王瑞娟

（平?jīng)鍪猩鷳B(tài)環(huán)境局華亭分局，甘肅 平?jīng)?744100）

水體中的許多生物對水中污染物有較強(qiáng)的敏感性，當(dāng)水體存在污染時(shí)，水生物就會(huì)在活動(dòng)狀態(tài)、生理指標(biāo)、群落結(jié)構(gòu)等方面發(fā)生變化，所以水環(huán)境監(jiān)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(xì)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(xiàn)代科技的發(fā)展，多種生物監(jiān)測系統(tǒng)、信號(hào)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等都廣泛應(yīng)用于水體生物監(jiān)測技術(shù)中，因而提高了生物水質(zhì)監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

1 水污染情況及水環(huán)境監(jiān)測

1.1 我國水環(huán)境污染形勢

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)能力大幅提升，但粗放式發(fā)展造成的環(huán)境問題也不容忽視。生產(chǎn)、生活中產(chǎn)生的廢棄物、污水未經(jīng)處理直接排放，會(huì)造成水源的嚴(yán)重污染。同時(shí)生活用水的排放量超出了環(huán)境的自凈能力，而工業(yè)污水的隨意排放也導(dǎo)致水體中的氨氮排放量等遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出環(huán)境的承載范圍。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不夠發(fā)達(dá)的時(shí)期，農(nóng)藥、化肥過量使用情況極為嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(yǎng)化。在污染環(huán)境中生存的水中生物，會(huì)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(zāi)害頻發(fā)，運(yùn)輸事故、燃油泄漏等事故造成水體中的污染物質(zhì)、有毒物質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)，污水中的這種有毒有害物質(zhì)不僅影響了群眾的正常生活，還導(dǎo)致土壤污染、生態(tài)系統(tǒng)破壞等一系列問題的出現(xiàn)，對環(huán)境造成了不可逆的損害[1]。

1.2 水環(huán)境的監(jiān)測與分析

監(jiān)測水環(huán)境質(zhì)量的指標(biāo)有很多，包括水的色度、氣味、渾濁程度、雜質(zhì)性質(zhì)、細(xì)菌數(shù)量等，傳統(tǒng)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(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目，監(jiān)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(zhì)監(jiān)測儀器包括氣象色譜儀、紅外光譜儀等。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù)手段的水質(zhì)監(jiān)測儀器、水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等在我國水質(zhì)檢測工作中得到了廣泛應(yīng)用，大大提高了水環(huán)境監(jiān)測的時(shí)效性和靈敏度。但常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測方法是對已知污染物進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)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(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，因而經(jīng)濟(jì)性與時(shí)效性不強(qiáng)，也難以對未知毒物進(jìn)行檢測。生物技術(shù)能夠通過對活體生物行為狀態(tài)的監(jiān)測來反映水體性質(zhì)的變化，并充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，將細(xì)菌、魚類等多種水生物種類作為監(jiān)測目標(biāo)，以結(jié)果為導(dǎo)向判斷污染物對水質(zhì)造成的影響，彌補(bǔ)理化監(jiān)測只能對單一物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測且制約性較大的缺陷。

2 生物監(jiān)測技術(shù)及其優(yōu)勢

2.1 生物監(jiān)測技術(shù)及其原理

水體中的生物受到污染后，生物指標(biāo)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，利用生物監(jiān)測技術(shù)對生物分子、細(xì)胞、組織器官、個(gè)體及種群展開不同水平的生物監(jiān)測，并通過這些生物指標(biāo)來完成對生物所處的水環(huán)境的綜合性分析，最終得到對水環(huán)境質(zhì)量的綜合判斷。水生物生活在水中，對環(huán)境的變化極為敏感，生物生活在受到污染的水中，其生活習(xí)性、運(yùn)動(dòng)方式、身體特征都會(huì)發(fā)生變化。從行為生態(tài)學(xué)角度講，當(dāng)水生物所處的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，生物的細(xì)胞器、分子功能也發(fā)生相應(yīng)的變化，污染物在水生物體內(nèi)堆積，影響水生物的生殖、個(gè)體信息傳遞、捕獵與反哺行為，并隨著繁殖逐漸從個(gè)體影響到整體群落的分布和生長，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)中種群整體生理生化指標(biāo)都發(fā)生變化，水生物也會(huì)出現(xiàn)一系列的異常行為。水中污染物干擾了水生物的器官發(fā)育，損壞了水生物的神經(jīng)器官，導(dǎo)致其正常的生殖功能與激素分泌受到影響，進(jìn)而影響到其通信與獵食。水生物覺察到水域環(huán)境中存在污染物，會(huì)逃離到干凈的水域，導(dǎo)致環(huán)境的進(jìn)一步惡化。當(dāng)水中的污染物達(dá)到某一濃度時(shí)，水體的污染情況也能夠直接從生物數(shù)量體現(xiàn)出來，生物會(huì)出現(xiàn)逃離等異常行為，并隨著水污染的加劇，有毒物質(zhì)會(huì)直接導(dǎo)致水生物死亡。

2.2 生物監(jiān)測技術(shù)的種類

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

2.3 生物監(jiān)測技術(shù)在水環(huán)境檢測中應(yīng)用的優(yōu)勢

2.3.1 經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)

理化檢測方式需要用到大量設(shè)備，而且僅能對單一的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行檢測，檢測方法繁多且程序復(fù)雜，相對而言生物監(jiān)測技術(shù)的成本較低，所用的檢測設(shè)備較為簡單，儀器的使用不受條件限制，因而該技術(shù)具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。

2.3.2 直觀性較強(qiáng)

理化檢測需要對已知化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行檢測，檢測的生物品種受到一定限制，并且需要多個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟對水污染問題進(jìn)行分析，而生物檢測技術(shù)的直觀性較強(qiáng)，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(yù)警作用，因而檢測人員很容易通過物種的生物規(guī)律來分析污染源頭與水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化情況。

2.3.3 可長期連續(xù)監(jiān)測

生物檢測技術(shù)能夠?qū)λ|(zhì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，而非理化檢測的定期檢驗(yàn)，檢測人員可以根據(jù)長期生物監(jiān)測的數(shù)據(jù)了解水質(zhì)變化的趨勢，也能了解不同污染物共同作用下水體質(zhì)量的變化。

3 生物技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 細(xì)菌監(jiān)測在水環(huán)境監(jiān)測中的具體應(yīng)用

3.1.1 硝化細(xì)菌法

硝化細(xì)菌法常用的硝化細(xì)菌有亞硝酸細(xì)菌、硝酸細(xì)菌，通過水體中的硝化細(xì)菌發(fā)生硝化作用，將水中的氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽、硝酸鹽，當(dāng)水中存在污染物時(shí)，硝化細(xì)菌硝化作用的氧化還原反應(yīng)受到影響，生成的中間產(chǎn)物與最終產(chǎn)物在水體中的濃度會(huì)大大降低。因此，對水體中亞硝酸鹽與硝酸鹽的濃度進(jìn)行檢測，能夠計(jì)算出水體中氮的指標(biāo)，達(dá)到水環(huán)境檢測的目的。

3.1.2 發(fā)光細(xì)菌法

發(fā)光細(xì)菌含有熒光酶等物質(zhì)，在發(fā)生生化反應(yīng)時(shí)，發(fā)光細(xì)菌在胞內(nèi)酶的催化作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并釋放出藍(lán)綠光。在正常情況下，發(fā)光細(xì)菌處于生化反應(yīng)條件下，其細(xì)胞活性與發(fā)光強(qiáng)度都較高，但當(dāng)發(fā)光細(xì)菌處于被污染水體中時(shí)，其發(fā)射出的熒光強(qiáng)度會(huì)受到影響，如農(nóng)藥會(huì)導(dǎo)致發(fā)光細(xì)菌的生物活性降低，重金屬會(huì)對發(fā)光細(xì)菌的細(xì)胞壁造成破壞。發(fā)光細(xì)菌法通過對發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行檢測來確定污染物的濃度，并且能夠用連續(xù)監(jiān)測的方法，通過其不同時(shí)間下發(fā)光強(qiáng)度的變化推斷出水質(zhì)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(huán)境中生存，以銨鹽為氮源，水環(huán)境監(jiān)測主要是監(jiān)測其呼吸作用的耗氧量，當(dāng)水體中含有污染物時(shí)，氧化亞鐵硫桿菌的呼吸作用會(huì)受到影響，使其耗氧量降低。

3.2 藻類監(jiān)測在水環(huán)境監(jiān)測中的具體應(yīng)用

3.2.1 原理

藻類植物是水體生態(tài)系統(tǒng)食物鏈中的重要組成部分，也是生態(tài)系統(tǒng)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(gè)體微小，當(dāng)水體中的氮、磷含量較高時(shí)，水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化，使藻類吸收營養(yǎng)并大量繁殖，因此在污染較為嚴(yán)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(guān)，因而藻類能吸收水中的氮、磷并轉(zhuǎn)化為有機(jī)物。當(dāng)水體中含有大量農(nóng)藥、石油、重金屬等物質(zhì)時(shí)，其生存狀態(tài)會(huì)受到極大影響，如農(nóng)藥會(huì)對藻類的生物膜功能造成破壞，有機(jī)物則會(huì)嚴(yán)重影響藻類的光合作用與呼吸作用，重金屬會(huì)影響藻類正常代謝與蛋白質(zhì)合成，造成藻類中毒死亡。同時(shí)，有些藻類自身也是重要的污染物，例如藍(lán)藻在一定條件下會(huì)產(chǎn)生藍(lán)藻毒素，藻毒素?fù)碛休^強(qiáng)的毒性，人類使用受到藻毒素污染的水，會(huì)引發(fā)嚴(yán)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(fù)雜性及污染物的種類。

藻類監(jiān)測也存在一定的缺陷，由于藻類更多生活在水體的上層區(qū)域，因此難以對水體進(jìn)行全面性的環(huán)境監(jiān)測。另一方面，藻類的適應(yīng)能力較強(qiáng)，在污染環(huán)境下長期生存，很容易使其耐受能力增強(qiáng)，從而影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)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(fā)揮著重要作用，當(dāng)水體受到污染時(shí)，植物的光合作用狀態(tài)發(fā)生變化，因而繁殖速度受到影響。植物的光合作用狀態(tài)能夠通過葉綠素?zé)晒鈪?shù)表示出來，所以葉綠素?zé)晒夥治龇軌驒z測出植物葉綠素分子發(fā)出熒光的變化，并通過葉綠素?zé)晒鈪?shù)判斷植物的光合生理狀況，從而評價(jià)水體環(huán)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(jiān)測。

藻類遙感監(jiān)測。不同葉綠素含量的藻類所呈現(xiàn)的光譜特征不同，藻類遙感監(jiān)測同樣是對藻類葉綠素變化量進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)葉綠素的光譜特征獲取葉綠素的濃度，并應(yīng)用于光學(xué)遙感技術(shù)，完成對藻類的識(shí)別以及種群面積的估算，然后利用計(jì)算機(jī)完成對該水域下藻類的時(shí)空變化特征與趨勢的分析，充分利用現(xiàn)代科技對水質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)測。

3.3 魚類監(jiān)測在水環(huán)境監(jiān)測中的具體運(yùn)用

3.3.1 魚類監(jiān)測的應(yīng)用

魚類監(jiān)測在生物監(jiān)測中使用更為廣泛，魚類對水污染更為敏感，當(dāng)水環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，污染物會(huì)對魚類的正常代謝造成影響，導(dǎo)致魚類產(chǎn)生一系列生活行為、種群結(jié)構(gòu)和生理活動(dòng)的變化，魚類在水污染環(huán)境中所產(chǎn)生的反應(yīng)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(jié)構(gòu)的變化可以通過觀察法或監(jiān)測系統(tǒng)獲得，其代謝量、呼吸頻率、血糖等指標(biāo)也容易測得。在環(huán)境監(jiān)測中，部分種類的魚對污染物的敏感性較強(qiáng)，可以將魚類的死亡率、逆水特性、呼吸頻率、鰓的運(yùn)動(dòng)方式、回避行為、弱電脈沖等作為監(jiān)測項(xiàng)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(qiáng)，生長情況可以模擬為人類的生長發(fā)育過程，該魚種對毒性物質(zhì)有較強(qiáng)的敏感性，常被用于毒性檢驗(yàn)；紅鯉魚在我國較為常見，會(huì)因水體性質(zhì)的不同產(chǎn)生不同的群體形態(tài)差異；青鳉魚對水環(huán)境的變化極為敏感，常被用于急性毒性的檢驗(yàn)。

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(tǒng)的成分會(huì)發(fā)生變化，生物的乙酰膽堿酯酶對有機(jī)磷農(nóng)藥會(huì)產(chǎn)生較大的反應(yīng)，而這種酶對神經(jīng)傳導(dǎo)起到重要作用，會(huì)直接體現(xiàn)在生物的行為上，在不同濃度的污染水體中，魚類會(huì)發(fā)生一系列不同的行為變化，通過監(jiān)測系統(tǒng)可以完成對魚類行為狀態(tài)的監(jiān)測。在對魚類運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，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(yùn)動(dòng)行為的指標(biāo)，魚類活動(dòng)的頻率可以通過儀器進(jìn)行記錄。以斑馬魚作為監(jiān)測對象，當(dāng)水體中的污染物為恩諾沙星等藥品時(shí)，魚類的行為發(fā)生快速、高強(qiáng)度的變化，這也就意味著水體中的污染物也在迅速增加，當(dāng)水體中的污染物達(dá)到某一臨界值時(shí)，魚類無法使自己的行為和生理?xiàng)l件適應(yīng)環(huán)境，會(huì)出現(xiàn)急性死亡現(xiàn)象，因而可以通過魚類的活動(dòng)行為以及死亡的出現(xiàn)來估算水體中毒物的濃度；當(dāng)水污染物為鎘等重金屬時(shí)，鎘的濃度在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，會(huì)造成斑馬魚的行為強(qiáng)度增大。

3.3.2 魚類行為分析與信號(hào)獲取

水體中魚類的活動(dòng)行為可以通過電信號(hào)的方式進(jìn)行采集獲取，并研究魚類在水體中的特征信息。電信號(hào)采集生物特征具有時(shí)效性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，與圖像處理技術(shù)結(jié)合使用，能夠完成對魚類的目標(biāo)跟蹤、行為分析、種群匹配等。視覺處理系統(tǒng)能夠根據(jù)圖像信息獲取魚群的活動(dòng)軌跡并進(jìn)行跟蹤，通過計(jì)算機(jī)測算出魚類在水體中活動(dòng)時(shí)的速度、體積等特征信息。信號(hào)獲取是將魚類的死亡、正趨流性、鰓的活動(dòng)性、回避行為等作為監(jiān)測內(nèi)容，當(dāng)魚類受到水污染而死亡時(shí)，系統(tǒng)能夠發(fā)出警報(bào)；當(dāng)水體存在污染時(shí)，魚類原有的逆流性會(huì)受到影響，魚鰓發(fā)生不規(guī)律呼吸，出現(xiàn)逃避行為，試圖遠(yuǎn)離污染水域，并在不存在污染的水域發(fā)生聚集現(xiàn)象，魚類的游動(dòng)速度、擺動(dòng)頻率都會(huì)出現(xiàn)異常情況，而電信號(hào)能夠獲取這些魚類的行為參數(shù)并及時(shí)對水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警[3]。

3.4 水蚤監(jiān)測在水環(huán)境監(jiān)測中的具體應(yīng)用

水蚤是一種浮游生物，以藻類為食，在水環(huán)境的食物鏈中又是魚類等動(dòng)物的食物，因此也是水體生態(tài)系統(tǒng)中生物鏈的重要組成部分。水蚤對環(huán)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(diǎn)，適合廣泛應(yīng)用于水污染監(jiān)測工作中。水蚤對低濃度的毒性物質(zhì)也有靈敏的反應(yīng)，即使是毫克單位的毒物也能夠影響水蚤的生存，農(nóng)藥會(huì)導(dǎo)致其DNA的轉(zhuǎn)錄受到影響，從而影響其正常發(fā)育；重金屬則會(huì)造成水蚤體內(nèi)的蛋白酶變性，產(chǎn)生中毒反應(yīng)最終導(dǎo)致其死亡。這些水體中的污染物質(zhì)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(nóng)藥等污染物極為敏感，因此可以通過研究水蚤的生存狀態(tài)來判斷水體中污染物的性質(zhì)及污染程度。工作人員對水體中的水蚤進(jìn)行采樣，并通過蚤類毒性儀對水蚤在儀器內(nèi)的平均距離、平均速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，分析確定水質(zhì)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(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

大型底棲動(dòng)物包括蜉蝣目、蜻蜓動(dòng)物、軟體動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物等，這些底棲動(dòng)物同樣能夠作為水環(huán)境監(jiān)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(huì)對其生存造成嚴(yán)重影響；搖蚊幼蟲等蟲類多在污染較為嚴(yán)重的水體附近生活，多藏于污水的淤泥內(nèi)，對重金屬、有機(jī)污染物等毒物較為敏感。當(dāng)水體富營養(yǎng)化時(shí)，水中的有機(jī)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(dòng)物的數(shù)量、時(shí)空與時(shí)間變化進(jìn)行監(jiān)測，同樣可以分析出水體的污染情況以及腐殖質(zhì)的分布。常用的指標(biāo)為BI指數(shù)、Saprobic指數(shù)等。

4 結(jié)語

綜上所述，生物監(jiān)測技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用主要包括細(xì)菌、水蚤、魚類、底棲動(dòng)物和藻類等生物監(jiān)測方法，不同的水生生物對污染物有不同的反應(yīng)效果，因而生物監(jiān)測技術(shù)是根據(jù)水生生物生存狀態(tài)的監(jiān)測結(jié)果來判斷水體污染的實(shí)際情況。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，生物監(jiān)測技術(shù)需要進(jìn)一步融入新的技術(shù)手段中，消除其他因素對生物監(jiān)測的干擾，提升生物監(jiān)測的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。