生物监测技术在水环境监测中的应用

曹如星

（甘肃省嘉峪关生态环境监测中心，甘肃 嘉峪关 735100）

引言

我国近些年发布的《生态环境状况公报》信息显示，对于我国水体环境产生污染现象的主要污染物，包括化学需氧量、高锰酸钾指数和总磷等。水体环境作为生态环境系统的重要组成部分，对于人们的日常生活以及饮用水都会产生十分显著的影响。在我国提倡生态环境与经济社会协调发展的背景下，水环境监测已经成为我国生态环保部门日常工作的重要组成部分。为了得到水体环境的精准污染监测结果，必须根据经济社会的发展，选择现代化的监测技术。相较于物理和化学监测技术，生物监测技术的整体成本投入能够得到控制，并且在监测过程中不会因为各种物理和化学反应对水体产生二次污染。因此，生物监测技术成为现阶段我国水环境监测工作的主要技术手段。本文通过研究分析水环境监测工作中生物监测技术的实际应用，为该项技术在环境监测工作中的推广普及提供参考。

1 生物监测技术概述

1.1 技术原理

水体环境是整个生态系统的重要组成部分，在该环境体系下的生物种群之间保持着一种相互制约、共同发展的关系，使得整个水体生态系统能够维持动态发展的状态[1]。污染物在进入水体环境后，会利用自身物质形态对生态系统产生影响，并且这种影响会随着食物链传入其他生态系统中，在影响水体原生生物成长发展的同时，生物彼此之间的制衡关系也会逐渐被打破，从而出现各种连锁反应。实际上，生物监测技术便是利用各种水生指示生物对水质的变化进行监测，部分生物对水体中污染物的含量变化会产生十分明显的应激反应，这也是目前水环境监测中常见的指示生物，以浮游生物、底栖生物和微生物为主，这些指示生物也是生物监测技术得以应用的主要媒介。监测人员可以根据指示生物的类型及存活数量的变化，对水质状况及时做出判断，并且可以根据指示生物的实际种类，对于引发水污染现象的污染物种类以及水污染事件发展程度进行分析。

在水环境监测工作中，生物监测技术能够利用水生生物的反应变化，针对水体中的某一种或者多种污染物同步进行监测和管理，帮助监测人员对不同剂量化学物质影响下的水生生物的反应进行观察和研究，部分水生生物会出现活性降低甚至死亡的现象。监测人员可以根据水生生物在活性、数量方面的变化，描绘出水生生物污染物的具体种类以及状态变化曲线，对水体污染物的危害进行分析[2]。

1.2 技术优势

生物监测技术是一种在水环境监测过程中立足于生物学层面利用多种水生生物对具体污染物种类以及污染发展程度进行监管的现代化监测技术。以目前国内技术体系的发展来看，生态环境监测技术中所使用的生物种类存在明显的不同，代表监测技术的分支发展较为快速，该项技术同样加入了生态动力学方面的专业知识，能够帮助监测人员针对不同水域的实际污染状况全方位进行调查和分析。

相较于传统的物理和化学水环境监测方法，生物监测技术在应用过程中逐渐体现出如下几点优势：一是长期性优势。考虑到生物监测技术是以生活在水体环境中的各种指示生物作为主要的监测媒介，意味着生物监测技术能够在水环境监测过程中连续进行取样，确保水环境监测工作能够长期进行，有助于促进水环境监测工作的动态化日常化发展。二是多元性优势。物理、化学的水体环境监测技术无法针对外源性化学物质进行全面监管，生物监测技术则可以对这类化学物质进行监测，并且对于外源性化学物质进入水体之后产生的细微影响也能够利用指示生物的变化进行研究。三是综合性优势。在不同水体环境中长时间存在的指示生物会与多种类型的污染物频繁进行接触，并且多种污染物在混合进入水体后会产生明显的协同效应，从而威胁到水体环境的稳定性以及生态群落的均衡性[3]。在水生生物长时间接受混合污染物协同作用的情况下，能够帮助监测人员通过观测生物活性水平及数量，反映水体污染物种类以及具体含量。

2 用于水环境监测中的常见生物监测技术类型

对水环境的监测和保护是我国生态环境工作体系的重要组成内容，生态监测技术的应用可以帮助监测人员利用各种科学依据和技术对水生生物的活性反应进行观察，准确评估造成水体污染现象的主要污染物种类和含量。水生指示生物的数据汇总能够形成水环境质量控制工作必要的理论体系。生物监测技术能够帮助监测人员在实时观察污染物种类、数量具体变化以及危害程度的前提下，及时采取相应的措施进行处理和控制，确保水环境污染现象带来的危害能够降到最低。总体看来，目前我国的生态监测技术多元化特征十分明显，这与我国经济、技术、资金等方面的支持有着密切的关联，大致可以分为如下几种类型。

一是指示生物监测技术。该项监测技术是以生而有之作为主要的工作原则，水体中的各种微生物和生物对于水环境中的污染元素变化十分灵敏，一旦出现了严重污染现象，指示生物很有可能会大规模出现活性降低以及死亡的现象。比如，监测人员能够通过水体中分布较为广泛的摇蚊幼虫和浮游生物灭亡的次数和程度，对水环境的总体质量以及污染物种类进行研究和分析。

二是群落结构监测法。从某种程度上看，在特定的地域范围内，水体内部的群落结构彼此之间保持着一种相互依存、和谐发展的关系。对于水生环境生成的群落结构而言，一旦水体遭受污染物的影响，群落结构发生变化是不可避免的。通常而言，水体中的生物群落结构如果受到有机物的严重污染，或者是附近区域的含氧量明显降低，整体结构就会以抗低溶解氧的特征为主，如果群落结构所处的水体环境质量优秀，则水体物理性状和化学性状会得到明显改善，这也为国内水环境监测和保护工作的实施提供了技术支持。

三是生物测试技术。这种方法以污染物进入水体之后，水生生物遭受毒害时产生的一种身体机能变化为核心，监测人员可以根据生物在机能方面的具体变化，对当地水污染的状况以及污染物的种类进行衡量和分析。这种生物监测技术可以在单一污染源头的监测工作中应用，同时也能够联合其他监测技术，对于复杂因素诱发的水体污染现象进行监测。

四是残毒监测方法。如果水生生物长时间处于污染严重的水体环境中，体内会出现污染物残留物质被大量吸收的问题，并且这些物质可以经过水生生物自发的吸收、消化、再分配等环节，以固定形式在生物体进行储存，相关人员可以将这些生物作为水环境监测研究的对象，针对水生生物体内残留的各种有毒有害物质的种类和含量进行研究和分析，还可综合使用荧光分析、红外光谱技术等多种方法获得精准的数据，以此判断当地水污染环境的发展状况，并生成针对性控制和处理方案。

3 生物监测技术在水环境监测工作中的应用领域

3.1 用于水体中微生物群落的监测

因为水体环境中分布着微生物、底栖生物、两栖动物、浮游生物等多种生物类型，生物监测技术在应用的过程中可以针对微生物对象进行全方位的监测，并且对象具有群落均匀、细菌丰富等多方面的优势。发光细菌和鱼类共生发展的费氏弧菌在水体环境中广泛分布，发光细菌的发光量与其内部的发光酶系统有着直接的联系，本质上，发光酶是一种异二聚体蛋白质，一旦这类物质受到污染物影响，细菌的发光水平将会明显下降，这也代表发光细菌在水环境监测工作中有着十分重要的指示意义，且已经成为当下水体环境监测工作的重要衡量指标。一般而言，监测人员针对污染物的毒性也可以利用发光细菌进行量化处理，量化的对象是3～5分钟之内的污染物急性毒性，或者是12～24小时之内的污染物慢性毒性。发光细菌本就是水环境监测过程中不可或缺的全新环境指标，能够帮助监测人员快速掌握附近区域的水体污染状况以及环境容量，发光细菌同时也在饮用水系统的毒性测定以及海洋沉积物的水质监测两项工作中逐渐普及。

3.2 用于水体中生物反应行为的监测

水生生物对污染物产生的行为反应同样可以帮助监测人员对目标水体的水污染具体状况以及污染物种类进行全面分析。生物监测技术是以水生生物的趋利避害行为或者是生理机能方面的转变作为基础，帮助监测人员衡量不同水域的污染状况，对其中的主要污染物类别和具体含量进行判断。一般而言，生物监测技术将鱼类和双壳软体动物作为主要监测对象，鱼类生物也是当下水环境监测工作中比较常见的一类指示生物，比如斑马鱼对于水体质量变化的敏感性远超其他鱼类，只要水体环境受到了一定程度的污染，斑马鱼便会在行为方面出现与之相对应的表现，同时，从基因层面来看，斑马鱼和人类的基因有着较高的相似度，以斑马鱼作为样本获得的监测结果完全可以在人类群体中使用。以目前生物监测技术的发展来看，相关人员能够针对斑马鱼使用半静态法进行环境监测，并最终得出铜离子、铬离子等对斑马鱼带来的危害，主要因为斑马鱼体内分布着数量较多的过氧化氢酶CAT，其活性水平与重金属离子的浓度有着明显的关系。

此外，监测人员也可在生物监测技术应用的过程中，重点观察水体污染对鲤鱼带来的影响，可以根据鲤鱼的实际呼吸情况，客观分析水体污染程度。监测人员在划分生物毒性疾病的过程中，选择将时间作为变量指标。通过组合使用多种小型鱼类，将其放在污染废水的原液中，以其达到半致死状态的时间作为标准，判断水体环境的污染状况。一般而言，大部分在水体环境中生存的鱼类，都能够作为水环境监测工作的重要指示生物。有关海洋环境的监测通常会利用双壳类生物活体的生理机能受害表现进行判断。比如，以目前的海水环境监测工作来看，电磁感应技术能够在贻贝两边壳体的距离监测工作中应用，监测人员可以在分析贝壳间距的情况下，对于水环境污染状况做出客观判断。

3.3 用于底栖动物和两栖动物的监测

底栖动物和两栖动物同样是水环境的重要组成部分，一旦水体受到污染，这些动物也会出现行为方面的表现差异。监测人员可以针对底栖生物和两栖动物在水体环境内的形成、灭亡以及总量状况，对于不同区域的水环境质量水平进行分析。总体而言，针对底栖动物的3类广泛应用的水质生物衡量指标是Saprobic指数、BI指数及群落多样性指数，并且前两项已经成为西方发达国家水质生物评估的关键指标。但我国在生态环境监测技术应用的过程中，尚未形成与之对应的生态建设标准，一般都会选择使用底栖动物的完整性对各个水体的生态环境质量进行监测与衡量。因为底栖动物和两栖动物在水体环境中的生存有着连续性，观测取得的各项数据也具有连续性特征，能够进一步提升监测数据的精准性和科学性。此外，监测人员可以通过实时观察两栖动物和底栖动物的生理机能和行为状态的改变，形成较为完善的水污染环境处理方案。

3.4 生物传感器的应用

随着我国生物监测技术的持续发展，生物传感器得以在水环境监测工作中逐渐普及和应用。传感器系统最先使用于医疗行业，在现代技术体系的加持下，逐渐成为生物学领域研究不可或缺的重要技术方法。生物传感监测技术是以现代化的生物传感器作为核心内容，具体包括分子识别和转化两个组成部分，前者是以酶、抗体、抗原、微生物活性等为主，后者则包括了氧电极、光敏管和场效应管等部分。在对水环境污染物进行监测时，生物传感器凭借自身在监测结果精准性、效率等方面的优势得到推广和应用。生物传感监测技术可以在水环境出现变化的情况下，将生物发出的反应信号转化为电信号，通过放大处理帮助相关人员及时观察水环境的污染程度。在目前的环境污染物监测工作中，生物传感器的作用逐渐凸显，体现出专业性强、分析迅速快、准确度较高等价值。在水体环境监测工作中，生物传感器的应用是以BOD生物传感和微生物传感测量水体中的酶数量，前者能够对水中的溶解氧浓度数值进行全面分析，但依旧处于实验室的研究阶段。微生物传感器监测则能够快速地检查化工企业污水中的酚含量，并根据最终的监测结果详细描述整体的水质状况。

3.5 用于水环境评价及标准制定

我国利用生物监测技术开展水环境监测工作的最终目标是为了帮助各级环保部门在掌握当地水环境真实状况的前提下，及时出台相应的管理方法，控制水污染事件。正因如此，生物监测技术能够帮助监测人员客观判断水生生物种类以及群落的具体生长和行为反应状态，对其中的矿物质含量、污染物含量变化进行分析，在得出导致当地水环境污染的主要原因的前提下，给出客观性的评价结果，提出针对性的解决措施。此外，在我国水环境质量保护标准制定的过程中，生物监测技术也有着十分广泛的应用，能够帮助我国的生态环保部门在精准数据的支持下，发现诱发水污染现象的主要因素，并通过检查水体中不同污染物的含量，对水污染环境的具体状况进行评价，根据监测得到的具体数值，形成完善的水环境标准，帮助环保部门在数据标准支持下开展保护工作。

4 结语

水环境监测是我国生态环境监测工作的重要内容，物理和化学监测技术在监测结果以及环境污染方面都有着明显的劣势，生物监测技术则是以水体中存在的各种水生生物作为主要监测对象，在监测的连续性、结果精准性方面有着明显的应用优势。指示生物监测、群落结构监测等多种方法已经在水环境监测工作中逐渐普及，并且能够对微生物、水生动物行为反应以及底栖和两栖动物进行实时监测。生物传感器能够帮助监测人员获得精准的监测结果，判断污染的具体状况以及诱发水体污染现象的主要污染物类型，形成完善的环境指标以及应对策略。今后，我国生态环保部门需要根据各个区域的经济发展状况科学选择生物监测技术，运用精准的监测结果，提高我国水环境保护以及监测工作的质量和效率。