水環(huán)境監(jiān)測中的生物監(jiān)測技術

楊振雄

（雷潤檢測科技（廣州）有限公司，廣東 廣州 510460）

如今，人們越來越重視自己的健康，尤其是飲用水安全方面，但由于當前科學技術發(fā)展尚未達到理想境界，仍需將大量污染物排入自然環(huán)境，水環(huán)境仍受重金屬與有機物的影響。當前，我國水污染比較嚴重，要想在較短時間內掌握水環(huán)境污染現(xiàn)狀，就必須強化水環(huán)境監(jiān)測工作，運用物理與化學相結合的方法對污染物進行定量與定性分析，并增加生物監(jiān)測技術的投入力度，深入研究其對生物體造成的危害。

1 生物監(jiān)測技術相關綜述

1.1 生物監(jiān)測技術的現(xiàn)狀

目前，在世界上不少發(fā)展中國家都存在著由淡水資源匱乏和土壤荒漠化所導致的環(huán)境污染問題。而水污染作為環(huán)境污染的最重要類型之一，在當前引起了人們的普遍關注，因此，對水質的監(jiān)測尤為重要。目前，對水質環(huán)境的主要監(jiān)測手段大致包括生物監(jiān)測和生化監(jiān)測。一旦水體環(huán)境遭受破壞，將會干擾其自身生命的正常發(fā)育與繁衍。將生態(tài)監(jiān)測技術應用在環(huán)境監(jiān)測和評估等領域，方法簡單而安全，經(jīng)濟性和實用性都很強，其檢測結果準確性也很高，可以反映出實際的環(huán)境狀況，通過生態(tài)監(jiān)測技術還可以對環(huán)境問題作出早期警示，從而防止水生態(tài)系統(tǒng)平衡的破壞。但當前中國的水環(huán)境污染問題總體上來說比較嚴重，所以，一定要采取有效措施來對水環(huán)境進行有效監(jiān)測。

當今社會的現(xiàn)代技術已經(jīng)應用到了工業(yè)生產(chǎn)、科學研究等領域，水環(huán)境監(jiān)控技術也不例外。要合理控制水體中污染物的濃度，科學合理地評估水體環(huán)境質量，就必須大量研制自動水體監(jiān)測儀。但是水環(huán)境監(jiān)測產(chǎn)品質量管理的現(xiàn)代化程度不高，不能構建出一個完備的體系，使得監(jiān)測過程出現(xiàn)的問題無法進行反映與解決，導致監(jiān)測結論不準確，很難保證監(jiān)測質量。所以應將現(xiàn)代化手段融入水環(huán)境的監(jiān)測過程當中去，對整個流程實施嚴格的信息化管理，從而真正提高環(huán)境監(jiān)測質量。

1.2 主要原則

生物體與生存環(huán)境相互影響、相互制約的同時又密切相關。生物體被污染后會有一系列不良反應，污染物一旦進入人類生存環(huán)境，就會被生物與養(yǎng)料共同吸收而進入人體，再在人體內完成遷移、聚集。生物監(jiān)測技術正是靈活運用這一原則，將生物體對污染物或環(huán)境做出的某種反應進行觀察，然后有效地判斷污染程度。當水環(huán)境發(fā)生污染時，棲息在水環(huán)境中的魚類首先表現(xiàn)出不良反應，尤其表現(xiàn)為呼吸明顯加快，當污染物高于某一濃度后，即發(fā)生中毒，嚴重時甚至導致死亡。因此，可依據(jù)魚類在受到污染物作用前和作用后的呼吸頻率變化來判斷污染物是否有毒。

1.3 生物監(jiān)測的利弊

生物監(jiān)測可以更直觀地了解污染物對生物的影響。比起精密儀器，許多生物體有更高的靈敏度，當受到污染物沖擊時，它們將第一時間做出反應。當前水環(huán)境監(jiān)測多采用化學與物理相結合的方法，僅能測定單個污染物濃度，而生物監(jiān)測這一技術的誕生則巧妙地解決了這一難題，污染物綜合效應得以全面顯現(xiàn)，而生物監(jiān)測具有操作簡便、費用投入低等特點，僅需花費較少人力物力、財力、即可實現(xiàn)對水環(huán)境的監(jiān)測。但現(xiàn)有生物監(jiān)測技術仍存在著明顯缺陷，無法第一時間檢測出水體污染物濃度，未建立完善統(tǒng)一的環(huán)境質量標準，且未形成完善的污染物排放標準，部分生物監(jiān)測方法尚無法合理地區(qū)分環(huán)境因素對水體的影響與污染物對水體的影響，監(jiān)測過程耗時較長。這些問題使生物監(jiān)測技術應用于水環(huán)境監(jiān)測的過程受到很多的制約，這些問題都是相關人士有必要去深入研究的，以便對生物監(jiān)測技術進行有效的改善與提高，最大程度地發(fā)揮生物監(jiān)測技術對環(huán)境監(jiān)測的促進作用［1］。

2 生物監(jiān)測技術應用于水環(huán)境監(jiān)測的常用手段

在水資源環(huán)境監(jiān)測方面，生態(tài)監(jiān)測技術在理論上是利用科學監(jiān)測手段來觀察生態(tài)反應，進而評估水資源環(huán)境的影響變化。這些變化的數(shù)據(jù)匯總已構成了環(huán)境質量控制的理論基礎。它的主要任務是在污染物完全飽和以前，抵達離污染源最近的區(qū)域對進水環(huán)境進行監(jiān)控以及控制，把水環(huán)境污染對經(jīng)濟和生態(tài)社會所造成的不良影響減至最小。現(xiàn)對目前水環(huán)境監(jiān)測應用最多的生物監(jiān)測技術進行了研究，對幾種主要的技術方法作了簡單的分析。

2.1 指示生物法

這一生物監(jiān)測技術的應用原則是：生而有之。由于水下生物長期久居于某種水環(huán)境中，所以該種水環(huán)境中的任何微小變化都能為生物所靈敏的感知，當水環(huán)境受到嚴重污染之時，水下生物可表現(xiàn)為群體性的受害或者死亡。如基于顫蚓、搖蚊幼蟲和浮游生物等在水環(huán)境發(fā)生受害或滅亡的次數(shù)和程度，能夠衡量出該處水環(huán)境的總體質量。

2.2 群落結構法

就其實質而言，群落結構意味著在一個特定的地域范圍內，生態(tài)系統(tǒng)中的各項組成結構之間相互依存、和諧發(fā)展。大量的實踐和研究結果表明，水環(huán)境的變化會直接導致水體中生物群落結構發(fā)生變化。一般來說，生活在水中的生物群落結構處于有機污染嚴重、含氧量極低的水環(huán)境中，會以抗低溶解氧的群落結構為主。與之相反，水生生物群落結構在水環(huán)境狀態(tài)整體質量相對較好的地區(qū)，會呈現(xiàn)出清澈的水域，這也為生物監(jiān)測和對水環(huán)境質量的測量提供了依據(jù)和大力支持。

2.3 生物測試法

生物測試法的關鍵在于利用水環(huán)境中水生生物在受到水體中污染物毒害時，被動發(fā)生的一種身體機能變化，有關工作人員可依據(jù)此機能變化的具體癥狀來衡量整體水環(huán)境污染狀況。目前，該生物監(jiān)測技術方法能夠應用于單因素污染作用下的水環(huán)境監(jiān)測中，同時還可以和其他監(jiān)測技術配合，開展復合因素污染下水環(huán)境的系統(tǒng)監(jiān)測。

2.4 殘毒測定法

水生生物長期存活于被污染的水環(huán)境中，將不可避免地吸收許多污染物的殘留物質，經(jīng)過吸收、消化和再分配等環(huán)節(jié)，這些物質會以某種形式儲存在生物體中。相關人員可以選擇這些生物作為研究對象，對水生生物進行采樣檢測。檢測水生生物中殘留有毒物質的含量，可作為判斷水環(huán)境污染的依據(jù)。相關科技人員還可以基于生物毒理學原理和方法，利用熒光分析法（FTIR）、紅外光譜技術（IR-MS）等手段來對水生生物體內殘留的水體污染物進行深入分析［2］。

3 生物監(jiān)測技術應用于水環(huán)境監(jiān)測方面的研究

水生群落與水環(huán)境是相互聯(lián)系的、互相影響的，它們共同維護著生態(tài)的平衡。目前在水環(huán)境監(jiān)測中要合理應用多種生物監(jiān)測技術。

3.1 微生物群落監(jiān)測法

微生物群落監(jiān)測方式是早期發(fā)展起來的生態(tài)監(jiān)測方式之一。其操作方法是利用大數(shù)據(jù)分析計算所得到微生物分布指標來評估環(huán)境污染程度（其工作流程如圖1所示）。微生物群落對環(huán)境條件的改變也十分靈敏。針對水體環(huán)境監(jiān)測而言，細菌群落監(jiān)測法能得出很好的監(jiān)測結論，并進行水體環(huán)境毒性的評估。目前，我國在微生物研究方面還處于起步階段，缺乏相關的理論和技術基礎，且微生物資源相對匱乏，因此，開展微生物群落數(shù)據(jù)采集、分析等工作具有重要意義。

圖1 微生物群落監(jiān)測工作流程

3.2 發(fā)光細菌法

發(fā)光細菌監(jiān)測法具有相對成熟、可操作性強、應用范圍廣的特點，可以對污水中的大部分污染物進行監(jiān)測。相關工作者可以使用轉基因發(fā)光細菌（例如不動桿菌屬）作為指示劑，建立一種高效的監(jiān)測污染物遺傳毒性的方法。它可以在很短的時間內獲得毒性評估結果，并根據(jù)其發(fā)光原理開發(fā)更先進的環(huán)境監(jiān)測儀器。通過原子熒光光度法檢測水質，將所探索的熒光素作為標記物，并將其應用于污染水體中的重金屬污染評價。

3.3 監(jiān)測生物行為反應的方法

通過特定生物在水中的行為反應來判斷環(huán)境污染狀況，確定水體污染物的安全含量，并及時對風險因素進行預警。監(jiān)測人員可以通過評估生態(tài)生物反應情況及其對生態(tài)的影響來監(jiān)測環(huán)境污染狀況。目前應用范圍最廣的指示海洋生物為魚和水蚤。以斑馬魚為例，斑馬魚作為一類海水魚對環(huán)境的要求較高，因此有利于環(huán)境監(jiān)測。也有些科學家利用斑馬魚作為指示海洋生物，利用半靜態(tài)方法分析環(huán)境中重金屬在水生生物體內的毒性情況，發(fā)現(xiàn)銅離子、鎘離子、碳離子等對斑馬魚毒性和調節(jié)過氧化氫酶活力的作用程度不一。所以，斑馬魚已經(jīng)成為了監(jiān)測水環(huán)境污染的重要指示海洋生物。目前，智能水體生物學毒性監(jiān)測技術可以二十四小時監(jiān)控指示海洋生物的行為，并及時分析其行為軌跡。如果監(jiān)測到異常生物體的反應，系統(tǒng)也將進行反應和報警。淡水環(huán)境中的海洋生物監(jiān)測以魚類居多，但在海洋環(huán)境中通常以雙殼類為主。當前，人類不僅可以通過電磁傳感器技術來提高對生物觀測的質量，還可以通過高頻電磁感應器系統(tǒng)監(jiān)視貝類生物的生命活動，進而提升對生物觀測的有效性。除魚和雙殼類動物以外，水蚤也常常被作為生物監(jiān)測的指示生物。

3.4 底棲動物、兩棲動物的監(jiān)測方法

底棲生物和兩棲動物都是水自然環(huán)境中的重要指示生命體，能夠進行水自然環(huán)境觀察。其重要的評估參數(shù)一般有腐殖質指數(shù)、生態(tài)指標、生物群落多樣性指數(shù)等，其中腐殖質指標和生態(tài)指數(shù)在水質生態(tài)研究中具有一定的重要性。加強技術創(chuàng)新，能夠增強指標評估的可靠性與合理性。科研人員還可以根據(jù)這兩種生物的多項指標使用綜合方法對水質的富營養(yǎng)化現(xiàn)狀進行分析研究，并結合水質的富營養(yǎng)化形成機理和影響因素，提出相應對策建議，以期為今后開展水環(huán)境的富營養(yǎng)化狀況調查提供理論支撐和技術保障。

3.5 其他生物監(jiān)測方法

相關工作者應繼續(xù)發(fā)展基于生物活性評價水體污染的高級生物監(jiān)測方法，并通過傳感器技術的應用，引領行業(yè)內的新興分支——電化學生物傳感器（其工作原理如圖2所示）的廣泛應用。作為新型監(jiān)測技術之一，它有效地結合了生物技術和電子監(jiān)測技術，能夠改善分子分析質量，有效地監(jiān)測酶、抗體和激素以評價水環(huán)境污染的程度。根據(jù)電化學生物傳感原理及應用研究現(xiàn)狀來看，其著重對電化學生物傳感在水質凈化方面的研究進展進行總結與展望。各項研究結果表明：電化學生物傳感器具有靈敏度高、選擇性好、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點［3］。

圖2 電化學生物傳感器工作原理

4 水環(huán)境監(jiān)測生物監(jiān)測技術進展分析

眾所周知，當今社會水環(huán)境污染問題已經(jīng)成為對人類健康威脅最大的問題之一。生物監(jiān)測技術基于操作簡單、監(jiān)測質量高的特點被應用到水環(huán)境監(jiān)測工作中，并得到了較為廣泛的應用。在監(jiān)測的同時，現(xiàn)代科學技術也得到了發(fā)展，促進了生物監(jiān)測技術自我創(chuàng)新和發(fā)展。

水環(huán)境污染最重大危害是對人體細胞遺傳物質的破壞。近年來，在水環(huán)境監(jiān)測領域，生物監(jiān)測技術將細胞微核技術和四分體微核技術相結合，在分析動物、植物和人類染色體受外部物理和生化因子的損傷方面取得了較明顯的進展。微核法可以代替染色體畸變法，適用于環(huán)境污染物對生物遺傳物質的損傷的監(jiān)測，因而得到了很大發(fā)展空間。其中，發(fā)展最引人注目的是采用以蠶豆根尖細胞作為研究材料開展微核試驗，并對其生物監(jiān)測結果作了學術探討，是研究環(huán)境誘變及致癌因子作用下的環(huán)境監(jiān)測工作，并顯示出其簡化性、效率性和敏感性，均是水環(huán)境監(jiān)測可靠的依據(jù)，為水環(huán)境的監(jiān)測工作提供了良好的技術保證。

相關人員的研究表明，蠶豆根尖微核也可作為監(jiān)測水環(huán)境變化的一個很有效的技術材料。蠶豆根尖細胞的微核率不但能夠監(jiān)測各種水環(huán)境中的環(huán)境污染因素，而且還能夠分析各種水環(huán)境中水污染問題的富集水平。此監(jiān)測技術發(fā)展的背景是，當水生態(tài)體系中出現(xiàn)了相應含量的污染突變物時，蠶豆根尖微核細胞會出現(xiàn)一定的紋理損傷，進而微核細胞率上升，由此衡量出水環(huán)境是否受到污染。此外，該方法具有可重復監(jiān)測性和較高的準確性，因此可用于水體污染物的綜合分析評價以及為后續(xù)開展水污染防治工作提供重要參考依據(jù)［4］。

5 生物監(jiān)測技術應用于水環(huán)境監(jiān)測的難點及對策研究

生物的繁殖與分布都具有極大的個體差異，同一種類生物對污染物也會有不同的反應。所以人們在開展水質環(huán)境監(jiān)測工作時，應適當提高指標生物的數(shù)量，以增強監(jiān)測成果的可信度。同時，通過建立健全水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)，以提高生物監(jiān)測頻次，從而有效減少差錯，提升水環(huán)境監(jiān)測品質。目前，我國已有很多科研工作者開展了用生物技術監(jiān)測水環(huán)境的研究工作，并取得了一定成果，但在評價水體污染狀況和預測水污染發(fā)展趨勢方面仍有許多需要進一步探討的問題。

低濃度的物質將對水面自然景觀造成潛在威脅，如果使用生物監(jiān)測技術，則短期內無法達到理想效果。因此，相關人員要不斷完善水生物監(jiān)測技術，使水生物監(jiān)測技術可以更充分地適應水環(huán)境監(jiān)測的要求，從而增強監(jiān)測成果的精度與可信度，還要針對生態(tài)分子以及生物群落對污染物實施有效的監(jiān)測和預警。另外，生物監(jiān)測技術在處理工業(yè)廢水時也具有重要作用，可以將廢水中所含的有毒物質轉化成無害物質。但是目前我國對于該領域的研究起步較晚，由于重金屬是一種毒性很大的元素，它對人體健康有著極大的影響，所以還需重視水環(huán)境中的重金屬污染問題，進一步加強該方面的研究工作［5］。

6 結論

綜上所述，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測主要是利用生物個體、物種或群體在水環(huán)境中的生物反應來指示環(huán)境變化情況，成為從生態(tài)學角度觀察和判斷水體環(huán)境質量變化的有效依據(jù)。生物監(jiān)測手段能夠提升監(jiān)測成果的可信度，有效評價廢水的生態(tài)危害性。在科學技術不斷發(fā)展的今天，將生態(tài)監(jiān)測手段有效地運用于水質環(huán)境監(jiān)測中，能夠為整個社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供保障。