生物監(jiān)測技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

曹如星

（甘肅省嘉峪關(guān)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

引言

我國近些年發(fā)布的《生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》信息顯示，對于我國水體環(huán)境產(chǎn)生污染現(xiàn)象的主要污染物，包括化學(xué)需氧量、高錳酸鉀指數(shù)和總磷等。水體環(huán)境作為生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分，對于人們的日常生活以及飲用水都會產(chǎn)生十分顯著的影響。在我國提倡生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會協(xié)調(diào)發(fā)展的背景下，水環(huán)境監(jiān)測已經(jīng)成為我國生態(tài)環(huán)保部門日常工作的重要組成部分。為了得到水體環(huán)境的精準(zhǔn)污染監(jiān)測結(jié)果，必須根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，選擇現(xiàn)代化的監(jiān)測技術(shù)。相較于物理和化學(xué)監(jiān)測技術(shù)，生物監(jiān)測技術(shù)的整體成本投入能夠得到控制，并且在監(jiān)測過程中不會因?yàn)楦鞣N物理和化學(xué)反應(yīng)對水體產(chǎn)生二次污染。因此，生物監(jiān)測技術(shù)成為現(xiàn)階段我國水環(huán)境監(jiān)測工作的主要技術(shù)手段。本文通過研究分析水環(huán)境監(jiān)測工作中生物監(jiān)測技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，為該項(xiàng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測工作中的推廣普及提供參考。

1 生物監(jiān)測技術(shù)概述

1.1 技術(shù)原理

水體環(huán)境是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在該環(huán)境體系下的生物種群之間保持著一種相互制約、共同發(fā)展的關(guān)系，使得整個(gè)水體生態(tài)系統(tǒng)能夠維持動(dòng)態(tài)發(fā)展的狀態(tài)[1]。污染物在進(jìn)入水體環(huán)境后，會利用自身物質(zhì)形態(tài)對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，并且這種影響會隨著食物鏈傳入其他生態(tài)系統(tǒng)中，在影響水體原生生物成長發(fā)展的同時(shí)，生物彼此之間的制衡關(guān)系也會逐漸被打破，從而出現(xiàn)各種連鎖反應(yīng)。實(shí)際上，生物監(jiān)測技術(shù)便是利用各種水生指示生物對水質(zhì)的變化進(jìn)行監(jiān)測，部分生物對水體中污染物的含量變化會產(chǎn)生十分明顯的應(yīng)激反應(yīng)，這也是目前水環(huán)境監(jiān)測中常見的指示生物，以浮游生物、底棲生物和微生物為主，這些指示生物也是生物監(jiān)測技術(shù)得以應(yīng)用的主要媒介。監(jiān)測人員可以根據(jù)指示生物的類型及存活數(shù)量的變化，對水質(zhì)狀況及時(shí)做出判斷，并且可以根據(jù)指示生物的實(shí)際種類，對于引發(fā)水污染現(xiàn)象的污染物種類以及水污染事件發(fā)展程度進(jìn)行分析。

在水環(huán)境監(jiān)測工作中，生物監(jiān)測技術(shù)能夠利用水生生物的反應(yīng)變化，針對水體中的某一種或者多種污染物同步進(jìn)行監(jiān)測和管理，幫助監(jiān)測人員對不同劑量化學(xué)物質(zhì)影響下的水生生物的反應(yīng)進(jìn)行觀察和研究，部分水生生物會出現(xiàn)活性降低甚至死亡的現(xiàn)象。監(jiān)測人員可以根據(jù)水生生物在活性、數(shù)量方面的變化，描繪出水生生物污染物的具體種類以及狀態(tài)變化曲線，對水體污染物的危害進(jìn)行分析[2]。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

生物監(jiān)測技術(shù)是一種在水環(huán)境監(jiān)測過程中立足于生物學(xué)層面利用多種水生生物對具體污染物種類以及污染發(fā)展程度進(jìn)行監(jiān)管的現(xiàn)代化監(jiān)測技術(shù)。以目前國內(nèi)技術(shù)體系的發(fā)展來看，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)中所使用的生物種類存在明顯的不同，代表監(jiān)測技術(shù)的分支發(fā)展較為快速，該項(xiàng)技術(shù)同樣加入了生態(tài)動(dòng)力學(xué)方面的專業(yè)知識，能夠幫助監(jiān)測人員針對不同水域的實(shí)際污染狀況全方位進(jìn)行調(diào)查和分析。

相較于傳統(tǒng)的物理和化學(xué)水環(huán)境監(jiān)測方法，生物監(jiān)測技術(shù)在應(yīng)用過程中逐漸體現(xiàn)出如下幾點(diǎn)優(yōu)勢：一是長期性優(yōu)勢?？紤]到生物監(jiān)測技術(shù)是以生活在水體環(huán)境中的各種指示生物作為主要的監(jiān)測媒介，意味著生物監(jiān)測技術(shù)能夠在水環(huán)境監(jiān)測過程中連續(xù)進(jìn)行取樣，確保水環(huán)境監(jiān)測工作能夠長期進(jìn)行，有助于促進(jìn)水環(huán)境監(jiān)測工作的動(dòng)態(tài)化日?；l(fā)展。二是多元性優(yōu)勢。物理、化學(xué)的水體環(huán)境監(jiān)測技術(shù)無法針對外源性化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行全面監(jiān)管，生物監(jiān)測技術(shù)則可以對這類化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，并且對于外源性化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入水體之后產(chǎn)生的細(xì)微影響也能夠利用指示生物的變化進(jìn)行研究。三是綜合性優(yōu)勢。在不同水體環(huán)境中長時(shí)間存在的指示生物會與多種類型的污染物頻繁進(jìn)行接觸，并且多種污染物在混合進(jìn)入水體后會產(chǎn)生明顯的協(xié)同效應(yīng)，從而威脅到水體環(huán)境的穩(wěn)定性以及生態(tài)群落的均衡性[3]。在水生生物長時(shí)間接受混合污染物協(xié)同作用的情況下，能夠幫助監(jiān)測人員通過觀測生物活性水平及數(shù)量，反映水體污染物種類以及具體含量。

2 用于水環(huán)境監(jiān)測中的常見生物監(jiān)測技術(shù)類型

對水環(huán)境的監(jiān)測和保護(hù)是我國生態(tài)環(huán)境工作體系的重要組成內(nèi)容，生態(tài)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用可以幫助監(jiān)測人員利用各種科學(xué)依據(jù)和技術(shù)對水生生物的活性反應(yīng)進(jìn)行觀察，準(zhǔn)確評估造成水體污染現(xiàn)象的主要污染物種類和含量。水生指示生物的數(shù)據(jù)匯總能夠形成水環(huán)境質(zhì)量控制工作必要的理論體系。生物監(jiān)測技術(shù)能夠幫助監(jiān)測人員在實(shí)時(shí)觀察污染物種類、數(shù)量具體變化以及危害程度的前提下，及時(shí)采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理和控制，確保水環(huán)境污染現(xiàn)象帶來的危害能夠降到最低?？傮w看來，目前我國的生態(tài)監(jiān)測技術(shù)多元化特征十分明顯，這與我國經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、資金等方面的支持有著密切的關(guān)聯(lián)，大致可以分為如下幾種類型。

一是指示生物監(jiān)測技術(shù)。該項(xiàng)監(jiān)測技術(shù)是以生而有之作為主要的工作原則，水體中的各種微生物和生物對于水環(huán)境中的污染元素變化十分靈敏，一旦出現(xiàn)了嚴(yán)重污染現(xiàn)象，指示生物很有可能會大規(guī)模出現(xiàn)活性降低以及死亡的現(xiàn)象。比如，監(jiān)測人員能夠通過水體中分布較為廣泛的搖蚊幼蟲和浮游生物滅亡的次數(shù)和程度，對水環(huán)境的總體質(zhì)量以及污染物種類進(jìn)行研究和分析。

二是群落結(jié)構(gòu)監(jiān)測法。從某種程度上看，在特定的地域范圍內(nèi)，水體內(nèi)部的群落結(jié)構(gòu)彼此之間保持著一種相互依存、和諧發(fā)展的關(guān)系。對于水生環(huán)境生成的群落結(jié)構(gòu)而言，一旦水體遭受污染物的影響，群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化是不可避免的。通常而言，水體中的生物群落結(jié)構(gòu)如果受到有機(jī)物的嚴(yán)重污染，或者是附近區(qū)域的含氧量明顯降低，整體結(jié)構(gòu)就會以抗低溶解氧的特征為主，如果群落結(jié)構(gòu)所處的水體環(huán)境質(zhì)量優(yōu)秀，則水體物理性狀和化學(xué)性狀會得到明顯改善，這也為國內(nèi)水環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)工作的實(shí)施提供了技術(shù)支持。

三是生物測試技術(shù)。這種方法以污染物進(jìn)入水體之后，水生生物遭受毒害時(shí)產(chǎn)生的一種身體機(jī)能變化為核心，監(jiān)測人員可以根據(jù)生物在機(jī)能方面的具體變化，對當(dāng)?shù)厮廴镜臓顩r以及污染物的種類進(jìn)行衡量和分析。這種生物監(jiān)測技術(shù)可以在單一污染源頭的監(jiān)測工作中應(yīng)用，同時(shí)也能夠聯(lián)合其他監(jiān)測技術(shù)，對于復(fù)雜因素誘發(fā)的水體污染現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測。

四是殘毒監(jiān)測方法。如果水生生物長時(shí)間處于污染嚴(yán)重的水體環(huán)境中，體內(nèi)會出現(xiàn)污染物殘留物質(zhì)被大量吸收的問題，并且這些物質(zhì)可以經(jīng)過水生生物自發(fā)的吸收、消化、再分配等環(huán)節(jié)，以固定形式在生物體進(jìn)行儲存，相關(guān)人員可以將這些生物作為水環(huán)境監(jiān)測研究的對象，針對水生生物體內(nèi)殘留的各種有毒有害物質(zhì)的種類和含量進(jìn)行研究和分析，還可綜合使用熒光分析、紅外光譜技術(shù)等多種方法獲得精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，以此判斷當(dāng)?shù)厮廴经h(huán)境的發(fā)展?fàn)顩r，并生成針對性控制和處理方案。

3 生物監(jiān)測技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測工作中的應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 用于水體中微生物群落的監(jiān)測

因?yàn)樗w環(huán)境中分布著微生物、底棲生物、兩棲動(dòng)物、浮游生物等多種生物類型，生物監(jiān)測技術(shù)在應(yīng)用的過程中可以針對微生物對象進(jìn)行全方位的監(jiān)測，并且對象具有群落均勻、細(xì)菌豐富等多方面的優(yōu)勢。發(fā)光細(xì)菌和魚類共生發(fā)展的費(fèi)氏弧菌在水體環(huán)境中廣泛分布，發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光量與其內(nèi)部的發(fā)光酶系統(tǒng)有著直接的聯(lián)系，本質(zhì)上，發(fā)光酶是一種異二聚體蛋白質(zhì)，一旦這類物質(zhì)受到污染物影響，細(xì)菌的發(fā)光水平將會明顯下降，這也代表發(fā)光細(xì)菌在水環(huán)境監(jiān)測工作中有著十分重要的指示意義，且已經(jīng)成為當(dāng)下水體環(huán)境監(jiān)測工作的重要衡量指標(biāo)。一般而言，監(jiān)測人員針對污染物的毒性也可以利用發(fā)光細(xì)菌進(jìn)行量化處理，量化的對象是3～5分鐘之內(nèi)的污染物急性毒性，或者是12～24小時(shí)之內(nèi)的污染物慢性毒性。發(fā)光細(xì)菌本就是水環(huán)境監(jiān)測過程中不可或缺的全新環(huán)境指標(biāo)，能夠幫助監(jiān)測人員快速掌握附近區(qū)域的水體污染狀況以及環(huán)境容量，發(fā)光細(xì)菌同時(shí)也在飲用水系統(tǒng)的毒性測定以及海洋沉積物的水質(zhì)監(jiān)測兩項(xiàng)工作中逐漸普及。

3.2 用于水體中生物反應(yīng)行為的監(jiān)測

水生生物對污染物產(chǎn)生的行為反應(yīng)同樣可以幫助監(jiān)測人員對目標(biāo)水體的水污染具體狀況以及污染物種類進(jìn)行全面分析。生物監(jiān)測技術(shù)是以水生生物的趨利避害行為或者是生理機(jī)能方面的轉(zhuǎn)變作為基礎(chǔ)，幫助監(jiān)測人員衡量不同水域的污染狀況，對其中的主要污染物類別和具體含量進(jìn)行判斷。一般而言，生物監(jiān)測技術(shù)將魚類和雙殼軟體動(dòng)物作為主要監(jiān)測對象，魚類生物也是當(dāng)下水環(huán)境監(jiān)測工作中比較常見的一類指示生物，比如斑馬魚對于水體質(zhì)量變化的敏感性遠(yuǎn)超其他魚類，只要水體環(huán)境受到了一定程度的污染，斑馬魚便會在行為方面出現(xiàn)與之相對應(yīng)的表現(xiàn)，同時(shí)，從基因?qū)用鎭砜?，斑馬魚和人類的基因有著較高的相似度，以斑馬魚作為樣本獲得的監(jiān)測結(jié)果完全可以在人類群體中使用。以目前生物監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展來看，相關(guān)人員能夠針對斑馬魚使用半靜態(tài)法進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，并最終得出銅離子、鉻離子等對斑馬魚帶來的危害，主要因?yàn)榘唏R魚體內(nèi)分布著數(shù)量較多的過氧化氫酶CAT，其活性水平與重金屬離子的濃度有著明顯的關(guān)系。

此外，監(jiān)測人員也可在生物監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的過程中，重點(diǎn)觀察水體污染對鯉魚帶來的影響，可以根據(jù)鯉魚的實(shí)際呼吸情況，客觀分析水體污染程度。監(jiān)測人員在劃分生物毒性疾病的過程中，選擇將時(shí)間作為變量指標(biāo)。通過組合使用多種小型魚類，將其放在污染廢水的原液中，以其達(dá)到半致死狀態(tài)的時(shí)間作為標(biāo)準(zhǔn)，判斷水體環(huán)境的污染狀況。一般而言，大部分在水體環(huán)境中生存的魚類，都能夠作為水環(huán)境監(jiān)測工作的重要指示生物。有關(guān)海洋環(huán)境的監(jiān)測通常會利用雙殼類生物活體的生理機(jī)能受害表現(xiàn)進(jìn)行判斷。比如，以目前的海水環(huán)境監(jiān)測工作來看，電磁感應(yīng)技術(shù)能夠在貽貝兩邊殼體的距離監(jiān)測工作中應(yīng)用，監(jiān)測人員可以在分析貝殼間距的情況下，對于水環(huán)境污染狀況做出客觀判斷。

3.3 用于底棲動(dòng)物和兩棲動(dòng)物的監(jiān)測

底棲動(dòng)物和兩棲動(dòng)物同樣是水環(huán)境的重要組成部分，一旦水體受到污染，這些動(dòng)物也會出現(xiàn)行為方面的表現(xiàn)差異。監(jiān)測人員可以針對底棲生物和兩棲動(dòng)物在水體環(huán)境內(nèi)的形成、滅亡以及總量狀況，對于不同區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量水平進(jìn)行分析?？傮w而言，針對底棲動(dòng)物的3類廣泛應(yīng)用的水質(zhì)生物衡量指標(biāo)是Saprobic指數(shù)、BI指數(shù)及群落多樣性指數(shù)，并且前兩項(xiàng)已經(jīng)成為西方發(fā)達(dá)國家水質(zhì)生物評估的關(guān)鍵指標(biāo)。但我國在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的過程中，尚未形成與之對應(yīng)的生態(tài)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，一般都會選擇使用底棲動(dòng)物的完整性對各個(gè)水體的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測與衡量。因?yàn)榈讞珓?dòng)物和兩棲動(dòng)物在水體環(huán)境中的生存有著連續(xù)性，觀測取得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)也具有連續(xù)性特征，能夠進(jìn)一步提升監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和科學(xué)性。此外，監(jiān)測人員可以通過實(shí)時(shí)觀察兩棲動(dòng)物和底棲動(dòng)物的生理機(jī)能和行為狀態(tài)的改變，形成較為完善的水污染環(huán)境處理方案。

3.4 生物傳感器的應(yīng)用

隨著我國生物監(jiān)測技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，生物傳感器得以在水環(huán)境監(jiān)測工作中逐漸普及和應(yīng)用。傳感器系統(tǒng)最先使用于醫(yī)療行業(yè)，在現(xiàn)代技術(shù)體系的加持下，逐漸成為生物學(xué)領(lǐng)域研究不可或缺的重要技術(shù)方法。生物傳感監(jiān)測技術(shù)是以現(xiàn)代化的生物傳感器作為核心內(nèi)容，具體包括分子識別和轉(zhuǎn)化兩個(gè)組成部分，前者是以酶、抗體、抗原、微生物活性等為主，后者則包括了氧電極、光敏管和場效應(yīng)管等部分。在對水環(huán)境污染物進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，生物傳感器憑借自身在監(jiān)測結(jié)果精準(zhǔn)性、效率等方面的優(yōu)勢得到推廣和應(yīng)用。生物傳感監(jiān)測技術(shù)可以在水環(huán)境出現(xiàn)變化的情況下，將生物發(fā)出的反應(yīng)信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過放大處理幫助相關(guān)人員及時(shí)觀察水環(huán)境的污染程度。在目前的環(huán)境污染物監(jiān)測工作中，生物傳感器的作用逐漸凸顯，體現(xiàn)出專業(yè)性強(qiáng)、分析迅速快、準(zhǔn)確度較高等價(jià)值。在水體環(huán)境監(jiān)測工作中，生物傳感器的應(yīng)用是以BOD生物傳感和微生物傳感測量水體中的酶數(shù)量，前者能夠?qū)λ械娜芙庋鯘舛葦?shù)值進(jìn)行全面分析，但依舊處于實(shí)驗(yàn)室的研究階段。微生物傳感器監(jiān)測則能夠快速地檢查化工企業(yè)污水中的酚含量，并根據(jù)最終的監(jiān)測結(jié)果詳細(xì)描述整體的水質(zhì)狀況。

3.5 用于水環(huán)境評價(jià)及標(biāo)準(zhǔn)制定

我國利用生物監(jiān)測技術(shù)開展水環(huán)境監(jiān)測工作的最終目標(biāo)是為了幫助各級環(huán)保部門在掌握當(dāng)?shù)厮h(huán)境真實(shí)狀況的前提下，及時(shí)出臺相應(yīng)的管理方法，控制水污染事件。正因如此，生物監(jiān)測技術(shù)能夠幫助監(jiān)測人員客觀判斷水生生物種類以及群落的具體生長和行為反應(yīng)狀態(tài)，對其中的礦物質(zhì)含量、污染物含量變化進(jìn)行分析，在得出導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮h(huán)境污染的主要原因的前提下，給出客觀性的評價(jià)結(jié)果，提出針對性的解決措施。此外，在我國水環(huán)境質(zhì)量保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)制定的過程中，生物監(jiān)測技術(shù)也有著十分廣泛的應(yīng)用，能夠幫助我國的生態(tài)環(huán)保部門在精準(zhǔn)數(shù)據(jù)的支持下，發(fā)現(xiàn)誘發(fā)水污染現(xiàn)象的主要因素，并通過檢查水體中不同污染物的含量，對水污染環(huán)境的具體狀況進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)監(jiān)測得到的具體數(shù)值，形成完善的水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，幫助環(huán)保部門在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)支持下開展保護(hù)工作。

4 結(jié)語

水環(huán)境監(jiān)測是我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作的重要內(nèi)容，物理和化學(xué)監(jiān)測技術(shù)在監(jiān)測結(jié)果以及環(huán)境污染方面都有著明顯的劣勢，生物監(jiān)測技術(shù)則是以水體中存在的各種水生生物作為主要監(jiān)測對象，在監(jiān)測的連續(xù)性、結(jié)果精準(zhǔn)性方面有著明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。指示生物監(jiān)測、群落結(jié)構(gòu)監(jiān)測等多種方法已經(jīng)在水環(huán)境監(jiān)測工作中逐漸普及，并且能夠?qū)ξ⑸?、水生?dòng)物行為反應(yīng)以及底棲和兩棲動(dòng)物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。生物傳感器能夠幫助監(jiān)測人員獲得精準(zhǔn)的監(jiān)測結(jié)果，判斷污染的具體狀況以及誘發(fā)水體污染現(xiàn)象的主要污染物類型，形成完善的環(huán)境指標(biāo)以及應(yīng)對策略。今后，我國生態(tài)環(huán)保部門需要根據(jù)各個(gè)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r科學(xué)選擇生物監(jiān)測技術(shù)，運(yùn)用精準(zhǔn)的監(jiān)測結(jié)果，提高我國水環(huán)境保護(hù)以及監(jiān)測工作的質(zhì)量和效率。