生物监测在水环境监测中的应用研究

深圳市生态环境监测站 梁智伟

随着经济的发展，各个行业对水资源的需求日益增长，但伴随而来的是水体污染的不断加剧，水环境质量和水环境污染逐渐成为影响人们生活和工作的因素之一。因此，水环境的健康和水环境的保护逐渐受到重视。目前，我国对于水环境污染治理的手段主要有两种，一是从源头对污染源进行管理和整治，对工业用水和生活污水的排放进行严格的监控和管理；另一种是通过监测和治理自然水的污染，降低水污染的程度。在实际操作中，先污染后治理的老路已经不符合我国现代的科学发展观和可持续发展观，对于水污染的治理还是更倾向于第二种治理手段。那么，对于水环境的监控就显得尤为重要。

一、生物监测的基本概述

生物监测技术的基础和本质，在于探究生物与生物之间、生物与环境之间的影响和关系。通过对于生物与环境之间相互影响、相互制约的关系，了解生物的生存情况反映的所在环境问题，以对生物所在的环境作出判断。当生物监测技术应用到水环境污染的监测中时，则是通过对水体环境中的水体生物和生物群的生长和生活情况的了解和监测，以及该群生物体内各物质的变化，从而判断水体环境的变化和污染程度。利用多种监测手段，判断水体环境的污染情况和污染来源，作出判断和获得治理水体污染的方案，恢复水体环境健康，保障水体环境中生物的多样性以及水体环境的健康程度。目前，我国对于水体环境的监测和水体污染的监测，多采用传统的物理监测技术，部分水体环境会采用信息监测技术以及生物监测技术。在传统的水环境监测中，一般会重点围绕着水体中的金属含量、色度、浊度、化学需氧量（COD）、生物需氧量（BOD）、pH值等内容进行监测，这些指标均能反映水体中的污染程度和水体的情况，但却难以直观地阐述水环境对于水体中生物的危害情况。许多污染物都伴随水体本身，互相融合、互相影响，对水体重点生物体带来影响。因此，靠传统的指标进行水体监测已经难以满足当代社会对于水环境污染的预防和治理的需求[1]。而生物技术可以通过观测生物在水环境生存的状态，了解水环境中的污染情况，可以更全面地得到水体环境的情况，使得监测结果更加具有实践价值。

二、生物监测的重要意义

（一）了解生物与水环境的关系

水污染常具备污染物不单一的特性，多种污染物的混合，对水生生物产生混合影响，生物之间与水体环境中的污染物常会发生复杂的协同作用，甚至可能导致污染加剧。传统的物理监测和信息监测，并不能反映生物与环境之间存在的关联与复杂的关系，而且水体环境质量与生物因素之间也存在着相互影响的关系，单纯地监测水体环境的物理指标是无法准确判断水体环境的健康程度和污染程度的，也做不到对水体生物多样性的保护，对水体生态系统的保护，只有生物监测技术可以基于生物的活动情况。对水体生物生活的水体环境进行健康程度的认识和评价，获得对水环境的认识。当然对水体环境中的水生物进行监测，不仅可以了解监测水体的健康程度和水体状况，也可以保护水体环境中的生物多样性。

物理监测的多次取样，对水体环境会造成一定程度的影响，甚至部分监测过程会遗留下不属于水体环境的异物，造成污染水源或者对水环境造成二次污染。但生物监测是根据生物自身的特性对水环境作出监测和反应，对水体环境的影响较小，监测过程相对环保。另外，随着生物监测技术的成熟和发展，科研人员和监测人员可以在监测过程中了解水体生物的生活特性，对水体生物对于环境的反应进行研究，促进水环境中生物科技的进步与发展。在维护生物多样性的同时，改善水体监测技术，进一步推动了解和认识水体生物以及水环境中的关系。

（二）快速对污染作出应对

由于生物监测是利用生物的反应、生物的种类等多项生物的指标来完成对水体环境的监测，相对于传统的物理监测和信息监测而言，生物对所在的环境变化敏感度高，反应更加迅速，更有效地帮助监测人员感知到水环境的变化，及时对于水环境变化和污染作出应对措施[2]。尤其是在当今许多水体环境的污染都是属于慢性污染，物理监测的仪器难以感知到水环境精细的变化的情况下，生物监测可以更及时地预见污染的发生，降低污染带来的损失和伤害。

（三）创造经济效益

相对于传统的信息监测技术，生物监测技术可以创造相应的经济价值。一方面，由于信息监测需要购置相应的监测软件和硬件设施，对于新产生的水体污染物则需要对设备进行调整，造成较高的损耗和维护费用，生物监测则不需要该项费用的支出。除此之外，生物监测的生物还可以为水体环境保护试验提供试验材料，帮助技术上的研究和突破，推动科技的创新和进步，创造额外的经济效益。

三、生物监测的应用原理及特性

在自然界的水体中，存在着大量的生物和微生物。水体是水中生存的环境，水中生物对水体环境产生影响，两者互相依存，相互影响。当水体环境的某项指标超过其安全阈值的时候，将会对水环境中的生物带来影响，甚至是不可逆的死亡现象。有些污染物会转移到生物体内，造成生物体产生一系列的病症，并随着生物的移动带到其他水体中，进而造成持续污染。因此，需要生物监测技术实现对水体环境进行科学有效的判断。

生物监测技术不同于传统的水环境指标监测，能够直观地反映污染物对生物的影响，甚至由于生物可以对环境做出快速的反应，使得生物监测更加具备灵敏程度，超过化学监测仪器，且反应更加迅速。水环境中的污染物一般不止一种，对水环境进行指标的监测单次只能监测一个指标项目，导致监测结果缓慢，不利于水环境的保护和污染防治工作的进行。使用生物监测，可以弥补指标监测的不足，生物常常能对复杂的环境快速做出反应。一旦水体环境发生变化，生物就可以使环境中的改变快速被监测到，这种监测技术成本相对较低，且操作简单，反应快速。与此同时，由于生物无法准确反映水环境变化的程度，也无法正确反映水环境中个别项目的指标数据，而且目前对生物监测还没有统一的监测标准。由于水中的生物对外界环境可以做出自身的应激反应，因此有些生物监测并不能有效地对环境产生的影响和水环境的改变建立起单一指向的联系，导致监测需要较长的实践。生物的特性也成了监测的技术难点之一，这些卡脖子的难点，需要人们在未来对于生物监测技术进行改进和试验研究，以期获得更准确的、单向性的、快速的生物监测方式。

四、生物监测技术存在的问题及对策

在生物监测技术投入水环境监测的实践过程中，仍然存在有一定的应用问题，主要的问题和相关对策研究如下：

（一）生物生长习性复杂

不同的生物具有不同的生长习性，无论是其分布的范围、对外界作出的反应等方面都具有明显的差异。因此，对于水环境中的污染物产生的变化也具有不同的反应，多种生物之间存在有正向的协同作用，也会产生负向的抑制作用，这也导致了在监测过程中，可能会由于对生物和生物群落之间的了解程度欠缺，导致对污染来源和污染发生的误判，生物监测的真实性下降，影响其监测结果的准确性和科学性[3]。因此，在利用生物监测技术对某区域范围内的水体环境进行监测的时候，需要透彻地了解各种生物的生长特性和相互作用，也许可以提前分析水体环境的特征以及水体生物生活所需要的水体环境特征，设置好科学的生物测试和生物监测周期。与此同时，还可以对监测生物所在气候条件进行监测和控制，提前开展全方位条件的试验和监测，设置最有利于生物生长的监测环境、监测频率、监测方法和监测标准，有效地消除由于地域和极端天气等要素带来的差别。

（二）水体环境复杂

部分水体环境自生生态系统复杂，水体环境中的生物数量和生物群落有限，在水体环境污染较低时，生物由于自身的适应性和应激能力，对微弱的污染改变不能做出有效和及时的反应，部分生物物种无法在短时间内体现出明显的生物反应行为，导致生物监测结果产生一定的延迟，与实际污染产生偏差。因此，监测人员需要提前了解不同生物的生物行为和生物特性，配置最适合某个水体环境的生物监测群体，建设好不同层级的物理监测标准配合监测，以达到更加精确的水体环境污染监测水平，对水生生态系统进行良好的保护。

（三）生物差异性大

不同的生物指示物种适合的生态系统和分子结构具有较大的差异，导致有时难以通过生物群落观察水体环境的变化。未来需要针对某个作为监测指标的水体生物，构建合适的水环境监测标准，以期更好地利用水体生物对水环境进行监测。

五、生物监测在水环境监测中的应用

（一）微生物群落监测

水环境汇集了大量的生物和微生物，具有大量藻类、细菌、原生动物等。水体环境中微生物的含量，体现了水体的环境质量，这也是生物监测技术应用在水环境监测中的理论基础。微生物群落的监测，主要是通过收集水体环境中微生物的群落结构完整程度、生物的数量以及生物的功能信息，以此来判断所在水体环境的条件。通过数据统计和分析，判断水体环境和水中微生物群落未来的变化。通过对采集的水体样本进行微生物群体分析，统计微生物的分布指数，根据该分布数值研判水体目前的污染情况和污染程度。但随着科学技术和统计技术的不断发展，伴随着水体污染的多样性和复杂性的增加，需要监测的微生物群落数量不断增加，监测指标也不断增加，对监测的挑战增加，也带来了分析数据的难度，以及污染程度分析的挑战[4]。目前，主要统计和分析的指标有水体中生物群落的多样性指数、原物种类型、异样性指数等，也在一定程度上提高了我国水体环境监测的准确性和科学性。

（二）生物行为反应监测

自然界中生物类型繁多，水体中生物的也是如此。不同生物对外界具有不同的反应，对外界环境的变化也会产生不同的反应。环境的污染势必会导致环境的变化，进而影响处在该环境中的生物行为，使得生物在面对环境变化的过程中作出相对应的反应。这些反应被人类监测并捕捉到，就可以推测出环境发生的改变和环境改变的程度。生物行为反应的监测，就是基于此原理展开监测工作。

（三）发光细菌监测

对发光细菌的监测，属于目前较为成熟的生物监测技术之一，除了水环境的监测也在多种环境监测中使用，其监测技术稳定且适用范围广泛，因此广受监测人员的欢迎。利用发光细菌发光的生物特性，监测水环境中污染物遗传毒性，获得被监测水体的污染程度和污染成分，常被使用在自来水厂、生活饮用水水源水质的检查和监测中，是水质保障的主要监测方式。发光细菌监测法，相对于其他的生物监测技术，更加高效，所需要的监测时间更短，更加的便携，也具有更高的灵敏度。随着电子科学技术的发展，发光细菌监测方法，常常与紫外线分光法以及荧光分度法等多种方法结合，对水体环境的污染监测更加全面，也提升了监测的空间和实用价值。

（四）底栖动物和两栖动物监测

底栖动物和两栖动物是生物界中特殊的两种生物，由于其自身的特殊性，因此常被作为指示物种进行生物监测。人们通过监测所在环境范围汇总、底栖动物和两栖动物的数量和生活情况，判断所在监测环境的污染程度。目前，大部分大型底栖动物都被用于对环境中重金属要素的监测和评价值，利用 Saprobic指数和BI指数评价监测的环境质量。底栖动物和两栖动物的完整性和数量，也是监测水体环境条件的重要指标。除此之外，底栖动物和两栖动物的生理反应、形态变化、行为范围，也是监测环境变化的重要条件。

（五）生物传感器监测

生物传感器监测，是根据生物传感器中的各组成成分进行监测，了解生物作出的生物反应，并由此测定引起该反应的外界环境的变化。生物传感器的主要组成部分包括生物对分子的识别部分和转换部分。识别部分有生物酶、抗原、抗体、微生物、细胞和组织等生物活性物质；转化部分则包括光敏管、场效应管、氧电极等。生物传感器的原理是生物在受到外界环境刺激的作用下，生物体内生物敏感程度将受到的刺激转化成为可被监测到的信号。因此，可以用来监测生物所在环境的变化[5]。生物传感器具有专一性、高效性和精确性的特征优势。在目前的监测工作中，使用最多的是胞传感器、DNA传感器以及免疫传感器等。

六、生物监测技术在水环境监测中的实践探索

（一）明确监测的评价标准

在日常实践过程中，为了更好地利用生物监测技术对水环境进行监测和污染防治，需要对参与监测的生物进行了解，明确生物的评价标准和评价体系。例如水中的生物和浮游生物数量可以判断水源的营养标准，其数量的指标也可以判断水中营养丰富程度是否在科学合理的范围内，水源是否有富营养化的风险存在。利用生物监测技术对水环境进行监测，还需要考虑水体中的污染毒性，并对其中污染的毒性进行评价，从而通过直接观察和监测生物的行为指标，得出水环境中的毒性污染程度。因此，在进行生物监测前，需要明确监测的评价指标，以便应用在生物监测中，使其更好地、更直观地帮助评估水环境的质量和状态。

（二）分类监测生物类型

根据前文研究分析，生物监测技术涵盖有多种监测技术和监测内容，每种监测生物可以反映不同的污染来源和污染程度。所以在对某个水体环境进行监测时，需要明确监测的生物技术类型。当需要对多种生物类型同时进行监测的时候，则需要做好监测生物的分类，排除生物之间的相互影响作用，使得监测结果不受其他要素的影响，客观反映监测水环境的污染水平和污染程度。另外，在使用生物监测技术的过程中，还需要分类水环境中的生物成分，将水环境中有害的微生物和有清洁作用的微生物进行分类，以保证监测结果的准确。针对不同水环境中的生物类型，选择不同的监测对象和监测技术，以达到最有效的监测技术，获得最准确的监测成果。

综上所述，水是重要的自然资源，珍惜水资源，是我国实现可持续发展的必要路径，也是建设绿水青山的共同责任。为了更好地保护和改善水环境，更需要做好水环境的监测和水污染预防工作。随着环保工作的不断展开以及环保技术的不断提升，生物监测技术被越来越多的应用于水环境监测中。