水生生物监测技术应用分析

魏 民 ，尤世界 ，郑国臣 ，周绪申 ，李 环 ，刘 巍 ，张 蕾

（1.松辽流域水资源保护局，吉林 长春 130021；2.城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150090；3.水利部海河水利委员会，天津 300170)

1 引言

随着人类活动对河湖污染的加剧，河湖水生态环境退化日趋严重，河湖生态健康评估受到广泛关注。河湖健康是描述河湖功能的状况，通过物理、化学、生物和生态学等方面进行监测，涉及的研究领域宽、内容多、影响因素复杂，现有的理论和方法有待完善。河湖健康的评估始于水质的监测，最早只有生化需氧量、化学需氧量和浊度等几项指标。随着工业的发展，废水大量进入水体，又引入了有机物、重金属、氮、磷等指标。理化分析法检测准确，但只能反映特定条件下的水体状况[1]。并且河湖中的多项化合物参与的各种复杂作用(如协同、拮抗作用等)，给河湖水质理化指标的监测带来巨大困难。由于水生生物是水生态环境中的重要组成部分，直接反映了环境变化对生物的危害程度，有效实现水环境监测目的，因此，开展水生生物的监测已势在必行。

水生生物评价法的优势主要有∶

1）理化指标的监测只能在特定条件下检测水环境中污染物的类别和含量，而生物监测可以反映出多种污染物在自然条件下对生物的综合影响。

2）理化监测只能代表取样期间的污染情况，而在一定区域内生活的生物，却可以将长期的污染状况反映出来。

3）与理化监测相比，生物监测更具多功能性，因为一种生物可以对不同的污染物产生反应而表现出不同症状，可以有效简洁的明晰污染物类别及来源。

4）生物处于生态系统中，通过食物链可以把环境中微量有毒物质予以富集，当到达该食物链末梢时，可将污染物浓度提高达数万倍，因此，通过对富集污染物后的生物进行监测，能更好的评价河湖的健康水平。

5）某些监测生物对一些污染物非常敏感，它们能够对微量污染物产生反应，并表现出相应受损伤的效应[2]。

尽管水生生物在河湖健康评估中起着关键性的指示作用，它本身也存在着许多不足：①目前我国很多河湖的外来生物入侵，有些水生生物的特异性不够显著，且部分指示生物在实际环境中灵敏度不够；②特定流域中水生生物种类的本底值的获取还比较困难，花费相当高；③水质的生物监测过程中，由于选用的是活体生物具有个体差异性，因此，水生生物监测出的结果未必可靠。因此，在监测和评价水体污染的过程中，需要把水生生物指标和理化指标的分析结合起来，建立综合监测评价体系以更好的评估河湖的健康水平[3]。

2 水生生物在河湖水质监测分析中的研究进展

自Lindeman发表水生生物营养动力学理论后，水生生物学就跳出原来水生动物、植物和微生物分类学的圈子，而趋向于生态系统的概念来研究水生生物在水生态系统的结构和功能，即越来越突出其生态学意义。国外的学者也从不同的角度研究水生生物在河湖中水质监测应用。例如：Pina[4]提出在未来的调查中需要重点研究淡水生态物种和类群，需要更好地理解不同物种基因组信息。Colombo[5]进行了全氟化合物对藻类、水蚤、大的胚胎、幼虫的虹鳟鱼、虹鳟的急性和慢性毒性方面的研究等。

近年我国关于水生生物的生态因子的研究有：①水中污染物在微生物铁载体与铁离子共存下的光化学转化机制；②淡水绿藻对典型环境雌激素类内分泌干扰物的去除机制；③氮浓度升高，对湖泊中螺类、附着藻类、沉水植物关系的影响及其机理；④多环芳烃/表面活性剂复合污染体系对小球藻生长的影响及机制；⑤重金属与有机弱酸碱类污染物复合体系对水生生物的联合毒性及作用机理；⑥紫外线对热带珊瑚礁海区浮游藻类光合作用的生态效应；⑦典型河口区外源磷的迁移转化及其对藻类生长的影响；⑧典型药物与个人护理品在水生生物体内的吸收、转化和净化代谢过程；⑨底栖藻类对浅水湖泊沉积物/水层磷循环的调节过程及机理：基于放射性同位素示踪研究；⑩内源磷非常态释放及其与水生生物的关系等。

针对不同的研究目的，选择合适的指示物种进行生态评价是获得可靠评价的基础。指示物种是在某种特殊环境条件很敏感的，因此可作为环境变化的早期预警指标。有些指示物种出现可以表明其他物种的存在，其缺失则表明了整个种群的缺失；它们在一个生态系统的出现或消失都会导致其他物种的多度和出现率发生重要变化；另外，指示物种构成了一个地区的大部分生物量或个体数量的优势物种，它们能反映生态压力影响的效果。一般来说，选择指示物种的原则包括：它们必须对被评价的环境条件非常敏感；它们必须能准确地对目标环境作出响应；它们的活动范围必须比其它生物的活动范围要大。近年关于水生生物区系分类方面的研究，主要包括：①中国大陆并殖吸虫淡水蟹类宿主动物起源；②中小型浮游动物的数字全息成像探测与分析方法；③养殖鱼类气单胞菌感染的病原追踪；④中国气生、亚气生藻类橘色藻科的区系；⑤湖南鱼类单殖吸虫区系分类；⑥田螺科的分子分类和进化；⑦中国淡水曲壳藻属分类学；⑧白洋淀湿地腹毛类纤毛虫的区系与多样性；⑨黄河三角洲淡水真菌中了与分布；⑩东、黄海海沿海不同纬度浮游动物优势种分布差异的成因分析等。

这些工作为开展河湖生态学研究积累了资料。但由于技术力量薄弱和经费严重不足，河湖生物监测工作在我国还没有很好地开展，至今仍缺乏对我国河湖水生生物群落结构特征的全面了解，尤其是不同流域中的指示物种的相关研究未能进行系统分析，选取一些对水生态系统有显著影响的物种作为指示生物，力求通过保护敏感生物来保护水生态系统的结构，从而保证健康的水生态系统。

3 水生生物学在水质监测的应用及展望

我国水生生物物种丰富，且分布很广。因此，针对不同的流域，需要建立相应的水生生物物种数据库。进而在线监测水生生物，才能更快的对比、分析、研究，以得出较好的监测结果。由于生态系统中同种生物在不同地域对污染物的耐受性的不一致，且生物不同的生长阶段对污染物也有不同反应，这些特点决定了在设计生物监测方案时，不仅要考虑水体的特征，还要研究水生生物毒理学特征，以提高河湖健康评估的可信度。

生物多样性高低是一个地区生态质量优劣的重要量度，生物多样性指数和各种指数早就被应用于水质的生物学评价。目前我国学者研究生物多样性指标评价的主要有：①小型浮游动物在我国近海浮游生态系统中的作用；②三峡库区地质成因富磷河流藻类多样性及初级生产力时空演变特征；③全球变暖对海洋微型浮游动物摄食浮游植物的影响；④长江和密西西比河，冲淡水区域碳酸盐系统和海气二氧化碳通量的比较研究；⑤马尾藻海藻场水生生物资源养护机制；⑥福寿螺入侵对稻田水体生物多样性的影响；⑦环渤、黄海山东沿岸潮间带藻生真菌物种多样性；⑧杨树人工林对洞庭湖湿地植物多样性的影响及机理；⑨南海浮游藻类脂类标志物和群落丰度关系；⑩福寿螺入侵对稻田水体生物多样性的影响及其作用机理等。应用多样性指数虽能定量地反映群落结构，但不能反映个体生态学信息及各种生物的生理生化特性，也不能反映由于水中营养盐类的变化，可能引起的群落的改变等，这些均有待进一步的完善。

水体富营养化是指在人类活动的影响下，氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。关于水体富营养化研究的内容主要有：①巢湖富营养化湖泊沉积物甲烷厌氧氧化作用；②水华拟多甲藻的孢囊形成和萌发机理；③富营养淡水环境中金属腐蚀后期反转加速行为与机理；④基于浮游植物色素反演的富营养化湖泊主要藻类遥感识别机理；⑤附植藻类在浅水富营养化湖泊沉水植被衰退中的作用及机制；⑥铁对富营养化湖泊典型藻类生长及光谱特征的影响；⑦湖库藻类水华形成机理建模与预测方法；⑧湖水游离细菌和附着细菌与藻类之间的营养偶联关系；⑨黄渤海低营养级关键鱼种对浮游动物的捕食及其时空变化；⑩城镇溪流底栖藻类和底栖动物群落的退化规律与机制研究等。

目前采用的水生生态毒理监测技术主要有鱼类毒性试验、水蚤类急性毒性试验、藻类急性毒性试验等。由于受到试验条件、技术分析方法等制约，不能对水生动物各种生理、生化变化原因进行全面定量分析，特别是低浓度水体污染物在短期内的生物学效应不明显。特征污染物对水生生态系统有潜在、长期的危害，最终影响种群结构、特性、物种个体的生理、生态、遗传等。因此，关于水生生态毒理对水生动物和其他水生生物潜在的、长期的影响值得进一步研究。如基于Abraham线性溶剂化方程研究可离子化有机污染物对水生生物的毒性。相当多的研究已经进行研究重金属、农药、抗生素，内分泌干扰物等对水生生物的影响;Maarten[6]评估在河流的重金属污染的影响，采用无脊椎动物和硅藻综合评价要优于单独使用生物群。由于生物体中的氧化蛋白质的含量是不会改变的，Amado[7]通过测定鱼类、微囊藻等总抗氧化能力的新方法研究其毒理的潜力。水质问题本质是水生态问题，由于河湖生态系统复杂，关于水生生物对水生态调控机理方面的研究也非常丰富。关于这方面的研究主要有：①水库浮游微型扁虫，对后生浮游动物群落的控制及其下行效应；②太阳光催化氧化对复合污染水源中藻类的控制效能及机理；③生物结皮中藻类分泌胞外聚合物的生态调控机理；④以滇池藻类生物为模版，合成太阳光催化产氢催化剂的研究；⑤在鲢、鳙捕食压力下的亚热带水源地水库藻类增长非线性动力学；⑥泥沙淤积对洞庭湖湿地植被演替的调控机理；⑦深水型水源水库藻类垂向被动迁移特性及取水调控；⑧淡水鱼体内多溴联苯醚的代谢过程解析及其代谢物污染现状与危害性；⑨藻类毒素污染暴露人群生物标志物；⑩淡水底栖藻类对磷的滞留作用等。

4 结语

水生生物监测是水质分析的重要方法。与传统的理化监测相结合，水生生物监测，体现其综合、灵敏的优势特点，但还需要从技术、方法等基础方面进行深入研究。水生生物监测要注意监测的连续性，对结果进行时间和空间的综合分析。还要加强生物多样性指标、富营养化问题、水生态调控机理、水生生物毒理学等方面的研究，为河湖健康评估提供更好的技术支持。

［1］Maxine Wright Walters,Conrad Volz,Evelyn Talbott,et al.Anupdatedweightofevidenceapproachtotheaquatichazard assessment of Bisphenol and the derivation a new predicted no effect concentration(Pnec)using a non-parametric methodology［J］.Science of the Total Environment，2011（409）：676—685.

［2］张远，张楠，孟伟.辽河流域河湖生态系统健康的多要素评价［J］.科技导报，2008，26(17)∶35-41.

［3］张丹，丁爱中，林学钰，等.河湖水质监测和评价的生物学方法［J］.北京师范大学学报(自然科学版)，2009，45（2）：200-203.

［4］BenjaminPina,CarlosBarata.Agenomicandecotoxicological perspective of DNA array studies in aquatic environmental risk assessment［J］.Aquatic Toxicology,2011（53）：10-19.

［5］C.C.M.Ip,X.D.Li,G.Zhang,et al.Heavy metal and Pb isotopic compositions of aquatic organisms in the Pearl River Estuary,South China［J］.Environmental Pollution,2005,（138）：494-504.

［6］Maarten De Jongea,Bart Van de Vijver,Ronny Blust,et al.Responsesofaquaticorganismstometalpollutioninalowland river in Flanders∶A comparison of diatoms and macroinvertebrates［J］.Science of the totalenvironment,2008,（407）：615-629.

［7］L.L.Amado,J.M.Monserrat.Oxidative stress generation by microcystinsinaquaticanimals∶Whyandhow［J］.Environment International,2010（36）：226—235.