生物技术在水环境监测中的应用研究

王瑞娟

（平凉市生态环境局华亭分局，甘肃 平凉 744100）

水体中的许多生物对水中污染物有较强的敏感性，当水体存在污染时，水生物就会在活动状态、生理指标、群落结构等方面发生变化，所以水环境监测工作可以充分利用水生物对污染物的灵敏性，选取藻类、细菌等作为研究对象，通过研究其生理表征来推测水体的污染程度及毒性。随着现代科技的发展，多种生物监测系统、信号技术、物联网技术等都广泛应用于水体生物监测技术中，因而提高了生物水质监测的准确性。

1 水污染情况及水环境监测

1.1 我国水环境污染形势

随着经济建设和科学技术的不断发展，我国工农业的生产能力大幅提升，但粗放式发展造成的环境问题也不容忽视。生产、生活中产生的废弃物、污水未经处理直接排放，会造成水源的严重污染。同时生活用水的排放量超出了环境的自净能力，而工业污水的随意排放也导致水体中的氨氮排放量等远远超出环境的承载范围。在农业生产技术不够发达的时期，农药、化肥过量使用情况极为严重，农业生产所排出的污水也成为我国水污染的重要来源，并造成了水体的富营养化。在污染环境中生存的水中生物，会随着食物链中毒素的累积，最终通过食品影响人类的身体健康。我国水污染灾害频发，运输事故、燃油泄漏等事故造成水体中的污染物质、有毒物质严重超标，污水中的这种有毒有害物质不仅影响了群众的正常生活，还导致土壤污染、生态系统破坏等一系列问题的出现，对环境造成了不可逆的损害[1]。

1.2 水环境的监测与分析

监测水环境质量的指标有很多，包括水的色度、气味、浑浊程度、杂质性质、细菌数量等，传统的理化检测方法是将重金属、悬浮固体、生物需氧量、溶解氧等作为水质监测项目，监测方法包括原子吸收法、电极电位法、离子色谱法等，使用的水质监测仪器包括气象色谱仪、红外光谱仪等。随着信息技术的发展，结合了物联网技术、计算机网络技术等技术手段的水质监测仪器、水环境监测系统等在我国水质检测工作中得到了广泛应用，大大提高了水环境监测的时效性和灵敏度。但常规的水质监测方法是对已知污染物进行监测，监测的污染物种类较多，而要研究污染物之间的共同作用则需要更复杂的实验，因而经济性与时效性不强，也难以对未知毒物进行检测。生物技术能够通过对活体生物行为状态的监测来反映水体性质的变化，并充分利用现代信息技术，将细菌、鱼类等多种水生物种类作为监测目标，以结果为导向判断污染物对水质造成的影响，弥补理化监测只能对单一物质进行监测且制约性较大的缺陷。

2 生物监测技术及其优势

2.1 生物监测技术及其原理

水体中的生物受到污染后，生物指标会发生相应的变化，利用生物监测技术对生物分子、细胞、组织器官、个体及种群展开不同水平的生物监测，并通过这些生物指标来完成对生物所处的水环境的综合性分析，最终得到对水环境质量的综合判断。水生物生活在水中，对环境的变化极为敏感，生物生活在受到污染的水中，其生活习性、运动方式、身体特征都会发生变化。从行为生态学角度讲，当水生物所处的环境发生变化时，生物的细胞器、分子功能也发生相应的变化，污染物在水生物体内堆积，影响水生物的生殖、个体信息传递、捕猎与反哺行为，并随着繁殖逐渐从个体影响到整体群落的分布和生长，导致生态系统中种群整体生理生化指标都发生变化，水生物也会出现一系列的异常行为。水中污染物干扰了水生物的器官发育，损坏了水生物的神经器官，导致其正常的生殖功能与激素分泌受到影响，进而影响到其通信与猎食。水生物觉察到水域环境中存在污染物，会逃离到干净的水域，导致环境的进一步恶化。当水中的污染物达到某一浓度时，水体的污染情况也能够直接从生物数量体现出来，生物会出现逃离等异常行为，并随着水污染的加剧，有毒物质会直接导致水生物死亡。

2.2 生物监测技术的种类

生物监测技术从生物的层次出发，可以分为对细菌、藻类、水蚤、鱼类等水生生物的监测。（1）细菌监测分为硝化细菌法、发光细菌法以及氧化亚铁硫杆菌法，由于硝化细菌的呼吸速率会受到水中有毒物质的影响，因此通过检测硝化细菌的呼吸速率和氨氮消耗速率来达到水质监测的目的；发光细菌法常用来对水中重金属污染物等物质进行监测，氧化亚铁硫杆菌对水中毒性物质较为敏感，因此检测其呼吸作用能够完成对水质的判断。（2）对藻类的监测主要依赖于藻类的光合作用，水中的有毒物质会造成藻类植物代谢紊乱，因而当水中含有重金属、有机物时，可以根据藻类监测得出的藻类植物的生长代谢情况来判断水体污染的严重性。（3）水蚤监测能够用于多种污染物质的监测，通过水蚤的活动情况和生存状态可以判断水质的安全性。鱼类同样对水质的变化较为敏感，在鱼类监测中，常用斑马鱼、鲫鱼等。除了这几种生物监测方法外，还可以通过两栖动物、贝类、海鸟等生物完成监测。

2.3 生物监测技术在水环境检测中应用的优势

2.3.1 经济性较强

理化检测方式需要用到大量设备，而且仅能对单一的化学物质进行检测，检测方法繁多且程序复杂，相对而言生物监测技术的成本较低，所用的检测设备较为简单，仪器的使用不受条件限制，因而该技术具有较强的经济性。

2.3.2 直观性较强

理化检测需要对已知化学物质进行检测，检测的生物品种受到一定限制，并且需要多个实验步骤对水污染问题进行分析，而生物检测技术的直观性较强，可以直接从生物的行为反映污染情况，对未知污染物也有一定的预警作用，因而检测人员很容易通过物种的生物规律来分析污染源头与水质的动态变化情况。

2.3.3 可长期连续监测

生物检测技术能够对水质进行连续监测，而非理化检测的定期检验，检测人员可以根据长期生物监测的数据了解水质变化的趋势，也能了解不同污染物共同作用下水体质量的变化。

3 生物技术在水环境监测中的应用

3.1 细菌监测在水环境监测中的具体应用

3.1.1 硝化细菌法

硝化细菌法常用的硝化细菌有亚硝酸细菌、硝酸细菌，通过水体中的硝化细菌发生硝化作用，将水中的氨转化为亚硝酸盐、硝酸盐，当水中存在污染物时，硝化细菌硝化作用的氧化还原反应受到影响，生成的中间产物与最终产物在水体中的浓度会大大降低。因此，对水体中亚硝酸盐与硝酸盐的浓度进行检测，能够计算出水体中氮的指标，达到水环境检测的目的。

3.1.2 发光细菌法

发光细菌含有荧光酶等物质，在发生生化反应时，发光细菌在胞内酶的催化作用下发生氧化还原反应，并释放出蓝绿光。在正常情况下，发光细菌处于生化反应条件下，其细胞活性与发光强度都较高，但当发光细菌处于被污染水体中时，其发射出的荧光强度会受到影响，如农药会导致发光细菌的生物活性降低，重金属会对发光细菌的细胞壁造成破坏。发光细菌法通过对发光细菌的发光强度进行检测来确定污染物的浓度，并且能够用连续监测的方法，通过其不同时间下发光强度的变化推断出水质的综合毒性[2]。

3.1.3 氧化亚铁硫杆菌法

氧化亚铁硫杆菌能够在酸性环境中生存，以铵盐为氮源，水环境监测主要是监测其呼吸作用的耗氧量，当水体中含有污染物时，氧化亚铁硫杆菌的呼吸作用会受到影响，使其耗氧量降低。

3.2 藻类监测在水环境监测中的具体应用

3.2.1 原理

藻类植物是水体生态系统食物链中的重要组成部分，也是生态系统的基层，影响着水中其他生物的生长与分布。藻类植物的种类繁多，个体微小，当水体中的氮、磷含量较高时，水体出现富营养化，使藻类吸收营养并大量繁殖，因此在污染较为严重的水域藻类的种群密度极大，并且种群密度和水体中所含的氮呈显著正相关，因而藻类能吸收水中的氮、磷并转化为有机物。当水体中含有大量农药、石油、重金属等物质时，其生存状态会受到极大影响，如农药会对藻类的生物膜功能造成破坏，有机物则会严重影响藻类的光合作用与呼吸作用，重金属会影响藻类正常代谢与蛋白质合成，造成藻类中毒死亡。同时，有些藻类自身也是重要的污染物，例如蓝藻在一定条件下会产生蓝藻毒素，藻毒素拥有较强的毒性，人类使用受到藻毒素污染的水，会引发严重的肠道、脾脏疾病，甚至造成死亡。因此，藻类的生长不仅反映着水体的污染情况，且部分藻类的生长也直接显示了水体污染的复杂性及污染物的种类。

藻类监测也存在一定的缺陷，由于藻类更多生活在水体的上层区域，因此难以对水体进行全面性的环境监测。另一方面，藻类的适应能力较强，在污染环境下长期生存，很容易使其耐受能力增强，从而影响检测结果的准确性。除此之外，水温、降水量、光照、pH酸碱度等因素也对藻类的生长有较大影响。

3.2.2 方法

叶绿素测量法。叶绿素在藻类的光合作用中发挥着重要作用，当水体受到污染时，植物的光合作用状态发生变化，因而繁殖速度受到影响。植物的光合作用状态能够通过叶绿素荧光参数表示出来，所以叶绿素荧光分析法能够检测出植物叶绿素分子发出荧光的变化，并通过叶绿素荧光参数判断植物的光合生理状况，从而评价水体环境重金属污染情况。除荧光分析法外，吸光法、分光光度法等同样可以完成对植物叶绿素的监测。

藻类遥感监测。不同叶绿素含量的藻类所呈现的光谱特征不同，藻类遥感监测同样是对藻类叶绿素变化量进行监测，根据叶绿素的光谱特征获取叶绿素的浓度，并应用于光学遥感技术，完成对藻类的识别以及种群面积的估算，然后利用计算机完成对该水域下藻类的时空变化特征与趋势的分析，充分利用现代科技对水质情况进行监测。

3.3 鱼类监测在水环境监测中的具体运用

3.3.1 鱼类监测的应用

鱼类监测在生物监测中使用更为广泛，鱼类对水污染更为敏感，当水环境发生变化时，污染物会对鱼类的正常代谢造成影响，导致鱼类产生一系列生活行为、种群结构和生理活动的变化，鱼类在水污染环境中所产生的反应也可以用来模拟水污染对人体造成的伤害。鱼类生活行为变化与种群结构的变化可以通过观察法或监测系统获得，其代谢量、呼吸频率、血糖等指标也容易测得。在环境监测中，部分种类的鱼对污染物的敏感性较强，可以将鱼类的死亡率、逆水特性、呼吸频率、鳃的运动方式、回避行为、弱电脉冲等作为监测项目，选择斑马鱼、红鲤鱼、鲫鱼、青鳉鱼等鱼类作为研究对象。斑马鱼的繁殖能力较强，生长情况可以模拟为人类的生长发育过程，该鱼种对毒性物质有较强的敏感性，常被用于毒性检验；红鲤鱼在我国较为常见，会因水体性质的不同产生不同的群体形态差异；青鳉鱼对水环境的变化极为敏感，常被用于急性毒性的检验。

鱼类的生物酶在水中污染物的作用下，其抗氧化酶防御系统的成分会发生变化，生物的乙酰胆碱酯酶对有机磷农药会产生较大的反应，而这种酶对神经传导起到重要作用，会直接体现在生物的行为上，在不同浓度的污染水体中，鱼类会发生一系列不同的行为变化，通过监测系统可以完成对鱼类行为状态的监测。在对鱼类运动方式进行监测时，其平均游泳速度、游泳速度分布、平均游泳高度、游泳间距等都是分析其运动行为的指标，鱼类活动的频率可以通过仪器进行记录。以斑马鱼作为监测对象，当水体中的污染物为恩诺沙星等药品时，鱼类的行为发生快速、高强度的变化，这也就意味着水体中的污染物也在迅速增加，当水体中的污染物达到某一临界值时，鱼类无法使自己的行为和生理条件适应环境，会出现急性死亡现象，因而可以通过鱼类的活动行为以及死亡的出现来估算水体中毒物的浓度；当水污染物为镉等重金属时，镉的浓度在一定范围内增加时，会造成斑马鱼的行为强度增大。

3.3.2 鱼类行为分析与信号获取

水体中鱼类的活动行为可以通过电信号的方式进行采集获取，并研究鱼类在水体中的特征信息。电信号采集生物特征具有时效性强、准确性高的特点，与图像处理技术结合使用，能够完成对鱼类的目标跟踪、行为分析、种群匹配等。视觉处理系统能够根据图像信息获取鱼群的活动轨迹并进行跟踪，通过计算机测算出鱼类在水体中活动时的速度、体积等特征信息。信号获取是将鱼类的死亡、正趋流性、鳃的活动性、回避行为等作为监测内容，当鱼类受到水污染而死亡时，系统能够发出警报；当水体存在污染时，鱼类原有的逆流性会受到影响，鱼鳃发生不规律呼吸，出现逃避行为，试图远离污染水域，并在不存在污染的水域发生聚集现象，鱼类的游动速度、摆动频率都会出现异常情况，而电信号能够获取这些鱼类的行为参数并及时对水质进行监测和预警[3]。

3.4 水蚤监测在水环境监测中的具体应用

水蚤是一种浮游生物，以藻类为食，在水环境的食物链中又是鱼类等动物的食物，因此也是水体生态系统中生物链的重要组成部分。水蚤对环境的变化尤其是毒物极为敏感，并且具有繁殖快、生长周期短等特点，适合广泛应用于水污染监测工作中。水蚤对低浓度的毒性物质也有灵敏的反应，即使是毫克单位的毒物也能够影响水蚤的生存，农药会导致其DNA的转录受到影响，从而影响其正常发育；重金属则会造成水蚤体内的蛋白酶变性，产生中毒反应最终导致其死亡。这些水体中的污染物质对水蚤的致死率都极高，而不同污染物对水蚤造成的毒性有一定差异，例如水蚤对水体中含磷农药等污染物极为敏感，因此可以通过研究水蚤的生存状态来判断水体中污染物的性质及污染程度。工作人员对水体中的水蚤进行采样，并通过蚤类毒性仪对水蚤在仪器内的平均距离、平均速度等数据进行收集，分析确定水质的具体情况。该方法适用于灵敏度要求较高的毒性检测[4]。

3.5 其他生物技术在水环境监测中的应用

大型底栖动物包括蜉蝣目、蜻蜓动物、软体动物、环节动物等，这些底栖动物同样能够作为水环境监测的指示。蜻蜓、蜉蝣喜欢聚集在清洁水体周围，而水体中的污染物会对其生存造成严重影响；摇蚊幼虫等虫类多在污染较为严重的水体附近生活，多藏于污水的淤泥内，对重金属、有机污染物等毒物较为敏感。当水体富营养化时，水中的有机物增多，浮游生物繁殖加快，为摇蚊等提供了大量的食物，使摇蚊幼虫大量繁殖。通过对蜉蝣、蜻蜓、摇蚊幼虫等底栖动物的数量、时空与时间变化进行监测，同样可以分析出水体的污染情况以及腐殖质的分布。常用的指标为BI指数、Saprobic指数等。

4 结语

综上所述，生物监测技术在水环境监测中的应用主要包括细菌、水蚤、鱼类、底栖动物和藻类等生物监测方法，不同的水生生物对污染物有不同的反应效果，因而生物监测技术是根据水生生物生存状态的监测结果来判断水体污染的实际情况。随着科学技术的不断发展，生物监测技术需要进一步融入新的技术手段中，消除其他因素对生物监测的干扰，提升生物监测的稳定性和准确性。