水環境生物監測方法及應用

北極星環境監測網訊： 摘要：近年來，因水污染引發的危害性事件時有發生。水環境監測是科學防治水污染的基礎。與傳統的理化監測技術相比，生物監測方法具有靈敏性、穩定性、多樣性和長期性等優點，可以直接有效地反映水環境面臨的生態風險。總結了生物監測方法的重要性和優勢以及監測生物的主要類型；根據大量國內外文獻，水環境生物監測的主要生物類型——微生物、浮游植物、浮游動物、活體生物、底棲動物、高等水生植物及魚類監測方法研究進展 探討了國內外生物監測方法的實踐和應用，并對生物監測方法的未來發展進行了展望。

長期、高強度的污染排放導致水環境出現有毒化學污染、水體富營養化等一系列問題。近年來，由有毒有害物質引起的水中毒事件時有發生。有毒有害污染物往往是多種污染物的混合物，它們之間的相互作用和潛在的生態毒理效應非常復雜，這使得對水環境監測評價的技術要求越來越高。目前，傳統的理化技術已經不能完全滿足監測的需要。生物監測是通過觀察生物種群、數量、群落組成和結構的變化，從生物學角度監測和評價環境污染，生物習性、生長繁殖甚至遺傳特征[1]。生物監測可以顯示所有化學物質的綜合生態毒理效應。結合傳統的監測技術，可以對水環境產生更好的監測效果。我國1986年頒布的《環境監測技術規范-生物監測（部分水環境）》規定了生物監測的基本任務。后來，原國家環境保護局于1993年組織編制了《水生生物監測手冊》，但目前該手冊的局限性逐漸顯現，急需更新[2]。國外生物監測的發展比國內更廣泛和深入，但由于水生態系統的差異性和復雜性，無法復制。筆者總結了水環境生物監測方法的研究進展，希望為我國生物監測技術在水環境中的應用和水污染防治提供科學參考。

1 生物監測的重要性和優勢

1.1 重要性

水環境理化監測主要通過確定污染物的濃度和來源來反映水質，但這些理化指標不能反映水污染對水生生物的影響，也不能解釋水的協同作用或拮抗作用。污染和水生生物。影響。水體中相同的污染物往往以不同的化學形態存在，其流動性、潛在毒性和生物利用度也存在顯著差異。在水環境監測中，從技術經濟角度對每一種污染物進行跟蹤是不可行的。. 通過生物監測，分析水環境中污染物的生物有效性，可以直接反映污染物的生物效應，從而反映其潛在的風險。

1.2 優點

生物監測對水環境具有重要的現實意義。生物監測的優點是：1)靈敏度，說明生物體對低濃度污染物更敏感，有些生物體甚至可以對微量污染表現出相應的反應2)穩定性的作用，說明生物體對低濃度污染物更敏感生物的生存環境相對固定，與物理化學監測方法相比，可以更方便地實現同一區域的連續監測；3) 多樣性，水環境中的生物種類很多，可以體現污染物的拮抗和協同作用的綜合作用。同一種生物對不同的污染物有不同的反應；4)長期，生物監測結果可以反映污染的歷史積累。慢性毒性作用更為明顯。因此，生物監測可以有效地反映水環境狀況，從而為采取科學的預防措施和治理方法提供科學依據。

2 監測生物的主要類型

水環境質量評價不僅需要參考理化參數，還需要通過生物監測來確定毒性作用并進行綜合評價，從而明確水環境對人體健康的風險。 . 常用于監測的生物種類：1)微生物，如綠藻、放線菌、變形菌等；2)浮游植物，如藍藻（藍藻、綠藻、芽孢桿菌等；3)浮游動物，如Phryganea japonica、Heptageniidae（4）、水蚤等；4)生物，如硅藻、輪蟲、Umbo幼蟲等[5]；5)底棲動物，如牡蠣（Ostrea gigas tnub）、貽貝（Mytilus galloprovincialis）、貽貝（Anodonta woodianawoodiana）、搖蚊幼蟲（Chirono）等[5]；6)高等水生植物，如海菖蒲（Enhalus acodoides）、黃花水龍（Ludwigia peploides）等；7)魚類，如紅鼻剪刀魚、鯖魚、虎皮魚等[6]。雖然我國大部分地區仍然采用物理和化學監測方法對水環境進行監測，但生物監測也得到了一定程度的發展。其中，較為成熟的生物監測方法是發光細菌、藻類和底棲動物。等待監控。近年來，生物傳感器、行為監測方法等新的生物監測技術也得到了進一步的探索[7]。黃花水龍（Ludwigia peploides）等；7)魚類，如紅鼻剪刀魚、鯖魚、虎皮魚等[6]。雖然我國大部分地區仍然采用物理和化學監測方法對水環境進行監測，但生物監測也得到了一定程度的發展。其中，較為成熟的生物監測方法是發光細菌、藻類和底棲動物。等待監控。近年來，生物傳感器、行為監測方法等新的生物監測技術也得到了進一步的探索[7]。黃花水龍（Ludwigia peploides）等；7)魚類，如紅鼻剪刀魚、鯖魚、虎皮魚等[6]。雖然我國大部分地區仍然采用物理和化學監測方法對水環境進行監測，但生物監測也得到了一定程度的發展。其中，較為成熟的生物監測方法是發光細菌、藻類和底棲動物。等待監控。近年來，生物傳感器、行為監測方法等新的生物監測技術也得到了進一步的探索[7]。生物監測也得到了一定程度的發展。其中，較為成熟的生物監測方法是發光細菌、藻類和底棲動物。等待監控。近年來，生物傳感器、行為監測方法等新的生物監測技術也得到了進一步的探索[7]。生物監測也得到了一定程度的發展。其中，較為成熟的生物監測方法是發光細菌、藻類和底棲動物。等待監控。近年來，生物傳感器、行為監測方法等新的生物監測技術也得到了進一步的探索[7]。

2.1 個微生物

水體中微生物的個體、種群和群落及其在一定時空范圍內的水環境，通過物質循環和能量流動形成水體微生物生態。目前，水環境中最常用的微生物監測主要包括綠細菌、放線菌、變形菌、擬桿菌、酸桿菌等的監測[8]，監測指標為群落多樣性、群落結構、群落均勻度、豐度。其中，發光細菌，包括磷光桿菌、費氏弧菌和秦海弧菌等熒光法溶解氧傳感器，由于其獨特的生理特性，已被用作水環境中有毒物質的衡量標準。主要指標。

發光細菌廣泛分布于水環境，如沉積物和魚鱗中。細菌發光主要依賴于生物發光酶系統。該系統中的熒光素酶是異二聚體蛋白質。當發光細菌暴露于有毒物質時，細菌熒光素酶會受到抑制，其光強迅速降低。通過測量暴露于測試樣品的細菌的光強度，并將其與對照細菌進行比較，可以量化化學物質對發光細菌的毒性。發光細菌不僅可用于測量急性毒性（5-30 分鐘），還可根據細菌生長速率的變化評估慢性毒性（12-24 小時）[9]。該方法可廣泛用于飲用水水質的安全評價，供水系統的毒性監測和海洋沉積物的綜合毒性監測 [10]。例如，費氏弧菌作為革蘭氏陰性桿菌，可以與各種魚類形成共生關系，可以獨立生活。它只需要一個簡短的簡單測試來推斷水環境中的物理、化學和微生物變化。據統計，費氏弧菌的毒性與電導率和濁度呈負相關，與糞便大腸菌群數量、磷、鐵、汞、砷濃度和硬度呈正相關[11]。在微生物生物傳感中，常用的技術包括電流分析、電位分析、電導分析、伏安分析、熒光分析、生物發光分析和比色分析[12]。此外，

2.2 浮游植物

浮游植物是指生活在水中的微小植物，通常是指浮游藻類。近年來，由于合成洗滌劑的大量使用，污水中的磷含量顯著增加，而磷是藻類的營養物質。一旦過量，就會引起浮游植物代謝紊亂和功能障礙，導致細胞凋亡和組織壞死。甚至中毒死亡。浮游植物是監測水質的指示生物之一。作為初級生產者，它在水生態系統的能量流動、物質循環和信息傳遞中發揮著重要作用。一旦浮游植物過度生長，就會增加水中有機物的濃度，降低溶解氧的濃度，導致水質惡化，這對水生生物是極其有害的。由于不同藻類對養分的需求和反應不同，因此可以通過檢測藻類的豐度、種類和化學成分來判斷水質的綜合狀況[14]。當水環境受到污染時，藻類的細胞密度和光合作用強度會發生相應的變化[1]。

藻類在水生生態系統中發揮著重要作用，對水環境的變化反應非常快[15]。它們常用于急性和慢性毒性試驗，常涉及酯酶抑制、ATP能量損失、生長抑制、運動抑制和葉綠素熒光評價等方面[16]。綠葉石斛生長迅速，能承受各種生態條件和高污染，對重金屬具有較高的生物蓄積能力，常被用作污染的哨兵。石莼還富含鎘、銅、錳和鉛[18]。此外，藻類生物測定還可用于評價有機污染物、油分散劑、廢水、固體廢物滲濾液等的毒性。苯并芘（BaP）是一種已知的致癌物質。水中 BaP 的主要來源是降水、儲水罐和管道中涂層的浸出、水上航行船舶的溢油、工業廢水排放和生物合成。BaP 在小球藻的脂質體中聚集后，可以使用熒光共聚焦顯微鏡和熒光壽命成像顯微鏡對其進行定位 [17]。藻類生物監測評價方法包括聚氨酯泡沫塑料塊法（PFU）、生物試驗法、硅藻指數和藻類毒性計[10]。它可以使用熒光共聚焦顯微鏡和熒光壽命成像顯微鏡進行定位 [17]。藻類生物監測評價方法包括聚氨酯泡沫塑料塊法（PFU）、生物試驗法、硅藻指數和藻類毒性計[10]。它可以使用熒光共聚焦顯微鏡和熒光壽命成像顯微鏡進行定位 [17]。藻類生物監測評價方法包括聚氨酯泡沫塑料塊法（PFU）、生物試驗法、硅藻指數和藻類毒性計[10]。

2.3 浮游動物

浮游動物是生活在浮游生物中的異養動物，主要包括無脊椎動物和脊索動物的幼蟲。他們不會游泳或非常虛弱。它們隨水流漂流，是魚類和貝類的重要誘餌來源。浮游動物數量和種類豐富，分布范圍極廣。水體缺氧引起的水體富營養化和水體渾濁會影響浮游動物群落組成、空間分布和豐度[19]。浮游動物的時空變化也受捕食壓力的影響，與魚類生物量存在統計相關性[20]。

庫克麗娜等人。[21] 研究表明，長期或高濃度接觸亞硝酸鹽可能會降低小龍蝦的存活率和適應性。海岸蟹是一種可靠的生物標志物，可用于河口或海洋模型的生態毒理學研究和環境質量評估。因為它不僅對各種水污染物敏感，其生物反應還與暴露濃度或劑量有關[22]。莫拉比托等人。[23] 表明刺胞動物可以吸收、攝取或接觸海洋中的化學物質，這構成了監測環境質量的重要模型。它們具有高度特異性的刺細胞，細胞體積的變化可以監測水環境中的重金屬。以及其他污染物。塞等人。[24] 表明橈足類動物 Acariatonsa 卵可作為生物監測器，用于評估缺氧條件下持久性污染物的毒性和硫化物在降低金屬毒性方面的作用。影響。此外，水蚤的死亡率和繁殖力等急性毒性試驗指標已被用于檢測飲用水和地表水中無機砷和農藥的污染[10,25]。

2.4 活物

生物體是在人造或天然基質表面積累的群落。它們主要由藻類、細菌、真菌和原生動物組成。它們是水環境污染的預警標志。像底棲動物一樣，活生物體具有豐富的多樣性和生物量。常用的監測指標包括生物多樣性指數、均勻度指數、藻類密度、總生物量等，其生物量常采用體積換算算法計算[5]，其群落結構也可用于動態監測[26]。

生物體的監測多采用人工基質法，通過刮削和剝離基質表面藻膜和生長物采集樣品，在顯微鏡下計數，分析其生物量[5]。在活藻類中，藍藻 Dactylococcopsis 和 Lyngbya limnetica 是反映氮和磷營養過剩的指示藻類 [27]。一些受污染的水體中出現了抗污染的物種，例如Zoothamnium（Zoothamnium），其密度過高，導致其他生物的生長受限[26]。其他研究表明，被三價鐵、銅、鋅等重金屬污染的河流，其生態系統的生物量對于生物來說過于豐富，而底棲動物的種類和數量卻明顯減少[28]。

2.5 底棲生物

底棲動物是指棲息于海底或內陸水域的動物，是水生生態系統的重要組成部分。底棲動物多為無脊椎動物，棲息地多固定在巖石、沉積物和其他基質上，如牡蠣、蝦、貽貝和貽貝等。無脊椎動物可能會受到高濃度金屬和營養物質、精細沉積物和流動特性的影響 [29]。在水生生態系統中，底棲無脊椎動物扮演分解者的角色。目前，利用底棲動物評價水質和監測水污染已得到廣泛應用，并取得了一定的效果。

越來越多的研究證實，底棲無脊椎動物在評估污染物對水環境的影響方面發揮著關鍵作用。然而，選擇合適的無脊椎動物、設計合適的測試和確定生物測定方法以及控制毒性測試中的潛在混雜因素對于獲得科學有效的結果至關重要。例如，原鰓蝸牛是水生棲息地的重要成員。它們對海洋和淡水生態系統具有重要的生態意義。它們的激素系統在很大程度上與脊椎動物的激素系統相同，適合識別。內分泌干擾物質 [30]。超氧化物歧化酶 (SOD) 是生物體抵御環境污染物的生物標志物。通過測量貽貝肝胰腺組織中的 SOD 和碳氮同位素組成，可以監測水中污染物的水平，尤其是重金屬污染。31]。國際上已經建立了多種底棲動物指標。其中，較為成熟的生物指標包括指示生物、多樣性指數、優勢度、物種豐度等[32]，還有希爾森博夫生物指數（Hilsenboff of bio index，HBI）、底棲生物指數（B-IBI） 、家庭生物指數（FBI）和生物污染指數（BPI）等[33] . 多樣性指數、優勢度、物種豐度等[32]，以及希爾森博夫生物指數（Hilsenboff of bio index，HBI）、底棲生物指數（B-IBI）、科生物指數（FBI）和生物污染指數（ BPI）等[33] . 多樣性指數、優勢度、物種豐度等[32]，以及希爾森博夫生物指數（Hilsenboff of bio index，HBI）、底棲生物指數（B-IBI）、科生物指數（FBI）和生物污染指數（ BPI）等[33] .

2.6 高等水生植物

高等水生植物是指長期生活在水環境中，能生長、繁殖、繁殖的植物，包括睡蓮、水蔥等挺水植物，芡實、王蓮等浮葉植物，水葫蘆等。漂浮植物和金魚 水下植物，如藻類和池塘草。高等水生植物一般生長在淺湖或水庫的岸邊。它們可以為魚類提供產卵場所，也可以為水鳥和昆蟲提供食物來源和棲息地。此外，它們還起到凈化水質和維持生態平衡的作用。起著重要的作用。但是高等水生植物的過度生長會消耗大量的養分，遮陽，阻礙通風等，影響浮游生物的繁殖，

艾哈邁德等人。[34] 表明，在河口生態系統中，海菖蒲具有吸收沉積物中重金屬As、Cd、Cu、Hg和Pb的能力，且吸收量與沉積物中重金屬濃度呈正相關，即適合作為河口。生物監視器。黃花水龍是生長在淺水區的多年生浮葉植物。由于其對親脂性有機農藥具有較高的生物積累能力，其生物富集因子（BCF）和生物沉積物富集因子（生物群-沉積物積累因子（BSAF））可用于水環境的生物監測[35]。

2.7 條魚

水質惡化會使魚生病、變形，甚至死亡。長期作用會抑制魚類的生長、繁殖和洄游。某些污染物會刺激魚類。例如，當氯胺在水中降解時，會釋放出游離氯，導致魚的急性呼吸系統問題和魚血中的酸堿紊亂[36]。重金屬可能轉化為具有高毒性和持久性的金屬化合物，并在魚類體內形成生物蓄積[21]。此外，DDT、PCBs等一些持久性污染物也會在魚類體內蓄積，造成持久性蓄積危害。重金屬通過食物鏈積累到一定濃度，可能對其他動物和人類的健康構成潛在威脅。魚可以對污染物表現出明顯的生理和行為反應。因此，可以通過監測魚類來檢測水環境的變化[37]。魚類監測已被用于評估水質。常用的監測魚類有紅鼻刀魚、鯖魚、虎魚、紅綠燈魚、斑馬魚、鯰魚、鮭魚、鱸魚等[6,10]。

魚類生物測定的指標包括生理指標和行為指標。其中，生理指標主要包括心率和血液pH值；行為指標主要包括逃避行為（快速游泳、回旋頻率）、運動行為（速度、高度、轉身頻率、擺動頻率、社交互動）、呼吸行為（呼吸頻率、呼吸深度）。此外，新孵化的幼魚暴露于污染物的急性死亡率也可用于水質評價[12]。魚類的監測方法主要包括遙測系統、聲學監測、通氣活動測量、心電圖和光纖體積描記法[21]。最近幾年，憑借先進的計算機技術，基于視頻跟蹤的生物預警系統有了長足的進步，對多種生物物種的視頻跟蹤能力有了很大的提高。目前的行為監測系統產生了大量詳細的行為數據，可用于毒性監測。盡管視頻跟蹤在環境科學中還沒有被廣泛采用，但它在行為分析中已經顯示出巨大的潛力 [38]。

2.8 不同類型監測生物的特點

不同種類的水生生物代表食物鏈中的不同環節，對不同污染物的敏感性也不同。因此，根據不同污染監測的需要，選擇待監測的生物種類就顯得尤為重要。不同類型監測生物的優缺點及適用條件見表1。

3 生物監測方法的應用

目前，生物監測方法已在國內外獨立水域的水環境監測中得到實踐和應用。例如，杜拉多等人。[47]采用洋蔥和魚類細胞毒性試驗、微核試驗、彗星試驗等對巴西中西部河流進行監測。在魚彗星試驗中觀察到的 DNA 損傷發生在重金屬 Cu、Pb 和 Cd 中。在高Ni濃度的水環境中，體現了遺傳毒性檢測對水質管理計劃制定的重要性。水生生物接觸有毒劑量的污染物會通過食物鏈對人類和動物造成傷害。水環境的變化會直接影響原生動物群落結構，進而影響水體質量。所以，原生動物群落的特征可用于監測和評估水質[39]。也有大量研究利用寡營養菌的特性誘導饑餓反應和對重金屬的敏感性來監測水環境的富營養化程度[40]。化學品能長期抑制水生生物的生長，改變水生生物的繁殖和遷移。因此，水環境中有毒化學物質的監測對人類和地球上所有生物群體的整體安全具有非常重要的作用。也有大量研究利用寡營養菌的特性誘導饑餓反應和對重金屬的敏感性來監測水環境的富營養化程度[40]。化學品能長期抑制水生生物的生長，改變水生生物的繁殖和遷移。因此，水環境中有毒化學物質的監測對人類和地球上所有生物群體的整體安全具有非常重要的作用。也有大量研究利用寡營養菌的特性誘導饑餓反應和對重金屬的敏感性來監測水環境的富營養化程度[40]。化學品能長期抑制水生生物的生長，改變水生生物的繁殖和遷移。因此，水環境中有毒化學物質的監測對人類和地球上所有生物群體的整體安全具有非常重要的作用。

4 研究展望

水環境監測的新趨勢迫切需要開發快速、低成本、常規的污染物檢測工具來保護水源安全。生物監測作為一種突發性水污染風險識別和預警方法[48]，是一種值得發展的方法。當然，這種方法也有一定的缺點：例如，因為生物監測只是根據某個物種的敏感指標發生變化，它的到來的不確定性很大，有時某些生物指標的變化幾乎沒有相關性。隨著水生生態系統性質和功能的變化[33]；指示生物的分布在地理空間上是不同的，在很大程度上受環境因素的影響；將包含物種信息的多個指標整合到一個單一的指標中可能會出現偏差熒光法溶解氧傳感器，而這些偏差是難以克服的。為了更好地利用生物監測手段，需要深入研究，真正為保護水環境健康提供科學參考。目前，新的污染物還在不斷涌現，合適的效應指標尚未確定，生物監測的對象大多是相當復雜的水生生態系統。生物監測難以確定適用于不同水生生態系統的統一評價標準，也難以比較物理和化學方法。該監測方法已得到大規模推廣應用[49]，但顯示出廣闊的發展前景。

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