生物监测技术在工业废水监测工作中的作用及实践运用

刘爱萍，马亚娟

（1.江苏新锐环境监测有限公司，江苏 张家港 215600；2.苏州捷盈环境检测有限公司，江苏 张家港 215600）

工业产业的繁荣发展，对于拉动社会经济具有重要意义，但是在长期的粗放式发展体系下，会造成严重的水污染问题，甚至危及群众的正常生活，并对饮水安全形成威胁。工业废水的成分十分复杂，而且随着时间的推移会发生较大改变，这给监测工作带来了一定的难度。近年来，生物监测技术逐渐兴起，应用该技术可以分析水生动植物和微生物在水体中的变化情况，掌握工业废水对水环境的影响程度，并能全面分析其中氮元素、磷元素和重金属元素等污染物的浓度、分布特点等，以便在治理工作中采取有效的应对措施，有效恢复水体环境，同时在预防重大污染问题中也发挥了关键作用。

1 生物监测技术在工业废水监测工作中的作用

首先，该技术可以对水环境进行综合分析。相较于生活污水，工业废水中污染物的类型更多，而且很多污染物呈现出有毒有害的特点，会抑制水环境中动植物和微生物的生长，且随着污染物浓度的上升，其生存状态也会发生改变，这可以作为监测和评估水环境质量的依据。运用生物监测技术，可以获取微生物体内元素含量的信息和群落数量、分布特点等，通过综合分析的方式了解工业废水的具体污染状况，相较于传统方法，该技术的灵敏度和精确度都较高，避免了监测结果出现较大误差[1]。其次，该技术可以降低工业废水监测的成本投入。随着技术成熟度的提升，监测设备的造价也在降低，而且该技术呈现出高效化的特点，简化了工业废水监测工作的流程，因此该技术具有经济性特点，适合大面积的水环境监测工作。最后，该技术可以有效预防环境污染问题。通过对工业废水中各类污染物浓度和含量的监测，能够分析出是否超过水体的净化极限，并及时做好无害化处理和资源化处理工作，防止在污水排放后造成难以挽回的损失，因此，生物监测工作起到了事前控制的作用。生物处理技术在工业废水治理中的应用流程如图1所示。

图1 生物处理技术在工业废水治理中的应用流程

2 生物监测技术在工业废水监测工作中的实践运用策略

在工业废水处理中，生物监测技术发挥了最大功能，对于相关工作的开展具有较大帮助。微生物群落监测技术以及生物毒性测试技术等都是相对客观的手段，在实际运用时，必须要明确利用途径，并通过适合的方式优化应用成果，保障工业废水监测到位，从而为后续的净化处理奠定坚实的基础。

2.1 微生物群落监测技术

2.1.1 聚氨酯泡沫塑料块监测技术

聚氨酯泡沫塑料块在监测工业废水具有关键作用，该技术在上世纪60年代就已经应用于实践工作中，可以获取精确的评价结果。水体中的各类污染物会进入到PFU块中，因此可以在实验室中分析单位水域内污染物的总数，明确群落结构的特点，从而实现对整个水域实际情况的评估。该技术操作十分便捷，而且降低了外部环境因素对监测结果的干扰，因此受到相关工作者的欢迎。在实践工作中，应该明确《水质微型生物群落监测PFU法》中的相关使用标准和要求，保障整个操作过程的规范性。该方法对工业废水毒性程度的监测效果也较好，降低了废水对水体安全和居民安全的威胁[2]。在传统工作体系下，综合污染指数法的应用较多，PFU监测技术的出现，不仅能够达到上述方法的监测标准，而且解决了该技术无法评估毒性的缺陷。效应浓度是衡量废水污染情况和毒性的主要指标，运用PFU技术就能实现快速监测，这是由于随着暴露时间的推移，集群速度受到抑制，因此工业废水会破坏水生态环境的生物系统。造纸工业产生的较多废水也可以运用PFU监测技术对其毒性进行评估，获得更高的灵敏度，使原生动物群落发生明显的改变。相较于传统工艺方法而言，聚氨酯泡沫塑料块监测方法不仅能够降低成本，而且可以实现有效预警，并实时监测水质变化状况，避免引发严重的突发性污染事件。

2.1.2 分子生物学-微生物群落监测技术

微生物群落监测技术也可以和分子生物学领域的相关技术融合使用，获得更好的监测效果。随着我国工业生产体系和污水处理系统的逐步完善，污水处理厂对于工业废水处理的作用十分显著。由于微生物群落也会减少，所以单纯采用PFU监测技术会影响监测工作的时效性。为此，应该引入分子生物学技术改进监测工艺的不足，从宏观和微观角度出发对微生物群落实施科学评估和分析，确定水体具体的丰度值。利用核算杂交的方式，可以发挥特异性单链核苷酸片段的作用，运用杂交分子监测工业废水中污染物的变化情况，尤其是显影技术的融合应用，能够帮助工作人员更直观地观察群落状况。除了可以分析污染程度外，还能够了解致病菌的分布特点，维护水质安全。该技术省去了PCR过程，因此监测结果的误差更小，但是也会受到序列互补性的影响，可能出现假阳性的情况[3]。在PCR技术的基础上，PCR-DGGE技术也获得了全面发展，由于跑胶速度存在差异，因此能够实现DNA片段的快速区分，准确分析工业废水中微生物群落的状况，该技术在冶金行业和石化行业应用较多。此外，二代测序技术和高通量测序技术也是微生物群落监测技术与分子生物学技术融合的产物，也可以用于水环境变化状况的科学监测。

2.2 生物毒性测试技术

2.2.1 发光细菌急性毒性测试技术

有毒物质会对发光细菌产生显著的影响，因此采用发光细菌急性毒性测试技术能够监测工业废水的毒性情况，具有良好的灵敏度，理化性质十分优越。随着水体毒性的增强，细菌的发光强度也会出现改变，因此通过这样显著的特征能够获取准确的评估结果，满足单物质测定的要求。青海弧菌、费式弧菌和明亮发光杆菌等，是实践工作中几种常见的发光细菌，可以通过半数效应浓度评估具体毒性状况[4]。为了保障工业废水监测工作的便捷性，可以通过试剂盒的方式开展监测工作，在造纸行业和石化行业中都得到广泛应用。明亮发光杆菌和青海弧菌可以从相关动物体内提取，由于随着水体中重金属浓度的提升，细菌的生长会受到抑制，因此可以作为评估水污染程度的重要指标。在采用该方法时，污染源和采样点的距离会对最终的监测结果产生影响。与食品加工行业相比，金属冶炼行业产生的工业废水毒性更强，因此对于发光细菌的抑制效果也更加显著，对于工业废水毒性的监测效率更高，在几十分钟内就能完成任务，因此比其他技术更实用[5]。

2.2.2 藻类和蚤类毒性测试技术

随着水体中污染物的增多，藻类和蚤类的生长状况会发生不同程度的改变，因此可以利用其变化特征分析水体的毒性状况，获得可靠的测试结果。比如在监测废水毒性时引入不同类型的微藻，经过一段时间后对比其生长抑制率，可以获得可靠的评价结果。为了防止结果出现较大的偏差，可以选择不同的蚤类实施测试并进行对比分析，当工业废水中氧化剂浓度和NH3-N浓度升高时，蚤类的繁殖率则会逐渐下降。但是，采用藻类进行测试时也会受到其他外在环境因素的影响，其中氮磷浓度和光照强度的影响较大，导致结果中的偏差增大，因此可以选择大型的蚤类代替，以准确评估疏水性有机污染物对水体的影响特点[6]。在采用藻类和蚤类开展工业废水的毒性测试时，需要对其进行针对性培养，所以在很大程度上降低了监测工作的效率，而且周期较长，不适用于 应急污染监测工作。在运用相关技术手段时，应该明确实际的应用方法和渠道，这样才能保证应用效果更加显著，也能达到最可靠的处理实效。

2.2.3 鱼类毒性测试技术

随着工业化进程的明显加快，工业废水的处理已成为现阶段备受瞩目的焦点，因此，要高度重视相关技术的应用方式，根据工业废水处理标准展开分析，保证更好地体现出技术的优势。在监测工业废水毒性时，也可以运用鱼类，通过分析鱼类在水环境中的生长和存活状况，得到有效的测定结果。除了可以分析仔鱼和成鱼的外观、行为等，还可以分析LC50进行毒性评估，这是了解工业废水污染性的关键方法之一。在选择鱼类时应该尽可能挑选与人类相近的基因组，以更加全面地分析工业废水可能对人体造成的影响，因此在毒性测试中通常选择斑马鱼。随着工业废水浓度的增大，会导致其毒性上升，因此分析斑马鱼的LC50，能够得到准确的评估结果，尤其是电子行业废水中的毒性物质更多。在制革行业，可以引入斑马鱼的胚胎和幼鱼开展测试，尤其是胚胎的变化更加显著，因此可以作为测定工业废水污染状况的主要监测方法。在评估毒性时，还应该从慢性与急性毒性、内分泌干扰状况、形态变化等方面进行综合评价[7]。在国际领域，该方法已经得到了广泛应用，但是我国在工业废水监测中缺乏相关标准，因此限制了鱼类毒性测试技术的推广应用，采用该方法时也需要和其他测试技术联合应用。鱼类毒性测试技术如图2所示。

图2 鱼类毒性测试技术

2.2.4 成组生物毒性测试技术

在相关技术应用环节，还应该结合区域环境进行分析，以保证能够体现出具体技术的优势。水环境中存在多种多样的生物，因此在采用生物监测技术时如果按照单一指标进行分析，有可能导致监测结果的偏差过大。同时，动物、植物和微生物之间也会产生不同程度的影响，因此可以采用成组生物毒性测试技术进行监测，进一步降低监测结果中偶然性因素的影响，得到更加准确的水生态健康状况，在实践中需要分析LC50和毒性当量、EC50等指标，得到有效的监测结果。比如在污染源废水监测中，可以引入发光细菌、斑马鱼和蚕豆等实施综合测试，也可以采用观赏鱼实施监测，能够获得精确的毒性级别，这对于确定划分标准也更加合理。PEEP技术融合了多种生物进行监测，比如大型蚤类和发光细菌等，相较于传统的单一化监测方法，该技术能够保障结果的客观性[8]。随着生产技术水平的提升，先进的在线监测设备在实践中应用得也越来越多，这些设备能够发挥生物传感器的作用，采集和分析水环境中生物的变化情况，在污染事件预警中的效果显著，而且监测范围也会更加广泛。

2.3 其他监测技术

工业废水监测是现阶段最基础的任务，也是工业化进程中相对重要的环节，在开展基本监测工作时，不仅要结合具体要求进行分析，还要通过可靠路径推动相关工作的稳步落实，以有效提升工作的实效性。除了可以采用上述方法实施检测外，在实践工作中还可以引入生物传感器监测技术和生物电化学监测技术等，在物理转换器和生物识别模块的帮助下，实现信号的快速采集和转换，可视化分析微生物和酶类物质的变化状况，全面监测工业废水中的重金属污染物和有机污染物等，微生物化学传感器技术如图3所示。全细胞细菌生物传感器的性能更加可靠，能够获取生物在水体中的发光状况，从而评估水域内COD的浓度情况。微生物燃料电池也是生物监测领域的新技术，可以对COD、BOD和DO实施针对性监测，使有机污染物的检出效率更高。多氯联苯也是工业废水中的主要成分，可以采用电化学生物传感器实施检测，而酚类生物传感器则能够对水中的邻甲酚和邻苯二酚等实施精确化监测[9]。随着智能化的发展，生物芯片技术的研发工作也在逐步推进，有效提高了该技术的灵敏度，而且特异性作用显著。总之，在选择相关技术手段时要综合考虑，除了分析应用要求和基本标准以外，也要了解具体的应用方式，这样才能更好地提升作业实效，满足相关工作的需求。

图3 微生物化学传感器技术

3 结语

在工业废水监测工作中，生物监测技术的应用越来越广泛，该技术可以帮助监测人员全面了解水环境状况，且具有成本投入低的特点，为污染治理工作提供了可靠依据。目前常用的两种技术主要为微生物群落监测技术和生物毒性测试技术，前者又包括PFU监测技术和分子生物学-微生物群落监测技术，后者主要包括发光细菌急性毒性测试技术、藻类和蚤类毒性测试技术、鱼类毒性测试技术和成组生物毒性测试技术等。随着信息时代的发展，生物传感器监测技术和生物芯片技术等的应用也逐渐增多，可以获得更加精确可靠的工业废水信息，为环境保护工作的实施提供保障。