环境污染生物监测

第六章环境污染生物监测,各种仪器和化学分析手段对污染物的种类和浓度可以比较快速而灵敏地分析测定出来，其中某些常规检验已经能够连续监测。但大部分测定项目或参数还需定期采样。因而只反映采样瞬时的污染物浓度（一种或一类），不能反映多种污染物共同作用的综合结果。生物监测结果可反映污染因素对人和生物的危害及对环境的综合效应,环境监测中理化监测的不足：,利用生物的组分、个体、种群或群落对环境污染或环境变化所产生的反应来量度环境污染程度的方法称为生物监测。,生物监测方法：1.生态（群落生态和个体生态）监测2.生物测试(毒性测定、致突变测定)3.生物的生理、生化指标测定4.生物体内污染物残留量测定,生物监测的定义和方法,长期性污染物的含量和其它环境条件改变的强度大小，是随时间而变化的。理化监测只能代表取样期间的概况。而生活于一定区域内的生物，能把一定时间内环境变化情况反映出来。,以上过程，只有通过生物监测手段，通过食物链放大了的各营养级进行分析，才能对水体进行全面评价。,富集性生物的一个重要特点是它能够通过各种方式从环境中富集某些元素。如水中DDT农药:水中浓度为0.000003mgL浮游生物（富集7.3万倍）小鱼(富集14.3万倍)大鱼（富集858万倍）人食用这些水中生物后富集1000万倍。,综合性人类生产、生活所产生的污染物，成份极其复杂。理化监测只能获得各种成份的类别和含量，但不能确切说明对生物有机体的影响。而生物是接受综合作用，不仅仅是个别组分的影响，所以生物监测能反映环境诸因子、多组分综合作用的结果，能阐明整个环境的情况。对符合排放标准的污染物，其长期影响环境的后果，更需要用生物监测来评价。,生物监测的特点,第二节空气污染生物监测,第三节生物污染监测,第四节生态监测,第一节水环境污染生物监测,对水环境进行生物监测的主要目的: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。,第一节水环境污染生物监测,采样断面和采样点的布设原则,断面要有代表性尽可能与化学监测断面相一致考虑水环境的整体性、监测工作连续性和经济性,河流：根据长度，至少设上（对照）、中（污染）、下游（观察）三个断面；采样点数视水面宽、水深、生物分布特点等确定。湖泊（水库）：入湖（库）区、中心区、出口区、最深水区、清洁区等处设监测断面。,生物监测主要方法,一、生物群落监测方法二、生物测试法三、细菌学检验法,生物群落监测中的对象：水污染指示生物（能对水体中污染物产生各种定性、定量反应的生物）,一、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，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。,浮游生物,着生生物附着于长期浸没水中的各种基质表面上的有机体群落。,底栖动物栖息在水体底部淤泥内、石块或砾石表面及其间隙中的肉眼可见的水生无脊椎动物。,鱼类,微生物,浮游动物（原生动物、轮虫、枝角类和桡足类）,浮游植物藻类,（一）生物指数监测法（贝克生物指数、贝克-津田生物指数、生物种类多样性指数、硅藻生物指数）（二）污水生物系统法（三）PFU微型生物群落监测法（简称PFU法）,生物群落监测方法,（一）生物指数监测法,生物指数（BI）=2A+B式中：A、B分别为敏感底栖动物种类数和耐污底栖动物种类数。贝克生物指数：从采样点采到的底栖大型无脊椎动物当BI10时，为清洁水域；BI为16时，为中等污染水域；BI=0时，为严重污染水域。2.贝克津田生物指数：所有拟评价或监测的河段各种底栖大型无脊椎动物当BI20，为清洁水区；10BI20，为轻度污染水区；6BI10，为中等污染水区；0BI6，为严重污染水区。,1.贝克生物指数和贝克-津田生物指数,3.生物种类多样性指数,式中：种类多样性指数；N单位面积样品中收集到的各类动物的总个数；ni单位面积样品中第i种动物的个数；S收集到的动物种类数。动物种类越多，指数越大，水质越好；反之，种类越少，指数越小，水体污染越严重。威尔姆对美国十几条河流进行了调查，总结出指数与水样污染程度的关系如下：值1.0：严重污染;值1.03.0：中等污染；值3.0：清洁,4.硅藻生物指数,硅藻指数=式中：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。硅藻指数050为多污带；硅藻指数50100为-中污带；硅藻指数100150为-中污带；硅藻指数150200为轻污带。,（二）污水生物系统法,将受有机物污染的河流按照污染程度和自净过程，自上游向下游划分为四个相互连续的河段，即多污带段、-中污带段、-中污带段和寡污带段，每个带都有自己的物理、化学和生物学特征。根据这些特征进行判断。,表6.2为污水系统的部分生物学、化学特征。,表6.2污水系统的部分生物学、化学特征,（三）PFU微型生物群落监测法,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。,根据水环境条件确定采样时间，一般在静水中采样约需四周，在流水中采样约需两周；采样结束后，带回实验室，把PFU中的水全部挤于烧杯内，用显微镜进行微型生物种类观察和活体计数。,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。,二、生物测试法,分类,按水流方式：静水式和流水式,按测试时间分类：急性试验和慢性试验,按受试活体分类：水生生物和发光细菌等,（一）水生生物毒性试验,水生生物毒性试验可用：鱼类、蚤类、藻类等，其中鱼类毒性试验应用较广泛。,金鱼,绿藻,褐藻,蝴蝶鱼,图6.1可用于水生生物毒性试验的部分鱼类和藻类,（二）发光细菌法,发光细菌是一类能自发发光的细菌，其发光机制是由于菌体内有一种荧光素酶，通过酶催化不饱和脂肪酸反应，而向外界辐射蓝绿色的荧光，发光光谱范围在435630nm，有单一最大发射峰(max=475nm).它是生物自身的正常生理代谢过程.由于发光细菌有易培养、增殖速度快、发光易受外界环境的影响且反应迅速、灵敏等特点。近年来国内外较多地将发光细应用于环境监测，Beckman公司依据发光细菌的发光原理,已推出用于环境监测的生物毒性检测仪Microtox。,当发光细菌与水样毒性组分接触时，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。在一定毒物浓度范围内，有毒物质浓度与发光强度呈负相关线性关系，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。,1.水生植物生产力的测定水生植物中叶绿素含量、光合作用能力、固氮能力等指标的变化。2.致诱变物质监测其检测方法有：微核测定艾姆斯（Ames）试验染色体畸变试验,（三）其他生物测试法,三、细菌学检验法,1.卫生学质量的判断在实际工作中，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。2.利用细菌的新陈代谢能力检测废水毒性：利用细菌的活动能力利用细菌生长抑制试验利用细菌的呼吸代谢检测,第二节空气污染生物监测,大气污染的生物监测是利用生物对存在于大气中的污染物的反应，监测有害气体的成分和含量，以确定大气的环境质量水平。,一、利用植物监测,在生物体系中，植物更易遭受大气污染的伤害，其原因为:植物能以庞大的叶面积与空气接触，进行活跃的气体交换;植物缺乏动物的循环系统来缓冲外界的影响;植物固定生长的特点使其无法避开污染物的伤害。因为植物对大气污染的反应敏感性强，加上本身位置的固定，便于监测与管理，大气污染的生物监测主要是利用植物进行监测。,（一）指示植物及其受害症状,指示植物：对大气污染反应灵敏，用以指示和反映大气污染状况的植物（草本、木本、地衣、苔藓等）。受害症状：叶绿素被破坏、细胞组织脱水，进而发生叶面失去光泽，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。,二氧化硫指示植物,堇菜,苔藓,白蜡树,云杉,地衣,棉花,白杨,图6.3部分二氧化硫指示植物,光化学氧化物指示植物,矮牵牛花,葡萄,菠菜,黄瓜,马铃薯,洋葱,图6.4O3的指示植物,雪松,葡萄,金钱草,杏树,慈竹,郁金香,图6.5氟化物的指示植物,氟化物指示植物,乙烯的指示植物,万寿菊,皂荚树,黄瓜,番茄,兰花,图6.6乙烯的指示植物,氮氧化物指示植物,向日葵,菠菜,秋海棠,番茄,烟草,图6.7氮氧化物指示植物,（二）监测方法,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或地栽培植，待生长到适宜大小时，移至监测点观察它们的受害症状和程度。,图6.8植物监测器示意图,1.气泵；2.针型阀；3.流量计；4.活性炭净化器；5.盆栽指示植物,2、植物群落监测法先通过调查和试验，确定群落中不同种植物对污染物的抗性等级，将其分为敏感、抗性中等和抗性强三类。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，则表明已造成严重污染。,表6.3排放SO2的某化工厂附近植物群落受害情况,二、利用动物监测,（一）利用动物个体的异常反应,对矿井内瓦斯毒气敏感的动物,金丝雀,金翅雀,鸡,老鼠,图6.9对矿井内瓦斯毒气敏感的动物,对SO2敏感的动物,敏感性水平：,本鸟最高,俺狗狗第二,耐受力最好的当属我们家禽了,金丝雀,狗,家禽,图6.10对SO2敏感的动物,（二）利用动物种群数量的变化,受不了啦，快跑吧！,大型哺乳动物、鸟类、昆虫等迁移,图6.11大型哺乳动物、鸟类不堪忍受空气污染而迁往别处,三、利用微生物监测,空气微生物是空气污染的重要因子，它与气溶胶、颗粒物等媒体一起散布并污染环境、左右疾病发生与传播，监测空气微生物状况是掌握其活动和作用的必要前提。室内空气微生物监测：,某医院的空气微生物监测163份标本，合格88份，合格率仅54；表明空气微生物的污染与医院感染密切相关，加强消毒隔离措施、合理使用抗生素，控制医院感染是十分重要的。,室外空气微生物监测：,辽宁省某市空气中微生物区系分布与环境质量关系研究表明：空气中微生物的数量随着人群和车辆流动的增加而增多，繁华的中街微生物数量最多，其次是交通路口，居民小区；郊区某公园和农村空气中细菌最少。2001和2002年山东省某海滨城市空气微生物监测发现：该市空气微生物检出率高，空气处于微生物中度污染状态。其中东部、居住区空气污染较重，南部、西部和风景游览区空气污染较轻。滨海区空气陆源细菌少于内陆区，真菌却较多。滨海与内陆区空气微生物含量相近，滨海区空气陆源微生物增多，意味两区空气污染有趋同现象。,第三节生物污染监测,生物污染监测就是应用各种检测手段测定生物体内的有害物质，以便及时掌握被污染的程度。生物污染监测的步骤：,生物样品的采集,预处理,污染物的测定,生物样品制备,一、生物样品的采集和制备,1.植物样品的采集(污染物在植物体内分布不均匀）(1)对样品的要求：采集的植物样品要具有代表性、典型性和适时性。(2)布点方法：在划分好的采样小区内，常采用梅花形布点法或交叉间隔布点法确定代表性的植株。,(一)植物样品的采集和制备,(3)采样方法：在每个采样小区内的采样点上分别采集510处植株的根、茎、叶、果实等，将同部位样混合，组成一个混合样；采集样品量要能满足需要，一般经制备后，至少有2050g干重样品。,图6.16采样点布设方法,2.植物样品的制备(1)鲜样的制备：测定植物内容易挥发、转化或降解的污染物质、营养成分，以及多汁的瓜、果、蔬菜样品，应制备成新鲜样品。样品洗净晾干或拭干捣碎机捣碎制浆研磨(2)干样的制备：风干、烘干磨碎过筛保存3.分析结果表示方法常以干重为基础表示（mg/kg），但含水量高的蔬菜、水果等，以鲜重表示计算结果为好。,(二)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。,三、生物样品的预处理