生物监测与生物学评价

1第四章生物监测与生物学评价第一节生物监测和生物学评价概述第二节大气污染的生物监测第三节水污染的生物监测第四节土壤污染的生物监测第五节环境污染的生物学评价方法¾环境质量是指在一个具体的环境内，环境的总体或环境的基本要素对人群的生存和繁衍及社会经济发展的适宜程度，是反映人类的具体要求而形成的对环境的性质及数量进行评定的一种概念¾环境质量指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¾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持点不同，其生物环境质量也有差别生物和生态系统环境的物理化学过程的变化环境质量的变化生物监测环境质量标准有水质量标准、大气质量标准、土壤质量标准、生物质量标准环境质量基准有环境卫生基准，水生生物基准等生物监测利用生物对环境毒物、污染物的反应变化及变化程度去监测评价环境质量的变化、受污染程度2第一节生物监测和生物学评价概述一、生物监测概念二、生物监测的依据三、生物监测特点四、生物监测基本方法一、生物监测概念生物监测(BiologicalMonitoring或Biomonitoring)是利用各种技术测定和分析生命系统各层次对自然或人为作用的反应或反馈效应的综合表征来判断和评价这些干扰对环境产生的影响、危害及其变化规律，为环境质量的评估、调控和环境管理提供科学依据个体、种群或群落¾生物监测重点放在个体和生态系统级的生物反应上生物监测至少应具备什么条件?¾对比性，有已建立的标准可供对照；¾重复性，按一定的标准、采用相应的方法、在一定观测点上每隔一定时间采样分析™生态环境变化™生物个体急性、亚急性、慢性的毒性测定™生物的生理生化分析™有毒物质、污染物在生物体内循环运转的分析™个体生态状况以及群落生态结构变化分析等生物监测内容包括：二、生物监测的依据生态系统理论是生物监测的理论基础：生态系统具有维持一定地区的系统结构与功能的能力1、生命与环境协同进化理论2、生物相对适应法则3、生物富集现象4、可比性与可重复性3生命与环境协同进化理论生态系统与其生存环境之间存在着相互依存和协同进化的关系正是开展生物监测的基础和前提条件生物相对适应法则在一定环境条件下，某一空间内的生物群落的结构及其内在的各种关系是相对稳定的生物生存的机会不完全是随机的，生存有选择性一种生物或一类生物在该区域内出现、消失或数量的异常变化都与环境条件有关生物富集现象人类的干扰如某些人工合成化学物质等进入环境后被生物吸收和富集会通过食物链在生态系统中传递和被放大当这些物质超过生物所能承受的浓度后，将对生物乃至整个群落造成影响或损伤，并通过各种形式表现出来生物监测可比性与可重复性生命具有共同的特征：¾细胞构成¾进行新陈代谢¾具有感应性¾具有生殖能力等生物对同一环境因素变化的忍受能力有一定的范围，即不同地区的同种生物抵抗某种环境压力或对某一生态要素的需求基本相同＋方法得当、指标体系相同，不同地区同一类型生态系统的生物监测结果也具有可比性和可重复性三、生物监测特点优点：综合效应性:生物监测可反映各类污染物之间联合作用连续监测性：能反映出某地区受污染或生态破坏后累积结果的历史状况，例书169多功能性：能通过指示生物的不同反应症状，分别监测多种干扰效应高灵敏性：生物监测更能真实和全面地反应外干扰的生态效应所引起的环境变化三、生物监测特点局限：™反应相对迟钝：不能像监测仪器那样迅速做出反应，并在较短时间内就能获得监测结果作出判断™很难定性和定量化：精确地监测出环境中存在的污染物的名称和含量，它通常反映的只是环境中各污染物所反映出来的总体生物毒性水平™影响因素多：指示生物同一受害症状可由多种因素造成，增加了对监测结果判别的困难4四、生物监测基本方法1、指示生物法2、现场调查法3、现场盆栽定点监测法4、群落和生态系统监测法5、生物标志物检测法6、毒性与毒理试验7、环境流行病学调查法1、指示生物法所谓指示生物，就是对环境中某些物质，包括污染物的作用或环境条件的改变能较敏感和快速地产生明显反应的生物；另有定义：指环境中对某些物质(包括进入环境中的污染物)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。指示生物是否一直都是用敏感生物?1、指示生物法指示生物法是根据对环境中某种特定污染物敏感的或有较高耐受性的生物种类的存在或缺失，来指示其所在环境中的多寡或分解程度，是最经典的生物学评价方法。指示生物的基本特征¾灵敏：有预警作用¾代表性：常见种，最好是群落中的优势种¾具有小的差异性：对干扰作用的反应个体间的差异小、重现性高，以确保监测的准确性¾具有多功能性：经济价值、观赏性最好是生命期较长，比较固定生活于某处的生物，因它们能在较长时期内反映所在环境的综合影响。指示生物的选择¾敏感性划分¾指示生物选择方法：™现场比较™栽培或饲养比较试验™人工熏气™浸蘸大气污染的植物敏感性划分：三级制¾敏感：¾抗性中等：¾抗性强：不能长时间生活在一定浓度的有害气体污染环境中。否则，植物的生长点将干枯；全株叶片受害普遍、症状明显，大部分受害叶片迅速脱落;生长势衰弱，植物受害后生长难以恢复能较长时间生活在一定浓度的有害气体环境中。在遭受高浓度有害气体袭击后，生长缓慢，植株表现出慢性中毒症状，如节间缩短、小枝丛生、叶形缩小以及生长量下降等能较正常地生活在一定浓度的有害气体环境中，基本不受伤害或受害轻微。慢性受害症状不明显。在遭受高浓度有害气体袭击后，叶片受害轻或受害后生长恢复较快，能迅速萌发出新枝叶，并形成新的树冠5现场比较™适用于植物或运动性很小的生物™选取排放已知单一污染物的现场，对污染源影响范围内的各类生物进行观察记录：如叶片上出现的伤害症状特征和受害面积，比较后评比出各自的抗性等级；种类的选择、受害程度的衡量™缺点：受野外条件各种因子复杂作用的影响，易造成个体间的不一致性；对专业知识和工作经验要求高栽培或饲养比较试验适用于动、植物。将各种预备筛选的生物进行栽培或饲养；然后把这些生物放置在监测区内观察并详细记录其生长发育状况及受害反应如植物栽培包括盆栽和地栽两种方法；对敏感种类的筛选效率比现场评比法高（避免了环境条件差造成的影响）人工熏气¾动、植物均适用¾将需要筛选的生物移植或放置在人工控制条件的熏气室内，把所确定的单一或混合气体与空气掺混均匀后通入熏气室内，根据不同要求控制熏气时间¾优点在于能人工控制试验条件，能较准确地把握生物的反应症状或观察的其它指标，如受害的临界浓度浸蘸¾浸蘸法适用于植物，特别是适用于对大量植物的初选¾人工配制某种化学溶液、浸蘸生物的组织或器官¾具有简便省时和快速的优点，在没有人工熏气装置时可采用此法。指标的选择¾形态指标：通过肉眼或其它宏观方式可观察到的形态变化¾生长指标：生长势和产量¾生理生化指标：如光合作用、呼吸作用强度、气孔开放度、细胞膜的透性、酶学指标等，多数生化指标只能用来评价环境的污染程度，而无法确定污染物的种类¾行为学指标：如生物回避反应2、现场调查法在污染区内调查原有生物生长发育状况，初步查明环境污染与生物生长之间的相互关系。常用于大气污染的生物监测62、现场调查法¾调查主要污染物的种类、浓度和分布扩散规律¾选择观察点：布点数、布点方法¾选择观察对象：做好标记与保护¾确定观测时间：人力、物力¾确定观测项目：症状观察、化学分析、气象、环境因子¾根据调查和资料对比分析，可把地区受害程度表示在地图上植物症状观察™叶片受害后颜色、形状的变化及受害面积、受害叶片年龄、落叶™根系发育™生长高度、干鲜重量、产量3、现场盆栽定点监测法将监测用的指示植物栽培在污染区选定的监测点上，定期观察，记录其受害症状和程度，来估测污染物的成分、浓度和范围，以此来监测该地区大气污染情况4、群落和生态系统监测法群落和生态系统水平上的生物监测方法以水域监测为多，近几年来关于陆地生态系统人为干扰的生物监测方法和指标体系也有了迅速发展主要观察指标™结构参数：种类数、指示种类、多样性指数、异养性指数、叶绿素等™功能参数：集群速度、功能类群、光合作用率、呼吸作用率等主要的群落和生态系统监测方法I.植物群落监测法：植物群落和周围环境有着密切的关系II.污水生物系统法III.微型生物群落监测法IV.生物指数法V.微宇宙法7(一)、植物群落监测法¾监测各种植物的受害症状和受害程度¾分析植物群落中各种植物的反应对该地区的大气污染程度做出评价(一)、植物群落监测法MenthaaquaticaL.氟化氢对杜鹃的影响(一)、植物群落监测法(二)、污水生物系统法污水生物系统(saprobiensystem)是1909年由科尔科威茨(Kolkwitz)和马森(Marsson)提出了污水生物系统:当河流受到污染后，在污染源下游的一段流程里会发生自净过程，即随着河水污染程度的逐渐减轻，生物的种类组成也随之发生变化，在不同河段将出现不同的物种;将河流划分成多污带、α-中污带、β-中污带和寡污带对溶解氧和pH变化耐受性差，特别缺乏对腐败毒物的耐受性＜100个/ml有机物完全分解无低很多因氧化使矿化作用达到完成阶段寡污带对溶解氧和pH变化耐受性差，对腐败毒物无长时间的耐受性＜10万个/ml很多脂肪酸胺化合物无较低较多到处进行着氧化作用β-中污带以细菌摄食动物占优势，一般对溶解氧和pH变化有高度适应性，对硫化氢仅有弱的耐受性10~100万个/ml因高分子有机物分解产生胺酸无高有一些水及底泥中出现氧化α-中污带所有动物均为细菌摄食者，耐pH的强烈变化，耐低溶解氧的兼气性生物，对硫化氢等毒性物质有强烈的抗性＞100万个/ml大量高分子有机物强烈的硫化氢气味很高全无腐败引起的还原与分解作用明显多污带栖息生物的生态学特征细菌有机物硫化氢BODDO化学过程除各种动物外，昆虫幼虫种类极多仅有少数鞭毛虫和纤毛虫多种多样水中藻类少，但着生藻类多寡污带淡水绵、水螅、贝类、小型甲壳类、两栖动物鱼类均可出现太阳虫和吸管虫中耐污性弱的种类出现，双鞭毛虫也出现多种多样硅藻、绿藻、接合藻出现，为鼓藻类主要分布区β-中污带贝类、甲壳类、昆虫出现，鱼类中的鲤、鲫、鲶等可在此栖息逐渐出现太阳虫、吸管虫，但无双鞭毛虫微型动物占大多数藻类大量发生，有蓝藻、绿藻、结合藻以及硅藻α-中污带仅有少数轮虫、蠕形动物、昆虫幼虫有变形虫、纤毛虫、但无太阳虫、双鞭毛虫及吸管虫微型动物为主，原生动物占优势无硅藻、绿藻、接合藻以及高等植物多污带后生动物原生动物动物藻类8(二)、污水生物系统法福杰丁格斯德(Fjerdingstad，1964)根据污染水体中优势种群的不同，把污染水体(主要是河流)划分为9个污水带：粪生带甲型多污带甲型中污带乙型多污带乙型中污带丙型多污带丙型中污带寡污带清水带(三)、微型生物群落监测法微型生物群落是水生态系统内重要组成部分，是指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(三)、微型生物群落监测法常用的方法1969年由美国学者凯思斯等人发展和创立的聚氨酯泡沫塑料块法，又称PFU法(polyurethanefoamunit)原理：用PFU法得到的原生动物群集过程是群集速度随着种类上升而下降，集群速度与种类数的交叉点就是种数的平衡点不同程度的污染水域集群速度种类数目不同环境质量变化反映(四)、生物指数法生物指数(bioticindex)是指运用数学公式反映生物种群或群落结构的变化以评价环境质量状况。Beck生物指数™W·M·贝克(W·M·Beck，1955)首先提出指数为0时属重污染区；1-6时为中等有机污染；10-40时为清洁水区。生物指数(BI)=2nA+nB敏感底栖大型无脊动物种类数，在污染状况下从未发现耐污底栖大型无脊动物种类数，是在污染状况下方有的动物颤蚓类与全部底栖动物相比的生物指数库德奈特和惠特(1960)提出%100×=底栖动物个体数量颤蚓类个体数量污染生物指数数值小于60%为良好水质60—80%为中等污染水质大于80%为严重污染水质9硅藻生物指