环境污染生物监测.ppt

第六章环境污染生物监测 1 了解水环境污染生物监测方法2 掌握细菌学检测方法3 了解空气污染监测方法4 掌握生物样品的采集 制备 预处理和测定5 了解生物污染监测的意义和主要方法6 了解生态监测的方法 建议学时数 6学时 定义 当空气 水体 土壤等环境要素受到污染后 生物在吸收营养的同时 也吸收了污染物 并在体内迁移 积累 从而遭受污染 受到污染的生物 在生态 生理和生化指标 污染物在体内的行为等方面会发生变化 出现不同的症状或反应 利用这些变化来反应和度量环境污染程度的方法称为生物监测法生态 群落 个体生态 监测 生物测试 毒性测定 致突变测定等 生物的生理 生化指标测定 生物体内污染物残留量的测定等 生物监测 生物监测的任务 对环境中各种生物指标进行定期或临时的监测 了解污染物对生物的危害和影响 从而判定环境污染的类型和程度通过对自然环境和污染环境长期积累的监测资料和趋势分析 为政府制定法规 环境质量标准 环境质量控制对策和环境管理提供可靠依据积极展开生物监测技术研究 促进生物监测技术发展 常用生物监测手段 水污染的生物监测手段 利用指示生物进行环境监测 利用水生生物群落结构变化监测水污染 水污染的生物测试 通过生物生理机能变化来测试水质污染状况大气污染的生物监测手段 利用指示植物监测大气污染 测定植物污染物的含量 估测大气污染状况 观测植物的生理生化反应 对大气污染的长期效应做出判断土壤较少 第一节水环境污染生物监测 一 水环境污染生物监测的目的 样品采集和监测项目 一 目的 了解污染对水生生物的危害状况 判别和测定水体污染的类型和程度 为制定控制污染措施 使水环境生态系统保持平衡提供依据二 样品采集 尽可能与化学监测断面一致 采样点数使视具体情况而定三 监测项目 见表6 1 P292 表6 1河 湖 库淡水生物监测项目及频率 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 一 水污染指示生物 生物群落中生活着各种水生生物 如浮游生物 着生生物 底栖动物 鱼类和细菌等 由于它们的群落结构 种类和数量的变化能反映水质状况 故称之为指示生物 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着生生物 即周丛生物 是指附着于长期浸没水中的各种基质 植物 动物 石头 人工 表面上的有机体群落底栖动物是栖息在水体底部淤泥内 石块或砾石表面及其间隙中 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2mm 亦称底栖大型无脊椎动物在清洁的河流 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 二 生物指数监测法 定义 依据不利环境因素 如各种污染 对生物群落结构的影响 用数学形式表现群落结构来指示环境质量状况1 贝克生物指数贝克生物指数 BI 2A B2 贝克 津田生物指数 3 生物群落中的种类多样性是群落生态组织水平的生物学特征 且反应群落功能的组织特性种类多样性有两方面的意义 一是群落中的种类数 另一种是群落中各种类个体数的分布 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 如硅藻指数 2A B 2C硅藻指数 X100A B C 不耐污染藻类的种类数 广谱性藻类的种类数 仅在污染水域才出现的藻类种类数 三 污水生物系统法 方法将受有机物污染的河流按其污染程度和自净过程划分为几个互相连续的污染带 每一带生存着各自独特的生物 指示生物 根据河流的污染程度 通常将其划分为四个污染带 即多污带 中污带 中污带和寡污带 各污染带水体内存在着特有的生物种群见表6 2 P295 296 表6 2污水系统生物学 化学特征 多污带 polysaprobiczone 中污带 mesosaprobiczone 中污带 mesosaprobiczone 寡污带 oligosaprobiczone 四 PFU微型生物群落监测法 PFU法 1 方法原理2 测定要点3 结果表示 参数 方法原理 微型生物群落是指水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 原生动物和小型后生动物等 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 水体中大部分微型生物种类均可群集到PFU内 达到种数平衡 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 三 生物测试法 一 水生生物毒性试验利用生物受到污染物质危害或毒害后所产生的反应或生理机能的变化 来评价水体污染状况 确定毒物安全浓度的方法称为生物测试法进行水生生物毒性试验可用鱼类 藻类等 其中以鱼类毒性试验应用较广泛 鱼类对水环境的变化反应十分灵敏 当水体中的污染物达到一定浓度或强度时就会引起一系列的中毒反应 根据试验水所含毒物浓度的高低和暴露时间的长短 毒性试验可分为急性试验和慢性试验毒性试验方法可分为静水式试验和流水式试验两大类前者是把受试生物放于不流动的试验溶液中 测定污染物的浓度与生物中毒反应之间的关系 从而确定污染物的毒性 后者把受试生物放于连续或间歇流动的试验溶液中 测定污染物浓度与生物反应之间的关系 试验特点 静水式生物试验 适用于试液毒物成分稳定 耗氧量低的污水或毒物流水式生物试验 适用于慢性毒性试验 可以保证试液浓度 防止试验生物代谢产物的蓄积 保证试液有较高的溶解氧急性毒性试验 在24 96h内即能显示被测物对试验生物的致死或其他有害效应的测试慢性毒性试验 测定低浓度毒物对试验生物全活动周期的影响试验 常以存活 生长 产卵和孵化率等为指标 术语 致死浓度 LethalConcentration 简称LC 是足以使受试生物死亡的毒物浓度半致死浓度 MedianlethalConcentration简称LC50 造成50 的受试生物在一定观察期内死亡的浓度半数存活率或半数忍受限 MediantoleranceLimit 简称TLM 指在一定时期内使受试生物50 存活的毒物浓度 毒物最大允许浓度 Maximumallowabletoxicantconcentration 简称MATC 指在承受排放的天然水体中可溶许存在而不对生产力或其他用途有不良影响的浓度MATC也是在慢性试验中 毒物对受试生物无影响的最高浓度和有影响的最低浓度之间的阈浓度 在慢性毒性试验中 常用受试鱼生产指数来测定毒物最大容许浓度 所谓鱼生产指数 是鱼正常生长和繁殖后代的指数应用系数 Applicationfactor 简称AF 根据急性毒性试验求的LC50或TLM推算毒物对鱼类安全浓度的一种常数K 应用系数 毒物最大允许浓度 96小时LC50 二 发光细菌法 三 其它方法生产力测定 叶绿素含量 光合作用能力 固氮能力等 致突变和致癌物质的检测方法有 微核测定 艾姆斯 Ames 试验 染色体畸变试验等 四 细菌学检验法 在实际工作中 经常以检验细菌总数 特别是检验作为粪便污染的指示细菌 如总大肠菌群 粪大肠菌群 粪链球菌 肠道病毒等 来间接判断水的卫生学质量1 水样采集采集细菌学检验用水样 必须严格按照无菌操作要求进行 防止在运输过程中被污染 并应迅速进行检验 一般从采样到检验不宜超过2小时 在10 以下冷藏保存不得超过6小时采集江 河 湖 库等水样 可将采样瓶沉入水面下10 15cm处 瓶口朝水流上游方向 使水样灌入瓶内 需要采集一定深度的水样时 用采水器采集 采集自来水样 首先用酒精灯灼烧水龙头灭菌或用70 的酒精消毒 然后放水3分钟 再采集约为采样瓶容积的80 左右的水量 2 细菌总数的测定细菌总数是指1mL水样在营养琼脂培养基中 于37 经24小时培养后 所生长的细菌菌落 CFU 的总数 它是判断饮用水 水源水 地表水等污染程度的标志3 总大肠菌群的测定总大肠菌群是指那些能在35 48小时之内使乳糖发酵产酸 产气 需氧及兼性厌氧的 革兰氏阴性的无芽孢杆菌 以每升水样中所含有的大肠菌群的数目表示4 其它粪便污染指示细菌的测定粪大肠菌群 沙门氏菌 链球菌等 生物监测法是通过生物 动物 植物 微生物 在环境中的分布 生长发育状况及生理生化指标和生态系统的变化来研究环境污染情况 测定污染物毒性 第二节空气污染生物监测 一 利用植物监测 一 指示植物及其受害症状1 指示植物2 受害症状二 监测方法1 栽培指示植物监测法2 植物群落监测法3 其他监测法 大气污染对植物的影响 对群落的影响 敏感种消失 抗性强的保留甚至发展 对个体的影响 生长减慢 发育受阻 失绿发黄和早衰等 对组织器官的影响 叶组织坏死 叶面出现伤斑 对细胞和细胞器的影响 细胞膜系统的适应性被破坏 引起水份和离子平衡失调 对酶系统的影响 影响生化反应 导致代谢破坏 指示植物指受到污染物的作用后能较敏感和快速地产生明显反应的植物 可以选择草本植物 木本植物及地衣 苔藓等监测方法 1 栽培指示植物监测法 2 植物群落监测法 3 其他监测法 指示植物的作用 能综合反映大气污染对生态系统的影响能较早的发现大气污染能监测出不同的大气污染能反映一个地区的污染历史 1 指示植物 2 受害症状 SO2监测植物 矮牵牛 二 监测方法 利用植物对大气污染物的反应 监测有害气体的成分和含量 达到了解大气环境质量状况 称之为大气污染的生物监测栽培指示植物监测法植物群落监测法其他监测法 1 栽培指示植物监测法 先将指示植物在没有污染的环境中盆栽培植 待生长到适宜大小时 移至监测点 观测它们受害症状和程度 植物指示器如图所示 2 植物群落监测法 调查现场植物群落中各种植物受害症状和程度 估测大气污染情况 表6 5排放SO2的某些化工厂附近植物群落受害情况 调查地衣和苔藓法 通过调查树干上的地衣和苔藓的种类与数量 便可估计大气污染程度 在工业城市 通常距市中心越近 地衣的种类越少 重污染区内一般仅有少数壳状地衣分布 随着污染程度的减轻 便出现枝状地衣 在轻污染地区 叶状地衣数量最多 3 其他监测法调查树木的年轮 剖析树木的年轮 可以了解所在地区大气污染的历史 一般 污染严重或气候条件恶劣年份树木的年轮较窄 木质比重小还有生产力测定法 指示植物中污染物质含量测定法等 二 利用动物监测 在一个区域内 利用动物种群数量的变化 特别是对污染物敏感动物种群数量的变化 也可以监测该区域空气污染状况 三 利用微生物监测 空气不是微生物生长繁殖的天然环境 故没有固定的微生物种群 它主要通过土壤尘埃 水滴 人和动物体表的干燥脱落物 呼吸道的排泄物等方式带入空气中 一 生物对污染物的吸收及在体内分布 第三节生物污染监测 一 污染物在植物体内的分布 污染物被植物吸收后 在植物体内各部位的分布规律与吸收污染物的途径 植物品种 污染物的性质等因素有关从土壤和水体中吸收污染物的植物 一般分布规律和残留量的顺序是 根 茎 叶 穗 壳 种子 空气污染物主要通过粘附 从叶片气孔或茎部皮孔侵入方式进入植物体内粘附是指污染物粘附在植物表面的现象气态污染物如氟化物 主要通过植物叶面上的气孔进入叶肉组织 首先溶解在细胞壁的水分中 一部分被叶肉细胞吸收 大部分则沿纤维管束组织运输 在叶尖和叶缘中积累 使叶尖和叶缘组织坏死 植物通过根系从土壤或水体中吸收水溶态污染物 其吸收量与污染物的含量 土壤类型及植物品种等因素有关污染物进入植物体后 在各部位分布和蓄积情况与吸收污染物的途径 植物品种 污染物的性质及其作用时间等因素有关 二 动物对污染物的吸收及在体内的分布 环境中的污染物一般通过呼吸道 消化道 皮肤等途径进入动物体内 空气中的气态污染物 粉尘从鼻 咽 腔进入气管 有的可到达肺部 水和土壤中的污染物质主要通过饮用水和食物摄入 经消化道被吸收 皮肤是保护肌体的有效屏障 但具有脂溶性的物质 如四乙基铅 有机汞化合物 有机锡化合物等 可以通过皮肤吸收后进入动物肌体 动物吸收污染物质后 主要通过血液和淋巴系统传输到全身各组织发生危害 二 生物样品的采集和制备 一 植物样品的采集和制备1 植物样品的采集 1 调查 采样的目的 污染情况 环境因素 植物特点 其他情况 采集的样品要具有代表性 典型性 适时性 2 布点方法 梅花型 交叉间隔布点法 3 采样方法 1 鲜样的制备 洗涤 将样品用清水 去离子水洗净 晾干或拭干 切碎 将晾干的鲜样切碎 混匀 称取100g于电动高速组织捣碎机的捣碎杯中 加适量蒸馏水或去离子水 开动捣碎机捣碎1 2min 制成匀浆 对含水量大的样品 如熟透的西红柿等 捣碎时可以不加水 研磨 对于含纤维多或较硬的样品 如禾木科植物的根 茎杆 叶子等 可用不锈钢刀或剪刀切 剪 成小片或小块 混匀后在研钵中加石英砂研磨 2 植物样品的制备 2 干样的制备 风干 将洗净的植物鲜样尽快放在干燥通风处风干 茎杆样品可以劈开 如果遇到阴雨天或潮湿气候 可放在40 60 鼓风干燥箱中烘干 以免发霉腐烂 并减少化学和生物变化 磨碎 将风干或烘干的样品去除灰尘 杂物 用剪刀剪碎 或先剪碎再烘干 再用磨碎机磨碎 谷类作物的种子样品如稻谷等 应先脱壳再粉碎 过筛 将粉碎好的样品过筛 一般要求通过1mm筛孔即可 有的分析项目要求通过0 25mm的筛孔 制备好的样品贮存于磨口玻璃广口瓶或聚乙烯广口瓶中备用 保存 对于测定某些金属含量的样品 应注意避免受金属器械和筛子等污染 因此 最好用玛瑙研钵磨碎 尼龙筛过筛 聚乙烯瓶保存 3 分析结果表示方法 植物样品中污染物质的分析结果常以干重为基础表示 mg kg干重 以便比较各样品某一成分含量的高低 含水量常用重量法测定 即称取一定量新鲜样品或风干样品 于100 105 烘干至恒重 由其失重计算含水量 对含水量高的蔬菜 水果等 以鲜重表示计算结果为好 3 动物样品的采集和制备 动物的尿液 血液 唾液 胃液 乳液 粪便 毛发 指甲 骨骼和组织等均可作为检验样品 1 尿液绝大部分毒物及其代谢产物主要由肾脏经膀胱 尿道随尿液排出 尿液收集方便 因此 尿检在医学临床检验中应用较广泛 尿液中的排泄物一般早晨浓度较高 可一次收集 也可以收集8h或24h的尿样 测定结果为收集时间内尿液中污染物的平均含量 2 血液血液中有害物质的浓度可反映近期接触污染物质的水平 并与其吸收量呈正相关 以往从静脉取血样 手续较繁琐 取样量大 随着分析技术的发展 减少了血样用量 用耳垂 指血代替静脉血 给实际工作带来了方便 3 毛发和指甲蓄积在毛发和指甲中的污染物质残留时间较长 即使已脱离与污染物接触或停止摄入污染食物 血液和尿液中污染物含量已下降 而毛发或指甲中仍容易检出 头发中的汞 砷等含量较高 样品容易采集和保存 故在医学和环境分析中应用较广泛 人发样品一般采集2 5g 男性采集枕部发 女性原则上采集短发 采样后 用中性洗涤剂洗涤 去离子水冲洗 最后用乙醚或丙酮洗净 室温下充分晾干后保存和备用 4 组织和脏器 5 水产食品 1 湿法分解常用的消解试剂体系有 硝酸 高氯酸 硝酸 硫酸 硫酸 过氧化氢 硫酸 高锰酸钾 硝酸 硫酸 五氧化二钒等 2 灰化法不使用或者少使用化学试剂 并可处理较大称量的样品 有利于提高测定微量元素的准确度 但是因为灰化温度一般为450 550摄氏度 不宜处理测定易挥发组分的样品 此外 灰化所用的时间也较长 一 消解和灰化 三 生物样品的预处理 二 提取 分离和浓缩 1 提取方法 振荡浸取法 蔬菜 水果 粮食等样品都可使用这种方法 将切碎的生物样品置于容器中 加入适当的溶剂 放在振荡器上振荡浸取一定时间 滤出溶剂后 用新溶剂洗涤样品滤残或再浸取一次 合并浸取液 供分析或进行分离 富集用 组织捣碎提取法 取定量切碎的生物样品 放入组织捣碎杯中 加入适当的提取剂 快速捣碎3 5min 过滤 滤渣重复提取一次 合并滤液备用 该方法提取效果较好 应用较多 特别是从动植物组织中提取有机污染物质比较方便 脂肪提取器提取 索格斯列特 Soxhlet 式脂肪提取器 简称索氏提取器或脂肪提取器 常用于提取生物 土壤样品中的农药 石油类 苯并 a 芘等有机污染物质 提取方法 将制备好的生物样品放入滤纸筒中或用滤纸包紧 置于提取筒内 在蒸馏烧瓶中加入适当的溶剂 连接好回流装置 并在水浴上加热 则溶剂蒸气经侧管进入冷凝器 凝集的溶剂滴入提取筒 对样品进行浸泡提取 当提取筒内溶剂液面超过虹吸管的顶部时 就自动流回蒸馏瓶内 如此重复进行 因为样品总是与纯溶剂接触 所以提取效率高 且溶剂用量小 提取液中被提取物的浓度大 有利于下一步分析测定 该方法费时 常用作研究其他提取方法的对照比较方法 直接球磨提取法 该方法用己烷作提取剂 直接将样品在球磨机中粉碎和提取 可用于提取小麦等粮食中的有机氯及有机磷农药 由于不用极性溶剂提取 可以避免以后费时的洗涤和液 液萃取操作 是一种快速提取方法 提取用的仪器是一个50mL的不锈钢管 钢管内放两个小钢球 放入1 5g样品 加2 8g无水硫酸钠 20mL已烷 将钢管盖紧 放在350r min的摇转机上 粉碎提取30min即可 回收率和重现性都比较好 2 分离方法 液 液萃取法 是依据有机物组分在不同溶剂中分配系数的差异来实现分离的 蒸馏法 适用于测定蔬菜 水果等生物样品中有机氯 磷 农药残留量 层析法 层析法分为柱层析法 薄层层析法 纸层析法等 其中 柱层析法在处理生物样品中用的较多 方法的原理是将生物样品的提取液通过装有吸附剂的层析柱 则提取物被吸附在吸附剂上 但由于不同物质与吸附剂之间的吸附力大小不同 当用适当的溶剂淋洗时 则按一定的顺序被淋洗出来 吸附力小的组分先流出 吸附力大的组分后流出 使它们彼此得以分离 磺化法和皂化法 磺化法是利用提取液中的脂肪 腊质等干扰物质能与浓硫酸发生磺化反应 生成极性很强的磺酸基化合物 并进入硫酸层 分离硫酸层后 洗去残留在提取液中的硫酸 再经脱水 得到纯化的提取液 该方法常用于有机氯农药的净化 对于易被酸分解或与之起反应的有机磷 氨基甲酸酯类农药 则不适用 皂化法是利用油脂等能与强碱发生皂化反应 生成脂肪酸盐而将其分离的方法 例如 用石油醚提取粮食中的石油烃 同时也将油脂提取出来 如在提取液中加入氢氧化钾 乙醇溶液 油脂与之反应生成脂肪酸钾盐进入水相 而石油烃仍留在石油醚中 气提法和液上空间法 这两种方法也常用于分离生物样品提取液中的欲测组分或干扰组分 低温冷冻法 基于不同物质在同一溶剂中的溶解度随温度不同而不同的原理进行彼此分离的 3 浓缩方法 生物样品的提取液经过分离净化后 欲测污染物浓度可能仍达不到分析方法的要求 这就需要进行浓缩 常用的浓缩方法有 蒸馏或减压蒸馏法 K D浓缩器浓缩法 蒸发法等 四 污染物的测定 一 常用的测定方法 光谱分析法 色谱分析法 电化学分析法 放射分析法 联合检测技术等 二 测定实例 粮食中几种有害金属 铜 锌 镉 铅 铬 汞 及类金属 砷 元素测定 植物中氟化物的测定 鱼组织中有机汞和无机汞的测定 水果及蔬菜中有机磷农药的测定 第四节生态监测 一 生态监测的概念 1 生态监测定义生态监测是在地球的全部或局部范围内观察和收集生命支持能力的数据 并加以分析研究 以了解生态环境的现状和变化 所谓生命支持能力数据 包括生物 人类 动物 植物和微生物等 和非生物 地球的基本属性 它可以分为三种 生境 Habitat 动物群 Fauna 经济的 社会的 Economic Social 所谓生境是指群落具体生长的环境 它分为 永久属性 半永久属性和短暂或季节性属性 2 生态监测的目的 1 了解所研究地区生态系统的现状及其变化 2 根据现状及变化趋势为评价已开发项目对生态环境的影响和计划开发项目可能的影响提供科学依据 3 提供地球资源状况及其可利用数量 二 生态监测的类型及内容 根据生态监测的对象及其涉及的空间尺度 可分为宏观生态监测和微观生态监测 1 宏观生态监测这类监测是对区域范围内生态系统的组合方式 镶嵌特征 动态变化和空间分布格局等及其在人类活动影响下的变化进行观察和测定 2 微观生态监测 微观生态监测是对某一特定生态系统或生态系统聚合体的结构和功能特征及其在人类活动影响下的变化进行监测 按照微观生态监测内容 可分为 干扰性生态监测 指对人类特定生产活动干扰生态系统的情况进行监测 如砍伐森林所造成的森林生态系统结构和功能 水文过程和物质迁移规律的改变 草场过度放牧引起的草场退化 生产力降低 湿地的开发引起的生态改变 污染物排放对水生生态系统的影响等 污染性生态监测 主要指对农药及重金属等污染物在生态系统食物链中的传递及富集进行监测 治理性生态监测 指对破坏的生态系统经人类治理后 生态平衡恢复过程中的监测 如对沙漠化土地治理过程的监测 三 生态监测方案 1 制订及实施程序生态监测方案的制订和实施程序 2 我国优先监测的生态项目 1 全球气候变暖引起的生态系统或动植物区系位移 2 珍稀 濒危动植物种的分布及其栖息地 3 水土流失面积及其时空分布和对环境影响 4 沙漠化面积及其时空分布和对环境影响 5 草场沙化退化面积及其时空分布和对环境影响 6 人类活动对陆地生态系统 森林 草原 农田 荒漠等 结构和功能的影响 7 水环境污染对水体生态系统 湖泊 水库 河流和海洋等 结构和功能的影响 8 主要环境污染物 农药 化肥 有机污染物和重金属 在土壤 植物 水体系统中的迁移和转化 9 水土流失地