环境管理_污染生态学培训课件

污染生态学 中科院动物所许木启 博士 研究员 博士生导师 前言 生态系统的相对稳定是人类赖以生存与发展的必要条件 维护与保持生态平衡 促进生态系统的良性循环和健康发展是关系到人类的前途和命运的重大课题 自然生态系统是在长期的历史发展中形成的 组成一个生态系统的生命系统和非生命系统的各种因素之间是相互协调的 从而形成一个完整的生态单元 从外部加进或减少其中某一重要环节 使物质和能量的输入与输出发生改变 或超出它本身的自动调节能力 就可能使生态系统的微妙精巧平衡遭到破坏而引起严重的后果 上世纪以来 特别是近二十年来 随着科技的进步和社会生产力的提高 人类创造了前所未有的物质财富 加速推进了文明发展的进程 与此同时 人类正以前所未有的规模和强度影响环境 损害和改变自然生态系统 使全球生命支持系统的持续性受到严重的威胁 这主要体现在人们在寻求发展经济和开发享用自然资源的时候 采取短视行为 忽视了生态系统的支持能力 一方面对有限的自然资源进行掠夺性的开采 另方面又将生产过程的副产品 污染物 大量排放到自然环境中 使许多原本健康或一些本来就十分脆弱的生态系统急剧退化和受损 其中包括江河湖海污染严重 土地荒漠化 水土流失 森林面积减少 植被破坏 生物多样性丧失等等一系列生态灾难 Ecologicaldisaster 致使自然生态系统的健康或它的完整性 integrity 受到越来越大的损害 二次世界大战以来 随着工农业生产的发展 特别是大量有机化合物的人工合成 生产和使用 环境污染日益严重 对全球生态系统造成巨大影响 严重威胁人体健康 因此引起各国科学家特别是生态学家们的重视 开展了污染事件的大量调查 研究污染物对生物系统的影响机理 污染物在生态系统中的迁移 积累 转化与归宿 研究生物对污染物的作用与生物净化机理 进而探讨生物控制污染与改善环境质量的可能性 主要研究途径是野外现场调查 实验室微宇宙与野外受控生态系统的实验研究 进行系统分析与数学模拟 对环境质量进行综合评价与预测 提出生态区划与管理对策 目前 由于环境污染问题成为全世界面临的急切解决的重大问题 随着生态学和环境科学的深入发展 恢复和重建受损害的生态系统成为摆在全社会面前的紧迫任务 同时也给生态学理论的实践和发展提出了新的挑战 在这种背景条件下 上个世纪七十年代发展起来的污染生态学以及在此基础上诞生的恢复生态学丰富了现代生态学的研究内容并且注入了新的活力 主要内容 一 学科定义与内涵二 主要研究内容与方法三 案例研究四 学科发展方向与展望 一 学科定义与内涵 污染 主要是指由于人类活动特别是工农业生产和军事活动所引起 包括有毒物质的释放和废弃物的排放对生态系统的不良作用而引起生态系统结构与功能的改变 特别是化学污染 目前已经成为一个全球性的生态环境问题 按照Travis和Hester 1991 的提法 来自边远湖泊的鱼中含有一定数量的汞 格棱兰岛上雪中含有一定数量的铅 以及北极存在的农药 二恶英和多氯联苯等 是一种全球化学污染现象 他们认为 污染物质的生物地球化学循环是其遍布全球并进入食物链的基本方式 例如 高烟囱由于解决了来自燃煤电站局部的硫污染问题 却增加了硫的循环半径和效率 致使酸雨成了大范围 跨流域的区域性的环境污染物质 多氯联苯 二恶英和农药尽管在局部地区已禁止使用 但它们通过大气分室的生物地球化学循环 使世界范围内的大湖泊及其浮游生物 鱼类中含有这些化学污染物质 这些亲脂性化合物附着于大气中的颗粒物上 通过干湿沉降的迁移过程返回到地球表面 在树木 农作物 蔬菜 畜禽等肉类 牛奶 鱼和虾中进行生物积累 富集 最终 食物链成为人类暴露于大多数全球性化学污染物的主要途径 污染生态学 pollutionecology 研究的对象是受污染的生态系统 根据生态系统的定义特别是污染的生态系统的基本内涵 以及污染生态学的长期实践 我们可以概括地说 污染生态学是一门研究生物系统与被污染的环境系统之间的相互作用规律及采用生态学原理和方法对污染环境进行控制和修复的科学 换句话说 污染生态学有两个方面的基本内涵 生态系统中污染物的输入及其对生物系统的作用过程和对污染物的反应及适应性 即污染生态过程 人类有意识地对污染生态系统进行控制 改造和修复的过程 即污染控制与污染修复生态工程 本人及其他学者概括污染生态学为 研究生物系统与环境污染之间的相互作用及其调控机理的科学 属应用生态学范畴 也是环境生物学的一个分支学科 一 学科来源及归属 随着生态系统污染的发生和污染事件的不断出现 污染生态学在解决这些问题的过程中得以产生和发展 污染生态学的出现和发展 首先应该归功于环境科学的发展 一些学者也指出 污染生态学更为确切的学科名词 应该是环境保护生态学 ecologyforenvironmentalprotection 也就是说 环境科学和生态学的相互交叉 导致了污染生态学这一新学科的产生 环境科学和生态学的相互融合和再组织 促进了污染生态学这一新学科的成长 下图 至今 污染生态学经过近30多年的发展历程 已经形成了具有自己特色的理论体系和研究方法 由于污染生态学尤其注重采用生态学原理的方法对污染的生态系统进行控制 改造和修复 与环境保护和生态建设密切相关 已成为生态学中实践意义较强的一个重要分支 也是应用生态学的重要组成部分 二 学科分支及划分 污染生态学已进入较为成熟的阶段 最为重要的标志是出现了一系列分支学科 目前对这些分支学科的划分 主要有两大体系 1 生态组分划分体系主要按照生态系统的组成成分进行划分 当强调生态介质时 污染生态学可以分为 大气污染生态学 水污染生态学 和 土壤污染生态学 当强调生命组分在生态系统中的作用及其受到污染的危害时 污染生态学又可以分为 植物污染生态学 动物污染生态学 和 微生物污染生态学 事实上 根据目前污染生态学的研究对象 范畴和内容 上述划分还可以归结为 大气 植物系统污染生态学 水体 动物系统污染生态学 和 土壤 微生物系统污染生态学 2 生态系统类型划分体系由于对生态系统类型的划分有三种方法 污染生态学的分支学科也应 覆盖 这三种不同划分方法的基本类型和体系 其一 按生态系统空间环境性质 可把污染生态学分为 淡水生态系统污染生态学 主要对淡水生态系统污染机理及其生产力影响和富营养化等问题进行研究 海洋生态系统污染生态学 包括对河口 海岸 近海 大洋等生态系统污染机理与危害及海洋污染对全球变化的影响等问题进行研究 陆地生态系统污染生态学 以污染的土壤 植物系统为中心 开展相应的研究 其二 按生态系统的生产和应用价值 污染生态学可以分为 农业生态系统污染生态学 森林生态系统污染生态学 目前主要结合酸雨对森林生态系统危害开展研究 草地生态系统污染生态学 渔业污染生态学 工业污染生态学 污染生态工程 其三 按人类对生态系统的影响性质和大小 污染生态学可以分为 城市污染生态学 矿山生态系统污染生态学 小城镇污染生态学 乡村污染生态学 二 研究内容 以名词解释为替代 1 生态系统结构与功能 Structureandfunctionofecosystem Odum 1962 对结构与功能下了如下的定义 结构的范围包括 1 生物群落的组成 它包括种类 数量 生物量 生命史 种群在空间上的分布 2 非生物物质如营养物 水 等的含量和分布 3 生存条件如温度 光等的幅度 功能的范围包括 1 生物能量流通过生态系的速度 2 物质循环或营养循环的速度 也即是生物地理化学循环速度 3 生物或生态的调节 这个调节包括两方面 一是有机体被环境所调节 例如光周期性 一是环境被有机体调节 例如微生物的固氮作用 这里以水生生态系统结构和功能所包括的研究内容为例 见下表 水生态系结构和功能性质分析的定义 范畴和例子 2 生态系统平衡 Ecosystembalance 又称自然平衡 Naturalbalance 指生态系统的能量流动 物质循环和信息传递皆处于稳定和通畅的状态 在自然生态系统中 平衡还表现为物种数量的相对稳定 生态系统之所以能保持相对的平衡稳定状态是因其内部具有自动调节 或自我恢复 能力 自动调节力是有限度的 外力干扰超过限度 就会引起生态平衡破坏 表现为结构破坏和 或 功能衰退 引起生态平衡破坏的有自然灾害 也有人类不适当的活动 包括人类生活和生产废物污染和对自然资源的过量开发利用等 人为破坏作用造成对生态系统三方面的压力 生物种类成分的改变 引起生物赖以生存的环境条件改变 引起生态系统之间信息流通系统的破坏从而改变生物繁殖状况 在人类对自然作用力如此之大的今天 生态系统平衡已成为全球人们所共同关心的大问题 3 胁迫效应 Stresseffect 胁迫是环境生物学家从工程学借用来的一个词 在工程学上stress是 应力 之意 它的标准工程定义是指由于外部的力 不均匀的温度等引起一个弹性物质的变形或应力变化 Stress是对这一弹性物质在该条件下的一种定量表示方法 这一工程上的术语被生态学家用来描述各种因子能引起一个有机体的正常生理状况的一些可检出的变化 或是引起种群 群落 生态系统天然状况的一些可检出的变化 这些变化可称之为胁迫效应 stresseffect 要了解整个生态系胁迫的反应 必须要有功能变化和结构变化的信息 胁迫有两种类型 一种是天然的 一种是人为的 前者指正常的环境因子变化 如温度 光周期 光强 氧气 营养物质等因子的变化 其中也包括正常的季节变化和周年变化 以上这些环境因子的变化都能导致水生和陆生生物在结构与功能上的变化 后者是指由于人为的原因引起各种胁迫 如有毒化学物 热 营养物的富集等都能对生物群落产生影响 4 生态效应 Ecologicaleffect 人为活动造成的环境污染和环境破坏引起生态系统结构和功能的变化 细胞 个体 种群 群落 生态系统 生物与环境关系密切 两者相互作用 相互协调 保持动态平衡 如大气层中的二氧化碳含量由于植物的吸收保持在270ppm左右 但是 人类的生活和生产活动排出的二氧化碳日益增加 近百年来增加尤剧 而森林面积却日益减少 致使大气中二氧化碳含量增加到90年代中期的350ppm左右 大气层中的二氧化碳浓度的不断增加 会使地面的长波辐射不能反射到外层空间 有人认为这会使气温升高 温室效应 对整个生物圈将有难以预测的影响 全球变化 人为活动排放出的各种污染物 如二氧化碳 二氧化硫和氟化物等对大气环境的污染 氮 磷等营养物和汞 镉 铅等重金属对水体的污染 以及农药 石油 放射性物质等进入环境 都引起相应的生态效应 二氧化碳及其二次污染物包括臭氧 甲醛 乙醛和过氧乙酰硝酸酯等形成光化学烟雾 不但影响人体健康 而且妨碍植物的正常代谢 美国洛杉矶曾因光化学烟雾使郊区的玉米 柑桔等受害 大片松林死亡 二氧化硫浓度长时间超过0 01 0 02ppm 即可危害松柏等针叶树种 并能形成酸雨 如斯堪的纳维亚 英国 德意志联邦共和国等国家和地区工业中心的下风向地带 1960年以后雨水酸度增加200倍 雨水的pH值降低到2 8 酸雨使河水酸度提高 阻碍鲑鱼溯河回游和产卵繁殖 抑制森林生长 加速农业土壤中营养物质的流失 美国东北部主要工业区雨水酸度的增加使河水由碳酸氢盐型变为硫酸盐型 不利于鱼类及其他水生生物的生长 氟化物对动 植物有明显危害 0 001 0 009ppm的氟化氢便能危及敏感性的唐菖蒲 Gladiolusgandavensis 和杏树 Prunusarmeniaca 长期食用受氟严重污染的牧草或水 会使家畜牙齿脱落 骨质疏松 大气污染的生态效应 水污染的生态效应 氮和磷是水生生物所必需的营养物质 但由于生活污水 工业废水和化学肥料的流失给水体带来过量的氮和磷 促使藻类等水生生物大量繁殖 造成富营养化 藻类残体腐败时 消耗水中的溶解氧 并放出硫化氢 使鱼类及其他水生动物难以生存 导致生态系统结构改变 生活污水和食品工业废水给水体带来大量有机物 也有类似的危害作用 受有机物污染的水体中 嗜清水生物消失 耐污种类如污水菌类和颤蚓类成为优势种 汞 镉 铅是主要的重金属污染物 不能被微生物降解 能在整个生态系统中循环为害 例如环境中的汞经微生物转化能形成毒性更大的甲基汞 水中的汞通过直接吸收和食物链而在鱼 贝类机体中浓缩 人类食用这种鱼贝 健康会受到威胁 水俣病 鸟类吃了用甲基汞制剂拌过的种子或捕食受污染的鱼 贝类也会中毒 如果鸟的肝 肾中汞含量超过30ppm即可致死 鸟蛋中甲基汞达0 5 1 5ppm即可影响孵化 汞污染对鸟类群体的保持是一种威胁 有机氯农药在控制病虫害方面起重要作用 但同时也污染环境 这种农药化学性质稳定 溶于脂肪 很容易在动物组织中积累 并沿食物链有浓缩的趋势 美国加利福尼亚洲克利尔湖1949 1957年3次施用DDD共计54800公斤以控制湖中蚊虫 结果毒死不少水鸟 湖水中DDD含量为0 02ppm 湖中的浮游生物体中DDD含量为5 3ppm 吃浮游生物和水草的鱼为5 80ppm 凶猛鱼类为1 196ppm 水鸟体内脂肪中则可高达1600ppm 施药期间未见繁殖 药停10年后的1967年水鸟的蛋中仍含有DDD69 2 1007ppm 孵化率仅11 成活率仅6 DDT和多氯联苯影响鸟类繁殖 并使蛋壳变薄易碎 石油污染会给海洋生态系统带来一系列影响 海水含油0 01ppm可使鱼苗畸形率增加 1962 1969年里海石油污染使浮游生物生长受到抑制 鲟鱼产量下降2 3 鲷鱼 狗鱼和鲑鱼几乎绝迹 油膜使海产动物窒息致死 使潜水鸟类羽毛缠结失去浮力 鸟用嘴梳理羽毛 把油污吞入体内而中毒致死 1970年1月英国东海岸油污染一次就使5万只海鸟死亡 此外 核电站产生的放射性物质能增加生物的畸形率和突变率 对人类的生命和生态系统都有影响 非污染性破坏引起的生态效应 计划不周或缺乏生态观点的大型水利建设 草原的不合理垦牧 湖泊 海湾的不合理围垦 林木的滥伐 鸟 兽 鱼类的滥猎 滥捕等 也能引起生态失调和环境质量的恶化 生态效应的研究是认识和估计环境质量的现状及其变化趋势的重要依据 是环境质量生物监测和生物学评价的理论基础 对于防治污染和保护环境有理论的和实际的意义 60年代以来 对于污染物的生态效应已作了大量的调查研究工作 积累了很多资料 但是对一些污染物的影响机理还不完全清楚 特别是对低浓度污染物和复合污染物给生态系统结构和功能造成的长远影响还难以作出准确的估计 另外 对于人类其他的生产活动可能带来不良的生态学效果还值得深入研究 研究的意义 5 生物积累 Bio accumulation 生物在其整个代谢活跃期内都在通过吸收 吸附 吞食等各种过程 从周围环境中蓄积某些元素或难分解的化合物 以致随生物的生长发育 浓缩系数不断增大 这种现象称为生物积累 又称生物学积累 生物积累的程度用浓缩系数表示 早在1897年 国外有的研究就发现牡蛎能从海水中大量积累铜 以致牡蛎肉呈现绿色 称之为 绿色病 鱼则能大量积累海水中钒 20世纪50年代中期到60年代 由于核武器试验导致放射性散落物在全球范围内的增长 人们对90锶 137铯 144铈等多种放射性同位素在生物体内的积累 进行了大量的监测和研究 并利用放射性同位素示踪技术 研究铜 汞 铬等重金属在动 植物体中的积累和排除 研究得最多的是在环境中持久性强的有机卤素农药和重金属在生物体内的积累 有人研究牡蛎在50微克 升的氯化汞溶液中对汞的积累 观察到第7天 牡蛎 按鲜重每公斤计 体内汞的含量达25毫克 浓缩系数为500 第14天达35毫克 浓缩系数为700 第19天达40毫克 浓缩系数为800 到第42天增加60毫克 浓缩系数增为1200 此例说明 在代谢活跃期内的生物积累过程中 浓缩系数是不断增加的 鱼体中农药残毒的积累同鱼的年龄和脂肪含量有关 农药的残留量随着鱼体的长大而增加 在许多情况下 生物个体的大小同积累量的关系比该生物所处的营养等级的高低更为重要 积累原则物质的迁移 积累行为是受下述原则支配的 任何机体在任何时刻 机体内某种元素或难分解化合物的浓度水平取决于摄取和消除这两个相反过程的速率 摄取量如大于消除量 就会发生生物积累 影响生物积累的因素环境中物质浓度的大小对生物积累的影响不大 在生物积累过程中 不同种生物 同一种生物的不同器官和组织 对同一种元素或物质的平衡浓缩系数的数值 以及达到平衡所需要的时间 可以有很大的差别 如下表 白鲑 CoregonusLavaretus 和曲螺 Ancylusfluviatilis 对14碳标记的除草剂氯乙异嗪的生物积累 有些情况下 生物在污染环境中经历很长时间 浓缩系数也达不到平衡 例如黑鲷在每升含7微居里137铯的海水中经160天后 对137铯的浓缩系数尚未达到平衡 实验表明 生物体对物质分子的摄取和保持 不仅取决于被动扩散 而且取决于主动运输 代谢和排泄 这些过程对生物积累的影响都是随生物种的不同而存在十分明显的差异 水生态系统中 单细胞的浮游植物能从水中很快地积累重金属和有机卤素化合物 其摄取主要是通过吸附作用 因此 摄取量是表面积的函数 而不是生物量的函数 同等生物量的生物 其细胞较小者所积累的物质多于细胞较大者 在生态系统的水生食物链中 对重金属和有机卤素化合物积累得最多的通常是单细胞植物 其次是植物性动物 鱼类既能从水中 也能从食物中进行生物积累 鱼积累DDT等杀虫剂的试验表明 水中无孑孓时鱼体内积累的DDT比有孑孓时要多 这说明从水中直接积累的重要性 陆地环境中的生物积累速度通常不如水环境高 就生物积累的速率而言 土壤无脊椎动物传递系统较高 人们之所以更重视植物传递系统 是因为植物的生物量比土壤无脊椎动物大得多 在大型野生动物中 生物积累的水平相对说是比较低的 研究意义 生物机体对化学性质稳定的物质的积累性可作为环境监测的一种指标 用以评价污染物对环境的影响 研究污染物在环境中的迁移转化规律 对某种特定元素来说 某些生物种类比同一环境中的其他种类有特别强的积累能力 常被称为 积累者生物 例如褐藻能大量积累锶 地衣能积累铅 水生的蓼属植物能积累DDT 这些生物可以作为指示生物 甚至可以作为重金属污染的生物学处理手段 因此 对生物积累的研究 具有重要的理论和实践意义 至于生物积累的机理 尚有待与于进一步深入研究 6 生物放大 Bio magnification 在生态系统的同一食物链上 由于高营养级以低营养级生物为食物 某种元素或难分解化合物在机体中的浓度随着营养级的提高而逐步增大的现象 又称生物学放大 生物放大的结果使食物链上营养级生物机体中这种物质的浓度显著地超过环境中的浓度 生物放大的程度 同生物浓缩 生物积累一样 也用浓缩系数来表示 生物放大一词是就有食物链关系来说的 如不存在这种关系 机体中物质浓度高于环境介质的现象 则分别使用生物浓缩 生物积累两个名词 20世纪60 70年代初期 阐述农药或重金属的浓度在食物链上各级机体中逐步增加的事例时 不少人都把这种现象称为生物浓缩或生物积累 到1973年 才有人开始应用生物放大一词 把它同生物积累和生物浓缩的概念区分开来 后来 学者们设计了各种实验系统 包括模式生态系统 以进行生物积累和生物放大作用的研究 最先注意到的是水生态系统中有机氯农药的生物放大现象 1966年有人报道在美国图尔湖和克拉马斯南部保护区内DDT对生物群落的污染 DDT是一种有机氯杀虫剂 易溶于脂肪而积累于动物的脂肪体内 经检验证实 通过生物放大在一种水鸟 Colymbsruficollispoggei 的脂肪体中 DDT的浓度竟比湖水高出12万多倍 当地生物放达现象图示如下 铯在北极地衣 北美驯鹿 狼的食物链上放射性强度 1Bq为每秒钟1个原子衰变 北极的陆地生态系统中 在地衣 北美驯鹿 狼的食物链上 也明显地存在着对铯的生物放大现象 生物机体中的铯的放射性强度随着营养级的提高而增大 许多文献报道和说法使人产生了一种印象 似乎绝大多数的元素和难分解化合物在每一个水生态系统中都有生物放大现象 实际上 对于大多数元素来说 生物放大并不是一种普遍现象 至于氯烃类化合物是否在所有的水生食物链上发生放大现象 也存在着许多疑问 各种生物对不同物质的生物放大作用也有差别 例如 汞和银都能被脂首鱼 Pimephalespronelas 积累 但脂首鱼对汞有生物放大作用 而对银则没有 又如在一个海洋模式生态系统中研究藤壶 蛤 牡蛎 蓝蟹和沙蚕等5种动物对于铁 钡 锌 锰 铜 硒 砷 铬 汞等10种重金属的生物放大作用 结果发现 藤壶和沙蚕的生物放大能力较大 牡蛎和蛤次之 蓝蟹最小 食物链上营养级较高的生物体内所含元素或难分解化合物的浓度 一般说来 高于营养级比它低些的生物 但是因为处于食物链上的任何生物体内所含某种物质 例如有机氯杀虫剂 的浓度都取决于它的摄取和消除的相对速度 所以处于食物链中部的生物体内所积累的该物质的浓度 也有可能大于营养级比它高的生物 如有的无脊椎动物的浓缩系数就大于石斑鱼 由于生物放大作用 进入环境中的毒物 即使是微量的 也会使生物尤其是处于高位营养级的生物受到毒害 甚至威胁人类健康 因此 对污染物的排放 不仅要规定浓度的限制 也要考虑总量的限制 研究意义 深入研究生物放大作用 特别是鉴别食物链对哪些污染物具有生物放大的潜力 对于探讨污染物在环境中的迁移 以及确定环境中污染物的安全浓度 都具有理论和现实意义 7 生物监测 biologicalmonitoring 利用生物个体 种群或群落对环境污染或变化所产生的反应阐明环境污染状况 从生物学角度为环境质量的监测和评价提供依据 生物监测的定义是系统地利用生物反应以评价环境的变化 并把它的信息应用于环境质量控制的程序中去 从生物学组建水平观点出发 各级水平 个体 种群或群落 上都可以有反应 但是重点应放在生态系级的生物反应上 因为生态系能反应出生物与生物 生物与非生物因子之间的相互关系 生物学监测的目的是希望在有害物质还未达到受纳系统之前 在工厂或现场就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 或是能侦察出潜在的毒性 以免酿成更大的公害 如果有毒物质已经溢流到受纳系统 造成鱼 虾等经济生物大批死亡 这时再去进行监测和评价已经太晚 故而 我们应当把重点放在野外的水污染生物学监测 其理由 有机体对各种毒物的反应常常被受纳系统水中的理 化性质所缓和或加强 这样就会改变毒物的毒性 还有可能是毒物和其他排放的废水起相互作用 也会明显改变毒物的毒性 这样 就会从根本上改变有机体在实验室内对纯污染物质所作出的毒性反应 直接的野外监测可克服上述缺陷 概述 生物监测工作是20世纪初在一些国家开展起来的 70年代以来 水污染的生物监测成了活跃的研究领域 1977年美国试验和材料学会 ASTM 出版了 水和废水质量的生物监测会议论文集 内容包括利用各类水生生物进行监测和生物测试技术 概括了这方面的成就和进展 同年非洲的尼日利亚科学技术学院用远距离电报记录甲壳动物的活动电位监测烃类 油类以及其他污染物的室内试验也取得初步结果 还有人提出了以鱼的呼吸和活动频度为指标的 设在厂内和河流中的自动监测系统 国外对于植物大气污染的关系做了很多调查研究工作 已选出一批敏感的指示植物和抗性强的耐污植物 如根据植物中毒症状判断某地或某工厂的大气污染情况 紫花苜蓿 棉花等叶片的叶脉之间出现不规则的白色 黄色斑点或块状坏死 反映SO2污染 烟草叶片出现红棕色斑点状坏死 指示O3污染 番茄叶背上出现古铜色坏死 叶片卷曲 表明过氧乙酰硝酸酯 PAN 污染 唐菖蒲叶尖 叶缘坏死为大气氟污染症状 细菌总数 大肠菌群和粪性大肠菌群是水体质量常规监测的卫生学指标 监测手段 1 用于生物监测的手段很多 大气污染的生物监测手段主要有 利用指示植物监测大气污染 主要是根据各种植物在大气污染环境叶片上出现的伤害症状 对大气污染作出定性和定量的判断 测定植物体内污染物的含量 估测大气污染状况 观察植物的生理生化反应 如酶系统的变化 发芽率的降低等 对大气污染的长期效应作出判断 测定树木的生长量和年轮等 估测大气污染的现状和历史 利用某些敏感植物 如地衣 苔藓等 制成大气污染植物监测器 进行定点观测 水体污染的生物监测手段主要有 利用指示生物来监测 如根据颤蚓 蛭等大型底栖无脊椎动物和摇蚊幼虫 以及某些浮游生物在水体中的出现和消失 数量的多少等来监测水体的污染状况 利用污水生物系统监测水体污染也是一种常用的手段 利用水生生物群落结构的变化来监测 水质状况发生变化 水生生物群落结构也会发生相应的改变 在有机物污染严重 溶解氧很低的水体中 水生生物群落的优势种只能由抗低溶解氧的种类组成 未受污染的水体 水生生物群落的优势种则必然是一些清水种类 在利用指示生物和群落结构监测水体污染时 还引用了生物指数和生物种的多样性指数等数学手段 简化监测的方法 水污染的生物测试 即利用水生生物受到污染物的毒害所产生的生理机能的变化 测试水质污染的状况 这种方法可以测定水体的单因素污染 对测定复合污染也能收到良好的效果 测试方法分为静水式生物测试和流水式生物测试 对土壤污染进行生物监测也是一种可行的途径 但国内外做的工作还不多 环境系统十分复杂 生物监测只有与物理 化学监测结合起来 才能取得更好的效果 生物学监测系统的主要目的和要求 1 在致死物质溢流 spill 还未进入受纳系统 江 湖 河 海 之前 就被侦察出来 2 监测生物有广泛的代表性 不会因为它对某种特殊毒物有很高的忍受力 以致没有把这种毒物侦察出来而通过了 但是对受纳系统中的其他生物群落却是有害的 3 能达到和理 化监测相同的结果 并且成本低 效率高 4 生物监测虽不能鉴别是哪种特殊毒物引起的反应 而只能提出有害物质的出现 但能和理化监测系统结合起来 就可以鉴别是何种毒物引起的急性反应 5 生物监测中不会出现假信号以致造成判断上的失误 6 在监测每个受纳系统时 生物监测都能应用当地的生物 7 在工厂内的生物监测系统能侦察出致死的或长效的物质溢流 操作简便 生物监测的范围与方法 1用生态学方法进行生物学监测1 1用各类水生生物对水污染进行监测 主要是野外生态监测 个体 种群 群落 生态系统 结构与功能 1 2用毒理学方法进行生物学监测 生态毒理 鉴于一切污染物毒性的强弱必需通过生物监测才能获得 生物监测必需将室内毒性试验和野外生物监测结合 才能达到保护环境的目的 生物监测最常采用的一种形式是生物测试 bioassay 现常称为毒性试验 toxicitytest 它是指某种污染物毒性的强度是由活的有机体对它的反应如何而决定的一种试验 可分为急性 慢性毒性试验和生物积累试验等 测定一种毒物在不同浓度时 在24 48 96小时期间内的相对致死性 试验的设计是为了得出该毒物在限定时间内能影响一定百分比 例如50 受试生物个体死亡的最高浓度 也即是临界浓度 受试生物曝露在分等级的 按对数系列的废物浓度中 再观察生物对它的反应如何 常用死亡率或功能损伤 在无法判断死亡率的情况下 例如在螺的试验中 就采用贴在水槽壁上的螺有多少掉落下来 以表示损伤 来表示对毒物的反应 并要求对照组中受试生物的反应要 10 毒性试验才有效 在用死亡率时 用致死浓度 lethalconcentration LC 来表示 指在限定时间内对种群的一定比例所产生的致死效应 48 LC50是指48小时内对种群中的50 的个体产生致死效应的浓度 与LC50相似的涵义的词汇还有渐近半致死浓度 asymptoticLC50 致死阈值浓度 lethalthresholdconcentration 初始致死浓度 incipientlethalconcentration 1 2 1急性毒性试验 acutetoxicitytest 如果毒物的浓度横坐标用lg10来表示 死亡率的纵坐标用 来表示 就可以得到一条理想的剂量反应曲线 lethalthresholdconcentration 这个图形是累加的正态分布 它描述了在一个受试生物的种群中 在低浓度毒物中只要少数个体无法忍受而致死 在高浓度毒物中只要少数个体能忍受而存活 而在中浓度毒物中 大多数个体都死亡 如果横坐标的度量不变 死亡率的纵坐标用概率单位 probitscale 来表示 则上述的剂量反应曲线就变成直线相关 称为剂量反应线 dose responseline 见下图 这条直线也可称之为对数 概率模式 log probitmodel 并可从此直线用内插法求出半致死浓度LC50 如果进行的试验数据用对数 概率画出来的线不是直线 说明它不呈正态分布 从这些数据中计算的LC50是没有意义的 要寻找技术上的原因 在获得了剂量反应曲线以后 还要考虑时间 剂量相互作用 time doseinteraction 死亡率决定于毒物浓度和曝露时间的长短 有机体通常能忍受短期的大剂量和随时间递增而逐步地忍受小剂量 在较长期的曝露后 能对毒性产生延迟效应 lageffect LC50不是一种对毒性的绝对的 定量的描述 它只是说明了种群在一定时间 一定环境下对毒物的反应幅度 如果用同一种受试生物 相对不同废水进行试验 就会有不同的LC50 如果用不同种类的生物对同一种废水进行试验 也会有不同的LC50 因此获得的毒性也是相对的 受试生物的敏感性也是相对的 1 2 2慢性毒性试验 chronictoxicity 有些毒物在长期低浓度时也能积累毒性 从而引起长期效应 它用一般毒性试验方法是无法侦察的 这时须采用慢性毒性试验的方法 也称长期的 亚致死毒性试验 long termsublethaltoxicitytest 慢性毒性试验是为了取得各种浓度的毒物对机体的生存 生长 繁殖过程能产生什么效应的一种试验 它的测试项目很多 典型的包括测量生长 体长和体重 存活时间 幼体产生的数量 孵化过程 畸变的类型和百分比等 这些测定都是曝露在不同浓度下进行的 试验的时间根据受试生物而异 对藻类和原生动物是几小时至几天 对小的无脊椎动物是几星期 对大的无脊椎动物和鱼是几个月乃至一年以上 它可以包括完整的生活史 卵 下一代卵 部分生活史 胚胎 幼体 或是生命史 卵 死亡 中的一部分和整体 以估计对繁殖 生长 发育的效应 1 2 3生物积累试验 bioaccumulationtest 生物积累是指某些毒物的浓度在生物组织内可积累到比周围水体的毒物浓度高出许多倍 生物积累至少包括两个过程 生物浓缩 生物放大 生物积累试验是对慢性毒性试验的重要补充 1 2 4毒性试验中要考虑的几个问题 1 毒性试验的目的进行毒性试验的目的是为了能对污染管理提供可靠的信息 一是用于预报废水的环境效应 二是提出废水排放的标准 也即是安全浓度 safeconcentration 为此 它必需能回答以下几个问题 该废水对受试生物的致死浓度 该废水在亚致死浓度时 对受试生物生活史的部分和整体所产生的效应 废水中有许多成分 判断出何种成分最毒 因为在自然水体中生物是多种多样的 故受试生物不只限于一种生物 应有多种生物 哪种生物最敏感 废水进入自然水体中 会因理化因子不同而呈不同的毒性 室内试验应判断出在什么环境因子条件下废水最毒 在进入天然水环境时 毒性是否变化 在受纳系统中将有多大范围受到毒性的影响 万一工厂废水中的毒物出现高浓度冲击或溢流时 对受纳系统会产生何种方式的短期效应 总之 通过毒性试验应当正确地回答 该种化学品可技术接受的浓度是多少 2 受试生物的选择和条件文献记录已采用的受试生物近200种 常用的也有20种左右 选择受试生物应随具体要求而异 如果是要求比较不同时间的毒性 则必须选择能常年生存的 易于饲养的种类 如果要求估计一种即将广泛使用的 新的化学物可能产生的生物效应 则挑选最敏感的种类 如果只是想了解排放的废水对该地区有什么影响 最好要用当地的种类 为了提高毒性试验的对比度 选择的生物要符合以下条件 能代表生态学上重要的类群 group 类群有结构类群和功能类群 结构类群是指系统发育上或空间上的区别 前者是指分类上不同的阶元 后者是指不同的栖息地区 如浮游动物 底栖生物 功能类群是指营养或能量流上的区别 例如生产者 消费者和分解者 又如自养者 食菌者 食碎屑者 食藻者 食肉者 杂食者 该种类已有足够的背景数据 如对该种的生长 生理 遗传 变异 营养 繁殖以及它在自然水体中的作用已有较为详细的研究 这样就能辨清实验所得的反应的真伪 不致把假反应当作毒性效应 要能提供足够数量的同一大小 同一年龄 在遗传上稳定的同一品系的受试生物 以保证反应均匀一致 而且要能容易饲养 全年可供应 受试生物能适应实验室的试验条件 能够驯化并生活正常 受试生物的试验终点反响 testendpointrespone 容易鉴别 受试生物要对毒物反应的敏感性强 但又要具有不易生病 不易被寄生的优点 3 稀释水的选择和试验条件的控制可供稀释的水有三种 即受纳系统的水 去氯自来水和人工合成水 用受纳系统的水作为稀释水是最理想的 因为它的环境现实性大 但如果稀释水本身就有毒 则只能采用去氯自来水和人工合成水 因此稀释水要符合二条标准 一是化学标准 稀释水不应含有即使是痕量的 低浓度的污染物和农药等 因为它本身就可以对生物产生低毒性的效应 而且和试验药品接触后 也可能会产生人们尚未了解的拮抗效应 不同毒物混在一起时产生互相抵消的负效应 叠加效应 混合后产生两者毒性相加的效应 和协同效应 混合后产生比叠加效应还要大的效应 二是生物标准 受试生物能在稀释水中驯化和生存 保证在试验期间对照组 无毒物的稀释水 没有胁迫的信号 试验条件如周期 光强 光质 水温 水质等都要保持在试验期间的恒定状态 4 提高毒性试验的环境现实性毒性试验通常有四种设计方式 静止试验 有更新的静止试验 连续或间歇的流水试验和现场试验 挑选哪一种试验方式视工作要求而异 在现场做毒性试验最好用当地的生物 这样就更具有环境现实性 现场试验的缺点是试验容易被好奇者破坏 环境条件不易控制 监测也较困难 5 毒性试验的标准化建立标准化的毒性试验是为了提高可比度 使不同国家 不同实验室 不同的改造人员获得可以比较的结果 因为现在的环境污染问题不只是一个国家的问题 而是跨国的 全球性的问题 目前的毒性试验方法无论是急性的 还是慢性的 都没有达到标准化 1 2 5毒性试验的数据在环境管理中的应用 1 急性毒性试验的数据急性毒性试验的结果不足以预报毒物对生态系统的安全浓度 试图从急性毒性试验的数据来提出水质标准 是缺乏科学性的 因为生态系统不是各种生物的集合物 在生态系统中的许多生物与生物之间 生物与非生物之间的相互作用会改变毒物对生态系统的影响 1988年9月22日美国参议院接受一项提案并在国会通过了一项 消费者产品安全试验法令 ConsumerProductsSafetyTestAct 法令指出在产品试验中用脊椎动物进行的急性毒性试验 LD50 半致死剂量 试验是不准确的 使人误解而无益 为此联邦政府采取禁止使用LD50试验 但是世界上每年新的化学品成千上万种 如果都要求通过急性 慢性毒性试验和生物积累试验 也是很困难的 因此用快速的急性毒性试验方法对众多的化学品进行筛选 还是必要的 也有用LC50估计最大可接受毒物浓度 maximumallowabletoxicantconcentration MATC 公式为AF MATC LC50 AF applicationfactor 是应用因子的意思 其值变动于0 0001 0 1之间 它是慢性毒性试验获得的MATC和急性毒性试验获得的LC50两者之比值 从生物学上分析 MATC和LC50是两个不等量的测量 LC50中死亡的生物可能是由于机械性地破坏了呼吸作用如鱼在鳃上涂上一层化合物引起窒息而死 MATC则是对繁殖的损伤 酶的破坏或是行为的变化 把这两种数量进行比较 无疑是一个概念性错误 诚然也不排斥在LC50和MATC之间有可能存在着过渡性的联系 但是已知AF值在同一水平上有很大的变化 对同一种化学品不同的受试生物的AF值可有二位数的差异幅度 在同一种生物对不同的化学药品则可以有4位数的差异幅度 对一个未知MATC的化学品 往往在求得LC50以后 就借用同类化学品的AF值 代入公式MATC LC50 AF 由此估计新化学品大致的MATC值 只能视之为勘察的试探值 2 慢性毒性试验的数据虽然慢性毒性试验比急性毒性试验复杂而昂贵 但所得的数据在预报安全浓度时很有用 而且具有重要的生态学意义 因为它证实了毒物对生物生长和繁殖的影响 从而揭示了导致生态系统中多样性指数的下降的机理 如果采用流水装置的慢性毒性试验 就可以在现场决定当地的MATC值 在这个浓度以下对本地的生物 群落没有致毒效应 是安全的 3 生物积累试验的数据水生生物是环境中污染物迁移 转化 直至物质循环的重要参与者 生物积累试验的数据是对慢性毒性试验重要的佐证 也是建立MATC的重要参数 对同一化学品不同种类 不同年龄期的生物有不同的浓缩因子 BCF 相差可大至数千倍 生物放大是通过食物链而积累毒物 但也不总是遵循着营养级的递进而逐级上升 也有可逆的 如砷就是鱼 蚤 藻类 在生物体内毒物消除的速度在不同的生物 不同的组织器官也有不同的半衰期 在预报毒物进入受纳系统中的扩散程度时 生物积累试验更是必不可少的 4 毒性试验数据的验证根据毒性和生物积累的三类试验结果可以提供一个较为合理的MATC 从三类毒性试验综合所得的MATC相对地比较正确 但也不能作为预报的最后根据 还要经过实践验证 很多毒理学家忽视了这一步骤 不经过验证会造成过度保护或是欠保护 并不是说实验室内求得的MATC不正确 而是自然界的环境因子太复杂 实验室的MATC和自然水体中客观存在的MATC要衔接起来 这中间似乎还缺少点什么 因此提出与其他技术力量放在创造新的毒性试验战术上 还不如放在发展和增加预报效能的战略上更为明智些 综上所述 化学家们如何正确预报化学品的环境浓度 生物学家如何正确预报化学品的生物效应浓度是至关重要的 而且两者是不可分割 不可偏废的 只要这样才能对公害作出正确的评价和预报 8 生物降解 bio degradation 土壤 水体和废水处理系统中的需氧微生物对天然的和合成的有机物的破坏或矿化作用 即有机物质通过生物代谢作用而得到分解的现象 许多农药穿过植物表皮或被植物吸收进入植物体内 在有关酶系的作用下被降解 棉花可以把呋喃丹代谢为苯酚 处理后28天大豆体内的西维因只剩下6 动物也有代谢农药有机物的能力 微生物更是降解各种有机物质的主要功臣 生物的降解作用对于环境中大多数有机化合物的分解 净化起了重要作用 生物降解研究的发展趋势 研究自然环境中有机污染物和无机污染物的生物降解机理与途径 寻找自然界中具有生物净化能力的特殊群体 探讨生物降解和污染物的相互作用关系 以便制定消除污染的措施 利用遗传学方法将多种有益的特性基因组成具有多功能 高降解能力的菌株 利用酶的固定化技术制备成专一的或多功能的生物催化剂 以降解多种污染物 如将胰蛋白酶和核糖核酸吸附在硅胶或玻璃纤维上 以去除尘埃 阻留和溶化水中带病毒的粒子 又如将酶吸附在氧化铁粉末上 酶和污染物作用后 借助磁铁回收利用 9 生物净化 biologicalpurification 生物的吸收 降解和转化作用使环境污染物的浓度和毒性降低或消失 植物能吸收土壤中的酚 氰并在体内转化为酚糖苷和氰糖苷 球衣菌可把酚 氰分解为二氧化碳和水 土壤微生物可降解各种农药 化有毒为无毒物质 绿色植物吸收二氧化碳及吸附漂尘 释放氧气净化空气 凤眼莲可吸收水中的汞 镉 砷等 其根系微生物可降解 转化污水中的有机物 使污水得到净化 氧气充足的条件下 需氧微生物能把污水中有机物分解成二氧化碳 水 氨氮和磷等 在缺氧的条件下 厌氧微生物能把有机物分解成甲烷 二氧化碳 硫化氢等 天然水体在受到一定程度的污染后 由于自然界物理 化学及生物等过程的作用 会使污染的水得到净化 这种现象称为水体的自净 生物净化在水体自净中起相当重要的作用 生物类群通过代谢作用 同化作用和异化作用 使进入环境中的污染物质无害化 这个反馈作用称为生物净化 biologicalpurification 这是因为水中各种生物 主要是微生物 在它的生命活动过程中 经过吸附 氧化 还原 分解 吸收了某些污染物 在污染物的降解和无机化的过程中 直接或间接地把污染物作为营养源 既满足了有机体自身的原生质合成 繁殖及其他生命活动等的需要 又使水体得到了净化 生物有巨大的净化能力 但也不是无限的 也就是讲环境对污染物负载能力是有一定限度的 如果污染物超过了生态系统的负载能力 生物净化作用就会遭到破坏 生态系统也就失去了原来的平衡状态 所以我们应该合理利用生物的净化能力来保护环境 10 生物整治 Bioremediation 在有机污染环境治理方面显示的功效和前景目前日益引起人们的广泛兴趣和关注 由于生物整治的基础是自然界中生物特别是微生物对有机污染的降解作用 有的学者把生物整治解释或定义为 利用微生物催化降解有机物的机制和效能而设计去除 Recycling 或消除 Eliminating 环境污染的一个受控处理过程 这个概念被广泛使用 但主要作为治理污染环境及处理废弃物 污泥的一种新的方法提出的 相似的表达有生物再生 Bioreclamation 生物修复 Biorestoration 国外70年代开始研究生物整治 近年来 其研究成果已被应用于大范围环境污染的治理中 并已取得很大成功 从而发展成为一种新的生物治理技术 主要应用于水体 土壤 地下水和海滩污染治理 处理的污染物包括石油烃 卤代烃 杀虫剂 洗涤剂 防腐剂 多环芳烃及苯类等多种难降解有机物 美国应用生物整治技术成功地处理了阿拉斯加Exxon石油污染事件 短时间内即消除了污染 生物整治已成为一种产业 1995年美国的营业额已达到3亿美元 为了进一步提高处理效果 有人正在研究遗传工程微生物系统 GEMS 希望获得对极难降解有机污染物有高降解能力的工程微生物 其中野外应用载体 fieldapplicationvectors 的研究受到高度重视 即把编码降解污染物酶的质粒或基因整合到能在污染地生存的微生物的DNA中去 增强其降解能力 充分发挥当地微生物的整治作用 国内关于生物整治的研究尚处于起步阶段 还没有大范围应用实例 11 生态工程 Ecologicalengineering 生态工程是继70年代的环境技术 末端治理 80年代的清洁生产技术 过程控制 进化而来的90年代前沿技术 系统调控 旨在系统地设计 规划和调控复合生态系统的结构要素 工艺流程 信息通道及控制机理 实现系统生态和经济效益的统一 12 生态恢复和恢复生态学 Ecologicalrestorationandrestorationecology 许多学者将生态恢复的概念定义为 恢复被损害的生态系统到接近于它受干扰前的自然状况的管理与操作过程 即重建该系统干扰前的结构与功能及有关的物理 化学和生物学特征 上个世纪八十年代发展起来的恢复生态学丰富了现代生态学的研究内容并且对传统生态学提出了新的挑战 一方面 生态恢复 EcologicalRestoration 研究为识别生态学概念的发展提供了强有力的工具 另方面 恢复生态学为建立理论