第四章环境质量的生物监测与生物评价ppt课件.ppt

第四章 环境质量的生物监测与生物评价,本章将讨论以下内容：生物监测和环境质量评价概念生物监测与评价生态环境质量评价化学品生态风险评价有害物理因素的生物学效应的评价,第一节 生物监测和环境质量评价概念,一、环境质量定义及其内涵环境质量（Environmental Quality）指环境素质的优劣程度。优劣是质的概念，程度是量的表征。环境质量基准（Environmental Quality Criteria）指环境因素在一定条件下作用于特定对象（人或生物）而不产生不良或有害效应的最大阈值。它是由污染物同特定对象之间的剂量反应关系确定的，不考虑社会、经济、技术等人为因素，具有客观性。环境质量基准是保障人类生存活动及维持生态平衡的基本水准。环境质量标准（Environmental Quality Standard）是国家权力机构以前者为依据，考虑社会、经济、技术等因素，经过综合分析后，对环境中的有害因素在限定的时空范围内容许阈值所作的强制性法规，体现国家环境保护政策和要求，具有一定的主观性。,环境质量调查：是为了了解环境的质量状况而进行的一系列工作，调查的主要内容是环境背景值、自然环境状态、区域污染状况、人类干扰下环境的演变规律，以及环境因素的危害效应等。环境质量监测：指对环境指标进行定期的或连续的监测、观察和分析其变化。环境质量评价：指按照一定的标准，采用相应的方法对环境质量进行评定、比较及预测。环境质量调控：狭义：是采取合理有效的措施，调节和控制向环境中排放的污染物不超出允许的容纳量。广义：是采取人工手段，使环境要素变化不超过或能够达到一定的标准。环境质量预测：是对环境质量未来趋势所作的推断，是环境科学的重要组成部分，是制定环境法规，对环境进行科学管理，以及规划区域性人口、资源、生产布局的重要的基础性依据。,二、生物监测（Biomonitoring）,生物监测生物监测是利用生物个体、种群或群落对环境污染或变化所产生的反应阐明环境污染状况，从生物学角度为环境质量的监测和评价提供依据。思考：与理化监测相比，生物监测有何优缺点？能直接反映环境质量对生态系统的影响；不需购置昂贵的仪器及进行仪器保养和维修；可大面积或长距离内密集布点；不足之处：反应不够快速，无法精确监测某些污染物的含量，精度不高，易受环境因素的影响如季节和地理环境等。,第二节 生物监测与评价,一、大气污染的生物监测与评价（一）大气污染的植物监测方法指示植物法现场调查法植物群落调查法现场盆栽定点监测法地衣、苔藓监测法微核技术的应用污染量指数法大气污染的综合生态指标法,1.指示植物,指示生物的概念：指对环境中某些物质（包括污染物）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。指示生物的种类包括大气污染指示生物和水体污染指示生物。例如：指示节气枣花发，种棉花；杏花开，快种麦指示天气燕子低飞预示雨将来临，蜻蜓高飞预示天晴指示水质美国威斯康星地区湖泊中的软水指示植物为Gratiola，硬水指示植物为Ranunculus aquatilis。指示资源安徽的海州香薷指示铜矿，湖南念同的野韭指示金矿注：指示生物只在一定的时空范围内起作用：安徽的海州香薷只在安徽指示铜矿，在北方则无此作用。,海州香薷与铜矿资源,指示植物法,指示植物利用某些植物对某些有害气体的特殊敏感性，可以监测大气中该气体的浓度，这种植物就称为该大气污染物的指示植物。（1）大气污染指示植物应具备的条件对污染物反应敏感，受污染后的反应症状明显，且干扰症状少；生长期长，能不断萌发新叶；栽培管理和繁殖容易；尽可能具有一定的观赏或经济价值，以起到美化和监测双重作用,（2）常见大气污染指示植物二氧化硫污染指示植物：如地衣、苔藓、芝麻、向日葵、落叶松等氟化物污染指示植物：如郁金香、杏、葡萄、梅、雪松（幼嫩叶）等二氧化氮污染指示植物：向日葵、番茄、秋海棠、烟草等（3）指示植物的选择方法现场比较评比法栽培比较试验法人工熏气法,（4）常见有害气体对植物伤害的典型症状,表41 几种大气污染物对植物的危害症状,烟草气候斑病（O3）,乙烯导致香石竹“闭花反应”,SO2对玉米叶的伤害,枣果受氟化物伤害,（5）监测方法选择可靠的指示植物，了解其受害症状和受伤阈值，然后根据受害程度大小估测大气污染物的成分、浓度和范围。注：受伤阈值指引起指示植物受害的污染气体的最低浓度和暴露时间,2.现场调查法,具体方法：（1）选择观察点（2）调查了解主要大气污染物的种类、浓度和分布扩散规律（3）选择观察对象（4）根据调查目的和人力条件确定观测时间（5）确定观测项目（6）根据调查和资料对比分析，确定各种植物对有害其他的抗性等级。,3.植物群落监测法,该法是利用植物群落中各种植物对环境污染的反应估测大气污染的方法。如敏感植物受害，表明大气受到污染；如抗性中等的植物受害，表明大气污染较严重；如抗性强的植物受害，表明大气污染十分严重；在严重污染地区，敏感植物不存在。在长期受污染地区，一些群落多样性受到影响，从而使植物退化，由此可根据群落中物种多少及个体数量多少来评价大气污染状况。实例：某化工厂附近的植物群落调查,实例：某化工厂3050m范围内植物受害情况说明及分析,表42 某化工厂3050m范围内植物受害情况,情况分析：根据植物叶片出现的症状特点（伤斑出现叶脉间），表明该厂附近的大气已被SO2污染。从受害程度上看，由于一些对SO2抗性强的构树、马齿苋等已受到损害，可以判断该地区发生过急性危害，估测其SO2浓度为310 ppm。,4.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。,5.地衣、苔藓监测法,地衣、苔藓作为指示植物的特点这两类植物对二氧化硫和氟化氢等的反应比高等植物敏感；例如SO2年平均浓度在0.0150.105 mg/m3范围内就可使地衣绝迹；浓度超过0.017 mg/m3时大多数苔藓植物不能生存。地衣、苔藓生长在树干上，故可以减少土壤或水体污染的干扰。地衣、苔藓所需水分和养分等全部依赖于雨水和露，同时以植物整体吸收养分，而高等植物靠气孔来吸收大气中的污染物，故前者吸收污染物的量相对较多。生长速度比高等植物慢，一旦受损不易恢复，有利于掌握长时间的污染积累结果。两者为多年生长绿色植物，一年四季均可作为监测器。而高等植物往往冬季落叶，难以显示受害情况。取材方便，成本低，有直观效果，但在自然条件下难以获得精确可靠的定量数据。形体小，分类困难，不经过专门的学习不易掌握辨识方法。,观察指标通常观察地衣、苔藓植物的多度、盖度、频度、种类数量以及内外部受害症状等指标。在大气污染状况下，地衣、苔藓分布规律污染严重地区，地衣、苔藓植物很少或完全绝迹；随污染的减轻，地衣、苔藓植物种属增加，多度、盖度、频度等也逐渐增高并且在树干上的分布高度也升高。,6.植物监测的其他方法,微核技术的应用根据环境污染物会引起染色体畸变而形成微核的原理，利用紫路草花粉母细胞的微核数量指示环境污染状况，我国已应用该法来监测水、大气污染状况。污染量指数法KIPC监测点指示植物叶片中某污染物的含量/对照点同种植物中某污染物的含量大气污染的综合生态指标法根据植物种类和生长情况选择一些综合性的指标作为评价因子，仔细观察记录这些评价因子的特征，以此划分大气污染等级。,（二）大气污染的细菌总数测定,空气中微生物区系组成及数量变化与空气污染有密切关系，可用于监测空气质量。1.测定方法：沉降平皿法吸收管法撞击平皿法滤膜法 2.空气污染的微生物学评价指标评价空气微生物污染状况的指标可用细菌总数和链球菌总数目前对其的标准无正式规定，一般认为超过500-1000个/m3以上时，作为空气污染的指标,二、水污染的生物监测,水污染的生物监测主要包括以下方面：水污染的细菌学监测浮游生物监测法底栖大型无脊椎动物监测法微型生物群落监测法,1.水污染的细菌学监测,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。（1）细菌总数细菌总数指1mL水样在营养琼脂培养基中，于37、24小时培养后所生长的细菌菌落总数。它可反映水体有机污染的程度，如我国现行饮用水卫生标准规定，细菌总数1ml自来水不得超过100个。,细菌总数的测定方法,检验步骤：无菌操作条件下，1ml水样注入培养皿，接着再注入15ml已融化并冷却至45左右的培养基，混匀。凝固后培养24h进行计数。细菌数=每皿细菌数稀释倍数菌落计算方法与报告方式 不同情况的计算方法 报告方式：用10的指数法表示,（2）大肠菌群数,大肠菌群是一群需氧及兼性厌氧的革兰氏阴性无芽孢杆状细菌，能在37培养24h内使乳糖发酵产酸产气。主要来源于人畜粪便中，在肠道中普遍存在并且是数量最多的一种。故大肠杆菌群的检测作为监测水体是否受粪便污染的指标。大肠菌群数指每升水样中含有的大肠菌群的数量。如每升饮用水中大肠菌群数不得超过3个。大肠菌群数的测定：发酵法（多管发酵法或三步发酵法）和滤膜法。,细菌产气试验,2.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、枝角类等浮游生物监测法的特点浮游生物尤其是浮游植物中的某些种类对有机污染或化学污染非常敏感，长期被用作指示生物，但由于浮游生物的不稳定性且常常集群分布，因而其作为水质指示生物的可靠性和准确性受到限制。浮游生物监测法的具体步骤采样检验标本的制作计数：计数框、拉季微量计数法、滤膜计数法等生物量的测定：叶绿素a法；生物体积法；重量法；ATP测定法,3.底栖大型无脊椎动物监测法,底栖大型无脊椎动物包括水生昆虫、大型甲壳类、软体动物、环节动物等，一般栖息在水底或附着在水中植物和石块上，肉眼可见。底栖大型无脊椎动物监测法在未受干扰的环境里，河流和湖泊中大型无脊椎动物群落的组成和密度比较稳定，这些群落可调节群落结构来反映生境质量变化，这些对环境变化的反应可用来监测和评价城市、工业、石油、农业废物及其土地利用对自然水体的影响。,4.微型生物群落监测法,微型生物群落微型生物群落是生活在水中的微小生物，包括藻类、原生动物、轮虫、线虫、甲壳类等，如环境受到外界的严重干扰，其群落的平衡被破坏，其结构特征也随之变化，因而可用其进行水体的监测和评价。PFU法（聚氨酯泡沫塑料块法）PFU孔径为100-150m为好，规格56.57.5cmPFU可浮于水面或在不同深度分层悬挂，须有垂坠物。PFU挤出液可见到水体中大约85%原生动物种类，可反映整个群落动态变化的全过程和基本趋势。,（二）水环境质量的生物学评价,水环境质量的生物学评价有以下几种方法：一般描述对比法指示生物法污水生物系统法生物指数法种的多样性指数生产力法残留量指数及富集系数,1.一般描述对比法,根据对调查水体的水生生物的区系组成、种类、数量、生态分布、资源情况等的描述，对比区域内同类型水体或同一水体的历史资料，对目前的环境质量作出评价。这是常用的一种方法，但需要评价人员有较为丰富的经验，且资料的可比性较差，不易标准化。,2.指示生物法,水体污染指示生物根据水环境中有机污染或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，来指示其所在水体或河段内有机物或某种特定污染物的多寡和分解程度，是最经典的生物学评价水质的方法。常采用底栖动物中的环节动物、软体动物、固着生活的甲壳动物以及水生昆虫等。它们个体较大，在环境中相对位移小，无逃避行为，生命周期较长，故成为水体污染指示生物的重要研究对象。常用的水体污染指示生物种类水体严重污染的指示生物：颤蚓类、毛蠓、细长摇蚊幼虫、绿色裸藻、静裸藻等指示清洁水体的生物：纹石蚕、扁蜉、蜻蜓的稚虫、田螺等,Hellawell推荐作为指示生物的各种生物所占的百分数,图41 Hellawell推荐作为指示生物的各种生物所占的百分数,3.污水生物系统,污水生物系统法的原理受污染的河流由于自身的自净过程从而导致自上游往下游形成一系列在污染程度上逐渐减轻的连续带。随污染物浓度的降低，生物种类也发生变化，每一带都生存有大体上能够表示这一带特性的动物和植物，由此可以将河流依次划分为四个污染带，即多污带、中污带、中污带、寡污带，从而可以根据一条河流中一定区域内所发现的动物区系和植物区系来鉴别该区域的有机污染程度。,Kolkwitz和Marsson污水生物系统的化学和生物特征,污水生物系统的应用主要应用对象是被生活污水污染的水域，对重金属和其他工业废水引起的污染水域的应用问题尚需进一步研究；这个系统注重单纯以某种生物评价水污染，一定程度上可靠性受到影响，而且没有定量关系；应用该法来监测和评价环境比较全面，但工作很繁重，耗费时间，而且需要具有熟练的分类知识，同时调查结果也不易表示。,4.生物指数,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，主要有六个方面：某些对污染有指示价值的生物种类，例如对某种污染物敏感或有耐受性的种类的出现或消失，导致群落结构的种类组成变化。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的减少。组成群落的个别种群变化（如数量变化等）。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）几种生物指数的公式及含义 Beck生物指数：第一个真正意义上的生物指数 公式：IB2n An B n A为底栖大型无脊椎动物中不耐有机污染的种类，n B为底栖大型无脊椎动物中能耐受中等程度的污染但非完全缺氧条件的种类。IB0时，表示重污染；IB在110之间时为中等污染；IB大于10时为清洁水体。硅藻生物指数：用河流中硅藻的种类数计算 I为硅藻生物指数；A为不耐污的种类数；B为对有机污染无所谓的种类数；C在污染区内独有的种类数,特伦特（Trent）生物指数：系一种经验的生物指数，按照调查所得样本中大型底栖无脊椎动物的类群总数及属于6类关键性生物类群的种类数而确定其生物指数。生物指数值的范围从10（指示清洁水）随污染程度的增加而下降，直到0（水质严重污染）。此法中生物类群鉴定并不需要一一鉴定到种，仅需统计种的数目。,（2）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。每种生物指数仅能反映生物学效应里六个方面的某几项信息，应用时最好用几种不同的生物指数及物理、化学指标，综合进行评价。,5.种的多样性指数,（1）什么是多样性指数？多样性指数是生物群落中种类与个体数的比值。多样性指数法的工作原理在正常水体中群落的结构相对稳定，水体受到污染后，群落中敏感种类减少，而耐污种类的个体数则大大增加，污染程度不同，生物群落变化也不同，所以，可以用多样性指数来反映水体污染状况。,（2）几种多样性指数的公式及含义香农韦弗多样性指数公式：注1：H多样性指数；N群落的个体总数；n i第 i种生物的个体数。注2：此公式的计算经多人的调查资料发现，H在0任何正数之间变动。全部生物个体为一个种时，H0；全部个体各属不同种时，H最大。注：当H小于1时为重污染带；在13时为中污染带；大于3时为寡污带。,辛普森（Simpson）多样性指数 ni为i种的个体数；N为总个体数。d越大表示污染越轻 格利森（Gleason）和马格列夫（Margalef）多样性指数 S为种类数；N为总个体数。D越大表示水质越清洁,6.生产力,生产力：反映一个生态系统内物质循环和能量流动的指标。常用的几种评价方法P/R值：初级生产量P和呼吸量R的比率。自养指数 I AI：去灰分重（mg/m3）和叶绿素含量（mg/m3）的比值。残留量指数及富集系数 残留量指数 IC i/Cs i 富集系数 K C i/Cs i（可按不同化合物或元素及不同生物种类进行迭加或平均）注：C i生物个体或种群的某种化合物或元素的实测残留量，mg/kg；Cs i环境中的本底值，mg/kg。比值小于1时表明水体未受污染，比值大于1时表明水体受到污染，并按不同数值划分污染程度。,（三）生物标志物,概念：生物标志物（Biomarker）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称之为生物标志物。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。,1.生物标志物分类,有很多分类方法。应用最广的是将其分为暴露生物标志物和效应生物标志物。暴露生物标志物（Exposure Biomarkers）：可指示机体对化学污染物的暴露，但不显示发生这种变化所造成的不利效应的程度。如污染化学物在体内的代谢产物及浓度。效应生物标志物（Effect Biomarkers）：可证明化学污染物对机体的不利效应。如乙酰胆碱酯酶抑制。有些生物标志物即可只是机体对化学污染物的暴露也可证明对机体产生的不利效应。如DNA加合物,2.生物标志物的特异性 生物标志物的特异性差异很大。,生物标志物以特异性降低的顺序排列,3.作为生物标志物的基本原则：一般指示性；相对敏感性；生物特异性；化学特异性；反应的时间效应；固有的变化性；与高级生物学水平上效应的关系；野外应用价值。4.监测和评价中生物标志物的作用：监测和评价的目的之一是要在最早期阶段发现污染物的危害。生物标志物是污染物作用于生物机体的早期反应，应用其进行监测能在最早期阶段发现污染物的危害，起到“预警”系统的作用。由于生物化学反应和生理作用在不同种之间具有相似性，以一个物种的生物标志物的监测结果预测污染物对另一个物种的影响更加准确和精确，可以应用低等物种来预测高等物种，甚至人群。生物标志物未能广泛应用的原因：对许多环境污染物来说，化学分析方法相对容易和简单；目前人们研究的重点是发展生物标志物，而不是生物标志物的应用；现阶段还很难阐明生物标志物的监测结果与特定环境改变之间的关系；缺乏了解生物标志物的效应与相关种群、群落和生态系统水平上效应的直接联系，即缺乏了解生物标志物的生态相关性。,第三节 生态环境质量评价,一、生态环境质量及其内涵,“生态环境质量的评价和分析”方面的文献很少涉及其实质性问题，如生态环境质量的定义、基准、内容、标准等。主要是因为生态系统的复杂性和动态性增加了对其分析、评价的难度。,二、生态环境质量的背景问题,在评价生态环境质量时，一个重要的问题是背景值的状况。生态环境质量在无人为干扰时，应是生态环境最基本的背景。,应从生态系统本身的生命成分中选取可以标度整个系统质的改变的参变量。如属于生态结构方面的营养结构、群落结构、种群年龄结构等。,三、生态环境质量评价参数,四、生态环境质量预测,环境质量预测是根据环境质量的内在规律及现实状况对未来发展变化作出推断。这种推断仅是趋势性的分析，虽然采用定量的数学公式或其他现代化手段，但获得的结果仍是一种大致的估算。,第四节 化学品生态风险评价,一、基本概念风险（Risk）：不利事件发生的概率，是指一个事件产生我们所不希望的后果的可能性。风险评价（Risk Assessment）：在环境科学研究范围内，它主要针对有害废物而言，包括各种污染物、有毒物质和有害化学品。风险评价可分为生态风险评价和健康风险评价两大类。生态风险评价指确定环境危害（环境中出现的物理的、化学的或生物的媒介）对非人群生态系统不利影响的概率和大小，以及这些风险可接受程度的过程。健康风险评价侧重于人群的健康。,二、生态风险评价的主要内容,暴露评价：提供有害物质在生态环境中的时空分布规律，即受体所在环境中有害物质的形态、浓度分布以及浓度的变化过程受体分析：可能遭受危害的生物个体、种群、群落或生态系统的相关信息危害评价：研究剂量效应关系，提出某种控制指标或阈值风险表征：根据上述信息综合分析，给出有无风险及风险大小的结论,第五节 有害物理因素的生物学效应的评价,一、环境噪声的生物学效应 噪声（Noise）是指凡是干扰人们休息、学习和工作的声音，即不需要的声音。此外，振幅和频率杂乱、断续或统计上无规律的声振动，也称噪音。1.城市环境噪声源：交通噪声、工业噪声、施工噪声、社会生活噪声2.环境噪声污染特点是能量污染，发声源停止，污染即自行消除是感觉公害，同样危害人类健康具有局限性和分散性，绿化带或建筑物可减弱声能量,3.环境噪声对人体健康的影响对听觉器官的影响对神经系统的影响对心血管系统的影响对内分泌的影响4.环境噪声标准及其居民主观评价法执行标准声环境质量标准 GB 3096-2008,二、放射性污染的生物学效应,（一）放射性污染的来源天然放射性人工放射性核武器的使用与试验核燃料的开采、加工与再处理核电站同位素应用（二）对人体的影响 急性辐射损伤 辐射的远期效应：致癌、白血病、白内障、寿命缩短、遗传效应,三、射频电磁辐射的生物学效应,（一）射频电磁辐射的污染源 天然：某些自然现象引起 人为：脉冲放电，工频交变电磁场，射频电磁辐射（二）射频电磁辐射对人体的影响 热效应；非致热效应（乏力、记忆力减退、胸闷、脱发、易激动等）,