生物監(jiān)測(cè)技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

朱冬梅

（臨邑縣環(huán)境保護(hù)局，山東 臨邑 251500）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)水資源的需求呈現(xiàn)日益增長(zhǎng)的趨勢(shì)。與此同時(shí)，水資源污染情況也呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，水環(huán)境質(zhì)量，尤其是飲用水環(huán)境質(zhì)量直接影響人體健康，所以受到人們的高度重視。由于監(jiān)測(cè)技術(shù)的局限性，環(huán)境監(jiān)測(cè)未能及時(shí)有效地反映環(huán)境污染問(wèn)題，使得污水超標(biāo)排放時(shí)有發(fā)生，一些重金屬、有機(jī)物等污染物排放到水環(huán)境中，污染水體。水環(huán)境監(jiān)測(cè)是水環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)，主要是通過(guò)對(duì)水體環(huán)境變化進(jìn)行定量調(diào)查，全面及時(shí)地掌握水環(huán)境質(zhì)量的變化特征，為水資源保護(hù)、管理以及水污染防治提供可靠的依據(jù)。

傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)主要有物理法和化學(xué)法。目前，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的需求，需要成本低、效率高而且測(cè)量準(zhǔn)確的新技術(shù)。生物監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用生物個(gè)體、種群或者群落對(duì)環(huán)境污染或變化產(chǎn)生的反應(yīng)，利用生物學(xué)對(duì)環(huán)境污染進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)。生物監(jiān)測(cè)技術(shù)始于20世紀(jì)初，隨后逐步發(fā)展、補(bǔ)充，取得了一定的進(jìn)步，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，逐漸成為環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要手段。我國(guó)的生物監(jiān)測(cè)技術(shù)起步較晚，目前尚未形成系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的體系，因此生物監(jiān)測(cè)技術(shù)還需不斷發(fā)展和完善[1]。

1 生物監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

生物體與其生存環(huán)境有著十分密切的關(guān)系，它們相應(yīng)影響、相互依存、相互制約。當(dāng)污染物進(jìn)入生物環(huán)境時(shí)，污染物協(xié)同營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被生物一起吸收，并在生物體內(nèi)進(jìn)行遷移、聚集[2]。生物體受到污染物影響，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的癥狀。生物監(jiān)測(cè)技術(shù)就是利用生物體對(duì)污染物或環(huán)境變化所產(chǎn)生的敏感性來(lái)判斷水體環(huán)境的污染程度。不同生物監(jiān)測(cè)技術(shù)反映的生物水平如表1所示。

生物監(jiān)測(cè)能夠反映污染物的生物學(xué)效應(yīng)，能夠更加直觀地表現(xiàn)污染物對(duì)生物的影響，有些生物的靈敏程度甚至超過(guò)精密儀器，不僅準(zhǔn)確，而且反應(yīng)迅速。水環(huán)境污染一般含有多種污染物，目前，水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)只能進(jìn)行單項(xiàng)污染物濃度的監(jiān)測(cè)。而生物監(jiān)測(cè)技術(shù)恰能彌補(bǔ)目前監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，能夠快速反映多種污染物的綜合影響，同時(shí)該技術(shù)操作簡(jiǎn)單、成本低。但是，生物監(jiān)測(cè)技術(shù)還存在一些缺點(diǎn)，不能監(jiān)測(cè)水體中污染物的準(zhǔn)確濃度，而且目前還沒(méi)有完善、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。此外，有些生物監(jiān)測(cè)方法不能有效將環(huán)境因素產(chǎn)生的影響與污染物的影響聯(lián)系起來(lái)，監(jiān)測(cè)周期過(guò)長(zhǎng)。這些因素限制了生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，人們需要不斷改進(jìn)和研究生物技術(shù)，使其在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮更好的作用。

表1 不同生物水平的生物監(jiān)測(cè)技術(shù)匯總

2 生物監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

2.1 微生物群落監(jiān)測(cè)技術(shù)

水環(huán)境中存在大量的細(xì)菌、藻類、原生動(dòng)物等，微生物在水環(huán)境中存在的數(shù)量及頻率能夠反映出該區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量，由此產(chǎn)生了微生物群落監(jiān)測(cè)技術(shù)[3]。微生物群落監(jiān)測(cè)主要用來(lái)收集自然環(huán)境中的群落結(jié)構(gòu)和功能信息，進(jìn)而評(píng)價(jià)環(huán)境狀況，預(yù)測(cè)未來(lái)可能出現(xiàn)的變化。該技術(shù)應(yīng)用相對(duì)較早，主要是通過(guò)采集水體樣本并結(jié)合數(shù)學(xué)計(jì)算方式來(lái)統(tǒng)計(jì)微生物的分布指數(shù)，進(jìn)而判斷水環(huán)境污染的程度。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和自然環(huán)境的改變，微生物群落監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展變化，監(jiān)測(cè)指標(biāo)也不斷增多。目前主要應(yīng)用的評(píng)價(jià)指標(biāo)有多樣性指數(shù)、原物種類型、異養(yǎng)性指數(shù)等，不僅提高了生物監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，也提高了我國(guó)水環(huán)境監(jiān)測(cè)的科學(xué)性。

2.2 生物行為反應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

自然界中生物種類繁多，不同生物對(duì)自然環(huán)境的變化有著不同反應(yīng)。而環(huán)境污染也是環(huán)境影響的一部分。某些生物在自然環(huán)境受到污染后會(huì)出現(xiàn)一些應(yīng)激性的生理變化或者行為上的變化。生物行為反應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)就是在這個(gè)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)。根據(jù)生物的生理功能變化，對(duì)環(huán)境污染程度做出判斷，進(jìn)而確定污染物在水環(huán)境中的濃度。在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中，較為常見(jiàn)的指示生物有斑馬魚、鰻魚、金魚等，它們常用于淡水環(huán)境中的污染物測(cè)定。例如，斑馬魚的基因類似于人類基因，對(duì)生活水質(zhì)有較高的敏感度，當(dāng)生活環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，可以在幾分鐘內(nèi)做出迅速反應(yīng)，同時(shí)可以根據(jù)斑馬魚的反應(yīng)來(lái)推斷水質(zhì)對(duì)人體的危害程度。此外，生物監(jiān)測(cè)技術(shù)還能夠測(cè)定水中重金屬離子濃度，如Cu2+、Pb2+等，他們作用到斑馬魚身上都會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)，以此來(lái)判斷污染程度。隨著計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而能夠?qū)λh(huán)境污染做出快速、及時(shí)的預(yù)警[4]。

2.3 發(fā)光細(xì)菌監(jiān)測(cè)技術(shù)

發(fā)光細(xì)菌監(jiān)測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)較為成熟的監(jiān)測(cè)技術(shù)，是眾多生物監(jiān)測(cè)技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛而且穩(wěn)定的技術(shù)。其主要應(yīng)用于自來(lái)水廠和生活飲用水源的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，是水源水質(zhì)保證的重要監(jiān)測(cè)技術(shù)。目前，該技術(shù)主要以細(xì)胞發(fā)光特征、污染物遺傳毒性作為參考指標(biāo)，同時(shí)也結(jié)合水質(zhì)毒性測(cè)定儀等進(jìn)行水質(zhì)的測(cè)定，最快可在3 h內(nèi)得出水質(zhì)的檢測(cè)結(jié)果，相比其他技術(shù)具有更便捷、更靈敏和準(zhǔn)確度高的優(yōu)勢(shì)。在電子科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下，發(fā)光細(xì)菌監(jiān)測(cè)技術(shù)與紫外線分光及熒光等分度法進(jìn)行了技術(shù)的結(jié)合，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中取得了較大的發(fā)展，為今后的發(fā)展提供了更為廣闊的空間。

2.4 底棲動(dòng)物和兩棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)技術(shù)

底棲動(dòng)物和兩棲動(dòng)物是自然界中比較特殊的生物，由于其存在的特殊性，產(chǎn)生了以底棲、兩棲動(dòng)物作為主要指示物種的監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)指示生物的數(shù)量情況反映水質(zhì)污染程度。目前，大型的底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于重金屬污染的評(píng)價(jià)。國(guó)外主要采用Saprobic指數(shù)與BI指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量，而我國(guó)主要以底棲、兩棲動(dòng)物在水環(huán)境中的完整性指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，此外，該技術(shù)還參考兩棲動(dòng)物的生理變化和行為變化。例如，兩棲動(dòng)物在被農(nóng)藥污染的水體中會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的生理和行為變化，由此可直觀地判斷水體污染程度。

2.5 生物傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)

生物傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心是生物傳感器，主要組成部分有分子識(shí)別部分和轉(zhuǎn)換部分，分子識(shí)別部分包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織等生物活性物質(zhì)，轉(zhuǎn)換器包括氧電極、光敏管、場(chǎng)效應(yīng)管等。生物傳感器技術(shù)依靠的是生物質(zhì)敏感程度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而體現(xiàn)環(huán)境污染程度。生物傳感器技術(shù)具有專一性強(qiáng)、分析速度快、準(zhǔn)確度高等優(yōu)勢(shì)[5]。目前應(yīng)用較多的生物傳感器有胞傳感器、DNA傳感器以及免疫傳感器等。而生物傳感器技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用主要是BOD生物傳感器和微生物傳感器測(cè)定酚。BOD生物傳感器是依靠溶解氧的濃度來(lái)判定水質(zhì)情況，該技術(shù)偏向于實(shí)驗(yàn)室研究，不太適合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。微生物傳感器測(cè)定酚是利用傳感器快速準(zhǔn)確地測(cè)定焦化、煉油以及化工企業(yè)廢水中的酚，根據(jù)其測(cè)定結(jié)果，可以詳細(xì)了解相應(yīng)區(qū)域的水質(zhì)情況。此外，人們可以通過(guò)陰離子表面活性劑傳感器來(lái)測(cè)定生活污水中的污染物。

3 結(jié)語(yǔ)

水是重要的自然資源，珍惜水資源，是全社會(huì)共同的責(zé)任。為了有效保護(hù)水環(huán)境，人們需要加強(qiáng)對(duì)水環(huán)境的監(jiān)測(cè)。隨著環(huán)保工作的不斷深入和環(huán)保要求的不斷提高，生物監(jiān)測(cè)技術(shù)在環(huán)保工作中的應(yīng)用越來(lái)越多，而且在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中有著更加重要的作用。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像視頻捕捉及各種傳感器技術(shù)的發(fā)展，采用生物監(jiān)測(cè)技術(shù)將會(huì)更加快捷、方便，而且對(duì)水體污染物毒性的監(jiān)測(cè)也會(huì)越來(lái)越準(zhǔn)確。在不斷提高環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)水平的同時(shí)，人們要讓全社會(huì)形成保護(hù)環(huán)境的良好氛圍，從而讓水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作更有意義和價(jià)值。