水環境生物監測技術的發展及應用研究

武今巾 何巍偉 袁豪

摘??要：水環境生物監測技術作為理化監測的有效補充，隨著我國生態文明建設步伐的不斷推進，逐步趨向系統化與規范化。梳理了國內水環境生物監測技術的發展歷程，分析了不同指示生物包括微生物、浮游植物、浮游動物、底棲動物、魚類等的特點，跟蹤了當前發展迅速的生物監測新興技術，如光譜技術、圖形識別技術等，最后對水環境生物監測技術做出了展望并提出發展建議。

關鍵詞??生物監測????發展歷程????指示生物????新興技術

中圖分類號：X835

Research?on?the?Development?and?Application?of??Biological?Monitoring?Technology?for?the?Water?Environment

WU?Jinjin*???HE?Weiwei???YUAN?Hao

（Chinese?Academy?of?Sciences?（Heifei）?&?Yu?Intelligent?Engineering?Co.，?Ltd.，?Hefei，?Anhui?Province，?230000?China）

Abstract：As?an?effective?supplement?to?physicochemical?monitoring，?the?biological?monitoring?technology?of?the?water?environment?is?gradually?tending?to?be?systematized?and?standardized?with?the?continuous?advancement?of?ecological?civilization?construction?in?China.?The?article?sorts?out?the?development?process?of?the?domestic?biological?monitoring?technologies?of?the?water?environment，?analyzes?the?characteristics?of?different?indicator?organisms，?including?microorganisms，?phytoplankton，?zooplankton，?benthonic?animals，?fish，?etc.，?and?tracks?the?current?rapidly-developing?emerging?technologies?of?biological?monitoring，?such?as?spectral?technology?and?graphic?recognition?technology，?and?finally，?it?makes?a?prospect?for?the?biological?monitoring?technologies?of?the?water?environment?and?puts?forward?development?suggestions.

Key?Words???Biological?monitoring;?Development?history;?Indicator?organism;?Emerging?technology

近年來，隨著我國工業事業的持續發展及經濟的不斷增長，畜禽養殖、農耕開發、工業排污、生活排污等一系列人類活動給水體環境帶來了嚴重污染，甚至導致了水生態系統退化的現狀。水質狀況的及時準確監測是評估、治理水環境污染的重要技術手段[1]。研究表明：水環境中污染物種類繁多，其間的拮抗作用、協同作用、生態毒理作用等較為復雜，理化監測作為傳統的監測手段，僅能反映水環境質量的部分變化特征，無法更深層次地解析污染物來源及動態變化過程，這就對水環境監測評價技術提出了更高要求[2]。

生物監測（Biomonitoring），一種利用生物個體數量及種群群落組成對水環境變化所做出的動態反應來反饋水環境污染的范圍、程度及性質的技術方法。生物監測主要從生物學角度對水環境質量展開綜合評估及分析，做到對水生態功能衰退及水質變化的及時預警，進一步為有序開展水污染防治工作提供技術支撐[3]。

本文梳理了國內生物監測技術的發展歷程，探討了不同指示生物的技術應用，并跟蹤了新興的生物監測技術，以期為生物監測應用于水生態環境污染防治提供一定參考。

1??我國水環境生物監測技術發展歷程

我國水環境生物監測工作始于20世紀80年代，整體而言，經歷了兩個發展階段（表1），?分別為20世紀80年代至21世紀初的初步發展階段及2010年后的快速發展階段[4]。

1984年，原國家環境保護局召開了我國第一次環境生物監測工作會議，之后又于1986年、1989年、1993年陸續頒發了相關技術手冊?[5]。這一時期為我國生物監測工作初步發展時期，首要關注了生物毒性（魚類、發光菌等），細菌學（總大腸菌群數、細菌總數等），生物群落（浮游植物、底棲動物等）等監測指標。

20世紀90年代中后期，理化監測技術快速發展、理化監測任務逐漸加重，我國水環境保護工作進入了“污染防治”為重點的階段。在此背景下，生物監測的優勢難以發揮，加上國家在人力、物力、財力上均未提供有效保障，最終導致生物監測在水環境監測中失去地位，面臨著無的放矢的尷尬境地[6]。

直至21世紀初，生物監測工作才再次得到重視。2010年后，根據“十二五”提出的“大力推進生態文明建設”的工作重心，我國生物監測工作進入了快速發展階段。生態環境部、水利部、中國監測總站等多部委研究機構積極推進生物監測工作的發展：組織湖北、江蘇、黑龍江等省市在南水北調源頭、太湖、松花江流域等重點湖庫開展生物監測試點工作；積極修訂包含淡水魚（斑馬魚）、發光菌、浮游動物（大型溞）、蝦蟹等19項生物監測標準[7]；組織南京、上海等地監測站開展水環境生物監測指標、生物毒性試驗、生物體微量有機物檢測等研究工作[8]。我國水環境生物監測技術由此得到快速提升。

2??不同指示生物在生物監測上的應用

指示生物，指包含環境（或部分環境）質量信息的生物個體（或組織、群落）[9]。一般具有以下特征：分布廣、數量多、分類明、敏感度高、移動性低、易于量化和標準化、生態學特征明確[10]。目前，應用在水環境生物監測中的指示生物主要有魚類、細菌、浮游動物、浮游植物、底棲動物等。

2.1??微生物

微生物包括小型原生動物、真菌、病毒、細菌等，應用在水環境監測中較多的有酸桿菌門、變形菌門等，一般通過微生物的群落特征、優勢菌豐度等，來表征水體環境的健康狀況[11]。其中發光細菌因其獨特的生理特征被廣泛應用。

發光細菌體內含熒光酶、熒光蛋白，且能夠發射可見熒光，當暴露于有毒環境時，發光菌的熒光酶活性會被抑制進一步導致發光強度降低[12]。通過測試樣與對照樣發光強度的對比表征，可量化水環境有毒物質的毒性大小。

2.2??浮游植物

浮游植物一般指浮游藻類，其直徑大小通常在微米之間。浮游植物作為初級生產者，影響著水環境系統中的物質循環流動及信息傳遞：一方面，若其過量生長，會造成水體有機物濃度增加、溶解氧濃度降低，從而惡化水質；另一方面，其種群結構對水環境質量改變異常敏感，能夠快速發生種群變化從而反饋污染物對水體的影響，進一步反映水質狀況[13]。通過藻類豐度、多樣性、化學組成等指標判斷水質綜合狀況已被廣泛應用[14]。

2.3??浮游動物

浮游動物是指包括橈足類、枝角類、原生動物等，于水中懸浮生長、隨水流漂動的異養型微小水生動物。浮游動物既是魚類、貝類的食物來源，也是浮游植物等初級生產者的獵食者；既是敏感的水環境質量指示生物，也是次級生產者。有研究表明，水體渾濁、水體富營養化等造成的水體缺氧，會影響浮游動物的豐度、空間分布、群落組成[15]。此外，某些浮游動物具有積累轉移污染物的功能，可間接反映水環境質量的變化，可利用此特性采用指示生物法表征水體富營養化、生態毒理特性等?[16]。

2.4??底棲動物

底棲動物是水環境生態系統的重要組成部分，一般指大部分或全部時間生活在內陸水域或海洋底部的動物。底棲動物因其壽命長、生活期敏感且多為固著生長，故能夠反映一段時間的環境效應且能夠代表特定位點的環境狀況。據此，國際上現已建立了諸多底棲動物指數，如多樣性指數、物種豐度、優勢度等，另有底棲動物完整性指數（B-IBI）、Hilsenboff指數、生物學污染性指數和科級水平生物指數（FBI）等[17]。

2.5??魚類

作為河流生態系統食物鏈的頂端，魚類對流量調節、物種引入和人類開發等幾乎所有類型的人為干擾都能夠產生響應。目前被用于水環境生物監測的魚類主要有斑馬魚、河鱸等，監測指標包括行為指標（如呼吸行為、運動行為、逃逸行為等）和生理指標[18]。魚類的監測手段主要有聲學監測、心電圖、遙測系統、通氣活動的測量等。當前，以魚類為指示生物的水環境毒性監測、生物預警等已取得較多成果，在實際應用中顯示出巨大潛力。

3??水環境生物監測新興技術

隨著生物監測技術的蓬勃發展，藻類熒光光譜分析技術、生物傳感器技術、環境DNA技術等新興技術逐步研發使用，有效彌補了生物監測技術的部分缺陷，包括耗時長、對鑒定人員及鑒定經驗要求高等，推動了生物監測技術的大規模開展。

藻類熒光光譜分析技術是基于不同藻種的發光色素組成及含量不同，從而產生的熒光光譜不同而建立的，而光譜的差異正是展開活體藻類藻種分類的重要依據[19]。殷高方等人[20]根據藍藻、綠藻、硅藻、甲藻、隱藻五大門類藻種的三維熒光光譜特征，提取了8個發射波段、12個激發波段組成的96個特征光譜點，實現了藍藻、綠藻、硅藻、甲藻、隱藻的實時在線測量，并完成了技術的產品轉化，即水體藻類熒光光譜在線分析儀（AFA）。

生物毒性監測預警技術是利用指示生物在水體污染物的脅迫下的生理變化或行為反應（如光合作用、發光強度、死亡等）進行水質預警的一種技術手段。目前，該技術逐漸從單一指示生物發展到多種指示生物（魚類、發光菌類、溞類、藻類）聯合預警，覆蓋的水質污染物更為全面，實現了大多數污染物的及時有效預警，有力保障了水環境的安全。

數字全息顯微成像技術，因其能清晰呈現成像水體內的所有微小浮游生物，并獲得生物全方位三維形貌而受到廣泛關注。“全息”即全部信息，既包括物體的相位信息、也包括物體的振幅信息。此外，該技術還可利用計算機對水體全息圖進行數值重建、濾波去噪，進一步實現三維成像識別、大景深清晰成像等功能?[21]。

魚類回聲探測技術，其原理是利用換能器將電信號轉化為聲信號，然后向水中發射脈沖超聲波，當聲波遇到魚類時，因魚類與水的聲阻抗率不同，故魚類會對聲波產生反射及散射作用，部分聲波散射至換能器產生回波信號，換能器會進一步將回波信號轉換成電信號[22]。根據聲波發射、收到回聲的時間間隔，可測得魚類所在深度；根據回聲信號的結構、強弱，可估算魚類數量、分布狀況等[23]。

環境DNA宏條形碼技術指從水環境中提取DNA（包括核DNA和線粒體DNA），之后利用高通量測序擴增獲得大量DNA序列，進一步與數據庫中的序列進行對比，從而得到水環境中的物種信息[24]。該項技術結合了高通量測序技術和傳統DNA條形碼技術，在水環境生物監測中的應用主要包括：對水環境中病原體、指示生物的DNA序列進行PCR擴增，完成水體有毒有害物質的識別并得到指示生物完整的DNA序列以此鑒定生物種類[1]。

4??結語

隨著“十四五”進程的推進，水環境“生態健康”成為國家新一輪發展戰略，水環境監測工作面臨著從環境質量監測向生態質量監測轉型的極大挑戰，而生物監測作為監測水環境脅迫壓力的理化監測的補充，充分體現了水環境的脅迫響應，只有做到生物監測、理化監測并行，才能逐步實現水環境管理向“生態健康”轉折的目標。在此背景下，需穩步推進生物監測技術的有效應用：（1）補齊生物監測能力短板，加強人才隊伍建設，加強標準體系、專業技能的學習培訓；（2）推進流域監測站能力建設，部署生物監測網，完善監測機構的基礎保障，包括設備、場地、資質等；（3）積極推進先進技術手段的應用，包括光譜、無人機、遙感等，提高水環境生物監測的精準度與效率，為水環境生態保護提供科學支撐。

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