第四章环境质量的生物监测与生物评价

1、第四章环境质量的生物监测与生物评价本章将讨论以下内容：v生物监测和环境质量评价概念v生物监测与评价v生态环境质量评价v化学品生态风险评价v有害物理因素的生物学效应的评价第一节 生物监测和环境质量评价概念一、环境质量定义及基本内涵（一）环境质量的定义 环境质量（ Environmental Quality ）：指环境素质的优劣程度。优劣是质的概念，程度是量的表征。（二）环境质量的基本内涵 1、自然环境质量和社会环境质量两个方面，它包括物理的、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。v 物理环境质量：指周围物理环境条件的好坏，自然界气候、水文、地质

2、、地貌等条件的变化，人为的热污染、噪声污染、微波辐射、地面下沉以及自然灾害等都能影响物理环境质量。 化学环境质量是指周围化学环境条件的好坏，不同地区各环境要素的化学组成不同，它们的化学环境质量也不一样。人类活动造成的化学污染可以降低化学环境质量。 生物环境质量是自然环境质量的重要组成部分，它是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特点不同，其生物环境质量也有差别。2、社会环境质量包括经济的、文化的及美学的等各方面。各地区发展程度不同，社会环境质量有明显的差别。环境质量评价涉及到：v环境质量基准（ Environmental Quality Criteria）指环境因素在一定

3、条件下作用于特定对象（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，具有客观性。v环境质量标准（ Environmental Quality Standard）是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，具有一定的主观性。（三）环境质量调查、监测及评价v环境质量调查：是为了了解环境的质量状况而进行的一系列工作，调查的主要内容是环境背景值、自然环境状态、区域污染状况、人为干扰下环境的演变规律，以及环境

4、因素的危害效应等。 v环境质量监测为了评价环境质量，人们研究并确定了一系列具有代表性的环境指标，对这些指标进行定期的或连续的监测、观察和分析其变化称为环境质量监测。 v环境质量评价指按照一定的标准，采用相应的方法对环境质量进行评定、比较及预测。（四）环境质量调控与质量预测v环境质量预测：是对环境质量未来趋势所做的判断，是环境科学的重要组成部分，是制定环境法规，对环境进行科学管理，以及规划区域性人口、资源、生产布局的重要的基础性依据。v环境质量调控：狭义：是采取合理有效的措施，调节和控制向环境中排放的污染物不超过允许的容纳量。 广义：采取人工手段，使环境要素变化不超过或者能够达到一定的标准。二、

5、生物监测（Biomonitoring）v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。v与理化监测相比，生物监测有何优缺点？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第二节 生物监测与评价指示生物指示生物v指示生物的概念：指对环境中某些物质（包括污染物）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。v指示生物的种类包括大气污染指示生物和

6、水体污染指示生物。v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水质 美国威斯康星地区湖泊中的软水指示植物为Gratiola，硬水指示植物为Ranunculus aquatilis。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v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。一、大气污染生物监测与评价大气污染的植物监测有以下几种方法：v指示植物法v现场调查法v植物群落调查法v现场盆栽定点监测法v地衣、苔藓监测法：v微核技术的应用v污染量指数法v大气污染的综合生态指标法1、指示植物监测法、

7、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。指示植物的选择原则：对污染物敏感；受污染后的症状明显；干扰症状少；生长期长，能不断萌发新叶；栽培管理和繁殖容易；并尽可能具有一定的观赏或经济价值，以起到美化环境和监测环境质量的双重作用。 1、指示植物、指示植物2、受害症状、受害症状SO2监测植物监测植物矮牵牛矮牵牛v指示植物的选择方法现场比较评比法栽培比较试验法人工熏气法v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：受伤阈值受伤阈值指引起指

8、示植物受害的污染气体的最低浓度和暴露时间。植物群落监测法v植物群落监测法该法是利用植物群落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。v实例：某化工厂附近的植物群落调查实例：某化工厂3050m范围内植物受害情况说明及分析植物名称受 害 情 况悬铃木、加拿大白杨80或全部叶片受害，甚至脱落桧柏、丝瓜叶片有明显大块伤斑，部分植

9、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42 某化工厂3050m范围内植物受害情况情况分析： 根据植物叶片出现的症状特点（伤斑出现叶脉间），表明该厂附近的大气已被SO2污染。从受害程度上看，由于一些对SO2抗性强的构树、马齿苋等已受到损害，可以判断该地区发生过急性危害，估测其SO2浓度为310 ppm。地衣、苔藓监测法v地衣、苔藓作为指示植物的特点这两类植物对二氧化硫二氧化硫和氟化氢氟

10、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，而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

11、过专门的学习不易掌握辨识方法。地衣、苔藓监测法v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。v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。植物监测的其他方法v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。v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v大气污染的综合生态指标法思考：

12、应用植物监测应注意哪些问题？采取哪些措施？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。大气污染的 细菌总数测定v空气污染的微生物学评价指标细菌总数链球菌总数v测定方法：沉降平皿法吸收管法撞击平皿法滤膜法二、水污染的生物监测水污染的生物监测主要包括以下方面：v水污染的细菌学监测v浮游生物监测法v底栖大型无脊椎动物监测法v微型生物群落监测法1.水污染的细菌学监测水污染的细菌学监测指标有以下两个：v细

13、菌总数细菌总数指1mL水样在营养琼脂培养基中，于37、24小时培养后所生长的细菌菌落总数。它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。v大肠菌群数大肠杆菌是一群需氧和兼性厌氧的、能发酵乳糖、产酸、产气的革兰氏阴性无芽孢杆状细菌。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。如每升饮用水中大肠菌群数不得超过3个。大肠菌群数的测定：多管发酵法和滤膜法思考： 大肠菌群为何用其作为水质粪便污染的指示菌？致病菌在水体中存在数量极少，检测技术复杂，不易直接检测；大肠菌在

14、水中存在的数目与致病菌呈一定正相关，抵抗力略强，易于检查等特点，故作为水体受粪便污染的指标，以大肠菌群最为理想。测量方法（1）水样的采集与保存v无菌操作v自来水：酒精灯水龙头灭菌，完全打开，放水3分钟，排除死水。如果水样中含氯，预先在采样瓶中加入3%的硫代硫酸钠。v江河湖海的水样：用事先灭菌的采水器，距水面10-15m采集水样。v原则上立即送检，不超过2h；1-5度冷冻保存，不超过6h。（2）测定方法细菌总数：指1ml水样接种于普通琼脂培养基中，在37度下培养24h，计数生长的菌落数。一般采用平皿法。大肠杆菌：发酵法：大肠杆菌能使乳糖发酵产酸产气。将不同稀释度的水样分别接种入含有乳糖等糖类的培

15、养液中，经过37度培养24h，观察产酸产气情况初步判断是否有大肠杆菌存在。滤膜法：选用0.45-0.65微米的微孔滤膜，通过抽滤使一定的水样通过，将水中的细菌截留在滤膜上。将滤膜不截菌的一面贴附在固体培养基上进行培养，通过菌落特征和镜检初步确定是否有大肠杆菌。2.浮游生物监测法 浮游生物定义：在海洋、湖泊及河川等水域的生物中，那些自身完全没有移动能力，或者有也非常弱，因而不能逆水流而动，而是浮在水面生活，这类生物总称为浮游生物。 包括浮游植物和浮游动物，如藻类、原生动物、轮虫、枝角类等v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，但由于浮游生物的不

16、稳定性且常常集群分布，因而其作为水质指示生物的可靠性和准确性受到限制。v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3.底栖大型无脊椎动物监测法v底栖大型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，肉眼可见。v底栖大型无脊椎动物监测法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。4.微型生物群落监测法v微型生物群落微型生物群落

17、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。vPFU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。三、水环境质量的生物学评价水环境质量的生物学评价有以下几种方法：v一般描述对比法v指示生物法v污水生物系统法v生物指数法v种的多样性指数v生产力法v残留量指数 及富集系数1.一般描述对比法 根据所需要评价的水体中水生生物的区系组成、种类、数量、分布等情况的调查描述，与未受污染的、清洁的同类型水体的情况，或与同一水体

18、的历史资料做对比分析。通过对比分析，即可评价目前水体的环境质量状况。这是一种常用的、比较简单的评价方法。但这种评价需要评价人员具有丰富的经验。 2.指示生物法v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。v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051015202530生物类型生物类型各类生物所占百分数各类生物所占百分数鱼类大型无脊椎动物原生动物大型水生植物藻类细菌图41 Hell

19、awell推荐作为指示生物的各种生物所占的百分数3.污水生物系统法（1）v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，由此可以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。v污水生物系统中各带特点多污带：有机污染严重，溶解氧含量低，细菌极多，无好氧生物，无鱼类生存；中污带：包括中污带（有机污染较为严重，溶解氧略有回升，多为耐

20、污性生物种类，）和中污带（中等程度的有机污染区域，溶解氧较高，有多种藻类和原生动物，有鱼类出现）；寡污带：溶解氧恢复正常或达饱和，水质透明，细菌数量少，藻类种类和数量多。v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。4.生物指数法v什么是生物指数法？它是依据不利环境因素，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。v例子：Beck生物指数公式：IBn An B注

21、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。v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。5.多样性指数法v什么是多样性指数法？多样性指数法是应用数理统计方法来表示生物群落的种类生物群落的种类和个体数量的比值和个体

22、数量的比值从而评价环境质量的一种方法。v多样性指数法的工作原理其工作原理为不同的生物对污染的敏感性和耐受性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。v例子：香农韦弗多样性指数公式：注1：d多样性指数；S生物种类数；N群落的个体总数；n i第 i种的个体数。注2：此公式的计算经多人的调查资料发现，d在0任何正数之间变动。全部生物个体为一个种时，d0；全部个体各属不同种时，d最大。注：当d小于1时为重污染带；d在13时为中污染带；d大于3时为寡污带。v小结多样性指数具有简明的数值概

23、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。6.其他生物学评价方法v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。v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留量，mg/kg； C s i环境中的本底值，mg/kg 。比值小于1时表明水体未受污染，比值大于1时表明水体受到污染，并按不同数值划分污染程度。四、生物标志物v概念：生物标志物（

24、Biomarker）化学污染物所导致的生物有机体的生物化学和生理学改变称之为生物标志物。广义上的概念指在任何生物学水平上用于测定污染物暴露和效应的指标，包括亚个体、个体、种群、群落和生态系统。目前普遍赞同和应用的概念指在亚个体和个体水平亚个体和个体水平上既可以测定污染物暴露水平，也可以测定污染物效应的生理和生化指标。v暴露生物标志物和效应生物标志物暴露生物标志物（Exposure Biomarkers）：可指示机体对化学污染物的暴露，但不显示发生这种变化所造成的不利效应的程度。效应生物标志物（Effect Biomarkers）：可证明化学污染物对机体的不利效应。第三节 生态环境质量评价一、生态环境质量及其基本内涵v生态环境质量：除人口种群以外的生态系统中不同层次的生物组成的生命系统在人为作用下所发生的好与坏