水环境监测中的生物监测技术

杨振雄

（雷润检测科技（广州）有限公司，广东 广州 510460）

如今，人们越来越重视自己的健康，尤其是饮用水安全方面，但由于当前科学技术发展尚未达到理想境界，仍需将大量污染物排入自然环境，水环境仍受重金属与有机物的影响。当前，我国水污染比较严重，要想在较短时间内掌握水环境污染现状，就必须强化水环境监测工作，运用物理与化学相结合的方法对污染物进行定量与定性分析，并增加生物监测技术的投入力度，深入研究其对生物体造成的危害。

1 生物监测技术相关综述

1.1 生物监测技术的现状

目前，在世界上不少发展中国家都存在着由淡水资源匮乏和土壤荒漠化所导致的环境污染问题。而水污染作为环境污染的最重要类型之一，在当前引起了人们的普遍关注，因此，对水质的监测尤为重要。目前，对水质环境的主要监测手段大致包括生物监测和生化监测。一旦水体环境遭受破坏，将会干扰其自身生命的正常发育与繁衍。将生态监测技术应用在环境监测和评估等领域，方法简单而安全，经济性和实用性都很强，其检测结果准确性也很高，可以反映出实际的环境状况，通过生态监测技术还可以对环境问题作出早期警示，从而防止水生态系统平衡的破坏。但当前中国的水环境污染问题总体上来说比较严重，所以，一定要采取有效措施来对水环境进行有效监测。

当今社会的现代技术已经应用到了工业生产、科学研究等领域，水环境监控技术也不例外。要合理控制水体中污染物的浓度，科学合理地评估水体环境质量，就必须大量研制自动水体监测仪。但是水环境监测产品质量管理的现代化程度不高，不能构建出一个完备的体系，使得监测过程出现的问题无法进行反映与解决，导致监测结论不准确，很难保证监测质量。所以应将现代化手段融入水环境的监测过程当中去，对整个流程实施严格的信息化管理，从而真正提高环境监测质量。

1.2 主要原则

生物体与生存环境相互影响、相互制约的同时又密切相关。生物体被污染后会有一系列不良反应，污染物一旦进入人类生存环境，就会被生物与养料共同吸收而进入人体，再在人体内完成迁移、聚集。生物监测技术正是灵活运用这一原则，将生物体对污染物或环境做出的某种反应进行观察，然后有效地判断污染程度。当水环境发生污染时，栖息在水环境中的鱼类首先表现出不良反应，尤其表现为呼吸明显加快，当污染物高于某一浓度后，即发生中毒，严重时甚至导致死亡。因此，可依据鱼类在受到污染物作用前和作用后的呼吸频率变化来判断污染物是否有毒。

1.3 生物监测的利弊

生物监测可以更直观地了解污染物对生物的影响。比起精密仪器，许多生物体有更高的灵敏度，当受到污染物冲击时，它们将第一时间做出反应。当前水环境监测多采用化学与物理相结合的方法，仅能测定单个污染物浓度，而生物监测这一技术的诞生则巧妙地解决了这一难题，污染物综合效应得以全面显现，而生物监测具有操作简便、费用投入低等特点，仅需花费较少人力物力、财力、即可实现对水环境的监测。但现有生物监测技术仍存在着明显缺陷，无法第一时间检测出水体污染物浓度，未建立完善统一的环境质量标准，且未形成完善的污染物排放标准，部分生物监测方法尚无法合理地区分环境因素对水体的影响与污染物对水体的影响，监测过程耗时较长。这些问题使生物监测技术应用于水环境监测的过程受到很多的制约，这些问题都是相关人士有必要去深入研究的，以便对生物监测技术进行有效的改善与提高，最大程度地发挥生物监测技术对环境监测的促进作用［1］。

2 生物监测技术应用于水环境监测的常用手段

在水资源环境监测方面，生态监测技术在理论上是利用科学监测手段来观察生态反应，进而评估水资源环境的影响变化。这些变化的数据汇总已构成了环境质量控制的理论基础。它的主要任务是在污染物完全饱和以前，抵达离污染源最近的区域对进水环境进行监控以及控制，把水环境污染对经济和生态社会所造成的不良影响减至最小。现对目前水环境监测应用最多的生物监测技术进行了研究，对几种主要的技术方法作了简单的分析。

2.1 指示生物法

这一生物监测技术的应用原则是：生而有之。由于水下生物长期久居于某种水环境中，所以该种水环境中的任何微小变化都能为生物所灵敏的感知，当水环境受到严重污染之时，水下生物可表现为群体性的受害或者死亡。如基于颤蚓、摇蚊幼虫和浮游生物等在水环境发生受害或灭亡的次数和程度，能够衡量出该处水环境的总体质量。

2.2 群落结构法

就其实质而言，群落结构意味着在一个特定的地域范围内，生态系统中的各项组成结构之间相互依存、和谐发展。大量的实践和研究结果表明，水环境的变化会直接导致水体中生物群落结构发生变化。一般来说，生活在水中的生物群落结构处于有机污染严重、含氧量极低的水环境中，会以抗低溶解氧的群落结构为主。与之相反，水生生物群落结构在水环境状态整体质量相对较好的地区，会呈现出清澈的水域，这也为生物监测和对水环境质量的测量提供了依据和大力支持。

2.3 生物测试法

生物测试法的关键在于利用水环境中水生生物在受到水体中污染物毒害时，被动发生的一种身体机能变化，有关工作人员可依据此机能变化的具体症状来衡量整体水环境污染状况。目前，该生物监测技术方法能够应用于单因素污染作用下的水环境监测中，同时还可以和其他监测技术配合，开展复合因素污染下水环境的系统监测。

2.4 残毒测定法

水生生物长期存活于被污染的水环境中，将不可避免地吸收许多污染物的残留物质，经过吸收、消化和再分配等环节，这些物质会以某种形式储存在生物体中。相关人员可以选择这些生物作为研究对象，对水生生物进行采样检测。检测水生生物中残留有毒物质的含量，可作为判断水环境污染的依据。相关科技人员还可以基于生物毒理学原理和方法，利用荧光分析法（FTIR）、红外光谱技术（IR-MS）等手段来对水生生物体内残留的水体污染物进行深入分析［2］。

3 生物监测技术应用于水环境监测方面的研究

水生群落与水环境是相互联系的、互相影响的，它们共同维护着生态的平衡。目前在水环境监测中要合理应用多种生物监测技术。

3.1 微生物群落监测法

微生物群落监测方式是早期发展起来的生态监测方式之一。其操作方法是利用大数据分析计算所得到微生物分布指标来评估环境污染程度（其工作流程如图1所示）。微生物群落对环境条件的改变也十分灵敏。针对水体环境监测而言，细菌群落监测法能得出很好的监测结论，并进行水体环境毒性的评估。目前，我国在微生物研究方面还处于起步阶段，缺乏相关的理论和技术基础，且微生物资源相对匮乏，因此，开展微生物群落数据采集、分析等工作具有重要意义。

图1 微生物群落监测工作流程

3.2 发光细菌法

发光细菌监测法具有相对成熟、可操作性强、应用范围广的特点，可以对污水中的大部分污染物进行监测。相关工作者可以使用转基因发光细菌（例如不动杆菌属）作为指示剂，建立一种高效的监测污染物遗传毒性的方法。它可以在很短的时间内获得毒性评估结果，并根据其发光原理开发更先进的环境监测仪器。通过原子荧光光度法检测水质，将所探索的荧光素作为标记物，并将其应用于污染水体中的重金属污染评价。

3.3 监测生物行为反应的方法

通过特定生物在水中的行为反应来判断环境污染状况，确定水体污染物的安全含量，并及时对风险因素进行预警。监测人员可以通过评估生态生物反应情况及其对生态的影响来监测环境污染状况。目前应用范围最广的指示海洋生物为鱼和水蚤。以斑马鱼为例，斑马鱼作为一类海水鱼对环境的要求较高，因此有利于环境监测。也有些科学家利用斑马鱼作为指示海洋生物，利用半静态方法分析环境中重金属在水生生物体内的毒性情况，发现铜离子、镉离子、碳离子等对斑马鱼毒性和调节过氧化氢酶活力的作用程度不一。所以，斑马鱼已经成为了监测水环境污染的重要指示海洋生物。目前，智能水体生物学毒性监测技术可以二十四小时监控指示海洋生物的行为，并及时分析其行为轨迹。如果监测到异常生物体的反应，系统也将进行反应和报警。淡水环境中的海洋生物监测以鱼类居多，但在海洋环境中通常以双壳类为主。当前，人类不仅可以通过电磁传感器技术来提高对生物观测的质量，还可以通过高频电磁感应器系统监视贝类生物的生命活动，进而提升对生物观测的有效性。除鱼和双壳类动物以外，水蚤也常常被作为生物监测的指示生物。

3.4 底栖动物、两栖动物的监测方法

底栖生物和两栖动物都是水自然环境中的重要指示生命体，能够进行水自然环境观察。其重要的评估参数一般有腐殖质指数、生态指标、生物群落多样性指数等，其中腐殖质指标和生态指数在水质生态研究中具有一定的重要性。加强技术创新，能够增强指标评估的可靠性与合理性。科研人员还可以根据这两种生物的多项指标使用综合方法对水质的富营养化现状进行分析研究，并结合水质的富营养化形成机理和影响因素，提出相应对策建议，以期为今后开展水环境的富营养化状况调查提供理论支撑和技术保障。

3.5 其他生物监测方法

相关工作者应继续发展基于生物活性评价水体污染的高级生物监测方法，并通过传感器技术的应用，引领行业内的新兴分支——电化学生物传感器（其工作原理如图2所示）的广泛应用。作为新型监测技术之一，它有效地结合了生物技术和电子监测技术，能够改善分子分析质量，有效地监测酶、抗体和激素以评价水环境污染的程度。根据电化学生物传感原理及应用研究现状来看，其着重对电化学生物传感在水质净化方面的研究进展进行总结与展望。各项研究结果表明：电化学生物传感器具有灵敏度高、选择性好、易于实现自动化等优点［3］。

图2 电化学生物传感器工作原理

4 水环境监测生物监测技术进展分析

众所周知，当今社会水环境污染问题已经成为对人类健康威胁最大的问题之一。生物监测技术基于操作简单、监测质量高的特点被应用到水环境监测工作中，并得到了较为广泛的应用。在监测的同时，现代科学技术也得到了发展，促进了生物监测技术自我创新和发展。

水环境污染最重大危害是对人体细胞遗传物质的破坏。近年来，在水环境监测领域，生物监测技术将细胞微核技术和四分体微核技术相结合，在分析动物、植物和人类染色体受外部物理和生化因子的损伤方面取得了较明显的进展。微核法可以代替染色体畸变法，适用于环境污染物对生物遗传物质的损伤的监测，因而得到了很大发展空间。其中，发展最引人注目的是采用以蚕豆根尖细胞作为研究材料开展微核试验，并对其生物监测结果作了学术探讨，是研究环境诱变及致癌因子作用下的环境监测工作，并显示出其简化性、效率性和敏感性，均是水环境监测可靠的依据，为水环境的监测工作提供了良好的技术保证。

相关人员的研究表明，蚕豆根尖微核也可作为监测水环境变化的一个很有效的技术材料。蚕豆根尖细胞的微核率不但能够监测各种水环境中的环境污染因素，而且还能够分析各种水环境中水污染问题的富集水平。此监测技术发展的背景是，当水生态体系中出现了相应含量的污染突变物时，蚕豆根尖微核细胞会出现一定的纹理损伤，进而微核细胞率上升，由此衡量出水环境是否受到污染。此外，该方法具有可重复监测性和较高的准确性，因此可用于水体污染物的综合分析评价以及为后续开展水污染防治工作提供重要参考依据［4］。

5 生物监测技术应用于水环境监测的难点及对策研究

生物的繁殖与分布都具有极大的个体差异，同一种类生物对污染物也会有不同的反应。所以人们在开展水质环境监测工作时，应适当提高指标生物的数量，以增强监测成果的可信度。同时，通过建立健全水环境监测网络系统，以提高生物监测频次，从而有效减少差错，提升水环境监测品质。目前，我国已有很多科研工作者开展了用生物技术监测水环境的研究工作，并取得了一定成果，但在评价水体污染状况和预测水污染发展趋势方面仍有许多需要进一步探讨的问题。

低浓度的物质将对水面自然景观造成潜在威胁，如果使用生物监测技术，则短期内无法达到理想效果。因此，相关人员要不断完善水生物监测技术，使水生物监测技术可以更充分地适应水环境监测的要求，从而增强监测成果的精度与可信度，还要针对生态分子以及生物群落对污染物实施有效的监测和预警。另外，生物监测技术在处理工业废水时也具有重要作用，可以将废水中所含的有毒物质转化成无害物质。但是目前我国对于该领域的研究起步较晚，由于重金属是一种毒性很大的元素，它对人体健康有着极大的影响，所以还需重视水环境中的重金属污染问题，进一步加强该方面的研究工作［5］。

6 结论

综上所述，生态环境监测主要是利用生物个体、物种或群体在水环境中的生物反应来指示环境变化情况，成为从生态学角度观察和判断水体环境质量变化的有效依据。生物监测手段能够提升监测成果的可信度，有效评价废水的生态危害性。在科学技术不断发展的今天，将生态监测手段有效地运用于水质环境监测中，能够为整个社会经济的可持续发展提供保障。