《生物指示物》PPT课件.ppt
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1、生物指示物/指示生物 Biological indicators,引 言,我们知道,生物(包括人)很大程度上受到环境理化因子的影响。有经验的生态学家可以通过未知环境中生物种类名单准确地指出土壤、大气、水、气候等因素的特征甚至地理位置。而且,多年来地理学家利用特异性指示植物物种和群落勘察地质组成和当地矿藏,这个过程称为地植物学勘探。通过理化因素对活生物体的影响可以对环境中现存物质及其存在水平给出明确的结论。例如,当植物生长的土壤中特定的矿质元素(无机营养)缺乏时,植物常出现典型和独特症状(缺素症)。,引言,在污染物和营养物质过量时生物体同样受到影响,这经常用于指示污染的性质和程度。这些效应类型可
2、归纳为以下一些或全部内容:1.1生物群落中物种和/或优势种群发生改变;1.2生物群落物种多样性发生改变;1.3种群死亡率上升,尤其是卵和幼体阶段(早期发展阶段很敏感);1.4个体生理和行为的改变;1.5个体形态和组织畸变;1.6个体组织中污染物或其代谢物的积累(Build-up)上述效应的研究促使生物调查/监视(Biological Surveillance)方法用于替代(或至少是补充)化学分析方法监测环境质量。在一段时间内同一环境中生物调查包括一系列相似的调查内容,因此是动态的。若生物调查具有特殊目的,如按规范规定的污染物,则称为生物监测(Biological monitoring/Biom
3、onitoring)。,引言,借助于各种先进检测仪器和分析手段的理化监测方法,虽然能够精确测定环境污染物的瞬时浓度,但不能反映各种污染物联合作用于生物系统的长期影响。人为导致的受损环境中各种污染物同时存在并共同作用于生物系统。不同污染物之间或发生协同作用,或拮抗作用,如果不考虑污染物、环境因素和生物的综合作用,就不能真正反映环境质量的变化和生活在其中的生物状况,不能真正保证自然生态系统的健康运行。,引 言,利用生物指标对环境质量变化进行监测,由于生物接受的是各种环境因子与污染物的综合作用,因而反映的是各种影响因子对生物综合作用的结果,是对整个环境的生物学损伤后果的监测与评价。与理化监测方法相互
4、补充,就能帮助人们及时获取有关环境 质量状况及其变化的综合信息,为环境控制管理提供依据。,引 言,生物监测比化学分析更具有优势。如大多数污染监测程序是建立在规定时间间隔内进行样品采集(定时采样),连续采样通常行不通并且很昂贵。这样,在常规化学采样方案中,尤其是在可变环境(如大气和河流)中采样间隔内任何一个污染高峰或低谷可能都检测不到(undetected)。相反,生物体在瞬时污染情况下可发生可测反应,在高污染水平反应更明显。它们还可以在污染物波动水平提供时间-综合(time-integrated)反应。依据选用生物寿命不同,这种反应可从几天(微生物)至几个月/几年间(大型植物、大型无脊椎动物和
5、脊椎动物)变化。,引 言,许多污染物可在同一环境中出现,并且能够进行化学分析的单一污染物的数量是有限的。因为生物群落可对任何有害污染物产生反应,由于现存污染物水平的提高或新的/不期望污染物的出现而检测到的变化可以看作详细化学分析(detailed chemical analysis)的警告和预兆。而且,许多不能被检测到的污染物协同或拮抗效应在生物体上是可以检测到的。,1 生物监测,生物监测:利用生物分子、细胞、组织、器官、个体、种群和群落以及生态系统等层次上的变化对人为胁迫的生物学响应反应来阐明环境状况。即用生物作指标对环境质量变化进行指示,从生物学的角度对环境质量变化进行监测,为环境质量评价
6、提供依据。,1 生物监测,利用生物对环境进行监测和预警历史悠久 古代帝王缮前令奴仆尝食 矿工下井前以绳缚鸡投井 利用金丝雀、老鼠监测地下矿区瓦斯含量20世纪初广泛应用于环境监测生物监测以环境污染物与生物之间的 浓度-反应关系为基础,1 生物监测,监测生物的选择应遵循的原则对人为胁迫敏感并具有特异性反应遗传稳定、对人为胁迫反应个体差异小、发育正常、健康易于繁殖和管理且常见(避免用珍惜濒危物种)尽量用既有监测又兼有其他功能的生物(经济或观赏)监测指标的选择应遵循的原则根据监测目的根据污染物的性质和毒理作用机制根据生物的特性,1 生物监测,生物监测的方法生态学方法 生理学方法毒理学和遗传毒理学方法生
7、物化学成分分析方法,1 生物监测,生物预警和监测环境变化的机理人为胁迫下生物系统会对受损环境发生一些在自然条件下没有或罕见的生物反应,这种反应可以发生在生物系统的基因、细胞、组织、器官、个体、种群、群落及生态系统的各个层次。反应强度与环境受损程度存在着相关性,是利用生物对环境变化进行监测、预警的基础。个体水平的生物反应细胞及分子水平的生物反应细胞膜、生物酶、染色体结构变异、数目变异、DNA损伤、基因突变 组织、器官水平的生物反应植物叶片的各种伤斑/坏死、畸形,1 生物监测,生物预警和监测环境变化的机理种群及群落的生物反应种群中敏感个体死亡,种群死亡率上升、种群的躯体 生长率下降 群落物种组成和
8、结构发生改变,优势种群发生改变、群落发生演替生态系统的响应生态系统结构趋于简单化、食物链不完整、食物网简化生态系统功能受损 脆弱生态系统、受损生态系统、退化生态系统,1 生物监测,生物对污染环境的监测和指示生物监测方法生物层次:生理生态、生物群落、遗传学、分子标记生物种类:植物监测、动物监测、微生物监测、(人类)环境介质:大气污染监测、水污染监测、土壤污染监测,1 生物监测,生物对污染环境的监测和指示形态结构监测应用最广泛、发展最成熟利用生物对大气污染进行监测动物生病、死亡、迁移植物叶片病变,植株生病、死亡微生物种类和数量的变化生理生化监测植物酶活(增加或减少)、胁迫代谢物(增多)、代谢(增加
9、或减少)动物生理代谢指标(呼吸频率、呼吸代谢、摄食量、抗病力)、生化指标(血糖、酶活、代谢)微生物发光、畸变(PAHs对细菌),1 生物监测,生物对污染环境的监测和指示体内污染物及其代谢产物监测地衣和苔藓植物高等植物叶片、树皮水生生物人体健康监测(血液、头发、尿液),1 生物监测,生物对污染环境的监测和指示遗传毒理监测(染色体畸变和基因突变)体外基因突变试验:Ames试验、哺乳动物体细胞株突变 试验体内基因突变试验:显性致死突变试验(生殖细胞染色 体)、果蝇伴性隐性致死试验染色体畸变试验:体细胞、生殖细胞、体内、体外微核试验:动物细胞、植物细胞姐妹染色单体交换试验,1 生物监测,生物对污染环境
10、的监测和指示分子标记DNA损伤试验:非程序性DNA修复试验、单细胞凝胶电泳(SCGE)DNA-加合物测定:免疫法、荧光法、32P-后标记法蛋白加合物:血红蛋白(Hb)-加合物(色谱-质谱法、免疫法)生物群落监测法付生植物群落监测法:地衣生长绘图法微生物监测法:大气污染微生物监测法、水污染的细菌学监测、微型生物群落监测法(如PFU法)底栖大型无脊椎动物监测法微宇宙法:标准化水生微宇宙(SAM)、土壤核心微宇宙(SCM)模拟农田生态系统,1 生物监测,生物监测环境预警中的应用环境预警建立在环境承载能力或环境容量基础上,通过一些重要的自然状态指标,对大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的环境进行实时监测,并
11、及时提供环境危险信号的警示报告。由于环境承载能力的变化是多种因素相互作用的组合,其中的生物随环境变化具有很强的连续性、反应的综合性和敏感性,从而在环境预警中生物监测具有重要作用。某些生物对特定污染物极为敏感,甚至有时精密仪器也难检测的一些微量污染物就能对生物体产生严重伤害。有些生物具有很强的蓄积环境污染物能力,利用这些高敏感、高蓄积的的监测生物,能够及时检测出环境中存在的微量污染物,作为早期环境污染的报警器。,1 生物监测,生物监测环境预警中的应用水体污染的预警体系退化水体的生物监测自动报警系统是利用生物敏感性对污染源排放的废水和地表水的水质变化进行连续监测、传输和数据处理的一种监测系统。较早
12、的生物预警:鱼 流水或废水 死亡率(数)/受害症状自动报警系统:监测生物的生理或行为参数 生物传感器陆地环境退化的预警体系陆地环境退化与否与地表植被的变化高度相关,分析监测植被的变化是有效开展陆地环境预警的手段。植被没有移动能力,最能真实地表现环境的变化,对环境质量的变化起到适时警报器的功能。遥感技术:草地遥感监测技术,1 生物监测,生物监测的局限性易受各种环境因素的影响-自然胁迫(叶斑)可能受到监测生物生长发育状况的影响费时且难确定环境污染物的实际浓度弥补配合理化监测监测生物规范化、监测条件标准化、浓度-反应曲线精确化、监测人员专业化,1生物监测,用活生物体进行污染物生物监测的方法很多。可大
13、体划分为表1。不论选用哪种方法,采集具有代表性和有意义的生物样品是任何调查成功的关键。采样方法很多,一些容易产生误差,因此在利用所得数据进行解释和外推时必须将其考虑进去。考虑到时间、资金和人力等所选用的方法必须和规定的方法达到折衷(compromise)。采样方法的选择还受到采样要求的影响,还应该与不同操作者在不同时间和地点所测数据进行比较。,表1 生物监测的基本方法,2 监测群落结构,在实际情况下,单个物种的毒性试验常常不能真实反映群落和生态系统受污染胁迫的状况。从群落水平上测量胁迫反应能够在一定程度上克服由单个或少数几个物种的胁迫反应解释群落与生态系统效应所带来的困难。从20世纪50年代后
14、期开始,许多学者提出了多种描述群落结构和组成变化的参数用于研究污染所引起的群落及生态系统效应。,2 监测群落结构,许多生物监测方法是基于污染导致的生物群落结构的变化。实际上,很难对整个群落进行操作。因此,通常是研究群落的一定区域,例如水生生态系统中的浮游植物或底栖生物和陆地生态系统中的大型无脊椎动物或大型植物。,2 监测群落结构,监测群落结构的方法是建立在生物群落中个体的出现-消失(presence-absence)和/或数值多度基础之上的。传统上采用多样性指数或相似性指数,很少采用物种多度模型。相对于任何污染物来说,除非有广泛的可利用的环境数据,否则运用这些方法观察到的变化具有主观性而缺乏客
15、观性。近年来,更加复杂的多元分析技术比较客观地与影响因素(特殊污染物等)联系起来运用于监测中。然而,即使对非专业人士来讲,许多多样性指数和相似性指数应用起来很容易,并且是有成本效益的,因此,保证了它们在污染监测中继续占有一席之地。,2.1 多样性指数,多样性指数以单因素形式给出了特定环境中物种的多度,是群落内物种数及其多度的综合测度,用以描述群落的复杂度。在生态毒理学研究中常用于确定群落是否受到污染物的影响。可用于群落结构的3方面:物种数量/丰度各现存物种个体总数/多度不同物种个体分布均一性/均匀度一些常用的多样性指数及计算方法如表2:,表2 常用的多样性指数和相似性指数,2.2 相似性指数,
16、相似性指数是将两个不同采样点物种多度进行比较,其中一个作为对照。相似性指数主要用于陆地环境,许多不同类型已经用于环境污染监测。一些常用的方法和计算见表2。,2.3 物种多度模型,这些模型的优点是集中在一系列已经记录的多度值范围内的所有多样性模型,而不是将所有信息浓缩成单一数值。尽管如此,在环境监测中还是处于次要地位。,2.4 多元分析,上述方法中有关影响因素的缺乏客观性以及利用多样性指数和相似性指数时信息的损失/降低(loss)是任何污染监测程序的致命缺点。尽管多元分析技术比较复杂,但在一定程度上可以克服上述缺点。通过不同方式聚类数据可以检测群落中不同地点的不连续性。这样,进行物种数据的数值分
17、类(许多聚类分析方法中的一个)可将相同分类组分组成聚到一起。如果有适当的环境数据则可以将不同地点的污染水平区分出来。即使缺少客观的环境数据,至少也能推测并得出在进一步研究中可检测的假设。,2.4 多元分析,近年来,广泛应用于生物监测的一种分类方法是双向指示物种分析(TWINSPAN,Two-way indicator species analysis)。投影,3 指示生物法,生物指示物:利用特定个体指示物种或类群的出现或消失,即对环境中以某种方式检测到的污染物的敏感性和反应。利用出现/消失(定性)和/或相对/绝对数据(定量)、生理和形态变化来确定采样地区污染物的效应和分布。,3.1 生物指数(
18、Biotic Indices),所用数据用来指个体指示物。某一采样点所有个体指示物的种类和数量发生的变化用恰当的数学公式加以表达,所求得的数值之和为生物指数,生物指数在同一地点表示污染状况有许多类型。,3.1生物指数(Biotic Indices),污水生物系统(Saprobic system)最早的生物指数是20世纪早期用于水生生态系统的污水生物系统(Saprobic system)。用于监测河流中的有机物。从一个主要的有机物排放点源开始沿着河流向下游可分为4个区域:3.1.1.1 多污带:极度污染3.1.1.2-中污带:严重污染3.1.1.3-中污带:中度污染3.1.1.4 寡污带:很轻或
19、无污染最早的污水生物系统修订了若干次后产生了污水生物指数(S)(Saprobic or Saprobien index)。将指示生物的出现频率和生境喜好考虑进来后可得到各个的污水生物/腐生值(a saprobic value)。某一地点所有指示生物的腐生值之和除以它们出现频率之和即可得到该地点的污水生物指数/腐生指数。污水生物系统已经改进和重新定义。最新版本是用于德国水质评价的德国标准方法German Standard Method(DIN38410T.2)。污水生物系统提出以后其他的生物指数得到发展,主要是一些特定国家用于监测流水中有机物的效应。广泛应用于UK的两个生物指数是Trent生物指
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