(一)污水生物系统法

污水生物系统是德国学者于20世纪初提出的，其原理基于：将受有机物污染的河流按照污染程度和自净过程，自上游向下游划分为四个相互连续的河段，即多污带段、a-中污带段、β-中污带段和寡污带段，它们都有各自的物理、化学和生物学特征。后来经过一些学者的研究和补充，津田等于1964年编制出表6-2所示的污水生物系统生物学和化学特征。根据所监测水体中生物种类的存在与否，划分污水生物系统，确定水体的污染程度。

表6-2污水生物系统生物学和化学特征

(二)生物群落监测方法

未受污染的环境水体中生活着多种多样的水生生物，这是长期自然发展的结果，也是生态系统保持相对平衡的标志。当水体受到污染后，水生生物的群落结构和生物个体数量就会发生变化，使自然生态平衡系统被破坏，最终结果是敏感生物消亡，抗性生物旺盛生长，群落结构单一，这是生物群落监测法的理论依据。此法是建立在指示生物的基础上的。

1．水污染指示生物法

水污染指示生物是指能对水体中污染物产生各种定性、定量反应的生物，如浮游生物、着生生物、底栖动物、鱼类和微生物等，它们对水环境的变化特别是化学污染反应敏感或有较高的耐受性。水污染指示生物法就是通过观察水体中的指示生物的种类和数量变化来判断水体污染程度的。

浮游生物是指悬浮在水体中的生物，可分为浮游动物和浮游植物两大类，它们多数个体小，游泳能力弱或完全没有游泳能力，过着“随波逐流”的生活。在淡水中，浮游动物主要由原生动物、轮虫、枝角类和挠足类组成。浮游植物主要是藻类，它们以单细胞、群体或丝状体的形式出现。浮游生物是水生食物链的基础，在水生生态系统中占有重要地位，其中多种对环境变化反应很敏感，可作为水污染的指示生物，所以，在水污染调查中，常被列为主要研究对象之一。

着生生物(即周丛生物)是指附着在长期浸没于水中的各种基质(植物、动物、石块、人工物品)表面上的有机体群落。它包括许多生物类别，如细菌、真菌、藻类、原生动物、轮虫、甲壳动物、线虫、寡毛虫类、软体动物、昆虫幼虫，甚至鱼卵和幼鱼等。近年来，着生生物的研究日益受到重视，其中主要原因是其可以指示水体的污染程度，对河流水质评价效果尤佳。

底栖动物是栖息在水体底部淤泥中、石块或砾石表面及间隙中，以及附着在水生植物之间的肉眼可见的水生无脊椎动物，其体长超过2 mm，亦称底栖大型无脊椎动物。它们广泛分布在江、河、湖、水库、海洋和其他各种小水体中，包括水生昆虫、大型甲壳类、软体动物、环节动物、圆形动物、扁形动物等许多动物门类。底栖动物的移动能力差，故在正常环境下、比较稳定的水体中种类比较多，每个种类的个体数量适当，群落结构稳定。当水体受到污染后，其群落结构便发生变化。严重的有机污染和毒物的存在，会使多数较为敏感的种类和不适应缺氧环境的种类逐渐消失，而仅保留耐污染种类，成为优势种类。应用底栖动物对污染水体进行监测和评价，已被各国广泛应用。

在水生食物链中，鱼类代表着最高营养水平。凡能改变浮游动物和大型无脊椎动物生态平衡的水质因素，也能改变鱼类种群，同时，由于鱼类和无脊椎动物的生理特点不同，某些污染物对低等生物可能没有明显作用，但鱼类却可能受到影响。因此，鱼类的状况能够全面反映水体的总体质量。进行鱼类生物调查对评价水质具有重要意义。例如：胭脂鱼是上海土著鱼，对水中的溶解氧和重金属的敏感度较高，水质可影响它的生理指标、生长指标和死亡率。将其投放到苏州河中，通过对其体征状态的监测，可以起到监测水质的作用。又如，德国在莱茵河治理过程中，治理目标是“让大麻哈鱼重返莱茵河”，故将大麻哈鱼作为指示生物，检验河流生态恢复的效果。

在清洁的河流、湖泊、池塘中，有机质含量少，微生物也很少，但受到有机物污染后，微生物数量大量增加，所以水体中含微生物的多少可以反映水体被有机物污染的程度。

当水体污染严重时，选择能在溶解氧较低的环境中生活的颤蚓类、细长摇蚊幼虫、纤毛虫、绿色裸藻等作指示生物，其中颤蚓类是有机物严重污染水体的优势种，数量越多，水体污染越严重。如美国在伊利湖污染的调查中，利用湖中颤蚓数量作为评价指标，根据单位面积的水体中颤蚓数量将受污染水域分为无污染、轻度污染、中度污染和重度污染。监测数据见表6-3。

表6-3美国伊利湖污染调查监测数据(以颤蚓数量作为评价指标)

水体中度污染的指示生物有瓶螺、轮虫、被甲栅藻、环绿藻、脆弱刚毛藻等，它们对低溶解氧有较好的耐受能力，常在中度有机物污染的水体中大量出现。

清洁水体指示生物有蚊石蚕、蜻蜓幼虫、田螺、浮游甲壳动物、簇生枝竹藻等，只能在溶解氧很高、未受污染的水体中大量繁殖。

2．生物指数监测法

生物指数是指运用数学公式计算出的反映生物种群或群落结构变化、用以评价环境质量的数值。常用的生物指数有如下几种：

(1)贝克生物指数。

贝克(Beck)于1955年首先提出一个简易的计算生物指数的方法，并依据该指数的大小来评价水体污染程度。他把从采样点采到的底栖大型无脊椎动物分为两类，即不耐有机物污染的敏感种和耐有机物污染的耐污种，按下式计算生物指数：

生物指数(BI)=2A + B

式中：A、B敏感种数和耐污种数。

当BI>10时，为清洁水域；BI为1～6时，为中等污染水域；BI=0时，为严重污染水域。

(2)贝克-津田生物指数。

1974年，津田松苗在对贝克生物指数进行多次修改的基础上，提出不限于在采样点采集，而是在拟评价或监测的河段把各种底栖大型无脊椎动物尽量采到，再用贝克生物指数公式计算，所得数值与水质的关系为：BI≥20，为清洁水区；10<BI<20，为轻度污染水区；;6 <BI≤10，为中等污染水区;0 < BI≤6，为严重污染水区。

(3)生物种类多样性指数。

马格利夫(M argalef)、沙农(Shannon)、威尔姆(Willam)等根据群落中生物多样性的特征，经对水生指示生物群落、种群的调查和研究，提出用生物种类多样性指数评价水质。该指数的特点是能定量反映群落中生物的种类、数量及种类组成比例变化信息。

①Margalef多样性指数计算式为：

式中：d—生物种类多样性指数；

N—各类生物的总个数；

S—生物种类数。

d值越低污染越重，d值越高水质越好。其缺点是只考虑种类数与个体数的关系，没有考虑个体在种类间的分配情况，容易掩盖不同群落种类和个体的差异。

② Shannon-Willam根据对底栖大型无脊椎动物的调查结果，提出用底栖大型无脊椎动物种类多样性指数(Shannon多样性指数)来评价水质。其计算式为：

式中：—底栖大型无脊椎动物种类多样性指数；

N—单位面积样品中收集到的各类底栖大型无脊椎动物的总个数；

n_i—单位面积样品中收集到的第i种底栖大型无脊椎动物的个数；

S—单位面积样品中收集到的底栖大型无脊椎动物种类数。

上式表明动物种类越多，值越大，水质越好；反之，动物种类越少，值越小，水体污染越严重。Willam对美国十几条河流进行了调查，总结出值与水样污染程度的关系如下：

<1.0，严重污染；为1.0～3.0，中等污染；>3.0，清洁。

采用底栖大型无脊椎动物种类多样性指数()来评价水域被有机物污染状况是比较好的方法，但由于影响()变化的因素是多方面的，如生物的生理特性、水中营养盐的变化等，故将其与各种生物数量的相对均匀程度及化学指标相结合，才能获得更可靠的评价结果。

(4)硅藻生物指数。

用作计算生物指数的生物除底栖大型无脊椎动物外，也有用浮游藻类的，如硅藻生物指数：

式中：A—不耐污染藻类的种类数；

B—广谱性藻类的种类数；

C—仅在污染水域才出现的藻类的种类数。

万佳等1991年提出，硅藻生物指数0～50为多污带；50～100为a-中污带；100～150为β-中污带；150～200为寡污带。

3. PFU微型生物群落监测法(简称PFU法)

(1)方法原理。

微型生物是指水生生态系统中在显微镜下才能看到的微小生物，包括细菌、真菌、藻类、原生动物和微型后生动物等。它们彼此间有复杂的相互作用，在一定的生境中构成特定的群落，其群落结构特征与高等生物群落相似。当水环境受到污染后，群落的平衡被破坏，种类数减少，多样性指数下降，随之结构、功能参数发生变化。

PFU法是美国Cairns博士1969年创立的。我国于1991年颁布(GB/T 12990-91)。该方法是以聚氨酯泡沫塑料块(PFU)作为人工基质沉入水体中，经一定时间后，水休中大部分微型生物种类均可群集到PFU内，达到种类数的平衡，通过观察和测定该群落结构与功能的各种参数来评价水质状况。还可以用毒性试验方法预报废(污)水或有害物质对受纳水体中微型生物群落的毒害强度，为制定安全浓度和最高允许浓度提出群落级水平的基准。

(2)测定要点。

监测江、河、湖、塘等水体中微型生物群落时，将用细绳沿腰捆紧并有重物垂吊的PFU悬挂于水中采样，根据水环境条件确定采样时间，一般在静水中采样约需4周，在流水中采样约需2周；采样结束后，带回实验室，把PFU中的水全部挤于烧杯内，用显微镜进行微型生物群落观察和活体计数。国家推荐标准(GB/T 12990-91)中规定镜检原生动物，要求看到85％的种类；若要求测定种类多样性指数，需取水样于计数框内进行活体计数观察。

进行毒性试验时，可采用静态式，也可采用动态式。静态毒性试验是在盛有不同毒物[或废(污)水]浓度的试验盘中分别挂放空白PFU和种源PFU，后者在盘中央(每盘放一块)，前者(每盘放八块)在后者的周围，并均与其等距；将试
验盘置于玻璃培养柜内，在白天开灯、天黑关灯的环境中试验，于第1、3、7、11、15天取样镜检。种源PFU是在无污染水体中已放数天，群集了许多微型生物种类的PFU，它群集的微型生物群落已接近平衡期，但未成熟。动态毒性试验是用恒流稀释装置配制不同废(污)水(或毒物)浓度的试验溶液，分别连续滴流到各挂放空白PFU和种源PFU的试验槽中，在第0.5、1、3、7、11、15天取样镜检。

(3)结果表示。

微型生物群落观察和测定结果可用表6-4所列结构参数和功能参数表示。表中分类学参数是通过种类鉴定获得的，非分类学参数是用仪器或化学分析法测定后计算出的。群集过程三个参数的含义是：Seq为群落达平衡时的种类数；G为微型生物群集速率常数；T_90％为达到90%S_eq所需时间。利用这些参数即可评价污染状况。例如：清洁水体的异养性指数在40以下；污染指数与群落达平衡时的种类数Seq成负相关，与群集速率常数G成正相关等。还可通过试验获得S_eq与毒物浓度之间的相关公式，并据此获得有效浓度(EC₅、EC₂₀、EC₅₀)和预测毒物最大允许浓度(MATC)。

表6-4微型生物群落观察和测定结果