水环境生物监测技术的发展及应用研究

武今巾 何巍伟 袁豪

摘  要：水环境生物监测技术作为理化监测的有效补充，随着我国生态文明建设步伐的不断推进，逐步趋向系统化与规范化。梳理了国内水环境生物监测技术的发展历程，分析了不同指示生物包括微生物、浮游植物、浮游动物、底栖动物、鱼类等的特点，跟踪了当前发展迅速的生物监测新兴技术，如光谱技术、图形识别技术等，最后对水环境生物监测技术做出了展望并提出发展建议。

关键词  生物监测    发展历程    指示生物    新兴技术

中图分类号：X835

Research on the Development and Application of  Biological Monitoring Technology for the Water Environment

WU Jinjin*   HE Weiwei   YUAN Hao

（Chinese Academy of Sciences （Heifei） & Yu Intelligent Engineering Co.， Ltd.， Hefei， Anhui Province， 230000 China）

Abstract：As an effective supplement to physicochemical monitoring， the biological monitoring technology of the water environment is gradually tending to be systematized and standardized with the continuous advancement of ecological civilization construction in China. The article sorts out the development process of the domestic biological monitoring technologies of the water environment， analyzes the characteristics of different indicator organisms， including microorganisms， phytoplankton， zooplankton， benthonic animals， fish， etc.， and tracks the current rapidly-developing emerging technologies of biological monitoring， such as spectral technology and graphic recognition technology， and finally， it makes a prospect for the biological monitoring technologies of the water environment and puts forward development suggestions.

Key Words   Biological monitoring; Development history; Indicator organism; Emerging technology

近年来，随着我国工业事业的持续发展及经济的不断增长，畜禽养殖、农耕开发、工业排污、生活排污等一系列人类活动给水体环境带来了严重污染，甚至导致了水生态系统退化的现状。水质状况的及时准确监测是评估、治理水环境污染的重要技术手段[1]。研究表明：水环境中污染物种类繁多，其间的拮抗作用、协同作用、生态毒理作用等较为复杂，理化监测作为传统的监测手段，仅能反映水环境质量的部分变化特征，无法更深层次地解析污染物来源及动态变化过程，这就对水环境监测评价技术提出了更高要求[2]。

生物监测（Biomonitoring），一种利用生物个体数量及种群群落组成对水环境变化所做出的动态反应来反馈水环境污染的范围、程度及性质的技术方法。生物监测主要从生物学角度对水环境质量展开综合评估及分析，做到对水生态功能衰退及水质变化的及时预警，进一步为有序开展水污染防治工作提供技术支撑[3]。

本文梳理了国内生物监测技术的发展历程，探讨了不同指示生物的技术应用，并跟踪了新兴的生物监测技术，以期为生物监测应用于水生态环境污染防治提供一定参考。

1  我国水环境生物监测技术发展历程

我国水环境生物监测工作始于20世纪80年代，整体而言，经历了两个发展阶段（表1）， 分别为20世纪80年代至21世纪初的初步发展阶段及2010年后的快速发展阶段[4]。

1984年，原国家环境保护局召开了我国第一次环境生物监测工作会议，之后又于1986年、1989年、1993年陆续颁发了相关技术手册 [5]。这一时期为我国生物监测工作初步发展时期，首要关注了生物毒性（鱼类、发光菌等），细菌学（总大肠菌群数、细菌总数等），生物群落（浮游植物、底栖动物等）等监测指标。

20世纪90年代中后期，理化监测技术快速发展、理化监测任务逐渐加重，我国水环境保护工作进入了“污染防治”为重点的阶段。在此背景下，生物监测的优势难以发挥，加上国家在人力、物力、财力上均未提供有效保障，最终导致生物监测在水环境监测中失去地位，面临着无的放矢的尴尬境地[6]。

直至21世纪初，生物监测工作才再次得到重视。2010年后，根据“十二五”提出的“大力推进生态文明建设”的工作重心，我国生物监测工作进入了快速发展阶段。生态环境部、水利部、中国监测总站等多部委研究机构积极推进生物监测工作的发展：组织湖北、江苏、黑龙江等省市在南水北调源头、太湖、松花江流域等重点湖库开展生物监测试点工作；积极修订包含淡水鱼（斑马鱼）、发光菌、浮游动物（大型溞）、虾蟹等19项生物监测标准[7]；组织南京、上海等地监测站开展水环境生物监测指标、生物毒性试验、生物体微量有机物检测等研究工作[8]。我国水环境生物监测技术由此得到快速提升。

2  不同指示生物在生物监测上的应用

指示生物，指包含环境（或部分环境）质量信息的生物个体（或组织、群落）[9]。一般具有以下特征：分布广、数量多、分类明、敏感度高、移动性低、易于量化和标准化、生态学特征明确[10]。目前，应用在水环境生物监测中的指示生物主要有鱼类、细菌、浮游动物、浮游植物、底栖动物等。

2.1  微生物

微生物包括小型原生动物、真菌、病毒、细菌等，应用在水环境监测中较多的有酸杆菌门、变形菌门等，一般通过微生物的群落特征、优势菌丰度等，来表征水体环境的健康状况[11]。其中发光细菌因其独特的生理特征被广泛应用。

发光细菌体内含荧光酶、荧光蛋白，且能够发射可见荧光，当暴露于有毒环境时，发光菌的荧光酶活性会被抑制进一步导致发光强度降低[12]。通过测试样与对照样发光强度的对比表征，可量化水环境有毒物质的毒性大小。

2.2  浮游植物

浮游植物一般指浮游藻类，其直径大小通常在微米之间。浮游植物作为初级生产者，影响着水环境系统中的物质循环流动及信息传递：一方面，若其过量生长，会造成水体有机物浓度增加、溶解氧浓度降低，从而恶化水质；另一方面，其种群结构对水环境质量改变异常敏感，能够快速发生种群变化从而反馈污染物对水体的影响，进一步反映水质状况[13]。通过藻类丰度、多样性、化学组成等指标判断水质综合状况已被广泛应用[14]。

2.3  浮游动物

浮游动物是指包括桡足类、枝角类、原生动物等，于水中悬浮生长、随水流漂动的异养型微小水生动物。浮游动物既是鱼类、贝类的食物来源，也是浮游植物等初级生产者的猎食者；既是敏感的水环境质量指示生物，也是次级生产者。有研究表明，水体浑浊、水体富营养化等造成的水体缺氧，会影响浮游动物的丰度、空间分布、群落组成[15]。此外，某些浮游动物具有积累转移污染物的功能，可间接反映水环境质量的变化，可利用此特性采用指示生物法表征水体富营养化、生态毒理特性等 [16]。

2.4  底栖动物

底栖动物是水环境生态系统的重要组成部分，一般指大部分或全部时间生活在内陆水域或海洋底部的动物。底栖动物因其寿命长、生活期敏感且多为固着生长，故能够反映一段时间的环境效应且能够代表特定位点的环境状况。据此，国际上现已建立了诸多底栖动物指数，如多样性指数、物种丰度、优势度等，另有底栖动物完整性指数（B-IBI）、Hilsenboff指数、生物学污染性指数和科级水平生物指数（FBI）等[17]。

2.5  鱼类

作为河流生态系统食物链的顶端，鱼类对流量调节、物种引入和人类开发等几乎所有类型的人为干扰都能够产生响应。目前被用于水环境生物监测的鱼类主要有斑马鱼、河鲈等，监测指标包括行为指标（如呼吸行为、运动行为、逃逸行为等）和生理指标[18]。鱼类的监测手段主要有声学监测、心电图、遥测系统、通气活动的测量等。当前，以鱼类为指示生物的水环境毒性监测、生物预警等已取得较多成果，在实际应用中显示出巨大潜力。

3  水环境生物监测新兴技术

随着生物监测技术的蓬勃发展，藻类荧光光谱分析技术、生物传感器技术、环境DNA技术等新兴技术逐步研发使用，有效弥补了生物监测技术的部分缺陷，包括耗时长、对鉴定人员及鉴定经验要求高等，推动了生物监测技术的大规模开展。

藻类荧光光谱分析技术是基于不同藻种的发光色素组成及含量不同，从而产生的荧光光谱不同而建立的，而光谱的差异正是展开活体藻类藻种分类的重要依据[19]。殷高方等人[20]根据蓝藻、绿藻、硅藻、甲藻、隐藻五大门类藻种的三维荧光光谱特征，提取了8个发射波段、12个激发波段组成的96个特征光谱点，实现了蓝藻、绿藻、硅藻、甲藻、隐藻的实时在线测量，并完成了技术的产品转化，即水体藻类荧光光谱在线分析仪（AFA）。

生物毒性监测预警技术是利用指示生物在水体污染物的胁迫下的生理变化或行为反应（如光合作用、发光强度、死亡等）进行水质预警的一种技术手段。目前，该技术逐渐从单一指示生物发展到多种指示生物（鱼类、发光菌类、溞类、藻类）联合预警，覆盖的水质污染物更为全面，实现了大多数污染物的及时有效预警，有力保障了水环境的安全。

数字全息显微成像技术，因其能清晰呈现成像水体内的所有微小浮游生物，并获得生物全方位三维形貌而受到广泛关注。“全息”即全部信息，既包括物体的相位信息、也包括物体的振幅信息。此外，该技术还可利用计算机对水体全息图进行数值重建、滤波去噪，进一步实现三维成像识别、大景深清晰成像等功能 [21]。

鱼类回声探测技术，其原理是利用换能器将电信号转化为声信号，然后向水中发射脉冲超声波，当声波遇到鱼类时，因鱼类与水的声阻抗率不同，故鱼类会对声波产生反射及散射作用，部分声波散射至换能器产生回波信号，换能器会进一步将回波信号转换成电信号[22]。根据声波发射、收到回声的时间间隔，可测得鱼类所在深度；根据回声信号的结构、强弱，可估算鱼类数量、分布状况等[23]。

环境DNA宏条形码技术指从水环境中提取DNA（包括核DNA和线粒体DNA），之后利用高通量测序扩增获得大量DNA序列，进一步与数据库中的序列进行对比，从而得到水环境中的物种信息[24]。该项技术结合了高通量测序技术和传统DNA条形码技术，在水环境生物监测中的应用主要包括：对水环境中病原体、指示生物的DNA序列进行PCR扩增，完成水体有毒有害物质的识别并得到指示生物完整的DNA序列以此鉴定生物种类[1]。

4  结语

随着“十四五”进程的推进，水环境“生态健康”成为国家新一轮发展战略，水环境监测工作面临着从环境质量监测向生态质量监测转型的极大挑战，而生物监测作为监测水环境胁迫压力的理化监测的补充，充分体现了水环境的胁迫响应，只有做到生物监测、理化监测并行，才能逐步实现水环境管理向“生态健康”转折的目标。在此背景下，需稳步推进生物监测技术的有效应用：（1）补齐生物监测能力短板，加强人才队伍建设，加强标准体系、专业技能的学习培训；（2）推进流域监测站能力建设，部署生物监测网，完善监测机构的基础保障，包括设备、场地、资质等；（3）积极推进先进技术手段的应用，包括光谱、无人机、遥感等，提高水环境生物监测的精准度与效率，为水环境生态保护提供科学支撑。

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