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北极星环境监测网讯： 摘要：近年来，水环境污染引发的有害事件频发。 水环境监测是科学防治水污染的基础。 与传统的物理、化学监测技术相比，生物监测方法具有灵敏性、稳定性、多样性和长期性等优点，能够直接有效地反映水环境面临的生态风险。 总结了生物监测方法的重要性、优点及监测生物的主要类型。 基于大量国内外文献，总结了水环境生物监测的主要生物类型——微生物、浮游植物、浮游动物、后生动物、底栖动物、高等水生植物和鱼类监测方法的研究进展； 讨论了国内外生物监测方法的实践和应用，并对生物监测方法的未来发展进行了展望。
长期、高强度的污染排放造成了水环境中有毒化学物质污染、水体富营养化等一系列问题。 近年来，有毒有害物质引起的水中毒事件时有发生。 有毒有害污染物往往是多种污染物的混合物，它们之间的相互作用和潜在的生态毒理学效应非常复杂，这使得水环境监测和评价的技术要求越来越高。 目前，传统的物理、化学技术已无法完全满足监测需求。 生物监测是通过观察生物种群、数量、群落组成和结构、生物习性、生长繁殖乃至遗传特征的变化，从生物学角度监测和评价环境污染状况[1]。 生物监测可以显示所有化学物质的综合生态毒理学效应，与传统监测技术相结合，可以对水环境产生更好的监测效果。 我国1986年颁布的《环境监测技术规范生物监测（水环境部分）》规定了生物监测的基本任务。 后来，原国家环保总局于1993年组织编写了《水生生物监测手册》，但目前该手册的局限性逐渐显现，亟待更新[2]。 国外生物监测的发展比国内更加广泛和深入，但由于水生生态系统的差异性和复杂性，无法复制。 笔者对水环境生物监测方法的研究进展进行综述，以期为我国水环境和水污染防治领域生物监测技术的应用提供科学参考。
1 生物监测的重要性和优势
1.1 重要性
水环境理化监测主要通过确定污染物浓度和来源来反映水质状况。 但这些理化指标并不能反映水污染对水生生物的影响，也不能解释水污染与水生生物之间的协同或拮抗作用。 影响。 同一污染物在水体中往往以不同的化学形态存在，其迁移性、潜在毒性和生物利用度存在显着差异。 然而，在水环境监测中，对每一种污染物进行追踪在技术上和经济上都不可行。 。 通过生物监测，分析水环境中污染物的生物有效性，可以直接反映污染物的生物效应，从而反映其潜在风险。 此外，生物监测还可以作为物理评估和化学毒性分析的补充，解决复杂的水环境问题[3]。
1.2 优点
生物监测对于水环境具有重要的现实意义。 生物监测的优点是：1）灵敏度。 表明生物体对低浓度污染物较为敏感，有些生物体甚至对微量污染也能表现出相应的影响； 2）稳定性，表明生物体的生存环境是相对固定的。 与物理、化学监测方法相比，可以更方便地实现同一区域的连续监测； 3）多样性，水环境中生物种类较多，能体现对污染物的拮抗作用。 、协同等综合效应，同一物种的生物体对不同的污染物有不同的反应； 4）长期、生物监测结果可以反映污染状况的历史积累，对慢性毒性的作用更加明显。 因此，生物监测可以有效反映水环境状况，从而为采取科学的预防措施和管理方法提供科学依据。
2 主要监测生物类型
水环境质量评价不仅要参考理化参数，还要利用生物监测确定毒性效应，进行综合评价，明确水环境对人体健康的风险。 常用监测的生物种类： 1）微生物，如绿杆菌（）、放线菌（）、变形菌（）等； 2）浮游植物，如蓝藻（）、绿藻（）、硅藻（）等； 3）浮游动物，如石蚕（ ）、鸭嘴兽（ ）[4]、水蚤（ ）等； 4）多年生生物，如硅藻、轮虫（）、贝壳伞形幼虫（Umbo）等[5]； 5）底栖动物，如牡蛎（gigas tnunb）、贻贝（ ）、蛤（ ）、摇蚊幼虫（ ）等[5]； 6)高等水生植物，如海菖蒲( )、水龙( )等； 7）鱼类，如红鼻剪鱼、马头泥鳅、老虎鱼等[6]。 虽然我国大部分地区仍然采用物理、化学监测方法来监测水环境，但生物监测也有了一定的发展。 其中，较为成熟的生物监测方法有发光细菌、藻类、底栖动物等。 等待监控。 近年来，生物传感器、行为监测方法等新型生物监测技术也在进一步探索中[7]。
2.1 微生物
一定时间和空间内水体及其水环境中的微生物个体、种群和群落通过物质循环和能量流动构成了水体微生物生态。 目前，水环境中广泛应用的微生物监测主要包括绿藻门、放线菌门、变形菌门、拟杆菌门（+）、酸杆菌门（+）等的监测[8]。 监测指标是社区多样性。 、群落结构、群落均匀度、优势菌丰度等。其中，发光细菌，包括白光杆菌（ ）、费氏弧菌（ V ）和青海弧菌（ V ）等已被作为测定的主要指标。水环境中的有毒物质由于其独特的生理特性。
发光细菌广泛分布于水环境中，例如沉积物和鱼鳞。 细菌发光主要依靠生物发光酶系统，该系统中的荧光素酶是异二聚体蛋白。 当发光细菌接触有毒物质时，细菌荧光素酶会受到抑制，其光强度迅速降低。 化学物质对发光细菌的毒性可以通过测量暴露于测试样品的细菌的光强度并将其与对照进行比较来量化。 发光细菌不仅可以用于测量急性毒性（5~30 min），还可以根据细菌生长速率的变化来评估慢性毒性（12~24 h）[9]。 该方法可广泛应用于饮用水水质安全评价、供水系统毒性监测以及海洋沉积物综合毒性监测等[10]。 例如，费氏弧菌作为革兰氏阴性杆菌，可以与多种鱼类形成共生关系并独立生活。 只需要短时间的简单测试，即可推断出水环境的物理、化学、微生物的变化。 经统计分析，费氏弧菌的毒性反应与电导率、浊度呈负相关，与粪大肠菌群数、磷、铁、汞、砷浓度、硬度呈正相关[11]。 在微生物生物传感方面，常用的技术包括电流法、电位法、电导法、伏安法、荧光法、生物发光法和比色法等[12]。 此外，细菌还用于基于耗氧量（细菌呼吸计）、硝化作用和细菌生长（浊度或细胞密度）的生态毒理学研究[13]。
2.2 浮游植物
浮游植物是指漂浮在水中的微小植物，通常是浮游植物。 近年来，由于合成洗涤剂的大量使用，污水中的磷含量明显增加。 磷是藻类的营养物质。 一旦过量，会引起浮游植物代谢紊乱和功能障碍，导致细胞凋亡和组织坏死。 甚至中毒死亡。 浮游植物是监测水质的指示生物之一。 作为初级生产者，它在水生生态系统的能量流动、物质循环和信息传递中发挥着重要作用。 浮游植物一旦过度生长，就会增加水体中有机物浓度，降低溶解氧浓度，导致水质恶化，对水生生物极为不利。 由于不同的藻类对营养物质的需求和反应不同，因此可以通过检测藻类的丰度、种类和化学成分来判断水质的综合状况[14]。 当水环境受到污染时，藻类的细胞密度和光合作用强度都会发生相应的变化[1]。
藻类在水生生态系统中发挥着重要作用，对水环境的变化反应非常快[15]。 它们常用于急性和慢性毒性试验，常从酯酶抑制、ATP能量损失、生长抑制、运动抑制和叶绿素荧光等方面进行评价[16]。 绿藻门石莼（Ulva.）生长迅速，能承受各种生态条件和高污染，对重金属具有较高的生物富集能力，常被用作污染的哨兵。 石莼也是镉、铜、锰和铅的良好积累者[18]。 此外，藻类生物测定可用于评估有机污染物、油分散剂、废水、固体废物渗滤液等的毒性。苯并芘（BaP）是一种已知的致癌物质。 水中BaP的主要来源包括降水、储水罐和管道涂层的浸出、水上航行船舶的漏油、工业废水排放、生物合成等。 BaP 在小球藻脂质体中聚集后，可以使用荧光共聚焦显微镜和荧光寿命成像显微镜进行定位[17]。 藻类生物监测和评估方法包括聚氨酯泡沫块法（PFU）、生物测试方法、硅藻指数和藻类毒性计等[10]。
2.3 浮游动物
浮游动物是以浮游生活的异养动物，主要包括无脊椎动物和脊索动物的幼虫。 它们没有游泳能力，或者非常虚弱，随水流漂流。 它们是鱼类和贝类的重要食物来源。 浮游动物数量和类型丰富，分布范围极广。 富营养化和水质浑浊引起的水体缺氧会影响浮游动物的群落组成、空间分布和丰度[19]。 浮游动物的时空变化也受到捕食压力的影响，并且与鱼类生物量存在统计相关性[20]。
[21]研究表明，长期或高浓度接触亚硝酸盐可能会降低小龙虾等生物的存活率和适应性。 岸蟹是一种可靠的生物标志物，可用于河口或海洋模型的生态毒理学研究和环境质量评估。 因为它不仅对各种水污染物敏感，而且其生物反应与暴露浓度或剂量有关[22]。 [23]研究表明，刺胞动物可以吸收、摄入或接触海洋中的化学物质，构成监测环境质量的重要模型。 它们具有高度特异性的刺胞动物，通过细胞体积的变化可以监测水环境中的重金属等污染物。 塞伊等人。 [24]研究表明，桡足类水蚤的卵可以作为生物监测剂，评估缺氧条件下持久性污染物的毒性以及硫化物在降低金属生物毒性方面的作用。 。 此外，大型溞的死亡率和繁殖力等急性毒性测试指标已被用于检测饮用水和地表水中的无机砷和农药污染[10,25]。
2.4 生物体
持久性生物是在人工或天然基质表面积累的群落，主要由藻类、细菌、真菌和原生动物组成。 它们是水环境污染的预警标志。 与底栖动物一样，底栖生物也具有丰富的多样性和生物量。 常用的监测指标包括生物多样性指数、均匀度指数、藻类密度、总生物量等，其生物量常采用体积换算法计算[5]，其群落结构也可用于动态监测[26]。
人工基质法常用于监测生物体。 通过刮擦、剥离表面藻膜和基质上生长来收集样品，并在显微镜下计数以分析生物量[5]。 附生藻类中，蓝细菌（）和乳杆菌（）是反映氮磷营养过剩的指示藻类[27]。 一些受污染的水体中出现了耐污染物种，如多分生孢子密度过高，限制了其他生物的生长[26]。 其他研究表明，受三价铁、铜、锌等重金属污染的河流生态系统，附生植物生物量过于丰富，而底栖动物的种类和数量明显减少[28]。
2.5 底栖生物
底栖动物是指栖息于海洋底部或内陆水域的动物，是水生生态系统的重要组成部分。 底栖动物多为无脊椎动物，栖息地多固定在岩石、沙子等基质上，如牡蛎、虾、贻贝和河蚌等。 无脊椎动物可能会受到高浓度金属和营养物、细沉积物和流动特性的影响[29]。 在水生生态系统中，底栖无脊椎动物起着分解者的作用。 目前，利用底栖动物评价水质、监测水污染情况已得到广泛应用，并取得了一定效果。
越来越多的研究证实，底栖无脊椎动物在评估污染物对水环境的影响方面发挥着关键作用。 但选择合适的无脊椎动物、设计合适的实验和确定生物测定方法以及控制毒性测试中潜在的混杂因素对于获得科学有效的结果至关重要。 例如，爬行螺（ ）是水生生境的重要成员，对海洋和淡水生态系统具有重要的生态意义。 它们的激素系统与脊椎动物的激素系统基本相同，适合识别内分泌干扰。 事[30]。 超氧化物歧化酶（SOD）是生物体抵御环境污染物的生物标志物。 通过测定贻贝肝胰腺组织中的SOD和碳、氮同位素组成，可以监测水体中污染物特别是重金属污染的水平[31]。 国际上已建立了多种底栖动物指数，其中比较成熟的生物指数包括指示生物、多样性指数、优势度、物种丰度等[32]，另外还有生物指数（HBI）、底栖完整性指数（指数中的指数，B-IBI）、家庭级生物指数（指数，FBI）和生物污染指数（指数，BPI）等[33]。
2.6 高等水生植物
高等水生植物是指长期生活在水生环境中，能生长、蔓延、繁殖的植物，包括荷花、水葱等挺水植物，芡实、王莲等浮叶植物，芡实、王莲等浮水植物等。水葫芦和金鱼。 藻类、卷心菜和其他沉水植物。 高等水生植物一般生长在浅湖或水库沿岸。 它们可以为鱼类提供产卵场所，为水鸟、昆虫等提供食物来源和栖息地，此外还起到净化水质、维持生态平衡的作用。 发挥着重要作用。 但高等水生植物过度生长，会消耗大量养分，遮挡阳光、阻碍通风等，影响浮游生物的繁殖，也会不同程度地影响水体的温度和溶氧水平。
艾哈迈德等人。 [34]研究表明，在河口生态系统中，石菖蒲具有从沉积物中吸收重金属As、Cd、Cu、Hg和Pb的能力。 吸收量与沉积物中重金属浓度呈正相关，适合作为河口植物。 生物监测仪。 水龙是一种多年生浮叶植物，生长在浅水中。 由于亲脂性有机农药具有较高的生物富集能力，通过计算其生物浓缩因子（BCF）和生物沉积物富集因子（biota-，BSAF）可用于水环境的生物监测[35]。
2.7 鱼
水质恶化会引起鱼类疾病、畸形，甚至死亡。 长期影响会抑制鱼类的生长、繁殖和洄游。 某些污染物会刺激鱼类。 例如，当氯胺在水中降解时，会释放出游离氯，导致鱼类急性呼吸道疾病和鱼类血液酸碱紊乱[36]。 重金属可能转化为剧毒且持久的金属化合物并在鱼类中生物富集[21]。 此外，一些持久性污染物如滴滴涕、多氯联苯等也会在鱼类体内富集，造成持续积累危害。 重金属通过食物链积累到一定浓度，可能对其他动物和人类的健康构成潜在威胁。 鱼类对污染物能表现出明显的生理和行为反应。 因此，可以通过监测鱼类来检测水环境的变化[37]，并利用鱼类监测来评估水质。 通常可用于监测的鱼类有红鼻剪鱼、马头泥鳅、虎鱼、红绿灯鱼、斑马鱼、鲶鱼、鲑鱼、鲈鱼等[6,10]。
鱼类生物指标包括生理指标和行为指标。 其中，生理指标主要包括心率和血液pH值； 行为指标主要包括逃避行为（快速游泳、迂回频率）、运动行为（速度、高度、转身频率、摆动频率、社交）和呼吸行为（呼吸频率、呼吸深度）。 此外，刚孵化的幼鱼暴露于污染物后的急性死亡率也可用于水质评估[12]。 鱼类监测方法主要包括遥测系统、声学监测、通气活动测量、心电图和光纤体积描记法[21]。 近年来，基于视频跟踪的生物预警系统随着计算机技术的先进而取得了长足的进步，其对多种生物体的视频跟踪能力得到了很大的提高。 当前的行为监测系统产生大量可用于毒性监测的详细行为数据。 尽管视频跟踪尚未在环境科学中广泛采用，但它在行为分析中显示出了巨大的潜力[38]。
2.8 不同类型监测生物的特点
不同的水生生物种群代表食物链中的不同环节，对不同污染物具有不同的敏感性。 因此，根据不同的污染监测需求，选择性地选择监测的生物类型非常重要。 不同类型监测生物的优缺点及适用条件见表1。
3 生物监测方法的应用
目前，生物监测方法已在国内外独立水域的水环境监测中得到实践和应用。 [47]利用洋葱和鱼类的细胞毒性试验、微核试验、彗星试验等对巴西中西部的河流进行监测。 鱼类彗星试验中观察到的DNA损伤发生在Cu、Pb、Cd、Ni等重金属浓度较高的水环境中，遗传毒性测试的重要性体现在制定改善水质管理的计划中。 水生生物接触有毒剂量的污染物可能会通过食物链对人类和动物造成伤害。 水环境的变化会直接影响原生动物群落的结构，从而影响水体的质量。 因此，原生动物群落特征可用于水质监测和评价[39]。 也有大量研究利用寡营养细菌诱发饥饿反应和对重金属敏感的特性来监测水环境的富营养化程度[40]。 化学品能长期抑制水生生物的生长，改变水生生物的繁殖和洄游。 因此，水环境中有毒化学物质的监测对于人类和地球上所有生物群的整体安全起着非常重要的作用。
4 研究展望
水环境监测新趋势迫切需要开发快速、低成本、常规的污染物检测工具，保障水源安全。 作为突发性水污染风险识别和预警的方法[48]，生物监测是一种值得发展的方法。 当然，这种方法也存在一定的缺点：例如，由于生物监测只是基于某一物种敏感指标的变化，因此带来的不确定性比较大，有时某些生物指标的变化与变化的相关性很小。它们所在水生生态系统的特性和功能[33]； 指示生物的分布在地理空间上存在差异，并且在很大程度上受到环境因素的影响； 将包含物种信息的多个指标整合到单个指数中可能会产生偏差，并且这些偏差很难克服。 更好地利用生物监测手段，需要深入研究，真正为保障水环境健康提供科学参考。 目前，新的污染物仍在不断出现，相应的影响指标尚未确定。 而且，生物监测的对象大多是相当复杂的水生生态系统。 生物监测难以确定适合不同水生生态系统的统一评价标准，物理化学方法难以遵循。 监测方法已得到广泛推广和应用[49]，并显示出广阔的发展前景。