环境生物技术5(17)环境污染的生物监测技术 (司)ppt课件.pptx

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1、Biological Monitoring Technigue of Environmental Pollution环境污染的生物监测,司万童内蒙古科技大学 E-mail:,第五章 第五节,环境生物技术,理解生物监测的原理及其优缺点；掌握水环境污染的生物监测的原理和方法；了解空气和土壤污染的生物监测以及生物污染监测的原理和方法；理解生物监测的采样方法和实验设计中水体、土壤和大气污染监测的异同；,本章教学目标：,本章教学重点：水环境污染的生物监测原理和方法,环境监测技术,直接性,间接性,对谁而言？,物理化学监测技术,仪器监测技术,生物监测技术,复合污染,单一污染,原位检测,异位监测,标准,模型,

2、评价终点,评价终点,直接性,生物监测（Biomonitoring）,生物监测：利用植物、动物和微生物在污染环境中所产生的各种反映信息来判断环境质量的方法，是一种最直接也是一种综合的方法。生物监测是利用生物个体、种群或群落、（分子、蛋白）对环境污染或变化所产生的反应信息（生物标志物，暴露 效应 易感）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。,环境质量（Environmental Quality）,环境质量基准Environmental Quality Criteria,环境质量标准Environmental Quality Standard,环境污染生物监测与评价的出发点就

3、是环境质量问题。,生物监测在实际应用中的瓶颈在哪里？,环境质量标准定义：是国家权力机构以环境质量基准为依据，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。,环境质量基准定义：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。,你更倾向于选择那杯水？,A,B,A：III类水，100种指标均刚好达标,B：V类水，只有1种指标超标，其他均未检出,（GB57492006）,

4、生物监测的重要性,环境污染的生物监测,生物污染监测（生物测试法依据）,植物监测（应用较多）,水环境污染的生物监测,细菌学检验法,生物测试法(染毒),生物群落监测方法,动物监测,微生物监测,水污染指示生物法生物指数法 污水生物系统法 PFU微型生物群落监测法,空气、土壤污染的生物监测,(GB),水污染的生物监测与评价,水污染生物监测目的：了解水污染对生物的危害状况，判别和测定水体污染的类型和程度，为制定控制污染措施和使水环境生态系统保持平衡提供依据。（地表水和地下水）,主要内容提纲,水污染的生物监测法水污染的细菌学监测法浮游生物监测法大型无脊椎动物监测法生物群落监测法,表：河、湖、库淡水生物监测

5、项目及频率,浮游植物是一个生态学概念，是指在水中以浮游生活的微小植物，通常浮游植物就是指浮游藻类，已知全世界藻类植物约有40000种，其中淡水藻类有25000种左右，而中国已发现的（包括已报道的和已鉴定但未报道的）淡水藻类约9000种。,浮游植物,蓝藻门 绿藻门硅藻门金藻门黄藻门甲藻门隐藻门裸藻门,浮游动物是一类经常在水中浮游，本身不能制造有机物的异养型无脊椎动物和脊索动物幼体的总称，在水中营浮游性生活的动物类群。它们或者完全没有游泳能力，或者游泳能力微弱，不能作远距离的移动，也不足以抵拒水的流动力。,浮游动物,原生动物腔肠动物甲壳纲毛颚动物被囊动物浮游幼虫,底栖动物是生活在水体底部的动物群落

6、。是指生活史的全部或大部分时间生活于水体底部的水生动物群。除定居和活动生活的以外，栖息的形式多为固着于岩石等坚硬的基体上和埋没于泥沙等松软的基底中。此外还有附着于植物或其他底栖动物的体表的，以及栖息在潮间带的底栖种类。在摄食方法以悬浮物摄食和沉积物摄食居多。,底栖动物,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）水样采集 采集细菌学检验用水样，必须严格按照无菌操作要求进行；防止在运输过程中被污染，并应迅速进行检验。一般从采样到检验不宜超过2小时；在10以下冷藏保存不

7、得超过6小时。采集江、河、湖、库等水样，可将采样瓶沉入水面下1015cm处，瓶口朝水流上游方向，使水样灌入瓶内。需要采集一定深度的水样时，用采水器采集。采集自来水样，首先用酒精灯灼烧水龙头灭菌或用70%的酒精消毒，然后放水3分钟，再采集约为采样瓶容积的80%左右的水量。,水污染的细菌学监测指标有以下两个：（1）细菌总数；（2）大肠菌群数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。它可反映水体微生物污染的程度，如每1毫升自来水中细菌总数不得超过100个。,细菌总数的测定,操作步骤：用作细菌检验的器皿、培养基等均需灭菌。制备营养琼脂培养基。,以无菌操

8、作方法用1mL灭菌吸管吸取混合均匀的水样（或稀释水样）注入灭菌平皿中，倾注约15mL已融化并冷却到45左右的营养琼脂培养基，并旋摇平皿使其混合均匀。每个水样应做两份，还应另用一个平皿只倾注营养琼脂培养基作空白对照。待琼脂培养基冷却凝固后，翻转平皿，置于37恒温箱内培养24小时，然后进行菌落计数。用肉眼或借助放大镜观察，对平皿中的菌落进行计数，求出1mL水样中的平均菌落数。报告菌落计数时，若菌落数在100以内，按实有数字报告；若大于100时，采用两位有效数字，用10的指数来表示。例如，菌落总数为37750个/mL，记作3.8104个/mL。,大肠菌群数大肠杆菌是一群需氧和兼性厌氧的、能发酵乳糖、

9、产酸、产气的革兰氏阴性无芽孢杆状细菌。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。总大肠菌群是指那些能在35、48小时之内使乳糖发酵产酸、产气、需氧及兼性厌氧的、革兰氏阴性的无芽孢杆菌，以每升水样中所含有的大肠菌群的数目表示。,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：多管发酵法和滤膜法,2、水污染的浮游生物监测法,浮游生物（plankton），泛指生活于水中而缺乏有效移动能力的漂流生物，其中分有浮游植物及浮游动物。部分浮游生物具游动能力，但其游动速度往往比它自身所在的

10、水流流速来得缓慢，因而不能有效地在水中灵活游动。,浮游生物监测法的特点浮游生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生物量的测定：叶绿素a法；生物体积法；重量法；ATP测定法,（1）浮游植物 浮游植物是生态学范畴上的类群，包括所有生活在水中浮游生活方式的微小植物。通常所说的浮游植物就指浮游藻类，而不包括细菌和其他植物。浮游植物中常见蓝藻门、隐藻门、甲藻门、金藻门、黄藻门、硅藻门、裸藻门和绿藻门。特征：浮游植物含有叶绿素，能利用光能进行光合

11、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,浮游植物监测法具体步骤 水样的采集 水样的固定 沉淀和浓缩 计数 生物量的测算 结果计算,浮游生物连续在线监测系统,采样工具：浮游生物采集网（定性样品），

12、孔径64m和86m两种；采样器（定量样品），容量为2.5 L和5 L两种。采样点设置：应根据水体的面积、形态特征、工作的条件和要求、浮游植物的生态分布特点等设置采样点和确定采样频率。在水体的中心、沿岸区、主要进出水口附近必须设有代表行的采样点。采样频率：根据工作目的，每月采样14次，或每季度一次，或春、夏各一次。,采样层次 当水深 10m，在上层或温跃层以下，可每隔2m5 m各采一样采样时间 应尽量在一天的相近时间，比如上午8:0010:00.采水量 一般采水样1000mL，同时用网孔为的浮游生物网再采一次样，专门用于观察鉴定浮游植物种类。,浮游生物网采样,浮游生物采样器岸边采样,浮游生物采样

13、器网采样,水样的固定 计数用水样应立即用鲁哥氏液（6 g KI，4 g I2，100 mL水，棕色瓶保存）加以固定，即杀死水样中的浮游植物和其他生物定量水样一般用1 L。固定剂量为水样的1%，即1 L水样中加10 mL左右，使水样呈棕黄色即可。需长期保存的样品，再在水样中加入5 mL左右甲醛溶液。,沉淀和浓缩 沉淀和浓缩在筒形分液漏斗中进行。把水样倒入分液漏斗，使浮游植物自然沉淀。一般浮游藻类大小在1 m50 m之间，再经过碘液固定后，下沉较快，所以静置沉淀时间一般可为48 h。在野外条件下，为节省时间，也可采取分级沉淀法。,计数 对采到的优势种要求鉴定到种，一般到属。目前我国通用的计数框是由

14、玻璃条组成的方框，面积为20 mm20 mm，容量0.1 mL，框内划分横直各10行格，共100个小方格。将计数样品充分摇匀后，迅速吸取0.1mL样品至计数框中，盖上盖玻片。计数框内应无气泡，也应无样品溢出。气温高时，为防止在长时间计数过程中水分蒸发而出现气泡，可在盖玻片四周封以液体石蜡。计数时，显微镜的目镜可用10，物镜40，但根据情况可加以变动。,为减小工作量，一般不对整个计数框内水样中的浮游植物都计数，而只选取一部分样品计数。常用行格法和视野法。视野法：由所用目镜的视场直径值除以物镜放大率求得视野直径，再按圆面积公式（1/4 d2）求得视野面积。,生物量的测算 浮游植物不同种类的个体大小

15、相差悬殊，因此用数量表示存在较大的片面性。由于浮游植物的个体太小，很难直接称重，所以一般都通过计数和测量体积，按密度值为1进行换算。体积的测定：现成的资料（不同藻类细胞体积）；研究者自己测定。各种浮游藻类的数量乘以各自的平均体积，单位为mgL-1或是gm-3。这种换算的生物量为湿重。,结果计算与分析N：浮游植物数量，cell L-1A：计数框面积，mm2Ac：视野面积，mm2Vs：1L原水样沉淀浓缩后的体积，mLVa：计数框的容量，mLn：计数所得浮游植物的数目，cell,（2）浮游动物 浮游动物是悬浮于水中，缺乏自主游泳能力的动物。浮游动物的组成十分复杂，但在淡水水域中主要由原生动物、轮虫、

16、甲壳动物中的枝角类和跷足类这四大类水生无脊椎动物组成。,变形虫（原生动物）,轮虫,枝角类,水蚤（跷足类）,浮游动物监测法具体步骤 水样的采集和固定同浮游植物监测法。样品的浓缩 沉淀法同浮游植物定量样品的沉淀法。过滤法：甲壳动物一般个体较大，在水体中的丰度也较低，因此要用浮游生物网（孔径64m）过滤较多的水样才有较好的代表性。,浮游生物网采样,镜检计数及计算 原生动物：0.1mL计数框；轮虫：1mL计数框,N：1 L水样中浮游动物个体数，ind L-1Vs：沉淀体积，mLVa：计数体积，mLV：采样体积，L n：计数所获得的个体数，ind,甲壳动物：将经25号浮游生物网（孔径64 m）过滤后的过

17、滤物放入标本瓶中，直接计数。,随堂作业（1）取1L水样，浓缩至30mL，样品充分摇匀后取0.1mL，计数原生动物两片，获得平均值50个；吸取1mL样品计数轮虫，计数两片获得平均值为30个；（2）取20L水样，经25号浮游生物网过滤后，滤缩标本全部计数得各种枝角类50个；跷足类成体、幼体80个，无节幼体400个。请分别计算浮游动物数。包括：原生动物、轮虫、枝角类、跷足类。,答案,答案：原生动物：1L水中 15 000 个；轮 虫：1L水中 900 个；枝角类：1L水中 2.5 个；跷足类：1L水中 24 个。,3、底栖大型无脊椎动物监测法,底栖大型无脊椎动物监测法,底栖大型无脊椎动物底栖动物是栖

18、息在水体底部淤泥内、石块或砾石表面及其间隙中，以及附着在水生植物之间的肉眼可见的水生无脊椎动物，其体长超过2mm，亦称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。,摇蚊,水丝蚓,颤蚓,蚌,底栖动物监测法具体步骤 水样的采集：采泥器法 面积为1/6 m2的带网夹泥器，采集软体动物等大型底栖动物；面

19、积为1/40 m2的艾克曼采泥器，采集寡毛类和昆虫幼虫；面积为1/16 m2或1/20 m2的彼得生采泥器，采集寡毛类、昆虫幼虫和小型软体动物。水样采集后要进行洗涤，然后分样。,标本的固定 样品鉴定 计数和称重 结果表达 将计数和称重获得的结果换算成每m2 面积上的个数（ind m-2）或生物量（g m-2）,4、微型生物群落监测法,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，群落结构单一化。这是生物群落监测法

20、的理论依据。,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）原理：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。,中华人民共和国国家标准 GB/T 12990-91水质微型生物群落监测PFU法,着生生物监测法,着生生物 着生生物（即周丛生物）是指附着于长期浸没水中的各种基质（植物、

21、动物、石头、人工）表面上的有机体群落。,水生维管束植物监测法,水生维管束植物 水生维管束植物也是生态学范畴上的类群，包括种子植物、蕨类植物、苔藓植物中的水生类群和藻类植物中以假根着生的大型藻类，是不同分类群植物长期适应水环境而形成的趋同适应的表现型。一般将其按生活型分为挺水植物、浮叶植物和沉水植物。,表 4-4 我国湖泊常见的水生维管束植物,莲,金鱼藻,眼子菜,芦苇,满江红,槐叶萍,5、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,指示生物法,水体污染指示生物常采用底栖动物中的环节动物、

22、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颤蚓类摇蚊幼虫蚂蝗浮游生物和藻类,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。,Hellawell推荐作为指示生物的

23、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,东湖,引自龚志军，2001,引自冯建社，2004,污水生物系统法（1）,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。,污水生物系统法（2）,污水生物系统中各带特点多污带：有机污染严重，溶解氧含量低，

24、细菌极多，无好氧生物，无鱼类生存；中污带：包括中污带（有机污染较为严重，溶解氧略有回升，多为耐污性生物种类，）和中污带（中等程度的有机污染区域，溶解氧较高，有多种藻类和原生动物，有鱼类出现）；寡污带：溶解氧恢复正常或达饱和，水质透明，细菌数量少，藻类种类和数量多。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。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。,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

25、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。,(1)贝克(Beck)生物指数 贝克于1955年首先提出以生物指数来评价水体污染的程度.他把从采样点采到的底栖大型无脊椎动物分成两类，即不耐有机物污染的敏感种和耐有机物污染的耐污种，按下式计算生物指数（Biological Index）：,贝克生物指数（BI）=2A+B A和B分别为敏感底栖动物种类数和耐污底栖动物 种类数BI位于040之间B

26、I10，为清洁水域BI在16 之间时，为中等污染水域BI=0时，为严重污染水域,（2）贝克-津田生物指数 津田松苗(日)从60年代起多次对贝克生物指数进行修改，他在1974年提出不限于在采集点采集，而是在拟评价或监测的河段把各种大型底栖动物尽量采集完全，然后对所得生物样品进行鉴定、分类，并采用贝克公式进行计算。I：20 1020 6 10 0 6 水质：清洁 轻度污染 中等污染 严重污染,贝克-津田生物指数（I）=2A+B,多样性指数法,什么是多样性指数法？多样性指数法是应用数理统计方法来表示生物群落的种类和个体数量的比值从而评价环境质量的一种方法。多样性指数法的工作原理其工作原理为不同的生物

27、对污染的敏感性和耐受性不同，敏感的种类在不利的条件下死亡，抗性强的种类在新的条件下可大量发现。利用群落中个体数与种类数的比值在不同污染区的不同，从而反映环境污染的状况。,生物多样性指数 特点：能定量反映群落中生物的种类、数量及种类组成比例变化；虽能定量地反映群落结构，但不能反映个体生态学信息及各类生物的生理特性，也不能反映由于水中营养盐类的变化引起的群落改变等等，所以需与化学指标相结合，才能得到更可靠的评价结果。,香农-威纳指数（Shannon-Weinerindex）信息论中熵的公式原来是表示信息的紊乱和不确定程度的，我们也可以用来描述种的个体出现的紊乱和不确定性，信息量越大，不确定性也越大

28、，因而多样性也就越高。其计算公式为：式中S为物种数目，Pi为属于种i的个体在全部个体中的比例，H为物种的多样性指数。公式中对数的底可取2，e和10，但单位不同，分别为nit，bit和dit。香农-威纳指数包含两个因素：其一是种类数目，即丰富度；其二是种类中个体分配上的均匀性（evenness）。种类数目越多，多样性越大；同样，种类之间个体分配的均匀性增加也会使多样性提高。,6、其他生物学评价方法,生产力：反映一个生态系统内物质循环和能量流动的指标。P/R值：初级生产量和呼吸量的比率。自养指数 I AI：去灰分重和叶绿素含量的比值。残留量指数 和富集系数残留量指数 IC i/C s i富集系数

29、K C i/C s i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；C s 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。,生物测试法,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。该方法有静水式生物测试和流水式生物测试两种。根据试验水所含毒物浓度的高低和暴露时间的长短，毒性试验可分为急性试验和慢性试验。进行水生生物毒性试验可用鱼类、藻类等，其中以鱼类毒性试验应用较广泛。,静水式鱼类急性毒性试验(1)供试鱼的选择和驯养（金鱼，驯养七天以上）(2)试验条件选择（用水、水温、pH值、溶解氧、鱼数）(3)试验步骤 预试验（探索性试验）：确定浓度范围 试验溶液浓度设计：7个浓度，至少5个，设对照 试验：作好记录 毒性判定：半致死剂量LD50，安全浓度,某毒物实验结果,思考题,生物监测与化学测试相比有哪些优点？存在哪些不足？大气污染的生物监测方法有哪些？如何进行水环境的生物学评价？,