第六章环境污染的生物监测

第六章环境污染的生物监测一、生物监测的概念1977.4EEC、WHO、EPA组织的国际会议上提出。

生物监测定义：利用生物分子、细胞、组织器官、个体、种群和群落等各层次对环境污染程度所产生的反应来阐明环境状况，从生物学的角度为环境质量的监测和评价提供依据。第一节概述2/3/20231二、化学仪器监测的优缺点

优点：速度快，准确率高。缺点：有些仪器不能连续测定，只能测定单一污染物的污染状况，不能反映多因子复合污染状况。三、生物监测的优缺点

优点：1）经济、方便、可靠：价格低廉，不需购置昂贵的精密仪器，不需繁琐的仪器维修、保养等工作，可在大面积或较长距离内密集布点，甚至边远地区也能布点。对污染物敏感的生物，其生理学和生态学的反应能够及时、灵敏地反映较低水平的环境污染，提供环境质量的现时信息。2/3/202322）能反映出污染物的历史变迁，提供环境变迁的证据。实践证明，长期生长在污染环境中的抗性生物，能够忠实地“记录”污染的全过程。3）可综合反映环境污染状况，比化学仪器监测更接近实际。这是任何物理、化学监测所不能比拟的。缺点：精度不高，有时只能半定量；在不同自然条件下无可比性，季节上、地理上受到较大限制。2/3/20233四、生物监测的作用生物监测作为仪器监测的一个助手，有助于全面了解污染情况，同时也可以发现污染物所产生的生态潜在危险，为长期评价环境提供依据，这是仪器监测所不能做到的。生物监测是作为化学、物理监测的重要补充，能够弥补化学、物理监测的缺陷，但并非可以取代化学、物理监测，如果没有化学、物理监测数据所提供的信息，生物的反应就不能准确地提供污染信息。2/3/20234五、生物监测的分类2.按生物学层次：生态监测（群落生态、个体生态）生物测试（急性、亚急性、慢性毒性测定）分子、生理、生化指标

污染物在体内的行为动物监测植物监测（研究最多、应用最广）微生物监测1.按生物种类2/3/20235在生物监测的基本概念中，“指示生物”和“监测生物”是两个不同的概念。指示生物：是指对环境中的污染物能产生各种定性反应，指示环境污染物的存在。监测生物：不仅能够反映污染物的存在，而且能够反映污染物的量。监测生物必然是指示生物，同时它还要回答环境中污染物多少的问题。2/3/20236第二节大气污染的生物监测大气污染的生物监测：利用生物对大气污染的异常反应监测大气中有害物质的成分和含量，了解大气质量状况。一、大气中主要污染物及其植物监测有些植物对大气污染极敏感，在污染物达到人和动物的受害浓度之前，即显示可觉察的受害症状，例如紫花苜蓿在SO2达0.3mg/L时就有明显反应。同时，植物本身的不可移动性、便于管理等待征，使其成为重要的大气污染监测生物。2/3/20237受害症状——定性受害面积、轻重——定量监测还可依据：

植物体的化学成分（如叶片污染物含量）对个体生理、生长的影响（如生长量、年轮等）生物的种类区系变化等（即种群、群落生物组成、分布等）根据典型症状1.监测方法2/3/202382.大气污染物进入植物体的途径1）气态污染物：叶片气孔吸收经细胞间隙抵达导管运转到其它部位。如气态氟化物主要通过气孔进入叶内组织，首先溶解在细胞壁的水分中，一部分被叶内细胞吸收，大部分则沿维管束组织运输，在叶尖叶缘积累，使叶尖叶缘组织坏死。2）颗粒污染物：擦伤叶面，阻挡阳光影响光合作用大气中的污染物降落到地面，进入土壤以后，也可通过植物根系吸收到植物体内，影响植物生长发育。2/3/202393.大气污染对植物的影响对植物影响较大的有害气体是SO2、氟化物(HF)、氧化剂(O3、PAN)和乙烯(C2H4)。NOx毒性较小，Cl2、NH3等多属事故性泄漏引起，危害范围不大。1）对群落的影响：不同种群的集合体称为生物群落，即植物群落是由不同的植物组成。在污染物长期作用下，植物群落的组成会发生变化、一些敏感种减少或消失，而抗性强的耐污种保留甚至发展，因而植物群落的变化，本身就反映了环境质量状况的变化。2）对个体的影响：主要表现在个体生长减慢，发育受阻，失绿发黄和早衰等症状。3）对组织器官的影响：叶组织坏死，叶面出现伤斑。各种污染物对叶片伤害的症状特征，就是大气污染“伤害诊断”的主要依据。有的直接造成器官脱落。2/3/2023104.大气污染对植物的一般伤害症状

1）臭氧(03)

植物受臭氧急性伤害后出现的初始典型症状为：叶面上出现密集的细小斑点，几乎是均匀地分布在整个叶片上，并且其形状、大小也比较规则、一致，颜色呈棕色或黄褐色。03伤害植物的一个共同特征，人们称之为“点斑”，这种斑点呈银灰色或褐色，随着叶龄的增长逐渐脱色，变成黄褐色或白色。这些斑点还会连成一片，变成大片的块斑，致使叶片褪绿或脱落。一般中龄叶敏感，未伸展的幼叶和老叶有抗性。2/3/202311

2）过氧酰基硝酸酯类(PANs)

PAN诱发的早期症状是在叶背面出现水渍状或亮斑。随着伤害的加剧，气孔附近的海绵叶肉细胞崩溃并为气窝取代。结果使受害叶片的叶背面呈银灰色，进一步发展成古铜色。主要危害幼叶，此外，植物在黑暗中受PAN影响小。2/3/2023123）二氧化硫(SO2)

初始典型症状：失去光泽，出现呈暗绿色的水渍状斑点，叶面微微有水渗出并起皱。症状继续发展，成为比较明显的失绿斑，呈灰绿色，然后逐渐失水干枯，直至出现显著的坏死斑。坏死斑颜色以浅色为主。阔叶植物中典型急性中毒症状是叶脉间有不规则的坏死斑，斑点以灰白色和黄褐色居多。一般刚伸展的嫩叶易受害；中龄叶次之，老叶和未展开的嫩叶抗性较强。针叶植物受二氧化硫伤害首先从针叶尖端开始，逐渐向下发展，呈红棕色或褐色。这些症状可以作为二氧化硫污染的证据。2/3/2023134）氟化物大气氟污染主要是氟化氢(HF)，它的排放量、影响范围都比SO2小些，但毒性很强。空气中含ppb级浓度氟化氢时，几星期可使敏感植物受害。阔叶植物受氟伤害的典型症状是叶尖和叶缘坏死，伤害区和非伤害区之间有一条红色或深红色界线。氟污染容易危害正在伸展的幼嫩叶子或枝稍顶端，呈现枯死现象。2/3/2023145）二氧化氮NO2危害植物的症状是在叶脉之间和近叶缘处的组织显示出不规则的白色成棕色的解体损伤。总之，植物种类、环境条件、污染物的种类和浓度以及接触时间和病虫害等等，都会影响污染物对植物伤害症状。而且常具有复合作用。几种有害气体对植物叶片伤害的典型症状如图：2/3/2023152/3/2023162/3/202317污染物种类叶尖叶缘变黄至褐色叶脉间斑点叶表密生斑点叶背银灰至古铜色HF

++

+

O3

+

++PAN+

++SO2

++

+

NO2+

+

+Cl2+

++

+H2SO4

++

+

+注：++常见，+有时可见2/3/2023185.大气污染造成的植物伤害特点1）受害状况与风向密切相关：呈带状或扇形分布，受害程度：下风向＞上风向。2）受害程度与污染源关系密切：离源远，受害轻，面向源的枝叶易受害。3）受害程度与障碍物有很大关系：建筑物、土丘等背风一侧受害轻。4）受害程度与叶片成熟度有关：而霜冻一般嫩叶先受害，真菌、线虫、病毒：新老叶均受害，生理干旱：全株枯黄。2/3/202319（二）大气污染的动物监测利用动物监测大气污染虽不及植物那么普遍，但也能够起到指示、监测环境的作用。事实上，利用生物监测环境污染是从动物开始的。金丝雀、金翅雀、老鼠、鸡——探测矿井瓦斯鹦鹉——监测制药车间空气中氰氢酸含量，以确保工人生命安全狗——经训练可用来监测煤气管道漏气和CO污染源美国多诺拉事件表明，对S02敏感度:金丝雀＞狗＞家禽日本有人利用鸟类与昆虫的分布来反映大气质量的变化；利用鸟类羽毛、骨骼中的重金属含量监测大气中重金属污染。蜜蜂是大气污染最理想的监测动物。早在19世纪末就有科学家通过分析死蜂发现蜂受到砷、氟化物、铅、汞等的污染。2/3/2023201960年加利福尼亚大学的科学家发现臭氧、氟化物缩短了蜜蜂的寿命。1970年初，北美和欧洲的科学家开始利用蜜蜂监测大气污染水平，评价大气环境质量。保加利亚一些矿区也用蜜蜂来监测金属污染物在大气中的浓度。一个蜂巢：5万只、2.5平方英里、数百万株植物，分析花粉、花蜜和蜂体就能够了解污染物种类及污染水平。

一个区域中动物种群数量的变化也可监测该地大气污染状况，如一些大型哺乳类、鸟类、昆虫等，特别对大气污染敏感种类数量的变化很能够说明问题。如果发现上述动物迁离，不易直接接触污染物的潜叶性昆虫、虫瘿昆虫、体表有蜡质的蚧类等数量增加，说明该地区大气污染严重，环境恶化。2/3/202321（三）大气污染的微生物监测微生物与环境污染关系密切，可利用微生物区系组成及数量变化监测环境污染。

1.利用空气中微生物的发生率监测大气污染凡是尘埃多的空气，其中的微生物也多。因此，可利用大气微生物种类数量及其分布可监测大气环境质量。周大石等(1994)研究了沈阳市大气微生物区系分布与环境质量的关系，发现郊区大气中细菌数量明显少于市区。大气微生物数随人群和车辆流动的增加而增多。

2/3/2023222.利用病原微生物的致病性监测大气污染

许多大气污染物具有杀菌作用，能够改变微生物的种类区系及活性，改变微生物的数量、分布特征、代谢活动、致病性及其他生理功能。借助对这些特征的调查、比较，可以估计当地的空气污染情况。例如硫是一种非常有效的杀菌剂。在SO2污染严重的地区，许多菌属的锈病和叶斑病真菌，根本不存在或受到抑制。在SO2

对植物仅仅造成中度伤害的地区，许多病害的发展也受到了抑制。

2/3/202323当水体受到污染使水环境改变时，各种不同的水生生物由于对环境的要求和适应能力不同而产生不同的反应，人们就可根据这些反映判断污染程度，这就是水生生物监测的基础。在用生物方法进行水体监测时，可以用鱼、原生动物、水生植物或微生物作监测生物。第三节水污染的生物监测一、水污染的植物监测在水体污染的情况下，不仅水的物理和化学性质有所变化，而且水中的生物种类组成、数量及特征也将发生变化，因此可用水生植被的组成变化监测水体健康状况。2/3/202324

水体受污染时，浮游植物种类和数量会明显减少，且耐污种类将出现。若对它们的特点进行调查研究，就可对水体污染程度作出判断。以滇池为例，水生植被与水体污染程度的关系如下：(1)严重污染：各种高等沉水植物全部死亡；(2)中度污染：敏感植物如海菜花、轮藻、石龙尾等消失，抗性强的如红线草、狐尾藻等相当繁茂；(3)轻度污染：敏感植物如海菜花、轮藻等渐趋消失，中等敏感植物和抗污植物均有生长；(4)无污染：轮藻生长茂盛，海菜花生长正常，上述各类植物均能够正常生长。从上述结果可看出，海菜花、轮藻等敏感植物可用作监测植物。2/3/202325二、水污染的动物监测

水污染指示动物一般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。它们个体大，在水中相对位移小、生命周期较长，能够反映环境污染特点，如颤蚓类、水蛭等。颤蚓类普遍出现于污染水体中，特别在严重有机污染水体中数量多、种类单纯，可以用单位面积颤蚓数作为水体污染程度的指标，如：颤蚓类＜100条／m2为未污染；颤蚓类100—999条／m2

属轻污染；颤蚓类1000—5000条／m2属中污染；颤蚓类＞5000条／m2

属严重污染。

2/3/202326还可根据鱼类形态结构变化及生理生化指标来监测水体污染。监测参数包括呼吸频率变化，咳嗽反应、耗氧量、运动类型、回避反应、趋流性、游泳耐力、心跳速率和血液成分等。

重金属污染也可以用动物来指示。winner等(1980)调查了美国俄亥俄州受铜污染的两条河流，严重污染河段以摇蚊幼虫占优势；中污染河段以石蚕及摇蚊虫为主；轻污染或清洁河段以蜉蝣与石蚕占优势。长角石蚕只见于清洁水体。2/3/202327

三、水污染的微生物监测有机污染物是微生物的良好生长物质，细菌总数愈多，说明污染愈严重。清洁水体：水细菌几十~几百个/mL，自养型为主，常见种类有硫细菌、铁细菌、鞘杆菌和含有光合色素的绿硫细菌、紫色细菌以及蓝细菌等。中污染：水细菌几万~几十万个/mL。假单胞菌属、柄杆菌属、噬纤维菌属、着色菌属、绿菌属、脱硫弧菌届、甲烷杆菌属等。重污染：水细菌几千万至几亿个/mL，腐生型细菌、真菌为主。常见的细菌有变形杆菌、大肠杆菌、粪链球菌以及各种芽孢杆菌、弧菌等。真菌以水生藻状菌为主，另外还有大量的酵母菌。饮用水：大肠杆菌＜3个/L2/3/202328发光细菌监测法：用于水体中重金属、农药、除草剂、酚类化合物、氰化物等30多种污染物的监测。如快速测定工业废水综合毒性、水体中氰化物浓度、污染水体生物毒性等。优点：费时少，敏感性好，操作简便，结果准确。发光细菌是一类非致病性细菌，在正常的生理条件下能发出400nm的蓝绿色可见光，这种发光现象是细菌的新陈代谢过程。毒物具有抑光作用，毒物浓度与细菌发光强度呈负相关线性关系。凡能够干扰或破坏发光细菌呼吸、生长、新陈代谢等生理过程的任何有毒物质都可以根据发光强度的变化监测水体污染。2/3/202329遗传毒物细菌监测系统——SOS显色反应：80年代初建立，巳在环境污染物的致遗传毒性监测中广泛应用。其原理是，通过大肠杆菌液在致遗传毒性因素作用后，根据最终产生的—D—半乳糖苷酶在液体分解底物邻硝基——D—半乳糖苷所产生的黄色可溶性色素来进行定量测定。通过检测细胞的SOS反应就可测定外源性化学物及物理因素是否具有遗传毒性。该法速度快且可直接用于检测成分复杂的混合物。2/3/202330第四节土壤污染的生物监测一、土壤污染的植物监测目前用于大气、水体污染物监测的植物种类较丰富，而用于土壤监测的植物种较少。观察植物根、茎、叶是否出现症状及症状表现程度等可监测土壤污染。Cu、Ni、Co：抑制新根伸长，形成狮子尾巴一样的形状。

Cu污染使大麦不能分蘖，长到4-5片叶时就抽穗。Zn污染：引起洋葱主根肥大和曲褶；Zn、Cu污染：使扁豆、红小豆等的老叶组织变褐或死亡；一些无机农药使叶柄基部或叶片出现烧伤斑点或条纹，使幼嫩组织发生褐色焦斑等；有机农药污染严重使叶片相继变黄或脱落，花座少，延迟结果，果变小或籽粒不饱满等。2/3/2023312/3/202332二、土壤污染的动物监测土壤动物是反映环境变化的敏感指示生物，当某些环境因素的变化发展到一定限度时即会影响到土壤动物的繁衍和生存，甚至死亡。研究表明：土壤动物种类数量与污染物浓度呈显著负相关。例如：蚯蚓对敌敌畏等农药污染极敏感，低剂量农药即可引起蚯蚓数量减少，因此可用作农药污染的监测生物。如敌敌畏作用6h后某些个体环带区充血肿胀，12h后呈暗红色，活动能力大大减弱，甚至呈现麻痹、组织溃疡等病变。在高浓度时，24h后大部分死亡，36h已没有活体。如蚯蚓身体卷曲、僵硬、缩短和肿大，体色变暗，体表受伤甚至死亡，表明土壤受到了DDT和有机氯化物的污染。

2/3/202333李忠武等(1999)研究了敌敌畏对土壤动物群落的影响，结果表明，土壤动物种类和个体数均随农药的增加而呈明显递减趋势，群落多样性指数随浓度升高而递减。从种类看，共获得76属土壤动物，在低浓度时有53属，而高浓度时仅有26属；从土壤动物个体数量看，随处理浓度的升高，土壤动物个体数和密度均显著降低。此外，蜱螨类和弹尾类为优势类群，可利用这两个优势类群的群落结构变化来监测农药污染的情况。2/3/2023342/3/202335

三、土壤污染的微生物监测污染物进入土壤后首先受害的是土壤微生物，许多微生物对土壤中重金属、农药等污染物较敏感。通过测定污染前后的微生物种类数量变化、微生物酶活性变化等可监测土壤污染程度。如使用农药使敏感种减少，抗性种增加，微生物群落趋于单一化。例如：受五氯酚污染的土壤中能够找到的菌种是具有耐受性的6种假单胞菌属细菌；受三氯乙酸污染的土壤，真菌中只剩下青霉和曲霉。2/3/202336

不同农药引起微生物数量变化的情况是不完全相同的。例如，用5mg/L甲拌磷或特丁甲拌磷处理使土壤细菌数增加，而用椒菊酯处理则使细菌数减少。同一种农药对不同类群微生物的影响也不完全一致，如用3mg/L二嗪农处理180d后细菌和真菌数没有改变，而放线菌增加了300倍；用4mg／L阿拉特津处理，细菌总数与对照相比没有明显差异，但固氮菌增加了1倍，反硝化菌和纤维素分解菌则分别减少了80％和90％。试验结果表明，镉、铜、铅、铬对大芽孢杆菌和枯草杆菌均有明显的抑制作用，随金属浓度的升高，菌落数明显减少。砷污染对几种固氮菌、解磷细菌及纤维分解菌均具有抑制作用。纤维分解菌群的活性受重金属和其他有毒元素的影响很大。

2/3/202337第五节环境污染生物监测方法典型例子

一、利用生物典型受害症状监测环境污染本法主要是通过肉眼观察生物体受污染影响后发生的形态变化，如观察植物叶片伤害症状、动物器官畸形等。大气污染：根据特定植物的典型症状(尤其是急性症状)可以指示大气中某种污染物的存在。根据受害叶数、颜色深浅及伤斑大小与参比照片比较，可估计叶片受害程度和空气中污染物的类型和含量。水污染：在根据形态结构变化指标来监测水体污染时，最常见的生物材料是鱼类。如果见到鱼的体形变短变宽、背鳍颈部后方向上隆起，鳍条排列紧密，臀鳍基部上方的鳞片排列紧密，发生不规则错乱，侧线不明显或消失等，可认为水体巳被严重污染。2/3/2023382/3/202339

二、利用生物体内污染物及其代谢产物含量分析法监测环境污染污染环境中的植物、动物、微生物都能够不同程度地吸收积累一些污染物、通过分析这些生物体内的成分，可以监测环境污染物的种类、水平等。1.分析低等附生植物体内污染物含量地衣和苔藓植物被大量用来指示和监测大气中重金属、粉尘、SO2等污染。优点：分布广、敏感、反映客观、不受土壤污染影响。2.分析高等植物叶片污染物含量大气：植物体内污染物含量与大气中相应的污染物浓度有很大相关性，并且它能够反映较长时间内大气中污染物的平均浓度。如用叶片中的含硫量和含氟量分别评价空气中二氧化硫和氟化物的污染程度。2/3/202340利用上述原理，采集并且分析在不同地点生长的同一种植物的叶片污染物含量，就可以绘制出该污染物浓度分布图。可根据含污量指数IPC对各点的空气污染度进行分级。

IPC＝Cm/Cc(Cm—采样点叶片污染物含量,Cc—对照点叶片污染物含量)水体、土壤：分析生物体内的某些成分，可了解污染状况。分析可以是生物体整体，如鱼类、贝类、虾类等，也可是生物体的一部分、排泄物、呕吐物等。

三、利用生物的生理、生化指标监测环境污染生物受污染时，某些生理生化指标的变化，远比形态可见症状反应灵敏、迅速，因此，更适宜用作环境监测。2/3/202341Chorman(1976)总结了大气污染中常见毒物对数十种酶的影响。所涉及的酶为相应污染物的指示酶。以下3点具有普遍性：①NH3、NH4+

使植物的6—磷酸葡萄糖脱氢酶、苹果酸脱氢酶和过氧化物酶活性升高；②过氧乙酰硝酸酯抑制6—磷酸葡萄糖脱氢酶和苹果酸脱氢酶的活性；③植物对O3、SO2、SO32-、SO42-、NH3和NH4+都敏感，植物暴露在这些污染物中后，过氧化物酶活性都有所升高(程培树，1981)

利用鱼的生理代谢来监测水污染的指标有：呼吸频率、呼吸代谢、渗透压调节、摄食量与能量转换率、抗病力、神经内分泌活动等。

2/3/202342生化方面的指标有：血液成分变化、血糖水平、酶活性变化、糖类、酯类代谢等。鱼的血液对一些污染物很敏感，很适合于对水污染的监测。例如，铅中毒会加速红细胞的沉降、增加不成熟红细胞的数量、使一般红细胞溶解和退化而导致溶血性贫血。因此，不成熟红细胞的增加和溶血性贫血可作为水体中铅污染的监测指标。四、利用生物的细胞遗传学指标监测环境污染细胞遗传学是研究遗传基因的传递者——染色体的行为、形态、结构、数目和组合，并进一步阐明生物遗传现象的科学。目前常采用细胞遗传学的方法来筛选化学诱变因子，监测环境中具有致癌、致畸、致突变的化学物质。目前常采用的方法主要有：微核测定法、染色体畸变分析，姐妹染色体交换率，非预定DNA合成等。2/3/202343高等植物被认为是进行环境化学物质的遗传毒性效应研究的极好材料。例如，紫露草和蚕豆非常适合作为检测遗传毒性物质的材料，它对环境诱变因素很敏感。在动物上常用蝌蚪肠细胞、小鼠外周血淋巴细胞、蟾蜍血液细胞等为材料，观察细胞染色体畸变情况、微核率、UDS(非预定DNA合成)效应等指标来监测大气和水污染。1.微核监测技术外源性诱变剂或物理诱变因素可以诱导生活细胞内染色体发生断裂、影响纺锤丝和中心粒的正常功能，造成有些染色体及其断片在细胞分裂后期滞后，不能正常分配并整合到子细胞细胞核上，形成所谓的微核。在一定污染物浓度范围内，污染物与微核率有很好的剂量—效应关系，而且灵敏度高，可靠性强。2/3/202344目前应用最多的是紫露草微核技术和蚕豆根尖细胞微核技术。植物微核监测技术是目前监测环境污染物最有效的技术之一。具有成本低、效率高、可靠性好、周期短等特点，尤其对“三致”物质监测最有效，在我国目前已广泛应用于空气、水体、土壤污染监测等方面。现被列为常规监测指标。动物的微核测定技术常采用大、小鼠骨髓细胞和人的外周血淋巴细胞。测定方法简便、快捷，是衡量辐射损伤和化学损伤程度的较好标准之一。2.染色体畸变技术研究在物理和化学因素影响下，染色体数目和结构的变化称之为染色体畸变分析，染色体结构的畸变包括染色体单体断裂、双着丝点染色体、染色体粉碎化、染色单体互换等；染色体畸变率越高，说明污染越严重。2/3/2023453.非预定DNA合成(简称UDS)技术UDS是研究损伤修复的重要指标。紫外线、电离辐射，化学诱变剂和金属离子均能诱导UDS的产生，UDS试验是在DNA水平上检测化学物质的损伤作用，现己广泛用于致癌物质的筛选和作为评价污染物遗传毒性的指标之一。具有灵敏度高、特异性强等优点。五、利用生物群落结构分析方法监测环境污染环境污染的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。调查项目有种的总数、每个种的覆盖度、