长江流域水生生物监测现状与展望

摘要: 水生生物可以直接反映水环境质量变化，水环境的恶化会对水生生物产生影响和危害。因此，生物监测技术是水环境监测的一种最直接且有效的手段。介绍了水环境生物监测技术的定义、理论、主要方法及其优越性。列举了长江流域水生生物监测应用的典型案例，并对生物监测技术存在的问题进行了分析，对其应用前景进行了展望。

关键词: 水生生物监测; 水环境评价; 生物监测技术; 长江流域

中图法分类号: X52文献标志码: A文章编号: 1001- 4179(2011) 02- 0079- 04

随着社会经济的迅速发展，大量工业废水和生活污水的直接排放，导致水体污染加剧，影响了水体生态功能，造成水质性的水资源短缺。另外，农药和重金属污染以及化学物质的生产、运输过程中的意外泄漏隐患，都对受污染水体内生物的生存造成威胁[1] 。

为了有效监测和评价水环境质量，目前世界各国普遍采用的监测和评价方法大致有两类。

(1) 理化分析方法。即采用各种仪器，通过定量或定性的分析，测定有害物质及浓度，对水质作出评价。这种方法具有严谨、准确的特点，其成果可作为水环境评价和水污染事件鉴定的依据。但是，理化分析方法有其固有的缺陷: 受仪器分析特点的限制，对污染物监测的连续性不够，难以对突发性的水体污染事故及时预警; 受现有检测仪器的敏感度限制，对低于一定浓度的有害物质无法测定; 不能反映水体中各种有毒物质的长期综合效应。

(2) 生物学方法。即利用水生生物对水环境质量进行监测(Biological Monitoring 或Biomon itoring)。该方法不仅可以用来测定和评价单一化学物质对水生生物的影响，而且还能直接用来测定工业废水的毒性和几种化学物质混合后的综合毒性，并为研究化学物质的致毒机理积累资料。由于生物监测技术具有反应灵敏、成本低、直观、综合分析代表性强等优点，其实际应用一直方兴未艾,早在欧洲工业革命时期，欧、美等发达国家的生物学家就已经把水生生物引入到水环境污染的研究中，并进一步开展了水环境污染的生物监测研究。1902 年,K olkwitz和Marsson就对水中的微生物进行了分类，并首次提出指示河流有机污染的污水生物体系，即不同的“指示生物”对应不同污染带，其中就包括了浮游藻类，使生物监测实现模型化。之后，有关这方面的研究国内外均有报道[2] 。20 世纪30 年代，污染所带来的环境问题日益凸显出来，同时人类对于水环境质量的要求也在提高。到60 年代，由于工、农业生产的迅速发展使得水环境污染更加严重，并发生了多起的重大水污染事件，迫使人们更加注重研究水污染的生物监测技术。到80年代，荷兰水资源管理和废水处理机构将水生生物监测技术作为化学试验分析技术的辅助手段，应用于对莱茵河(Rhine) 及马士河(Meuse) 突发性水污染事故监测、预警及流域综合治理效果评价，获得了显著效果。此后几十年间，水生生物监测技术越来越受到国内外环保工作者的重视，成为评价化学污染的一种重要手段，生物监测技术得到迅猛发展。

1水生生物监测的概念及特点

1. 1概念

生物监测是基于生物学原理，利用指示生物对环境污染所产生的反应，从而对环境污染状况进行综合监测和评价的一种技术[3] 。生物监测主要是通过测量活体生物在外界胁迫下所表现出的反映灵敏度而实现的。生物在外界胁迫下出现的变化包括细胞的生理、生化、生长和健康状况的变化，个体及系统的生长、发育与繁殖的改变，种群数量、群落及生态系统的发展、进化的改变等形式。

生物监测技术是环境生物学(Environmental Biology)研究中的一个分支，也是水环境监测技术的重要组成部分，主要研究水生生物在受环境胁迫下的变化及其与水环境之间相互作用机理。

1. 2特点

应用水生生物监测方法，可以检测出生态系统发生的微弱变化或已经产生影响而暂时没有显示出不良效应的信息。通过测定水体中生物体的综合反应，可以判断水生态系统受影响的程度。比如利用底栖动物及浮游生物种群、个体数量和形态学的改变来反映水体污染程度，利用活体生物的急性毒性实验来检测污染物浓度，利用活体生物的慢性毒性实验来反映致畸、致癌、致突变物质的毒性效应等。而应用传统的理化监测方法，则须对水体的所有化学元素逐一检测，对于监测污染源复杂的水体，尤为不适用。因此，在环境质量监测上，生物监测是一个理想的监测技术。相对于理化监测，生物监测还具有以下特点:

(1) 可以反映长期的污染效应。理化监测只能代表取样期间的污染情况，而在一定区域内生活的生物,却可以将长期的污染效应反映出来。

(2) 效果更加直观可靠。某些监测生物对一些污染物非常敏感，它们能够对精密仪器都无法检测的微量污染物产生反应，并表现出相应的受损伤现象。

(3) 富集污染物，起到“生物放大”作用。生物处于生态系统中，通过食物链可以把环境中微量有毒物质予以富集，当到达该食物链末梢时，可将污染物浓度放大到数万倍。

(4) 监测功能更加多样化。与理化监测相比，生物监测更具多功能性，因为一种生物可以对多种污染物产生反应而表现出不同症状[4]。

(5) 便于综合评价。理化监测只能检测特定条件下水环境中污染的类别和含量等，而生物监测可以反映出多种污染物在自然条件下对生物的综合影响，从而可以更加客观、全面地评价水环境。

2水生生物监测方法

利用水生生物来监测水环境质量状况的方法较多，如指示生物法、群落结构法、生物毒性实验、残毒测定法、细菌学检验法、发光细菌毒性检测法等。

(1) 指示生物法。指示生物是指在一定的水环境中生活，当水环境质量发生变化时便敏感地呈现出受害症状甚至消亡的生物。观察和测定指示生物个体和种群的变化，可以比较准确地判断出环境质量状况。珠江流域水环境监测中心在珠江三角洲水质生物监测方法研究中，明确提出该水域可指示水质的10种底栖动物[5]，尝试了用指示生物结合《地表水环境质量标准》的5个水质类别判定各水域的水环境质量，同时选用50种藻类，根据藻类出现的种类及密度和相应的水质类别，找出相关关系，推断水域的水质。

(2) 群落结构法。群落结构指存在于自然界一定范围(或地域)内互相依存的一定种类的动物、植物和微生物的组成。根据水生生物的种类和数量等群落特征可以判断水体的污染情况，科学工作者在这方面积累了大量的资料。马正学等依据藻类群落的生态特征[6]，利用生态学的多种方法和藻类的各项指标对黄河兰州段的水质进行了分析和评价; 王旭和朱根海等根据南麂列岛附近潮间带的底栖藻类生态监测结果[7]，探讨了该区域藻类的生态种群、密度、形状与环境质量的关系，实现了对该地区的监测目的。隋战鹰根据浮游藻类种群特征评价了珠江水域广州段水质[8] 。

(3) 生物毒性实验。水生生物毒性实验材料包括鱼类、藻类等，其中以鱼类的实验应用较广泛。鱼类对水环境的变化反应十分灵敏，当水体污染物达到一定浓度或强度时，就会引起一系列中毒反应。鱼类毒性实验主要目的是寻找某种毒物或工业废水对鱼类的半致死浓度或安全浓度，为制定水质标准和废水排放标准提供科学依据，同时评价水体的污染程度，监测水处理效果和水质达标情况等。

(4) 残毒测定法。生物从环境中吸收各种污染物质，经过体内迁移、转化和再分配，以残毒形式蓄积在生物体内。生物体内的残毒含量往往比周围环境中的相应含量高好多倍。测定生物体内的残毒含量，可判断水体受污染状况。

(5) 细菌学检验法。细菌能在各种不同自然环境中生长。地表水、地下水，甚至雨水和雪水都含有多种细菌。当水体受到人畜粪便、生活污水或某些工农业废水污染时，细菌大量增加。因此水体的细菌学检验,特别是肠道细菌检验，在卫生学上具有重要意义。

(6) 发光细菌毒性检测法。发光细菌实验是环境样品毒性检测的生物测试技术，并已被列入德国国家标准(DN 38412) 和国际标准(ISO11348)。毒性是一项综合的生物学参数，它可衡量样品对活体生物所产生的影响，不能以化学分析方法进行测定，而其他生物测试方法，如鱼类实验、浮游动物实验、藻类实验等则较为复杂，且必须使用高等生物进行实验，从而引起众多的争议。发光细菌测试使用了具有发光特性的天然微生物，而毒性物质则将抑制发光，且毒性越强，光抑制越明显，发光细菌本身没有危害性，这一方法经研究被证实具有快速、简便的特点，同时有很好的灵敏度和可靠性。

3长江流域水生生物监测应用的典型案例

20世纪80年代，长江流域就开展了水生生物监测及相关的研究工作，较为系统地进行了底栖动物监测浮游动、植物监测等方法研究，在实施生物监测的同时，与常规的化学方法监测同步进行。对长江流域的采样方法、样品保存、样品的定性、定量分析以及所采用的不同水质评定方法都进行了研究比较，形成了一套适合长江流域的生物监测方法和水质评价方法。

近20 a来，有关部门结合部分常规水质监测和环境影响评价的现状监测，在三峡库区、丹江口水库等水域实施与水质监测同步的生物监测和鱼类调查，利用生物群落结构、生物多样性指数和水质指示生物的特性，总结出适合长江流域的生物监测方法，评价水质污染程度; 此外，还积极与美国、加拿大、意大利等欧美发达国家的科研院所开展交流与合作，借鉴国外成熟的生物监测评价体系，研究适应长江流域的生物监测方法。

2003年，长江流域水环境监测中心首次在三峡库区香溪河、大宁河等支流库湾发现“水华”现象，并以此为基础，相继开展了三峡库区支流富营养化状况普查、三峡水库蓄水前库区浮游植物状况研究等一系列生物监测与研究工作，在提供科学决策和三峡水环境保护方面发挥了至关重要的作用。

2007年，由长江流域水资源保护局和意大利都灵大学公共健康与微生物学系、英国可持续发展协会共同执行的“武汉水环境综合生物监测项目”在武汉启动。在这次实验过程中，选用了国外运用较多的可延展生物指标评价体系，对大型蚤、水芹、大肠菌群、肠球菌等生物进行测试，来判断长江、汉江武汉段的水环境质量。但在实验中发现，由于欧洲水系和中国水系底层环境不同，欧洲水系底层以淤泥为主，而汉江和长江水底以沙石为主，生物生存条件比淤泥要差很多，存活的数量和种类也自然有很大的差异，所以用国外的评价体系无法准确判定长江和汉江水质的好坏。然而,通过合作，有利于全面了解国外生物监测的思路和方法，为进一步深入研究提供了科学的框架和模式。

在2008年汶川特大地震、2010年玉树大地震及江西特大洪水等突发性事件应急监测中[9- 10]，生物综合毒性测试发挥了重要的作用。该项技术对由于事故或蓄意破坏造成的污染，在5~ 30 m in内，通过对发光强度的测定，可实现对化学毒性物质的快速、准确监测。

4长江流域水生生物监测展望

4. 1存在的问题

与理化监测相比，生物监测具有综合性、长期性和灵敏性等特点，能综合反应水环境质量状况，但是，生物监测方法也存在不足之处:

(1) 生物物种分布广泛，同种生物在不同地域的同类生态系统中对污染物的耐受性是不一样的，且在不同的生长阶段对污染物的反应也不一样[11]。这些特点决定了在设计生物监测方案时不仅要考虑被监测水体的特征，还要根据生态系统中各种类的变异性来选择合理的测试对象，同时要考虑增加测试的样本数量，以提高监测结果可信度[12]。

(2) 缺乏统一的标准。生物监测能客观地反映污染对生态系统的综合影响，但由于方法本身和技术的限制，对于如何选择受试生物及其代表性、生物测试的理化条件、测试参数等问题一直存在着争议。生物监测方法至今没有统一的地方性或国家级环境标准，限制了生物监测作为环境监测的标准方法而推广应用,而只能作为一种先导性的监测方法[13]。

(3) 水生生物监测研究的实验环境与天然的水体环境存在一定的差异。关于水体污染和生物监测实验大多是在人工控制的室内环境下进行的模拟实验，与野外复杂的水生态环境差别较大，很多在室内监测研究的成果不能推广应用到天然水环境中，因此，应将室内研究与野外实地调查研究有机结合起来。

(4) 生物学效应是一个长期累积的过程，部分研究的测试周期较长。如一些低浓度的污染物对水生生物在短期内的生物学效应不明显，但却对水生生态系统有潜在、长期的危害，最终也能导致种群结构、特性、物种个体的生理、遗传等方面发生变化。因此，低浓度毒性物质的慢性毒性实验及其对水生生物潜在的、长期的影响值得进一步研究。

(5) 缺乏准确的生物监测质量控制手段。由于受到实验条件、技术分析方法等制约，水生生物监测在精确定量方面存在不足，难以对水生生物的各种生理、生化变化进行定量分析。因此，生物监测方法应该与理化检测方法相结合，这样不仅能够对污染物的性质和浓度进行检测，而且能够对污染物引起的生物学综合效应做出合理评价。

4. 2监测工作展望

水生生物监测能够弥补理化分析在实时性和综合性方面较差的缺陷，产生巨大的社会和经济效益。为了更好地应用水生生物监测技术，应加强以下几个方面的实验研究:

(1) 采用适合长江流域推广的成熟方法。将生态学理论与环境监测技术密切结合，筛选出适合本地水域的指示生物和群落生物学指标，建立生态监测指标体系，使水生态监测手段更加完善。

(2) 加强水生生物监测的质量控制技术研究。在开展水环境综合评价工作方面，有必要提高和完善现有的监测手段，开展水生物监测技术的应用研究，不断完善和提高现有的水环境监测手段。

(3) 加强在线生物监测技术研究。

(4) 完善仪器设施与人才队伍建设。

完善上述几个方面的实验研究，可使水生生物监测技术得到广泛应用，将对长江流域水资源保护乃至全国的水资源管理起到极大的推动作用。

参考文献:

[1] 肖锦. 城市污水处理及回收技术[M]. 北京: 化学工业出版社,2002，12 - 30.

[2] 日本生态学会环境问题专门委员会. 环境指示生物(水域分册)[M ]. 北京: 中国环境科学出版社，1987.

[3]孔繁翔，尹大强，严国安，等. 环境生物学[M ]. 北京: 高等教育出版社，2000.

[4]沈惠麒，顾祖维，吴宜群. 生物监测理论基础及应用[M]. 北京: 北京医科大学、中国协和医科大学联合出版社，1996: 338 - 346.

[5] 珠江流域水环境监测中心. 珠江三角洲水质生物监测方法研究[R ]. 广州: 珠江流域水环境监测中心，1988

[6]马正学，宋玉珍，杨茂盛. 黄河兰州段的藻类群落用于水质评价的研究[J] . 甘肃科学学报，1996，8(1 ) : 79- 82.

[7] 王旭，朱根海. 南麂列岛潮间带底栖藻类与环境的关系探讨[J ].环境污染与防治，1998，(1) : 36- 38.

[8] 隋战鹰. 用浮游藻类种群法评价珠江水域广州段水质[J] . 环境科学动态，2005，(3 ): 36- 38.

[9]杨旭光，郭文思. 发光细菌综合毒性检测技术在国内的首次应用[J] . 人民长江，2008，39(22 ): 40- 43.

[10]臧小平. 地震灾区水质应急监测工程思考[J ]. 人民长江，2010,41(11 ) : 9- 11.

[11]张土乔，吴小刚，应向华. 水质生物监测体系建设的若干问题探讨[J] . 水资源保护，2004 (1) : 136- 138.

[12]J·凯恩斯. 水污染的生物监测[M]. 曹凤中，译. 北京: 中国环境科学出版社，1989.

[13]张增光. 水生生物在水质监测中的应用[J ]. 科技情报开发与经济，2004，14 (7) : 150 - 151.

作者简介: 陈水松，男，工程师，主要从事水环境生态监测工作。