生物技術在水環境監測中的應用研究

王瑞娟

（平涼市生態環境局華亭分局，甘肅 平涼 744100）

水體中的許多生物對水中污染物有較強的敏感性，當水體存在污染時，水生物就會在活動狀態、生理指標、群落結構等方面發生變化，所以水環境監測工作可以充分利用水生物對污染物的靈敏性，選取藻類、細菌等作為研究對象，通過研究其生理表征來推測水體的污染程度及毒性。隨著現代科技的發展，多種生物監測系統、信號技術、物聯網技術等都廣泛應用于水體生物監測技術中，因而提高了生物水質監測的準確性。

1 水污染情況及水環境監測

1.1 我國水環境污染形勢

隨著經濟建設和科學技術的不斷發展，我國工農業的生產能力大幅提升，但粗放式發展造成的環境問題也不容忽視。生產、生活中產生的廢棄物、污水未經處理直接排放，會造成水源的嚴重污染。同時生活用水的排放量超出了環境的自凈能力，而工業污水的隨意排放也導致水體中的氨氮排放量等遠遠超出環境的承載范圍。在農業生產技術不夠發達的時期，農藥、化肥過量使用情況極為嚴重，農業生產所排出的污水也成為我國水污染的重要來源，并造成了水體的富營養化。在污染環境中生存的水中生物，會隨著食物鏈中毒素的累積，最終通過食品影響人類的身體健康。我國水污染災害頻發，運輸事故、燃油泄漏等事故造成水體中的污染物質、有毒物質嚴重超標，污水中的這種有毒有害物質不僅影響了群眾的正常生活，還導致土壤污染、生態系統破壞等一系列問題的出現，對環境造成了不可逆的損害[1]。

1.2 水環境的監測與分析

監測水環境質量的指標有很多，包括水的色度、氣味、渾濁程度、雜質性質、細菌數量等，傳統的理化檢測方法是將重金屬、懸浮固體、生物需氧量、溶解氧等作為水質監測項目，監測方法包括原子吸收法、電極電位法、離子色譜法等，使用的水質監測儀器包括氣象色譜儀、紅外光譜儀等。隨著信息技術的發展，結合了物聯網技術、計算機網絡技術等技術手段的水質監測儀器、水環境監測系統等在我國水質檢測工作中得到了廣泛應用，大大提高了水環境監測的時效性和靈敏度。但常規的水質監測方法是對已知污染物進行監測，監測的污染物種類較多，而要研究污染物之間的共同作用則需要更復雜的實驗，因而經濟性與時效性不強，也難以對未知毒物進行檢測。生物技術能夠通過對活體生物行為狀態的監測來反映水體性質的變化，并充分利用現代信息技術，將細菌、魚類等多種水生物種類作為監測目標，以結果為導向判斷污染物對水質造成的影響，彌補理化監測只能對單一物質進行監測且制約性較大的缺陷。

2 生物監測技術及其優勢

2.1 生物監測技術及其原理

水體中的生物受到污染后，生物指標會發生相應的變化，利用生物監測技術對生物分子、細胞、組織器官、個體及種群展開不同水平的生物監測，并通過這些生物指標來完成對生物所處的水環境的綜合性分析，最終得到對水環境質量的綜合判斷。水生物生活在水中，對環境的變化極為敏感，生物生活在受到污染的水中，其生活習性、運動方式、身體特征都會發生變化。從行為生態學角度講，當水生物所處的環境發生變化時，生物的細胞器、分子功能也發生相應的變化，污染物在水生物體內堆積，影響水生物的生殖、個體信息傳遞、捕獵與反哺行為，并隨著繁殖逐漸從個體影響到整體群落的分布和生長，導致生態系統中種群整體生理生化指標都發生變化，水生物也會出現一系列的異常行為。水中污染物干擾了水生物的器官發育，損壞了水生物的神經器官，導致其正常的生殖功能與激素分泌受到影響，進而影響到其通信與獵食。水生物覺察到水域環境中存在污染物，會逃離到干凈的水域，導致環境的進一步惡化。當水中的污染物達到某一濃度時，水體的污染情況也能夠直接從生物數量體現出來，生物會出現逃離等異常行為，并隨著水污染的加劇，有毒物質會直接導致水生物死亡。

2.2 生物監測技術的種類

生物監測技術從生物的層次出發，可以分為對細菌、藻類、水蚤、魚類等水生生物的監測。（1）細菌監測分為硝化細菌法、發光細菌法以及氧化亞鐵硫桿菌法，由于硝化細菌的呼吸速率會受到水中有毒物質的影響，因此通過檢測硝化細菌的呼吸速率和氨氮消耗速率來達到水質監測的目的；發光細菌法常用來對水中重金屬污染物等物質進行監測，氧化亞鐵硫桿菌對水中毒性物質較為敏感，因此檢測其呼吸作用能夠完成對水質的判斷。（2）對藻類的監測主要依賴于藻類的光合作用，水中的有毒物質會造成藻類植物代謝紊亂，因而當水中含有重金屬、有機物時，可以根據藻類監測得出的藻類植物的生長代謝情況來判斷水體污染的嚴重性。（3）水蚤監測能夠用于多種污染物質的監測，通過水蚤的活動情況和生存狀態可以判斷水質的安全性。魚類同樣對水質的變化較為敏感，在魚類監測中，常用斑馬魚、鯽魚等。除了這幾種生物監測方法外，還可以通過兩棲動物、貝類、海鳥等生物完成監測。

2.3 生物監測技術在水環境檢測中應用的優勢

2.3.1 經濟性較強

理化檢測方式需要用到大量設備，而且僅能對單一的化學物質進行檢測，檢測方法繁多且程序復雜，相對而言生物監測技術的成本較低，所用的檢測設備較為簡單，儀器的使用不受條件限制，因而該技術具有較強的經濟性。

2.3.2 直觀性較強

理化檢測需要對已知化學物質進行檢測，檢測的生物品種受到一定限制，并且需要多個實驗步驟對水污染問題進行分析，而生物檢測技術的直觀性較強，可以直接從生物的行為反映污染情況，對未知污染物也有一定的預警作用，因而檢測人員很容易通過物種的生物規律來分析污染源頭與水質的動態變化情況。

2.3.3 可長期連續監測

生物檢測技術能夠對水質進行連續監測，而非理化檢測的定期檢驗，檢測人員可以根據長期生物監測的數據了解水質變化的趨勢，也能了解不同污染物共同作用下水體質量的變化。

3 生物技術在水環境監測中的應用

3.1 細菌監測在水環境監測中的具體應用

3.1.1 硝化細菌法

硝化細菌法常用的硝化細菌有亞硝酸細菌、硝酸細菌，通過水體中的硝化細菌發生硝化作用，將水中的氨轉化為亞硝酸鹽、硝酸鹽，當水中存在污染物時，硝化細菌硝化作用的氧化還原反應受到影響，生成的中間產物與最終產物在水體中的濃度會大大降低。因此，對水體中亞硝酸鹽與硝酸鹽的濃度進行檢測，能夠計算出水體中氮的指標，達到水環境檢測的目的。

3.1.2 發光細菌法

發光細菌含有熒光酶等物質，在發生生化反應時，發光細菌在胞內酶的催化作用下發生氧化還原反應，并釋放出藍綠光。在正常情況下，發光細菌處于生化反應條件下，其細胞活性與發光強度都較高，但當發光細菌處于被污染水體中時，其發射出的熒光強度會受到影響，如農藥會導致發光細菌的生物活性降低，重金屬會對發光細菌的細胞壁造成破壞。發光細菌法通過對發光細菌的發光強度進行檢測來確定污染物的濃度，并且能夠用連續監測的方法，通過其不同時間下發光強度的變化推斷出水質的綜合毒性[2]。

3.1.3 氧化亞鐵硫桿菌法

氧化亞鐵硫桿菌能夠在酸性環境中生存，以銨鹽為氮源，水環境監測主要是監測其呼吸作用的耗氧量，當水體中含有污染物時，氧化亞鐵硫桿菌的呼吸作用會受到影響，使其耗氧量降低。

3.2 藻類監測在水環境監測中的具體應用

3.2.1 原理

藻類植物是水體生態系統食物鏈中的重要組成部分，也是生態系統的基層，影響著水中其他生物的生長與分布。藻類植物的種類繁多，個體微小，當水體中的氮、磷含量較高時，水體出現富營養化，使藻類吸收營養并大量繁殖，因此在污染較為嚴重的水域藻類的種群密度極大，并且種群密度和水體中所含的氮呈顯著正相關，因而藻類能吸收水中的氮、磷并轉化為有機物。當水體中含有大量農藥、石油、重金屬等物質時，其生存狀態會受到極大影響，如農藥會對藻類的生物膜功能造成破壞，有機物則會嚴重影響藻類的光合作用與呼吸作用，重金屬會影響藻類正常代謝與蛋白質合成，造成藻類中毒死亡。同時，有些藻類自身也是重要的污染物，例如藍藻在一定條件下會產生藍藻毒素，藻毒素擁有較強的毒性，人類使用受到藻毒素污染的水，會引發嚴重的腸道、脾臟疾病，甚至造成死亡。因此，藻類的生長不僅反映著水體的污染情況，且部分藻類的生長也直接顯示了水體污染的復雜性及污染物的種類。

藻類監測也存在一定的缺陷，由于藻類更多生活在水體的上層區域，因此難以對水體進行全面性的環境監測。另一方面，藻類的適應能力較強，在污染環境下長期生存，很容易使其耐受能力增強，從而影響檢測結果的準確性。除此之外，水溫、降水量、光照、pH酸堿度等因素也對藻類的生長有較大影響。

3.2.2 方法

葉綠素測量法。葉綠素在藻類的光合作用中發揮著重要作用，當水體受到污染時，植物的光合作用狀態發生變化，因而繁殖速度受到影響。植物的光合作用狀態能夠通過葉綠素熒光參數表示出來，所以葉綠素熒光分析法能夠檢測出植物葉綠素分子發出熒光的變化，并通過葉綠素熒光參數判斷植物的光合生理狀況，從而評價水體環境重金屬污染情況。除熒光分析法外，吸光法、分光光度法等同樣可以完成對植物葉綠素的監測。

藻類遙感監測。不同葉綠素含量的藻類所呈現的光譜特征不同，藻類遙感監測同樣是對藻類葉綠素變化量進行監測，根據葉綠素的光譜特征獲取葉綠素的濃度，并應用于光學遙感技術，完成對藻類的識別以及種群面積的估算，然后利用計算機完成對該水域下藻類的時空變化特征與趨勢的分析，充分利用現代科技對水質情況進行監測。

3.3 魚類監測在水環境監測中的具體運用

3.3.1 魚類監測的應用

魚類監測在生物監測中使用更為廣泛，魚類對水污染更為敏感，當水環境發生變化時，污染物會對魚類的正常代謝造成影響，導致魚類產生一系列生活行為、種群結構和生理活動的變化，魚類在水污染環境中所產生的反應也可以用來模擬水污染對人體造成的傷害。魚類生活行為變化與種群結構的變化可以通過觀察法或監測系統獲得，其代謝量、呼吸頻率、血糖等指標也容易測得。在環境監測中，部分種類的魚對污染物的敏感性較強，可以將魚類的死亡率、逆水特性、呼吸頻率、鰓的運動方式、回避行為、弱電脈沖等作為監測項目，選擇斑馬魚、紅鯉魚、鯽魚、青鳉魚等魚類作為研究對象。斑馬魚的繁殖能力較強，生長情況可以模擬為人類的生長發育過程，該魚種對毒性物質有較強的敏感性，常被用于毒性檢驗；紅鯉魚在我國較為常見，會因水體性質的不同產生不同的群體形態差異；青鳉魚對水環境的變化極為敏感，常被用于急性毒性的檢驗。

魚類的生物酶在水中污染物的作用下，其抗氧化酶防御系統的成分會發生變化，生物的乙酰膽堿酯酶對有機磷農藥會產生較大的反應，而這種酶對神經傳導起到重要作用，會直接體現在生物的行為上，在不同濃度的污染水體中，魚類會發生一系列不同的行為變化，通過監測系統可以完成對魚類行為狀態的監測。在對魚類運動方式進行監測時，其平均游泳速度、游泳速度分布、平均游泳高度、游泳間距等都是分析其運動行為的指標，魚類活動的頻率可以通過儀器進行記錄。以斑馬魚作為監測對象，當水體中的污染物為恩諾沙星等藥品時，魚類的行為發生快速、高強度的變化，這也就意味著水體中的污染物也在迅速增加，當水體中的污染物達到某一臨界值時，魚類無法使自己的行為和生理條件適應環境，會出現急性死亡現象，因而可以通過魚類的活動行為以及死亡的出現來估算水體中毒物的濃度；當水污染物為鎘等重金屬時，鎘的濃度在一定范圍內增加時，會造成斑馬魚的行為強度增大。

3.3.2 魚類行為分析與信號獲取

水體中魚類的活動行為可以通過電信號的方式進行采集獲取，并研究魚類在水體中的特征信息。電信號采集生物特征具有時效性強、準確性高的特點，與圖像處理技術結合使用，能夠完成對魚類的目標跟蹤、行為分析、種群匹配等。視覺處理系統能夠根據圖像信息獲取魚群的活動軌跡并進行跟蹤，通過計算機測算出魚類在水體中活動時的速度、體積等特征信息。信號獲取是將魚類的死亡、正趨流性、鰓的活動性、回避行為等作為監測內容，當魚類受到水污染而死亡時，系統能夠發出警報；當水體存在污染時，魚類原有的逆流性會受到影響，魚鰓發生不規律呼吸，出現逃避行為，試圖遠離污染水域，并在不存在污染的水域發生聚集現象，魚類的游動速度、擺動頻率都會出現異常情況，而電信號能夠獲取這些魚類的行為參數并及時對水質進行監測和預警[3]。

3.4 水蚤監測在水環境監測中的具體應用

水蚤是一種浮游生物，以藻類為食，在水環境的食物鏈中又是魚類等動物的食物，因此也是水體生態系統中生物鏈的重要組成部分。水蚤對環境的變化尤其是毒物極為敏感，并且具有繁殖快、生長周期短等特點，適合廣泛應用于水污染監測工作中。水蚤對低濃度的毒性物質也有靈敏的反應，即使是毫克單位的毒物也能夠影響水蚤的生存，農藥會導致其DNA的轉錄受到影響，從而影響其正常發育；重金屬則會造成水蚤體內的蛋白酶變性，產生中毒反應最終導致其死亡。這些水體中的污染物質對水蚤的致死率都極高，而不同污染物對水蚤造成的毒性有一定差異，例如水蚤對水體中含磷農藥等污染物極為敏感，因此可以通過研究水蚤的生存狀態來判斷水體中污染物的性質及污染程度。工作人員對水體中的水蚤進行采樣，并通過蚤類毒性儀對水蚤在儀器內的平均距離、平均速度等數據進行收集，分析確定水質的具體情況。該方法適用于靈敏度要求較高的毒性檢測[4]。

3.5 其他生物技術在水環境監測中的應用

大型底棲動物包括蜉蝣目、蜻蜓動物、軟體動物、環節動物等，這些底棲動物同樣能夠作為水環境監測的指示。蜻蜓、蜉蝣喜歡聚集在清潔水體周圍，而水體中的污染物會對其生存造成嚴重影響；搖蚊幼蟲等蟲類多在污染較為嚴重的水體附近生活，多藏于污水的淤泥內，對重金屬、有機污染物等毒物較為敏感。當水體富營養化時，水中的有機物增多，浮游生物繁殖加快，為搖蚊等提供了大量的食物，使搖蚊幼蟲大量繁殖。通過對蜉蝣、蜻蜓、搖蚊幼蟲等底棲動物的數量、時空與時間變化進行監測，同樣可以分析出水體的污染情況以及腐殖質的分布。常用的指標為BI指數、Saprobic指數等。

4 結語

綜上所述，生物監測技術在水環境監測中的應用主要包括細菌、水蚤、魚類、底棲動物和藻類等生物監測方法，不同的水生生物對污染物有不同的反應效果，因而生物監測技術是根據水生生物生存狀態的監測結果來判斷水體污染的實際情況。隨著科學技術的不斷發展，生物監測技術需要進一步融入新的技術手段中，消除其他因素對生物監測的干擾，提升生物監測的穩定性和準確性。