量進行研究和分析，還可綜合使用熒光分析、紅外光譜技術等多種方法獲得精準的數據，以此判斷當地水污染環境的發展狀況，并生成針對性控制和處理方案。

3 生物監測技術在水環境監測工作中的應用領域

3.1 用于水體中微生物群落的監測

因為水體環境中分布著微生物、底棲生物、兩棲動物、浮游生物等多種生物類型，生物監測技術在應用的過程中可以針對微生物對象進行全方位的監測，并且對象具有群落均勻、細菌豐富等多方面的優勢。發光細菌和魚類共生發展的費氏弧菌在水體環境中廣泛分布，發光細菌的發光量與其內部的發光酶系統有著直接的聯系，本質上，發光酶是一種異二聚體蛋白質，一旦這類物質受到污染物影響，細菌的發光水平將會明顯下降，這也代表發光細菌在水環境監測工作中有著十分重要的指示意義，且已經成為當下水體環境監測工作的重要衡量指標。一般而言，監測人員針對污染物的毒性也可以利用發光細菌進行量化處理，量化的對象是3～5分鐘之內的污染物急性毒性，或者是12～24小時之內的污染物慢性毒性。發光細菌本就是水環境監測過程中不可或缺的全新環境指標，能夠幫助監測人員快速掌握附近區域的水體污染狀況以及環境容量，發光細菌同時也在飲用水系統的毒性測定以及海洋沉積物的水質監測兩項工作中逐漸普及。

3.2 用于水體中生物反應行為的監測

水生生物對污染物產生的行為反應同樣可以幫助監測人員對目標水體的水污染具體狀況以及污染物種類進行全面分析。生物監測技術是以水生生物的趨利避害行為或者是生理機能方面的轉變作為基礎，幫助監測人員衡量不同水域的污染狀況，對其中的主要污染物類別和具體含量進行判斷。一般而言，生物監測技術將魚類和雙殼軟體動物作為主要監測對象，魚類生物也是當下水環境監測工作中比較常見的一類指示生物，比如斑馬魚對于水體質量變化的敏感性遠超其他魚類，只要水體環境受到了一定程度的污染，斑馬魚便會在行為方面出現與之相對應的表現，同時，從基因層面來看，斑馬魚和人類的基因有著較高的相似度，以斑馬魚作為樣本獲得的監測結果完全可以在人類群體中使用。以目前生物監測技術的發展來看，相關人員能夠針對斑馬魚使用半靜態法進行環境監測，并最終得出銅離子、鉻離子等對斑馬魚帶來的危害，主要因為斑馬魚體內分布著數量較多的過氧化氫酶CAT，其活性水平與重金屬離子的濃度有著明顯的關系。

此外，監測人員也可在生物監測技術應用的過程中，重點觀察水體污染對鯉魚帶來的影響，可以根據鯉魚的實際呼吸情況，客觀分析水體污染程度。監測人員在劃分生物毒性疾病的過程中，選擇將時間作為變量指標。通過組合使用多種小型魚類，將其放在污染廢水的原液中，以其達到半致死狀態的時間作為標準，判斷水體環境的污染狀況。一般而言，大部分在水體環境中生存的魚類，都能夠作為水環境監測工作的重要指示生物。有關海洋環境的監測通常會利用雙殼類生物活體的生理機能受害表現進行判斷。比如，以目前的海水環境監測工作來看，電磁感應技術能夠在貽貝兩邊殼體的距離監測工作中應用，監測人員可以在分析貝殼間距的情況下，對于水環境污染狀況做出客觀判斷。

3.3 用于底棲動物和兩棲動物的監測

底棲動物和兩棲動物同樣是水環境的重要組成部分，一旦水體受到污染，這些動物也會出現行為方面的表現差異。監測人員可以針對底棲生物和兩棲動物在水體環境內的形成、滅亡以及總量狀況，對于不同區域的水環境質量水平進行分析?？傮w而言，針對底棲動物的3類廣泛應用的水質生物衡量指標是Saprobic指數、BI指數及群落多樣性指數，并且前兩項已經成為西方發達國家水質生物評估的關鍵指標。但我國在生態環境監測技術應用的過程中，尚未形成與之對應的生態建設標準，一般都會選擇使用底棲動物的完整性對各個水體的生態環境質量進行監測與衡量。因為底棲動物和兩棲動物在水體環境中的生存有著連續性，觀測取得的各項數據也具有連續性特征，能夠進一步提升監測數據的精準性和科學性。此外，監測人員可以通過實時觀察兩棲動物和底棲動物的生理機能和行為狀態的改變，形成較為完善的水污染環境處理方案。

3.4 生物傳感器的應用

隨著我國生物監測技術的持續發展，生物傳感器得以在水環境監測工作中逐漸普及和應用。傳感器系統最先使用于醫療行業，在現代技術體系的加持下，逐漸成為生物學領域研究不可或缺的重要技術方法。生物傳感監測技術是以現代化的生物傳感器作為核心內容，具體包括分子識別和轉化兩個組成部分，前者是以酶、抗體、抗原、微生物活性等為主，后者則包括了氧電極、光敏管和場效應管等部分。在對水環境污染物進行監測時，生物傳感器憑借自身在監測結果精準性、效率等方面的優勢得到推廣和應用。生物傳感監測技術可以在水環境出現變化的情況下，將生物發出的反應信號轉化為電信號，通過放大處理幫助相關人員及時觀察水環境的污染程度。在目前的環境污染物監測工作中，生物傳感器的作用逐漸凸顯，體現出專業性強、分析迅速快、準確度較高等價值。在水體環境監測工作中，生物傳感器的應用是以BOD生物傳感和微生物傳感測量水體中的酶數量，前者能夠對水中的溶解氧濃度數值進行全面分析，但依舊處于實驗室的研究階段。微生物傳感器監測則能夠快速地檢查化工企業污水中的酚含量，并根據最終的監測結果詳細描述整體的水質狀況。

3.5 用于水環境評價及標準制定

我國利用生物監測技術開展水環境監測工作的最終目標是為了幫助各級環保部門在掌握當地水環境真實狀況的前提下，及時出臺相應的管理方法，控制水污染事件。正因如此，生物監測技術能夠幫助監測人員客觀判斷水生生物種類以及群落的具體生長和行為反應狀態，對其中的礦物質含量、污染物含量變化進行分析，在得出導致當地水環境污染的主要原因的前提下，給出客觀性的評價結果，提出針對性的解決措施。此外，在我國水環境質量保護標準制定的過程中，生物監測技術也有著十分廣泛的應用，能夠幫助我國的生態環保部門在精準數據的支持下，發現誘發水污染現象的主要因素，并通過檢查水體中不同污染物的含量，對水污染環境的具體狀況進行評價，根據監測得到的具體數值，形成完善的水環境標準，幫助環保部門在數據標準支持下開展保護工作。

4 結語

水環境監測是我國生態環境監測工作的重要內容，物理和化學監測技術在監測結果以及環境污染方面都有著明顯的劣勢，生物監測技術則是以水體中存在的各種水生生物作為主要監測對象，在監測的連續性、結果精準性方面有著明顯的應用優勢。指示生物監測、群落結構監測等多種方法已經在水環境監測工作中逐漸普及，并且能夠對微生物、水生動物行為反應以及底棲和兩棲動物進行實時監測。生物傳感器能夠幫助監測人員獲得精準的監測結果，判斷污染的具體狀況以及誘發水體污染現象的主要污染物類型，形成完善的環境指標以及應對策略。今后，我國生態環保部門需要根據各個區域的經濟發展狀況科學選擇生物監測技術，運用精準的監測結果，提高我國水環境保護以及監測工作的質量和效率。