第五篇水和废水的生物监测

1、生物生物VS环境；环境； 生物生物+环境环境(狭义的环境，指无机环境)生态过程生态系统生物监测的理论依据生态系统是个复杂的统一体；环境的变化，生物必然会有所反应。生物与环境之间相互依存、相互影响、协同进化;生物与环境相互补偿、协同发展是在自然界长期发展过程中形成的，生物的变化是某一区域内环境变化的一个组成部分，因此，生态学上个体、种群、群落和生态系统各组织层次的生物变化可以作为环境改变的指示和象征。 1、生物与环境的统一性和协同进化是生态监测的基础。 2、生物适应的相对性决定着生物监测的可能。 （1）生物有各自的适应性： （2）生物的驯化现象： 3、生物富集是污染生物监测的依据： 生物有一特性

2、，即生物富集。生物所富集之物来源于环境。 所以，测得生物体内的污染物的浓度，即可得知环境状况。 4、生态结果的可比性： 生命具有许多共同的特征。 如果对某些动物有害，则对人类也会有害。 在医学上，新药的开发过程中，有许多动物实验。生物监测的理论依据利用生物的组分、个体、种群或群利用生物的组分、个体、种群或群落对环境污染或环境变化所产生的反应，落对环境污染或环境变化所产生的反应，从生物学的角度，为环境质量的监测和从生物学的角度，为环境质量的监测和评价提供依据，称为生物监测。评价提供依据，称为生物监测。生物监测方法：生物监测方法：1. 生态（群落生态和个体生态生态（群落生态和个体生态 ）监测）监测

3、2. 生物测试生物测试(毒性测定、致突变测定毒性测定、致突变测定)3. 生物的生理、生化指标测定生物的生理、生化指标测定4. 生物体内污染物残留量测定生物体内污染物残留量测定n富集性富集性 生物的一个重要特点是它能够通过各种方式从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。如水中环境中富集某些元素。如水中DDT农药农药:水中浓度为水中浓度为0.000003mgL浮游生物（富集浮游生物（富集7.3万倍）万倍） 小鱼小鱼 (富集富集14.3万倍万倍) 大鱼大鱼 （富集（富集858万倍）万倍） 人食用这些水中生物后富集人食用这些水中生物后富集1000万倍。万倍。 n 长期性长期性 环

4、境污染物的含量和其它环境条件改变的强环境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。这些变化是因污染度大小，是随时间而变化的。这些变化是因污染物的排放量不稳定而造成的。理化监测只能代表物的排放量不稳定而造成的。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，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。能把一定时间内环境变化情况反映出来。n 综合性综合性 人类生产、生活所产生的污染物，成份极其人类生产、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，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

5、有机体的影响。而生物是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。物监测来评价。以上过程，只有通以上过程，只有通过生物监测手段，通过过生物监测手段，通过食物链放大了的各营养食物链放大了的各营养级进行分析，才能对水级进行分析，才能对水体进行全面评价。体进

6、行全面评价。污染物与毒物及毒理学效应。 （一）污染物与毒物及毒作用 毒作用： 毒物和毒物的代谢物在靶器官中达到一定剂量，并与该 器官发生相互作用，产生有毒效应。污染物与毒物及毒作用。 （二）重金属环境毒理学效应 什么是重金属？重金属污染物的排放，威胁生物和生态系统。 生物重金属不能被微生物分解，而且，生物能在体内富集重金属，并能将某些重金属转化为毒性更强的金属-有机化合物 （几乎不以离子状态存在于生物体内） 1、汞2、镉（1）环境中的汞：）环境中的汞： 地壳中汞含量，平均地壳中汞含量，平均80g/ mg、 最大的最大的200g/ mg； 天然水中，本底值为天然水中，本底值为0.1g/ ml 现

7、在，汞的排放量：？现在，汞的排放量：？污染物与毒物及毒作用。 （二）重金属环境毒理学效应 什么是重金属？重金属污染物的排放，威胁生物和生态系统。 生物重金属不能被微生物分解，而且，生物能在体内富集重金属，并能将某些重金属转化为毒性更强的金属-有机化合物 （几乎不以离子状态存在于生物体内） 1、汞2、镉（2）汞污染来源：）汞污染来源： 含汞矿物的冶炼、以汞为原料的工业生产所排含汞矿物的冶炼、以汞为原料的工业生产所排放的废气，进入大气中；放的废气，进入大气中； 含汞的农药、污泥肥料进入土壤中；含汞的农药、污泥肥料进入土壤中； 有些工业生产中，用汞盐作催化剂、汞电极的有些工业生产中，用汞盐作催化剂、

8、汞电极的使用，废水排入水体。使用，废水排入水体。 污染物与毒物及毒作用。 （二）重金属环境毒理学效应 什么是重金属？重金属污染物的排放，威胁生物和生态系统。 生物重金属不能被微生物分解，而且，生物能在体内富集重金属，并能将某些重金属转化为毒性更强的金属-有机化合物 （几乎不以离子状态存在于生物体内） 1、汞2、镉（3）迁移转化：）迁移转化： 汞（气态），经日照，转化成甲基汞，汞（气态），经日照，转化成甲基汞， 然后沉降到地表、进入水体然后沉降到地表、进入水体污染物与毒物及毒作用。 （二）重金属环境毒理学效应 什么是重金属？重金属污染物的排放，威胁生物和生态系统。 生物重金属不能被微生物分解，而

9、且，生物能在体内富集重金属，并能将某些重金属转化为毒性更强的金属-有机化合物 （几乎不以离子状态存在于生物体内） 1、汞2、镉（4）汞环境毒理作用：）汞环境毒理作用： 汞进入人体，汞进入人体， 在各个器官的分布不同，危害不一，在各个器官的分布不同，危害不一， 在肾脏中，汞含量最多，危害最重。在肾脏中，汞含量最多，危害最重。污染物与毒物及毒作用。 （二）重金属环境毒理学效应 什么是重金属？重金属污染物的排放，威胁生物和生态系统。 生物重金属不能被微生物分解，而且，生物能在体内富集重金属，并能将某些重金属转化为毒性更强的金属-有机化合物 （几乎不以离子状态存在于生物体内） 1、汞2、镉： 不是人体

10、的必需元素。（1）环境中的镉：）环境中的镉： 一般，地壳中一般，地壳中0.150.20mg/kg， 大多大多0.5mg/kg 。污染物与毒物及毒作用。 （二）重金属环境毒理学效应 什么是重金属？重金属污染物的排放，威胁生物和生态系统。 生物重金属不能被微生物分解，而且，生物能在体内富集重金属，并能将某些重金属转化为毒性更强的金属-有机化合物 （几乎不以离子状态存在于生物体内） 1、汞2、镉（2）镉污染来源：）镉污染来源： 采矿、冶金、石油、煤等工业生产采矿、冶金、石油、煤等工业生产 向环境中排放含镉污染物。向环境中排放含镉污染物。 污染物与毒物及毒作用。 （二）重金属环境毒理学效应 什么是重金

11、属？重金属污染物的排放，威胁生物和生态系统。 生物重金属不能被微生物分解，而且，生物能在体内富集重金属，并能将某些重金属转化为毒性更强的金属-有机化合物 （几乎不以离子状态存在于生物体内） 1、汞2、镉（3）镉的毒理作用：）镉的毒理作用： 通过呼吸（约占通过呼吸（约占1040%）、）、 饮食等进入人体，分布到全身。饮食等进入人体，分布到全身。 如：日本的如：日本的“骨痛病骨痛病”。污染物与毒物及毒作用。 （二）重金属环境毒理学效应 什么是重金属？重金属污染物的排放，威胁生物和生态系统。 生物重金属不能被微生物分解，而且，生物能在体内富集重金属，并能将某些重金属转化为毒性更强的金属-有机化合物

12、（几乎不以离子状态存在于生物体内） 1、有机氯农药： 性质：稳定不溶于水，易溶于有机溶剂； 属于神经及实质脏器毒物。 如果大量摄入，则引起中枢神经及某些实质脏器损坏。2、其它类型农药： 有机磷农药： 有机氮农药： 拟除虫菊酯类农药：污染物与毒物及毒理学效应。 （三）农药的环境毒理学效应 一、环境因素：（物理、化学等方面） 1、物理环境因素：温度；湿度；气压；昼夜、季节的周期变化。 2、环境中污染物的联合作用：独立作用；相加作用；协同作用； 拮抗作用二、化学毒物的理化状况： 1、物理性状与生物学效应：溶解度；挥发度；分散度（物质颗粒大小） 2、毒物的化学结构与毒性： 毒物的化学结构决定其在体内参

13、与和干扰的生物化学过程， 决定毒作用的性质； 同类物质不同的异构体的毒性都不相同，如：“左旋”与“右旋”。三、个体因素：就生物的个体而言的 1、种属、品系和个体的差别： 2、年龄和发育： 3、性别与激素：在动物中，一般，雌性动物比雄性动物敏感。 4、遗传因素：（“有百毒不侵的”） 5、健康状况与营养：二者影响代谢水平和酶活性。一、生物群落监测方法一、生物群落监测方法二、生物测试法二、生物测试法三、细菌学检验法三、细菌学检验法未受污染的环境水体中生活着多种多样的水未受污染的环境水体中生活着多种多样的水生生物，这是长期自然发展的结果，也是生态系生生物，这是长期自然发展的结果，也是生态系统保持相对平

14、衡的标志。当水体受到污染后，水统保持相对平衡的标志。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。生物群落监测法的理论依据。：附着于长期浸没水中附着于长期浸没水中的各种基质表面上的有机体群落。的各种基质表面上的有机体群落。栖息在水体底部淤泥栖息在水体底部淤泥内、石块或砾石表面及其间隙中内、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。的肉眼

15、可见的水生无脊椎动物。原生原生动物、轮虫、枝动物、轮虫、枝角类和桡足类角类和桡足类（一）（一） 生物指数监测法（贝克生物指数生物指数监测法（贝克生物指数 、贝、贝克克-津田生物指数津田生物指数 、生物种类多样性指数、生物种类多样性指数 、硅藻生物指数硅藻生物指数 ） （二）污水生物系统法（二）污水生物系统法 （三）（三） PFU微型生物群落监测法（简称微型生物群落监测法（简称PFU法）法） （一）生物指数监测法（一）生物指数监测法 生物指数（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：贝克生物指数：从采样点采到的底栖大型无脊椎动物从采样点

16、采到的底栖大型无脊椎动物 当当BI10时，为清洁水域；时，为清洁水域；BI为为16时，为中时，为中等污染水域；等污染水域；BI=0时，为严重污染水域。时，为严重污染水域。 贝克津田生物指数：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所有拟评价或监测的河段各种底栖大型无脊椎动物 当当BI20，为清洁水区；，为清洁水区；10BI20，为轻度，为轻度污染水区；污染水区；6BI10，为中等污染水区；，为中等污染水区；0BI6，为严重污染水区为严重污染水区。1 1. . 贝克生物指数和贝克贝克生物指数和贝克- -津田生物指数津田生物指数一、生物群落监测方法2. 2. 生物种类多样性指

17、数生物种类多样性指数式中：式中： 种类多样性指数；种类多样性指数； N N单位面积样品中收集到的各类动物的总个数；单位面积样品中收集到的各类动物的总个数；n ni i单位面积样品中第单位面积样品中第i i种动物的个数；种动物的个数；S S收集到的动物种类数。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：流进行了调查，总结出指数与水样污染程度的关系如下： 值值1.01.0：严重污染

18、：严重污染; ; 值值1.01.03.03.0：中等污染；：中等污染； 值值3.03.0：清洁：清洁NnNndisii12logdddd（一）生物指数监测法（一）生物指数监测法一、生物群落监测方法3.3.硅藻生物指数硅藻生物指数硅藻指数硅藻指数= =式中：式中：A A不耐污染藻类的种类数；不耐污染藻类的种类数；B B广谱性藻类的种类数；广谱性藻类的种类数；C C仅在污染水域才出现的藻类种类数。仅在污染水域才出现的藻类种类数。 硅藻指数硅藻指数0 05050为多污带；硅藻指数为多污带；硅藻指数5050100100为为-中污带；硅藻指数中污带；硅藻指数100100150150为为-中污带；硅藻中污

19、带；硅藻指数指数150150200200为轻污带。为轻污带。10022CBACBA（一）生物指数监测法（一）生物指数监测法一、生物群落监测方法污水生物系统法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、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、-中污带段和寡污带段，每个带都有自己的物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。理、化学和生物学特征。根据这些特征进行判断。一、生物群落监测方法污污水水污水生物系统法污水生物系统

20、法一、生物群落监测方法项目多污带-中污带-中污带寡污带化学过程还原和分解作用明显开始水和底泥里出现氧化作用氧化作用更强烈因氧化使无机化达到矿化阶段溶解氧没有或极微量少量较多很多BOD很高高较低低硫化氢的生成具有强烈的硫化氢臭味没有强烈硫化氢臭味无无水中有机物蛋白质、多肽等高分子物质大量存在高分子化合物分解产生氨基酸、氨等大部分有机物已完成无机化过程有机物全分解底泥常有黑色硫化铁存在，呈黑色硫化铁氧化成氢氧化铁，底泥不呈黑色有Fe2O3存在大部分氧化水中细菌大量存在，每毫升可达100万个以上细菌较多，每毫升在10万个以上数量减少，每毫升在10万个以下数量少，每毫升在100个以下污水系统的部分生物

21、学、化学特征污水系统的部分生物学、化学特征一、生物群落监测方法 （二）污水生物系统法 PFU微型生物群落监测法微型生物群落监测法 PFU法是以聚氨酯泡沫塑料块（法是以聚氨酯泡沫塑料块（PFU）作为人工）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生物种类均可群集到PFU内，达到种数平衡，通过观内，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察和测定该群落结构与功能的各种参数来评价水质状况。况。 根据水环境条件确定采样时间，一般在静水中采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

22、样约需两周；采样结束后，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，把带回实验室，把PFU中的水全部挤于烧杯内，用显微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。镜进行微型生物种类观察和活体计数。一、生物群落监测方法一、生物群落监测方法PFU微型生物群落监测法微型生物群落监测法污染较轻的情况下，随着污染加重，集群速度污染较轻的情况下，随着污染加重，集群速度G G、平衡时的物种数、平衡时的物种数S Seqeq都会增大，达到都会增大，达到9090S Seqeq的时的时间间T T90%90%将缩短。从生态学观点看，此时营养水平适将缩短。从生态学观点看，此时营养水平适合

23、大多数原生动物的生长，因此，种类多，丰度也合大多数原生动物的生长，因此，种类多，丰度也大；大；但随着污染程度进一步加重，平衡时物种数但随着污染程度进一步加重，平衡时物种数S Seqeq会减少，达到会减少，达到9090S Seqeq所需时间所需时间T T90%90%将延长，集群速将延长，集群速度度G G也减小。从生态学观点看，重污染和严重污染也减小。从生态学观点看，重污染和严重污染已超出大多数原生动物的耐受限度，在这恶劣的环已超出大多数原生动物的耐受限度，在这恶劣的环境中，大多数种类不能耐受而消失。境中，大多数种类不能耐受而消失。一、生物群落监测方法 （三）PFU微型生物群落监测法利用生物受到污

24、染物质危害或毒害后所产生的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。定毒物安全浓度的方法称为生物测试法。 二、生物测试法二、生物测试法按水流方式：静水式和流水式按水流方式：静水式和流水式按按测试时间分类测试时间分类：急性试验和慢性试验：急性试验和慢性试验按按受试活体受试活体：水生生物和发光细菌等：水生生物和发光细菌等（一）水生生物毒性试（一）水生生物毒性试验验金鱼金鱼绿藻绿藻褐藻褐藻蝴蝶鱼蝴蝶鱼可用于水生生物毒性试验的部分鱼类和藻类可用于水生生物毒性试验的部分鱼类和藻类二、

25、生物测试法静水式鱼类急性毒性试验供试鱼的选择和驯养静水式鱼类急性毒性试验供试鱼的选择和驯养 金鱼金鱼2金鱼金鱼1二、生物测试法（一）水生生物毒性试（一）水生生物毒性试验验试验条件选择试验条件选择n每一种浓度的试验溶液为一组，每组至少每一种浓度的试验溶液为一组，每组至少10尾鱼尾鱼试验容器用容积约试验容器用容积约10L的玻璃缸，保证每升水中鱼的玻璃缸，保证每升水中鱼重不超过重不超过2g。n试验溶液的温度要适宜，对冷水鱼为试验溶液的温度要适宜，对冷水鱼为1228，对温水鱼为对温水鱼为2028。同一试验中，温度变化为。同一试验中，温度变化为2。n试验溶液中不能含大量耗氧物质，要保证有足够试验溶液中不

26、能含大量耗氧物质，要保证有足够的溶解氧，对于冷水鱼不少于的溶解氧，对于冷水鱼不少于5mg/L，对于温水鱼，对于温水鱼不少于不少于4mg/L。n试验溶液的试验溶液的pH值通常控制在值通常控制在6.78.5之间。之间。n配制试验溶液和驯养鱼用水应是未受污染的河水配制试验溶液和驯养鱼用水应是未受污染的河水或湖水。如果使用自来水，必须经充分曝气才能或湖水。如果使用自来水，必须经充分曝气才能使用。不宜使用蒸馏水。使用。不宜使用蒸馏水。二、生物测试法 （一）水生生物毒性试验试验步骤试验步骤试验溶液浓度设计试验溶液浓度设计确定试验溶液的浓度范围确定试验溶液的浓度范围试验试验记录不同时间的金鱼成活数记录不同时

27、间的金鱼成活数毒性判定毒性判定计算半数忍受限度（计算半数忍受限度（TLmTLm）预试验预试验( (探索性试验探索性试验) )通常选七个浓度通常选七个浓度(至少五个至少五个)二、生物测试法 （一）水生生物毒性试验半数忍受限度（半数忍受限度（TLmTLm），即半数存活浓度。求），即半数存活浓度。求TLmTLm值的简便方法是将试验鱼存活半数以上和半数值的简便方法是将试验鱼存活半数以上和半数以下的数据与相应试验液毒物（或污水）浓度绘于以下的数据与相应试验液毒物（或污水）浓度绘于半对数坐标纸上（对数坐标表示毒物浓度，算术坐半对数坐标纸上（对数坐标表示毒物浓度，算术坐标表示存活率），用直线内插法求出。标表

28、示存活率），用直线内插法求出。表表 某毒物实验结果某毒物实验结果毒物浓度 / (mgL-1)每组鱼数/ 尾试验鱼成活数24 h48 h96 h10.07.55.64.23.22.4对照组10101010101010038910101000279101000127910二、生物测试法 （一）水生生物毒性试验安全浓度=2Lm)(24TLm/48T0.348TLm安全浓度=48TLm0.1用直线内插法求TLm二、生物测试法 （一）水生生物毒性试验（二）发光细菌法（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，发光光谱范肪酸反应，而向外界辐射蓝绿色的荧光，发光光谱范围在围在435435630nm630nm，有单一最大发射峰，有单一最大发射峰(maxmax=475nm).=475nm).它是生物自身的正常生理代谢过程它是生物自身的正常生理代谢过程. .由于发光细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且反应迅速、灵敏等特点。近年来国内外较多地将发光