环境监测实用方法及新技术：二环境监测与畜禽养殖

1.水质监测

水质监测主要是指监测畜禽饮用水、养殖污水、畜禽场周边地

表水或地下水的质量（见图3-37）。畜禽饮用水的监测主要是指监

测重金属（Pb、As、Cr、Cd、Cu、Zn、Mn）和全盐量；养殖污水的监测主要是指监测COD、悬浮物、pH、氨氮、总氮、总磷、粪大肠杆菌、球虫卵等的含量或浓度；地表水或地下水的监测主要是指监测COD、悬浮物、pH、氨氮、总氮、总磷、硝酸盐、全盐量、细菌总数、粪大肠杆菌、球虫卵等的含量或浓度。

图3-37 取水样

水质检测的方法有化学法和仪器法，分述如下：

（1）化学法化学法的最大优势就是检测数据准确可靠，特点是：

1）化学方法的检测过程比较复杂，需要较长的时间，要求检测人员具备相当的专业技能才能准确的检测，如化学滴定法。有的化学检测试纸，如pH试纸，一般只能进行粗略的测量。例如，观察试纸颜色判断pH为7～8，而无法得到准确的数字；另一方面，试纸容易受到外界环境（如温度、湿度、光照等）的影响，会导致试纸失效，粗略的测量也无法保证。

2）化学法检测都需要取样测量，而水样采集到实验室时，各项指标都可能已经发生变化，因而最终的检测结果已经不是实际水体的数值了。

3）一些化学方法需要使用仪器进行检测，要求使用者掌握相当的化学知识，如分光光度法使用的分光光度仪，滴定法使用的滴定仪等，不是所有人都能够轻松掌握的。同时，这些设备的价格比较昂贵，一般的企业和个人是无法承受的。正是上述这些原因，化学方法检测水质只在研究所、大专院校实验室等不多的企业和机构中应用，广大的养殖企业、个人只能花钱送水样检测，给日常的生产工作带来了不少的麻烦。

（2）仪器法仪器法具备化学法无法比拟的优点：

1）这类仪器多为便携式，体积小，便于携带和使用，特别适合养殖现场的水质检测，对于工厂化养殖的水质检测也是非常方便的，免去了取样带来的不便。

2）这类仪器多为按键式操作面板，中文显示屏，操作简单，检测结果清晰直观。

3）这类仪器检测的水质指标主要针对养殖行业的需要而设计，实用性强，项目齐全，并且可以灵活组合。特别要强调的是，这类仪器的两个最主要的特性：①测量的数据准确、可靠，能够实现快速检测，按下相应的按键，屏幕立刻显示测量结果，节省了大量取样、化验的时间，通过存储功能，可第一时间记录水质检测数据，提高了工作效率；②电极的稳定性决定了测量数据的准确，同时，电极可以反复使用，不需要配制试剂、更换试纸等步骤，不仅简化了操作程序，也保证了比较长的使用寿命。

由此可见，为实现科学养殖，不断提高养殖企业的经济效益，加强对养殖水质的监测尤为重要。随着生产技术和人们文化水平的不断提高，水质监测的手段也在不断地更新，利用电极法的水质分析仪检测水质，正逐渐成为广大养殖企业和个人的首要选择，而通过各方面的对比，国产的水质分析仪具有比较明显的优势，随着国内各水质分析仪制造厂商的不断努力，水质分析仪的性能越来越走向成熟，将会成为越来越多的养殖企业、个人日常检测水质的必备仪器。

2.有害气体监测

有害气体监测主要包括监测畜禽舍内外、畜禽场内及周边缓冲区的有毒气体（NH₃、H₂S等）、温室气体（CO₂、NO_x等）、粉尘（PM10，PM2.5）的浓度（见彩图11和彩图12）。

畜禽生产环境中有害气体的主要测量方法包括嗅觉法、气体探测管法、接触式传感器法和光学法。接触式传感器包括半导体气体传感器、电化学气体传感器及由它们构成的电子鼻三个部件。光学法包括非分光红外光谱、紫外差分吸收光谱、傅立叶变换红外光谱和可调谐激光光谱。

（1）嗅觉法嗅觉法是利用人类的鼻子作为传感器，对具有气味的气体成分和浓度进行测量的方法。嗅觉法作为一种重要的直接检测方法被应用在如食物、饮料、香料的质量鉴别、病情诊断等众多领域。在畜禽舍有害气体的检测中，嗅觉法同样是最传统、应用最广泛的方法。在畜禽舍有害气体的检测中应用的嗅觉测量技术可以分为两类，不采用任何仪器的参数嗅觉测量和采用辅助仪器的定量嗅觉测量。参数嗅觉测量是一种低成本的畜禽舍有害气体检测方法，其不需要任何仪器，直接通过辨嗅员的嗅觉判定畜禽舍有害气体的成分和浓度。定量嗅觉测量用仪器将有害气体逐步稀释，当辨嗅员判断有害气体达到检测阈值时，清洁空气与有害气体的比值就是有害气体的浓度。该方法所使用的仪器设备能够给出较高精度的气体比例，与参数嗅觉测量相比，定量嗅觉测量检测精度更高。定量嗅觉测量可以分为动态嗅觉采样法和现场嗅觉检测法。动态嗅觉采样法是将畜禽舍中的有害气体采集回实验室，利用实验仪器结合辨嗅员的判断给出有害气体的浓度。现场嗅觉检测法的优点是成本较低，可以在现场读数，检测位置灵活，避免因采样过程带来的误差。但是，现场嗅觉检测法更易受到辨嗅员自身因素，包括健康状况、对气味的敏感程度、性别、年龄等的影响，甚至有可能受到天气状况的影响。嗅觉法是在畜禽舍有害气体浓度测量中应用最广泛的方法，但是，嗅觉法仍然具有一些缺陷，它极易受到辨嗅员自身因素的影响，测量结果的精度较低，测量并不具备实时性，无法实现对有害气体浓度的实时监测。

（2）气体探测管法气体探测管法是基于被测气体成分附着在固体指示剂表面的显色反应设计的，气体采样管可以检测超过300种气体和有机挥发物。气体探测管分为主动取样和被动取样两种，在畜禽舍中主要用于测量有害气体的主要成分NH₃和H₂S。尽管气体探测管的检测限较高，但是其能够在现场实时获取有害气体浓度，使用方便且成本较低，因此被广泛地应用在畜禽舍中有害气体主要成分的检测中。主动取样的气体探测管在使用前两端密封，测量时将探测管两端切开，一端与手泵相连，被测气体从另一端流过探测管中的显色物质。由于手泵的容量固定，通过指示剂颜色的变化可以测得被测气体的浓度。被动取样的气体探测管在使用前同样是两端封闭，测量时气体探测管的一端被打开，并放在需要检测的位置，待测气体逐渐扩散到气体探测管中，整个测量过程需要持续一段时间，通常是几个小时，并且气体探测管需要充分地暴露在待测气体下。采用气体探测管法检测畜禽舍有害气体时，检测精度较低（标准误差在10%左右），不能满足对低浓度有害气体的检测，但是因为气体探测管使用方便，目前依然得到广泛应用。

（3）接触式传感器法接触式传感器法是指待测气体成分与传感器之间发生反应，通过传感器性质的变化测量待测气体成分和浓度的方法。在畜禽生产环境中的有害气体检测中常用的接触式传感器主要包括半导体气体传感器、电化学气体传感器和由多种传感器组成传感器阵列的电子鼻。

1）半导体气体传感器是利用半导体材料与气体接触后所产生的性质变化来检测待测气体成分和浓度的。半导体气体传感器灵敏度高，制作简单，稳定性好，对气体成分具有一定的选择性，成本较低，因此被广泛地应用在畜禽舍有害气体的检测中。

2）电化学气体传感器是利用物质的氧化还原特性，通过测量待测物质与电极的电化学反应所释放的电流大小来测量气体浓度的。在气体测量领域中最常用的是恒定电位电解池型气体传感器。该传感器是一种在电流强制下发生氧化还原反应的电化学传感器。电化学气体传感器具有良好的气体选择性，可以在混合气体中检测特定成分的含量，在畜禽舍有害气体的检测中多用来检测H₂S、NH₃等气体。由于电化学气体传感器的体积小、反应时间快，也常被用在畜禽舍内有害气体的实时监测中。与半导体气体传感器相比，电化学气体传感器具有良好的气体选择性，这使其在对单一气体成分检测时使用简单，并且电化学气体传感器的价格较低。但是，电化学气体传感器的分辨率较低，对NH₃的分辨率大于1mg/L，对H₂S大于0.1mg/L，在长时间使用过程中容易出现漂移，每隔一两个月需要进行重新校准。由于气体长时间与电极接触，还会造成电极永久性中毒，从而导致电化学气体传感器的使用寿命有限。

3）电子鼻技术是一种人造的智慧嗅觉感知器，能模拟人的嗅觉，对气味做出辨别。与人类嗅觉系统的组成类似，电子鼻主要由传感器阵列和智能算法组成。电子鼻所用的传感器阵列对气体的多种成分具有检测能力，一般由半导体气体传感器、电化学气体传感器、导电聚合物、压电组件、金属绝缘体半导体场效应晶体管（MI-SFETs）等多种类型的传感器组成。传感器阵列所探测到的信号首先经过主成分分析（PCA）进行压缩，再通过具有判断能力的模式识别技术处理，鉴别多种成分混合气体的气味。模式识别算法需要先进行训练，训练过程直接影响电子鼻对气味判断的准确性。常用的模式识别方法包括神经网络、支持向量机等。不同于对气体中单一成分的检测，电子鼻所得到是气体的综合信息和变化。在畜禽舍有害气体的检测中，电子鼻技术被用来取代嗅觉法。使用电子鼻探测畜禽舍中的有害气体不会受到人为因素的影响，比嗅觉法更加准确、稳定、可靠。在畜禽舍有害气体检测上，电子鼻法是一个主要的研究方向。但是，畜禽舍中恶臭气体的成分复杂，使电子鼻法所用的仪器设备复杂、昂贵，这是其停留在实验室研究而无法在实际生产中应用的主要原因。

（4）光学法光学法是利用气体对光的吸收特性来检测气体浓度的。常用的光学法包括非分光红外光谱和紫外差分吸收光谱、傅立叶变换红外光谱和可调谐激光光谱方法。

1）非分光红外光谱经常被用来检测畜禽舍中主要有害气体NH₃、CH₄的排放。开放光程的差分吸收光谱检测限低，最低可以达到1μg/L。因此，该方法可以用于检测畜禽舍中或畜禽舍周围的痕量有害气体，但对待测气体的成分具有一定的局限性，仅对畜禽生产中排放的NH₃、氮氧化物、碳氧化物具有较好的响应。

2）紫外差分吸收光谱在大尺度下检测痕量的NH₃、氮氧化物、氮氧化物等有害气体。在开放光程下，UV-DOAS可以对光程内（几百米到几千米）畜禽生产环境中有害气体的积分浓度进行测量。

3）傅立叶变换红外光谱是一种调制的光学检测方法，其利用干涉仪对光源发出的光进行调制，探测器接收干涉图样，将干涉图样进行傅立叶变换，得到被待测气体吸收后的光谱图，通过对光谱图的分析处理，得到待测气体的浓度。该方法可以同时检测多种气体成分，检测限小于3μg/L，对各种气体的平均检测误差小于3%。

4）可调谐激光光谱法是一种基于单色光调制的光学检测方法，通过波长调制使光源的发光波长在气体吸收特征峰附近变化时，气体的浓度与接收到的光强信号的n次谐波成正比。这种方法的检测限较低，精确到微克/升，并且误差较小，在畜禽生产环境的有害气体检测中主要用来检测NH₃、N₂O和CH₄等气体。

3.土壤监测

按照国家《重金属污染综合防治“十二五”规划》和《国家环境监测“十二五”规划》中的目标要求，结合“十一五”全国土壤污染状况调查成果，需要对养殖场周边土壤的pH、阳离子交换量，铅、汞、镉、铬、砷、铜、锌、镍、钒、锰、钴、银、铊、锑等元素总量，苯并（a）芘，以及多氯联苯类（总量）进行例行监测工作（见图3-38），以满足国家土壤环境管理的需求（见表3-3和表3-4）。

图3-38 土壤监测

表3-3 土壤常规监测项目及分析方法(www.xing528.com)

（续）

①《土壤理化分析》，1978，中国科学院南京土壤研究所，上海科技出版社。

表3-4 土壤常规监测项目及推荐方法

（续）

注：ICP-AES：等离子发射光谱；XRF：X-荧光光谱分析；AAS：火焰原子吸收；GF-AAS：石墨炉原子吸收；HG-AAS：氢化物发生原子吸收法；HG-AFS：氢化物发生原子荧光法；POL：催化极谱法；ISE：选择性离子电极；VOL：容量法；POT：电位法；INAA：中子活化分析法；GC：气相色谱法；LC：液相色谱法；GC-MS：气相色谱—质谱联用法；COL：分光比色法；LC-MS：液相色谱—质谱联用法；ICP-MS：等离子体质谱联用法。

4.固体废弃物监测

养殖场固体废弃物监测主要是指监测畜禽粪便中的含水率、有机质、全氮、全磷、全钾、铜、锌、镉、粪大肠菌群和蛔虫卵。

各成分监测方法如下：

含水率：按GB/T8576—2010规定执行。

有机质：按NY525—2012中5.2规定执行。

全氯：按NY525—2012中5.3规定执行。

全磷：按NY525—2012中5.4规定执行。

铜、锌、镉：按GB/T17138—1997规定执行。

全钾：按NY/T87—1988规定执行。

粪大肠菌群：按GB7959—2012规定执行。

蛔虫卵：按GB7959—2012规定执行。

5.生物监测

生物监测（见图3-39）是通过对生物群落、种群及个体对环境变化或污染出现的反应进行监测，立足于生物学角度监测和评价环境污染状况。生物监测方法包括生物群落监测法、微生物监测法、生物残毒测定法、生物测试法和生物传感器法。

图3-39 生物监测

生物群落监测法主要是监测水体污染，同时也可以在大气污染及土壤污染监测中进行应用，如水生生物的群落结构和个体在水体出现污染情况之后就会出现明显变化，一些敏感生物会消亡，而一些抗性生物则会生长得越来越旺盛，因此就会产生非常单一的群落结构。利用对生物群落变化的监测能够将污染状况很好地反映出来，其中最为主要的指示生物就是鱼类、底栖动物、着生动物及浮游生物等。这种方法包括生物指数法、污水生物系统法和微生物监测法。生物指数法：该方法主要是通过对数学公式形式的利用从而能够将生物种群及群落结构变化充分地反映出来，对水质质量进行评价，其中主要包括污染生物指数、津田生物指数、生物种类多样性指数及贝克生物指数。污水生物系统法：由于自净作用的存在，受到污染的河流会从上游到下游出现污染程度由高到低的连续带，其中包括寡污带、β中污带、α中污带及多污带等。该方法在较长的及流速缓慢的河流水体监测中比较适用。

【提示】 微生物监测法主要是通过对环境中微生物生长状况的检测从而将环境污染情况反映出来，其生物指示指标一般是菌根真菌、纤维素分解细菌和真菌、假单胞菌总数及放线菌等微生物指标。

例如，2004年Berno等人通过对重组的大肠杆菌的利用对空气中苯及其衍生物进行监测。现在发展较快的方法是硝化菌法和发光菌法，其中发光细菌因为具备较为独特的生理发光特征，因此在生物监测中得到了广泛的应用，其具有灵敏、渐变、快速的特点。畜禽生产环境中微生物检测方法有沉降法、撞击法、过滤法和简易定量测定法。

（1）沉降法将盛有培养基的平皿放在空气中暴露一定时间，经培养后计算出其上所生长的菌落数。此方法简单，使用普遍。但由于只有一定大小的颗粒在一定时间内才能降到培养基上，因此，所测得微生物数量欠准确，检验结果比实际存在数量少，并且也无法测定空气质量，所以，仅能粗略计算空气污染及了解被测生物的种类。

（2）撞击法以缝隙采样器为例，用吸风机或真空泵将含菌空气以一定流速穿过狭缝而被抽吸到营养琼脂培养基及平板上。狭缝长度为平皿的半径，平板与缝的间隙有2mm，平板以一定的转速旋转。通常平板转动一周，取出置于37℃恒温箱中培养的48h，根据空气中微生物的密度可调节平板转动的速度。采集含菌高的空气样品时，平板转动的速度要比含菌最低的空气样品的转速快。根据取样时间和空气流量算出单位空气中的含菌量。采样器的规格各国不一样，可按说明书操作。

（3）过滤法过滤法是抽取定量空气通过一种液体吸收剂，然后取此液体定量培养计数出菌落数。将无菌的液体培养基或无菌水与真空泵相连，以每分钟10L速度取空气样并剧烈震荡，使阻流在液体中的气溶胶或微生物均匀分散；吸取上述含菌液体吸收液1mL与融化并冷却到45℃左右的营养液琼脂做倾注培养，同时做三个平行试验，置37℃恒温箱中培养48h，计算平均菌落数。

（4）简易定量测定法用无菌注射器定量抽取空气，将所取空气压入培养基内部，经培养后，即可定量、定性测定空气中微生物，此法简单易行。将无菌固体培养基熔化后，在50℃水浴中保温备用；利用50～100mL无菌注射器抽取待测环境空气20～100mL；在无菌操作下，取已熔化的培养基倒入无菌平皿中，平皿稍做倾斜，将注射器插入培养基深处，缓慢将空气压入培养基内，轻轻摇匀以消除气泡。待培养基凝固，置于30℃恒温箱中培养3天后统计菌落数量，推算1L空气所含菌量。通过菌落形态定性微生物，如统计霉菌数量时培养的时间稍许延长。应用此法需多做平行试验，求其平均值以提高准确性。

生物残毒测定的方法主要是通过对生物含污量的利用开展监测和评价环境的工作，如环境中常常具有较低的放射性物质、农药及贵金属含量，然而一些生物的富集能力比较强，所以，以生物体内污染物的残留量为根据就能够将环境污染的程度推断出来。例如，2009年Fialkowski等人通过对沙蚤体内微量元素的含污量的检测对欧洲某水域的微量元素污染程度进行了分析。

生物测试法主要是通过对在污染物侵害下生物出现的生物学变化进行利用，从而对污染状况进行测试，其在确定污染物排放标准、监测废水处理效果、评价污染程度及追溯污染物等方面具有十分重要的作用。大量的研究表明，对环境质量进行监测的时候可以将热休克蛋白在生物体内的变化作为非常重要的一个指标。例如，2009年Monferrán等人通过对眼子菜的谷胱甘肽芳基转移酶、导电率及叶绿素等多种生理生化参数的监测，最终将水环境中的污染状况监测出来。

生物传感器有较多的优势，它可以快速地在复杂体系中实施在线连续监测，具有较低的成本及非常高的灵敏度等。现在生物传感器已经被广泛地运用在水质检测中的水体富营养化、阴离子表面活性剂、pH及BOD等分析中。相关的报道显示，对光纤生物传感器的利用可以对残留在地下水中的炸药成分RDX及TNT等进行有效的检测。