环境生物学课件

緒論

本章主要討論以下三方面的內容：環境與環境問題環境科學概述環境生物學概述1環境與環境問題環境（Environment）的概念：請思考以下三個問題：“這裏環境真優美！”中的“環境”指的是什麼？作為環境科學術語的“環境”指的是什麼？生態學中“環境”的概念又是什麼？一般工具書中定義的“環境”概念新華字典中定義為：周圍的一切事物。作為環境科學術語的“環境”概念

影響人類生存和發展的各種天然的和經過人工改造的自然因素的總和。

生態學中“環境”的概念

直接或間接影響生物生存和發展的各種因素的總和。

小結：“環境”具有相對性，在不同的學科中含義不同，主體的改變往往導致環境概念含義的不同。人類是環境發展到一定階段的產物，環境是人類生存的物質基礎，環境在影響人類生產、生活的同時，人類也在不斷地利用和改造自然環境。故人類和環境密切聯繫，相互作用。

環境問題環境問題的概念指由於人類活動作用於人們周圍的環境所引起的環境品質變化，以及這種變化反過來對人類生產、生活和健康的影響問題。環境問題的分類環境污染生態破壞重大的環境問題溫室效應和氣候變暖臭氧層的破壞酸雨有毒物質污染20世紀著名的八大公害事件公害事件名稱地點時間危害情況1.馬斯河谷煙霧事件比利時1930.12幾千人發病，60人死亡2.多諾拉煙霧事件美國1948.10 6000人患病，17人死亡3.倫敦煙霧事件英國1952.125天內4000人死亡4.洛杉磯光化學煙霧美國40年代引起眼病，喉頭炎,頭痛5.水俁事件日本1953始癡呆，神經失常，死亡6.富山事件日本1931始關節痛,骨骼軟化萎縮7.四日事件日本1970年哮喘，肺氣腫，10多人死亡8.米糠油事件 日本1968年患者5千多人，死亡16人表緒－120世紀著名的八大公害事件溫室效應與全球變暖溫室效應大氣對地表熱輻射能遮擋保溫的屬性類似溫室中玻璃具有的作用，故被稱為溫室效應。溫室氣體大氣中能強烈吸收地面輻射產生溫室效應的氣體。包括：二氧化碳、水汽、甲烷、氧化亞氮、臭氧等。全球變暖問題主要指人為活動造成的溫室氣體增加，溫室效應增強帶來的氣候變化。資料表明1860年以來，全球地表年平均氣溫升高了0.3-0.6℃；根據跨政府氣候變化委員會預測，從1990到2100年，全球陸面氣溫將增加2℃；氣候變暖的直接結果氣候變暖的間接結果臭氧層破壞臭氧——O3臭氧大部分集中在10~30km的平流層。平流層中臭氧的存在對於地球生命物質至關重要，通過吸收太陽輻射維護地球的能量平衡和生態平衡。南極臭氧層空洞——OzoneHole80年代觀測發現，自每年9月份下旬開始，南極洲上空的臭氧總量迅速減少一半左右，極地上空臭氧層的中心地帶，近90％臭氧被破壞，若從地面向上觀測，高空臭氧層已極其稀薄，與周圍相比像是形成了一個直徑上千公里的洞，稱為“臭氧洞”。酸雨一般將pH小於5.6的降雨稱為酸雨。酸雨的成因？酸雨的危害？被嚴重腐蝕的建築物有毒物質污染有毒物質污染是指對生態系統和人類健康有毒害作用的物質排放到環境中而引起的危害。這些物質都是生產和生活過程中的產物，如廢水、廢氣和固體廢棄物、農藥、化肥和放射性物質等。生態環境破壞是由於對自然資源的不合理開發和利用而引起的。

小結解決環境問題的根本途徑是調節人類社會活動與環境的關係。要真正實現這種調節必須具備下列條件：掌握自然生態規律。通曉環境變化過程，能預測人類活動引起的環境影響，運用規律去利用自然資源、改造自然。生態環境破壞2環境科學概述

2.1環境科學的研究對象和任務環境科學的研究對象環境科學是是以“人類－環境”系統為其特定的研究對象，它是研究“人類－環境”系統的發生、發展、調節和控制以及改造和利用的科學。環境科學的任務環境科學的任務是揭示人類－環境矛盾的實質，研究兩者之間的辨證關係，掌握其發展規律，調控人類－環境之間的物質和能量交換過程，尋求解決矛盾的途徑和方法，以改善環境，促進人類社會的向前發展。2.2環境科學的發展史相關學科的探索：環境科學的孕育：環境科學的形成：1972年，英國經濟學家B.沃德、美國微生物學家R.杜德斯主編出版了《只有一個地球》一書，該書被認為是環境科學的一部緒論性質的著作，從此形成了環境科學相對獨立的研究體系。環境科學的新境界：1992年，在里約熱內盧會議上提出了“可持續發展”的新概念。在這一新發展觀的指導下，環境科學又進入了一個更高的境界，將從此發展成為一門嶄新的、獨立的科學。3環境生物學概述

3.1環境生物學的定義、研究對象和目的什麼是環境生物學？環境生物學是研究生物與受人類干擾的環境之間相互作用規律及其機理的科學。環境生物學的研究對象環境生物學的研究對象是生物與受人類干擾的環境之間相互關係環境生物學的研究目的環境生物學的研究目的：在於為人類維護生態健康，保護和改善環境，為合理利用自然和自然資源提供科學基礎，促進環境和生物的相互關係以有利於人類的生存和社會的可持續發展。環境生物學的形成和發展3.2環境生物學的任務與研究內容任務闡明環境污染的生物學或生態學效應探索生物對環境污染的淨化原理探討自然保護生物學和恢復生態學、保護生態學的原理與方法研究內容環境污染的生物效應環境污染的生物淨化保護生態學3.4環境生物學的研究方法野外調查和試驗實驗室試驗模擬研究3.5環境生物學的發展趨勢目前發展的趨勢主要表現在以下幾個方面：生態毒理學研究環境污染的生物淨化研究開發對高濃度有機廢水、生物難降解物質、氮磷營養物質等能有效去除的新工藝和新方法。環境生物技術環境品質的生物監測與評價技術的發展污染淨化和受損環境修復的生物技術保護生態學自然保護生態學恢復生態學3.6環境生物學與相關學科的關係與生態學學科的關係生態學的研究重點在生態系統和生物圈各組成成分之間的相互關係。環境生物學是以生態學的基本原理作為其理論基礎的，但其研究的環境是以人類為主體的環境，從研究的切入點和研究層次上兩者是不同的。與毒理學學科的關係本課程的重點內容和學習要求環境污染的生物效應要求：理解污染物在環境中的遷移、轉化和積累的生物學規律以及在各個水準上對生物的影響和危害，在此基礎上，掌握環境污染的生物監測與生物評價的基本理論和方法。環境污染的生物淨化：要求：理解環境污染生物淨化的基本原理和方法，理解生物降解的規律、原理和途徑，瞭解現代生物技術在污染物生物淨化中的應用。在學習了本章內容之後，請思考以下問題：環境生物學在環境科學研究中有哪些作用？應如何開展環境生物學的研究？第一篇環境污染的生物效應

第一章環境污染物在生態系統中的行為本章將討論以下內容：環境污染概述污染物在環境中的遷移與轉化污染物在生物體內的生物轉運和生物轉化污染物在生物體內的濃縮、積累和放大生物對污染物在環境中行為的影響

1環境污染物在生態系統中的行為

1.1環境污染概述什麼是環境污染（EnvironmentalPollution）通常，環境污染主要指人類活動所引起的環境品質下降而有害於人類及其它生物的正常生存和發展的現象。而自然過程引起的同類現象稱為自然突變或異常。環境污染的分類生物污染化學污染物理污染按污染物性質廢氣污染廢水污染固體廢棄物污染雜訊污染輻射污染按污染物形態環境效應——環境污染所導致的環境變化環境生物效應：指各種環境因素變化而導致生態系統變異的結果。環境化學效應：在多種環境條件的影響下，物質之間的化學反應所引起的環境效果。如：酸雨、光化學煙霧等。環境物理效應：物理作用引起的環境效果。如熱污染、雜訊污染等。污染源（PollutionSource）工業污染源農業污染源交通運輸污染源生活污染源污染物的自然來源（NaturalSource）:自然界向環境排放，如：活動的火山或礦床；交通工業農業污染物的人為來源（ArtificialSource）

:來自人類活動，影響範圍廣、危害大，如工業三廢圖1-1污染源示意圖污染物（Pollutant）污染物指進入環境後使環境的正常組成結構、狀態和性質發生變化，直接或間接有害於人類的生存和發展的物質。生產性污染物和生活污染物一次污染物和二次污染物：優先污染物（PriorityPollutant）：指在眾多的污染物中篩選出的潛在危險大的作為優先研究和控制對象的污染物，亦稱優先控制污染物。主要針對下列污染物：有毒有機化學污染物、生物難降解性物質、具有生物積累性、三致性的污染物小結環境污染的特點：影響範圍大作用時間長污染物濃度低、情況複雜污染容易、治理難1.2污染物在環境中的遷移與轉化

1.2.1污染物在環境中的遷移遷移的定義：遷移是指污染物在環境中發生的空間位置的移動及其引起的富集、分散和消失的過程。污染物進入環境的途徑包括：（1）人類活動過程中無意排放（2）工業三廢（3）人類活動過程中故意應用污染物在環境中的遷移方式機械遷移（1）水的機械遷移作用（2）氣的機械遷移作用（3）重力的機械遷移作用物理－化學遷移★污染物在環境中遷移的最重要的形式。（1）溶解－沉澱作用、絡合－螯合作用、吸附－解吸作用、氧化－還原作用、水解作用（2）化學分解、光化學分解、生物化學分解生物遷移例：生物通過食物鏈對重金屬的放大積累作用影響遷移的因素：內部因素污染物自身的物理化學性質：組成該物質的元素所具有的組成化合物的能力、形成不同的電價離子能力、水解能力、形成絡合物的能力、被膠體吸附的能力原子的電負性、離子半徑、電價、離子電位和化合物的鍵性、溶解度等都是影響遷移的主要理化參數。外部因素酸堿條件氧化－還原條件膠體的種類、數量絡合配位體的數量、性質1.2.2污染物的形態和分佈（FormandDistributionofPollutant）污染物的形態定義：指環境中污染物的外部形狀、化學組成和內部結構的表現形式。污染物的存在形態包括：價態，如Cr（VI）、Cr（III）化合態，如有機汞和無機汞結構態，如同分異構體絡合態幾種重要的形態分類離子態代換態膠體有機結合態難溶態污染物的分佈污染物的分佈定義：指污染物在環境多組分間分佈，不僅指在環境空間的濃度分佈，而且還指污染物不同形態、不同相態之間的分配。例：汞形態的分佈1.2.3污染物在環境中的轉化（TransformationofPollutant）轉化的定義指污染物在環境中通過物理、化學或生物的作用改變形態或轉變成另一種物質的過程。轉化的形式物理轉化：化學轉化生物轉化轉化的結果：兩種可能：污染物轉化為無毒物質或易降解結構污染物的毒性增強或轉化為難降解結構大氣中的轉化：以光化學氧化、催化氧化反應為主例一：光化學煙霧（PhotochemicalSmog）光化學煙霧是大氣中氮氧化物和碳氫化合物在紫外線照射下反應生成的多種污染物的混合物。光化學煙霧最具危害的兩種物質是臭氧(O3)和過氧乙醯硝酸酯(peroxyacetylnitrates,PAN)。例二：酸雨（AcidRain）大氣中的轉化圖1－2光化學煙霧實例**圖1-3光化學煙霧形成過程自然源、電廠以及內燃機等排放出的污染物在大氣中發生化學反應產生導致酸沉降的化學物質。圖1－4酸沉降形成示意圖水體中的轉化水體中的轉化主要通過下列途徑：氧化－還原作用天然水體本身是一個氧化－還原體系，含有多種無機、有機氧化劑和還原劑，如DO、Fe3+、Mn4+、S2－、有機化合物等，對污染物的轉化起重要作用。水體中的氧化還原類型、速率和平衡，在很大程度上決定了水中重要污染物的性質。如：厭氧性湖泊水體中的許多氧化還原反應均為微生物催化反應。配合作用無機配位體：OH－、Cl－、CO32-、HCO3－等有機配位體：生物降解作用土壤中的轉化土壤是環境中微生物最活躍的場所，故生物降解起重要作用。氧垂曲線（OxygenSagCurve）氧垂曲線的定義在河流受到有機物污染時，由於有機物的氧化分解作用，水體的DO發生變化。從污染源到河流下游一定距離內，可繪製一條DO逐漸變化的曲線，稱之為氧垂曲線。根據有機物在水體中分解變化和DO的變化，可把受汙河流分成幾段:清潔區：未受污染分解區腐敗區恢復區1.2.4污染物的生物地球化學迴圈生物地球化學迴圈的概念指生物的合成作用和礦化作用所引起的污染物周而復始的迴圈運動過程。注：合成作用指生物（主要是綠色植物）將吸收的環境化學物質轉變為生物體本身的有機物質的過程。礦化作用指生物通過代謝作用（包括微生物的分解作用）將生物體的有機物質轉化為無機物質或簡單的有機物。迴圈過程迴圈機理1.3污染物在生物體內的生物轉運和生物轉化

1.3.1生物轉運生物轉運（Bio－transportorBiotransport）的概念生物轉運：是指環境污染物經各種途徑和方式同生物機體接觸而被吸收、分佈和排泄等過程的總稱。這些過程都需要通過細胞的膜結構。細胞膜（生物膜）有多種：細胞質膜、內質網膜、線粒體膜、核膜等；它們基本的化學組成、分子結構、功能有共同的特徵。一般細胞膜由蛋白質分子和脂質分子（主要是磷脂類）組成細胞質膜結構圖污染物透過細胞膜的方式

特點方式濃度梯度有無載體是否耗能其他特點簡單擴散高濃度低濃度（順）無否脂溶性有機化合物的主要轉運方式濾過過程通過膜上的親水性孔道主動轉運低濃度高濃度（逆）有耗能水溶性大分子化合物的主要方式易化擴散高濃度低濃度（順）有否胞飲作用內吞物質為液體吞噬作用內吞物質為固體物質表1－1污染物透過細胞膜的方式污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）：指污染物在多種因素影響下，自接觸部位透過體內細胞膜進入血液迴圈的過程。動物吸收的主要途徑有：呼吸系統、消化管和皮膚（1）呼吸系統吸收特點:吸收對象主要針對氣體、蒸汽、氣溶膠等形式的污染物。吸收方式多以被動擴散的方式，通過呼吸膜吸收入血。主要部位例如：肺，肺泡數量多，表面積大，遍佈毛細血管，便於污染物經肺迅速吸收進入血管。（2）消化管吸收特點：吸收對象主要為飲水和由大氣、水、土壤進入食物鏈中的污染物。吸收方式多以簡單擴散方式通過細胞膜而被吸收。主要部位如胃和小腸。（3）皮膚吸收：如有機磷農藥可透過完整皮膚引起中毒。植物吸收的主要途徑：（1）根部吸收以及隨後隨蒸騰流而輸送到植物各部分；（2）通過植物葉片上的氣孔從周圍空氣中吸收污染物，是植物對大氣污染物吸收的主要方式；（3）有機化合物的蒸汽經過植物地上部分表皮滲透而攝入體內污染物的體內分佈指環境污染物隨血液或其他體液的流動，分散到全身各組織細胞的過程。污染物的排泄指進入機體的環境污染物及其代謝產物被機體清除的過程。排泄的主要途徑是通過腎臟進入尿液和通過肝臟的膽汁進入糞便，有的環境污染物還可隨同呼出的氣體、汁液等排出體外。3.2污染物在體內的生物轉化生物轉化（Biotransformation）的概念生物轉化指外源化合物進入生物機體後在有關酶系統的催化作用下的代謝變化過程。注1：外源化合物（Xenobioticcompounds）外源化合物生物外源性物質是指那些人工合成的，具有不被現有降解酶系所識別和作用的分子結構和化學鍵序列的化合物，簡而言之，就是不能被生物降解的化合物。如DDT、六六六、多氯聯苯、染料、塑膠、合成橡膠等。注2：內源性化合物指生物機體正常的生理活動產生的物質。注3：酶（Enzyme）是由活細胞產生的，能在體內和體外起同樣催化作用的一類具有活性中心和特殊構象的生物大分子，包括蛋白質和核酸。生物轉化的主要場所是肝臟，其他有肺、胃、腸、皮膚等。生物轉化的過程相I過程（反應）外源性化合物在有關酶系統的催化下經由氧化、還原或水解反應改變其化學結構，形成某些活性基團（－OH、－SH、－COOH、－NH2）或進一步使這些活性基團暴露。相II過程（反應）相I過程產生的一級代謝物在另外的酶系統催化下通過上述活性基團與細胞內的某些化合物結合，生成結合產物（二級代謝物）或帶有某些基團的外源性化合物與細胞內物質結合反應。排出體外外源性化合物一級代謝物

結合產物（二級代謝物）毒害作用過程I（相I反應）圖1－5生物轉化過程示意圖過程II（相II反應）相I反應的主要類型：氧化反應：微粒體混合功能氧化酶參與的反應，例如脂肪族羥化非微粒體反應還原反應：微粒體還原非微粒體還原水解反應相II反應的主要類型：葡萄糖醛酸化硫酸化甲基化乙醯化甘氨酸結合穀胱甘肽結合微生物對生物外源性物質的轉化作用微生物對生物外源性物質的轉化主要有以下幾種形式：脫鹵（主要是脫氯），如DDT的脫氯還原，將生物外源性物質上的取代基，特別是硝基，進行還原；水合反應，如對有機氰的水合反應，形成無毒的含氮有機化合物圖DDT的微生物轉化TNT的微生物轉化影響生物轉化的因素物種差異和個體差異由各自的遺傳因素決定，主要表現在體內酶的種類和活力不同上。飲食營養狀況蛋白質、無機鹽、維生素等營養缺乏時會不同方式地影響生物轉化作用。生理因素年齡因素性別因素激素和晝夜規律：機體在每日不同時間的生物轉化能力有高低差異，與內分泌功能的晝夜規律有關。代謝酶的抑制和誘導小結任何一種外源性化合物的生物轉化方式不是簡單的，它們可同時進行不同的氧化還原或水解反應，此後又可繼續進行不同類型的結合反應。生物轉化的結果有兩方面：解毒作用（失活）：使外源性化合物毒性降低，易於排出，或使其轉變為易於被其他微生物所降解的化合物。增毒作用（活化）：使其毒性增加1.4環境污染物在生物體內的濃縮、積累和放大基本概念：生物濃縮（Bioconcentration）指生物機體或處於同一營養級上的許多生物種群，從周圍環境中蓄積某種元素或難分解化合物，使生物體內該物質的濃度超過環境中的濃度的現象，又稱生物學濃縮、生物學富集。生物濃縮係數KBCF

（BioconcentrationFactor）KBCF＝物質在生物體內的濃度/物質在環境介質中的濃度生物積累（Bioaccumulation）指生物在其整個代謝活躍期間通過吸收、吸附、吞食等各種過程，從周圍環境中蓄積某些元素或難分解化合物，以致隨著生長發育，濃縮係數不斷增大的現象，又稱生物學積累。生物放大（Biomagnification）指在生態系統中，由於高營養級生物以低營養級生物為食物，某元素或難分解化合物在生物機體中濃度隨營養級的提高而逐步增大的現象，又稱生物學放大。思考：許多生物外源性物質在環境中的含量很低，通常在ppb級，為什麼這麼低的濃度還會引起嚴重的問題？這正是由於生物放大作用造成的，這樣的生物外源性物質必須滿足以下兩個條件：一、難以生物降解；二、具有親脂性。思考：三個概念的有何區別？有何意義？生物濃縮：C體內>C環境生物積累：t（生長期），KBCF

生物放大：營養級，KBCF

生物濃縮係數的測定平衡濃縮係數：物質交換達到動態平衡時的濃縮係數。測定方法：優缺點實驗室飼養法：條件易於控制，但數值不夠準確野外調查法：數值標準，但技術難度大，可能時間週期長動力學方法：節省試驗時間，更適合大個體生物影響因素生理因素：如生物的生長、發育、大小、年齡環境因素：如污染物的濃度、化學形態、環境溫度、pH值、光照條件及季節表1－2汞在水生生物中的富集生物類型汞濃度（ppm）濃縮係數食肉娃魚1-210000-20000小魚0.1-0.31000-3000低等動物0.02-0.05200-500植物0.01-0.02100-200海水0.0001qvCBiVBCBVTCTK2CTqvCBo血液組織圖1－6生物體某一組織生物濃縮的機理模型由此可知：生物組織中化合物的濃度不僅與該化合物在該組織中的代謝速率有關，還與進出組織的血液中的化合物濃度差成正比。生物濃縮機理和濃縮模型影響生物濃縮的因素生物種的生物學特徵不同組織器官的影響不同生育期與性別的關係污染物的性質污染物濃度和作用時間環境條件1.5生物對污染物在環境中行為的影響

1.5.1生物污染（BiologicalPollution）

環境中的病原微生物（PathogenicMicroorganism）例如：沙門氏菌、霍亂弧菌、腸道病毒等水體的富營養化（Eutrophication）概念：指大量的氮磷等營養元素物質進入水體，使水中藻類等浮游生物旺盛增殖，從而破壞水體的生態平衡的現象。不良後果：微生物代謝產物產生的污染硫化氫酸性礦水硝酸和亞硝酸微生物毒素指微生物在其生長、代謝過程中所產生的毒素，可污染食品和環境，危害人類健康。如黃麯黴毒素、葡萄球菌腸毒素、藻類毒素等。酸性礦水成因由黃鐵礦（FeS2）氧化所產生的硫酸引起，微生物與形成酸性礦水的整個過程密切相關。當pH<3.5時，鐵細菌即氧化亞鐵硫桿菌可催化鐵的氧化，其他如氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵鐵桿菌都與酸性礦水的形成密切相關。危害酸性礦水中最有破壞性的組分是硫酸，有直接的毒性及其他不良影響。防治利用碳酸鈣礦石中和過量酸性礦水，但Fe(III)往往同時存在，反應後，pH上升，Fe(OH)3立即覆蓋在碳酸鈣礦石的表面成為不透水層，這種保護效應阻止了碳酸鈣對酸的進一步中和。1.5.2金屬的生物轉化金屬的毒性影響因素：金屬的濃度、金屬的存在狀態例如，六價鉻比三價鉻毒得多；甲基汞的毒性比其他的汞化合物毒性大得多；有機錫比無機錫毒，有機錫中的烷基錫比芳香基錫毒，烷基錫中三烷基又比其他烷基錫毒。金屬的微生物轉化微生物對金屬的毒性轉化，主要是氧化還原和甲基化作用。汞的轉化汞的存在形式無機汞：零價的金屬汞與一價汞鹽幾乎不溶;二價汞鹽除了硫化汞、碘化汞外幾乎均可溶解有機汞：汞易和有機基團形成化合物，通常是以共價鍵連接在碳原子上形成有機汞。汞化合物的毒性難溶的汞——生物吸收困難，毒性很小易溶的汞——容易吸收，毒性很強（其中甲基汞的毒性最強）毒性體現：生物的神經系統受到傷害，神經麻痹以致引起死亡。實例：日本的水俁灣甲基汞中毒事件就是典型的汞污染事件。這類汞中毒一般都不是通過直接飲用水被汞污染造成，而是由於甲基汞在食物鏈積累並由水中的魚類向上傳遞給人而引起的。汞的甲基化汞的甲基化是由微生物形成的。魚類體表粘液中有許多含有甲基化輔酶的微生物，他們將無機汞轉化為甲基汞，動物和人體腸道腸道中的細菌大部分也具有這種功能，因此甲基汞中毒是由微生物造成的。汞甲基化微生物：細菌——甲烷菌、匙形梭菌、螢光假單胞菌、大腸埃希氏菌、產氣腸桿菌、巨大芽孢桿菌真菌——粗糙鏈孢黴、黑麯黴、釀酒酵母等。過程如下：

Hg2+

Hg+-CH3Hg(CH3)2

甲基化輔酶甲基化輔酶

-CH3

-CH3甲基汞的降解事實上通常情況甲基汞在天然水體中的濃度十分低，這是由於不僅存在汞的甲基化，同時還存在甲基汞的降解，甲基汞可被生物還原為金屬汞。甲基汞降解微生物：檸檬酸桿菌、假單胞菌、節桿菌、隱球菌等。小結生物意義：汞的甲基化與脫甲基化通常保持著一個動態的平衡，從而使環境中的甲基汞濃度維持在低水準。但是，在有機污染嚴重、pH較低的環境中，容易形成和釋放甲基汞，對生物的危害較大。一方面甲基汞溶於水被魚、貝吸收濃縮，另一方面甲基汞還會逸出水體，進入大氣，使污染擴大。其他重金屬的轉化與汞相似，重金屬普遍可被微生物甲基化;甲基化的重金屬普遍毒性提高，這些金屬包括砷、硒、鉛、錫、鎘、銻等。重金屬生物轉化的環境效應:微生物通過分泌作用或呼吸作用排出形成的有機金屬化合物，是微生物具有的一種對有毒金屬解毒方式；但被排出的金屬化合物，可能比其原形態對高等生物具更大的危害性。另一方面，微生物可將化合態的重金屬轉化還原為單質形式，這種轉移方式可暫時或永久地將金屬從生物接觸的環境中清除出去。思考題污染物在環境中的遷移方式和轉化途徑有哪些？什麼是生物轉運和生物轉化？污染物透過細胞膜的方式有哪些？有何特點？什麼是生物濃縮、生物積累、生物放大和濃縮係數？第二章污染物對生物的影響本章將討論以下內容：污染物在生物化學和分子水準上的影響污染物在細胞和器官水準上的影響污染物在個體水準上的影響污染物在種群和群落水準上的影響化學污染物對生物的聯合作用2.1污染物在生物化學和分子水準上的影響生物系統的各級生物學水準：生物分子細胞器細胞組織器官器官系統個體種群群落生態系統污染物進入機體後導致的生物化學變化包括：防護性生化反應和非防護性生化反應作用類型例子後果防護性混合功能氧化酶的誘導加快新陳代謝，生成水溶性代謝物，從而加速排泄金屬硫蛋白的生成增加對金屬的束縛速度，從而降低金屬的生物利用率非防護性乙醯膽鹼酯酶的抑制作用50％以上因抑制而產生可見的毒性效應DNA加合物的生成若導致突變會發生損害作用表2－1對污染物的防護性和非防護性生化反應2.1.1污染物對生物機體酶的影響什麼是酶（enzyme）？酶是一種特殊的蛋白質，在生物體內對代謝活動起催化作用，本身不發生變化。受酶作用的物質稱為基質（底物），在酶作用下的反應稱為酶促反應。酶和污染物的相互作用污染物進入機體後，一方面在酶的催化下，進行代謝轉化，另一方面也導致體內酶活性改變，影響酶的數量和活性。另外有些環境污染物對酶有誘導作用。目前已發現多種環境污染物能誘導生物體內一些酶的活性增加，例如：有機氯農藥、多氯聯苯、多環芳烴、表面活性劑、增塑劑和染料中間體等，均可對酶產生誘導作用。1污染物對酶輔助因數的影響一些污染物能與酶的輔助因數——金屬離子作用，從而使輔助因數失活，影響到酶的活性。例如：氰化物等能與細胞色素酶中的鐵離子結合，形成穩定絡合物，而抑制細胞色素的酶活性，使其不能傳遞電子，則細胞內的氧化代謝過程中斷，使機體不能利用氧，出現內窒息性缺氧。2對酶活性中心的影響污染物還能和酶的其他活性基團結合，如汞和砷與某些酶的活性基團結合就很牢固，從而使酶失去活性。3破壞酶的結構有些污染物能夠取代酶分子中的某些成分，從而使酶失去活性。如鈹的毒作用機理就是能取代某些酶分子中的鎂和錳，破壞了酶的正常結構，使酶失去活性。污染物對生物體內酶的影響4與酶啟動劑作用有些酶需要啟動劑才能表現活性。酶啟動劑往往是金屬離子，凡是能與啟動劑作用的污染物都能抑制酶的活性。5污染物與基質競爭同種酶而抑制酶的作用污染物與底物有相似的結構，也能酶形成複合物，從而競相和酶發生作用。酶的抑制不可逆性抑制非競爭性抑制競爭性抑制混合功能氧化酶（MFO）混合功能氧化酶（MFO）MFO是污染物在體內進行生物轉化相I過程中的關鍵酶系，它們對人工化學品解毒發揮了重要作用。MFO引起的生物轉化的反應特徵相同，但底物、產物的化學特性差別很大，即具有多種催化功能。混合功能氧化酶（MFO）的作用MFO存在於所有的脊椎動物和大部分的無脊椎動物中，其作用是代謝非極性的親脂性有機化合物，包括內源性化合物和外源性化合物。從解毒作用來看，許多外源性化合物進入體內，經MFO作用後發生各種變化，大多數被轉化成低毒易溶的代謝產物排出體外。但有的則變成高毒甚至致癌物。抗氧化防禦系統酶活性氧（ActiviatedOxygen）帶有2~3個電子的分子氧還原產物，主要有：·OH、O2、H2O2活性氧的控制和消除由體內產生的活性氧可為抗氧化防禦系統控制，消除活性氧對機體的傷害作用。某些污染物如多環芳烴、多氯聯苯可在生物體內進行生物轉化時產生大量活性氧。在一定範圍內，這些活性氧可被體內的抗氧化防禦系統清除，但當體內的抗氧化防禦系統不能消除這些活性氧時，它們可使DNA鏈斷裂、脂質過氧化、酶蛋白失活等，從而引起機體氧化應激或氧毒性。抗氧化防禦系統酶超氧化物歧化酶（SOD）穀胱甘肽氧化酶（GPx）過氧化氫酶（Ct）2.1.2污染物對生物大分子的影響污染物對生物大分子的影響主要表現在以下方面：干擾正常的受體——配體的相互作用受體（receptor）是許多組織細胞膜上的大分子成分，配體（ligand）是生物體內的一些具有生物活性的化學物。正常情況下，受體與配體結合形成受體－配體複合物，產生一定的生物學效應。生物膜損傷不少環境化學物通過改變膜脂流動性，影響膜的通透性和鑲嵌蛋白質的活性，改變其結構和穩定性，從而產生生物效應干擾細胞內鈣穩態正常情況下細胞內的鈣濃度較低（10－7～10－8mol/L），細胞外濃度較高（103mol/L

）。各種細胞毒物，如硝基酚、過氧化物、汞、鉛等重金屬離子均能幹擾細胞內鈣穩態，引起細胞損傷和死亡。干擾細胞能量的合成一些環境污染物可干擾糖類的氧化，使細胞不能合成能被生物利用的ATP，ATP使細胞生命活動得不到充足的能量供給脂質過氧化(lipiedperoxidation)與自由基脂質過氧化是細胞損傷的一種特殊方式,是由於產生了自由基而引起的,正常情況下,生物體內氧化、還原和酶促反應過程中，均可產生少量自由基，一般可被體內存在的抗氧化物質（如維生素C、維生素E）所對抗，對生物危害不大。當大量污染物（自由基）進入機體，造成機體抗氧化作用失衡，即可發生脂質過氧化，對生物體造成危害。與生物大分子共價結合共價結合可改變生物大分子的結構和功能，引起一系列生物學改變，特別是與酶蛋白、脂肪、核酸等重要生物大分子共價結合，能改變其化學結構，影響其生理功能，甚至導致變性和細胞死亡。例：污染物對蛋白質的影響污染物對蛋白質的影響主要表現在以下方面：導致蛋白質化學損傷：細胞膜結構及通透性改變；影響酶的催化功能等誘導生物機體內一些功能蛋白的產生：如應激蛋白（StressProteins）和金屬硫蛋白（Metallothionein）的產生，這些蛋白質的產生可保護生物機體抵抗污染物的損害。注：金屬硫蛋白對二價金屬離子具有極高的親和力，在細胞內起貯存必需的微量金屬如Zn、Cu和結合有毒金屬如Cd、Hg的作用，它與必需金屬的結合起調節這些金屬在細胞內濃度的作用，而與有毒金屬結合則可以保護細胞免受金屬毒性影響。污染物對DNA的影響外源性化合物及其代謝產物能引起DNA損傷，它們與DNA的相互作用過程有以下四個階段：形成DNA加合物（DNAAddcuts）發生DNA的二次修飾DNA結構的破壞被固定當細胞分裂時，外源性化合物造成的危害可導致DNA突變及其基因功能的改變DNA加合物的形成是產生DNA損傷最早期的作用，隨後產生的最重要影響是DNA結構的改變，如堿基置換、堿基丟失、鏈斷裂等。DNA加合物作為一項生物指標來評價環境中化學污染物的遺傳毒性的研究日益受到重視。2.2污染物在細胞和器官水準上的影響

2.2.1對細胞膜的影響對細胞膜的影響主要表現在以下方面：污染物引起的脂質過氧化作用導致的損傷污染物可影響膜的離子通透性污染物與膜上的受體結合，干擾正常的生理功能2.2.2對細胞器的影響線粒體線粒體是細胞供能的場所。污染物可引起其結構改變，從而影響線粒體的氧化磷酸化和電子傳遞功能光面內質網和糙面內質網光面內質網和糙面內質網是進行激素和外源性化合物的代謝場所。糙面內質網：通過附著或解離核糖體控制蛋白質的合成例：多種化學致癌物如黃麯黴毒素能引起核糖體脫落，導致蛋白質合成控制的改變。2.2.3污染物對組織器官的影響三個概念：靶器官、效應器官和蓄積器官注1：靶器官不同於效應器官，污染物的毒作用可以通過靶器官表現處來，也可由另外的效應器官表現出來。注2：靶器官不同於蓄積器官，污染物在蓄積器官內的濃度高於其他器官，但對蓄積器官並不一定顯示毒作用。對組織器官的影響對植物，表現為葉面出現點、片傷害斑，造成葉、蕾、花、果實等的脫落對動物，以重金屬污染為例：鉛可損害造血器官和神經系統，鎘可損害肝臟、腎臟，導致骨痛病。2.3污染物在個體水準上的影響污染物對植物在個體水準上的影響：主要表現為生長減慢、發育受阻、失綠黃化、早衰等污染物對動物在個體水準上的影響：主要表現為死亡、行為改變、繁殖下降、生長和發育抑制、疾病敏感性增加、代謝率變化2.3.1死亡衡量死亡的指標死亡率：死亡比例的大小，為評價污染物毒性大小的生物學指標致死劑量（LethalDose）或致死濃度（LethalConcentration）：能引起動物死亡的污染物的劑量或濃度。半數致死劑量（LD50）或半數致死濃度（LC50）：能引起50％的動物死亡的污染物的劑量或濃度。影響致死效應的主要因素：污染物的種類及其物理化學性質生物的種類作用時間、水質條件，如溫度、硬度、溶解氧等多種污染物的綜合作用2.3.2對行為的影響行為毒性（BehavioralToxicity）的概念指一種污染物或其他因素（如溫度、光照、輻射）使得動物一種行為超過正常變化的範圍。水環境污染可影響的生物行為：回避行為捕食行為學習行為警惕行為社會行為對鳥類行為的影響有機磷農藥可影響鳥的神經系統，導致鳥的平衡和協調性的損害。受污染的鳥類還可表現出對領地的失控和不能照顧後代。2.3.3對繁殖的影響污染物的繁殖的影響主要表現為：產卵數、孵化率、幼體存活率下降以及繁殖行為下降等概念：環境激素（EnvironmentalEndocrineDisrupters）指具有動物和人體激素的活性，能幹擾和破壞野生動物繁殖障礙、誘發人類重大疾病的天然物質或人工合成物質。也叫做外源性雌激素或環境內分泌干擾物。環境激素的種類包括：天然雌激素、合成雌激素、植物雌激素、具有雌激素活性的環境化學物質注：具有雌激素活性的環境化學物質：如殺蟲劑、多氯聯苯、多環芳烴、洗滌劑、塑膠添加劑、食品添加劑等，工業廢水和生活污水往往含有上述物質。2.3.4對生長和發育的影響污染物對生長和發育的影響可通過生長指示器來測定生長指示器（ScopeforGrowth）是反映生物機體能量獲取利用和代謝的綜合指標。

P=A-(R+U)注：P——SFG；A——從食物獲得的能量；R——呼吸作用的能量損失；U——排泄作用的能量損失2.4污染物在種群和群落水準上的影響

2.4.1對生物種群的影響概念：種群（Population）是指在一定時空中同種個體的組合。污染物對種群的影響表現為：種群數量的密度改變結構和性別比例的變化：年齡結構、種群大小、性逆轉遺傳結構的改變：在進化過程中通過改變基因頻率以適應環境的改變競爭關係的改變2.4.2對生物群落的影響基本概念群落（Community）優勢種（DominantSpecies）優勢度？？耐汙種敏感種污染物對群落的影響表現在：群落組成和結構改變對物種多樣性（SpeciesDiversity）的影響注：物種多樣性指群落中物種的數目（豐富度）和各個物種的相對密度（群落的異質性）。2.5化學污染物對生物的聯合作用聯合作用(CombinedEffect)的概念指兩種或兩種以上化學污染物共同作用所產生的綜合生物學效應。聯合作用的類型：相加作用（AdditiveEffect）：污染物的總作用強度等於其各個成分單獨作用強度的總和。協同作用（SynergisticEffect）：污染物的總作用強度大於其各個成分單獨作用強度的總和。獨立作用（IndependentEffect）各污染物對機體的侵入途徑、方式、作用部位、產生毒作用的機理各不相同，因此產生的生物學效應彼此無關。拮抗作用（AntagonisticEffect）：污染物的總作用強度小於其中任何一種成分的單獨作用強度。第三章污染物的生物效應檢測

本章將討論以下內容生物測試及方式一般毒性試驗生物的分子和細胞水準檢測生物致突變、致畸和致癌效應檢測微宇宙法3.1生物測試及方式生物測試（Bioassay）的概念：指系統地利用生物的反應測定一種或多種污染物或環境因素單獨或聯合存在時所導致的影響或危害。注釋1：所利用的生物反應包括分子、細胞、組織、器官、個體、種群、群落、生態系統各級水準上的反應。注釋2：生物測試不同於常規的物理、化學檢測。前者能夠測定污染物對生物機體的影響，而後者只能測定污染物的濃度。例如：通過水污染的生物測試可獲得以下數據：各種環境因素如DO、pH、溫度、混濁度等對生命的有利以及不利的濃度或強度；污染物對受測生物的毒性；各種水生生物對污染物的相對敏感性；廢水所應處理的程度；允許的污染物排放濃度等。生物測試的方式短期生物測試（ShortTermBioassays）主要用於測定LC50、IC50、EC50，用來快速估計污染物的毒性，評定幾種不同毒物或廢物對某種生物的相對毒性或評定不同生物對不同條件如溫度、pH的相對敏感性等。多數採用靜止式。中期生物測試（IntermediateTermBioassays）時間為8d到90d，多數情況下為流動式。長期生物測試（LongTermBioassays）包括全部生活史的生物測試（CompleteLife－cycleBioassays）和部分生活史的生物測試（PartialLife－cycleBioassays）目的是要測定出在持續情況下不造成有害效應的毒物最大濃度或最大允許毒物濃度（MATC）只能採用流動式，要保證試驗的環境條件和自然界的季節變化相符合。受試生物的選擇影響生物測試結果的因素受試生物試驗條件實驗室差異生物測試的標準化3.2一般毒性試驗基本概念毒物（Toxicant）的概念毒物與非毒物之間不存在絕對的界限，通常一種物質只有達到中毒劑量時才是毒物。中毒（Intoxication）中毒是各種毒性作用的綜合表現，包括急性中毒、亞急性中毒、慢性中毒。毒性（Toxicity）指一種物質引起機體損傷的能力。毒性作用或毒效應（ToxicEffect）

效應（Effect）也稱為作用，指接觸一定劑量化學物後，使機體產生的生物學改變。效應是對個體而言的，這種改變可用一定的計量單位表示。反應（Response）指接觸一定劑量化學物後，產生某種效應並達到一定強度的個體在群體中所占的比例。反應是對群體而言的，用百分率或比值來表示，如發病率、死亡率等。劑量－效應關係和劑量－反應關係以劑量為橫坐標，以表示效應強度的計算單位或表示反應的百分率或比值為縱坐標繪製散點圖所得到的曲線，即為劑量－效應關係和劑量－反應關係曲線。不同的化學物或同一化學物在不同條件下，其劑量與效應或反應的相關關係不同，可呈現不同類型的曲線。（見圖3－1，3－2，3－3，3－4）劑量－效應關係和劑量－反應關係曲線圖劑量10050反應強度（％）圖3－1劑量－反應曲線（直線型）劑量10050死亡率（％）圖3－2劑量－反應曲線（拋物線型）對數劑量10050死亡率（％）圖3－3劑量－反應曲線（S形線型）死亡率（概率單位）對數劑量10050圖3－4劑量－反應曲線毒性試驗常用參數致死劑量或致死濃度（LethalDose，LethalConcentration）絕對致死劑量或致死濃度（LD100、LC100）半數致死劑量或濃度（LD50、LC50）最小致死劑量或濃度（MLD、MLC）最大耐受劑量或濃度（LD0、LC0）最大無作用劑量（MaximumNo－effectLevel）每日容許攝入量（AcceptableDailyIntake）最高容許濃度（MaximumAllowableConcentration）毒作用帶急性毒作用帶（Acute－toxicEffectZone）慢性毒作用帶（Chronic－toxicEffectZone）半數效應濃度（EC50）和半數抑制濃度（IC50）急性毒性試驗（AcuteToxicityTest）急性毒性試驗（AcuteToxicityTest）研究化學物質大劑量一次染毒或24小時內多次染毒動物所引起的毒性的試驗。其目的是短期內瞭解該物質的毒性大小和特點，並為進一步開展其他毒性試驗提供設計依據。急性毒性試驗類型哺乳動物急性毒性試驗水生生物急性毒性試驗蚯蚓急性毒性試驗動物急性毒性試驗（1）動物急性毒性試驗方法如下：按試驗要求選擇受試生物常用成年大鼠或小鼠，雌雄動物同時試驗，對試驗動物預先觀察幾天後標記編號並隨機分組。預備試驗和確定劑量組選用少量動物進行預備試驗，找出引起動物90％（或全部）死亡的劑量（即最高劑量組劑量）和引起動物10％死亡（或不死亡）的劑量（即最低劑量組劑量）。在最高劑量組劑量和最低劑量組劑量的範圍內，按等比級數插入若干個中間劑量（一般4～6組），從而確定正式試驗的劑量組。染毒方式和受試物的配製一般用灌胃法和人工熏氣法。受試物的配製：配製試驗所需的最高劑量濃度溶液，然後依次稀釋到所需濃度。動物急性毒性試驗（2）觀察指標中毒症狀：一般觀察24～48小時，最好觀察到絕大多數動物出現典型中毒症狀。動物死亡數目和死亡時間病理檢查：對於試驗時立即死亡的動物，可解剖，分析死亡原因，看是技術事故還是中毒引起的死亡。確定半數致死量（LD50）試驗結果LD50值越小，毒性越大。急性毒性試驗結果只能粗略地表示某化學物質的毒性，而不能全面反映其毒性。由於動物種屬、性別、染毒方式的不同，所表現的毒性也不一致，故表示LD50應注釋明動物種類和染毒方式。亞慢性毒性試驗和慢性毒性試驗亞慢性毒性試驗和慢性毒性試驗蓄積毒性試驗蓄積係數法（CumulativeCoefficientMethod）：用來評價環境污染物蓄積作用的方法。蓄積係數K＝生物半減期T＝3.3生物的分子和細胞水準檢測加合物的測定DNA－加合物的測定蛋白加合物的測定一般代謝酶的活性測定乙醯膽鹼酯酶腺三磷酶解毒系統酶類誘導作用的檢測混合功能氧化酶的誘導作用穀胱甘肽硫轉移酶抗氧化防禦系統檢測過氧化氫酶穀胱甘肽過氧化酶3.4生物致突變、致畸和致癌效應檢測

3.4.1致突變試驗基本概念突變（Mutation）基因突變（GeneMutation）和染色體畸變（ChromosomeMutation）致突變作用（Mutagenesis）和致突變物（Mutagen）致突變試驗的目的致突變試驗的目的是為了檢查受試物對機體遺傳過程有無影響的方法。致突變試驗方法基因突變試驗，例如Ames試驗，下文以鼠傷寒沙門氏菌/哺乳動物微粒體酶試驗法為例介紹。染色體畸變試驗DNA損傷試驗Ames試驗Ames試驗原理同一種微生物的營養缺陷型突變型菌株與受試物接觸，若此化學物質具有致突變性，可使突變型微生物再發生一次突變，重新成為野生型微生物。這種突變叫做回復突變。注釋1：營養缺陷型突變型菌株注釋2：野生型微生物鼠傷寒沙門氏菌/哺乳動物微粒體酶試驗法方法原理：在動物體外將待測物經肝微粒體酶系活化後，檢測其所誘發的沙門氏菌回變菌落數，即由不能自行合成組氨酸的營養缺陷型突變菌株（his－），回復為能自行合成組氨酸的（his＋）菌落數。突變率＝誘發回復突變菌落數/自發回復突變的菌落數（對照）當突變率大於2.0時，為陽性結果。微核子試驗3.4.2致畸效應概念畸形（Malformation）、畸胎（Terate）致畸作用（Teratogenesis）、致畸物（Teratogen）致畸作用的毒理學特點胚胎與致畸物接觸時因胚胎處於不同的發育階段而呈現不同的敏感性。種屬差異較為明顯。化學致畸作用機理突變引起胚胎發育異常；對細胞的生長分化較為重要的酶類受到抑制；母體正常代謝過程被破壞；細胞分裂過程的障礙致畸試驗致畸試驗的目的檢測環境污染物能否通過妊娠母體引起胚胎畸形。一般試驗動物要求其對化學物質的代謝過程與人相似，胎盤結構也相似，還要求孕期短，產仔多，經濟實用，如家兔、大鼠、小鼠等。致畸作用的評價注意與自然變異區分；注意種屬差異；注意試驗的閾劑量與人類實際可能攝入量之間的差別。3.4.3致癌效應概念化學致癌作用（ChemicalCarcinogenesis）化學致癌物（ChemicalCarcinogen）細胞癌變學說癌變過程引發階段促進階段浸潤和轉移階段致癌試驗致癌試驗是檢驗受試物及其代謝產物是否具有致癌效應或誘發腫瘤作用的慢性毒性試驗法。短期篩檢方法長期動物誘癌試驗3.5微宇宙法微宇宙（Microcosm）是研究污染物在生物種群、群落、生態系統和生物圈水準上的生物效應的一種方法，又稱模型生態系統法（ModelEcosystem）可分為自然微宇宙和人工微宇宙或分為水生微宇宙和陸生微宇宙。標準化水生微宇宙（StandardizedAquaticMicrocosm，SAM）用於在實驗室測定有毒物質在多物種水準對淡水生態系統的影響。試驗時間64天，容器為4L的玻璃廣口瓶，試驗生物包括10種藻、4種無脊椎動物、1種細菌。對溫度、光照強度、pH值等理化參數均有具體要求。燒杯水生微宇宙（MixedFlaskCulture，MFC）又稱燒杯混合培養，試驗時間12～14周，容器為1L的玻璃廣口瓶，試驗生物包括4種藻、2種無脊椎動物、一些細菌和原生動物。對溫度、光照強度、pH值等理化參數均有具體要求。與SAM不同的是通過加入來自生態系統浸出液提供給微宇宙中生物群落所需的基質。室外水生微宇宙（OutdoorAquaticMicrocosm）又稱中宇宙（Mesocosm），試驗單元6m3，試驗生物包括浮游植物、浮游動物、魚類、大型水生植物和無脊椎動物。土壤核心微宇宙（SoilCoreMicrocosm，SCM）該法採用野外環境的土壤核心，將其設置在環境條件控制的實驗室中，試驗生物因土壤核心採集場所不同而不同，可研究化學物質和營養元素對農業生態環境的影響及其環境歸趨。模擬農田生態系統該系統模擬農田條件，無陸生動物，為同時測定農藥在土壤、植物、水溶液和空氣中的殘留而設計，採用0.75m3的矩形玻璃室，可打入足夠數量的空氣，通過玻璃室模擬微風並能收集揮發的農藥。生物測試與常規的物理、化學檢測有何不同？表示毒性的常用參數有哪些？能否解釋其含義？何謂Ames試驗？它的原理是什麼？在學習了本章內容之後，請思考以下問題：第四章

環境品質的生物監測與生物評價本章將討論以下內容：生物監測和環境品質評價概念生物監測與評價生態環境品質評價化學品生態風險評價有害物理因素的生物學效應的評價4.1生物監測和環境品質評價概念環境品質（EnvironmentalQuality）：指環境素質的優劣程度。環境品質基準（EnvironmentalQualityCriteria）指環境因素在一定條件下作用育特定對象（人或生物）而不產生不良或有害效應的最大閾值。它是由污染物同特定對象之間的劑量－反應關係確定的，不考慮社會、經濟、技術等人為因素，具有客觀性。環境品質標準（EnvironmentalQualityStandard）是國家權力機構以前者為依據，考慮社會、經濟、技術等因素，經過綜合分析後，對環境中的有害因素在限定的時空範圍內容許閾值所作的強制性法規，體現國家環境保護政策和要求，具有一定的主觀性。環境品質調查環境品質監測指對環境指標進行定期的或連續的監測、觀察和分析其變化。環境品質評價指按照一定的標準，採用相應的方法對環境品質進行評定、比較及預測。環境品質調控環境品質預測生物監測（Biomonitoring）生物監測生物監測是利用生物個體、種群或群落對環境污染或變化所產生的反應闡明環境污染狀況，從生物學角度為環境品質的監測和評價提供依據。思考：與理化監測相比，生物監測有何優缺點？能直接反映環境品質對生態系統的影響不需購置昂貴的儀器及進行儀器保養和維修可大面積或長距離內密集布點不足之處：反應不夠快速，無法精確監測某些污染物的含量，精度不高，易受環境因素的影響如季節和地理環境等4.2生物監測與評價

4.2.1大氣污染的生物監測與評價

植物監測大氣污染的植物監測有以下幾種方法：指示植物法現場調查法植物群落調查法現場盆栽定點監測法地衣、苔蘚監測法：微核技術的應用污染量指數法大氣污染的綜合生態指標法指示生物指示生物的概念：指對環境中某些物質（包括污染物）能產生各種反應或資訊而被用來監測和評價環境品質的現狀和變化的生物。指示生物的種類包括大氣污染指示生物和水體污染指示生物。例如：指示節氣棗花發，種棉花；杏花開，快種麥指示天氣燕子低飛預示雨將來臨，蜻蜓高飛預示天晴指示水質美國威斯康星地區湖泊中的軟水指示植物為Gratiola，硬水指示植物為Ranunculusaquatilis。指示資源安徽的海州香薷指示銅礦，湖南念同的野韭指示金礦注：指示生物只在一定的時空範圍內起作用：安徽的海州香薷只在安徽指示銅礦，在北方則無此作用。指示植物監測法指示植物利用某些植物對某些有害氣體的特殊敏感性，可以監測大氣中該氣體的濃度，這種植物就稱為該大氣污染物的指示植物。常見大氣污染指示植物二氧化硫污染指示植物：如地衣、苔蘚、芝麻、向日葵、落葉松、加拿大白楊等氟化物污染指示植物：如鬱金香、杏、葡萄、梅、雪松等二氧化氮污染指示植物：向日葵、番茄、秋海棠、煙草等指示植物的選擇方法現場比較評比法栽培比較試驗法人工熏氣法監測方法選擇可靠的指示植物，瞭解其受害症狀和受傷閾值，然後根據受害程度大小估測大氣污染物的成分、濃度和範圍。注：受傷閾值指引起指示植物受害的污染氣體的最低濃度和暴露時間。幾種大氣污染物對植物的危害症狀污染物危害症狀O3葉面出現白色或褐色不規則斑點或呈條斑分佈，葉尖端變成褐色或壞死PAN葉子下表面變光滑或呈銀白色或青銅色NO2脈間組織和靠近葉緣邊出現不規則的白色或褐色潰傷SO2傷斑多分佈於脈間，與健康組織區別明顯，闊葉植物脈間出現不規則壞死斑，單子葉植物平行脈間出現斑點或條狀壞死區HF葉尖和葉緣出現灼傷、退綠，傷區與健康組織區別明顯Cl2葉脈間變白，葉尖和葉緣出現灼傷及落葉酸霧葉上出現細密、近圓形壞死斑表4－1幾種大氣污染物對植物的危害症狀植物群落監測法植物群落監測法該法是利用植物群落中各種植物對環境污染的反應估測大氣污染的方法。如敏感植物受害，表明大氣受到污染；如抗性中等的植物受害，表明大氣污染較嚴重；如抗性強的植物受害，表明大氣污染十分嚴重；在嚴重污染地區，敏感植物不存在。在長期受污染地區，一些群落多樣性受到影響，從而使植物退化，由此可根據群落中物種多少及個體數量多少來評價大氣污染狀況。實例：某化工廠附近的植物群落調查實例：某化工廠30～50m範圍內植物受害情況說明及分析植物名稱受害情況懸鈴木、加拿大白楊80％或全部葉片受害，甚至脫落檜柏、絲瓜葉片有明顯大塊傷斑，部分植物枯死向日葵、蔥、玉米、菊花、牽牛花50％左右葉面積受害，葉脈間有點、塊狀傷斑月季、薔薇、枸杞、香椿、烏桕80％左右葉面積受害，葉片有輕度點、塊狀傷斑葡萄、金銀花、構樹、馬齒莧10％左右葉面積受害，葉片有輕度點狀傷斑廣玉蘭、大葉黃楊、臘梅肉眼觀察無明顯症狀表4－2某化工廠30～50m範圍內植物受害情況情況分析：根據植物葉片出現的症狀特點（傷斑出現葉脈間），表明該廠附近的大氣已被SO2污染。從受害程度上看，由於一些對SO2抗性強的構樹、馬齒莧等已受到損害，可以判斷該地區發生過急性危害，估測其SO2濃度為3～10ppm。地衣、苔蘚監測法地衣、苔蘚作為指示植物的特點這兩類植物對二氧化硫和氟化氫等的反應比高等植物敏感；例如SO2年平均濃度在0.015～0.105ppm範圍內就可使地衣絕跡；濃度超過0.017ppm時大多數苔蘚植物不能生存。地衣、苔蘚生長在樹幹上，故可以減少土壤或水體污染的干擾。地衣、苔蘚所需水分和養分等全部依賴於雨水和露，同時以植物整體吸收養分，而高等植物靠氣孔來吸收大氣中的污染物，故前者吸收污染物的量相對較多。生長速度比高等植物慢，一旦受損不易恢復，有利於掌握長時間的污染積累結果。兩者為多年生長綠色植物，一年四季均可作為監測器。而高等植物往往冬季落葉，難以顯示受害情況。取材方便，成本低，有直觀效果，但在自然條件下難以獲得精確可靠的定量數據。形體小，分類困難，不經過專門的學習不易掌握辨識方法。地衣、苔蘚監測法觀察指標通常觀察地衣、苔蘚植物的多度、蓋度、頻度、種類數量以及內外部受害症狀等指標。在大氣污染狀況下，地衣、苔蘚分佈規律污染嚴重地區，地衣、苔蘚植物很少或完全絕跡；隨污染的減輕，地衣、苔蘚植物種屬增加，多度、蓋度、頻度等也逐漸增高並且在樹幹上的分佈高度也升高。植物監測的其他方法微核技術的應用：根據環境污染物會引起染色體畸變而形成微核的原理，利用紫路草花粉母細胞的微核數量指示環境污染狀況，我國已應用該法來監測水、大氣污染狀況。污染量指數法KIPC＝監測點指示植物葉片中某污染物的含量/對照點同種植物中某污染物的含量大氣污染的綜合生態指標法思考：應用植物監測應注意哪些問題？採取哪些措施？應注意區分大氣污染對植物的傷害與其他因素對植物傷害，如凍害、病蟲害、肥料不足、農藥藥害等也可使植物受害。可從調查污染源入手，通過觀察植物葉片受害症狀、受害方式，或進行葉片污染物的含量分析來進行判斷，這要求工作人員觀察細心，並有較為豐富的實踐經驗。大氣污染的細菌總數測定空氣污染的微生物學評價指標細菌總數鏈球菌總數測定方法：沉降平皿法吸收管法撞擊平皿法濾膜法4.2.2水污染的生物監測水污染的生物監測主要包括以下方面：水污染的細菌學監測浮游生物監測法底棲大型無脊椎動物監測法微型生物群落監測法水污染的細菌學監測水污染的細菌學監測指標有以下兩個：細菌總數細菌總數指1mL水樣在營養瓊脂培養基中，於37℃、24小時培養後所生長的細菌菌落總數。它可反映水體有機污染的程度，如每1毫升自來水中細菌總數不得超過100個。大腸菌群數大腸桿菌是一群需氧和兼性厭氧的、能發酵乳糖、產酸、產氣的革蘭氏陰性無芽孢杆狀細菌。主要來源於人畜糞便中，在腸道中普遍存在並且是數量最多的一種。故大腸桿菌群的檢測作為監測水體是否受糞便污染的指標。大腸菌群數指每升水樣中含有的大腸菌群的數量。如每升飲用水中大腸菌群數不得超過3個。大腸菌群數的測定：多管發酵法和濾膜法思考：什麼是大腸菌群？為何用其作為水質糞便污染的指示菌？致病菌在水體中存在數量極少，檢測技術複雜，不易直接檢測；大腸菌在水中存在的數目與致病菌呈一定正相關，抵抗力略強，易於檢查等特點，故作為水體受糞便污染的指標，以大腸菌群最為理想。浮游生物監測法浮游生物包括浮游植物和浮游動物，如藻類、原生動物、輪蟲、枝角類等浮游生物監測法的特點浮游生物中的某些種類對有機污染或化學污染非常敏感，長期被用作指示生物，但由於浮游生物的不穩定性且常常集群分佈，因而其作為水質指示生物的可靠性和準確性受到限制。浮游生物監測法的具體步驟採樣檢驗標本的製作計數生物量的測定：葉綠素a法；生物體積法；重量法；ATP測定法底棲大型無脊椎動物監測法底棲大型無脊椎動物包括水生昆蟲、大型甲殼類、軟體動物、環節動物等，一般棲息在水底或附著在水中植物和石塊上，肉眼可見。底棲大型無脊椎動物監測法在未受干擾的環境裏，河流和湖泊中大型無脊椎動物群落的組成和密度比較穩定，這些群落可調節群落結構來反映生境品質變化，這些對環境變化的反應可用來監測和評價城市、工業、石油、農業廢物及其土地利用對自然水體的影響。微型生物群落監測法微型生物群落微型生物群落是生活在水中的微小生物，包括藻類、原生動物、輪蟲、線蟲、甲殼類等，如環境受到外界的嚴重干擾，其群落的平衡被破壞，其結構特徵也隨之變化，因而可用其進行水體的監測和評價。PFU法（聚氨酯泡沫塑料塊法）原生動物在PFU內的群集速度和時間受環境的影響，不同污染水體，其群集速度和種類數不同。4.2.3水環境品質的生物學評價水環境品質的生物學評價有以下幾種方法：一般描述對比法指示生物法污水生物系統法生物指數法種的多樣性指數生產力法殘留量指數及富集係數指示生物法水體污染指示生物常採用底棲動物中的環節動物、軟體動物、固著生活的甲殼動物以及水生昆蟲等。它們個體較大，在環境中相對位移小，無逃避行為，生命週期較長，故成為水體污染指示生物的重要研究對象。常用的水體污染指示生物種類顫蚓類搖蚊幼蟲螞蝗浮游生物和藻類Hellawell推薦作為指示生物的各種生物所占的百分數圖4－1Hellawell推薦作為指示生物的各種生物所占的百分數污水生物系統法（1）污水生物系統法的原理受污染的河流由於自身的自淨過程從而導致自上游往下游形成一系列在污染程度上逐漸減輕的連續帶。隨污染物濃度的降低，生物種類也發生變化，每一帶都生存有大體上能夠表示這一帶特性的動物和植物，由此可以將河流依次劃分為四個污染帶，即多汙帶、α－中汙帶、β－中汙帶、寡汙帶，從而可以根據一條河流中一定區域內所發現的動物區系和植物區系來鑒別該區域的有機污染程度。污水生物系統法（2）污水生物系統中各帶特點多汙帶：有機污染嚴重，溶解氧含量低，細菌極多，無好氧生物，無魚類生存；中汙帶：包括α－中汙帶（有機污染較為嚴重，溶解氧略有回升，多為耐汙性生物種類，）和β－中汙帶（中等程度的有機污染區域，溶解氧較高，有多種藻類和原生動物，有魚類出現）；寡汙帶：溶解氧恢復正常或達飽和，水質透明，細菌數量少，藻類種類和數量多。污水生物系統的應用主要應用對象是被生活污水污染的水域，對重金屬和其他工業廢水引起的污染水域的應用問題尚需進一步研究。應用該法來監測和評價環境比較全面，但工作很繁重，耗費時間，而且需要具有熟練的分類知識，同時調查結果也不易表示。生物指數法什麼是生物指數法？它是依據不利環境因素，用數學形式表現群落結構來指示環境品質狀況，包括污染在內的水質變化對生物群落的生態學效應的一種方法。例子：Beck生物指數公式：IB＝nA＋nB注1：nA為底棲大型無脊椎動物中對有機物敏感的種類數，在污染水體中從未發現；nB為底棲大型無脊椎動物中對有機物不敏感（耐汙性）的種類數，只在污染狀況下才出現。注2：IB＝0時，表示水體受到嚴重污染；IB在1～9之間時為中等污染；IB大於10時為清潔水體。生物指數法的應用特點方法簡單，有一個粗略數字概念，便於比較；缺點：需分類學和生態學專門人員進行種類鑒定，同時只考慮了種類數，而未考慮個體數量。應用時應結合生物學其他指標和物理、化學指標，綜合考慮各方面的影響因素。多樣性指數法（1）什麼是多樣性指數法？多樣性指數法是應用數理統計方法來表示生物群落的種類和個體數量的比值從而評價環境品質的一種方法。多樣性指數法的工作原理其工作原理為不同的生物對污染的敏感性和耐受性不同，敏感的種類在不利的條件下死亡，抗性強的種類在新的條件下可大量發現。利用群落中個體數與種類數的比值在不同污染區的不同，從而反映環境污染的狀況。多樣性指數法（2）例子：香農－韋弗多樣性指數公式：注1：d——多樣性指數；S——生物種類數；N——群落的個體總數；ni——第i種的個體數。注2：此公