生物监测技术在水环境监测中的应用

生物监测技术在水环境监测中的应用

韦敏飞

广西土木勘察检测治理有限公司

摘要：天然水域中的水生生物与其赖以生存的水生环境之间是密切联系，相互依存的，如果水体被污染，水环境发生改变，水生生物就会出现不同的反应，为水体污染监测提供生物学的依据。生物监测技术的应用原则是当水环境污染物还没有达到危害生态系统的程度时，快速、高效的监测出有害物质，避免出现水环境污染问题。对此，本文首先介绍了常见的生物监测技术，然后对其在水环境监测中的具体应用进行了分析。

关键词：水环境监测；生物监测技术；应用

1引言

随着生活水平的提高，人们越来越关注身体健康，对饮用水安全更是十分重视，但由于现在科技发展还没有达到不需要向自然环境排放污染物的程度，所以水环境仍会不可避免地受到各种重金属、有机物的影响，水环境污染问题不容乐观。为了准确快速地掌握水环境污染状况，我国积极开展水环境监测，采用物理、化学等多种方法对污染物进行定性、定量分析，并致力于开发生物监测技术，进一步研究污染物对生物体的影响效应。

2生物监测技术概述

2.1基本原理

生物体与其生存的环境关系十分密切，它们互相影响，相互制约，相互依存。当污染物进入到生物赖以生存的环境中，同养料一起被生物吸收并在生物体内发生一系列的迁移、聚集等过程。生物体受到污染，出现相应的症状。生物监测技术就是利用生物体对污染物或环境变化所产生的敏感性反映来判断污染程度的一种方法。例如，水环境受到污染时，生活在其中的鱼类反应十分敏感，其呼吸频率变化明显，当污染物达到一定浓度时，就会出现中毒现象，甚至死亡。可以利用鱼类受污染物影响前后呼吸频率的变化来判断污染物的毒性效应。

2.2生物监测的优、缺点

生物监测能够反应出污染物产生的生物学效应，更加直观地表达出污染物对生物体的影响；并且有些生物的灵敏度甚至超过了精密仪器，能够对污染物产生的影响做出迅速的

反应；环境污染一般是由多种污染物共同作用形成的复合型污染，而现有的水环境监测物理、化学方法只能测量单项污染物的浓度，生物监测恰能弥补这一不足，可以反映出多种污染物的综合影响；生物监测还具有操作简单、经济成本低的优点，能用较少的人力、物力完成监测任务。当然，现阶段的生物监测技术也存在一些缺陷，比如不能监测到水体中污染物的准确浓度；还没有完善的、统一的环境质量标准以及污染物排放标准；有些生物监测方法还不能很好地将环境因素产生的影响与污染物的影响有效区分；监测过程需要的时间较长。这些缺陷使生物监测技术在水环境监测过程中受到了限制。我们需要根据这些问题，对生物监测技术进行改进，从而使其能够在环境监测中发挥更好的做用。

3生物监测技术在水环境中的应用

3.1微生物群落监测技术

在水环境中，细菌、藻类及原生物等微型生物出现的频与数量可反应出该区域内的水环境情况，由此而诞生了微生物群落监测技术。该技术的应用相对较早，通过聚氨酯塑料采集水体样本并结合数学计算方式统计出微生物的分布指数，根据微生物的分布指数判断水环境污染的严重程度。随着环境污染条件的变化，微生物检测技术也在不断地发展与变化。

当前我国微生物群落监测技术的评价指标也日益增多，目前主要的评价原物种类型、多样性指数、植鞭毛虫百分值以及异养性指数4项指标，提高了我国水环境监测的科学性。

3.2生物行为反应监测技术

生物行为反应监测是通过生物受到污染物质危害后所产生的趋利避害的行为反应或生理机能的变化，来评价水体污染情况，确定污染物安全浓度，并及时做出预警响应的方法。常用的环境监测水生生物主要有鱼类、双壳软体动物以及水蚤等，其中鱼类作为环境监测的指示生物最为常用。斑马鱼是一种对水质非常敏感的热带淡水鱼，一旦水体发生污染，就会在几分钟内做出相应的行为反应，因此是一种非常好的环境监测生物。斑马鱼的基因与人类基因有较高的相似度，以斑马鱼为指示物得出的水质监测结果，多数情况下都适用于人类。研究人员采用半静态法以斑马鱼为受试生物研究重金属对水生生物的综合毒性作用，实验发现重金属离子Cu2+、Cd2+和Cr6+对斑马鱼具有的不同毒性作用，斑马鱼体内过氧化氢酶CAT活性与Cu2+、Cd2+和Cr6+浓度均具有显著的剂量-效应关系，因此可以用斑马鱼为指示生物来监测重金属污染。另外，还有采用鲤鱼、金鱼等作为监测生物的报道，根据鱼的呼吸变化指示有毒环境，研究人员发现在有污染物存在的情况下，鱼鳃呼吸加快且无规律。在进行生物毒性分级时，可以时间为变量，即通过多种小型组合鱼在污染源废水原液中的半致死时间为标准进行判断。鱼类多用于淡水环境下的生物监测，而在海洋中一般利用双壳类生物活体对水体污染做出的生理或行为响应，国外已经取得较好的研究进展和应用示范。国外研究人员将电磁感应技术应用于贻贝双壳距离变化的监测作为水体毒性状况指示，通过高频电磁感应系统监测贝类运动，能够有效提高监测效率。除了鱼类和双壳贝类，水蚤也常被用作生物监测的指示生物，水质预警监测系统使用光电检测器来测算出水蚤的位移能力，由此判断水蚤的生命活动，从而得知水质受污染状况。另外，水蚤的死亡率或繁殖能力也可作为污染物毒性的测试指标。

3.3发光细菌监测技术

在众多的生物监测技术中，发光细菌监测技术是一项发展相对成熟的技术。该技术主要应用于自来水厂等生活用水水源的监测中，提高国民生活、生产用水的安全性。目前该技术主要以细胞发光特征、污染物遗传毒性作为参考并结合如水质毒性监测仪、Mirotox生物毒性检测仪等相应的检测仪器进行检验。该技术最快可在3h内获取检验结果，与其它技术相比具有操作便捷、灵敏度高，检验结果快等显著优势。在电子技术的推动下，发光细菌监测技术在结合紫外线分光及荧光等分度法进行技术创新之后获取了较大的发展，具有广泛的应用前景。

4实例探究生物监测技术的应用———以发光细菌监测技术为例

某县水域面积占全市总面积的42．5%，水网纵横，污染复杂。针对特定项目有毒化学物质进行监测，比如重金属、农药残留、有机物等，无法涵盖所有毒性物质，容易产生水体安全监管漏洞。因此，现对其进行发光细菌监测。

4.1检测过程

生物毒性在线监测系统的检测过程由两部分组成：①发光菌的培养和保存；②发光菌与水样接触反应进行发光测量以及测量后的质控和清洗。这两个步骤在测试中自动完成，无需人工干预。该毒性仪的设计中采用了双光路对照监测技术，测量中一路为参考水样，一路为待测水样，基于双光路的测量机理，可以克服测量中发光细菌由环境引起的变化和自身生理状态的变化。

4.1.1发光菌的培养保存

固定化的发光细菌（冻干粉）处于休眠状态，需要－20℃保存，以保持活性。在实际使用时，用复苏稀释液将固定化的发光细菌在常温中复苏15min，然后存放在一个5℃的特氟龙恒温孵育仓中。孵育仓中放有一个不停旋转的搅拌子，防止细菌溶液沉淀。复苏的发光菌的寿命为一周。

4.1.2测量

检测过程分为四步：第一步，抽取发光细菌进入菌种孵育仓，对菌种进行孵育，达到最佳的生理状态。第二步，抽取待测水样注入反应池，继而抽取发光菌同样注入反应池，混合后，检测发光量（S0）。第三步，在反应池中进行t分钟（水样测量默认30min）接触反应，再次检测发光量（St），按照以下公式计算得出相对发光度RLI（%）。第四步，测量完成后，仪器启动清洗，对光路进行清洗，防止交叉污染。

其中，RLI（%）为待测水样的相对发光度；C0及Ct分别表示参考水样的初始发光量和t时刻的发光量；S0及St分别表示待测水样的初始发光量和t时刻的发光量。每次水样测试后，接着进行一次质控样（10mg/LZnSO4•7H2O）测试，质控样要求相对发光度≤75%，测试结果与水样同步保存，从而保证测量的有效性。

4.2在线集成

仪器接入水源地水质自动监测系统中，受上位机控制，可实现全天候连续监测。一般情况下，每4h自动运行一次测试流程（遇突发状况可加密至1h），测试数据通过系统数采经由光纤网络传输至中心站数据平台。同时，仪器自带网络模块，通过组网可实现直接远程控制，实时查看仪器运行状况、远程触发调试并进行故障诊断等。

4.3监测结果

目技术管理人员经地铁相关部门协商拟采用双头水泥土搅拌桩。考虑到基坑开挖的卸载可能对地铁产生的影响，项目技术管理人员配合监理严格监管现场施工按审定方案实施：分三块开挖，每个分区间均采用重力坝围护，以减少分区开挖的土方量，减少隧道的变形。坝体宽度为3.2m，深度为5.5m。

4.3.1毒物测试

使用生物毒性在线监测仪对不同浓度毒物进行测试，测定相对发光度。测试结果见表1。

另外，针对除草剂、甲醇、有机磷农药等进行毒性测试实验，当阿特拉津的浓度为2.5mg/L（溶剂丙酮的浓度约为25g/L），相对发光度为58%，具有一定毒性；25mg/L的甲醇，相对发光度为88%，毒性不大；25g/L的有机磷农药，相对发光度为6%，5g/L的有机磷农药，相对发光度为73%。

4.3.2生物毒性与常规监测指标的相关性

在监测期间，对常规指标中的生物毒性与电导率做了测量数据统计，2011年10月1日～11月11日电导率与相对发光度日均值变化见图1，41组数据相关性检验r=0.731。

5结束语

随着工业用水、生活用水、农业用水不合理使用和排放的现象越来越严重，水环境污染也越来也突出，水体监测和治理已经逐渐成为环境保护的重点。在水环境监测中，常见的生物监测技术有微生物监测技术、发光细菌监测技术、生物行为反应监测技术以及动物监测技术，应该根据实际情况合理选择具体的生物监测技术，确保其适用性和合理性，这样才能更加高效、准确的判断出水体污染情况。

参考文献：

[1]戴舒雅，余俭，丁波，等.生物监测在水环境监测中的应用及发展趋势[J].污染防治技术，2013（5）：62~65.

[2]张平.利用生物监测技术监测水环境污染的研究进展[J].北方环境，2011（8）：65~67.

[3]郑珏雅.利用生物监测技术监测水环境污染的研究进展[J].科技与创新，2015（11）：80~81.