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1 环境监测EnvironmentalMonitoring 第六章环境污染生物监测 2 生物监测 生物监测法的定义 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 利用这些变化来反映和度量环境污染程度的方法 称为生物监测法 3 生物监测的特点 生物监测反映的是自然的 综合的污染状况能直接反映环境质量对生态系统的影响可以进行连续监测 不需要昂贵的仪器设备生物可以选择性地富集某些污染物可以作为早期污染的 报警器 可以监测污染效应的发展动态可以在大面积或较长距离内密集布点 甚至在边远地区也能布点监测 4 生物监测的分类 根据生物所处的环境介质分为 水环境污染生物监测空气污染生物监测土壤污染生物监测从生物分类法划分 动物监测 植物监测 微生物监测以生物学层次划分 生态监测 群落生态 个体生态 生物测试 毒性测定 致突变测定 生物的生理 生化指标测定生物体内污染物残留量的测定以采用的方法划分 实验室内的生物监测 现场生物调查 5 第六章主要内容 第一节水环境污染生物监测第二节空气污染生物监测第三节土壤污染生物监测 自学 第四节生物污染监测第五节生态监测 自学 6 第一节水环境污染生物监测 本节主要内容 介绍水体生物监测中的生物群落监测方法 生物测试法和一些其他生物监测方法的原理和简单的操作方法 7 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二 水环境污染生物监测方法 一 污水生物系统法 二 生物群落监测方法 三 生物测试法 四 叶绿素a的测定 五 微囊藻毒素的测定 六 细菌学检验法 8 一 水环境污染生物监测的目的 样品采集和监测项目 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 9 监测断面 监测项目 监测频率 监测断面与采样点尽可能与化学监测断面一致1 河流 根据流经区域的长度 采样点数视具体情况而定 至少设上 对照 中 控制 下 消减 游三个断面采样点数视断面宽 水深 生物分布特点确定 2 湖泊 水库 一般在入湖区 中心区 出口区 最深水区 清洁区设断面3 海洋 监测点覆盖或代表监测海域 以最少监测点满足监测目的 10 表6 1河 湖 库淡水生物监测项目及频率 11 水环境污染状况评价 河流生物监测 底栖动物 大肠杆菌监测为主 结合着生生物监测和浮游植物监测进行分析评价 河流水质评价采用Shannon多样性指数湖泊 水库生物监测 监视富营养化状况 监测指标以叶绿素a 浮游植物为主要指标 结合底栖动物的种类 数量和大肠杆菌进行分析 湖泊水质评价方法采用 1 Shannon多样性指数 2 Margalef多样性指数 3 藻类密度标准海洋生物监测 采用浮游植物 浮游动物及底栖生物的种类组成 种类多样性 均匀度 丰度 栖息密度作为评价参数 海洋浮游生物 底栖生物用Shannon多样性指数法 描述法和指示生物法定量定性评价海域环境对海洋浮游生物 底栖生物的影响程度 12 二 水环境污染生物监测方法 一 污水生物系统法该方法将受有机物污染的河流按其污染程度和自净过程 自上游向下游划分为四个互相连续的河段 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 根据所监测水体中生物种类的存在与否 划分污水生物系统 确定水体的污染程度 13 表6 2污水系统生物学 化学特征 14 15 16 思考题 简述污水生物系统法监测河水水质污染程度的原理 17 二 生物群落监测方法 水体受污染后 水生生物的群落结构和个体数量会发生变化 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 18 二 生物群落监测方法 1 水污染指示生物法2 生物指数监测法3 PFU微型生物群落监测法 PFU法 19 水体污染中的生物监测 利用指示生物监测水体污染状况 3 水污染的生物测试 即利用水生生物受到污染物的毒害作用所产生的生理机能变化 测定水质的污染状况 1 利用指示生物监测水体污染状况 2 利用水生生物群落结构变化进行监测 同时可引用生物指数和生物种的多样性指数等数学手段 简化监测方法 20 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 鱼类和微生物等 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 详细部分自学 21 2 生物指数监测法 生物指数的定义 运用数学公式计算出的反映生物种群或群落结构变化 以评价环境质量的数值 1 贝克生物指数 2 贝克 津田生物指数 3 生物种类多样性指数 4 硅藻生物指数 22 1 贝克生物指数 从采样点采到的底栖大型无脊椎动物分为2类 1 不耐有机污染的敏感种 2 耐有机污染的耐污种 按下式计算生物指数 贝克生物指数 BI 2A BA 敏感底栖动物种类数 B 耐污底栖动物种类数BI 10时 为清洁水域 BI 1 6时 为中等污染水域 BI 0时 为严重污染水域 23 2 贝克 津田生物指数 不限于在采集点采集 而是在拟评价或监测的河段把各种底栖大型无脊椎动物尽量采到 再用贝克公式计算 BI 20时 为清洁水域 BI 10 20时 为轻度污染水域 BI 6 10时 为中等污染水域BI 0 6时 为严重污染水域 24 3 生物种类多样性指数 底栖大型无脊椎动物种类多样性指数 N 单位面积样品中收集到的各类底栖大型无脊椎动物的总个数ni 单位面积样品中收集到的第i种底栖大型无脊椎动物的个数S 单位面积样品中收集到的底栖大型无脊椎动物种类数 动物种类越多 d越大 水质越好 d3 0清洁 Shannon多样性指数 25 4 硅藻生物指数 A 不耐污染藻类的种类数B 广谱性藻类的种类数C 仅在污染水域才出现的藻类种类数0 50 多污带50 100 中污带100 150 中污带150 200 轻污带 26 3 PFU微型生物群落监测法 PFU法 1 方法原理 2 测定要点 自学 3 结果表示 参数 27 1 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 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 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 28 PFU法 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 还可以用毒性试验方法预报废水或有害物质对受纳水体中微型生物群落的毒害程度 为制定安全浓度和最高允许浓度提出群落级水平的基准 29 3 结果表示 参数 30 思考题 说明生物群落法监测水体污染的依据 常用哪些水生生物作为群落法监测水体污染的指示生物 说明贝克生物指数法 生物种类多样性指数法评价水质优劣的原理有何不同之处 PFU微型生物群落监测法通过观测哪些指标表征水体污染程度 31 三 生物测试法 定义 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 32 生物测试法分类 静水式生物测试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 流水式生物测试把受试生物放于连续或间歇流动的试验溶液中 测定污染物的浓度与生物反应之间的关系 短期的急性毒性试验 不超过96h 长期的慢性毒性试验 数月或数年 33 三 生物测试法 1 水生生物毒性试验2 发光细菌法3 致突变和致癌物检测 34 1 水生生物毒性试验 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 行为异常 生理功能紊乱 组织细胞病变 死亡 鱼类毒性试验的目的寻找某种毒物或工业废水对鱼类的半数致死浓度与安全浓度 为制定水质标准和废水排放标准提供科学依据 测试水体的污染程度和检查废水处理效果比较不同化学物质毒性的高低 测试不同种类鱼对毒物的相对敏感性 测试环境因素对废水毒性的影响等 35 1 水生生物毒性试验 1 供试验鱼的选择和驯养金鱼 2 试验条件选择 3 实验步骤自学 36 2 发光细菌法 发光细菌是一类非致病的革兰氏阴性兼性厌氧微生物 在适当条件下能发射出肉眼可见的蓝绿色光 450nm 490nm 当发光细菌 如明亮发光杆菌 与水样毒性组分 如氯化汞 接触时 可影响或干扰细菌的新陈代谢 使细菌的发光强度下降或熄灭 在一定浓度范围内 有毒物质浓度与发光强度呈负线性相关 因而可使用生物发光光度计测定水样的相对发光强度来监测有毒物质的浓度 37 四 叶绿素a的测定 叶绿素a是植物光合作用的重要光合色素 常见的有叶绿素a b c d四种 叶绿素a是一种能将光合作用的光能传递给化学反应系统的唯一色素 叶绿素b c d吸收的光能均是通过叶绿素a传递给化学反应系统的 通过测定叶绿素a 可掌握水体的初级生产力 了解河流 湖泊和海洋中浮游植物的现存量 当叶绿素a 10mg m3并有迅速增加的趋势时 可以预测水体将发生富营养化 分析方法 分光光度法 荧光光谱法 38 1 分光光度法测定叶绿素a 1 基本原理叶绿素a的最大吸收峰位于663nm 叶绿素b C和提取液浊度的干扰可通过在645nm 630nm 750nm处测得的吸光度校正 水中的浮游植物采用过滤法富集 用有机溶剂 丙酮 甲醇 乙醇 提取其中的叶绿素 2 测定方法及要点丙酮法 我国 以质量分数为90 的丙酮提取乙醇法 国际 以体积分数为90 的热乙醇提取 39 丙酮法测定要点 将一定量水样用乙酸纤维滤膜过滤 将收集的有浮游植物的滤膜于冰箱内低温干燥6 8h后放入组织研磨器 加入少量碳酸镁粉末及2 3mL质量分数为90 的丙酮溶液 充分研磨 提取叶绿素a 离心 取上清液 重复提取1 2次 离心所得上清液合并于容量瓶 90 丙酮定容 5mL或10mL 取上清液于比色皿中 663nm 645nm 630nm 750nm测吸光度 公式计算 40 2 荧光光谱法测定叶绿素a 方法原理 当丙酮提取液用436nm的紫外线照射时 叶绿素a发射670nm的荧光 荧光强度与浓度成正比 方法特点 1 灵敏度高 比分光光度法高2个数量级 适合藻类较少的贫营养化湖泊或外海中叶绿素a的测定 2 分析过程中易受其他色素或色素衍生物的干扰 不利于野外快速测定 41 五 微囊藻毒素的测定 1 微囊藻毒素的毒性和结构水体中产毒藻类主要是蓝藻 如微囊藻 鱼腥藻等 微囊藻可产生肝毒素 导致腹泻 呕吐 肝肾等器官损坏 促瘤致癌 微囊藻毒素 microcystin MC 是蓝藻产生的一类天然毒素 富营养化淡水水体中最常见的藻类毒素 也是毒性最大 危害最严重的一种 世界卫生组织 我国现行的 生活饮用水卫生标准 和地表水环境质量标准规定MC LR在生活饮用水中的限值是1 g L 42 微囊藻毒素 MCs 是一类具有生物活性的单环七肽 相对分子量约为1000 基本结构为环 D 丙氨酸 L X D 赤 甲基 D 异天冬氨酸 L Z Adda D 异谷氨酸 N 甲基脱氢丙氨酸 如图所示 目前已鉴定的MCs异构体已超过70多种 其中最常见的且毒性较大的有MC LR和MC RR L R分别代表亮氨酸和精氨酸 由于环状结构和共轭双键的存在 MCs性质较为稳定 抗pH变化 具有热稳定性 加热煮沸后不失活 不挥发 能耐300 C的高温 易溶于水 甲醇或丙酮 不溶于非极性溶剂 具有生物富集性 由于MCs分子结构中含有羧基 氨基和酰胺基 所以在不同的pH条件下 分子有不同的离子化倾向 43 2 微囊藻毒素的检测方法 生物测试法 物理化学测试法 HPLC LC MS表6 9 45 高效液相色谱法测定MCs 1 水样过滤 取水样1L 利用循环水真空泵 经0 45 m的醋酸纤维滤膜减压过滤 2 固相萃取柱的预活化 用10mL甲醇预洗固相萃取小柱 开启真空泵 负压抽去甲醇 再用10mL超纯水浸洗固相萃取柱 使其处于水溶性状态和活化状态备用 注意 在活化操作过程中不能抽干柱子 3 被测组分的富集 将1000mL水样连续加入固相萃取装置中 调节其流速开关 保持流速为8mL min 1 使水样均匀连续地通过已活化过的固相萃取柱 富集MCs 之后将水抽干10min 4 淋洗 用10mL10 甲醇溶液淋洗萃取柱 去除杂质 淋洗速度为1mL min 淋洗后用空气将萃取柱吹干 5 洗脱 取10mL含0 1 TFA的甲醇洗脱萃取柱 洗脱速率为1mL min 6 浓缩 定容 利用氮气吹干仪将洗脱液吹干 然后用100 的甲醇定容至0 5mL 放入进样瓶 待HPLC检测分析 46 AgilentZORBAXEclipseXDB C18高效液相色谱柱 4 6 150mm 5 m 柱子温度35 C 流动相A为甲醇 流动相B为水 含0 05 TFA VA VB 55 45 流速1mL min 检测波长为238nm 参比波长为360nm 自动进样器进样 进样量20 L MC RR MC LR 47 第二节空气污染生物监测 本节主要内容 1 了解大气生物监测法的基本原理 方法要点 优缺点 2 了解植物在污染环境中的受害症状和大气污染指示植物的选择以及各种监测方法 48 第二节空气污染生物监测 一 利用植物监测二 利用动物监测 自学 三 利用微生物监测 自学 49 一 利用植物监测 一 指示植物及其受害症状1 SO2指示植物及受害症状2 氮氧化物指示植物及受害症状3 氟化氢指示植物及受害症状4 光化学氧化剂指示植物及受害症状5 持久性有机污染物指示植物及受害症状 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 50 一 指示植物及其受害症状 指示植物 是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 空气污染物一般通过叶面上的气孔进入植物体内 受害症状的共同点是 叶绿素被破坏 细胞组织脱水 叶面失去光泽 出现不同颜色 黄色 褐色或灰白色 的斑点 叶片脱落 甚至全株枯死等异常现象 51 各种农作物 花卉 绿化树对二氧化硫的敏感性 52 植物受二氧化硫伤害的症状 植物对二氧化硫远比人敏感 空气中浓度0 01 0 08mg L 一些植物即出现伤害 当浓度较高时 短时间就能使叶上出现坏死斑 呈现出急性伤害 阔叶植物中典型的二氧化硫急性症状是在叶脉间不规则的出现花斑 星状斑 块斑 伤害严重时 点斑发展成条状 块状发展成片状 植物的种类不同 坏死斑的颜色有灰白色 象牙色 灰黄色 浅灰色 红棕色 深褐色 黑色等等 低浓度下 长时间接触可引起慢性伤害 使叶片失绿 53 54 SO2监测植物 矮牵牛 55 氟化物对植物的伤害症状 在叶尖端和叶缘部分出现伤斑 这是氟化物进入植物叶片后随蒸腾流移动到叶尖和叶缘 受害叶组织与正常叶组织之间形成明显界限 有时会产生一条红棕色带 多数植物的未成熟叶片易受害 因此常使植物顶端枝梢枯死 受害斑颜色因植物不同而异 有橙红色 红棕色 黑褐色 暗绿色 紫红色 56 各种植物对氟化氢气的敏感性 57 58 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 二 监测方法 59 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 先调查和试验 确定群落中不同种植物对污染物的抗性等级 分为敏感 抗性中等 抗性强三类 如果敏感植物叶部出现受害症状 表明空气已受到轻度污染 如果抗性中等的植物出现部分受害症状 表明空气已受到中度污染 当抗性中等植物出现明显受害症状 有些抗性强的植物也出现部分受害症状时 表明已造成严重污染 同时 根据植物呈现受害症状特征 程度和受害面积比例等判断主要污染物和污染程度 60 2 植物群落监测法 表6 10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 kang 抗性 61 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 光合作用 叶绿素等 指示植物中污染物质含量测定法等 62 思考题 用指示植物监测空气污染的原理是什么 怎样利用植物群落监测空气污染状况 63 第四节生物污染监测 本节主要内容 掌握污染物的来源及在生物体内的分布 生物样品的采集 制备 预处理和测定 了解生物污染监测的意义和主要方法 64 第四节生物污染监测 一 生物对污染物的吸收及在体内分布二 生物样品的采集和制备三 生物样品的预处理四 污染物的测定 65 一 生物对污染物的吸收及在体内分布 掌握污染物质进入生物体的途径及迁移和在各部位的分布规律 对正确采集样品 选择测定方法和获得正确的测定结果是十分重要的 一 植物对污染物的吸收及在体内的分布 二 动物对污染物的吸收及在体内的分布 66 一 植物对污染物的吸收及在体内的分布 空气污染物主要通过黏附 从叶片气孔或茎部皮孔侵入方式进入植物体内 黏附 指污染物黏附在植物表面的现象 例如 植物表面对空气中农药 粉尘的黏附 黏附在植物表面的污染物可因蒸发 风吹或随雨流失而脱离植物 脂溶性农药可渗入作物表面的蜡质层或组织内部 农药在外界条件和体内酶的作用下逐渐降解 消失 但稳定性农药的这种分解 消失速度缓慢 作物收获时还会有一定的残留量 气态污染物 如氟化氢 通过植物叶面上的气孔进入叶肉组织 溶解在细胞壁的水分中 在叶尖和叶缘中累积 使叶尖和叶缘组织坏死 67 一 植物对污染物的吸收及在体内的分布 植物通过根系从土壤或水体中吸收水溶态污染物 污染物含量高 吸收的就多 在沙质土壤中的吸收率比在其他土质中的吸收率要高 对丙体六六六 林丹 的吸收率比其他农药高 块根类作物比茎叶类作物吸收率高 水生作物的吸收率比陆生作物高 68 一 植物对污染物的吸收及在体内的分布 污染物在植物体内的分布和蓄积情况与吸收污染物的途径 植物品种 污染物的性质及作用时间等因素有关 从土壤和水体中吸收污染物的植物 残留量 根 茎 叶 穗 壳 种子从空气中吸收污染物的植物 一般叶部残留量最大 污染物的渗透能力与在植物体内的富集部位有关 渗透能力强的农药富集于果肉 米粒较多 渗透力弱的农药多停留在果皮 米糠中 如 六六六在水中溶解度大 易渗透并蓄积在白米中 倍硫磷等主要蓄积在米糠中 PP DDT 敌菌丹 艾氏剂等渗透力弱 95 以上富集在果皮部位 西维因渗透力强 78 蓄积在果肉中 69 二 动物对污染物的吸收及在体内分布 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 有的到达肺部 水溶性大的气态污染物在呼吸道粘膜上被溶解 极少进入肺泡 水溶性小的气态污染物大部分可到达肺泡 直径小于5 m的粉尘颗粒可到达肺泡 直径大于10 m的尘粒大部分被黏附在呼吸道和气管的粘膜上 水和土壤中的污染物主要通过饮用水和食物摄入 经消化道被吸收 具有脂溶性的物质可以通过皮肤吸收后进入肌体 70 二 污染物在动物体内的分布 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 71 思考题 简要说明污染物进入动 植物体后 主要有哪些分布和蓄积规律 72 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2 植物样品的制备3 分析结果表示方法 二 动物样品的采集和制备 73 1 植物样品的采集 1 对样品的要求 采集的样品要具有代表性 典型性 适时性 代表性 指采集代表一定范围污染情况的植株为样品 对污染源的分布 污染类型 植物的特征 地形地貌 灌溉出入口等因素进行综合考虑 选择合适地段作为采样区 采用适宜的方法布点 确定代表性的植株 不要采集田埂 地边及距田埂地边2m内的植株 74 1 植物样品的采集 典型性 指所采集的植株部位要能充分反映通过监测所要了解的情况 根据要求分别采集植株的不同部位 如根 茎 叶 果实 不能将各部位样品随意混合 适时性 指在植物的不同生长发育阶段 施药 施肥前后 适时采样监测 以掌握不同时期的污染状况和对植物生长的影响 2 布设采样点 在采样小区内 采用梅花型 交叉间隔布点法确定代表性的植株 75 1 植物样品的采集 3 采样方法在每个采样小区内的采样点上分别采集5 10处植株的根 茎 叶 果实等 将同部位混合 组成混合样 采集样品量要能满足需要 一般经制备后 至少有20 50克干样 新鲜样品可按含80 90 水分计算所需样品量 76 2 植物样品的制备 1 鲜样的制备需要测定鲜样的情况 a 测定植物内容易挥发 转化或降解的污染物质 如酚 氰 亚硝酸盐 b 营养成分 如维生素 氨基酸 糖 植物碱等 c 多汁的瓜果 蔬菜 鲜样制备方法 a 去离子水洗净 晾干b 样品切碎 混匀 称取100g于电动高速组织捣碎机的捣碎杯中 加水 捣碎1 2min 制成匀浆 c 对于含纤维多或较硬的样品 用刀切成小块 混匀后在研钵中加石英砂研磨 77 2 植物样品的制备 2 干样的制备 需要测定干样的情况 分析植物中稳定的污染物 如某些金属元素和非金属元素 有机农药等 制备方法 a 风干或40 60摄氏度低温真空干燥箱中烘干b 去除灰尘 杂物 用剪刀剪碎 用磨碎机磨碎 c 粉碎好的样品过筛一般要求通过1mm筛孔 保存于玻璃广口瓶或聚乙烯广口瓶中备用 d 测定某些金属含量的样品 避免金属器械和筛子等的污染 最好用玛瑙研钵磨碎 尼龙筛过筛 聚乙烯瓶保存 78 3 分析结果表示方法 1 以干重为基础表示 mg kg 2 测定含水量 对分析结果进行换算 水分含量测定 重量法100 105摄氏度烘干 失重计算含水量对于含水量高的植物 蔬菜 水果 以鲜重表示计算结果 79 二 动物样品的采集和制备 尿液 收集方便