环境污染生物监测描述ppt课件.ppt

第四章 环境污染生物监测,第一节 概述,环境污染生物监测：系统地利用生物的组分、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。,环境污染物的生物学效应当前环境化学研究领域里十分活跃的研究课题环境污染物能引起各种复杂的生物效应，如致畸、致突变、致癌的生物化学变化。生物效应同化学物质的结构与毒性相关，与多种污染物毒性的协同和拮抗作用相关，也与污染物食物链作用的生物化学过程相关等。随着分析技术和分子生物学的发展，环境污染的生物化学研究取得很大进展，并与环境生物学、环境医学相互交叉渗透，成为当前生命科学的一个重要组成部分。,1、生物对污染物的吸收,2、污染物在动物体内的分布,动物吸收污染物质后，主要通过血液和淋巴系统传输到全身各组织发生危害。,3、大分子水平上对环境变化的反应,生物对环境胁迫会产生复杂的生理生化反应，基因表达失常糖类、脂肪、蛋白质等大分子代谢紊乱生物酶功能遭损害出现一些特异的化合物。生物对一些环境污染物的特异反应是生物监测的依据。,4、个体水平上对环境变化的反应,生物个体对环境胁迫的反应包括生长发育异常，形态变异、生殖功能低下甚至丧失，行为失常等。生物监测方法：指示生物法,5、种群水平上对环境变化的反应,在严重的环境胁迫下，生物种群数量急剧减少乃至灭绝，大量个体出现生理生化、繁殖及行为的异常，适应性丧失。生物监测湖泊富营养化的特征参数为藻类的种群和生物量变化,6、生态系统水平上对环境变化的反应,某些对污染物有指示价值的生物种类的出现或消失.群落中生物种类数在污染加重的条件下减少,在水质较好的情况下增加,但过于清洁的条件下由于食物缺乏也会导致种类数减少.组成群落的个别种群变化群落中种类组成比例的变化自养-异养程度上的变化生产力的变化,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,生物监测的方法,生物分布、群落结构、繁殖、生长、发育、生理生化指标,生物监测的两种情况,利用生物来监测环境受污染的实际变化情况在有害废物排入环境前后，对照测定生物在组成及数量上的变化，来判断环境污染的程度。用以评价由于污染所寻造成的生态系统的变化。,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。但理化只反映采样瞬时的污染物浓度，不能反映环境的质量（对生物的适宜程度）。,环境监测中理化监测的不足,生物监测的特点,第一，生物监测具有连续监测的能力。用物理和化学的监测方法可以快速而精确的检测到某空间环境中多种环境因素的瞬间变化值，但不能像生物监测那样长期连续的监测环境变化。原因在于生物监测是利用生命系统来指示环境变化，而生命系统本身就具有特定的生命周期，所以生物监测的结果就可以反映该环境变化过程的累积状况，甚至可以对该地区污染情况的历史进行分析。,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0.000003mgL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。,生物监测的特点,第二，生物监测能较为综合地反应环境质量状况。生物监测所反映的是自然的和综合的污染状况环境中往往多种污染成分同时存在，理化监测只能测定出它们的种类和含量，但不能说明它们对生物的影响生物是接受综合影响，所以生物能反映环境中多种污染成分综合作用的结果。,生物监测的特点,第三，生物监测具有多功能性。通常理化监测仪器的专一性很强，例如测定二氧化硫就不能兼测臭氧、过氧乙酰硝酸脂等，但生物检测比如一株植物，在受到二氧化硫、臭氧、过氧乙酰硝酸脂的不同危害时就表现出不同的受害症状，所以具有多种功能。,生物监测的特点,第四，生物检测的灵敏度高。生物监测的高灵敏度表现在两个方面，从物种的方面说，高灵敏度是指有些生物对某种污染物的反应很灵敏，比如唐菖蒲这种生物在0.0110-6 的氟化氢环境中就产生可见的受害症状，这种对氟化氢的高灵敏反应，到现在大多数仪器还不能达到。从宏观的角度说，生物检测可以真实和全面地反映外来干扰对环境系统的功能整体影响和产生的连锁反应。,五、经济性,生物监测技术和手段的经济性为开拓监测面积和范围，实现点、站结合，构成经济、有效实用的监测网络提供了可能。,六、直观性,利用常见生物种类可以判别生态系统的健康，使监测更为直观、为民众能信服。健康河流的生物学观点：有大型食草或食肉性鱼类长期生存，能正常繁殖。,50多年前，塞纳河内只有4至5种鱼类，如今已增至20来种，其中包括鳟鱼、鲈鱼、白斑狗鱼和河鳗等，还有红眼鱼、冬穴鱼等较为稀有的鱼种。,生物监测的意义,生物和环境之间存在着相互联系、相互依赖、相互制约的关系。从某种意义上来说，生物监测能够更直接地综合反映环境质量对生态系统的影响，比理化方法得到的数据更具有说服力。生物监测也是保护生物生存条件、维护生态平衡的手段，是环境监测的重要组成部分。,不能迅速地做出反应，从而在较短时间内就能获得检测结果；不能精确地监测出环境中某些污染物的含量；容易受外界各环境因子及生物本身状况的影响。,生物监测技术的不足,第二节 水环境生物监测,水环境是由栖息生物和水共同组成的复杂的动态平衡的生态系统。污染物进入水环境，必然引起生物相和量的变化，直至达到新的平衡。不同污染状态的水质，有着不同种类和数量的生物。因此，根据水中生存的不同生物，可判断水的污染程度，调查不同水域生物的种类和数量，可以评价水质污染状况。,原理,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生态系统保持平衡提供依据。,对水生态系统进行生物监测的主要目的,一、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 水环境的整体性、监测连续性和经济性,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。,二、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,浮游动物,浮游植物,Biological Monitoring,水污染指示生物,定义：能对水体中污染物产生各种定性、定量反应的生物特点：生命周期长，活动环境固定，持久反映污染物对水体的综合影响 浮游生物：食物链基础；指标生物原生动物、轮虫、枝角类、桡虫类着生生物：指示水体污染程度（河流）细菌、真菌、藻类、原生动物、轮虫、甲壳动物、线虫、寡毛虫类、软体动物、昆虫幼虫、鱼卵和幼鱼底栖动物：应用最广泛鱼类：全面反映水体总质量微生物：有机污染多则繁殖较多,Hellawell推荐作为指示生物的各种生物所占的百分数,浮游生物监测法,浮游生物包括浮游植物和浮游动物，如藻类、原生动物、轮虫、枝角类等多数个体小（肉眼不可见），游泳能力弱或完全没有游泳能力，过着随波逐流的生活。浮游生物多数对环境变化反应很敏感，可作为水质的指示生物。特征：浮游生物为水生食物链基础；浮游植物含有叶绿素，能利用光能进行光合作用，是初级生产者，在水生态系统中具有重要地位。,鱼腥藻,螺旋藻,微囊藻,色球藻,蓝藻门 Cyanophyta,隐藻门 Cryptophyta,角甲藻,甲藻门 Pyrrophyta,金藻门 Chrysophyta,黄群藻,金囊藻,黄藻门 Xanthophyta,胶葡萄藻,黄丝藻,硅藻门 Bacillariophyta,裸藻门 Euglenophyta,陀螺藻,扁裸藻,卵形藻,曲壳藻,绿藻门 Chlorophyta,栅藻,衣藻,纤维藻,盘星藻,变形虫（原生动物）,轮虫,枝角类,水蚤（跷足类）,浮游动物,浮游生物网采样,浮游生物采样器岸边采样,浮游生物采样器网采样,底栖动物的移动能力差，故在正常的水体中种类较多，每个种的个体数量适当，群落结构稳定。当水体受到污染后，对污染较为敏感的种类和不适应缺氧的种类逐渐消失，而仅保留耐污种类，成为优势种。目前各国都广泛应用这种方法。在清洁的河流、湖泊、池塘中，有机质含量少，微生物也很少，但受到有机物污染后，微生物数量大量增加，所以水体中含微生物的多少可以反映水体被有机物污染的程度。,底栖动物监测法和微生物监测法,摇蚊,水丝蚓,颤蚓,蚌,引自冯建社，2004,表6-7,1、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 2、污水生物系统法 3、PFU微型生物群落监测法（简称PFU法）,生物群落监测方法,1.生物指数法,什么是生物指数法？它是依据不利环境因素，用数学形式表现群落结构来指示环境质量状况，包括污染在内的水质变化对生物群落的生态学效应的一种方法。生物指数法的应用特点方法简单，有一个粗略数字概念，便于比较；缺点：需分类学和生态学专门人员进行种类鉴定，同时只考虑了种类数，而未考虑个体数量。应用时应结合生物学其他指标和物理、化学指标，综合考虑各方面的影响因素。,Biological Monitoring,生物指数监测法(Biotic Index),生物：底栖大型无脊椎动物、浮游藻类方法：Beck:BI 津田松苗修正生物种类多样性指数：ShannonWillam多样性指数 硅藻生物指数,1、生物指数监测法,生物指数（BI）=2A+B 贝克生物指数：从采样点采到的底栖大型无脊椎动物 当BI10时，为清洁水域；BI为16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：所有拟评价或监测河段各种底栖大型无脊椎动物 当BI20，为清洁水区；10BI20，为轻度污染水区；6BI10，为中等污染水区；0BI6，为严重污染水区。,（1）贝克生物指数和贝克-津田生物指数,敏感底栖动物种类数,耐污底栖动物种类数,（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1.03.0：中等污染；值3.0：清洁,（3）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050为多污带；硅藻指数50100为-中污带；硅藻指数100150为-中污带；硅藻指数150200为轻污带。,Biological Monitoring,2、污水生物系统,Kolkwitz和Marsson所提出 要点：受污染河流的自净作用导致河流从上游向下游形成一系列污染程度由高到低的连续区带；每一带中都生活有一些特征生物，构成生物区系；根据区系的生物特征可鉴别河流的不同区带受有机污染的程度。多污带中污带寡污带以细菌和低等原生动物为主以细菌为食的耐污动物占优势、藻类大量出现、原生动物种类增多及高等的鱼类出现细菌数量很少、藻类种类增多、轮虫等微型动物占优势,应用对象是被生活污水污染的水域,表1 污水系统的部分生物学、化学特征,49,（一）细菌样的采集,三、生物样品的采集与管理,1、采样瓶的选备 要求能密闭，使用前进行灭菌或消毒,50,(l)样品中加入脱氯剂或鳌合剂。(2)采样器或直接采样，采样后，采样瓶内上部应留有一定空隙。采取自来水样时，先用酒精灯将水龙头烧灼消毒，再将水龙头完全打开，放水数分钟，然后取样。（3）水质细菌学检验的水样应先采取，采样前，不得用水样刷洗采样瓶。(4)采样瓶上应贴好白胶布，编好水样号，并记录下采样条件。采集的水样应在2h内进行检验，否则即使冷藏保存也不能超过6h。,2、采样方法,（二）浮游植物的采集,1、采水器可采用有机玻璃采水器。使用时先夹住出水口橡皮管，再将两个半圆形上盖打开，让采水器沉入水中，底部入水口则自动开启。下沉深度应在系绳上有所标记，当沉入所需深度时，即上提系绳，上盖和下入水口自动关闭，拉出水面后，不要碰其下底，以免水样泄漏。将出水口橡皮管伸入容器口，松开铁夹，水样即流入容器。,一般常规生物监测，河流宜在水面下 0.5m 左右采样，可不分层取样。在湖泊、水库采样，若水深不超过2m，一般可仅在表层取样，若透明度很小，可在下层加取一样，并与表层样混合制成混合样，对于透明度较大，水又较深的地方，可按表层、透明度的0.5倍处、1倍处、l.5倍处、2.5倍处、3倍处各取一样，再将各层样品混合均匀后从混合样中取一样，作为定量样品。,2、采样层次,3、定量标本的采集量用采水器采水，一般采水l2L，若浮游植物密度过低，应酌情增加采水量。4、定性标本的采集用25号浮游生物网(网孔大小为0.064mm)，在水面和0.5m 深处以每秒2030cm的速度作形循回缓慢拖动(网内不得有气泡)约3min左右(视生物多寡而定)。,除非留着进行活体观察的样品，其他定性、定量样品都应加防腐剂固定。建议用鲁哥(Lugol)氏液，为防止样品褪色，样品应保存于暗处，或1000ml样中加1ml饱和硫酸铜溶液。用作长期保存的样品，补加l ml 40%左右的甲醛，密封保存，并应加贴标签，最好样品瓶内也放一同样标签。,5、标本固定,所有样品部应编号，并就采样时间、地点、深度、采量等进行记录，或将样品贴上注有上述内容的标签。若在现场进行活体观察，应记录观察到的种类，特别是固定时容易变形的种类，如隐藻、衣藻、单鞭金藻等。,6、现场记录,（三）游动物采样,采集：轮虫、鞭毛虫类、水蚤类、环旋轮虫类、贝类、鱼类等生物物种；采样器：有机玻璃；采水层次同浮游植物采样，但注意浮游动物的群集性较浮游植物明显，采样量视生物的多寡而定。,1 定性标本的采集 原生动物和轮虫，用25号网。甲壳动物用l3号网。捞3min左右(视生物多寡而定)。2 标本固定 除非留待活体观察的样品，所有样品都应固定。原生动物和轮虫每升水样加l5ml鲁哥氏液固定，甲壳动物加5%甲醛固定。,3 活体观察与记录原生动物和轮虫的分类，应进行活体观察(现场或回实验室)，并应作好记录。进行活体观察时，可在盖片沿边滴一小滴1%硫酸镉，仅以麻醉为度。并随时将多余的硫酸镉用滤纸吸掉。留着进行活体观察的水样，不能太浓，并且只能充满容器的一半，不能接触固定剂及其他化学药品，在23h 内镜检。所有样品都应加贴标签，载明时间、地点、采样量等内容。,4 样品的浓缩,建议采用沉淀-倾泻法。即将己固定的原水样静置48h，让样品自然沉淀，然后用虹吸法小心吸去上清液，需要注意几点：(l)沉淀中途，可轻轻转动容器一次，或用玻璃棒轻轻沿器壁搅动，使粘在器壁上的样品脱落下沉。(2)虹吸管出水口应始终低于入水口，防止清液倒流冲动样品，如有冲动，应再次沉淀。(3)最后一次沉淀可用有刻度的1000ml 直圆柱形分液漏斗做浓缩器浓缩之，一般先浓缩到20ml 以下，将样品注人有刻度的样品瓶，再用本样品的上消液将粘在浓缩器上的样品洗入样品瓶，共洗两次，每次5ml。计数时，此样品准确调整到30ml。,采集：水生昆虫、软体动物、水栖寡毛类(河口地区尚有多毛类)、线虫、水蛭、钩虾等六类；注意：野外检出的标本应立即固定。用 5%的福尔马林液固定或70%工业酒精固定。水陆寡毛类、水蛭及某些水生昆虫的幼虫(或雏虫)在上述浓度中常易自行截体脱腮，如有可能先放入较低的浓度，如2%的福尔马林或3%的酒精，数小时后再过渡到正常的固定浓度。亦可保存于5%福尔马林和70%酒精的混合液中。用上述固定的标本，可保存很长时间。此两种固定液，特别是70%酒精固定的标本极易脱色，红、绿等鲜艳颜色在12h内即行褪色。最好在固定前将有关种类的色泽记录下来，以备后用。,（四）底栖动物采样,1 定量采集 工具：采泥器和人工基质（1）采泥器：采样面识为1/16m2的彼得逊 采泥器，适用于采集淤泥底质和砂泥底质。（2）人工基质采样器：用于河流及溪流中。规格直径为 18cm、高20cm 的圆柱形铁笼，此笼携带方便不怕碰撞。此笼用8号和14号铁丝编织，小孔为 46cm2。使用时，笼底铺一层40目尼龙筛绢。内装洗净的长度为79cm的卵石，其重量约67kg。在每个采样站的底部放置两个铁笼。用棉蜡绳固定在桥上、码头上或木桩上。经过两周(14d)后取出，卵石倒入盛有少量水的桶内，用毛刷将每个卵石和筛网上附殖的底栖动物洗下，再用40目分样筛洗净将生物在白解剖盘内以肉眼所及检出固定。,2 定性采集,在各种水体的岸边地区或河流的上游，水深如不及50cm.可将石块及砾石捞出，用摄子轻轻取下标本，放人瓶内固定。用手抄网将底泥细沙捞起，检出标本，并作好采样记录，如水深超过50cm.，可用三角拖网拖拉一段距离，经过 40目分样筛，将标本排出固定，固定液和浓度同定量采集的标本。,（五）植物样品的采集和制备,以环境监测为目的的植物样品的采集，首先要明确监测的目的与要求，对监测对象的有关情况如污染物及其性质、环境因素包括污染源的地理位置、气象要素、水文资科、土壤性质及植物本身特性等，进行必要的调查与分析，然后很据需要选择采样区和对照采样区。再在采样区内划分和确定有代表性的35 个小区作采样点，一般在每个小区内选定510颗植株或采样数，将其混合构成一个代表性的样品。,采集植物时一定要注意植物样品的代表性、典型性和适时性。,1 代表性 选择能代表大多数情况的样品，不要采集田埂边或离田埂2m以内的植物作样品。2 典型性 污染物在植物体各部位的分布是不均匀的，例如，一般污染物在植物中分布规律是：根 茎叶穗壳种子，样品部位要能反映所要了解的情况，不要将各部位任意混合。3 适时性 要在植物不同生长发育阶段定期采样，以了解污染物对植物生长的影响。采样数量要保证处理后能够分析测定的使用。一般要求干样品有l kg，新鲜样品(以含水量80%90%计)，要求有510kg；对水生植物、水果、蔬菜等含水量高的植物，采样量还需酌情增加。,植物样品的制备,从现场带回的样品称为原始样品，要根据分析要求对样品进行选取。如粮食类可平铺后用四分法取样；瓜果、块根类可切成48 块，再各取l/4l/8混合。所选取的平均样品还要制备成分析用的试样,(l)鲜样的制备,测定植物体中容易转化或降解的物质如酚、氰、有机农药等项目时，应采用新鲜样品进行分析。制备这类样品时，须将洗净、擦干后的样品切碎、混匀，称取100g 放入电动搅碎机的搅碎杯中，加人同样重量的蒸馏水或去离子水(含水分多的样品亦可不加水),搅碎 l2mim，制成匀浆。含纤维多或较硬的样品，可切成碎块或碎片混合均匀备用。,(2)干样品的制备,经洗净、风干的样品，要放在6070 的鼓风干燥箱或低温真空干燥箱中烘干，再将其剪碎(或先行剪碎后烘干)。谷类的果实样品，要先脱壳后再粉碎，粉碎后的粒度一般要通过lmm的筛孔，有的要求通过0.25mm的筛孔。粉碎后的样品贮存于磨口的广口瓶中备用。,用于测定金属元素的样品，在整个制备过程中要防止金属的污染，最好不用钢制的粉碎机，而用玻璃研钵碾碎，尼龙筛过筛，聚乙烯瓶保存。因分析结果常以干重为基础表示试样中待测成分的含量(如mg/kg，干重)，所以在制备样品的同时，还须测定试样的含水量，以便换算分析结果。测含水量的常用方法是：烘干法，即称取一定量的分析样品，在 100105温度下烘至恒重，以失重计算含水量。对样品中含有在100l25条件下会热分解的物质，则可在真空干燥箱中低温烘至恒重。对于含水量很高的浆果和幼嫩蔬菜等，以鲜重计算为好，也可附记水分含量以便参考。,（六）动物样品的采集和制备,动物的各部分组织，都可作为监测对象。动物的尿液、粪便、血液、胃液、毛发、指甲以及内脏等多作检查环统污染的样品。一股采集尿液、血液、毛发和指甲较为方便，并具有实用价值。,1 尿液,绝大多数毒物及其代谢产物，主要由肾脏排出，而且收集尿液比较方便，所以尿液是是最常见的检验对象。收集尿液的采样瓶要用硝酸浸泡、蒸馏水洗净、烘干后使用。一般早晨浓度较高，可一次收集，也可收8h甚至24h的尿样。,2 血液,血液可检测微量金属(如铅、汞)和非金属元素如氟等。一般可用注射器抽取10ml注入清洁的试管中备用(有时需加抗凝剂如二溴酸盐等)。,3 毛发与指甲,蓄积在毛发与指甲中的污染物保留时间较长，即使动物体已脱离污染物或停止摄入污染食品，血液和尿液中的污染物含量已经下降时，毛发、指甲中仍容易检出。另外，有些污染物如汞、砷在毛发和指甲中的含量高，且毛发与指甲的采集不伤害动物体，又容易长期保存，所以是最常用的监测试样之一。采集到的毛发和指甲样品，要用中性洗涤剂处理、去离子水冲洗、再用乙醚或酒精洗涤，在室温下充分干燥后装瓶备用。,4 鱼类和其他,鱼类是人们常用的食物，也是水污染物进入人体的途径之一，因此，鱼体中污染物的测定，对我们来说也具有重要意义。采集鱼类样品时，大鱼(250g以上)取35条，小鱼取1030条，洗净后沥去水分，去鳞、鳍、内脏、皮骨.取一侧或全部可食部分的200g切细混匀，或用组织捣碎机搅碎成糊状，立即分析，或放入试样瓶中置于冰箱内保存备用。其他水生动物如贝类、甲壳类等，均应取其可食部分，洗净、捣碎、保存于冰箱中备用。,