奚旦立四版环境监测课件第六章环境污染生物监测20130910

环境监测与治理主讲：原金海博士副教授授课专业：化学10，应化10电话：[phone]第六章环境污染生物监测目前在环境监测中，一般采用各种仪器和化学分析手段．对污染物的种类和浓度可以比较快速而灵敏地分析测定出来，其中某些常规检验已经能够连续监测。但大部分测定项目或参数还需定期采样。因而只反映采样瞬时的污染物浓度，不能反映环境已经发生的变化。环境监测中理化监测的不足：利用生物的组分、个体、种群或群落对环境污染或环境变化所产生的反应，从生物学的角度，为环境质量的监测和评价提供依据，称为生物监测。生物监测方法：1.生态（群落生态和个体生态）监测2.生物测试(毒性测定、致突变测定)3.生物的生理、生化指标测定4.生物体内污染物残留量测定生物监测的定义和方法生物监测的特点富集性生物的一个重要特点是它能够通过各种方式从环境中富集某些元素。如水中DDT农药:水中浓度为0.000003mg／L浮游生物（富集7.3万倍）小鱼(富集14.3万倍)大鱼（富集858万倍）人食用这些水中生物后富集1000万倍。长期性环境污染物的含量和其它环境条件改变的强度大小，是随时间而变化的。这些变化是因污染物的排放量不稳定而造成的。理化监测只能代表取样期间的概况。而生活于一定区域内的生物，能把一定时问内环境变化情况反映出来。综合性人类生产、生活所产生的污染物，成份极其复杂。理化监测只能获得各种成份的类别和含量，但不能确切说明对生物有机体的影响。而生物是接受综合作用，不仅仅是个别组分的影响，所以生物监测能反映环境诸因子、多组分综合作用的结果，能阐明整个环境的情况。对符合排放标准的污染物，其长期影响环境的后果，更需要用生物监测来评价。以上过程，只有通过生物监测手段，通过食物链放大了的各营养级进行分析，才能对水体进行全面评价。第二节空气污染生物监测第三节生物污染监测第四节生态监测第一节水环境污染生物监测对水环境进行生物监测的主要目的:了解污染对水生生物的危害状况，判别和测定水体污染的类型和程度，为制定控制污染措施，使水环境生态系统保持平衡提供依据。第一节水环境污染生物监测采样断面和采样点的布设原则断面要有代表性尽可能与化学监测断面相一致考虑水环境的整体性、监测工作连续性和经济性河流：根据长度，至少设上（对照）、中（污染）、下游（观察）三个断面；采样点数视水面宽、水深、生物分布特点等确定。湖泊（水库）：入湖（库）区、中心区、出口区、最深水区、清洁区等处设监测断面。生物监测主要方法一、生物群落监测方法二、生物测试法三、细菌学检验法一、生物群落监测方法未受污染的环境水体中生活着多种多样的水生生物，这是长期自然发展的结果，也是生态系统保持相对平衡的标志。当水体受到污染后，水生生物的群落结构和个体数量就会发生变化，使自然生态平衡系统被破坏，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，这是生物群落监测法的理论依据。生物群落监测中的对象：水污染指示生物浮游生物着生生物－附着于长期浸没水中的各种基质表面上的有机体群落。底栖动物－栖息在水体底部淤泥内、石块或砾石表面及其间隙中的肉眼可见的水生无脊椎动物。鱼类微生物浮游生物（原生动物、轮虫、枝角类和桡足类）浮游生物－藻类（一）生物指数监测法（贝克生物指数、贝克-津田生物指数、生物种类多样性指数、硅藻生物指数）（二）污水生物系统法（三）PFU微型生物群落监测法（简称PFU法）生物群落监测方法（一）生物指数监测法生物指数（BI）=2A+B式中：A、B——分别为敏感底栖动物种类数和耐污底栖动物种类数。贝克生物指数：从采样点采到的底栖大型无脊椎动物当BI＞10时，为清洁水域；BI为1~6时，为中等污染水域；BI=0时，为严重污染水域。贝克－津田生物指数：所有拟评价或监测的河段各种底栖大型无脊椎动物当BI≥20，为清洁水区；10＜BI＜20，为轻度污染水区；6＜BI≤10，为中等污染水区；0＜BI≤6，为严重污染水区。1.贝克生物指数和贝克-津田生物指数2.生物种类多样性指数式中：——种类多样性指数；N——单位面积样品中收集到的各类动物的总个数；ni——单位面积样品中第i种动物的个数；S——收集到的动物种类数。动物种类越多，指数越大，水质越好；反之，种类越少，指数越小，水体污染越严重。威尔姆对美国十几条河流进行了调查，总结出指数与水样污染程度的关系如下：值＜1.0：严重污染;值1.0～3.0：中等污染；值＞3.0：清洁NnNndisii12logdddd3.硅藻生物指数硅藻指数=式中：A——不耐污染藻类的种类数；B——广谱性藻类的种类数；C——仅在污染水域才出现的藻类种类数。硅藻指数0～50为多污带；硅藻指数50～100为α-中污带；硅藻指数100～150为β-中污带；硅藻指数150～200为轻污带。10022CBACBA（二）污水生物系统法将受有机物污染的河流按照污染程度和自净过程，自上游向下游划分为四个相互连续的河段，即多污带段、α-中污带段、β-中污带段和寡污带段，每个带都有自己的物理、化学和生物学特征。根据这些特征进行判断。表6.1为污水系统的部分生物学、化学特征。项目多污带α-中污带β-中污带寡污带化学过程还原和分解作用明显开始水和底泥里出现氧化作用氧化作用更强烈因氧化使无机化达到矿化阶段溶解氧没有或极微量少量较多很多BOD很高高较低低硫化氢的生成具有强烈的硫化氢臭味没有强烈硫化氢臭味无无水中有机物蛋白质、多肽等高分子物质大量存在高分子化合物分解产生氨基酸、氨等大部分有机物已完成无机化过程有机物全分解底泥常有黑色硫化铁存在，呈黑色硫化铁氧化成氢氧化铁，底泥不呈黑色有Fe2O3存在大部分氧化水中细菌大量存在，每毫升可达100万个以上细菌较多，每毫升在10万个以上数量减少，每毫升在10万个以下数量少，每毫升在100个以下表6.1污水系统的部分生物学、化学特征（三）PFU微型生物群落监测法PFU法是以聚氨酯泡沫塑料块（PFU）作为人工基质沉入水体中，经一定时间后，水体中大部分微型生物种类均可群集到PFU内，达到种数平衡，通过观察和测定该群落结构与功能的各种参数来评价水质状况。根据水环境条件确定采样时间，一般在静水中采样约需四周，在流水中采样约需两周；采样结束后，带回实验室，把PFU中的水全部挤于烧杯内，用显微镜进行微型生物种类观察和活体计数。Cairns首次使用聚氨酯泡沫塑料块(PolyurechaneFoamUnit，简称PFU)采集水体微型生物群落；根据生物地理平衡模型及微型生物在PFU上群集的过程，提出了3个功能参数：平衡时的物种数量Seq；群集曲线的斜率(或称群集常数)G；达到90％Seq所需要的时间T90％。如果环境受到污染影响，原来的平衡遭到破坏，这3个参数将发生改变。因此，利用微型生物在PFU上的群集过程中3个参数的变化，可以评价水质和监测水污染。PFU微型生物群落参数的变化在不同的水质范围内具有不同的行为:污染较轻的情况下，随着污染加重，集群速度G、平衡时的物种数Seq都会增大，达到90％Seq的时间T90%将缩短。从生态学观点看，此时营养水平适合大多数原生动物的生长，因此，种类多，丰度也大；但随着污染程度进一步加重，平衡时物种数Seq会减少，达到90％Seq所需时间T90%将延长，集群速度G也减小。从生态学观点看，重污染和严重污染已超出大多数原生动物的耐受限度，在这恶劣的环境中，大多数种类不能耐受而消失。利用生物受到污染物质危害或毒害后所产生的反应或生理机能的变化，来评价水体污染状况，确定毒物安全浓度的方法称为生物测试法。二、生物测试法分类按水流方式：静水式和流水式按测试时间分类：急性试验和慢性试验按受试活体分类：水生生物和发光细菌等（一）水生生物毒性试验水生生物毒性试验可用：鱼类、蚤类、藻类等，其中鱼类毒性试验应用较广泛。金鱼绿藻褐藻蝴蝶鱼图6.1可用于水生生物毒性试验的部分鱼类和藻类静水式鱼类急性毒性试验供试鱼的选择和驯养要选择无病、行动活泼、鱼鳍完整舒展、食欲和逆水性强、体长（不包括尾部）约3cm的同种和同龄的金鱼。选出的鱼必须先在与试验条件相似的生活条件（温度、水质等）下驯养7d以上；试验前一天停止喂食；如果在试验前4d天内发生死亡现象或发病的鱼高于10%，则不能使用。金鱼2金鱼1试验条件选择每一种浓度的试验溶液为一组，每组至少10尾鱼试验容器用容积约10L的玻璃缸，保证每升水中鱼重不超过2g。试验溶液的温度要适宜，对冷水鱼为12～28℃，对温水鱼为20～28℃。同一试验中，温度变化为±2℃。试验溶液中不能含大量耗氧物质，要保证有足够的溶解氧，对于冷水鱼不少于5mg/L，对于温水鱼不少于4mg/L。试验溶液的pH值通常控制在6.7～8.5之间。配制试验溶液和驯养鱼用水应是未受污染的河水或湖水。如果使用自来水，必须经充分曝气才能使用。不宜使用蒸馏水。试验步骤试验溶液浓度设计确定试验溶液的浓度范围试验记录不同时间的金鱼成活数毒性判定计算半数忍受限度（TLm）预试验(探索性试验)通常选七个浓度(至少五个)半数忍受限度（TLm），即半数存活浓度。求TLm值的简便方法是将试验鱼存活半数以上和半数以下的数据与相应试验液毒物（或污水）浓度绘于半对数坐标纸上（对数坐标表示毒物浓度，算术坐标表示存活率），用直线内插法求出。表6.2某毒物实验结果毒物浓度/(mg·L-1)每组鱼数/尾试验鱼成活数24h48h96h10.07.55.64.23.22.4对照组10101010101010038910101000279101000127910安全浓度=2Lm)(24TLm/48T0.348TLm安全浓度=48TLm×0.1图6.2用直线内插法求TLm点击此处观看：“金鱼毒性实验”（二）发光细菌法发光细菌是一类能自发发光的细菌，其发光机制是由于菌体内有一种荧光素酶，通过酶催化不饱和脂肪酸反应，而向外界辐射蓝绿色的荧光，发光光谱范围在435～630nm，有单一最大发射峰(λmax=475nm).它是生物自身的正常生理代谢过程.由于发光细菌有易培养、增殖速度快、发光易受外界环境的影响且反应迅速、灵敏等特点。近年来国内外较多地将发光细菌应用于环境监测，Beckman公司依据发光细菌的发光原理,已推出用于环境监测的生物毒性检测仪Microtox。生物发光法是结合生命有机体的生物物理和生物化学过程，检测的是处于环境中的生物，提供的是一个综合的整体指标，因此比传统的检验方法更迅速，直接反映环境污染对生物的影响。当发光细菌与水样毒性组分接触时，可影响或干扰细菌的新陈代谢，使细菌的发光强度下降或熄灭。在一定毒物浓度范围内，有毒物质浓度与发光强度呈负相关线性关系，因而可使用生物发光光度计测定水样的相对发光强度来监测有毒物质的浓度。1.水生植物生产力的测定水生植物中叶绿素含量、光合作用能力、固氮能力等指标的变化。2.致诱变物质监测其检测方法有：微核测定艾姆斯（Ames）试验染色体畸变试验（三）其他生物测试法三、细菌学检验法1.卫生学质量的判断在实际工作中，经常以检验细菌总数，特别是检验作为粪便污染的指示细菌，如总大肠菌群、粪大肠菌群、粪链球菌、肠道病毒等，来间接判断水的卫生学质量。2.利用细菌的新陈代谢能力检测废水毒性：利用细菌的活动能力利用用细菌生长抑制试验利用细菌的呼吸代谢检测第二节空气污染生物监测大气污染的生物监测是利用生物对存在于大气中的污染物的反应，监测有害气体的成分和含量，以确定大气的环境质量水平。一、利用植物监测在生物体系中，植物更易遭受大气污染的伤害，其原因为:植物能以庞大的叶面积与空气接触，进行活跃的气体交换;植物缺乏动物的循环系统来缓冲外界的影响;植物固定生长的特点使其无法避开污染物的伤害。正因为植物对大气污染的反应敏感性强，加上本身位置的固定，便于监测与管理，大气污染的生物监测主要是利用植物进行监测。（一）指示植物及其受害症状对大气污染反应灵敏，用以指示和反映大气污染状况的植物，称为大气污染的指示植物。空气污染物一般通过叶面上的气孔或孔