浅谈水质生物毒性自动监测研究进展

司传海，冯端，丁聪，张永涛＊

（1.中国环境保护产业协会，北京 100045；2.北京市计量检测科学研究院，北京 100029）

2015 年7 月，国务院办公厅印发《生态环境监测网络建设方案》，提出在重点领域开展生物毒性监测。2016 年11 月，国务院印发《“十三五”生态环境保护规划》，提出开展废水综合毒性评估，开展饮用水水源地生物毒性监测预警。2020 年1 月，生态环境部印发《应对新型冠状病毒感染肺炎疫情应急监测方案》，要求在饮用水水源地常规监测的基础上增加生物毒性指标监测。

在相关政策的推动下，我国水质生物毒性监测工作稳步推进，相关设备在水体突发性污染事故的监测预警方面逐步得到应用，但也存在一些问题。本文梳理了水质生物毒性监测的主要方法、相关标准，以及自动监测设备的研发和应用进展，分析了相关设备在研发和应用推广中存在的问题，并提出了相关建议。

1 水质生物毒性监测技术

生物毒性监测技术可分为发光细菌法、藻类法、溞类法、鱼类行为法及微生物燃料电池法[1]。

1.1 发光细菌法

发光细菌是一类在正常的生理条件下能够发出可见荧光的细菌[2]，发出荧光的强度与其代谢活性相关，而水中污染物会影响其代谢活性。发光细菌法的基本原理是通过测定发光细菌发出荧光强度的变化来评价水质毒性大小[3]。常见的发光细菌有费氏弧菌、明亮发光杆菌及青海弧菌等[1]。

用发光细菌法测定水质生物毒性，具有简单、快速、准确、成本低、应用范围广的优点[2]。

1.2 藻类法

藻类是一类比较原始、古老的低等生物，构造简单，没有根、茎、叶的分化，多为单细胞、群体或多细胞的叶状体。当水体中污染物达到一定浓度时，会对藻类的光合作用、呼吸作用、酶活性和生长等产生影响。藻类法的基本原理是通过测定藻类的生长抑制和光合作用效率来评价生物毒性大小[4]。利用藻类进行生物毒性监测，具有结果准确、可靠的优点，但也存在工作量大、测定周期较长的缺点[2]。

1.3 溞类法

水溞是一种小型的甲壳动物，属于节肢动物门甲壳纲枝角目。当水体受到污染时，溞类的生长、生殖和发育会受到影响。通过观察溞类的生长、生殖和发育的变化，可用来评价水质毒性的大小[4]。

水溞培养简便、繁殖较快且对许多有毒物质敏感，利用溞类进行生物毒性监测，具有应用范围广、直观易观察的优点，缺点是灵敏度低、周期较长[2,4]。

1.4 鱼类行为法

鱼类对水环境的变化比较敏感，水质的变化会导致其行为改变[4]。通过大量实验，建立鱼类行为与水质毒性的效应关系，即可通过监测鱼类行为的变化来评价水质生物毒性。

鱼类行为法存在灵敏度较低、响应速度慢的缺点[1]，但是鱼类与人类对水质有毒物质的反应更为接近，因此更能反映水质变化对人体的危害。

1.5 微生物燃料电池法

在自然环境中，存在一类特别的微生物——电化学活性微生物，它们具有独特的胞外电子传递过程，可以在厌氧呼吸时产生电流，直接将有机物中的化学能转化为电能。试验表明，产生电流的强度与有毒物质的浓度呈线性负相关关系。微生物燃料电池法的基本原理即是利用该相关关系，通过测定电流强度，评估水质生物毒性。

微生物燃料电池法具有响应速度快、操作简便、可实现连续自动监测的优点[5,6]，缺点是受试生物的组分模糊，毒性的一致性差，而且受试生物受冲击后，重建过程慢[1]。

2 相关标准情况

生物毒性监测标准分为检测方法标准和产品标准。其中，检测方法标准开展较早，目前已经较为成熟，除了生物燃料电池法外，其他方法都有对应的检测方法标准（见下表）。

相关产品标准的制定工作开展较晚，也不成熟，目前尚无国家标准。行业标准方面，2017 年，住房和城乡建设部发布《城镇供水水质在线监测技术标准》（CJJ/T 271—2017），自2018 年6 月1 日起实施，对生物毒性在线监测仪、鱼类行为法生物综合毒性在线监测仪作出了技术要求；2020 年12 月30 日，中国质量检验协会发布《城镇给水综合毒性在线监测设备通用技术规则》（T/CAQI 146—2020），自2021 年3 月30 日起实施，对发光细菌法、鱼类行为法、微生物燃料电池法的生物毒性监测设备作出了要求。地方标准方面，仅对发光细菌法和生物燃料电池法的生物毒性监测设备制定了对应的地方标准，分别为2016 年广东省发布的《生物毒性水质自动在线监测仪技术要求 发光细菌法》（DB44/T 1946—2016）和2018 年黑龙江省发布的《水质综合毒性在线监测技术要求 微生物燃料电池法》（DB 23/T 2111—2018）。

各类生物毒性监测的标准

3 自动监测设备研发和应用情况

德国从20 世纪90 年代起就开始应用生物毒性自动监测设备监测河流水质。我国生物毒性自动监测起步较晚，但也已经在水体突发性污染事故的自动监测预警中得到应用[7]。

指示生物为发光细菌的自动监测设备占市场的70%左右。常应用于水库、饮用水水源地等环境水的监测。指示生物为鱼类的自动监测设备也得到一定的应用，主要为湖泊、河流等水域的监测。

微生物燃料电池的监测设备成本低、操作简单，在水质生物毒性监测方面有着广泛的应用前景。但是该类设备目前还处于示范阶段。藻类生物毒性在线监测设备和溞类生物毒性在线监测设备在我国应用较少，鲜见相关报道。

4 存在问题

4.1 市场认可度不高

虽然我国重视生物毒性监测工作，并在《生态环境监测网络建设方案》《“十三五”生态环境保护规划》《“十四五”生态环境监测规划》等文件中明确提出开展生物毒性监测。但是，由于该指标不是环境监测考核指标，因此市场认可度并不高，这给此类产品在我国的推广、应用带来一定的困难和挑战。

4.2 缺少成熟的产品标准

目前，生物毒性在线监测设备还没有国家层面的产品标准，也没有在环境监测领域得到普遍认可的行业标准，造成生物综合毒性监测仪器市场、无序竞争现象严重，亟须在行业内制定统一的标准，规范行业行为。

5 建议

（1）将生物毒性指标在饮用水水源地的监测常态化、法规化，大力推动生物毒性在线监测设备的应用，提高我国生物毒性监测预警水平。

（2）广泛开展生物毒性监测设备性能指标的测试和评价，并优先为应用广泛、性能指标明确、数据支撑充分的水质生物毒性在线监测设备制定权威、科学、统一的标准，以标准创新引领行业高质量发展。