水环境监测中生物监测技术的运用探讨

符 哲

（湖南省洞庭湖生态环境监测中心，湖南 岳阳 414000）

目前水环境污染治理主要涉及两方面，一是加强对工业废水、农业污水及生活污水等根源上的控制，二是监测并控制自然水体的污染情况。传统的污水监测技术是将重点放在污染物上，主要监测对象是水体的色度、浊度、化学需氧量、生化需氧量及pH值等，但无法得出水环境污染对生物以及生态系统造成的影响与破坏。利用生物监测技术能够通过观察水体中生物群的转变情况分析污染物对水源、生物以及生态系统等造成的影响，并以此为依据制定有效的水环境污染治理策略。

1 生物监测技术的原理

自然生态中的生物离不开水环境，与水环境紧密相连、相互影响。但当水环境中的污染物含量超过安全阈值后，必然会破坏生物的发育和繁殖环境，并导致污染物在生物体内的传递和聚集，由此引发多种生物疾病。因此，研究人员需要加强对水环境污染的监测研究力度，以确保生态系统的安全和健康。生物监测技术基于生物学反应，可针对水环境下不同生物群种及其水体敏感性，对水环境进行详细、全面地分析研究，并将其作为水污染情况的衡量标准，以得到详细的水环境污染情况。

相较于常规理化监测技术，生物监测技术具有灵敏性高、监测范围广、成本较低等特点[1]。随着我国环境保护工作的不断深入，在水质检测中也开始广泛采用这一新型监测方式，以满足社会发展对环境信息实时获取的需求。然而生物监测技术是水环境监测中的一种新型技术，目前仍缺乏完善、详细的技术标准，因而不能保证监测结果的可靠和准确。

2 生物监测技术的特点

生态环境受到破坏和污染后，会在一定程度上限制生物的正常生长和繁衍，此时将生物监测技术应用于生态环境监测，能够利用生物学反应获得多种环境数据，为环境保护工作提供重要参考依据。通常环境污染多发生在小领域中，所以在选择采样监测点时，要考虑实际状况，分析可能出现的环境污染问题，合理选择监测点，确保监测结果符合实际情况[2]。同时，在应用该生物检测技术进行环境监测时，还要结合不同地区的自然条件与地理环境特点，达成特定的检测目标[3]。此外，工作人员还能够将监测数据与周边自然环境相结合，确保其具有较高的准确性。比如在水环境的监控中，可以监测水环境中的微生物生长与繁衍情况，从而得到更加全面、细致的水环境污染监测报告。在使用生物监测技术时，需考虑多种外界因素对环境监测质量产生的影响，不要限制监测物种的范围，而要结合周边环境的实际状况对环境监测报告进行适当地修正与补充。

3 不同生物在生物监测技术中的应用特点

3.1 微生物

生物监测技术中的微生物监测对象应具备群落多样性、群落均匀度、优势细菌丰富度等特征，如在水环境中分布广泛的发光细菌、与多种鱼类共生的费氏弧菌等。发光细菌发出的光亮取决于发光酶系统，发光酶是一种异二聚体蛋白质，当其接触有毒物质后，如果受到有毒物质的抑制作用，那么细菌发光强度将急剧下降，因此发光细菌是一种指示意义十分明确的微生物，目前已成为评价环境介质污染状况和监测水体质量变化最有效的方法之一。在生物监测技术领域中，一般利用发光细菌对污染物的毒性进行量化研究，量化的对象可为3～5 min的急性毒性，也可为12～24 h的慢性毒性[4]。发光细菌作为一种新的环境指标，能够快速灵敏地反映水体的污染程度和环境容量，当前发光细菌在饮用水系统中已被广泛用于其毒性的定量，同时也能应用于海洋沉积物的水质检测。

3.2 浮游植物

浮游植物是指在水环境中以浮游状态存活的植物，多指藻类植物。水环境中藻类植物的过度滋生会出现水华现象，即水体富营养化。近年来生活污水中的含磷量进一步增加，而磷是藻类植物的一种营养物质，在含有过量磷元素的水环境中，藻类植物将会大量生长，夺取水体溶解氧，影响阳光射入，破坏植物与动物的生存环境[5]。因此，藻类植物能够作为生物监测领域的有效指示生物。不同类型的藻类植物处于不同污染环境中，其表现存在明显差异，监测人员可以从藻类的丰度、细胞密度、光合作用的强弱作出判断。如石莼属于对重金属承受能力强的藻类植物，可有效富集水体中的重金属，所以也有重金属污染“哨兵”之称。小球藻为苯并芘敏感藻类植物，苯并芘会在小球藻中聚集，小球藻对判断船舶漏油情况、工业废水排放的影响区域具有显著指示效果，所以环境监测人员可使用荧光显微镜进行观察和定位。

3.3 浮游动物

浮游动物分为无脊椎动物和脊椎动物幼体，这些动物不具备主动游泳的能力，只能随水波漂动。浮游动物种类繁多且数量大，能够为鱼类提供所需营养。就自然水体而言，浮游动物分布很广，对污染物也非常敏感，是鱼类生物的主要捕食目标，因此能够间接地反映鱼类生物种群在水环境污染时发生的变化，因此浮游动物在生物监测领域有着重要价值[6]。近年来，人们开始关注浮游动物与环境的关系，尤其是其对重金属等有害因子的响应机制，其中的重点就是刺胞学研究。刺胞动物是指暴露于重金属和其他污染环境中时，细胞体积发生改变的浮游动物，可用于水体重金属及其他污染物的指示生物。此外，这些生物具有快速增殖和迅速死亡的特性，还可用于环境污染预警与控制的研究。如桡足类汤氏纺锤水蚤卵是脊椎动物幼体，通常用于定量硫化物和其他污染物的生物毒性，其繁殖能力、数量与死亡率均可用来判断急性与慢性有毒污染物的生物毒性，如农业污染。

3.4 着生生物

着生生物是附着于基面之上的生物群落，包含藻类、细菌、真菌及其他原生动物，这些生物在基面均匀度、密度、总量方面均为使用频率非常高的生物指标。生物监测主要用于水质的评价与管理，如水生生态系统的稳定性、生态功能及对环境的影响等。在进行生物监测时，监测人员可对基面生物进行刮取取样，使用显微镜统计单一生物群落，并统计总生物量。监测人员在观察中发现，生物群落的扩展或收缩，均代表水体中的物质组成发生了改变。不同地区受环境条件影响较大，同一物种的分布也会产生一定的差异。如在存在严重重金属污染的河流中，着生生物在生物总量上呈现扩张趋势；在富营养化河流中，着生生物部分藻类所占比重不断扩大，而另一些生物受到限制。

3.5 底栖生物

底栖生物是栖息于水体底部岩石、泥沙中的生物，如牡蛎、河蚌、贻贝、虾蟹和其他无脊椎动物，这些生物对重金属、营养物、沉积物有着明显反应。当前底栖动物已成为水体质量评价中的一个重要指示物。底栖动物种群的完整性、多样性、优势度、丰度均能作为水质变化的重要指标。近年来，随着对重金属毒性研究的深入，贻贝肝脏和胰腺组织中的SOD（超氧化物气化酶）和碳氮同位素成为监测重金属污染变化的重要指标。

3.6 高等水生植物

高等水生植物指在水中生长与繁衍的植物，如荷花和其他挺水植物、玉莲、芡实等浮叶植物、水葫芦等漂浮植物[7]。高等水生植物主要分布于湖泊、水库、河流及海洋水域等水生生态系统中，其种类繁多且生态习性复杂，具有较强的耐盐性和耐缺氧能力，能适应多种水文条件。高等水生植物在水体的生物链上具有重要地位，不但可以净化水体，也可以为鱼类、浮游生物、浮游植物、微生物等的生长栖息提供环境以及食物来源。高等水生植物具有较强的光合作用能力，可将水中大量的溶解氧转化为易被水生动植物吸收利用的氧气。但是，高等水生植物的过度生长会对水体产生遮蔽，过度消耗水体含氧量及营养物质，从而影响水环境中的浮游生物及其他水体生物的正常生长与繁衍。黄花水龙是一种水生植物，具有较强的亲脂性有机物积累能力，常用于有机农药污染指示生物，用以探测浅水域的水质状况。

3.7 鱼类

鱼类在水环境中位于生物链的顶端，水环境中的多种因素会对鱼类的正常生长与繁衍造成影响，许多水体污染物会在鱼类体内聚集，对鱼类动物的成长、繁殖和其他方面产生不利影响。所以可将鱼类作为水体污染物变化监测的主要指示生物，通过鱼类检测污染物具有快速简便和灵敏度高等特点。水体中持久性污染物均可在鱼类体内聚集，并会持续性地影响鱼类生物的生长，这种影响会随着更高的生物链对人体健康造成威胁[8]。所以，开展水质分析和研究工作必须要考虑鱼类的毒性效应。在生物监测领域，收集鱼类各项生物指标并不局限于种群上，具体可针对鱼类生物的血液、心跳、呼吸、移动、逃逸等行为进行研究。这些生物指标对于评价水质状况和预测环境变化具有重要意义，是水生生态研究不可或缺的部分。近年来鱼类生物监测技术取得了较大发展，如遥测技术、声学监测技术等能有效记录鱼类的成长、迁徙、繁衍过程中的海量数据，用于评判、测量有毒有害污染物对鱼类造成的影响。虽然当前许多技术设备无法大规模用于一线环境监测中，但已显示出极大的应用潜力。

4 生物监测技术在水环境监测中的具体应用

4.1 水环境评价

生物监测技术在水环境监测中能够对水域整体状态以及水质情况进行监控，并通过各类水生物群落和各类水生物种群在水环境中的生长与繁衍状态，分析并判断水环境中水质的变化情况和水中矿物质含量的变化，从而更深层次地分析导致水环境出现变化的原因，并针对性地提出应对水环境问题的有效措施。在水环境监测中，生物监测技术具有重要的指标作用，同时也能在环境保护与环境治理中起到实时监测与观察的功能。

4.2 水域宏观规划

应利用环境生物化学监测原理与技术，收集不同水环境的实际治理情况，对不同的水环境制定综合治理、恢复和改造建设工程计划。同时，结合具体区域水环境的实际情况，通过对各类水体污染现状与发展趋势以及相关水质指标数据的研究，有效指导水污染防治工程，确保河流生态系统的健康有序运行[9]。尤其对于目前我国大型水库及长江流域支流富营养化现象，可以利用生物监测技术建立流域水生态评价体系，并制订保护规划，以改善流域的水环境质量。

4.3 微生物群落监测技术

由于水环境中的细菌、藻类与原生动物等微生物的分布数量可以反映该地区水环境质量，因而微生物群落监测多用于自然环境中群落结构与功能信息的采集，并对当地的自然环境状态进行评估，同时预测将来自然环境可能发生的变化。微生物群落监测技术以收集水体样本为主，再配合数学计算，对微生物分布指数进行计算，以确定水环境污染程度。微生物群落监测具有操作简便、成本低、易于自动控制、数据可溯源性高等优点，因此得到了广泛运用。在科学技术日益发展的今天，微生物群落监测技术也在不断发展和变革，监测指标也越来越多。当前，主要应用的评价指标有多样性指数、原物种的种类、异养性指数等。

4.4 制定环境标准

目前，生物监测技术还可用于制订有关环境质量和其他标准。通过运用各种先进的环境监测设备和技术，能够更加准确地分析出水体中存在的各类污染因素。想要明确不同种类微生物滋生、栖息的最适宜环境，首先需要熟知不同水环境对于不同微生物及个体种群发展与增长的作用。通过检测水中各种污染物含量来评价水环境的污染情况，并结合其他理化参数综合判断水环境质量状况，再根据这些指标建立相关水环境标准，既能体现人们在环境改善方面的成就感，也能有效提升水环境治理质量，减少环境风险。

4.5 生物行为反应监测技术

自然界的生物种类非常多，不同生物对于自然环境的改变会出现不同的反馈特征。某些生物受到环境污染后，会表现出某种应激性生理行为或日常行为变化。为了能够及时有效地检测出这些变化并进行相应地处理，就需要建立实时监测系统，实现对水质的实时监控与管理，生物行为反应监测技术正是基于该原理的监测技术。通过监测生物体内各项指标来反映其健康状况和环境压力情况，并以此为依据进行预警或预报。从生物的生理功能变化展开分析，进行环境污染程度的评判，然后测定水环境中污染物的浓度。水环境监比较普遍的指示生物是斑马鱼、鳗鱼和金鱼，这些鱼通常被用来测定淡水环境的污染物。由于这些鱼类具有较强的自养能力和适应能力，所以可以通过其自身的生理指标监测水体中的化学组分含量。如斑马鱼与人类基因相似，对生活水质具有一定的敏感度，生活环境改变后，短时间内即可出现反应，因而可从斑马鱼响应情况推测水质对人类的危害程度。利用生物行为反应监测技术可以准确地分析出水体中的主要污染源和潜在的危害因素，从而为治理水污染提供重要依据。另外生物行为反应监测技术可以测量水环境中重金属离子的浓度，例如Cu2+和Pb2+等金属离子在斑马鱼身上都会产生不同的反应，监测人员可据此对污染程度进行评估。

4.6 生物传感监测技术

在现代医学领域，传感器系统是最热门的一项技术，在生物监测技术领域也有较高的应用价值。随着科学技术的不断发展，生物传感器已成为生物学研究的重要手段之一。生物传感监测技术主要以生物传感器为核心，其主要部件包括分子识别部分与转换部分，分子识别的组成部分有酶、抗体、抗原、微生物和细胞和其他生物活性物质，转换部分由氧电极、光敏管和场效应管组成。在环境污染物检测中，生物传感器以其独特的优点得到了广泛应用。生物传感器技术的原理是将生物对环境变化做出的反应转化为电信号，反映环境污染程度。生物传感器在环境污染物检测中发挥着重要作用，可以实时监测生物的环境压力变化情况。生物传感器技术具有专一性、分析迅速、准确度高的优点。近年来，随着科学技术的发展，生物传感器也得到了很大进展。目前，使用比较广泛的生物传感器是细胞传感器、DNA传感器和免疫传感器等。生物传感器在水环境监测中的应用原理是用BOD生物传感器与微生物传感器测定水中的酶。BOD生物传感器主要靠溶解氧的浓度判断水质情况，该技术目前还处于实验室研究阶段，在现场监测中并不适用。微生物传感器检测是利用传感器对焦化、炼油和化工企业污水中的酚进行快速测定，并结合检测结果对区域内的水质情况进行详细描述。另外，人们还可利用阴离子表面活性剂传感器对生活污水中的污染物进行检测。

5 结语

当前，生物监测技术已大规模应用于水环境保护中，其操作方式简单易行、使用方便、成本低廉，并且监测效果好、精度高。在水环境保护中，生物监测系统能够通过结合信息技术，对水环境中的各项信息进行有效监控，从而为城市居民的日常生活以及企业生产提供健康的水资源，并对自然水资源的保护工作提供有效的参考依据，因此对水污染的检测与防治、提高流域水环境质量具有非常重要的作用和指导意义。