水環境生物監測方法及應用

單子豪，付佳睿

（沈陽師范大學生命科學學院，沈陽 110034）

人的命脈在田，田的命脈在水，水環境質量和水生態系統安全事關人類健康與福祉。自20世紀80年代以來，我國水資源短缺、水生態破壞、水環境污染等問題日益嚴重，對水環境安全造成嚴重影響，各類水環境污染呈高發態勢，成為民生之患、民心之痛。隨著社會發展和人民生活水平不斷提高，社會各界對于水資源的需求量也明顯上升，但隨之而來的水資源污染問題嚴重困擾社會經濟發展和廣大人民群眾的身心健康，有相當數量的有機物、重金屬被排放到水環境中，導致出現較為嚴重的水體污染現象[1]。解決上述問題的急切程度不斷提升。新時代，我國以天更藍、山更綠、水更清、環境更優美為奮斗目標，大力開展生態文明建設，打造美麗中國。

水環境保護的基礎在于水環境監測，主要是定量調查水體環境的變化情況來動態掌握水環境質量，以便為水污染防治與水資源保護提供有效依據。傳統的水環境監測方法大多為化學法與物理法，但均難以滿足當前水環境監測需求，人們急需采用結果準確、效率高、成本低的新型水環境監測方法[2]。生物監測技術是基于生物學知識來檢測環境污染、評價環境污染，目前已經成為環境監測的主要手段，人們可以將其應用到水環境監測中。本文就水環境生物監測方法及應用進行探討。

1 水環境生物監測方法的重要性與優勢

1.1 重要性

傳統的水環境監測方法大多通過監測污染物的來源與濃度來反映水質狀況，但結果并不全面，既難以詮釋水生物與水污染之間的拮抗作用或協同效應，又難以表達水生物受到水污染物的影響程度。通常而言，即便是同種污染物，其在水體中的化學形式也不同，無論是在生物利用性，還是在潛在毒性，抑或是流動性等方面均有較大不同；水環境監測也難以實現從經濟、技術等角度來全方位追蹤每種污染物。水環境生物監測方法可通過對水環境中污染物的生物利用度進行分析來有效反映其生物效應，揭示其背后所隱藏的風險。除此之外，為了妥善解決日益嚴重的水環境問題，水環境生物監測方法還可作為水環境化學毒性分析、物理評估的重要補充來源[3]。

目前，常用于監測的生物類型共計有7 大類，一是高等水生植物，主要包括黃花水龍、海菖蒲等；二是微生物，主要包括變形菌門、綠菌門等；三是魚類，主要包括虎皮魚、紅鼻剪刀魚等；四是浮游植物，主要包括硅藻門、綠藻門等；五是浮游動物，主要包括扁蜉、石蠶等；六是周生生物，主要包括殼頂幼蟲、輪蟲動物門等；七是底棲動物，主要包括蚌、貽貝、牡蠣等。

1.2 優勢

水環境生物監測方法的優勢主要體現在四個方面。一是穩定性，水環境生物監測方法可在同一水域內實現穩定、連續監測；二是長期性，水環境生物監測結果可真實地反映出歷史累積的水環境污染狀況，尤其是能夠反映出慢性毒性的長期效應；三是敏感性，與其他理化監測方法相比，水環境生物監測方法能夠較為靈敏地監測出低濃度的污染物，甚至有些生物對微量污染也較為敏感；四是多樣性，水環境生物監測方法應用的生物種類繁多，可用于詮釋水生生物與水污染之間的拮抗作用或協同效應。由此可見，水環境生物監測方法可對水環境狀況進行全面反映，為水污染治理提供真實、詳盡的科學基礎[4]。

2 水環境生物監測技術的應用

2.1 微生物群落監測技術

水環境中往往會存活著海量的原生動物、藻類、細菌等物質，區域內水環境的質量通常可由其微生物出現頻率與數量來反映，微生物群落監測技術也就隨之而產生。微生物群落監測技術可以收集水環境中的群落功能信息與群落結構信息，實時評價當前水環境狀況，同時可以有效預測其未來發展趨勢。微生物群落監測技術的應用時間較早，大都是基于數學計算方式與水體樣本來對微生物的分布指數進行有效統計，以正確判斷水環境的污染程度。

近年來，隨著自然環境的改變與科技的迅猛發展，微生物群落監測技術也取得了跨越式發展，可用于監測的指標數量日益增多，異養性指數、原物種類型、多樣性指數等均是常用評價指標。由此可見，微生物群落監測技術既明顯提高了水環境監測的科學性，又有效增加了水環境生物監測的精確度，特別適用于監測水體中的內分泌干擾物、有機污染物及重金屬等。但是，微生物群落監測技術也存在一定缺陷：監測方法較為復雜，遠遠沒有達到標準化狀態，最終的監測結果難以廣泛應用[5]。

2.2 生物行為反應監測技術

大自然中存在較多的生物類型，不同生物對自然環境有著不同的反應。一旦自然環境受到污染，某些生物就會出現行為變化或生理變化，生物行為反應監測技術是針對這些行為變化或生理變化而出現的一種環境監測技術，可用于判斷環境的污染程度。金魚、鰻魚、斑馬魚等均是水環境監測中常見的指示生物，可用于測定水環境中的污染物。以斑馬魚為例，斑馬魚的基因與人類基因較為相似，對生活水質有敏感度較高，一旦生活水質出現變化，就會在較短的時間內反映出來，人們還可基于斑馬魚的反應來確定水質污染程度。與此同時，生物行為反應監測技術還可對水環境中的Pb2+、Cu2+等重金屬離子濃度進行測定。例如，斑馬魚在不同的重金屬離子濃度環境下會出現不同的反應，這樣一來，可對水環境的污染程度進行有效判斷。值得注意的是，在自動化技術、計算機技術的推動下，生物行為反應監測技術還可在線實時監測，無疑可在第一時間內對水環境污染進行預警[6]。

2.3 發光細菌監測技術

發光細菌監測技術是應用較為成熟且較為穩定的水環境生物監測方法，主要用于監測飲用水源、自來水廠的水質情況。從目前來看，發光細菌監測技術的主要參考指標是污染物遺傳毒性及細胞發光特征，但時常也會通過一系列的檢測儀器（水質毒性測定儀等）來測定水質，水質檢測結果最短可在3 h 內完成。與其他類型的監測技術相比，發光細菌監測技術的準確度更高、靈敏度更好、便捷性更佳，尤其是在結合了熒光分度法、紫外線分光法之后，監測性能更強。

2.4 兩棲動物與底棲動物監測技術

在大自然環境下，兩棲動物與底棲動物是極為特殊的生物，兩棲動物與底棲動物在水域中的存活數量可以反映水質污染情況。從目前來看，在評價水體重金屬污染情況時，人們已經廣泛應用了兩棲動物與底棲動物監測技術，國內的評價指數常為完整性指數，國外的評價指數常為生物指數（Biotic Index）、有機污染指數（Saprobic Index）。此外，兩棲動物與底棲動物監測技術通常還會分析動物的行為與生理變化，以判斷水體的污染程度。

2.5 生物傳感器監測技術

生物傳感器是生物傳感器監測技術的關鍵部件，免疫傳感器、DNA 傳感器、BOD 生物傳感器等均是常見的生物傳感器，生物傳感器主要由轉換部分與分子識別部分組成，其中，分子識別部分包括多種生物活性物質，如組織、微生物、酶、細胞等，轉換器部分主要包括場效應管、氧電極、光敏管等。生物傳感器監測技術的工作原理在于：可將生物質敏感程度直接轉換為電信號，而電信號強度的高低可以體現水環境污染程度，其具備準確度高、專一性強等特點。微生物傳感器、BOD 生物傳感器是水環境監測中最常用的生物傳感器技術，其中，BOD 生物傳感器對水質的判斷大都是基于溶解氧的濃度，理論研究性較強，但現場監測性較差；而微生物傳感器則可對工業廢水中的酚成分進行有效測定，還可結合測定結果來掌握水質情況[7]。

2.6 生物測試技術

生物測試技術是指通過生物反應來檢測污染物對周邊水環境的危害，水污染生物測試目前也被稱為毒性試驗，其中，急性毒性試驗最為常用。急性毒性試驗重點研究水體中生物在受到大劑量化學物質一次染毒或多次染毒（染毒時間均為24 h）之后的毒性特征與毒性程度，以便將其作為其他類型毒性試驗的參考依據。在不同濃度的受試物中檢測生物暴露，必然會出現活性下降、生長抑制等反應現象，根據這些反應現象，人們又可直接構建濃度-效應曲線，真實反映水體污染物的毒性程度。

3 結語

水是大自然最為寶貴的資源，全社會都需要珍惜水資源、保護水環境。當前，國家高度重視環境保護工作，水環境生物監測技術的應用越來越廣泛。隨著傳感器技術、計算機技術、圖像視頻技術等的迅猛發展，水環境生物監測方法的應用必將越來越便捷化，能夠精準監測水體污染物的毒性。