淺談水質生物毒性自動監(jiān)測研究進展

司傳海，馮端，丁聰，張永濤＊

（1.中國環(huán)境保護產業(yè)協(xié)會，北京 100045；2.北京市計量檢測科學研究院，北京 100029）

2015 年7 月，國務院辦公廳印發(fā)《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網絡建設方案》，提出在重點領域開展生物毒性監(jiān)測。2016 年11 月，國務院印發(fā)《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》，提出開展廢水綜合毒性評估，開展飲用水水源地生物毒性監(jiān)測預警。2020 年1 月，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《應對新型冠狀病毒感染肺炎疫情應急監(jiān)測方案》，要求在飲用水水源地常規(guī)監(jiān)測的基礎上增加生物毒性指標監(jiān)測。

在相關政策的推動下，我國水質生物毒性監(jiān)測工作穩(wěn)步推進，相關設備在水體突發(fā)性污染事故的監(jiān)測預警方面逐步得到應用，但也存在一些問題。本文梳理了水質生物毒性監(jiān)測的主要方法、相關標準，以及自動監(jiān)測設備的研發(fā)和應用進展，分析了相關設備在研發(fā)和應用推廣中存在的問題，并提出了相關建議。

1 水質生物毒性監(jiān)測技術

生物毒性監(jiān)測技術可分為發(fā)光細菌法、藻類法、溞類法、魚類行為法及微生物燃料電池法[1]。

1.1 發(fā)光細菌法

發(fā)光細菌是一類在正常的生理條件下能夠發(fā)出可見熒光的細菌[2]，發(fā)出熒光的強度與其代謝活性相關，而水中污染物會影響其代謝活性。發(fā)光細菌法的基本原理是通過測定發(fā)光細菌發(fā)出熒光強度的變化來評價水質毒性大小[3]。常見的發(fā)光細菌有費氏弧菌、明亮發(fā)光桿菌及青?；【萚1]。

用發(fā)光細菌法測定水質生物毒性，具有簡單、快速、準確、成本低、應用范圍廣的優(yōu)點[2]。

1.2 藻類法

藻類是一類比較原始、古老的低等生物，構造簡單，沒有根、莖、葉的分化，多為單細胞、群體或多細胞的葉狀體。當水體中污染物達到一定濃度時，會對藻類的光合作用、呼吸作用、酶活性和生長等產生影響。藻類法的基本原理是通過測定藻類的生長抑制和光合作用效率來評價生物毒性大小[4]。利用藻類進行生物毒性監(jiān)測，具有結果準確、可靠的優(yōu)點，但也存在工作量大、測定周期較長的缺點[2]。

1.3 溞類法

水溞是一種小型的甲殼動物，屬于節(jié)肢動物門甲殼綱枝角目。當水體受到污染時，溞類的生長、生殖和發(fā)育會受到影響。通過觀察溞類的生長、生殖和發(fā)育的變化，可用來評價水質毒性的大小[4]。

水溞培養(yǎng)簡便、繁殖較快且對許多有毒物質敏感，利用溞類進行生物毒性監(jiān)測，具有應用范圍廣、直觀易觀察的優(yōu)點，缺點是靈敏度低、周期較長[2,4]。

1.4 魚類行為法

魚類對水環(huán)境的變化比較敏感，水質的變化會導致其行為改變[4]。通過大量實驗，建立魚類行為與水質毒性的效應關系，即可通過監(jiān)測魚類行為的變化來評價水質生物毒性。

魚類行為法存在靈敏度較低、響應速度慢的缺點[1]，但是魚類與人類對水質有毒物質的反應更為接近，因此更能反映水質變化對人體的危害。

1.5 微生物燃料電池法

在自然環(huán)境中，存在一類特別的微生物——電化學活性微生物，它們具有獨特的胞外電子傳遞過程，可以在厭氧呼吸時產生電流，直接將有機物中的化學能轉化為電能。試驗表明，產生電流的強度與有毒物質的濃度呈線性負相關關系。微生物燃料電池法的基本原理即是利用該相關關系，通過測定電流強度，評估水質生物毒性。

微生物燃料電池法具有響應速度快、操作簡便、可實現(xiàn)連續(xù)自動監(jiān)測的優(yōu)點[5,6]，缺點是受試生物的組分模糊，毒性的一致性差，而且受試生物受沖擊后，重建過程慢[1]。

2 相關標準情況

生物毒性監(jiān)測標準分為檢測方法標準和產品標準。其中，檢測方法標準開展較早，目前已經較為成熟，除了生物燃料電池法外，其他方法都有對應的檢測方法標準（見下表）。

相關產品標準的制定工作開展較晚，也不成熟，目前尚無國家標準。行業(yè)標準方面，2017 年，住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布《城鎮(zhèn)供水水質在線監(jiān)測技術標準》（CJJ/T 271—2017），自2018 年6 月1 日起實施，對生物毒性在線監(jiān)測儀、魚類行為法生物綜合毒性在線監(jiān)測儀作出了技術要求；2020 年12 月30 日，中國質量檢驗協(xié)會發(fā)布《城鎮(zhèn)給水綜合毒性在線監(jiān)測設備通用技術規(guī)則》（T/CAQI 146—2020），自2021 年3 月30 日起實施，對發(fā)光細菌法、魚類行為法、微生物燃料電池法的生物毒性監(jiān)測設備作出了要求。地方標準方面，僅對發(fā)光細菌法和生物燃料電池法的生物毒性監(jiān)測設備制定了對應的地方標準，分別為2016 年廣東省發(fā)布的《生物毒性水質自動在線監(jiān)測儀技術要求 發(fā)光細菌法》（DB44/T 1946—2016）和2018 年黑龍江省發(fā)布的《水質綜合毒性在線監(jiān)測技術要求 微生物燃料電池法》（DB 23/T 2111—2018）。

各類生物毒性監(jiān)測的標準

3 自動監(jiān)測設備研發(fā)和應用情況

德國從20 世紀90 年代起就開始應用生物毒性自動監(jiān)測設備監(jiān)測河流水質。我國生物毒性自動監(jiān)測起步較晚，但也已經在水體突發(fā)性污染事故的自動監(jiān)測預警中得到應用[7]。

指示生物為發(fā)光細菌的自動監(jiān)測設備占市場的70%左右。常應用于水庫、飲用水水源地等環(huán)境水的監(jiān)測。指示生物為魚類的自動監(jiān)測設備也得到一定的應用，主要為湖泊、河流等水域的監(jiān)測。

微生物燃料電池的監(jiān)測設備成本低、操作簡單，在水質生物毒性監(jiān)測方面有著廣泛的應用前景。但是該類設備目前還處于示范階段。藻類生物毒性在線監(jiān)測設備和溞類生物毒性在線監(jiān)測設備在我國應用較少，鮮見相關報道。

4 存在問題

4.1 市場認可度不高

雖然我國重視生物毒性監(jiān)測工作，并在《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網絡建設方案》《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》《“十四五”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃》等文件中明確提出開展生物毒性監(jiān)測。但是，由于該指標不是環(huán)境監(jiān)測考核指標，因此市場認可度并不高，這給此類產品在我國的推廣、應用帶來一定的困難和挑戰(zhàn)。

4.2 缺少成熟的產品標準

目前，生物毒性在線監(jiān)測設備還沒有國家層面的產品標準，也沒有在環(huán)境監(jiān)測領域得到普遍認可的行業(yè)標準，造成生物綜合毒性監(jiān)測儀器市場、無序競爭現(xiàn)象嚴重，亟須在行業(yè)內制定統(tǒng)一的標準，規(guī)范行業(yè)行為。

5 建議

（1）將生物毒性指標在飲用水水源地的監(jiān)測常態(tài)化、法規(guī)化，大力推動生物毒性在線監(jiān)測設備的應用，提高我國生物毒性監(jiān)測預警水平。

（2）廣泛開展生物毒性監(jiān)測設備性能指標的測試和評價，并優(yōu)先為應用廣泛、性能指標明確、數(shù)據(jù)支撐充分的水質生物毒性在線監(jiān)測設備制定權威、科學、統(tǒng)一的標準，以標準創(chuàng)新引領行業(yè)高質量發(fā)展。