第五章生物监测

第五章生物监测一、生物监测的概念二、监测生物和监测指标选择“生物预警”的内容。三、监测方法孔的教材从水、大气环境分别讲述，但都不外乎从生理生化、分子、群体水平的监测，所以建议参考熊和段的教材，在此基础上突出自己的特色。小结思考题拓展阅读第五章生物监测第一节生物监测概念一、生物监测的基本概念生物监测系指利用生物个体、种群或群落对环境污染或变化所产生的反应来阐明环使环境监测更趋完善。生物监测以环境污染物或环境变化与生物之间的浓度-反应关系为基础。浓度-反应关系可以分为不同的类型。即使属于同一浓度-反应关系，不同的化学物或不同的生对待监测污染物的反应有一个明确的阐述和了解。这需要大量的实验研究，以便建立浓度生物监测的基本任务可以概括为三个方面。第一，对环境的污染或变化进行监查，或变化状况进行监视。这需要在一定期间内对环境污染物的类型、程度和危害进行重复监这可以及时发现超标污染物的类型及程度，并为制定管理提供依据。当然，为圆满完成这些任务，生物监测必须与理化监测进行有效的结合。二、生物监测的特点反映了生物监测具有某些独特的应用价值和理化监测方法不能替代或不能有效替代的特测结果更加明确而有效。这说明生物监测本省具有一定的局限性，不能代替理化监测。生物监测的优点和局限性均是由生物本身的特点所决定的。环境污染通常不是仅仅由单一污染物造成的，而是同时存在多种污染物。相应的，污染对生物系统的影响也不是单一地来源于某一种污染物，而是各种污染物的联合作用。浓度，但不能显示多种污染物混合后对生物系统的影响。此外，具体的环境条件（如酸碱度、氧化还原电位等）对污染物的毒性表达也有显著的影响。因而仅仅知道污染物的浓度是不能确知其生物学效应的。进行生物监测时，监测生物接受的是各种环境因子（含污染物）的综合影响。因而生物监测所反映的是各种环境因子综合作用的结果，能客观地显示污染物状况对生态系统的真实影响2．具有连续监测的功能，是对环境质量状况长期的、历史的反映环境污染状况与人类活动密切相关。在某一时期，某种生产活动常大量排放出某种特不同历史时期采集的植物标本的化学成分，就能得知污染物的污染历史。美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员采用中子活化法分析树木年轮中重金属元素含量变化。结果显示20年代银含量增加。这与当地在同期内炼铁炉被淘汰，工业用汞量增加及在云中撒布碘化银3．监测灵敏度高、能发现早期环境污染或变化某些生物对特定污染物极为敏感。例如，水体中有机磷农药浓度在（1~10）X10-9时即能抑制鱼脑乙酰胆碱酯酶活性。此外，有些生物具有很强的蓄积环境污染物的淡水鱼为食物的苍鹭进行调查发现，虽然河水中的DDE与狄氏剂浓度仅为百级，常规理化分析难以测出，但鱼体内DDE浓度为0.7X10-6，狄氏剂浓度0.2X10-6，而苍鹭体内DDE和狄4．方法简单，价格低廉局限性1．不能像仪器那样迅速作出反应和测出污染物的实际浓度监测生物对污染物的反应通常必测生物的反应不能确定环境污染物的实际浓度，只能比较各个监测点之间的污染水平。2．易受各种环境因素的影响首先，人为胁迫可与自然因素交互作用而影响监测生物的反臭氧浓度条件下，光照强度越大，植物体伤斑面积越大。与干燥空气相比，在露、雾或细雨条件下二氧化硫对监测生物有更强的伤害作用。在土壤中增施微量元素硼能显著增加氟化氢对葡萄的伤害。其次，在自然因素引起的生物损伤类似于人为胁迫引起的损伤。例如，霜冻或矿物质营养缺乏所引起的植物症状类似于二氧化硫引起的伤害症状。植物病毒感染引起的病症类似于臭氧伤害产生的伤斑。3．监测参数的选择较为困难由于选用的是活体生物，同一种生物不同生长时期对污染物的敏感性和反应不同，并且即使是同一种生物也存在有个体差异，如何挑选合适的生物进行体、放射性元素、致癌物等）和受检环境中生物对污染物反应情况而定。鉴于上述生物监测的优点和局限性，在实际应用中可以将其与理化监测配合运用，达到扬长避短、相互补充、准确监测的目的。此外，监测生物的规范化、监测条件（培养条件、观测时间等）的标准化、浓度-反应曲线的精确化（含供比较用的准确标准图谱）以及监测人员的专业化（具有扎实的毒理学、生理学、分类学等知识）均可以在一定程度上弥补生物监测的不足。第二节监测生物和监测指标的选择监测生物是生物监测的核心。监测生物能够对环境中污染物作出定性、定量反应。分为敏感生物和耐性（抗性）生物。敏感生物在环境中污染物浓度含量很低时（甚至低至化学方法测不出来就表现出某些灵敏的反应.根据症状及反应程度进行定性、定量分析。如：牵牛花对光化学烟雾很敏感。耐性（抗性）生物这类生物在不良的环境中却表现出良好的生长势。也就是说污染了的环境反而促进了这类生物的生长。如：水体富营养化，蓝藻大量出现。监测生物的重要性犹如理化监测中仪器设备的作用。其优劣直接决定生物监测结果境污染或变化状况。监测生物的选择应遵循以下原则。1．选择对污染物敏感的生物不同物种对污染物敏感性差异很大。即使同一物种间的敏感性也存在着明显的差异。例如，唐菖蒲对氟化氢很敏感，但不同品种敏感性不同。其雪青花品种暴露在氟化氢中40天，叶尖出现1~1.5cm长的伤斑，而粉红花品种叶尖伤斑长达5~15cm监测生物的敏感性直接决定生物监测的灵敏性。这一点对建立早期污染物的生物报警系统尤为重要。2．选择具有污染特异性反应的生物所谓污染内特异性反应指的是生物对特定污染物具有特殊的敏感性或特殊的抗性，而对其他污染物的敏感性或抗性较低。例如，烟草Bel-W3品种对低浓度的臭氧极为敏感，叶片上的“腿色斑”是对臭氧的一种特有的反应，而且表现出剂量-反应关系。另一方面，某些生物对某类污染物具有极强的强抗性。当环境受生物用于生物监测便于解释监测结果。3．选择遗传上稳定的生物可望在不同地点和不同时间获得较为一致的监测结果，这也是生物监测方法标准化所必须具备的条件。此外，监测生物应具有明确而便于辨认的遗传标记，以帮助监测人员鉴别，并保证伤害反应确实是已经选择出来的生物品系（或无性系）所产生的。4．选择易于繁殖和管理的常见生物生物监测需要大量的生物个体。监测生物应具备通过有性生殖或无性繁殖方式大量饲养等管理措施应便于操作。例如，选用多年生植物监测大气污染可以免除反复播种之高生物监测的实用价值。5．如有可能，应尽量选择除选择监测功能外兼有其他功能的生物例如，可选用行道树或花卉等具有绿化或观赏价值的植物监测大气污染。多功能监测生物能够提高生物监测二、监测指标的选择从理论上说，如果生物系统对污染胁迫产生反应，它必然有某种形式的状态的改变。这种状态的改变可发生在生物系统的不同组构层次，如分子、细胞、组织及器官、个体、种群以及群落和生态系统水平。状态改变可以是结构性的，如形态、定，如形态解剖技术、生理生化技术、毒理学技术、生态学技术等。在实际工作中，由于受到人力、经费、技术水平及其他条件的限制，不可能对所有指标全部进行测定。监测人员应根据具体情况确定挑选出对解决问题最关键的指标，这样不1．根据监测目的的选择监测指标例如，若要及时发现早期污染，可选择对低浓度污用植物化学分析方法直接测定监测植物体内污染物的蓄积量。分析树木年轮性状可揭示当地污染历2．根据污染物的性质和毒理作用机制选择监测指标不同性质的污染物其毒理作用机制不同，会产生不同的毒性效应。例如，有些污染物能抑制光合作用，或抑制呼吸作用。选择光合效率或呼吸速率作为监测指标就能达到监测这些污染物的目的。又如，有些污染物能刺激超氧化物岐化酶、过氧化氢酶及过氧化物酶活性，这些酶的活性就是有用的监测3．根据生物的特性选择监测指标殖习性上可以是有性生殖或无性繁殖；在生态系统中所承担的功能可以是生产者、消费者或分解者。这些差别都应在选择监测指标时予以考虑。例如，可以选用动物监测具有神经毒性作用的污染物，如用鱼脑乙酰胆碱酯酶活性监测水体有机磷农药污染。又如，可用蚯三、生物标志物及其基本原则。生物标志物：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。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。生物标志物分类1989年美国国家科学院（NAS将生物标志物分为三类：（1）接触（暴露）生物标志物机体内某个隔室中测定到外来物质及其代谢产物（内剂量或外来因子与某些靶分子或细胞相互作用的产物（生物有效剂量或到达剂量（2）效应生物标志物机体内可测定的生化、生理或其他方面的改变。这些改变依据程度不同，可表现为确定的或潜在的健康损害或疾病。（3）敏感性生物标志物机体接触某种特定的外来物质时，其反应能力的先天性或获得性缺陷的指标。选择生物标志物的原则1.所选择的生物标志物必须具有一定的特异性。2.所选择的生物标志物必须具有足够的灵敏度，即所选标志物的水平与外接触水平要有剂量一反应关系，在无害效应接触水平下仍能维持这种关系。3.所选择的生物标志物分析的重复性及个体差异都在可接受的范围内。4.所选择的生物标物要有足够的稳定性，便于样品的运送、保存、分析。5.取样时最好对人体无损生，能为受试者所接受。作为生物标志物一般必须具有以1.具有一定的敏感性，敏感性应高于一般生物检测指标，低剂量下就可测出，可微2.具有反应的时间效应。反应要有一定的稳定时间，同时要快速；3.效应标志物在分子和生化水平上的效应要与高级生物学水平上的效应（如生长、繁殖）紧密相联，各级水平上的效应要有因果关系；4.具有一定野外应用价值；5.要求选取对受试生物损害较小的指标，技术易于掌握；6.具有特异性与预警性（如AchE）。第三节监测方法生物监测方法的建立是以环境生物学理论为基础的。根据监测生物系统的组构水平、生理学方法、毒理学方法及生物化学成分分析法。每一类方法可包括许多具体监测技术。一、生态学方法此类方法主要是利用污染物引起的群落组成或结构变化及生态系统功质循环（如各种营养物质的生物地球化学循环）以及各种生态调节机制（如各种种间相互方法有污水生物系统法、人工生物群落法、指示生物法及初级生产力（如黑白瓶）测定二、生理学方法此类方法是利用污染物引起的生物个体行为、生长、发育以及各种生致病作用，但可能干扰机体某些生理功能，使其偏离正常状态。例如，受到一定浓度污染者酶活性和肝细胞的糖元转化等生化反应可能发生变化。污染物干扰生理学过程的重要特征之一是在不表现出外观损伤之前改变机体的生理代谢。目前，国内外一般用鱼类的行为和生理生化指标监测水体污染，用植物的生长（生物量等）、光合作用、呼吸作用及各种酶活性监测土壤及大气污染。常用的方法有鱼类行为和生理生化指标监测法、生物生长率三、毒理学与遗传毒理学方法毒理学方法是以污染物引起机体病理状态和死亡为指标监测环境污染或变化状况。污染物进入机体并蓄积到一定量后能导致组织和体液发生变化，引起暂时性或持久性的病理状态，甚至危及生命。例如，植物叶片的伤斑面积和数利用机体的这些反应或变化测定污染物的毒性，并通过剂量-反应曲线判断污染物的浓遗传毒理学方法是利用染色体畸变和基因突变为指标监测环境污染物的致突变作用。许多染染污（如多环芳烃、重金属、射线等）能诱发染色体畸变和基因突变，并导致受遗传损伤的当代或子