环境监测与仪器分析第六章生物.ppt

第六章 环境污染生物监测,教学目的和要求:1、理解水环境污染生物监测和空气污染生物监测的基本原理和方法；2、理解生物样品的采集、制备和预处理方法。,第六章 环境污染生物监测,环境监测中理化监测的不足：,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。,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0.000003mgL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。,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,1.贝克生物指数和贝克-津田生物指数,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：所有拟评价或监测的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。,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。,（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、-中污带段、-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。,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(Polyurechane Foam Unit，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90Seq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90Seq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90Seq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3 cm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7 d以上；试验前一天停止喂食；如果在试验前4 d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1228，对温水鱼为2028。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6.78.5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,安全浓度=,安全浓度=48TLm0.1,图6.2 用直线内插法求TLm,流水式鱼类急性毒性试验,（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435630nm，有单一最大发射峰(max=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.致诱变物质监测其它检测方法有：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隙进入植物体内，侵袭细胞组织，并发生一系列生化反应，从而使植物组织遭受破坏，呈现受害症状。这些症状虽然随污染物的种类、浓度以及受害植物的品种、曝露时间不同而有差异，但具有某些共同特点，如叶绿素被破坏、细胞组织脱水，进而发生叶面失去光泽，出现不同颜色（黄色、褐色或灰白色）的斑点，叶片脱落，甚至全株枯死等异常现象。,二氧化硫指示植物,堇菜,苔藓,白蜡树,云杉,地衣,棉花,白杨,图6.3 部分二氧化硫指示植物,光化学氧化物指示植物,矮牵牛花,葡萄,菠菜,黄瓜,马铃薯,洋葱,图6.4 O3的指示植物,雪松,葡萄,金钱草,杏树,慈竹,郁金香,图6.5 氟化物的指示植物,氟化物指示植物,乙烯的指示植物,万寿菊,皂荚树,黄瓜,番茄,兰花,图6.6 乙烯的指示植物,氮氧化物指示植物,向日葵,菠菜,秋海棠,番茄,烟草,图6.7 氮氧化物指示植物,（二）监测方法,1.栽培指示植物监测法先将指示植物在没有污染的环境中盆栽或地栽培植，待生长到适宜大小时，移至监测点观察它们的受害症状和程度。,图6.8 植物监测器示意图,1.气泵；2.针型阀；3.流量计；4.活性炭净化器；5.盆栽指示植物,2、植物群落监测法 先通过调查和试验，确定群落中不同种植物对污染物的抗性等级，将其分为敏感、抗性中等和抗性强三类。如果敏感植物叶部出现受害症状，表明空气已受到轻度污染；如果抗性中等的植物出现部分受害症状，表明空气已受到中度污染；当抗性中等植物出现明显受害症状，有些抗性强的植物也出现部分受害症状时，则表明已造成严重污染。,表6.3 排放SO2的某化工厂附近植物群落受害情况,二、利用动物监测,（一）利用动物个体的异常反应,对矿井内瓦斯毒气敏感的动物:,金丝雀,金翅雀,鸡,老鼠,图6.9 对矿井内瓦斯毒气敏感的动物,对SO2敏感的动物:,敏感性水平：,本鸟最高,俺狗狗第二,耐受力最好的当属我们家禽了,金丝雀,狗,家禽,图6.10 对SO2敏感的动物,（二）利用动物种群数量的变化,受不了啦，快跑吧！,大型哺乳动物、鸟类、昆虫等迁移,图6.11 大型哺乳动物、鸟类不堪忍受空气污染而迁往别处,不易直接接触污染物的潜叶性昆虫、虫瘿昆虫、体表有蜡质的蚧类增加，图6.12为部分该类昆虫。,潜叶蛾,瘿蚊,红蜡蚧,图6.12 部分昆虫和蚧类,三、利用微生物监测,空气微生物是空气污染的重要因子，它与气溶胶、颗粒物等媒体一起散布并污染环境、左右疾病发生与传播，监测空气微生物状况是掌握其活动和作用的必要前提。室内空气微生物监测：,某医院的空气微生物监测163份标本，合格88份，合格率仅54；表明空气微生物的污染与医院感染密切相关，加强消毒隔离措施、合理使用抗生素，控制医院感染是十分重要的。,室外空气微生物监测：,辽宁省某市空气中微生物区系分布与环境质量关系研究表明：空气中微生物的数量随着人群和车辆流动的增加而增多，繁华的中街微生物数量最多，其次是交通路口，居民小区；郊区某公园和农村空气中细菌最少。2001和2002年山东省某海滨城市空气微生物监测发现：该市空气微生物检出率高，空气处于微生物中度污染状态。其中东部、居住区空气污染较重，南部、西部和风景游览区空气污染较轻。滨海区空气陆源细菌少于内陆区，真菌却较多。滨海与内陆区空气微生物含量相近，滨海区空气陆源微生物增多，意味两区空气污染有趋同现象。,第三节 生物污染监测,生物污染监测就是应用各种检测手段测定生物体内的有害物质，以便及时掌握被污染的程度。生物污染监测的步骤：,生物样品的采集,预处理,污染物的测定,生物样品制备,一、生物对污染物的吸收及在体内分布,(一)植物对污染物的吸收 及在体内分布空气污染物主要通过粘附、从叶片气孔或茎部皮孔侵入方式进入植物体；植物通过根系从土壤或水体中吸收水溶态污染物。,氟化物、农药等,污染物,图6.13 植物对气态污染物的吸收,图6.14 植物从土壤或水体中吸收污染物,植物内污染物的分布见表6.4和表6.5。,表6.4 成熟期水稻各部位中的含镉量,表6.5 氟污染区蔬菜不同部位的含氟量 单位：g/g,表6.6 农药在稻谷中的蓄积情况,表6.7 农药在水果中的蓄积情况,（二）动物对污染物的吸收及在体内分布环境中的污染物一般通过呼吸道、消化道、皮肤等途径进入动物体内;水和土壤中的污染物质主要通过饮用水和食物摄入，经消化道被吸收;脂溶性污染物质通过皮肤吸收后进入动物肌体。,呼吸道,消化道,皮肤吸收,图6.15 动物对污染物的吸收方式,二、生物样品的采集和制备,1.植物样品的采集(1)对样品的要求：采集的植物样品要具有代表性、典型性和适时性。(2)布点方法：在划分好的采样小区内，常采用梅花形布点法或交叉间隔布点法确定代表性的植株。,(一)植物样品的采集和制备,(3)采样方法：在每个采样小区内的采样点上分别采集510处植株的根、茎、叶、果实等，将同部位样混合，组成一个混合样；采集样品量要能满足需要，一般经制备后，至少有2050g干重样品。,图6.16 采样点布设方法,2.植物样品的制备(1)鲜样的制备：测定植物内容易挥发、转化或降解的污染物质、营养成分，以及多汁的瓜、果、蔬菜样品，应制备成新鲜样品。样品洗净晾干或拭干捣碎机捣碎制浆研磨(2)干样的制备：风干、烘干磨碎过筛保存 3.分析结果表示方法常以干重为基础表示（mg/kg），但含水量高的蔬菜、水果等，以鲜重表示计算结果为好。,(二)动物样品的采集和制备,动物的尿液、血液、唾液、胃液、乳液、粪便、毛发、指甲、骨骼和组织等均可作为检验样品。,三、生物样品的预处理,(一)消解和灰化,湿法消解灰化法,图6.17 高频电场激发灰化 装置示意图,图6.18 氧瓶燃烧灰化装置示意图,提取方法分离方法,液-液萃取法蒸馏法层析法：磺化法和皂化法气提法和液上空间法低温冷冻法,振荡浸取法组织捣碎提取法脂肪提取器提取直接球磨提取法,(二)提取、分离和浓缩,(三)浓缩方法,蒸馏法K-D浓缩器蒸发法等,索式提取器结构示意图,四、污染物的测定,测定方法主要有分光光度法、原子吸收光谱法、荧光分光光度法、色谱法、质谱法和联机法等。,表6.8 硅酸镁-乙醚-石油醚层析体系分离农药,第四节 生态监测,生态监测就是运用可比的方法，在时间或空间对一定区域范围内的生态系统或生态组合体的类型、结构和功能及其组成要素进行系统的测定和观察的过程。生态监测不同于环境监测。生态监测是指预先制定的计划和用可比的方法，在一个区域范围内对各生态系统变化情况以及每个生态系统内一个或多个环境要素或指标进行连续观测的过程。生态监测是一个动态的连续观察、测试的过程，少则一个或几个生态变化周期，多则几十个、几百个生态变化周期。在时空上少则几年，多则几十年或更长一段时间。,生态监测的目的：了解所研究地区生态系统的现状及其变化；根据现状及变化趋势为评价已开发项目对生态环境的影响和计划开发项目可能的影响提供科学依据；提供地球资源状况及其可利用数量。,一、生态监测的类型及内容,(一)宏观生态监测宏观监测地域面积至少应在一定区域范围之内，对一个或若干个生态系统进行监测，最大范围可扩展至一个国家、一个地区基至全球。主要监测区域范围内具有特殊意义的生态系统的分布、面积及生态功能的动态变化。,(二)微观生态监测 微观监测指对一个或几个生态系统内各生态要素指标进行物理、化学、生态学方面的监测。根据监测的目的一般可分为：1.干扰性生态监测 2.污染性生态监测 3.治理性生态监测 4.环境质量现状评价监测,（三）生态类型的划分森林生态系统草原生态系统农村生态系统城市生态系统,（四）生态监测指标选择自然指标：自然景观、自然状况、自然因素人为指标：人文景观、人为因素一般性监测指标：重点生态监测指标、常规生态监测指标应急监测指标：自然和人为因素造成的紧急生态问题监测,(1)全球气候变暖引起的生态系统或动植物区系位移；(2)珍稀、濒危动植物种的分布及其栖息地；(3)水土流失面积及其时空分布和对环境影响；(4)沙漠化面积及其时空分布和对环境影响；(5)草场沙化退化面积及其时空分布和对环境影响；(6)人类活动对陆地生态系统（森林、草原、农田、荒漠等）结构和功能的影响；(7)水环境污染对水体生态系统（湖泊、水库、河流和海洋等）结构和功能的影响；(8)主要环境污染物（农药、化肥、有机污染物和重金属）在土壤-植物-水体系统中的迁移和转化；(9)水土流失地、沙漠化地及草原退化地优化治理模式的生态平衡恢复过程；(10)各生态系统中微量气体的释放通量与吸收情况。,(五)我国优先监测的生态项目,二、生态监测方案,（1）监测目的；（2）监测的方法及使用设备；（3）监测场地描述：土壤类型、植被、海拔、经纬度、面积；（4）监测频度；（5）监测起止时间、周期；（6）数据的整理：观测数据、实验分析数据、统计数据、文字数据、图形数据、图像数据，编制生态监测项目报表；（7）监测人员及监测要求。,（一）监测方案的编制,(1)国家采用的生态监测仪器属大型监测设备，如：遥感、地理信息系统、地理图像系统；(2)常规生态监测选择小型仪器。一般的测试系统，应由传感器、中间变换设备、传输设备、数据处理设备、显示记录设备几部分组成。,图6.22 热岛现象研究遥感图,图6.21 非洲地理图像,（二）监测仪器的选择,图6.23 地球遥感图,图6.24 某地地理信息图,生态监测平台是宏观生态监测的工作基础，它以遥感技术作支持，并具备容量足够大的计算机和宇航信息处理装置。生态监测站是微观生态监测工作的基础，它以完整的室内外分析观测仪器作支持，并具备计算机等信息处理系统。,（三）生态监测平台和生态监测站,(1)能反映生态系统的各个层次和主要生态环境问题，并以结构和功能指标为主；(2)筛选那些受外界条件影响大、改变快、具有综合性代表意义的指标作为优先监测指标；(3)考虑可操作性及实际监测能力。,（四）生态监测指标确定原则,表6.9 陆生生态系统监测指标,表6.10 水生生态系统监测指标,四、生态监测方法,1.地面监测,地面监测中获得：降雨量、土壤湿度、小型动物、动物残余物（粪便、尿和残余食物）等。地面测量采样线一般沿着现存的地貌，如小路、家畜和野兽行走的小道。收集数据，包括植物物候现象、高度、物种、物种密度、草地覆盖以及生长阶段、密度和木本 物种的覆盖；观察动物活动、生长、生殖、粪便及食物残余物等。,2.空中监测,图6.25 空中监测飞行路线图,图6.26 空中观察示意图,3.卫星监测,卫星监测最大的优点是覆盖面宽，可以获得人工难以到达的高山、丛林资料；由于目前资料来源增加，费用相对降低。但对地面细微变化难以了解。因此地面监测、空中监测和卫星监测相互配合才能获得完整的资料。,本 章 结 束谢 谢！,