生物监测方法在水环境中的应用及研究

山东泉诚检测技术有限公司 王冰，李丛丛，李居英

由于中国经济工业化脚步的加深和快速发展，国内经济蓬勃发展脚步也在不断加速，但是水自然环境也同时受到了巨大的危害和污染。

由于人们对水环境的危害和污染使得被污染水域上的动植物种类锐减，许多动植物也因此濒临灭绝。在危害巨大的水域，人的各种传染病发生率也在增加。人口日益增多的疑难杂症和生物的弱碱问题也使人们认识到了水环境的严重性。生物水质环境监测方法就是一项基于人们对水体环境现状了解下的针对性污染控制方法。通过对水体环境的长期观察，人们能够认识到水污染源的主要危害成分，并对症采取控制措施，进而改善了水体环境管理的有效性。生物监测技术也是控制水生态效价与安全的关键技术。

研究生态监测技术在水环境工程中的运用，对于进一步提高水环境工程监测的可靠性，具有重大的科学价值。

一、生物监测的原理及其优缺点

（一）生态监测的基本原理

生态监测主要是为了对环境变化进行更有效的监测与评价，即利用生物品种和类型对环境变化来评价产生的环境影响。目前常用的生物监测技术主要有两类：生态学方法、毒理学方法，作为现阶段相对有效的环境测试方式，在环保监测中具有举足轻重的意义。而毒理学方法则是将某种毒性的化学物质对其他生物进行测试，并利用比较的方法，测试出生物是否具有较大的毒性和在特定环境中所含的毒性指数。而生物学测试与前者比较，生物学测试方式相对而言更加安全和适用，可以直接把环境的变化情况反映出来，并且测试结果也比较精确。现阶段所利用的生物监测技术手段相对较多，同时其效益也较为理想，主要目的就是把自然环境中的有害物质及时找出，以防止损害生态环境。

（二）生物监测的优越性

比较理化的检验技术，生物检验具有很大的优越性，它具有一定的显示功能而且综合性比较强。在一般情况下，当水环境受化学物质的污染后，并不会马上产生改变，而只是有个慢慢地改变过程，因此生物检验技术能够观测到细节的改变。生化检验方法复杂，对自然环境有一定的危害，并且检验数据往往不精确。但生物检验技术却可以把数值准确表现出来，同时当水环境受到破坏时，生物检验技术能够及时发现相应的问题，并根据问题采取合理的处理对策。因为生物检验技术在费用上相对较少，而理化检查则需要很大的成本，同时效益上也不理想，而且生物检验技术在维护与保养期间，所需要的设备也相对较。

（三）生物监测的缺点

生物监测技术还具有几个缺陷，无法监测水体中污染物的确切含量，并且目前还缺乏完整、统一的技术标准。另外，一些生物监测方式不能有效把自然环境条件形成的危害和污染的危害联系起来，监测期限过长。上述原因制约着生态监测技术的广泛应用，人们必须不断创新和研发生态技术手段，使之在水环境监测中起到良好的效果。

二、生物监测在水环保监测中的运用应用

（一）群落监测

生物群落是整个生态系统的主要成分，利用生物群系观察能够掌握不同物种在整个自然环境中的地位，不同物种间的互动，以及各种条件对整个生态种群的影响，从而掌握整个自然环境的变迁和发展。对生物群系的调查有助于掌握这些种群所在的自然环境的总体状况，掌握环境污染情况，从而有的放矢地提供环境治理的方法。通常情况下，生物群落监测主要涉及两方面的内容：一是评估性水体环境监测。利用生物监测技术对水体自然环境进行评估、监测，并通过观测生物群系在各种水体中的生长状况，以全面了解水体变化状况和水体物质浓度的变化趋势。二是对水体发展做出宏观计划。利用生物监测技术全面掌握水体环境保护的实际情况后，按照生物学规律对水体环境保护实施专项综合治理，提出水体环境保护综合规划改造实施方案。例如，中国长江流域部分水库中存在着水体富营养化问题，产生了大量的藻饰鱼，若用物理或化学等办法处理就会影响水体的生活品质，同时也会对水体生物的繁殖生存环境带来恶劣的破坏，而利用生物监测技术，在富营养化的水体饲养食藻饰的鱼类，就可以很好地解决这一问题，同时可以减少养鱼成本，从而获得了巨大的效益，运用环保科学技术推动经济社会发展，从而达到双赢。

（二）发光细菌监测方法

发光细菌检验技术可以检查出水样中的大部分高毒性有害物质，在对有机物、重金属和有毒更多的化合物检验方面起到了非常关键的作用，不过在实际操作中来说，这项检验技术也具有操作复杂、误差数值较大的缺点。后来，电子科学技术的迅速发展为发光微生物技术的使用进行了新的发展，在发光微生物技术中又引进了紫外线分光光度法、荧光光度法等。

（三）微生物监测方法

相对于其他的生物监测技术，从微生物监测技术在水污染环境监测领域中的运用开始，而且经过了长期开发，微生物监测技术已经越来越完善、可信。通过对微生物监测技术的运用，其可以比较高效地监测水体环境中各种菌类的含量、种群大小等，然后再经过一定的计算、数据分析，确定被测水体环境中细菌的分布指数，有助于技术人员比较精确地评估水体环境的污染情况。在其中，可以选用聚氨酯树脂块做为基底，然后收集水体环境中的细菌，再经过化验研究确定各种生物数据，以此来比较全面、精确地评估被测水体环境中的污染情况。在具体使用的监测方法上，由于微生物监测方法的不断完善，相关的监测手段也比以往也有着不同程度的变化与革新，监测结果的准确水平也大大提高。此外，通过对微生物监测设备进行合理调整，其测试效率和精确水平也能够获得有效提高，并与现代计算机技术相结合，从而能够更加合理地研究出细菌种群的发展变化及其规律，从而使得测试的结果更为真实、可信。

（四）生物行为反应监测方法

生物行为反应监测技术，是指利用海洋生物在受到水污染影响时所引起的趋利避害性的反应变化来判断水体环境污染状况，从而判断水体环境污染的严重程度，并针对水体环境污染状况进行做出警示的技术。在水体监测中所使用的生物行为反应监测技术的主要海洋中生物种类包括了鱼、双壳软体动物门生物、水虫类等，以斑马鱼这种水体的生物行为反应监测技术为例，由于当水体中发生环境污染以后，斑马鱼往往能够在数分钟之内就显示出行为反应，所以我们也往往利用斑马鱼进行海洋的淡水生态监测。虽然鱼类通常被我们用来在淡水条件下进行监测，但在海洋中则通常是通过双壳类生物活体来监测对水体的环境污染状况并进行生理反应。例如，可将电磁传感器技术运用于贻贝双壳移动情况的测量项目上，也可利用高频的电磁感应器技术来测量贝壳类物体的移动。

（五）生物传感器监测

该项技术的关键属于生物传感器，通常情况下其由两部分构成，对于识别元件来讲，其中存在一系列的活性物质，比如抗体以及细胞等，而对于转换器部分，包含较多的分析工具，主要有光敏管以及氧电极等。这项技术利用生物体的灵敏度，来改变电子信号，使其能够充分地反映环境的污染状况。这种技术有很多优点，既可以缩短分析的时间，又可以保证准确率，并且更加精确。现在有很多种传感器，比如DNA。从水质的角度来看，苯酚的监测通常采用BOD和微生物传感器。前者主要依靠溶解氧的浓度，来判断水质，在试验中，这种方法被广泛应用，但在实际应用中，它的适用性并不是很好。利用微生物传感器，对苯酚的监测，可以在很短的时间内，准确地测量出苯酚，再加上这些数据，可以更好地了解相关地区的环境。同时，通过对活性剂型传感器的合理使用，可以达到污染物监测的目的。

（六）基于底栖动物和二栖动物的监测方法

在进行的水体环境监测活动中，也可通过对底栖动物或者二栖动物的监测技术，对水体环境中的是否有底栖动物和二栖动物，及其种类的多少来监测水体环境状况。同时通过对底栖动物和二栖动物的监测技术还可以将种群多样化水平，以动物的BI指数及其他指标作为监测参考，这样可以使得环境监测工作更加的科学全面。可充分利用二栖类哺乳动物的行为改变状况及其各种生态因素改变状况把被研究的水体环境的水体质量监测起来，特别是对哺乳动物的健康状况进行监测后，可以实现对水体生态因子的改变状况进行深入的了解。通过底栖哺乳动物和二栖动物的监测技术可以实现对水体环境的水体改变状况进行深度的研究。

三、提高城市饮用水环境保护中，生物监测技术与应用水平的能力措施

（一）发展和构建生物监测的规范制度

当前，由于中国的生物监测技术与西方国家相比还存在着不少的差异，所以为了提高生物监测技术在中国的使用效益，中国的职能部门一定要针对中国的实际状况，构建和健全生物监测规范管理体系，以立法的方式，把生物监测融入环境监测的管理体系当中，从而使得生物监测技术能够进行规范化、标准化的实施。

（二）构建自动在线生物监测系统

逐渐抛弃以往低效率、偏差大的人工采样模式，运用先进科技建设生物监测自动在线平台，可以提高生物监测的质量，使生物监测成果具有准确性，为后续的环境治理项目的实施创造重要的决策依据。

（三）构建生物监测早期预警系统

现阶段，由于中国工业产品的高速增长，部分企业公司为了谋求经济利润，却未能对排放物进行严格的管理，加上中国环保监管措施尚未健全，使得很多的自然环境受到很大的破坏。所以，正确、合理地建立生物监测早期预警系统，才能有效对水体环境污染状况做出正确的警示，防止环境污染范围的扩展。

（四）建立生物监测数据

随着网络信息技术的不断完善，将安全监测资源加以汇总归集，并将安全监测资料保存在网络平台中，不但可以及时协助相关工作人员查找安全监测资源，同时可以通过数据变动情况了解水环境的污染趋势，进而使整治工作的实施具有针对性。此外，通过分析环境监测数据与生物学监测指标，从中掌握各种生物学在各个季节，以及机体中污染的积累水平程度，并得出监测生物学的经典表现和污染背景值，并列放在所设置的生物学信息库中。

（五）寻找更多更可靠的监测生物

鉴于生态监测存在着具有巨大发展潜力的前景，相关组织或部门需要增加对生态监测技术研发方面的资金投入，以加强对生态监测技术的研发力量，以争取发现更多、更加安全、更为经济的可进行水质环境监测的生物技术，并尝试将其运用于实际水质环境监测工作当中，使水质环境监测成果更为全面、精细化。

（六）消除差异性

在使用生物监测技术进行水环境监测的过程中，要综合水体特征、指示生物的实际生长状态等各项动态性因素进行周期性的测试。要打造阶段性的测试方案，结合不同的变量因素进行多次调整，还应当适当地增加样本的数量，这样能够提升监测结果的可信度。另外针对不同季节以及不同地区的水环境进行监测时，可以在前期进行小规模的试验，明确监测频率以及具体的生物反应程度，这样再结合不同地区的实际特点打造针对性的监测标准。依托这样的阶段性以及区域性监测体系，构建全国以及全世界数据监测生态网，确保所有的数据信息具有普适性以及典型性，这样才能够进一步消除地域差别以及个体差别，为生态技术监测体系的应用，提供更多可能性。

（七）提高针对性

要解决这些问题，必须建立健全的生物监测与分析系统，并建立监控系统，从生物分子到生物群落的各个层次进行监控。这样既保证了生物监测技术的针对性，又保证了一些特殊情况的分析，从而提高了监测的准确性和可靠性。

（八）增强可持续性

这就需要着重研究利用生物技术建立的生态修复技术，并利用微生物和其它生态系统来实现水环境的修复。比如，在海底种植一些水生植物，然后选择合适的种类和数量，形成一个可循环的海底生态系统。为水生植物的生长创造有利的生长条件，加强水体水质的监控与管理；利用海底生物的培育、生产者与消费者的建立，建立起一个可持续发展的自然生态系统。此外，还应加强水生生物的生境保护，开展稀有、濒危物种的研究与人工干预。根据不同的农村和城市，制定相应的生态修复产业和治理方案，既能提高生物技术的实用价值，又能促进社会经济的发展。

四、生物监测技术在水环境中的应用展望

（一）借助遗传毒理学监测水体污染

单细胞凝胶电泳技术指的是一项通过对细胞DNA链损伤程度的监测，并评估遗传危险性的技术方法，这项监测方法在实际操作过程中尤为突出。由于在通常状态下环境中的遗传毒物含量相对较少，通过单细胞凝胶电泳会分析出低浓度的毒性或有害物质。再有，SOS显色技术同时也是目前基因毒性监测的最新技术，基本原理如下:当DNA分子结构在外界范围破坏与控制的情况下会发生错误的，这样的基因毒物处理后所发生的反应就被称作是SOS应答。SOS的方法具有监测灵敏、快捷、简单的优点。

（二）分子生态毒理学监测水体污染

分子环境毒理学检验技术运用了最先进的分子生物学检验技术，通常被我们用于分析环境污染物的主要代谢物和细菌中大分子的代谢作用，并以此寻找作用的目标分子，以便于有效预测其个体、物种、群体等的基本状态。随着现代科技的进展，生物体中胆碱酯酶活力测定已逐步演变为海洋、淡水水体环境污染监测的一项常规手段，因为海洋环境中有机磷杀虫剂、氨基甲酸盐杀虫子分子结构与水域环境中生物分子之间的高度相似性，因此可以和生物活性中心结构发生不可逆的融合，进而有效控制酶活力，从而更精确地判断生物体在杀虫剂、毒性有害的污染物质中的暴露状态。

五、结束语

随着技术的日益提高，现阶段的技术更加全面，并且在各个领域均有广阔的应用。生物监测是一种很重要的测试技术，对中国人体的未来发展具有重大影响。但现阶段生物监测技术还面临一些问题，有关人员必须关注问题所在，并采取相应措施处理，以发挥生物监测的优越性，同时还需要对该领域关键技术加以研究，为中国的未来发展做出良好基础。