（环境工程专业论文）微型生物群落的生态毒理学应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文主要包括原生动物群落特征变化与外界环境因素之间关系、河流营养状 况与原生动物群落结构之间关系、废弃氧化塘现状评价以及种类损伤法的验证四 方面的研究工作。 1 ) f 1 9 9 9 年1 2 月至2 0 0 0 年1 1 月，以华中科技大学华华瑜池为研究生境，研 究了原生动物群落特征变化与外界因素之间的关系。我们发现在自然条件下( 无胁 迫) p f u 原生动物群落的种类组成数及原生动物群落的群集速度相对稳定，而且 p f u 原生动物群落结构和功能不受季节变化的影响。这一结果进一步证明p f u 法 符合m a c a r t h u r - w i l s o n 关于岛屿与生物地理学理论模型。说明p f u 相对于所在生 境是一个孤立的、荒芜的“岛”，p f u 微型生物群落的发生、发展直到消亡都有自 、 身规律。而且j 当外界存在胁迫时，p f u 微型生物群落会产生相应规律性变化。 f 研究过程中，华瑜池于2 0 0 0 年3 月2 5 日至2 0 0 0 年4 月9 日出现水华。水华刚出 现时，虽然水化学参数尚无明显变化，但是p f u 原生动物群落的群集速度以及群 集种数都开始下降。当水华最为严重时，群集速度变为0 ，群集种类也成为0 。及 矗 至水华逐渐消失，原生动物又慢慢开始群集并恢复到正常。) 这一过程，一方面反 应了水华对原生动物群落的影响；另一方面也表明p f u 原生动物群落能够反应出 e 生物因素所产生胁迫。， ，、 2 ) f 2 0 0 0 年1 1 月研究了武夷山九曲溪的营养状况与原生动物群落结构参数之 间关系的过程。f 我们发现并不是说水越清洁p f u 原生动物种类就越多，还要决定 于水体的营养状况a j 当水体是贫营养时，水越清洁p f u 原生动物种类反而会越少。 研究结果还表明，即使在低营养水平的水体中，p f u 法一样能准确反映人类活动 对当地生态的影响。， 、一 3 ) 2 0 0 0 年1 1 月及2 0 0 1 年9 剧对湖北鸭儿湖废弃氧化塘进行了生态评价。 华中科技大学硕士学位论文 生物监钡恢明，1 9 8 2 年污染_ f 分严重的i 号氧化塘，如今水质已明显好转。对比 1 9 8 2 年、2 0 0 1 年监测所得化学参数，发现同样的结果，1 9 8 2 年污染最严重的l ， 号氧化塘，如今它的水质优于1 9 8 2 年订- j 水质。这废明整个氧化塘处理系统已基本 ， ， 完成生态修复过程，f 如今均已成为渔塘，水质转好。) ，7 4 ) 本论文还涉及了微尺度群落级毒性试验种类损伤法的试验验证工作。 应用湖北、河南、福建三省不同水体( 湖泊、河流、池塘、溪流) 中的p f u 原生 动物群落进行c u s o ，种类损伤法毒性试验，所得结果不但符合国家地面水质量标 准，同时与通过绘制m a c a r t h u r w i ls 0 1 群集曲线法所得结果一致。该法相对于 m a c a r t h u r w i 】s o n 群集曲线法有以下优点：1 ) 试验场地小、时间短、更经济；2 ) 可在任何地点、任何季节、任何水体进行现场( i ns i t u ) 的毒性试验：3 ) 用当地 ， 的微型生物群落进行测试，更具有环境真实性。1 p 关键词：p f u 鎏 曼当塾均祥蒂焦燮嬲落 结构参数对瓴唪塌- 出1 , t 一。j 功能参数氧化塘环境因素群落特征 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n i st h e s i s m a i n l yc o n t a i n sf o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k ：s t u d yo ft h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ne n v i r o n m e n tf a c t o r sa n dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fp r o t o z o a nc o m m u n i t y , r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr i v e rn u t r i t i o nl e v e la n ds t r u c t u r eo f1 0 c a lp r o t o z o a nc o m m u n i t y , a s s e s s m e n to f a na b a n d o n e do x i d a t i o np o n da n dt o x i c i t yt e s to f t a x o n o m i cl o s em e t h o d 1 ) d u r i n g d e c 1 9 9 9a n dn o v 2 0 0 0 t h es t u d yo f r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n v i r o n m e n t f a c t o r sa n dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f p r o t o z o a nc o m m u n i t yw a s c a r r i e do u ti nh u a y u p o n da th u a z h o n g u n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a t i nn a t u r a lc i r c u m s t a n c et h en u m b e ro fs p e c i e sa n dc o l o n i z a t i o nr a t eo fp r o t o z o a n c o m r n u n i t yi sr c l m i v es t a b l e ，a n dn os e a s o n a lc h a n g e si nt h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo f p r o t o z o a nc o m m u n i t y t h ec o l o n i z a t i o np r o c e s s e so fp f up r o t o z o ac o m m u n i t ya r ef i t t ot h em a r a u t h u r - w i l l s o n e q u i l i b r i u mm o d e lo f i s l a n db i o g e o g r a p h y 1 1 1 eo c c u l r e n c e a n dd e v e l o p m e n to fp f um i c r o b i a lc o r n m u n i t yo b e yi t so w nr u l e s w 1 l e nt h e r ei s e n v i r o n m e n ts t r e s se x i s t e 正也es t r u c t u r ea n df u n c t i o no f p r o t o z o a nc o m m u n i t yw o u l d c h a n g e i nc o r r e s p o n d i n gm a n n e r s 1 1 1 ew a t e rb l o o m sa p p e a r e da b r u p t l yi nh u a y up o n d s i n c em a r c h 2 5 ，2 0 0 1t oa 研l9 ，2 0 0 1 a tt h eb e g i n n i n go f w a t e rb l o o m s ，a l t h o u g ht h e w a t e r q u a l i t yd i dn o tc h a n g e ，t h ec o l o n i z a t i o nr a t ea n ds p e c i e sb e g a n t od e c r e a s e w h e n t h es t r e s sw a sv e r ys e v c r e ，t h ep r o t o z o a nc o l o n i z a t i o nr o t ea n dn u m b e ro f s p e c i e sw e r e a l le q u a lt oz e r o a f t e rw a t e rb l o o m st h ep r o t o z o a nc o l o n i z a f i o no f p r o t o z o a ni np f u b e g a nt o r e c o v e lt h i sc o u r s er e f l e c t e dt h ee f f e c to fw a t e rb l o o m so np r o t o z o a n c o m m u n i t y , a n da l s od e m o n s t r a t e dt h ep f up r o t o z o a nc o m m u n i t yi ss e n s i t i v et ot h e s t r e s sc a u s e d b yw a t e r b l o o m s 2 ) d a t af r o ma ni n v e s t i g a t i o no f p r o t o z o a nc o m m u n i t ys t r u c t u r ei nw u y im o u n t a i n a r e ai nn o v 2 0 0 0 i n d i c a t e dt h a tt l l er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e r q u a l i t ya n d t h es p e c i e s n u m b e ro fp r o t o z o a nc o m m u n i t yd i dn o ta l w a y so b e yt h er u l et h a tm o r eb e t t e r 也e w a t e rq u a l i t yi s m o r es p e c i e se x i s t w h e nt h en u t r i t i o n1 e v e lo ft 1 1 ew a t e rb o d vi su n d e r c e r t a i nv a t u e m o r eb e r e rt h ew a t e rq u a l i t yi s f e w e rs p e c i e se x i s t t l i i s s t u d ya l s o s h o w e dt h a tt h ep f um e t h o dc a nb eu s e di nt h ef i e l do fl o wn u t r i t i o nl e v e ls t r e a m ，a n d i tc a nr e v e a lt h ee f f e c to f h u m a n a c t i v i t yo n l o c a le c o l o g y 3 ) i nn o v 2 0 0 0a n ds e p 2 0 0 1 t h ee c o l o g i c a la s s e s s m e n to nt h eo x i d a t i o np o n d o f 、r a e rl a k ei nh u b e ip r o v i n c ew a sc a r r i e do u tr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t so fp f u b i o m o n i t o r i n gi n d i c a t e dt h a tt h ew a t e rq u a l i t yo f p o n di w h i c hw a st h em o s t p o l l u t e d i i i 华中科技大学硕士学位论文 i n19 8 2 ，i sb e t t e rt h a nt h ew a t e r q u a l i t yo f p o n dii n19 8 2 w h e n c o m p a r e t h ec h e m i c a l f a c t o r sm o n i t o r e dj n19 8 2a n d2 0 0 1 ，t h es a m er e s u l tw a sd i s c o v e r e d s o ，i no n ew o n ， t h eo x i d a t i o np o n d sh a v e a l r e a d yt u r n e di n t of i s h i n gp o n d sa n dh a v ea l m o s tf i n i s h e di t s e c o l o g y r e m e d i a t i o n 4 ) t h i st h e s i sa l s oi n c l u d e st h ev e r i f i c a t i o nw o r ko fan e wr a p i dm e t h o do f t a x o n o m i cl o s s s e v e r a lt o x i c i t yt e s t sw e r ec a r r i e do u t u s i n g p f uf r o m l a k e ，r i v e r ，p o n d o rs t r e a mi nt h e f o l l o w i n gp r o v i n c e ：h e n a n ，i t u b e ia n df u j i a n b yt h em e t h o do f t a x o n o m i ci o s s t h em k f co fc u s 0 4g o t t e nf r o mt h e s et e s t s ，f i t t e dt ot h ec h i n a s t a n d a r df o rs u r f a c ew a t e r t h en e w r a p i dm e t h o da l s od e m o n s t r a t e dt h i sm e t h o di s m o r ee f f e c t i v e ，e c o n o m i ca n dc o n v e n i e n c et h a no t h e rt o x i c i t y m e t h o d s c o m p a r i n g w j t hm e t h o do fm a c a r t h u r w i l s o nc o l o n i z a t i o nc u r v e t h et a x o n o m i c1 0 s sm e t h o dh a s s o m ea d v a n t a g e s ：1 ) s m a l l e rt e s ts p a c e ，s h o r t e rt e s tp e r i o d ，m o r ee c o n o m i c ；2 1c a nb e c o n d u c t e da t a n yp l a c e ，a n ys e a s o n ；3 1i se n v i r o n m e n t a ir e a l i t yb e c a u s eo fi t sl o c a l e p i c e n t e l k e y w o r d s ：p r o t o z o a nc o m m u n i t y , p f um e t h o d ，s t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，f u n c t i o n a l p a r a m e t e r s ，m i c r o b i a lc o m m u n i t y ，c o m m u n i t yc h a r a c t e r i s t i c s ，e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ， o x i d a t i o np o n d i v 华中科技大学硕士学位论文 1 1 生物监测概述 1 绪论 1 1 1 生物监测的基本概念及其理论依据 生物监测( b i l o g i c a lm o n i t o r i n g ) 的定义是系统地利用生物个体、种群或群落对 环境污染的反应以评价环境质量的变化及发展趋势，并把它的信息用于污染控制 的程序中去。因为生态系统能反应出生物与生物、生物与非生物因子的相互关系， 从生物学组建水平观点出发，生物的各级水平( 细胞、组织、器官、个体、种、 种群、群落) 上都有反应，但重点应放在生态系统中的群落层次上。 生态系统理论的基本特点是：自然界的能量处于不断流动，物质处于不断循 环之中。生态系统能量流动和物质循环是迄今为止生态学所揭示的最重要的两个 规律。自然界的每一组成部分都形成某种特定的自然整体，其中生物和非生物环 境不可分割地相互联系和相互作用蓍，彼此之闻进行连续的能量和物质交换。这 种能量流动和物质循环受一系列调节机制的支配，生物在调节机制中起着主导作 用。调节机制的数目随生物种类数目的增多而增加，生物种类数目减少将使调节 机制能集中在少数单位，而当余下的机制受到干扰时，容易引起整个系统的破坏 或瓦解。进一步来讲，生物与其生存的环境是统一的整体。环境创造了生物，生 物又不断地改变着环境，两者相互依存、相互补偿，协同变化。这是生物进化论 的基本思想，是生态学最重要的理论基础之，同时也是生物监测理论依据的核 心。环境污染必然影响生态系统固有结构和功能的变化，生物监测可以反映这种 环境污染的生态效应，从这种意义上说，生物监测的研究无疑属于生态学研究范 畴。 1 1 2 生物监测的目的、意义与方法 环境污染的生态效应实际上主要反映为生物效应。污染物对环境影响的程度， 即毒性的强弱只能通过生物监测的方法才能获得。生物监测的目的是希望在有害 物质还未到达受纳系统之前，以最快的速度把它监测出来，以免破坏受纳系统的 生态平衡。如果有毒物质已经排放到受纳系统，通过生物监测的手段预测预报环 境质量的现状及其变化趋势，结合物理和化学的分析数据及相关的背景资料，为 华中科技大学硕士学位论文 污染的防治对策提供科学依据。为达到这一目的，首先的问题是所选择的监测类 型要求能够从一系列限定大小的监测定位点上反映出种群、群落、生态系统的质 量变化。同时也必须监测不同生态系统中发生的显著性变化，以致单一类型的生 态系统取代了多种不同类型的比较稳定的生态系统，以及了解正在发生变化的生 态系统以何种速度在发生变化，哪些类型的生态系统正在衰退以致消失，以便采 取相应的管理和控制措施，以避免生态赤字或生态消失的发生和发展，使受损害 的生态系统恢复到接近于干扰前的结构和功能水平上。 目前生物监测的方法主要包括室内的毒性试验和野外生物监测。前者又分为 急性毒性试验( a c u t et o x i c i t yt e s t ) 和慢性毒性试验( c h r o n i ct o x i c i t yt e s t ) 两种。急性 毒性试验提供了某种毒物在不同浓度时，在较短时间里( 通常为2 4 、4 8 、9 6 小时) 相对致死性信息。试验的设计是为了得出该毒物在限定时间内致使5 0 受试生物 个体死亡的最高浓度，即临界浓度。试验常用的术语与指标是：半致死浓度( l c s o ) ， 半效应浓度( e c s 小半致死剂量( l d 5 0 ) 和半致死时间( l t s o ) 等。慢性毒性试验是指 在实验室受控制条件下进行的低浓度、长时间的中毒试验，观察毒物不同浓度对 生物的存活、生长、繁殖产生的效应过程，以确定毒物对生物的安全浓度或最高 允许浓度( m a t c ) 。慢性毒性试验时间与生物种类和试验目的有关，从几小时、几 天、数月乃至一年以上。由于毒性试验是在实验室人工控制条件下利用单种生物 进行的，所得出的毒性反应结果代表了较低层次水平，与自然状态下实际反应结 果比较具有局限性。因此野外或现场污染的生物监测受到格外重视。野外生物监 测的重点对象和长远目标扩展到群落和生态系统级层次，评价和预报污染物对接 受系统的压迫结果具有准确性。因为结构与功能是生物群落和生态系统中最基本、 最重要的特征，所以生物监测应该强调结构与功能检验相结合的战略观点，而为 了了解整个生态系统对污染压迫的反应，必须具有结构与功能变化的信息。 1 2 原生动物在生态系统中的地位及作用 原生动物( p r o t o z o 曲是最原始、最简单、最低等的单细胞动物。从形态上看， 原生动物是单一的细胞个体，然而从生理上看，它是很复杂的。它具有维持生命 和持续后代所必需的一切功能：如行动、营养、呼吸、排泄、生殖等，这些功能 由细胞内特化的各种胞器来承担。也就是说它是一个复杂的、高度集中的生命单 位，是一个完整的有机体。绝大多数原生动物都要用显微镜才能观察到，其大小 范围一般在2 9 m 一2 0 0 1 a m 之间。 华中科技大学硕士学位论文 原生动物具有很高的多样性，它在地球上的分布极广，从海洋、江、河、湖、 池、山泉、溪流、沼泽、暂时积水、冰山、盐池等等，只要是有水的地方，都存 在原生动物。在空气中即使没有水的存在，也有原生动物的孢囊。可以这样说原 生动物的分布是无所不在的。从这个意义上讲，原生动物的多样性是非常高的。 据前人估计地球上纯原生动物种类有1 3 6 万种【l j 。 在水生生态系统中生物单元的划分已超越或打破了传统分类学的界限，按照 其生态特点，学者们把生活在水体中，显微镜下才能观察到的小型生物统称为微 型生物。微型生物中既包括自养型的鞭毛虫即植鞭毛藻类，又包括异养型的鞭毛 虫、肉足虫、纤毛虫等原生动物，此外还包括分解者的细菌、真菌以及一些小型 后生动物。它们分布在各个层次的空间并占据着各自的生态位，彼此间有着相互 制约和相互依存的食物网关系，构成一个特定的群落一微型生物群落( m i c r o b i a l c o m m u n i t y ) ，在水域生态系统的能量流动和物质循环中发挥着十分重要的作用1 2 】。 从生态学观点来讲，原生动物组成了自然水体一大生物类群，它们所形成的复杂 的种类聚合体构成了水生生态系统中一个完整的生态单元，显示了整个水生生态 系统结构与功能的许多特征，如群落的稳定性、群落演替规律及对环境变化的反 应等等。另一方面，原生动物种类组成和数量变化在很大程度上可以影响到水生 食物网的组成，因此直接或间接地影响较高等水生生物的分布与丰度1 3 1 。 作为水生食物网的一个重要环节，原生动物在其中所发挥的作用是十分大的。 许多研究表明原生动物对水体中的细菌和藻类具有很强的牧食作用。原生动物具 有很高的牧食效率，并且具有被牧食对象相似的世代时间。从数量上讲，原生动 物是水生态系统( a q u a t i ce c o s y s t e m ) 中最重要的牧食者，它控制着水环境中细菌 的丰度 4 - 7 。仅异养鞭毛虫自身就几乎可以消化掉水体中所有的细菌产物【8 一。由 此可见，一方面原生动物在水体中将超微型生物( 0 2 - - 2 o 啪) 转化成个体较大 的自身，以利于高营养级生物利用【l ”。另一方面，又通过牧食水体中的细菌、细 菌产物及藻类使水质得到改善，起到“水质净化器”的作用【1 1 l 。 原生动物在水生态系统物质循环和营养再生与转换过程中同样发挥了重要作 用。较普遍的认识是在正常水体中有机物质和活体生物之间的比例关系为：溶解 有机物( d o m ) ：颗粒性有机物( p o m ) ：活体生物量= 1 0 0 ：1 0 ：2 ，活体生物量( 全 部水生生物) 所占的比例很小。o d u m ( 1 9 5 7 ) 指出在个干净的s i l v e rs p r i n g 水体中， 净初级生产的5 0 以上转入有机碎屑食物链。能够直接利用d o m 和p o m 的主要 为微型生物中的藻类、细菌和原生动物。在碎屑食物链中原生动物促进其分解的 功效是其它后生动物无可比拟的。在有原生动物存在的情况下，同位素标记的纤 华中科技大学硕士学位论文 维素分解成c 0 2 的速率较没有原生动物存在的快4 倍【l 2 1 。s h e r r ( 1 9 8 2 ) 认为，水生 生态系统中原生动物的一个重要作用，可能就是有选择性地摄取碳水化合物和有 机碎屑。 另外水体中氮和磷的循环过程与原生动物有着十分密切的关系。原生动物对 n h 4 + 和p 的再生作用主要通过分泌有机氮和有机磷及摄食细菌来提高氮、磷的转 化或矿化速率”。研究数据表明，单位重量的原生动物对营养物的矿化率比后生 动物至少大一个数量级【l ”。由于原生动物对细菌和藻类的捕食活动，刺激了细菌 和藻类的生长。一方面使细菌和藻类的生长保持在对数生长期，防止其种群的衰 老退化。另一方面原生动物活动过程中所产生的营养物质被细菌和藻类吸收利用 而维持其生长繁殖【”】。 研究还表明：大多数原生动物是微好氧的，它们倾向于生活在较低溶解氧的 地方【1 6 , 1 7 , 1 8 。有一些原生动物种类在功能上是“厌氧的”，但实际上它们的新陈代 谢机理仍然是好氧的1 t 9 , 2 0 1 。也有一些种类的原生动物是真正厌氧的。对它们来说 0 2 就等同于毒素。这类原生动物主要生活在水体的底泥中。研究证明原生动物是 吞噬营养生物中唯一能够持久生存在缺氧环境中的1 2 “。这一点也说明原生动物的 适应性之强，生存范围之大，同时也说明原生动物具有很强的代表性。 1 3 原生动物在水质毒理评价方面的研究概况 在应用原生动物进行水质评价的早期，主要是通过调查原生动物在水体中的 存在与否、个体消长、种群变化、种类增减等来评价水质状况。 最早应用原生动物判断水质污染状况的要数1 0 0 多年前英国人h a s s a l l ( 1 8 5 2 ) 在研究泰晤士河和伦敦的饮水卫生时，就断定某些纤毛虫与水中有机物质的浓度 有密切的关系。 在应用原生动物进行水质评价的初期，某些种类被选择来做为指示生物。通 过观察指示生物的有无、种群数量大小等指标，来评判水质状况。然而，在应用 指示种类进行监测时也遇到了许多问题：有的种类对有机污染的耐受范围很广， 在四级污染带( 多污带、值中污带、b 中污带、寡污带) 中均有可能出现。 s r a m e k h u s e k ( 1 9 5 8 ) 提出了要考虑指示种类在被研究水体中的数量多少，这样耐受 很广的种类也有一个最适范围问题，在这个最适范围内耐污种才会大量繁殖。沈 韫芬( 1 9 6 0 ，1 9 6 3 ) 的研究表明把纤毛虫做为指示生物时，首先要求这些指示种类在 该水体中是经常而且大量遇见的优势种类；其次纤毛虫有季度变化规律，因而不 4 华中科技大学硕士学位论文 同的季节有不同的指示种类。 应用原生动物单个物种进行化学物质的毒性评价工作也开展的比较广泛。其 中以四膜虫( t e t r a h ) ，m e n a ) 为受试生物的为最多。这也是因为有关四膜虫做为受 试生物的研究进行较多，而且已成为一种方法。s c h u l t z ( 1 9 9 7 ) 用梨形四膜虫 ( t e t r a h y m e n a p y r i f o r m i s ) 做为受试对象来研究醌类的构效关系。试验结果表明： 醌类物质的毒性大小与醌的结构有很大的关系：正醌的毒性为最大，如果在醌环的 两边加上苯环的话，那么它的毒性将大大降低一一即是其浓度达到饱合也不对四 膜虫产生毒性作用。另外该试验还表明，在醌环上的取代基不同其毒性大小也不 同；如果取代位上的取代基是供电子基、甲氧基、羟基的话，将大大降低该物质 的毒性僻】。h u b e r ( 1 9 9 1 ) 用梨形四膜虫来做c d ，p b ，h 叠，除草剂( a s t r a z i n e ) ，高 丙体六六六( l i n d a n e ) ，敌敌畏( d i c h l o r o v o s ) 的毒性试验，主要检测梨形四膜 虫的的死亡率与上述物质的浓度的关系。试验结果为：上述污染物质的e c 5 0 依 次为：3 0 9 p p m ，5 6 2 p p m ，1 5 8 p p m ，5 4 9 5 4 p p m ，3 5 4 8 p p m ，1 2 8 8 2 p p m t ”j 。 j o r g a n l a r s e n 等( 1 9 9 7 ) 试图用梨形四膜虫做为受试生物来建立一种简单有效的毒 性检测方法【2 4 j 。 也有学者尝试用多种原生动物来同时评价水质或化学物质的毒性。在这方面， m a d o n i 用a s p i d i s c ac i c a d a , e u p l o t e sa y l n i s , ep a t e l l a , p a r a m e c i u mc a u d a t u m ， d e x i o s t o m ac a m p y l a , a n du r o n e m an i g r i c a n s 六种纤毛虫来评价镉、铜、汞、锌的 2 4 小时急性毒性效应 2 5 - 2 8 】。之所以称之为多种原生动物毒性试验，是因为受试对 象即不是单种的，也不是原生动物群落；而是几到几十种原生动物( 大多是纤毛 虫) 。a b r a h a m 等( 1 9 9 7 ) 在两年时间通过检测一家污水处理厂曝气池中的纤毛虫种 群及其变化，来反应曝气池中的铁、锌、铜、铬的浓度变化 2 9 j ；m o m p u e h l a ( 1 9 9 0 ) 用纤毛虫的组成交化来指示重金属浓度的变化【3 0 】。研究都表明纤毛虫种类的增减、 种群密度变化与重金属的浓度大小有正的和负的相关性。p o r e m b a ( 1 9 9 0 ) 用腰鞭毛 虫( d i n o f l a g e l l a t e s ) 来对重金属、酚、表面活性剂来做毒性试验p ”。p o r e m b a ( 1 9 9 1 ) 用食菌性腰鞭毛虫种群达到生长顶峰的时间变化来评价化学物质的毒性强度p 引。 除了上述应用原生动物来评价水体污染状况的大量研究工作之外，现在的研 究热点则是利用原生动物群落来进行淡水生态毒理学的研究。 1 4 p f u 法概述 原生动物作为一个特有的类群在水生生态系统中占据着十分重要的地位，同 华中科技大学硕士学位论文 时也起到很大的作用。而且，应用原生动物来做为指示生物，评价水环境已得到 了一定的应用。那么，在自然界中多种原生动物的存在是否是以群落为结构单元 的呢? 我们能否应用原生动物群落这一更高的结构单元来评价水环境呢? 如前所述，原生动物群落结构与功能特征是客观存在的。许多例证已经证实， 原生动物群落生态因环境因素的改变而产生的改变，符合许多高等生物反应所发 展的模型【3 3 l 。 利用p f u ( p o l y u r e t h a n ef o a mu n i t _ 一聚氨酯泡沫塑料块) 采集微型生物群落并 用以评价水质是美国著名生态学家、美国科学院院士c a i r n s 教授于1 9 6 9 年创立的 新方法。后经我国原生动物学家、中国科学院院士沈韫芬先生及其他研究工作者 经历了十多年的不断改进、验证和技术应用，使其得到丰富和完善，最终成为我 国首例生物监测的标准方法：水质微型生物群落监测- p f u 法( g b j t 1 2 9 9 0 - - 9 1 ) 。本论文所报道的研究内容的实施及结果的获得主要应用了p f u 法。 下面对p f u 法做以概述。 1 4 1 p f u 原生动物的群落特征 m a c a r t h u r - w i l s o n 岛屿动物地理平衡模型( c o l o n i z a t i o nm o d e l ) 于1 9 6 3 年提出 p 。该理论认为岛屿具有明确的界限。如果物种要从别的地方迁入到一个相对地 理区域隔离的“荒芜”的岛屿上，在静态方面就会与岛屿面积的大小有关，在动 态方面与物种的迁入或迁出有关，这就是群集过程( c o l o n i z a t i o n ) 。在岛屿环境没 有受到任何干扰条件下，岛屿群集过程的最初阶段，物种之间没有相互作用，群 集速度只受拓殖物种的扩散能力和消失潜能的影响。当种类的群集速度和种类的 消失速度交叉时，种数就达到了平衡点。这时群落内才产生相互作用，如竞争、 掠食等种间相互作用。这种相互作用决定岛屿的生物组成，显示出群落统一性特 点。对周围环境来说，此群落能维持一定程度的自主性。m a c a r t h u r - w i l s o n 的岛 屿生物地理平衡模型f e q u i l i b r i u m m o d e lo fi s l a n d b i o g r a p h y ) 理论 ( m a c a r t h u r - w i l s o n ，1 9 6 7 ) ，其表达式为s t = s 。q ( 1 一e - g t ) 。s t 为t 时的种数，s 。q 为估 计的平衡种数，g 为群集速度( c o l o n i z a t i o nr a t e ) 常数【3 5 1 。 c a i r n s 等( 1 9 6 9 ) g 提出用p f u 法采集微型生物群落，认为在相同的生境中有 孤立的、相当荒芜的、有机体难以逾越的小生境，可称之为“岛”。因此河流、湖 泊、海洋等各种类型水体中的自然基质( 如沉水木块、泥砂、碎屑、动物残体等) 、 人工基质( 载玻片、塑料块等) 都可以认为是一个生态上的“岛”。对原生动物来说， 悬挂在水中的p f u 就是个小岛。用p f u 法得到的原生动物群集过程与 华中科技大学硕士学位论文 m a c a r t h u r w i l s o n 的平衡模型一致【3 剐。p f u 原生动物群集速度随p f u 内种类的 增加而增加，p f u 内原生动物的迁入与迁出速度相当时即是种类的平衡点。不同 的环境条件有不同的群集速度和平衡期，水体中理化因子的剧变，毒物的污染都 可以影响p f u 原生动物的群集过程而破坏这个平衡。因为污染压迫破坏了原来平 衡状态中群落间相互作用的竞争机制，以回复到无相互作用的群集阶段，并由新 的群集过程决定新的平衡种数( 沈韫芬等1 9 9 0 ) 。因为p f u 群落的建立在初期阶段 基本上没有相互作用的过程，只受种类库( s p e c i e s p 0 0 1 ) 的影响。如果有机体扩散的 能力都均等，那么任何种类能否群集到p f u 上决定于它的种类丰度和个体密度。 种类的丰度越高，群集到p f u 上的可能越大。p f u 中增加的新的迁入种类是从密 度低种类中拓殖出来的。如果延长p f u 在污染水体中的曝露时间，新见种类会越 来越少，最终达到回降点( p o i n to fd i m i n i s h i n gr e t u r n ) 。污染压迫水体中p f u 原生 动物达到回降点的速度要比正常水体快得多。因为在正常水体中种类多而个体密 度低，而污染水体( 特别是有机污染堤种类少而密度高，故当污染水体中p f u 达 到回降点时，正常水体中的p f u 种类还在上升。因此，p f u 上原生动物的群集过 程直接反映出周围天然原生动物群落特点及其对污染压迫的反应1 3 9 , 4 0 】。 通过用p f u 法对微型生物群落群集过程的研究发现，对于污染程度较重的水 体，其群集过程满足m a e a , t h u r w i l s o n 平衡模型的概率也就越小。这是因为 m a c a r t h u r w i l s o n 模型是在没有环境压迫的理想条件下推导出来的缘故。然而做 为生物监测方法的p f u 法，正是利用环境压迫在模型参数中的反映来监测污染水 体。因此在重污染水体中，就有可能使微生物的群集过程不符合理想的平衡模型。 据此，王继忠等( 1 9 8 9 ) 对p f u 法中的m a c a r t h u r w i l s o n 平衡模型进行了修改。 修改模型如下：s | = s 。( 1 - e 旬t ) ( 1 + h e 乇t ) ，其中h 是污染强度级( 3 3 】。 1 4 2 p f u 法所提出的生物学参数 c a i r n s 于1 9 6 9 年提出原生动物在p f u 上的群集过程符合m a c a r t h u r - w i l s o n 的岛屿生物地理平衡模型，并提出了三个功能参数：s e q 为平衡时的种数，g 为 群集曲线的斜率( 也称为群集速度常数) ，t 9 0 为达9 0 s e q 所需的时间。如果环 境受到污染压迫，原来的平衡被破坏，3 个参数均会变化。 沈韫芬等经过大量试验认为：p f u 法所提出的生物学参数应该包括原生动物 群落结构参数和功能参数两方面，才能全面反映问题。这是因为结构与功能之间 存在特有的辨证关系。主要体现在：1 ) 结构与功能是相互储存的，要素与结构是 功能的内存根据，是基础，功能是要素与结构的外在表现。一定的结构表现一定 7 华中科技大学硕士学位论文 的功能，一定的功能总是由一定结构产生的。2 ) 结构与功能又是相互制约、相互 转化的。一方面，群落结构决定群落功能。另一方面，功能具有相对独立性，可 反作用于结构。在环境变化的影响下，此时结构虽然未变化，但功能首先不断发 生变化，功能变化又反过来影响结构。3 ) 结构和功能的联系密不可分。比如说组 成群落的要素相同，但结构不同那么群落表现的功能就不同“”。 1 4 2 1 原生动物群落的结构参数 物种数即试验过程中所观察到的p f u 内原生动物种数，用s 来表示。 p f u 内所观察的原生动物物种数的多少与p f u 所在生境的水质状况好坏有直接关 系。一般来说，水质越好物种数越多；污染越严重物种数越少。 多样性指数多样性指数是指p f u 原生动物群落的物种多样性，用d 来表示。应用m a g l a e f 多样性指数公式进行计算： d = ( s - - 1 ) 1 1 1 n 其中：s 一一原生动物种数 n 一一原生动物丰度 一般来说，原生动物群落多样性越高所在生境的污染越轻。多样性指数能够 很好地反映所在生境的污染状况。例如，一个富营养化较轻的水体，其物种数也 是较大的，如果仅考虑物种数的话，会认为水体的水质是较好的：但是如果我们 计算它的多样性指数时我们会发现其d 值是很小的。原因是什么呢? 这是多样性 指数不但考虑了原生动物群落的物种数多少，同时也将每种原生动物种类的个体 数量，即原生动物丰度计算在内的结果。也就是说它较全面地反映了原生动物群 落的实际状况。 异养性指数异养性指数反映的是异养生物的多少。 其计算公式如下： h i = 生物量叶绿素a 在此公式中生物量用a t p 或去灰分干重表示，它包括了自养性生物和异养性 生物( 细菌、真菌、藻类、原生动物、小型后生动物) ，叶绿素代表了自养性生物。 因此指数越大，表示异养生物成份越大，水质越差。 植鞭毛虫百分比即：植鞭毛虫( 自养性的鞭毛藻类) 在p f u 原生动 物群落当中所占百分比。它反应出原生动物群落中自养生物和异养生物的比例。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 2 2 原生动物群落的功能参数 s e q ：原生动物群落达到平衡时的种数，它是应用m a c a r t h u r w i l s o n 岛屿动物 地理平衡模型对p f u 群集过程中的原生动物数据进行模型验证。更能反映客观实 际。 g ： 群集曲线的斜率，群集曲线的斜率反映原生动物在p f u 上群集的快慢。 g 值的大小与p f u 所放的生境类型( 流动性如何) 、所处生境的污染状况有密切 关系。 t 9 0 ：达9 0 s e q 所需时间 1 4 3p f u 法在生物监测及生态毒理学评价中的优越性 首先，p f u 法中所用到的试验对象原生动物具有下列优点：它是单细胞 的，细胞本身直接接触环境，能最直接、迅速地反应环境变化。分布十分广泛， 有许多种类几乎是全球分布的，有很强的代表性。原生动物在水生生态系统中占 有重要位置，它的变化可以影响到水生食物网的组成。 其次，p f u 法的试验对象原生动物在客观生境中以群落形态存在，用它 做监测有较高的生态学意义。如今，生态毒理学的发展趋势是试图研究毒性污染 物质对生态系统的作用机理1 4 2 , 4 3 1 。然而无论是用一个如何小的生态系统来做为受 试对象都是十分困难的。因此群落就成为最理想的选择。这是因为，一方面群落 级毒性试验方法对于全面，真实地评价化学物质的生态毒理效应是十分有效的； 另一方面应用群落来做为受试对象也较为容易实现。m ，4 5 】 再次，p f u 法采集原生动物较其它生物采样方法优越。具体表现如下：p f u 悬浮在水面下，方法简便，易于操作，不受季节、地点的影响。即使水质十分恶 劣，其它生物如鱼、底栖动物等均己灭绝的情况下，用p f u 法仍能采到特别耐污 的原生动物种类。由于p f u 孔径d ( 1 5 0 微米) ，大型的浮游动物和其它无脊椎动 物无