（环境科学专业论文）鱼类行为学在水质在线监测与预警中的应用研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 鱼类行为学在水质在线监测与预警中的应用研究 摘要 本研究把生物行为学与环境监测方法相结合，利用一种新型的水质在线监测 蹩冀蓁囊篓葡篓幕蠢嚣羹墓霆蓑瑶翥疆嚣冀纂薹孺酵黎雾塑薹墓霭淄弱霪雾黧 藿；薅簸簿斟墓鞲褥型震霪雾翼蠢剿雾囊羹黉黧弹魏蒌薹露鋈蓠睡；雾冀霹藿雾 蓁囊驿冀霆霎襄。 墓蚕霪蓥鬻群w 稼飘簸髦冀雾堂萎蓁霪蓁蓊藜霾蒌薹蚕冀u c e d o c a s t a n e d aqg u t i e r r e z r o j a sm ，b a c q u e tgr a i m b a u l tm h e a t t r a n s f e rs i m u l a t io ni ns o l i ds u b s t r a t ef e r m e n t a t i o n 【j 】b i o t e c h n o l o g ya n d b i o e n g i n e e r i n g ，1 9 9 0 , 3 5 ：8 0 2 8 0 8 10 6 】p e n j i ts a n gs u r a s a k , d a v i da m i t c h e l l i n c o r p o r a t i o no fd e a t hk i n e t i c si 1 1 t oa 。 2 - d i m e n s i o n a ld y n a m i ch e a tt r a n s f e rm o d e lf o rs o l i ds t a t ef e r m e n t a t i o n 【j 】 j o u r n a lo fc h e m i ca lt e c h n o l o g ya n d b i o t e c h n o l o g y , 19 9 5 ，6 4 ：2 5 3 2 6 0 10 7 g u t i e r r e z -r o j a sm ，a m a ra b o u lh o s ns ，a u r i ar ，r e v a hs ，f a v e l a - t o r r e se h e a tt r a n s f e ri nci t r i ca c i dp r o d u c t i o nb ys o l i ds t a t ef e r m e n t a t i o n j p r o c e s s b i o c h e m i s t r y , 199 6 ，3 1 ：3 6 3 - 3 6 9 1 0 8 】h e n kl l ，l i nd e nj c s o l i d s t a t ep r o d u c t i o no fe t h a n o lf r o ms o r g h u m 埘 a p p l i e db i o c h e m is t r ya n db i o t e c h n o l o g y , 1 9 9 6 ，5 7 ：4 8 9 5 0 1 【10 9 】r o u k a st s o l i d - s t a t ef e r m e n t a t i o no fc a r o bp o d sf o re t h a h o lp r o d u c t i o n ，【j 】 a p p l i e dm i c r o b i ol o g ya n db i o t e c h n o l o g y , 1 9 9 4 ，4 1 ：2 9 6 3 0 1 【1 1 0 】d e s h p a n d emv m y e o p e s t i c i d ep r o d u c t i o nb yf e r m e n t a t i o n ：p o t e n t i a la n d c h a l l e n g e s 【j 】c r it i c a lr e n e w si nm i c r o b i o l o g y , 1 9 9 9 ，2 5 ：2 2 9 - 2 4 3 i11 】s o c c o lc r ，a y a l al a ，s o c c o lv t ，k r i e g e rn ，s a n t o sh r s p o r ep r o d u c t i o n o fe n t o m o p a t h o g en i cf u n g u sb e a u v e r i ab a s s i a n af r o md e c l a s s i f i e dp o t a t o e sb y s o l i ds t a t ef e r m e n t a t i o n j c r i t i c a lr e n e w si nm i c r o b i o l o g y 1 9 9 7 ，2 8 ：3 4 4 2 11 2 d e s g r a n g e sc ，v e r g o i g n a nc ，1 ，6 r 6 e ca ，r i b aq d u r a n da u s eo fs o l i ds t a t e f e r m e n t a t i o nt opr o d u c eb e a u v e r i ab a s s i a n af o rt h eb i o l o g i c a lc o n t r o lo f e u r o p e a nc o r nb o re r j 】b i o t e c h n o l o g ya d v a n c e s ，19 9 3 ，11 ：5 7 7 5 8 7 【113 】s i l m a nr w ag r o c h e m i c a l s ：h e r b i c i d e sa n dp e s t i c i d e s 【j 】b i o t e c h n o l o g y 山东霪鞘气雹商墨争融否 羹叠望翼篆霎琴囊美薹翼噩型薹塾蓁霜蕈萋茎雾廷雾塞| l 薹霎羹一l | 蓁l 霉蠢雾壑囊9 囊墅塞鲢虱舅乱鬣嘲未 囊囊藿l k 萋霎韬；些蓁冀蓁斧萎酉矍霞髦l 霎军萎髦雾蓄誉羹蓁需昆茎型霎奏l 苍蓁 嚣d 曼l 奏攀蚕囊 翼l ；n i 姜莹秀i i 蓄墅蓁要鬓誊l 衍薹委蓁e 羹坠羲羹霉| 薹蓊萋l 素i l ! 蓁蠢蚕l i 群霎i h 一翟蓄￥i 垂鎏砩i 山震髓堡 溯强i i l 鐾 薹主型g 爹| 翼鬟k 肾慝霪! ! ! 蚕q 薹篓肴；别霎l i cd 荤菱i i 萼霞谴i r r 善誊薹薹齐i ll 璧霎雪k 羹量i i 羹薹鍪曼l ! ! ! ! 誊薹茎i 萎 主主雪雾恕薹i 誊：蠢瞎l l 零l l 辆垂奏；薹妻l i 藉喜蓁i 霎葡，i i ；i 氢囊羽篱茎塞! i ! ! 鬟l 堑篓封娶鬻囊! ! i 鋈f 匡厘霎霎；毒哼虐l 首薹i i 鍪蓦b i i 旧薹甭葛薹蓄羹叁耄需羹萎蠢皇薹j i 复蓁g | 爵芎l 雾垂l l l ! 鑫鎏l 鬟夏蓁刮委埏| e e 。面j 妻；萎蕉i i i | 飘蕈l 蕊冀 l 判薹自1 8 8 篓：蓥塞f 又蠢l 蓉a 殳| l 曼叫羹雪| | 翼王 爿羹举基 藉军甄妻霎l 萋；叠l 蚕1 羹暑i l ) i i i 蟹喜j 翠薹謇蓁妻i 韵韵坚l 蠢登j 蔓j 蝰“堑叁主蓉i i 萋釜f 量霭型堕出羹垂霎! 羹羹搿羹l 霎妇葱婪u | 。霍鋈囊l 囊蕊l a 鬟一薹霸| 警冀霪啦噩l i 蓁 露牵耋t ；l 墓蠹。k 薹一i l ；| 萎；l i l 至i ! ! ! ；霪| l 奏餮型暑又喜；l 甭el l l 妻蕾彳爷a | i 萎彳麓u k ；拦蠢嚣弱l 鬟篓薹姜! ! ! _ 蓁预喜雾 甜j 】薹鬟震il a 增囊亳羹| 蠹謇i 囊曼i 目嘉i 五篓蠢羹薹l 鋈主熹主主百重堑r _ | 警羹雪塞需羹囊篓| l l 鐾l 羹孓孤i l l 奏藿x 薹垒垒曩鋈叁l i l 蓬霪霎! i 囊蔫霎| 霎一曩耀 | 薹! 奠霪麓嗄) l 鬟萋萋薹冀l l 淹蠢霎薹肴圣| 奏囊! 掌鋈n ! ! ! i 盘窖 鋈a 羹曼羹选签l 鋈l 藿l 薹嚣鲮幂羹喜建霪镬霎t t 垒茎引冀汀璧鍪l | 霎i 霎i 冀i ；鋈l i 雾毫薹! 姜蒌鋈耄墓譬茎i i i 前雾莓夔蚤 彳霎l q i 茎：蓁薹旦i 鏊l 鬟答鉴酉燮窿| l l 鋈雾鋈塞茎霎霎蠹羹琶薹薹喜l ；s i 萎奏，百雾聚葡h 季i 芽 雾；：嚣垒垂；饕l 塞痞；霪型嬲黉 冀引囊i 薹i 曼薹主l ；蠢蠢馐l ；萎羹i 堇l 目；鬟蠢蠢薹妻| 一主a i 矛r 篓辫曼l 冀蓬锄菱坠鋈l 兰霎蚕奏l 娈萄交羹羹霪姜；霎薹錾 霎霎| r 耋霎q l i 篇妻| l 薹量口善l 薹羹曼荦l ! 饕i 蠹茬啼；藿l i l 雾蠢曩奏岛巴m 髫| i 囊乔；鋈烈萋薹i 蓁西矍荠i 蓍喜蓁生i l 薹i 茬舜：霎羹 蠢型理| | 冀霉盖錾茎蓁蓁蓄亏霪| l 预窭目8 8 鬟呈l 。喜美藩藩羹囊i f 叁 璧；塞轱两蕤鏊1 1 速雾l 蠢耋l 藿；嚆j h 冀、羹l ：萤霾蝥篓i 蔫毽| 蕃l 喜 主i 堇i 竺匹雾蒲霎蓁奏! i i i 善塞茎蜀嚣茎堕翼【釜帮e 耋耋薹薹蓦l 莲塞篓i 蜩瑟蓬霎速艮毳重；冀雾s 奎璧 x 山东师范大学硕士学位论文 第一部分文献综述 第一章突发性污染事故的产生及危害 随着工、农业生产的发展，越来越多的外源污染物直接排放、转换、迁移进 入水环境，使我国水污染加剧，水质显著下降，已经直接影响到生活饮用水和城 市集中供水的安全，特别是一些突发性水污染事故的发生，给人民群众的健康和 生态安全造成严重威胁。5 0 年前，全世界的化学品产量仅有1 0 0 万吨，对于化学 品和化工生产过程可能产生的危害还鲜为人知。现在，各种各样的有毒有害物质 对人类的生存带来了极大的威胁，已引起世界各国的高度重视。尤其是因为各种 原因产生的突发性环境污染事故是威胁人类健康、破坏生态环境的重要因素，其 危害制约着生态平衡及经济、社会的发展。水环境安全问题已经成为我国社会经 济可持续发展的重要制约因素之一。近年来，国内突发性水污染事件频发，对水 源水质产生了巨大的安全隐患，也敲响了关系到国计民生的饮用水安全的警钟。 据统计，继2 0 0 5 年底松花江发生的重大苯污染事件和广东北江发生的严重镉污染 事件之后，2 0 0 6 年1 月1 日至2 月1 日的短短1 个月内，国家环保总局共接到各类突 发水体污染事件报告4 5 起【1 l 。较有代表性的国内外的突发性污染事故有： ( 1 ) 武汉市氨泄露事故：1 9 9 0 年6 月1 1 日下午，位于武汉市汉口的武汉第 一饮料厂，因阀门螺丝脱扣，致使大量的液态氨泄露，并迅速扩散。在毗邻的省 农机公司宿舍，测得的最高浓度为6 1 1 m g m 3 。 ( 2 ) 开封市饮用水污染事故：1 9 9 3 年4 月3 0 日，开封市突降暴雨，引发了 开封市建国以来最大的饮用水污染事故。一些乡镇企业违反了有关法规规定，擅 自在市一级饮用水源保护区内建厂，并向市自来水厂用水高峰期才启用的引水明 渠排放有毒有害污水，引水明渠积累多日的有害物质汇同暴雨冲下的含有机农药 的农田灌溉水污染了开封市的饮用水。致使饮用水中发现异味，闻着象氯味、漂 白粉味，喝起来有苦涩感、辛辣感，饮过后有恶心、拉肚子现象，一连数日，被 污染的饮用水使开封市几十万人受害。水样中有剧毒物质氰化物、六价铬检出。 ( 3 ) 湖南沅江死鱼事故：1 9 9 1 年从5 月2 日开始，沅江1 4 0 公里流域和武水2 0 公 里流域，发生了突发性的大量死鱼事故( 约5 0 万公斤) ，持续4 0 多天跨越一州一地 五县，损失严重，其原因是鱼体黄磷中毒所致。湘西自治州浦市化工总厂、洗溪 5 山东师范大学硕士学位论文 磷矿和七一化工厂长期超标排放黄磷废水，黄磷在沉积在河床底泥中，不断累积， 遇暴雨径流时剧增，底泥翻腾，含单质磷胶体颗粒物泛起。加上春季鱼类繁殖旺 盛，代谢功能加快，大量吞食含黄磷污染物，导致大面积死亡。 ( 4 ) 印度博帕尔农药厂污染事故：1 9 8 4 年1 2 月3 日，位于印度中部中央邦的 博帕尔市( b h o p a l ) 的美国联合碳化物公司所属的农药厂，因生产事故使4 3 0 吨 剧毒异氰酸甲酯泄露于外环境，使在其周围居住的，尤其是在下风向居住的6 4 0 0 人中毒死亡。1 3 5 万人受到伤害，2 0 多万人被迫迁移。这是一起特大的突发性环 境污染事故。 ( 5 ) 美国阿拉斯加湾溢油污染事故：1 9 8 9 年3 月2 4 日，埃克森石油公司的瓦 尔迪兹号油船在阿拉斯加威廉王子海湾搁浅后发生了溢油事故，排放了3 8 万吨 原油，使数千公里海岸线布满了石油，对此地的海洋生态环境造成了大范围的严 重影响。有许多生态影响是间接的，如因肉食动物( 如鸟类与水獭) 数量减少导致 某些有机物数量大增。据统计，这次事件约有1 0 3 0 万只海鸟死亡，其中包括1 5 0 只秃鹰。该海湾拥有世界最大的海獭繁殖场，在1 一1 1 万头海獭中，约有4 0 0 0 头 死于这场事故。受污染的海獭中，仅有2 0 0 只洗去了身上的油污得了新生。在捕 捉并帮助海獭恢复健康方面，大约花费了1 8 3 0 万美元。据估计，埃克森瓦尔迪兹 漏出的3 8 万吨原油只蒸发了3 0 一4 0 ，回收了l o 一2 5 ，其余仍滞留在海洋 中。人们期望着清除这些油污能有助于生态环境的恢复。漏油事件对海洋的危害 包括侵蚀海岸线，对威廉海湾的危害，据估计如果使大多数生物群落与生态系统 恢复到漏油前的状态和结构特征，至少需要5 2 5 年时间。 突发性环境污染事故不同于一般的环境污染，它没有固定的排放方式和排放 途径，都是突然发生、来势凶猛，在瞬时或短时间内有大量的污染物排放，对环 境造成严重污染和破坏，给人民的生命和国家财产造成重大损失。这就要求环保 部门需要做好突发性污染事故的预防，并提高对突发性污染事故处理处置的应变 能力。因此，加强突发性污染事故的应急监测，研究其处理处置技术，是环境监 测和环境保护领域中一项非常重要的工作。 1 1 突发性污染事故的分类 根据污染物的性质，突发性环境污染事故可分为：核污染事故，剧毒农药和 有毒化学品的泄漏、扩散污染事故，易燃易爆物的泄漏爆炸污染事故，非正常大 6 山东师范大学硕士学位论文 量排放废水造成的污染事故等。本研究中主要研究农药污染下青鲻的行为变化情 况，所以重点介绍农药污染。 1 2 农药污染 农药是人类控制有害生物的重要手段，使用农药的目的是用来防治危害农作 物的病、虫、杂草等，以获得较大的农产品产量。进入二十世纪以来，科技的发 达和化学合成品的出现，使农药的种类和用量都以惊人的速度增加，2 0 0 7 年， 我国农药产量( 折1 0 0 原药) 达1 7 3 1 万吨，从1 9 9 0 年到2 0 0 7 年的年复合增长 率为1 2 7 。进入2 0 0 0 年以来，我国农药工业有了较大的发展，2 0 0 0 2 0 0 5 年总产量由6 4 7 7 万吨增长到1 0 3 9 万吨，其中杀虫剂产量由3 9 - 3 万吨增长到 4 2 2 4 万吨，增长了7 5 ；杀菌剂产量由6 8 7 万吨增长到8 4 万吨，除草剂由 儿6 6 万吨增长到2 8 7 万吨。全世界每年的农药产量按有效成分统计，约在五 百万吨以上。我国当前的农药污染状况不容乐观，某些地方还相当严重。农药污 染事件时有发生，所以防治农药污染越来越重要。我国目前大量使用的农药主要 有以下几种： ( 1 ) 有机磷类杀虫剂 有机磷杀虫剂性质不稳定，在自然界易水解或生物降解，大部分品种不易在 人畜体内累积【2 1 ，这类杀虫剂具有触杀、胃毒兼内吸或熏蒸作用【3 ，4 ，5 1 。多数品种 一一 具有广谱杀虫性能，少数品种有较强的选择性【6 】。对害虫药效高，使用方式多样， 速效性好、残效期较短、毒性中等，主要作用机制系抑制害虫体内神经组织中的 乙酰胆碱酯酶或胆碱酯酶的活性，与胆碱酯酶结合形成磷酰化胆碱酯酶复合体， 失去催化乙酰胆碱的作用【7 】。使乙酰脂碱积累，影响神经兴奋传导而使害虫发生 痉挛、麻痹、死亡【矧。有机磷杀虫剂是合成简单、价格低廉、品种最多、是我 国产量最高的一类杀虫剂。 ( 2 ) 有机氯类杀虫剂 有机氯杀虫剂是人类历史上最早出现的有机合成杀虫剂，它的毒理机制是通 过直接影响害虫的神经传导来使靶标中毒死亡【l o 】。由于大多数有机氯杀虫剂活性 十分稳定，不易分解，故大量应用后会造成环境污染，破坏生态平衡，且可通过 食物链浓缩，会对人畜产生慢性中毒。1 9 7 0 年前后许多国家禁用或限制使用有 机氯杀虫剂。我国也从1 9 8 3 年起全面禁止六六六、d d t 等高残留有机氯杀虫剂 7 山东师范大学硕士学位论文 的使用。 ( 3 ) 氨基甲酸酯类杀虫剂 氨基甲酸酯类农药( c a r b a m a t e s ) 可作为杀虫剂、除草剂、杀菌剂等。这类 杀虫剂分为五大类：( 1 ) 萘基氨基甲酸酯类，如西维因；( 2 ) 苯基氨基甲酸酯类， 如叶蝉散；( 3 ) 氨基甲酸肟酯类，如涕灭威；( 4 ) 杂环甲基氨基甲酸酯类，如呋 喃丹；( 5 ) 杂环二甲基氨基甲酸酯类，如异索威。除少数品种如呋喃丹等毒性较 高外，大多数属中、低毒性。氨基甲酸酯类农药可经呼吸道、消化道侵入机体， 也可经皮肤粘膜缓慢吸收，主要分布在肝、肾、脂肪和肌肉组织中。在体内代谢 迅速，经水解、氧化和结合等代谢产物随尿排出，2 4 小时一般可排出摄入量的 7 0 一8 0 。该杀虫剂作用机制是该化合物分子整体与乙酰胆碱酯酶结合，形成 氨基甲酰化酶，抑制了乙酰胆碱酯酶的活性【1 1 , 1 2 】。氨基甲酸酯类农药不需经代谢 活化，即可直接与胆碱酯酶形成疏松的复合体。由于氨基甲酸酯类农药与胆碱酯 酶结合是可逆的，且在机体内很快被水解，胆碱酯酶活性较易恢复，故其毒性作 用较有机磷农药中毒为轻。 ( 4 ) 拟除虫菊酯类杀虫剂 拟除虫菊酯是8 0 年代崛起的一类杀虫剂，除虫菊酯对昆虫有高效、速杀作 用，但其化学性质不稳定，残效短、被击倒的昆虫易复苏。化学合成的除虫菊酯， 由于它们的化学结构和天然除虫菊酯类似，故称为拟除虫菊酯。这类菊酯具有高 效、广谱、无环境污染等特点【1 3 】。近2 0 年来，拟除虫菊酯类杀虫剂发展迅速， 新的品种大量出现，现已广泛地用于农业及卫生害虫防治工作中。成为仅次于有 机磷类、氨基甲酸酯类的第三大类杀虫剂【1 4 】。拟除虫菊酯类对人类低毒，主要有 氯氰菊脂( 灭百可) 、溴氰菊脂( 敌杀死) 、杀灭菌脂( 速灭杀丁) 等。长时间皮肤接触 吸收，口服可引起中毒。这类杀虫剂为神经毒剂，它通过对昆虫体内的神经系统 产生中毒作用，首先是诱发昆虫兴奋，然后神经传导阻塞，昆虫进而痉挛、麻痹、 死亡【1 5 , 1 6 】。由于昆虫中毒征象分为两个阶段，即兴奋期和抑制期，所以常用击倒 率和致死率两个指标表示各品种特性【1 7 】。 & 山东师范大学硕士学位论文 1 2 1 突发性农药污染事故对水生生物的影响 1 2 1 1 农药进入水生生物体内的途径 施用农药若处理不当，如在池塘、河流内洗刷喷药用具及倾倒剩余药液，或 施药后没有管理好田水的排灌，特别是在稻田施药后随田水外溢，以及农药在空 中飘落污染排水沟或排灌渠道、池塘、河流、湖泊，这些都会引起农药污染水体。 ( 1 ) 水体中的农药通过呼吸、食物链和体表三个途径进入生物体内。鱼的 呼吸器官是表皮极薄的鳃，鳃的表面暴露在水中，使水和血液接触，获得所需要 的氧气，从而也就迅速吸收并富集水中的农药。有研究表明，红鳟鱼代谢所需要 的氧气为每小时每公斤体重3 0 0 m g ，若鳃对氧的过滤系数为1 0 0 ，水中的溶氧 量为l o m g l ，那么为吸取必需的氧，每小时每公斤体重就需过滤3 0 l 水，1 d 内 从鳃过滤的水就是7 0 0 l 。假若农药全部被过滤，那么在1 d 内就发生7 0 0 倍的浓 缩。由此可见，若农药不能分解，鱼、贝类鳃呼吸浓缩农药之快是非常惊人的。 ( 2 ) 鱼类的食料多为浮游生物，水中的农药易被浮游生物不断吸进体内， 当鱼类吞食这些饵料时，则农药就转移到体内而产生富集，其含量有时高于浮游 生物数千倍。有些将水底泥土和有机物一起吞食的鱼类，农药也可以经消化器官 进人体内。 t ： ( 3 ) 水体中的农药可直接由鱼特别是无鳞鱼的皮肤吸收进入体内。贝类由 于用水管吸入的水来湿润整个软体，农药自然也易从皮肤进入体内。 1 2 1 2 农药对水生生物的影响 不同的农药品种对不同对象的毒杀效率不同。农药使用后有些害虫种类被大 量杀死，有些还能生存，有些不受影响，有些受到刺激反而增加。为消灭害虫喷 洒杀虫剂，一些有益的昆虫也会因遭受农药毒害而大量死亡，由于天敌数量减少， 害虫反而更加猖獗。从长远来看，农药对害虫的影响主要表现为害虫抗药性的产 生、害虫的再猖獗以及原来的次要害虫上升为主要害虫。农药进入水体后，对各 类水生生物都将产生一定的影响，从而可能破坏水体生态系统的平衡，据黄玉瑶 研究，单甲脒对个水生生物群落均产生不同程度的影响。浮游生物比较敏感，用 药后头几天内，种类、数量及多样性指数均下降，浓度越大，影响越明显。一周 9 山东师范大学硕士学位论文 后，浮游生物群落逐步恢复，甚至增多，但群落的结构已经发生变化，敏感种类 减少或消失，耐污种类增加，生物多样性降低【2 3 l ( 1 ) 急性毒性 农药对鱼类的急性毒性，依农药种类而不同。在杀虫剂中，拟除虫菊酯类、 鱼藤酮对鱼类毒性特别强。近年也有对鱼低毒的菊酯类农药问世，如乙氰菊酯对 鲤鱼4 8 h 的l c 大于5 0 m g l 。有机磷、氨基甲酸酯类杀虫剂对鱼类除少数品种如 毒死蜱、硫特普、克百威等毒性大以外，大多数品种毒性较小。但这又依品种不 同而差异很大，如在养鱼的稻田，按常规药量施药，发现稻丰散对稻田养殖的鲫 鲤杂交鱼、尼罗非鱼和呆鲤、芙蓉鲤等高毒，马拉硫磷对尼罗非鱼毒性也较大， 而甲胺磷、乐果、敌百虫、敌敌畏、叶蝉散则对上述4 种养殖鱼均安全。近年来 使用的昆虫生长发育抑制剂对鱼类的毒性很低，如灭幼脲i 对鲤鱼4 8 h 的t l m ( 耐 药中浓度) 为1 2 6 8 m g l ，农梦特的t l m 大于5 0 0 m g l 。杀菌剂对鱼类的毒性， 除有机汞、有机锡、有机硫中的福美类如福美锌等和三氯甲硫基类如克菌丹、百 菌清、硫酸铜，以及除草剂中五氯酚钠、丁草胺等少数种类毒性大以外，大部分 常用的杀菌剂和除草剂对鱼类毒性低或比较低。农药对鱼类的毒性还与药剂剂 型、鱼的种类及发育阶段有关。农药剂型对鱼类的毒性以乳剂最强烈，其次是可 湿性粉剂，而粉剂、粒剂的毒性则较小。鱼类种类不同对药剂的敏感性有很大差 异。如白鲢对嘧啶氧磷的忍受能力大，而草鱼和红鲤则忍受能力小。鱼生长发育 阶段和生理状态不同，其耐药力也不同，鱼苗耐药力弱，在繁殖产卵期耐药力明 显减弱，雄鱼比雌鱼耐药力弱。此外，水温的变化亦影响到鱼类的耐药性，许多 农药如有机磷杀虫剂毒性在2 5 3 5 时随着水温上升而增强，但也有的药剂则 相反，或受水温的影响较小。 ( 2 ) 慢性毒性 a 抑制生长，身体变形有些有机磷杀虫剂，在稍低于半数致死浓度时，易 引起鲤鱼、青鳟等鱼类脊椎弯曲，如小鲤鱼在0 1 6 2 m g l 马拉硫磷溶液中，第八 天有8 5 的鱼出现畸型，在0 0 9 m g l 的对硫磷溶液中，第五天有1 2 的鱼变畸 形。生活在有机磷污染水域中的鳙鱼，也发现其头骨与脊椎连结处弯曲，表现出 畸形。 b 引起贫血症如禾草特是日本稻田主要除草剂之一，试验证实用l m g l 和 0 1 m g l 禾草特处理鲤鱼后，1 5 d 和2 5 d 时，供试鲤鱼全部死亡。经血液分析， 1 0 山东师范大学硕士学位论文 第二章生物在线监测研究进展及发展趋势 为了保护水生生篓 毒恤埔黉潼期a 角离琴自型鬟唰型i 渊塑蓊鲻照雾留鼻辱 鞠嚣锗；蓟豆k 芰 蚕殓晕 孤驯酬剐翼臻霆墙豫强啁；蓁警嘤凰蹲签出霏鳞雕醒 暂琵琴g 掣i 攀琴i 躺器嚣冀糊琵醯翼判筠篱龋鳃姓摇拦曙壅霍巨蓁冀主蠢澹 描缘名曼：堡鬈四哪翁零鞠越；略撕砑非翱鲥羹鲤i 薹；i 萋莛薹冀霪冀 薹酶辩生 二次中毒的结果。 d 破坏栖息和回游据白鲢、草鱼、红鲤对嘧啶氧磷的回避试验，当浓度为 o 5 1 o m g l 时，回避率达1 0 0 ；当浓度为0 1 m g l 时，回避率为5 3 ；只 有当浓度为0 0 2 m g l 时，才不产生回避。 环境中的农药可通过食物链逐级浓缩，从而导致对环境生物的农药富集与污 染。研究表明，环境生物对农药的浓缩程度可从几十倍至数万倍，在食物链中位 置愈高的生物，其生物浓缩倍数也愈高，受农药污染的程度也最重。农药对鱼类、 兽类和其他一些高等动物均有一定程度的影响，这种影响主要通过食物链和从环 境中吸收农药而产生。农药在动植物食品中的富集和残留，最终都会集中在食物 链的顶峰一人的体内，这些有毒物质在人体内不易分解，经长期积累会引起内脏 机能受损，使机体的正常生理功能失调，造成中 x 山东师范大学硕士学位论文 状况。 生物及其生存环境是统一的整体，环境创造了生物，生物又不断地改变着环 境，两者相互依存、相互补偿、协同进化，这一生物学规律对于水生生物及水体 环境也是不例外的。因而水生生物与其水体环境的这种统一性和协同进化是水体 污染生物监测的生物学基础，而水生生物适应的相对性及其对污染物质或毒物的 各种反应则是水体污染生物监测的基本原理。其研究结果不仅能直接判断水体中 污染物对水生生物的潜在影响、实际毒性，而且还能由此对水环境的质量作出评 价。除此之外，在积累大量数据的基础上，还能为各种水体污染物或毒物的排放 标准选择污水处理方法及流程、为区域环境容量和环境标准的制订提出依据。目 前，生物检测不仅己成为对水体污染进行监测和评价的重要手段，而且也可作为 水体污染的预报的重要手段a 利用生物监测技术建立水环境安全预警系统是目前国内外环境科学的一个 研究热点。从上世纪8 0 年代起，我国就开展了生物监测技术的研究，目前，已有 多种生物监测系统或仪器开始应用，全国性生物监测站和网络也初步形成，但将 生物监测应用到环境预警系统中的研究还没有较大进展，特别是一些数字化生物 预警技术亟待加强【2 6 1 。 2 2 1 生物在线监测预警系统的特点 与目前常用的水质污染的理化自动监测系统( w p m s ) 相比，生物在线监测预警 系统具有以下特点和优势： ( 1 ) 环境质量和其它环境条件改变的强度是随时间而变化的，理化监测只能 代表取样期间的污染情况，而生活于一定区域内的生物，却可以将长期的污染状 况反映出来。因此，长期连续的监测比理化监测的定期取样观测更能反映环境质 量变化的全貌，反映长期的污染效果，具有时效性和综合性。 ( 2 ) 某些监测生物对一些污染物非常敏感，它们能够对那些精密仪器都测不 到的微量污染物产生反应，并表现出相应的受害症状。另外，通过食物链可以把 环境中的微量有毒物质予以富集，当到达该食物链末梢时，可将污染物浓度提高 达数万倍。 ( 3 ) 生物监测更具多功能性，因为一种生物可以对多种污染物产生反应而表 现出不同症状。理化监测只能检测特定条件下水环境中污染的类别和含量等，而 1 3 山东师范大学硕士学位论文 生物监测可以反映出多种污染物在自然条件下对生物的综合影响，从而可以更加 客观、全面地评价水环境。 ( 4 ) 数字化反应体系创建：将电子技术和计算机技术应用于生物监测，可以 形成数字化、智能化的信息发生系统。同理化分析相比，不需要特殊分析试剂、 成本低，而且更易实现连续、实时在线监控。在水环境生物安全预警系统中具有 重要的作用 2 2 2 生物在线监测预警系统的类型及研究进展 从上世纪2 0 年代起，生物监测技术就开始在环境质量检测和评价中应用。到 8 0 年代，世界各国普遍建立起生物监测系纠2 7 1 。这些生物监测材料包括水生生物， 如鱼、贻贝、水蚤、水藻等，另外一些有苔藓植物、蚯蚓、家蚕、两栖动物以及 海洋无脊椎动物的细胞等。早期的生物监测主要是对生物形态、生理或发育与繁 殖的变化、种群数量、群落生态系统的变化观察和统计。随着现代信息技术在生 物监测领域的应用，生物信息检测的数字化、智能化技术已成为国内外生物监测 研究的重要领域和发展方向之一。目前，美国陆军环境卫生研究中心利用兰腮鱼 开发出了这种预警系统。该系统已进入实现商业化开发，在纽约市水库的多处进 行了测试。 2 2 2 1 以鱼类为对象的在线监测预警系统 鱼类生物监测预警系统的使用始于1 9 2 9 年，b e l d i n g 根据鱼的呼吸变化指示 有毒环境【2 8 1 。后来，鱼的游泳行为、正趋流性、选择行为等相继得到应用【2 争3 1 1 。 ( 1 ) 以鱼类死亡为终点的监测系统 水体受到严重的污染，导致鱼在短期内因氧气缺乏或神经及其他组织损伤等 原因死亡，死亡现象的发生表明水质急剧恶化。 ( 2 ) 以鱼类的正趋流性为监测对象的在线监测系统 很多生活在流水环境中的鱼都表现出一种独特的位移行为，即总是逆水游 动，定义为正趋流性。鱼有溯流而上的趋流性，是由于视觉的固有趋性，侧腺器 官的转向趋性，鳍或腹部的接触感觉器的转向趋性等三种因素所控制。水体污染 物可使鱼的正趋流能力被破坏，通过特定的仪器监测鱼逆流活动的能力，如果鱼 不能维持在上游的位置则表明污染产生了危害。 1 4 山东师范大学硕士学位论文 动物早期警报系统【3 6 , 3 7 】，水蚤( d a p h n i a ) 是最常用的无脊椎动物。据仁宗明等研究 大型蚤的行为对有机磷农药有很好的敏感性，其行为强度的变化可以指示突发性 的有机磷农药污染事件。 ( 1 ) 游泳活动监测系统 受污染物刺激，水蚤在初期的运动速率变快，而且旋转角度加大，运动的随 机性增强。但随着时间延长受损水蚤的游泳能力下降，根据这种特征反应判断污 染事件。 ( 2 ) 位移能力监测系统 污染情况下水蚤的位移能力会改变，有些在线监测系统通过设垂直管，水由 上而下流入，将光源和检测器沿管壁相对安装。检测水蚤在水柱内单位时间产生 的光斑量。光斑产生量下降表明水蚤的位移能力下降，可以监测水质的污染状况。 1 9 9 1 年，比利时p e r s o o n e 等采用高速摄像系统，测定水蚤的运动速度，形成了“微 型无需培养基即时生物测试的概念，其研究结果投入实用并被称为微型生物即 时毒性测试仪，1 9 9 1 年投入商业化使用，现已广泛应用于世界各国【3 9 】。 ( 3 ) 趋光行为在线监测系统 稳定光源下，水蚤产生接近或游离反应，分别定义为正趋光或负趋光行为。 在适宜环境中，水蚤的趋光行为稳定且是可遗传的特征，选择正趋光品系，记录 其在设有光源的水柱内的垂直分布。污染物暴露后，趋光性能力下降，正趋光系 数变小。 2 2 2 4 以细菌为监测对象的在线监测系统 细菌生物监测有两种基本类型，其一是单种或混合培养悬浮细菌，另一种方 法是将单种菌固定培养到电极表面。固定化技术易实现仪器自动检测，应用更为 广泛。 ( 1 ) c 0 。电极监测系统 d o r w a r d 和b a r l s a s ( 1 9 8 4 ) 将大肠埃希氏杆菌( e s c h e r i c h i ac o li ) 固定培养 到c o ：传感电极表面，用电位计检测细菌的c o ：生成量，由于c 0 ：净产量为细胞呼吸 过程的函数，因而可反映细菌的活力状态，在细胞呼吸受抑制的状态下，c 0 。产 量下降并由电极检出【加】。 ( 2 ) 溶解氧电极监测与预警系统 t 6 山东师范大学硕士学位论文 底栖生物个体小，运动能力有限，对多种污染物敏感，因而可选用于生物早 期预警系统。水生昆虫幼体也有生物监测作用，例如，蚋( c h i r o n o m u ss p p ) 的呼吸作用对低浓度铬也产生反应。美国国家环境保护局还推荐用c e r i o d a p h n i a 和黑头呆鱼幼虫( p i m e p h a l e sp r o m e l a s ) 评价废水和受纳溪水的质量。硅藻等藻 类对除草剂有较好指示作用，但将其用作早期报警系统的报道尚不多见。 2 3 鱼类应用于在线监测系统的优势 用鱼类监测水体污染，欧、美、日本、加拿大等国应用较早，1 9 2 7 年美国， 将河流分三带即新污染带污染带和恢复带。并指出相应的指示鱼类为抵抗型、 忍耐型和敏感型。例如d a v i s ( 1 9 4 6 ) 用一种比较小的食蚊鱼( g a n b u s i a ) 做废水毒 性的现场实验，把鱼放在尼龙网袋内，挂在现场实验的河水中，若鱼4 5 天内死 亡，说明水质有污染。w x l d e ( 1 9 7 0 ) 用鱼的咳嗽次数来反应造纸厂废水对鱼的 影响，并据此确定废水的安全浓度。我国在这方面的研究起步较晚，水生所( 1 9 7 8 ) 用几种鱼类的脑胆碱酯酶活力监测水体中有机磷农药对硫磷、马拉硫磷、六六 六、酚，滴滴涕、三硝基甲苯的污染情况。当水体受到污染时，鱼体脑胆碱酯 酶活力降低。用鱼类血清转氨酶活力变化监测水体污染，局汞欣( 1 9 8 4 ) 研究了汞、 铜、镉、六六六和对硫磷对食蚊鱼生长的影响。 鱼类是终生生活在水中，用鳃呼吸的脊推动物。在水生动物中，它的个体较 大，形态色泽各异，行动反映敏捷，对天敌，毒物有强烈的回避反应。当水体受 到污染后( 或生态环境发生变化) 鱼类在以下方面发生变化： ( 1 ) 生活习性方面游泳能力、回避行为、群集性、择温性、条件反射能力 等各种鱼类行为的变化可以用在自动化的连续监测系统中，其活动形式的变化， 可应用于监测重金属污染，游泳行为的变化，可应用于监测热污染。 ( 2 ) 生理活动方面鳃盖运动频率，咳嗽频率，呼吸频率，呼吸代谢，胚胎 发育，生长率、摄食量与能量转换率、抗病力，代谢率、神经内分泌活动等发生 变化。呼吸频率和咳嗽频率的变化，可应用于监测重金属，农药，造纸等废水。 ( 3 ) 生理、生化指标方面可引起血液指标、血清蛋白电泳、血糖水平、胆 汁乳酸盐的氧化、核肮和糖的代谢水平、五种肝脏酶、琥珀酸脱氢酶等活性发生 变化。对骨骼成分、形态变 x 山东师范大学硕士学位论文 排放标准的制定。 ( 4 ) 生态群落结构方面种类组成、数量变动、群落组成、鱼类区系分布、 摄食强度及年龄结构、产量、死亡率等发生变化，可应用于指示水体受污染程度 和级别。鱼类群落结构的改变，应用于评价水质质量，可以查明食物链和找出不 同营养级之间的依从程度、毒物在食物链上的迁移，转化，积累等。 上述的鱼类对环境改变发生的各种变化为我们用鱼类监测水体污染提供了 大量的科学依据和良好的试验材料。鱼类对水体化学成分的变化，反应十分灵敏。 因此用它研究水体各种化学污染的毒性，不仅可以研究水中某一种污染物的单独 作用，也可以反应出多种成分的工业废水混合污染的毒性，作为评价水体污染的 综合指标。 鱼类作为监测水体污染，欧美等国家多用以鲑科冷水性鱼类为主，并采用先 进的电子计算机联网监测技术，监测某区域水体。在我国分布着青、草、鲢、鳙， 鲤、鲫等几十种活鱼类监测材料，用这些鱼类监测我国各大区域、水系、江河湖 海的水体污染，技术是可行的。同时，由于全国均在使用上述材科，对监测结果 有很好的可比性，能很好的反应出某水体受污类别、程度，为国家或某一区域防 治污染提供科学依据。 2 4 生物在线监测与预警系统的发展趋势 生物在线监测与预警系统的发展趋势为多利用行为反应进行直观、迅速的监 测。目前发展的视频相机跟踪成相、磁场定位、超声或光速遮挡等技术，都是用 来确定生物的行为变化，在较短的时间内指示污染的发生。 污染物对水生生物的生理、生化过程产生复杂的影响，例如呼吸或心跳速率， 光合作用，化学基质的消耗或释放生物发光等都具有污染指示作用。可用各种 电极或光电倍增管等监视这些生理或生化过程的细微变化。生物在线监测系统可 用来监测各种取水和排水口，安装在饮用水处理厂、水产养殖厂等人口处，能够 保证进水水质并通过强化处理措施控制污染危工业或生活排污口、冷却水排放 口等处则可评价处理效果，是否可以安全排入受纳水体等。生物早期警报系统还 可用于环境监测，如调查河流污染状况、海岸保护等。从初期主要用来监测排入 地表水的工业废水到当代保护饮用水安全，生物在线监测与预警系统正逐渐成为 直接维护人类健康的有效工具。 山东师范大学硕士学位论文 计算机技术的应用提高了处理检测数据的能力，而远程数据传输系统的发展 为生物早期警报系统的在线运行提供了强大支持。未来监测系统的野外工作性能 将得到显著改善，并逐步发展成便携式。 山东师范大学硕士学位论文 第三章实验仪器原理介绍及受试生物的选择 3 1 水质安全在线生物监测预警系统( b e w s ) 3 1 1 组成 本研究采用的水质在线生物安全预警系统，由中国科学院生态环境研究中心 自主开发，其主要由生物传感器、信号采集处理系统、信号分析评估系统以及显 示器组成( 图3 1 ) 。 生物传感器( 图3 1 ) 由含两组电极的密闭管组成，每组电极由相对设置的 两对电极组成，每组电极的结构一致，其中一对为信号发射电极，另一对为信号 接收电极；其特征在于，两对电极分别与水质在线安全预警系统连接，其中一对 接正旋低压交流电，从而在管内形成一个低压电场：另一对电极不接正旋低压交 流电，而是连接信号采集器，为感应电极。透明圆柱管两端通过与受试生物大小 相适应的尼龙网封口固定，在圆柱管壁上安装与外部水管相接的水管接头。该生 物行为传感器安装在水质安全预警系统中，除生物行为传感器两端的封口接头以 外，整个管体为密闭系统。 生物传感器 图3 1 生物在线监测预警系统结构图 f i g 3 - 1 s k e t c hm 印o fb i o l o 百c f lm o v e m e mb e h a v i o rm o n i t o d n g s y s t e m 当生物在管内运动导致低压电场发生变化以后，感应电极能够感应电场的变 化，每个生物传感器中同步获得( 可以设置为每4 分钟为一个信号段，每个信号 2 1 山东师范大学硕士学位论文 第二部分实验部分 第四章水体预氧化剂高锰酸钾及副产物对青鲔的慢性毒性 高锰酸钾是一种强氧化剂，主要用于去除饮用水中的微量有机污染物【5 、去 除水中的致突变物质【5 2 1 、去除氯仿前质，以及氧化助凝等，具有良好效果，一般 用于水处理的早期阶段。具有易于与传统净水工艺衔接，投加与控制设备安全可 靠，操作方便，投资小等优点，因此，具有广阔的应用前景【5 3 5 4 】。但在应用过程 中会向水中引入一定量的锰，可能会影响出厂水中的剩余锰浓度从而影响水质， 特别是增加水中m n 2 + 的含量【5 5 1 。锰是人体的必需营养素，但摄入过量也会产生 有害作用，长期饮用含锰较高的水( 1 0 m g l 以上) 对人体健康有一定的危害。 锰以慢性毒性为主【5 6 1 ，主要表现为神经症状5 7 1 ，还可造成锰蓄积【5 钔。因此，从 水质安全角度考虑，必须严格控制高锰酸钾的投加量，这也是高锰酸钾预氧化工 艺在实际应用中需要特别关注的问题。虽然高锰酸钾预氧化技术在净水处理工艺 中已得到应用，被认为是一种比较安全的净水药剂，但是预氧化过程中是否生成 对人体有毒害作用的氧化副产物的研究，在国内外尚未见报导。锰慢性毒性主要 由二价锰化合物所致，且二价锰的毒性最古【5 9 1 ，但这方面的研究资料很少。 4 1 研究目的 为了确定高锰酸钾投加预氧化对饮用水的影响，及可能引起的锰的慢性毒性 效应，投加是否对青鲻的行为产生影响，为实现日后的饮用水的在线监测，对青 鲻进行暴露实验，以评价高锰酸钾预氧化工艺中高锰酸钾及二价锰的安全性。 4 2 材料与方法 4 2 1 实验动物：d r r 品系日本青鲻( o r y z i a sl a t i p e s ) 4 2 2 实验药物 高锰酸钾：购自北京化学试剂公司，分析纯( 纯度9 9 5 ) 。 氯化锰：购自北京中联化工厂，分析纯( 纯度9 9 o ) 。 4 2 3 实验条件 试验用水为充分曝气的自来水，温度2 5 士1 ，p h 值为7 8 ：t ：0 2 ，溶解氧 8 m g l ，硬度以c a c 0 3 计为2 5 0 m g i _ a ：2 5 m g ，光照比率1 6h ：8h ( 白天：黑夜) 。 山东师范大学硕士学位论文 短期慢性毒性实验由表4 1 可知各浓度组对青鲻孵化率的影响与空白对比差 异不显著。对孵化时间影响显著，随浓度增加而逐渐增长，1 0 0 9 9 l 且p 有显著差 异( p o 0 5 ) ，幼鱼暴露3 0 天后累计死亡率差异不显著。 表4 1高锰酸钾对青鲻孵化率、孵化时间等的影响 t a b l e4 1t h ee f f e c to f p o t a s s i u mp e r m a n g a n a t eo nt h em e d a k a 木表示与对照组相比差异显著( p 0 0 5 ) 童 善 0 50 10 0200哇0 08 00 浓度( u g l ) 图4 - 23 0 天后高锰酸钾对青鲻体长的影响 f i g u r e4 - 2t h ee f f e c to f p o t a s s i u mp e r m a n g a n a t eo nt h eb o d yl e n g t ho f m e d a k ao v e r3 0d a y s 图4 2 为3 0 天后高锰酸钾对青鲻体长的影响，2 0 0 i - t g l 浓度以内无显著差异， 4 0 0 “g l 雄性体长与空白对比差异非常显著( p o 0 1 ) ，雌性差异不显著，8 0 0 p g l 浓度组雌