打破水環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)瓶頸

◎本刊記者 崔悅

我國水生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)龐大。

構(gòu)建現(xiàn)代化水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)體系

水質(zhì)監(jiān)測作為水污染控制工作中的基礎(chǔ)性工作,其監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅為評價(jià)江河和海洋水質(zhì)狀況提供了重要依據(jù),也為環(huán)境管理和決策提供了支持和服務(wù)。然而，基于我國水生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)龐大，其環(huán)境數(shù)據(jù)還沒有充分發(fā)揮作用。中國環(huán)境監(jiān)測總站主辦的第一屆生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)交流會(huì)，近日在北京會(huì)議中心召開，大會(huì)特意開展了“生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)分論壇”，為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的科技工作者提供交流平臺(tái)，為水環(huán)境監(jiān)測獻(xiàn)言獻(xiàn)策，力圖打破水環(huán)境監(jiān)測瓶頸。

制定水質(zhì)基準(zhǔn)需要四類數(shù)據(jù)

環(huán)境基準(zhǔn)是環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)，也是構(gòu)建國家生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防范體系的重要基石。

什么是基準(zhǔn)呢？筑土為基，水平為準(zhǔn)，也就是說，“基”和“準(zhǔn)”是我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)的一個(gè)基石和尺度的概念。環(huán)境基準(zhǔn)包括大氣環(huán)境基準(zhǔn)、水環(huán)境基準(zhǔn)和噪聲基準(zhǔn)等，是一種綜合性基準(zhǔn)，它是由與人體健康有關(guān)的衛(wèi)生基準(zhǔn)、與各種動(dòng)植物保護(hù)有關(guān)的生物基準(zhǔn)以及與保護(hù)各種物質(zhì)財(cái)富有關(guān)的物理基準(zhǔn)綜合而成。中國環(huán)境科學(xué)研究院研究員趙曉麗團(tuán)隊(duì)主要圍繞水質(zhì)基準(zhǔn)里面保護(hù)水生生物及使用功能的基準(zhǔn)來展開研究。

數(shù)據(jù)是整個(gè)水質(zhì)基準(zhǔn)的核心基礎(chǔ)和根基，沒有科學(xué)的數(shù)據(jù)就沒有科學(xué)的基準(zhǔn)，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，那獲得的基準(zhǔn)值也是不準(zhǔn)確的。在研究水質(zhì)基準(zhǔn)的推導(dǎo)和制定過程中，趙曉麗指出：“水質(zhì)基準(zhǔn)的制定需要四大類的數(shù)據(jù)，一是水中生物的物種數(shù)據(jù)，二是水體的理化參數(shù)，三是污染物特征和含量分布的數(shù)據(jù)，四是水生態(tài)的毒理數(shù)據(jù)。然而，我國目前有關(guān)水質(zhì)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的獲取，在很大程度上還是依賴國外的數(shù)據(jù)庫，這實(shí)際上是存在戰(zhàn)略風(fēng)險(xiǎn)的。此外，我們經(jīng)常提到一些卡脖子的技術(shù)和工程，實(shí)際上我覺得是數(shù)據(jù)的問題，數(shù)據(jù)實(shí)際上是我國環(huán)保中有可能會(huì)被卡脖子的環(huán)節(jié)?！?/p>

近期，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了首個(gè)環(huán)境基準(zhǔn)值，就是國家淡水水生生物水質(zhì)鎘的基準(zhǔn)值。中國環(huán)境科學(xué)研究院就是研究單位之一，趙曉麗研究員介紹了鎘基準(zhǔn)值制定中的創(chuàng)新性，鎘基準(zhǔn)值的制定采用了1137篇中英文文獻(xiàn)里的7000多條毒性數(shù)據(jù)，通過這些毒性數(shù)據(jù)，發(fā)布的鎘水質(zhì)基準(zhǔn)值基本代表了淡水水生生物區(qū)系的特點(diǎn)，涵蓋了我國草魚、鯉魚和鳙魚等一些淡水水生生物的優(yōu)勢種。同時(shí)，在方法學(xué)方面，使用物種敏感度的方法，而美國和加拿大采用的是毒性百分?jǐn)?shù)排序法和評價(jià)因子法，我們在方法學(xué)上面更加準(zhǔn)確、科學(xué)。

2019年12月6日，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了關(guān)于征求國家生態(tài)環(huán)境基準(zhǔn)，淡水水生生物水質(zhì)基準(zhǔn)——氨氮的征求意見稿，據(jù)了解，氨氮主要受水體溫度和PH值影響，目前，中國環(huán)境科學(xué)研究院已經(jīng)建立了差異化七大流域的氨氮基準(zhǔn)。

趙曉麗指出：“水質(zhì)基準(zhǔn)制定的過程中，數(shù)據(jù)獲取途徑有限，獲取成本高，資源分散，因此首先要開展前期技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，解決數(shù)據(jù)參差不齊的問題。在未來，我們期望能夠構(gòu)建智能化、信息化、可視化的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)平臺(tái)?！?/p>

構(gòu)建本土水生物種DNA數(shù)據(jù)庫

水體污染往往造成水生生物多樣性的銳減。據(jù)世界自然基金會(huì)發(fā)布的《地球生命力報(bào)告(2016年)》統(tǒng)計(jì)，1970至2012年間，淡水生物數(shù)量整體下降了81%。雖然對污染物的監(jiān)測可以直接了解水體的污染狀況，但往往忽略了污染物潛在的生物毒性及長期的生態(tài)群落效應(yīng)。而對棲息在水中的生物群落進(jìn)行監(jiān)測，可以更為全面地衡量水體水質(zhì)與生態(tài)健康狀況。然而，傳統(tǒng)生物監(jiān)測存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、物種分辨度低、成本高等諸多缺陷，一直以來無法在流域尺度開展大規(guī)模、高頻率的監(jiān)測。因此，迫切需要更加便捷且準(zhǔn)確的生物監(jiān)測技術(shù)，來應(yīng)用于生物多樣性及水生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)。

南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院張效偉教授課題組近年來匯集力量，重點(diǎn)研究基于環(huán)境DNA與基因組學(xué)的河流健康監(jiān)測與診斷方法，建立了一套基于環(huán)境DNA宏條形碼的高通量生物監(jiān)測技術(shù)。

環(huán)境基準(zhǔn)是環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)，也是構(gòu)建國家生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防范體系的重要基石。

中國環(huán)境科學(xué)研究院研究員趙曉麗

中國環(huán)境科學(xué)研究院研究員徐建

南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授張效偉

據(jù)張效偉教授介紹：“生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估和環(huán)境管理面臨很多挑戰(zhàn)，一是忽視對野外本土生物種群的監(jiān)測；二是只評估一個(gè)物種，缺乏對生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)影響的評估；三是生態(tài)環(huán)境的服務(wù)和功能是由基本生態(tài)過程支撐，但我們往往只研究一兩個(gè)環(huán)節(jié)。因此，我們認(rèn)為，建立本土物種DNA條形碼數(shù)據(jù)庫是當(dāng)前的工作重點(diǎn)。DNA技術(shù)可以在生態(tài)環(huán)境保護(hù)和管理中發(fā)揮比較重要的作用和價(jià)值，大幅度提高我們對生態(tài)環(huán)境的觀測能力?！?/p>

張效偉教授以太湖為例，太湖流域4萬平方公里，假設(shè)布設(shè)一百個(gè)點(diǎn)去采樣，進(jìn)行DNA分析，通過本土物種的數(shù)據(jù)庫來快速做生物多樣性的監(jiān)測，一周可以完成100多個(gè)點(diǎn)的生物多樣性測試的分析。

據(jù)張效偉介紹，除了水生浮游植物、浮游動(dòng)物可以這么做，大型的水生動(dòng)物，像魚類、江豚也可以這么做。在一個(gè)航次里面，隨意取水樣，可以檢測水中DNA的濃度，以此來弄清楚這個(gè)群落在當(dāng)時(shí)是怎么發(fā)生變化的。

如何構(gòu)建水生態(tài)監(jiān)測技術(shù)體系

我國的環(huán)境監(jiān)測起步較晚，但如今也已初成規(guī)模，監(jiān)測系統(tǒng)由操作間斷性發(fā)展為自動(dòng)連續(xù)性，無論是環(huán)境監(jiān)測能力、監(jiān)測管理還是技術(shù)突破等方面都有了質(zhì)的飛躍。

中國環(huán)境科學(xué)研究院研究員徐建介紹：“在水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)方面，目前在環(huán)境監(jiān)測方面的數(shù)據(jù)大部分基于總量，但實(shí)際上水環(huán)境里的污染物形態(tài)是有很多種的，比如說有顆粒態(tài)、膠體結(jié)合態(tài)還有一些溶解態(tài)，這些污染物質(zhì)不同的形態(tài)決定了生物有效性不同。就是說，總量這么多，但是真正能起到靶點(diǎn)作用，生物體對環(huán)境造成潛在的毒性效應(yīng)的量是有差距的，因此難以準(zhǔn)確地評估污染物的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>

那么，如何對水流域生態(tài)環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測？徐建認(rèn)為，水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)復(fù)雜多樣，確定監(jiān)測指標(biāo)，使用相應(yīng)的監(jiān)測儀器進(jìn)行監(jiān)測，并把所有儀器得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)的方式，進(jìn)行硬件的接入和數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)，形成基于物聯(lián)網(wǎng)的水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)，這是水環(huán)境監(jiān)測的主要監(jiān)測思路。

水生態(tài)監(jiān)測技術(shù)體系是水資源保護(hù)最基礎(chǔ)且關(guān)鍵的組成部分。水生態(tài)監(jiān)測技術(shù)體系如何構(gòu)建？

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)分論壇現(xiàn)場

徐建認(rèn)為：“一是要研發(fā)基于DGT理論的水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測評估技術(shù)，根據(jù)DGT裝置監(jiān)測的濃度和生物體內(nèi)的濃度，構(gòu)建基于生物環(huán)境有效性的水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測評估方法。二是要選擇合適的小型化監(jiān)測儀器，儀器布設(shè)進(jìn)去之后可以同時(shí)測9個(gè)參數(shù)，不到一平方米的面積就可以布設(shè)一個(gè)儀器小型站。三是要信息化，基于物聯(lián)網(wǎng)的流域水生態(tài)監(jiān)測技術(shù)集成，實(shí)際上是基于物聯(lián)網(wǎng)的共性平臺(tái)和應(yīng)用子集。首先，建一個(gè)平臺(tái)，搭一個(gè)臺(tái)子讓別人唱戲，實(shí)現(xiàn)多種監(jiān)測設(shè)備的管理，將所有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用接入，提供一站式開發(fā)服務(wù)。其次，物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)模塊，包括四個(gè)集成，一是業(yè)務(wù)應(yīng)用層，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用集成，二是基礎(chǔ)支撐層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和服務(wù)集成，三是網(wǎng)絡(luò)傳輸層，通訊集成，四是感知互動(dòng)層設(shè)備集成。也就是說，這是一個(gè)開放的物聯(lián)網(wǎng)體系，可以實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的接入，解決社會(huì)接入管理、多元異構(gòu)數(shù)據(jù)集成、平臺(tái)兼容擴(kuò)展等一系列關(guān)鍵問題?！?/p>

國產(chǎn)監(jiān)測儀器水平日漸提高

除了研究水環(huán)境的監(jiān)測技術(shù)方法，我國在水環(huán)境監(jiān)測儀器的生產(chǎn)上也已達(dá)到一定水平，除了加大對監(jiān)測儀器的生產(chǎn)投資外，我國環(huán)境監(jiān)測儀器的生產(chǎn)技術(shù)水平也日益提高，如油分測定、電磁波監(jiān)測儀器、水質(zhì)多參數(shù)機(jī)器人全自動(dòng)分析儀等。目前，中國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測事業(yè)已站在新的歷史起點(diǎn)上，環(huán)境監(jiān)測者理應(yīng)乘勢而上，銳意進(jìn)取，為加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)、建設(shè)美麗中國做出新的更大貢獻(xiàn)！

在生態(tài)環(huán)境保護(hù)和管理中，DNA技術(shù)有比較重要的作用和價(jià)值，它可以大幅度提高我們對生態(tài)環(huán)境中生物元素和生物結(jié)構(gòu)的觀測能力。

國產(chǎn)的水環(huán)境監(jiān)測儀器已達(dá)到較高水平

【環(huán)境百科】

DNA宏條形碼

DNA宏條形碼(DNA metabarcording)是利用高通量測序技術(shù)獲得混合條形碼擴(kuò)增序列,通過生物信息學(xué)分析手段來鑒定混合樣本中物種組成的方法。該方法已廣泛用于宏基因組學(xué)、動(dòng)植物生物多樣性等研究,并開始應(yīng)用于傳統(tǒng)草藥的鑒定領(lǐng)域,為混合草藥物種鑒定提供了有力手段。

DGT技術(shù)

DGT技術(shù)的全名是薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)（diffusive gradients in thin-films technique,DGT），是一種原位被動(dòng)采樣方法。DGT技術(shù)主要用于原位測量可溶性重金屬、陰離子以及營養(yǎng)元素在水界面中的縱向濃度分布。

原位被動(dòng)采樣技術(shù)可以在不影響母體溶液濃度和周圍環(huán)境的前提下，在線收集目標(biāo)監(jiān)測物質(zhì)，可以真實(shí)反映出被測體系中的真實(shí)濃度或時(shí)間平均濃度。