赵志伟*，王
菲，张诗雨，李
莉，梁志杰，刘国臣，李秀麟
（重庆大学
环境与生态学院，重庆400716）
摘要：水是保障世界和平和安全的重要因素，水质安全问题频发引起人们的广泛关注。有毒有害化学物质的生产和使用
是水体新兴污染物的主要来源。战争、恐怖活动和国际冲突也可能造成大范围水污染和卫生设施的严重破坏，进而造成比战争本身更大的灾难。落后的水质安全不能满足人民期待拥有更加绿可持续的水生态环境和更加安全健康的饮用水的需求。如今国内外广泛使用的水质安全监测预警技术主要包括生物监测和理化监测，本文就水质安全监测预警技术的发展进行综述介绍，为水质安全精准监测和预警提供辩证借鉴。
关键词：饮用水；水质安全；在线监测；生物预警；物理化学预警中图分类号：X832
文献标志码：A
文章编号：2096-2347（2023）01-0001-10
收稿日期：2022-09-21
基金项目：军队后勤开放研究项目（BY117J019）。
作者简介：赵志伟，博士，博士生导师，主要从事水处理研究。E-mail:***************
引用格式：赵志伟，王菲，张诗雨，等.饮用水水源水质安全监测预警技术发展综述[J].三峡生态环境监测，2023，8（1）：1-10.
Citation format:ZHAO Z W,WANG F,ZHANG S Y,et al.Review on the development of water quality safety monitoring and early warning tech⁃nology[J].Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges ，2023，8（1）：1-10.
DOI ：10.19478/jki.2096-2347.2023.01.01
Review on the Development of Water Quality Safety Monitoring and
Early Warning Technology
ZHAO Zhiwei *,WANG Fei,ZHANG Shiyu,LI Li,LIANG Zhijie,LIU Guochen,LI Xiulin
(College of Environment and Ecology,Chongqing University,Chongqing 400716,China)
Abstract:Water is an important factor to ensure world peace and security.The frequent occurrence of water quality safety problems has aroused widespread concern.The production and use of toxic and harmful chemicals are the main sources of emerging pollut⁃ants in water bodies.War,terrorist activities and international conflicts may also cause large-scale water pollution and serious dam⁃age to health facilities,and then cause greater disasters than the war itself.At present,the widely used water quality safety monitor⁃ing and early warning technologies at home and abroad mainly include biological monitoring and physical and chemical monitoring.The poor water quality safety can not meet the people ’s general expectation of having a greener and sustainable water ecological en⁃vironment and a safer and healthier drinking water.This paper summarized the development of water quality safety monitoring and early warning technology to provide evidence for accurate monitoring and early warning of water quality safety.
Key words:drinking water;water quality safety;online monitoring;biological early warning;physical and chemical early warning
水安全是生存的基础性问题，事关战略全局、事关长远发展、事关人民福祉。与此同时，水源之危是生存环境之危、民族存续之危。目前突发投毒污染水源水质事件时有发生，具有很强的偶然性和不确定性，同时造成的危害也是不可逆的，
对人类的健康和生命安全构成巨大威胁。水体突发性投毒污染的途径很多，包括非法排放工业废水、企业意外泄漏、自然因素、交通事故、人为因素等。常见的投毒污染物质包括重金属离子、有机农药、工业废水、危险化学品、生物污染源
三峡生态环境监测
Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges
2023年3月Mar.2023
第8卷第1期V ol.8No.1water pollution
□研究综述
三峡生态环境监测sxhc.cbptki/第8卷2
等。徐小钰等[1]统计发现，仅2000年至2011年12年间，全国共发生重大投毒和突发性水污染事件1176起。对近20年国内典型突发性水污染和投毒事件进一步分析可知，每年都会发生突发性水质污染和投毒事件，且突发投毒污染物尤以重金属离子和有机化学品居多，对人民的生产、生活产生巨大的危害（详见表1）[2-8]。
表1国内近20年典型突发性水污染事件统计信息
由此可见，饮用水水源水质安全问题一直是人们关注的重点问题，事关公众生命安全和市政工作的正常进行。为确保城市供水重大突发事故应急处理的高效、有序进行，最大限度地预防和减少突发事故及其造成的损害，各种供水水质安全应急技术层出不穷。威海市水务集团先后投入近300万元购置了先进的检测仪器，虽然能够通过理化方法检测水质参数，但是成本高昂；全国范围内，尽管各县已基本建立县级水质检测中心，但其正常运行比例不高，检测覆盖范围不广，检测频率不足[9]；清华大学利用三维荧光光谱与污染源一一对应的特点，提出“水质指纹”的概念，由此发展出水质指纹比对分析方法，以此来查污染排放源[10-11]，但是也存在误差较大的弊端；哈
尔滨工业大学研究团队基于谱分析与荧光响应来
进行水污染预警溯源技术的开发[12]；杜岗等[13]针
对传统水污染监测技术的不足，设计了一种集成GPS全球定位、GPRS网络数据传输、ZigBee无线传感网络、超声波流量检测、压力检测和污染物
快速检测等多项技术于一体的预警监测系统。近
几年一些预警技术实际案例统计信息见表2[14-17]。
总而言之，供水水质安全预警技术已经不单
单局限于某个硬件设备，而是应该将硬件、软件
和监测网络进行紧密结合，打造一体化的新型水
质预警溯源系统，快速检测水质异常，识别排水
系统和受纳水体中的潜在污染源。
第8卷第1期3
表2预警技术实际案例统计信息
1水质毒性在线监测预警的概念与意义
1.1水质毒性在线监测预警技术的概念
水质毒性在线监测预警是以化学分析法、谱法、质谱法、光谱法和生物传感法等，实现对水中毒性物质的实时在线监测并且将水质风险情况及时反馈给用户端的预警系统。即通过在监测设备和物联网预警之间搭建高效快速、安全稳定、实时传输的应用平台，实现水质毒性在线监测和预警两大功能。目前，水质毒性在线监测预警方法主要为理化监测和生物监测。理化监测主要是通过各种实验仪器直接测定水体中有害物质的浓度，虽能精准地定性且定量但费时较长；生物监测主要是利用生物学的方法，通过观察种、落或生物个体对环境污染所产生的反应，包括行为反应、神经系统反应、呼吸系统反应等指示环境的污染状况。两种方法各有利弊，互为补充。
1.2水质毒性在线监测预警技术的意义
在复杂动荡的战争冲突、和突发性水源污染种种综合背景下，水源水质毒性在线监测预警系统起到了不可忽视的作用。首先，能够对输送水体中各种目标毒物的变化做出及时、快速的响应，以便给信息接收端最充分的处理时间来遏制危险行为、确保用水安全。其次，能够给用户端实时提供水质参数变化的信息，包括各项水质指标的浓度等，通过对不同位置水质参数的汇总处理，综合得出水中污染物的时空负荷和演变，有利于更快溯源和寻解决水质问题的办法。最后，水作为生态环境的
重要组成部分，饮用水水源水质污染的在线监测预警是生态环境的整体监测中不可缺少的一环，是降水、土壤等其他环境监测的重要辅助和参考。
赵志伟，等：饮用水水源水质安全监测预警技术发展综述
三峡生态环境监测sxhc.cbptki/第8卷4
2水质毒性在线监测预警技术的研究进展
2.1理化在线监测技术
在20世纪中后期，美国等国家就已经开始运用水质监测技术对地表水、污染废水进行监测，监测指标主要有水温、化学需氧量、总有机碳、pH、氨氮、总氮、总磷等。理化在线分析技术可以通过对水体中的理化参数的测定，得到外源物
质侵入的情况。尤其在水质快速变化时，理化在线水质监测可以做到快速响应，并且实时监测水质处理和优化的过程，为预警水质污染和控制水质指标提供保障。可用于在线检测化学污染物的技术有在线光学、电化学和化学发光技术等。
2.1.1光谱在线水质监测预警技术
光谱在线检测方法可以利用光的吸收、散射和荧光获得更多化合物性质参数，实现对水中污染物的定性、定量检测。广泛使用的光谱在线水质检测预警系统主要包括红外、荧光和紫外光谱[18]。红外光谱可以连续测量液相或者气相波长大于760nm的有机化合物水样，但是样品通常需要预处理，故不能用于在线水质监测。荧光光谱法能够通过扫描液相荧光标记物的荧光强度定性鉴别及定量测定多种污染物，但是荧光局限性比较大，不能广谱应用。大部分有机化合物具有一定特征的官能团，可以采用紫外光谱法对污染物进行广谱筛查，并且对水中的毒性物质进行定性和定量分析。深圳水务集团开发的水质毒性生物监测仪能够通过记录斑马鱼的游动轨迹来监测水质，同时同步采用荧光光谱和生物光谱等光谱技术，已经用于水中污染物的在线监测预警[19]。但是市场上通过生物或光谱起到预警预报的系统大多监测方式单一，误报警率较高，且实用性和通用性有待提高，难以满足使用需求。而且光谱技术成本高昂，涉及复杂的分析程序，仪器设备精密复杂，包括激光器、光电探测器等零部件，需要配备训练有素的工作人员。
2.1.2电化学在线水质监测预警技术
电化学检测是根据溶液基质的电化学性质及其变化规律，建立在电流、电位、电导率、电化学阻抗和电化学发光等检测信号与被测物质某些量之间的计量关系的基础之上，通过对组分进行定量与定性分析的一种方法。电导率、pH、溶解氧等水体基本参数的检测就是通过电化学原理实现的[20]。电化学检测技术也多应用于检测各种重金属离子，与光学技术相比，电化学检测具有应用门槛低、成本低廉
、实时监测快等优点。最新的电化学检测重金属离子传感媒介取材广泛，例如：金属、金属薄膜、金属氧化物、纳米材料、碳纳米管、聚合物、微球和生物材料[21]。这些电化学技术程序简单，非常适合以便携式设备的形式在小型电路上制造，用于污染水质的现场监测，但是在实际测试和具体应用中却存在一定的困难与挑战。与光谱和光学技术相比，这些电化学技术的灵敏度和检测限较低，在应用时电化学测试设备容易出现故障，对样品要求高。所以近年来各种电化学技术与不同的生物传感电极相结合，通过修饰电极材料来提高其灵敏度和检测极限。2.1.3化学发光在线水质监测预警技术
化学发光分析法在水质监测中应用广泛且效果极佳。该方法是利用未受外界的电、光等因素影响而单纯依靠化学物质的化学反应所产生的辐射光强度、总量等参数确定监测对象成分和含量的方法，其原理是建立光强度和反应物质的浓度之间的映射关系，通过得到光强度，进而间接地测出待测物的浓度。但采用化学发光分析法需要满足一些必要条件，例如：足够的激光发射能量、分子可吸收大量的能量、处于激发状态的分子可直接或间接释放“光”[22]。市面上已经研发的产品繁多，例如，哈希公司研制的TX1315便携式水质生物毒性检测仪就是利用化学发光的原理研制的。TX1315水质生物毒性检测仪集多种检测方法于一身，除了常见的发光细菌法，还支持化学发光法，无须提前复苏制备菌种，短短几分钟就可以得到测量结果，适合环境应急检测。但是细菌和化学品需要人为辅助更换，缺乏长期智能化检测的条件，无法胜任自动化在线水质监测。
2.2生物在线监测预警技术
20世纪初，一些发达国家最早开始利用生物进行环境水体监测研究。一直到20世纪80年代，生物在线监测预警技术才成为世界各国科研领域
第8卷第1期5
比较热门的研究方向。研究发现，目前能够用于水体在线监测预警的指示生物有发光细菌、藻类、水蚤、鱼类等。
2.2.1细菌水质毒性在线监测预警技术
细菌水质在线监测预警技术利用最广泛的是发光细菌菌种。发光细菌是一类在常温常压条件下可以发射出在黑暗中可见、波长在450~490nm 的荧光的细菌。在正常的生理条件下，发光细菌的发光强度一般是恒定的。当有毒性物质突发污染胁迫发光细菌时，其发光强度会受到抑制，且在一定的毒性范围内，毒物的毒性越强，发光强度越低[23]。发光细菌法是利用光电倍增管放大检测在有毒环境样品中发光细菌的发光强度，来综合判断样品毒性大小的一种方法[24]。
唐承佳等[25]研究发现太湖贡湖湾水源地水体中的微囊藻毒素含量与青海弧菌Q67的发光强度有很好的关联性，可以通过测定青海弧菌的发光强度来评价湖体中的微囊藻毒素含量。LumiFox8000是目前国内唯一一个研制成功以发光细菌为指示生物的水质毒性在线监测预警系统[26]。该仪器能够快速检测地
表水、地下水、饮用水、废水中的毒性，并且对水体投毒、污染物泄漏等突发水体污染事件也能够进行及时监测预警。西班牙科学家Fernández[27]通过利用发光细菌监测托姆斯河的毒性状况发现，托姆斯河污染物的承载能力随着工农业废水的持续流入会逐渐下降。
2.2.2藻类水质毒性在线监测预警技术
藻类是一类比较原始、古老的低等生物，是从原始的光合细菌发展而来的。藻类植物主要分为淡水藻类和深水藻类。藻类生物监测技术主要是研究藻类在污染物刺激下其光合作用速率的变化、耗氧量的变化以及研究藻类在污染水体中现存量随时间的变化[28]。Mohapatra等[29]发现乐果浓度在10~300mg/L时，聚球藻的呼吸作用随浓度的升高而增强。张磊等[30]研究发现随着草甘膦异丙胺盐浓度的升高，球形棕囊藻叶绿素a的含量降低，这表明藻类对污染物反应的一个重要机制是污染物能够抑制藻类的光合作用。
2.2.3蚤类水质毒性在线监测预警技术
水蚤是一种小型的甲壳动物，俗称鱼虫。体型小，在淡水中生活，易养殖，繁殖快，生命周期短，对水体中的有毒污染物反应灵敏，人们常常用它来检测地表水、地下水、工业废水的毒性大小。瑞典著名的水生毒理学家Yongpisanphop 等[31]曾发表了很多篇文章，研究了铜、铁、氟等化学物质对大型水蚤生长的影响情况。1991年，蚤类（大型蚤）急性毒性测定方法在我国正式被确立，可以通过测定
化学物质或废水对水蚤24h 和48h的半数抑制浓度或24h和48h的半数致死浓度来衡量水体的毒性大小[32]。目前市场上已经研发的以水蚤为观察对象的水质自动监测预警仪器以Daphnia Toximeter大型蚤毒性仪为代表，通过高性能摄像机24h对水箱中的水蚤进行在线监测，通过专门的电脑软件观察分析大型蚤的行为响应来综合判断水体受毒性污染的程度。
2.2.4鱼类水质毒性在线监测预警技术
鱼类生物是最先应用于生物监测技术的生物，在20世纪80年代，国际标准化组织推荐使用蓝鳃太阳鱼、斑马鱼、孔雀鱼、黑头软口鲦、虹鳟为毒性试验受试生物。人们通过对鱼类的行为学、毒理学、生理学进行分析，确定了最常用于评估和监测水质的鱼类行为指标，大致可分为三大类，包括运动行为指标（游动速度、垂直高度、转弯频次等），呼吸行为指标（呼吸频率、呼吸强度、咳嗽频率等）和体行为指标（分散度、体中心、区域分布等）[33]。刘翠锦等[34]对暴露前后青鳉鱼的行为变化特征进行研究，提出了直方图统计算法。逯南南等[35]研究了和百菌清对斑马鱼行为的影响，发现在0.1TU至1TU的污染物暴露浓度下，斑马鱼会经历刺激、调整、适应再降低的过程，与生物环境压力模型相符合。
目前，应用于水质在线监测预警系统的鱼的种类主要有：斑马鱼、蓝腮鱼、湖拟鲤、青鳉、高体雅罗鱼、长颌鱼、光背电鳗、三棘刺鱼、褐鳟、虹鳟等。随着现代化信息技术在生物监测领域的发展，智
能化与可视化结合的生物监测技术将是未来在线生物监测预警研究发展的主要方向。现在国内外市场上已经出现了多种以鱼类作为指示生物来在线监测预警水体污染的产品，见表3。
赵志伟，等：饮用水水源水质安全监测预警技术发展综述
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