生物监测技术在水环境监测中的应用

2023-09-24宁梅

资源节约与环保 2023年9期

宁梅

（辽宁省丹东生态环境监测中心辽宁丹东 118000）

引言

水环境治理对于居民生活、经济生产有着深远影响，是提升用水安全，降低用水成本的重要举措。2021 年，全国地表水I～III类断面比例达到84.9%，同比增长1.5%，339 个地级及以上城市中，有218 个城市水体质量达标，占64.3%，同比上升3.5%。实际工作中，应当着眼于水环境治理的总体定位，尝试进行技术创新，通过引入生物监测技术等现代化手段，借助监测技术科学化、多元化运用，推动水环境监测现有工作机制转型升级。

1 水环境监测与生物监测技术概述

分析水环境监测与生物监测技术构成，厘清技术特性，细化技术体系，为后续生物监测技术合理化应用，水环境监测体系科学构建提供便利。

1.1 水环境监测概念

从以往经验来看，水资源在区域经济发展、水体生态保护方面发挥着引导约束、协同保障等系列作用，是提升水生态环境空间布局合理性，增强生态承载力的重要举措[1]。良好的水生态环境对水资源配置及利用有着深远影响，为构建良好水生环境，实现水体污染治理、水体环境修复等工作的有序开展，水环境监测将水资源作为研究对象，借助物理、化学、生物等多元技术手段，完成污染物类型、组成成分以及浓度体量综合分析，实现对水环境变化规律的精准把控。

1.2 生物监测技术概念

生物监测技术在遵循生物学规律的基础上，监测生物与环境之间的关系，评价水体污染情况。在实际应用环节，其可以集中反映出监测对象于某一时间周期内的污染程度，客观体现污染物对水体环境的综合影响，监测结果更为客观、全面，在很大程度上满足了现阶段水环境监测工作的开展要求。与物理监测技术、化学监测技术相比，生物监测技术在实际应用环节体现出灵敏度高、经济效益好等优势。多数情况下，物理监测、化学监测需要在污染物达到一定浓度时才可进行，具有明显的局限性。而生物监测技术灵敏度高，可在污染物浓度较低的情况下，迅速识别污染物类型、浓度以及体量等基础性数据，确保技术人员快速完成相关监测任务。生物监测技术充分利用生物学规律，借助污染物在食物链中的积累效应，通过长期监测获取污染物来源，辅助相关部门制定水环境治理方案，确保决策的有效性与精准性[2]。

2 生物监测技术在水环境监测中的应用原则

生物监测技术在水环境监测中的应用需从实践角度出发，以科学性原则与实用性原则为导向，框定监测流程，增强生物监测技术应用的指向性，构建生物环境监测体系。

2.1 生物监测技术的科学性原则

为有效发挥生物监测的技术优势，实现技术资源、人力资源精准调配，及时应对水体环境监测环节暴露出的短板与问题，应当在技术体系谋划、设置、应用环节，遵循科学性原则，将生物监测技术的安全、平稳、高效应用作为基础与前提，坚持目标导向，避免监测方法选择不当，影响生物监测技术应用水平，应当消除干扰因素影响，增强水体环境监测的科学性与有效性，以更好地服务水体环境治理、生态修复等相关工作。

2.2 生物监测技术的实用性原则

为不断提升生物监测技术的应用效能，应当在相关技术应用环节遵循实用性原则，多角度出发，立足水体环境监测既有属性，着眼监测技术原理，评估生物监测技术应用方案可行性。技术人员对于生物监测技术方案的制定，应当采取更为审慎的态度，从效率提升、精益管理等角度出发，确保生物监测技术有效性，充分满足水环境监测的相关要求。

3 生物监测技术在水环境监测中的应用路径

水环境监测环节，应当严格遵循生物监测技术规范，通过生物监测技术介入，全面强化环境监测能力，为水环境治理与保护提供相应支撑。

3.1 发光细菌法在水环境监测中的应用

发光细菌法充分利用非致病性革兰氏阴性兼性厌氧菌的生物学特征，根据细菌发光强度完成污染物危害性判定。作为现阶段较为成熟的生物监测技术，发光细菌法在实际使用过程中表现出良好的环境适应性，可以满足多种水体环境下的污染物监测要求，具体监测原理如图1 所示。

图1 发光细菌法监测原理

利用发光细菌法开展水环境监测的过程中，技术人员应当做好细节处理，严格按照操作要求，根据测定对象的不同，采取差异化处置方式。

3.1.1 新鲜发光细菌培养物测定法

使用新鲜发光细菌培养物测定法测定水环境时，技术人员要将发光细菌接种到液体培养皿中，在20℃的温度条件下，连续通气培养12h，通气结束后，利用缓冲液进行稀释处理，当稀释后的菌液浓度达到要求后进行测试，读取发光强度，判定水体环境等级。

3.1.2 发光细菌和藻类混合测定法

监测过程中，部分污染物虽对发光细菌无明显毒害作用，但对水体环境中的藻类、鱼类等生物危害性较强，为应对这种情况，技术人员可以采取发光细菌和藻类混合测定法，将培养好的发光菌悬液与藻类悬液充分混合后，测定发光菌的发光强度。

3.1.3 发光细菌冷冻干燥制剂测定法

由于污染物会破坏藻类正常光合作用，导致水体内氧气含量持续降低，进而使发光菌放光能力受到削弱，因此技术人员可以选用发光细菌冷冻干燥制剂测定法。该方法在应用前，技术人员需将提前制成的发光细菌干燥粉剂使用缓冲液进行保温平衡处理，处理周期控制在5～10min，使得发光细菌恢复到正常生理状态，达到监测要求。

3.2 微生物群落法在水环境监测中的应用

微生物群落法主要借助真菌、藻类以及原生动物的生物形态，通过监测对象出现频率或相对数量获取有关信息，借助数学统计方法，计算分布指数，从而判定水体污染程度。经过长时间探索，微生物群落法日益完善，可根据不同监测需求，灵活选择污水生物系统法、生物指数法、PFU 微型生物群落检测法，通过对不同微生物群的定向选择，获取水体污染有关数据，完成相关监测任务[3]。同时，为保证监测结果的准确性，在微生物群落法应用过程中，技术人员可以使用克隆文库方法进行分析，克隆文库方法是基于DNA 提取，16SrRNA 基因扩增和序列测定。16S rRNA 基因可以作为多样性研究的一个标记分子，因为它是所有微生物细胞的重要组成部分，具有高度保守的引物结合位点和高度易变的可供特定微生物鉴定的特异性位点。鲜有证据表明16SrRNA 基因在物种间进行水平转移。克隆文库方法有很多优点，如简单易行、可操作性较强、实用水平较高；使用引物可以不必对微生物种的背景知识进行了解；微生物群落能够进行聚类分析；实现对水体环境的全方位监测以及分析，排除干扰因素对于监测活动的影响。

3.3 生物行为反应监测法在水环境监测中的应用

生物行为反应监测法主要通过评估生物反应行为，论证水体污染程度，计算水体污染物安全浓度，并进行相应预警，辅助水体环境治理工作的开展。生物行为反应监测技术主要使用斑马鱼、水蚤[4]，这2 类生物对水质要求较高，对绝大多数污染物有着较强应激反应。以国内某科研团队为例，其在水环境监测过程中，使用斑马鱼作为指示生物，联合半静态方法持续监测水体环境中的重金属污染程度，经过长期论证与研究，发现斑马鱼联合半静态监测的方式对铜离子、铬离子有着较强的监测能力。对于海洋水体的监测，往往选择双壳生物作为主要监测指示生物，通过电磁感应技术掌握贝类活动规律，结合规律变化情况，判定水环境质量，确保监测工作稳步有序开展。

3.4 生物传感器监测法在水环境监测中的应用

生物传感器监测法主要借助生物传感器，将水体污染物进行精准识别，完成生物分子层面的污染监测。在各类技术支持下，该方法可以完成水体内生物酶、抗体、抗原、微生物、细胞等生物活性物质的识别，根据生物活性物质识别情况，判定是否存在污染物。为更好地提升监测效率，确保监测准确率，技术人员往往使用氧电极、光敏管、场效应等设备，将生物信号转化为电信号，通过对电信号有效捕捉，快速判定环境污染程度。在生物传感器监测法应用过程中，技术人员要根据使用场景的不同，选择免疫传感器、DNA 传感器以及细胞传感器等硬件设备。由于技术对精密度要求较高，生物传感器监测法更多情况下偏向于实验室研究，使用场景受限，在实际应用环节，需要灵活调整技术方案，提升技术应用成效。

4 生物监测技术应用要点

考虑到生物监测技术原理与应用场景，要准确把控技术要点，着眼关键环节，创新生物监测技术路径，满足水环境监测要求。

4.1 调整生物监测技术思路

为确保水体环境生物监测技术工作高质量开展，消除潜在认识误区，准确把握监测技术要点，技术人员要通过结合实际、案例研究等方式，快速转变传统工作思路，从新的视角、新的思路，把握生物监测技术主体架构，确保各项工作稳步开展。同时，要组织相关业务培训，依托专业知识培训，帮助技术人员更新知识架构，对水体环境生物监测技术工作形成全新认知，既明确生物监测技术的重要作用，又厘清生物监测技术的基本要点，增强生物监测技术方案的可行性。

4.2 构建综合化监测机制

生物监测作为水环境监测的重要组成，有效弥补了物理监测技术与化学监测技术的不足，增强了水环境监测的全面性与精准性。但必须清楚地认识到，水生环境下生物生长及分布差异较大，同一种生物对于污染物的反应时间、反应强度也会表现不同。基于这种情况，在生物监测技术应用环节，为最大程度地提升生物监测结果精准度，技术人员需在科学性原则指导下，结合水体特征、指示生物生长状态，来灵活判定测试周期，避免因测试周期选择不当而影响最终监测结果。考虑到水体环境多样性，技术人员需要尽量增加样本数量，通过监测样品数量的提升，确保监测结果可信度，降低检测误差。

4.3 提升数据信息共享能力

为应对现阶段水环境监测中信息数据共享不及时等问题，生物监测技术应在开展常规性监测任务的同时，尝试拓宽技术应用范畴，积极搭建生物监测数据信息平台，通过信息共享体系的有效介入，给污染物源头分析、生态修复平稳推进奠定坚实基础。着眼于这种目标定位，尝试利用大数据技术的信息获取优势，借助各类软件，开展项目施工进度追踪，实现施工信息实时更新。设立生物监测数据采集层、生物监测数据存储层、生物监测分析挖掘层、生物监测业务应用层等系统模块，搭建生物监测技术平台。具体而言，生物监测数据采集层借助大数据技术完成外部数据导入、项目特征提取以及监测技术生物监测提取等工作，通过上述工作的合理化应用，确保核算数据真实性，避免数据缺失。考虑到整体污染物监测数据较多，信息获取难度相对较大，可在数据存储层构建环节，通过分布式数据库、知识库及溯源库等结构，开展数据中转，为后续软件的使用提供数据支持。北京、上海、广州等地区，在生物监测技术应用环节考虑到自身城市规模体量以及用水安全，将大数据技术与生物监测技术有机融合，通过技术协同化运用，稳步增强水环境监测数据处置能力，大大缩短水环境监测周期，提升监测效率，平衡成本投入。