环境生物学第八章环境质量生物监测和生物评价.doc

第八章 环境质量生物监测与生物评价8.1 生物监测和环境质量评价概念 环境质量：环境素质的优劣程度。 即在一个具体的环境内，环境的总体或环境的基本要素对人群的生存和繁衍及社会经济发展的适宜程度。具体指自然环境质量和社会环境质量两个方面。包括物理的、化学的和生物的质量；又可具体划分为：大气环境质量、水环境质量、土壤环境质量、生物环境质量等。生物环境质量：自然环境质量的重要组成部分，指周围生物群落构成的特点而言，不同地区生物群落的结构及组成持点不同，其生物环境质量也有差别。 环境质量基准: 环境因素在一定条件下作用特定对象（人或生物）而不产生不良或有害效应的最大阈值。它是由污染物同特定对象之间的剂量反应关系确定的，不考虑社会、经济、技术等人为因素。或者说环境质量基准是保障人类生存活动及维持生态平衡的基本水准。具有客观性。 环境质量标准:国家权力机构以前者为依据，考虑社会、经济、技术等因素，经过综合分析后，对环境中的有害因素在限定的时空范围内容许阈值所作的强制性法规，体现国家环境保护政策和要求。具有主观性。GB3838-88“地面水环境质量标准”。考察环境质量: 环境质量调查:环境背景值、自然环境状况、区域污染状况、人类干扰、环境因素危害等。 环境质量监测:对环境指标进行定期的或连续的监测、观察和分析其变化。 环境质量评价:按照一定的标准，采用相应的方法对环境质量进行评定、比较及预测。 环境质量调控:达到一定的标准；污染物不超出许的容纳量。 环境质量预测: 环境质量未来趋势所作的推断。l 生物监测：生物监测是利用生物个体、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。 具体就是利用生物对环境毒物、污染物的反应变化及变化程度去监测评价环境质量的变化、受污染程度。 生物监测重点放在个体和生态系统级的生物反应上 生物监测至少应具备条件：对比性；重复性u 生物监测内容包括： 生态环境变化 生物个体急性、亚急性、慢性的毒性测定 生物的生理生化分析 有毒物质、污染物在生物体内循环运转的分析 个体生态状况以及群落生态结构变化分析等 u 生物监测的依据生态系统理论是生物监测的理论基础。具有维持一定地区的系统结构与功能的能力u 生物监测基本方法1、指示生物法指示生物：对环境中某些物质，包括污染物的作用或环境条件的改变能较敏感和快速地产生明显反应的生物 ；另有定义：环境中对某些物质(包括进入环境中的污染物)能产生各种反应或信息而被用来监测和评价环境质量的现状和变化的生物。 指示生物的种类: 包括大气污染指示生物和水体污染指示生物。 例如： 指示节气 枣花发，种棉花；杏花开，快种麦 指示天气 燕子低飞预示雨将来临，蜻蜓高飞预示天晴 指示资源 安徽的海州香薷指示铜矿，湖南念同的野韭指示金矿 注：指示生物只在一定的时空范围内起作用：安徽的海州香薷只在安徽指示铜矿，在北方则无此作用。 指示生物的基本特征: 灵敏； 代表性； 具有小的差异性 :重现性好；具有多功能性。根据对环境中某种特定污染物敏感的或有较高耐受性的生物种类的存在或缺失，来指示其所在环境中的多寡或分解程度，是最经典的生物学评价方法。 指示生物选择方法： 现场比较 栽培或饲养比较试验 人工熏气 浸蘸、现场调查法 在污染区内调查原有生物生长发育状况，初步查明环境污染与生物生长之间的相互关系。 常用于大气污染的生物监测 调查主要污染物的种类、浓度和分布扩散规律 选择观察点 选择观察对象 确定观测时间 确定观测项目 根据调查和资料对比分析，可把地区受害程度表示在地图上 3、现场盆栽定点监测法： 将监测用的指示植物栽培在污染区选定的监测点上，定期观察，记录其受害症状和程度，来估测污染物的成分、浓度和范围，以此来监测该地区大气污染情况 4、群落和生态系统监测法群落和生态系统水平上的生物监测方法以水域监测为多，近几年来关于陆地生态系统人为干扰的生物监测方法和指标体系也有了迅速发展 。 主要观察指标 结构参数 功能参数 主要的群落和生态系统监测方法v 植物群落监测法：植物群落和周围环境有着密切的关系 v 污水生物系统法 v 微型生物群落监测法 v 生物指数法 v 微宇宙法 思考：与理化监测相比，生物监测有何优缺点？优点： 能直接反映环境质量对生态系统的影响 不需购置昂贵的仪器及进行仪器保养和维修 可大面积或长距离内密集布点不足之处： 反应不够快速，无法精确监测某些污染物的含量，精度不高， 易受环境因素的影响如季节和地理环境等8.2 生物监测与评价8.2.1 大气污染的生物监测与评价 大气污染生物监测：利用生物对大气污染物的反应，监测有害气体的成分和含量以了解大气的环境质量状况。 由于植物的特点，大气污染植物监测被广泛应用植物监测的主要内容 直接利用植物受害情况，对大气质量变化做出判断； 利用植物叶片对大气污染物的富集累积特性，通过测定植物体内污染物的量判断大气污染程度； 利用大气污染敏感植物（地衣、苔藓）做生物监测； 利用植物生理生化反应来监测大气质量； 利用植物群落变化监测大气环境质量大气污染的植物监测有以下几种方法：1.指示植物监测法指示植物: 利用某些植物对某些有害气体的特殊敏感性，可以监测大气中该气体的浓度，这种植物就称为该大气污染物的指示植物。 在受到污染物的侵袭后有明显的显示：如明显的伤害症状、生长和形态的变化、果实或种子的变化以及生产力或产量的变化等 一般选择： 一年生草本植物、多年生木本植物以及地衣、苔藓等 主要是树木、农作物、蔬菜及野生草本植物 常见大气污染指示植物O3的指示植物 菠菜、马铃薯、葡萄、黄瓜二氧化硫指示植物 白杨、棉花、云杉、苔藓氟化物指示植物 郁金香、雪松、杏树、慈竹乙烯的指示植物 兰花、番茄、皂荚树、万寿菊氮氧化物指示植物 向日葵、烟草、秋海棠 指示植物的选择方法 现场比较评比法：单一污染物的现场挑选敏感植物。 栽培比较试验法：将各种预备筛选的植物进行栽培，然后放在监测区，挑选敏感植物。 人工熏气法：人工实验条件挑选敏感植物。 监测方法 选择可靠的指示植物，了解其受害症状和受伤阈值，然后根据受害程度大小估测大气污染物的成分、浓度和范围。 注：受伤阈值指引起指示植物受害的污染气体的最低浓度和暴露时间。几种大气污染物对植物的危害症状污染物危 害 症 状O3叶面出现白色或褐色不规则斑点或呈条斑分布，叶尖端变成褐色或坏死PAN叶子下表面变光滑或呈银白色或青铜色NO2脉间组织和靠近叶缘边出现不规则的白色或褐色溃伤SO2伤斑多分布于脉间，与健康组织区别明显，阔叶植物脉间出现不规则坏死斑，单子叶植物平行脉间出现斑点或条状坏死区HF叶尖和叶缘出现灼伤、退绿，伤区与健康组织区别明显Cl2叶脉间变白，叶尖和叶缘出现灼伤及落叶酸雾叶上出现细密、近圆形坏死斑表81 几种大气污染物对植物的危害症状2 .植物群落监测法植物群落监测法: 利用植物群落中各种植物对环境污染的反应估测大气污染的方法。 如敏感植物受害，表明大气受到污染；如抗性中等的植物受害，表明大气污染较严重；如抗性强的植物受害，表明大气污染十分严重；在严重污染地区，敏感植物不存在。 在长期受污染地区，一些群落多样性受到影响，从而使植物退化，由此可根据群落中物种多少及个体数量多少来评价大气污染状况。 实例：某化工厂附近的植物群落调查排放SO2的某化工厂附近植物群落受害情况植物名称受 害 情 况悬铃木、加拿大白杨80或全部叶片受害，甚至脱落丝瓜叶片有明显大块伤斑，部分植物枯死向日葵、葱、玉米、菊花、牵牛花50左右叶面积受害，叶脉间有点、块状伤斑月季、蔷薇、枸杞、香椿、乌桕80左右叶面积受害，叶片有轻度点、块状伤斑葡萄、金银花、构树、马齿苋10左右叶面积受害，叶片有轻度点状伤斑广玉兰、大叶黄杨、腊梅肉眼观察无明显症状表72 某化工厂3050m范围内植物受害情况3 .地衣、苔藓监测法 特点： 这两类植物对二氧化硫和氟化氢等的反应比高等植物敏感；例如SO2年平均浓度在0.0150.105 ppm范围内就可使地衣绝迹；浓度超过0.017ppm时大多数苔藓植物不能生存。 地衣、苔藓生长在树干上，故可以减少土壤或水体污染的干扰。 地衣、苔藓所需水分和养分等全部依赖于雨水和露，同时以植物整体吸收养分，高等植物靠气孔来吸收大气中的污染物，故前者吸收污染物的量相对较多。 生长速度比高等植物慢，一旦受损不易恢复，有利于掌握长时间的污染积累结果。 两者为多年生长绿色植物，一年四季均可作为监测器。而高等植物往往冬季落叶，难以显示受害情况。 取材方便，成本低，有直观效果，但在自然条件下难以获得精确可靠的定量数据。 形体小，分类困难，不经过专门的学习不易掌握辨识方法。 观察指标 通常观察地衣、苔藓植物的多度、盖度、频度、种类数量以及内外部受害症状等指标。 在大气污染状况下，地衣、苔藓分布规律 污染严重地区，地衣、苔藓植物很少或完全绝迹； 随污染的减轻，地衣、苔藓植物种属增加，多度、盖度、频度等也逐渐增高并且在树干上的分布高度也升高。l 植物监测的其他方法4 .微核技术的应用： 根据环境污染物会引起染色体畸变而形成微核的原理。 利用紫路草花粉母细胞的微核数量指示环境污染状况，我国已应用该法来监测水、大气污染状况。 污染量指数法 KIPC监测点指示植物叶片中某污染物的含量/对照点同种植物中某污染物的含量 I级：清洁大气（小于1.20）； II级：轻度污染（1.21-2.00）； III级：中度污染（2.01-3.00）； IV级：严重污染（大于3.00） 应用植物监测应注意问题？采取措施？应注意区分大气污染对植物的伤害与其他因素对植物伤害，如冻害、病虫害、肥料不足、农药药害等也可使植物受害。可从调查污染源入手，通过观察植物叶片受害症状、受害方式，或进行叶片污染物的含量分析来进行判断，这要求工作人员观察细心，并有较为丰富的实践经验。l 大气污染的细菌总数测定i室外空气中微生物的数量和人与动物的密度、植物的数量、土囊与地面的铺装情况、气温与湿度、日照与气流等因素有关。室外空气中微生物大部分为非致病性微生物，一般病原微生物的存在比较少。ii室内空气中，特别在通风不良、人员拥挤的环境中，可有较多的微生物存在，也有可能有来自人体的某些病原微生物。iii通过对空气中微生物的检测可以了解空气环境中微生物的分布情况，为地区性空气环境质量评价提供生物污染的依据。 空气污染的微生物学评价指标 细菌总数 链球菌总数 测定方法： 沉降平皿法 吸收管法 撞击平皿法 滤膜法8.2.2 水污染的生物监测 水体受到污染而使水环境条件改变时，各种不同的水生生物由于对水环境的要求和适应能力不同而产生不同的反应， 人们就根据水生生物的反应，对水体污染程度作出判断， 这就是水生生物监测水体污染的基础。l 水污染的生物监测主要包括以下方面：病原菌在各种水中生存时间（d）l 水污染的细菌学监测调查内容包括：细菌种类组成、优势种以及依赖环境特性而存在的特定细菌及其数量；细菌群落现存量。具体方法：1、测定菌种的选择2、水样的采集与保存3、细菌总数的测定4、大肠杆菌的测定测定菌种的选择l 水样的采集与保存 采样方法： 自来水 河流、湖泊：距水面1015cm深处取样，并留有空隙 采用无菌操作：必须按一般无菌操作的基本要求进行采样；并保证运送、保存过程中不受污染 保存时间：从取样到检验不应超过2h ，10以下不得超过6h 采样记录：水样的采集情况、采集时间、保存条件等皆应详细记录，一并送检验单位l 细菌总数的测定方法细菌总数是指1mL水样接种于普通琼脂培养基中（两平行、对照）、在37下培养24h，计数所生长的菌落数，可反映水体有机污染的程度。如每1毫升自来水中细菌总数不得超过100个。注意： 有较大片状菌落生长的平皿不能采用 选择平均菌落数在30一300之间者进行计算l 大肠杆菌的测定大肠菌群系指一群需氧及兼性厌氧的革兰氏阴性无芽孢杆菌，能在37培养24h内使乳糖发酵产酸产气者。 主要来源于人畜粪便中，在肠道中普遍存在并且是数量最多的一种。故大肠杆菌群的检测作为监测水体是否受粪便污染的指标。 大肠菌群数指每升水样中含有的大肠菌群的数量。每升饮用水中大肠菌群数不超过3个。1）发酵法亦称多管发酵法或三步发酵法：适用于多种水样 初发酵(推测试验) 平皿分离(证实试验) 复发酵(完成试验)2）滤膜法：适用于杂质较少的水样l 浮游生物监测 浮游生物是指具有很少或没有克服水流的能力、随波逐流地生活于广阔水域或大洋的微型水池生物。 浮游生物包括浮游植物和浮游动物，如藻类、原生动物、轮虫、枝角类等 浮游生物监测法的特点 浮游生物中的某些种类对有机污染或化学污染非常敏感，长期被用作指示生物，由于浮游生物的不稳定性且常常集群分布，作为水质指示生物的可靠性和准确性受到限制。 浮游生物监测法的具体步骤 采样 检验标本的制作 计数 生物量的测定：叶绿素a法；生物体积法；重量法；ATP测定法采样点的布设 力求接近化学与细菌学的采样点； 河流为上下游，一般不考虑分层； 河宽50m以内，仅设1个采样点；50-100m，设3个 湖泊为与随机法相结合的方格法或横断线法，考虑分层采样步骤 确定采样地点、深度、频率 标签：日期，采样点，研究水域、样品类型，水深； 记录本：地点、深度、类型、时间、气候条件、浊度、水温等 固定方法： 浮游植物可用鲁哥氏液、 5%福尔马林，另防褪色可加1ml饱和硫酸铜/L样品或避光保存 浮游动物可用70%乙醇、5%福尔马林、鲁哥氏液；分析生物量的用5%福尔马林；另加洗涤剂可防止结团 采样量平行样 力求接近化学与细菌学的采样点； 河流为上下游，一般不考虑分层； 河宽50m以内，仅设1个采样点；50-100m，设3个 湖泊为与随机法相结合的方格法或横断线法，考虑分层 确定采样地点、深度、频率 标签：日期，采样点，研究水域、样品类型，水深； 记录本：地点、深度、类型、时间、气候条件、浊度、水温等 固定方法：浮游植物可用鲁哥氏液、 5%福尔马林，另防褪色可加1ml饱和硫酸铜/L样品或避光保存浮游动物可用70%乙醇、5%福尔马林、鲁哥氏液；分析生物量的用5%福尔马林；另加洗涤剂可防止结团 采样量平行样l 底栖大型无脊椎动物监测法底栖大型无脊椎动物是指栖息在水底或附着在水中植物和石块上肉眼可见的，大小不能通过孔眼为0.595mm(淡水)或1.0 mm(海洋)的水生无脊椎动物，包括水生昆虫、大型甲壳类、软体动物、环节动物等，一般栖息在水底或附着在水中植物和石块上。 在未受干扰的环境里，河流和湖泊中大型无脊椎动物群落的组成和密度比较稳定，这些群落可调节群落结构来反映生境质量变化，这些对环境变化的反应可用来监测和评价城市、工业、石油、农业废物及其土地利用对自然水体的影响。 采样布点：同前面 采样方法 样品采集有自然基质或人工基质法采集 定性样品：采用自然基质采样法：水深50cm内直接取出水草、石块，或用镊子取出样品；底质若是淤泥或细砂，可用手抄网捞取；水深超过50cm，用三角拖网采集定量样品采集方法 自然基质法：可用彼得生采样器，打开采样器挂好提钩，放入水底后抖脱提钩，慢慢拉出水面，倒入桶内，过40目筛，带回实验室，检出标本固定。2-3个平行样 人工基质法：一般用直径18cm、高20cm采样器，小孔为4-6cm2，笼底铺一层40目的尼龙筛绢，内装长7-9cm的鹅卵石，每个采样点放2只，绳索固定，2周后取出，刷下底栖动物，经40目筛，检出肉眼可见标本，固定样品固定和保存 对易收缩或脱肢的先麻醉，使虫体舒展后保存与5%福尔马林或70%乙醇中 有钙质或外骨骼的保存于70%乙醇 保存前先记录体色 检出样品按类分装在标本瓶中，标明标本号、日期、采样点、生物名称等种类鉴定和计数 优势种应鉴定到种，其他生物应尽可能做分类单位鉴定微型生物群落监测法 微型生物群落 微型生物群落是生活在水中的微小生物，包括藻类、原生动物、轮虫、线虫、甲壳类等，如环境受到外界的严重干扰，其群落的平衡被破坏，其结构特征也随之变化，因而可用其进行水体的监测和评价。l PFU法（聚氨酯泡沫塑料块法） 原生动物在PFU内的群集速度和时间受环境的影响，不同污染水体，其群集速度和种类数不同。1969年由美国学者凯思斯等人发展和创立的聚氨配泡沫塑料块法，又称PFU法(polyurethane foam unit) 原理：用PFU法得到的原生动物群集过程是群集速度随着种类上升而下降，集群速度与种类数的交叉点就是种数的平衡点8.2.3 水环境质量的生物学评价 水生生物与它们生存的水环境是相互依存、相互影响的统一体。水体受到污染后，对生存于其中的生物产生影响，生物也对此作出不同的反应和变化，其反应和变化是水环境评价的良好指标，这是水环境质量评价的基本依据和原理。水环境质量的生物学评价有以下几种方法： 一般描述对比法 指示生物法 污水生物系统法 生物指数法 种的多样性指数 生产力法 残留量指数 及富集系数l 指示生物法 水体污染指示生物 常采用底栖动物中的环节动物、软体动物、固着生活的甲壳动物以及水生昆虫等。它们个体较大，在环境中相对位移小，无逃避行为，生命周期较长，故成为水体污染指示生物的重要研究对象。 常用的水体污染指示生物种类 颤蚓类 摇蚊幼虫 蚂蝗 浮游生物和藻类Hellawell推荐作为指示生物的各种生物所占的百分数污水生物系统法污水生物系统(saprobien system)是1909年由科尔科威茨(Kolkwitz)和马森(Marsson) 提出: 污水生物系统法的原理 受污染的河流由于自身的自净过程从而导致自上游往下游形成一系列在污染程度上逐渐减轻的连续带。随污染物浓度的降低，生物种类也发生变化，每一带都生存有大体上能够表示这一带特性的动物和植物， 将河流依次划分为四个污染带，即多污带、 中污带、 中污带、寡污带，从而可以根据一条河流中一定区域内所发现的动物区系和植物区系来鉴别该区域的有机污染程度。 各带特点化学过程DOBOD硫化氢有机物细菌栖息生物的生态学特征多污带腐败引起的还原与分解作用明显全无很高强烈的硫化氢气味大量高分子有机物100万个/ml所有动物均为细菌摄食者，耐pH的强烈变化，耐低溶解氧的兼气性生物，对硫化氢等毒性物质有强烈的抗性-中污带水及底泥中出现氧化有一些高无因高分子有机物分解产生胺酸10100万个/ml以细菌摄食动物占优势，一般对溶解氧和pH变化有高度适应性，对硫化氢仅有弱的耐受性-中污带到处进行着氧化作用较多较低无很多脂肪酸胺化合物10万个/ml对溶解氧和pH变化耐受性差，对腐败毒物无长时间的耐受性寡污带因氧化使矿化作用达到完成阶段很多低无有机物完全分解100个/ml对溶解氧和pH变化耐受性差，特别缺乏对腐败毒物的耐受性藻类动物原生动物后生动物多污带无硅藻、绿藻、接合藻以及高等植物微型动物为主，原生动物占优势有变形虫、纤毛虫、但无太阳虫、双鞭毛虫及吸管虫仅有少数轮虫、蠕形动物、昆虫幼虫-中污带藻类大量发生，有蓝藻、绿藻、结合藻以及硅藻微型动物占大多数逐渐出现太阳虫、吸管虫，但无双鞭毛虫贝类、甲壳类、昆虫出现，鱼类中的鲤、鲫、鲶等可在此栖息-中污带硅藻、绿藻、接合藻出现，为鼓藻类主要分布区多种多样太阳虫和吸管虫中耐污性弱的种类出现，双鞭毛虫也出现淡水绵、水螅、贝类、小型甲壳类、两栖动物鱼类均可出现寡污带水中藻类少，但着生藻类多多种多样仅有少数鞭毛虫和纤毛虫除各种动物外，昆虫幼虫种类极多 污水生物系统的应用 主要应用对象是被生活污水污染的水域，对重金属和其他工业废水引起的污染水域的应用问题尚需进一步研究。 应用该法来监测和评价环境比较全面，但工作很繁重，耗费时间，而且需要具有熟练的分类知识，同时调查结果也不易表示。l 生物指数法 什么是生物指数法？ 依据不利环境因素，用数学形式表现群落结构来指示环境质量状况，包括污染在内的水质变化对生物群落的生态学效应的一种方法。 例子：Beck生物指数： 公式：IBn An B 注1： n A为底栖大型无脊椎动物中对有机物敏感的种类数，在污染水体中从未发现； n B为底栖大型无脊椎动物中对有机物不敏感（耐污性）的种类数，只在污染状况下才出现。 注2： IB0时，表示水体受到严重污染； IB在19之间时为中等污染； IB大于10时为清洁水体。颤蚓类与全部底栖动物相比的生物指数库德奈特和惠特(1960)提出 数值小于60%为良好水质6080%为中等污染水质大于80%为严重污染水质硅藻生物指数用河流中硅藻的种类数计算生物指数污染程度清洁水轻度污染水中度污染水严重污染水IBIP08820206060100污染生物指数（IBIP） 生物指数法的应用特点 方法简单，有一个粗略数字概念，便于比较； 缺点：需分类学和生态学专门人员进行种类鉴定，同时只考虑了种类数，而未考虑个体数量。 应用时应结合生物学其他指标和物理、化学指标，综合考虑各方面的影响因素。生物指数主要反映的生态学效应 某些对污染有指示价值的生物种类出现或消失群落结构的种类组成变化 群落中生物种类数在污染加重的条件下减少，在水质较好的情况下增加，但过于清洁的条件下由于食物缺乏也会导致种类数的减少 组成群落的个别种群变化(如数量变化等) 群落中种类组成比例的变化 自养-异养程度上的变化 生产力的变化多样性指数法 什么是多样性指数法？ 应用数理统计方法来表示生物群落的种类和个体数量的比值从而评价环境质量的一种方法。 多样性指数法的工作原理： 不同的生物对污染的敏感性和耐受性不同，敏感的种类在不利的条件下死亡，抗性强的种类在新的条件下可大量发现。利用群落中个体数与种类数的比值在不同污染区的不同，从而反映环境污染的状况。 小结 多样性指数具有简明的数值概念，可以直接反映环境质量状况。 指数值越大，表明生态环境状态越好。 该法如与其他生物监测方法综合起来分析，其效果更好。其他生物学评价方法 生产力：反映一个生态系统内物质循环和能量流动的指标。 P/R值：初级生产量和呼吸量的比率。 自养指数 I AI：去灰分重和叶绿素含量的比值。 残留量指数 和富集系数 残留量指数 IC i / C s i 富集系数 K C i / C s i 注：C i生物个体或种群的某种化合物或元素的实测残