第五章_生物与生态监测.

第五章生物与生态监测受到污染的生物，在生态、生理和生化指标以及污染物在体内的行为等方面会发生变化，出现不同的症状或反应，利用这些变化来反映和度量环境污染程度的方法称为生物监测法。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背景：当空气，水体，土壤等环境要素受到污染后，生物在吸收营养的同时，也吸收了污染物，并在体内迁移，积累，从而遭受污染。生物监测能反映各种污染物的综合影响，具有直观、客观、综合和历史可溯源性的特点；理化监测是定期采样，结果不能反映采样前、后的情况，而生态系统中的生物汇集了整个生长期环境因素改变的情况；有些生物对污染物很敏感，有些连精密仪器都测不出的微量污染物的浓度，却能通过“生物放大”作用在生物体内积累而被测出。生物监测法与理化监测比较：例如：浮游生物0.04mg/kgDDT水0.000003mg/L小鱼0.5mg/kg大鱼2.0mg/kg水鸟25mg/kg（1.3万倍）（17万倍）（67万倍）（833万倍）生物浓缩：生物从环境中吸收污染物质,使其体内的浓度比环境中高很多倍。生物放大：污染物在生物体内的累积随着食物链中营养级的提高而在生物体内逐步增加的现象。形成原因：对污染物的摄入量大于排除分解消除。生物监测法的优缺点优点：（与物理、化学监测方法相比）1、更能确切反映污染因子对人和生物危害及环境污染综合影响。2、环境污染物浓度较低的情况下，可以利用有些生物对特定污染物很敏感，危害人体之前进行“早期诊断”。局限性：1、不能象理化监测那样获得准确数据。2、对污染因子的敏感性随生活在污染环境中时间增长而降低，专一性差。要全面、准确地评价环境质量，必须使理化监测和生物监测结合起来，生物监测作为理化监测补充，用理化监测数据说明生物反应现象。1、敏感生物：环境中污染物浓度含量很低时（甚至低至化学方法测不出来），指示生物就表现出某些灵敏的反应。根据症状及反应程度进行定性、定量分析。如：牵牛花对光化学烟雾很敏感。2、耐性(抗性）生物：这类生物在不良的环境中却表现出良好的生长势。也就是说污染了的环境反而促进了这类生物的生长。如：水体富营养化，蓝藻大量出现。指示生物含义：能够对环境中污染物作出定性、定量反应的生物。水体富营养化：是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类（以蓝藻为主）迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。第一节水环境污染生物监测第二节大气污染生物监测第三节生物污染监测第四节生态监测技术简介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。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，至少设上游（对照）、中游（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）：在入湖（库）区、中心区、出口区、最深水区、清洁区等处设监测断面。采样断面和采样点的布设原则生物监测主要方法：生物群落监测方法生物测试法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（植物、动物、石头）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－水生食物链的最高营养水平微生物－清洁水体中少，污染水体中多浮游动物（原生动物、轮虫、枝角类和桡足类）浮游植物－藻类（一）生物指数监测法（二）污水生物系统法（三）PFU微型生物群落监测法（简称PFU法）生物群落监测方法包括：（一）生物指数监测法生物指数指运用数学公式计算出的反映生物种群或群落结构的变化，以评价水环境质量的数值。主要有以下四种方法：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贝克(Beck)生物指数生物指数(BI)=2nA+nB式中：A——敏感底栖动物种类B——耐污底栖动物种类n——底栖大型无脊椎动物的种类评价（计算数值与水质的关系）：BI＞10，清洁水域；BI为1~6时，为中等污染水域；BI=0时，为严重污染水域由贝克于1955年首次提出：将从采样点采到的底栖大型无脊椎动物分成两类，一类是不耐有机污染物的敏感种，另一类为耐有机污染物的耐污种，通过公式进行简单计算。津田松苗的改进与发展：1974年，日本津田松苗在贝克的基础上发展起来的用生物多样性评价水质的方法，不限于在采样点采集生物样品，而是将评价区或评价河段的所有底栖大型无脊椎动物尽量采到，再用贝克公式进行计算。贝克-津田生物指数贝克-津田生物指数的评价标准（计算数值与水质的关系）：BI≥30，为清洁水区；BI=15~29，为较清洁水区；BI=6~14，为不清洁水区；BI=0~5，为极不清洁水区式中：d－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。d值越大，水质越好。d值与水样污染程度关系如下：NnlogNni2s1iid生物种类多样性指数沙农、威尔姆等人提出的生物种类多样性指数，理论依据是在清洁的环境中，通常生物种类极其多样，并因竞争形成生态平衡。水体受到污染后，不能适应的生物或死亡或逃离，能够适应的生物种类则会大大增加。该指数的特点是能够定量反映群落中生物的种类、数量及种类组成比例变化的信息。利用水中浮游藻类不同种类的相对多少来评价水质的好坏，如硅藻指数。A－不耐污染的藻类的种类数；B－光谱性藻类的种类数；C－仅在污染水域中才出现的藻类种类数硅藻指数在0～50为多污带，50～150为中污带，150～200为轻污带。10022＝CBACBA硅藻指数d3.0清洁水d＝1.0～3.0中等污染水d1.0严重污染水域硅藻生物指数（二）污水生物系统法基本原理：受到有机污染的河流存在自净过程，可以自上而下划分成四个连续的河段：多污带、α-中污带、β-中污带、寡污带，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。基本方法：通过系统调查和采样，根据栖息生物的生态学特征、植物、动物、原生动物、后生动物等生物学指标，可以判断河流水体的综合污染程度。特点：将物理、化学特性与生物学特性结合起来，综合评价水体水质状况。（三）PFU微型生物群落监测法（简称PFU法）方法原理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。微型生物群落是指水生态系统中在显微镜下才能看到的微小生物，包括细菌、真菌、原生动物和小型后生动物等。它们彼此间有复杂的相互作用，在一定的环境中构成特定的群落，当水体环境受到污染后，群落的平衡被破坏，种类减少，多样性指数下降，结构和功能参数发生变化。测定要点以多孔的聚氨酯泡沫塑料块(PFU)作为人工基质悬于水中，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。通过测定PFU内的生物群落结构和功能参数来评价水质状况。二、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。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）水生生物毒性试验利用鱼类、溞类、藻类等水生生物放养在监测水体中，从其生存状态判断水体毒性。其中鱼类毒性试验应用较广泛。金鱼绿藻褐藻蝴蝶鱼可用于水生生物毒性试验的部分鱼类和藻类：鱼类对水环境的变化反应十分灵敏，当水体中的污染物达到一定浓度时，就会引起中毒反应，如行为异常、生理功能紊乱、组织细胞病变，甚至死亡。鱼类毒性试验的主要目的是寻找某种毒物对鱼类的半致死浓度与安全浓度，为制定水质标准和排放标准提供依据。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：急性试验：是一种使受试鱼种在短时间内显示中毒反应或死亡的毒性试验。所用毒物浓度高，持续时间短，一般是4天或7~10天。目的是在短时间内获得毒物或废水对鱼类的致死浓度范围，为进一步试验研究提供必要的资料。慢性试验：是指在实验室中进行的低毒物浓度、长时间的毒性试验。目的是观察毒物与生物反应之间的关系，验证急性毒性试验结果，估算安全浓度或最大容许浓度。慢性试验更接近于自然环境的真实情况。（二）发光细菌法这一特性可用于污水和地面水中污染物毒性测定，具有较高灵敏度和重现性，特别是测定综合毒性。如重金属、氰化物（CN－）、农药、酚类化合物、抗生素等对其发光过程具有毒害作用。利用污染物对革兰氏阴性兼性厌氧微生物所发射出的蓝绿光强度的影响，来判断水质受污染的情况。发光细菌是一类非致病的革兰氏阴性兼性厌氧微生物，具有发光能力，正常条件下，经培养后能发出肉眼可见绿色光，波长490nm。凡是干扰或损害细菌呼吸或生理过程的任何因素都能使细菌的发光强度立即发生改变，并随毒物浓度增加，发光强度减弱。采样瓶、采样器必须严格按照无菌操作要求进行；防止在运送过程中被污染，并应迅速进行检验。一般从采样到检验不宜超过2h；在10℃以下冷藏保存不得超过6h。三、细菌学检验法（一）水样采集在实际工作中，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。水体受到人畜粪便、生活污水、某些工农业废水污染后，细菌总数会大量增加。（二）细菌总数的测定（GB5750-85）细菌总数是指1mL水样在营养琼脂培养基中，于37℃经24h培养后，所生长的细菌菌落的总数。培养基：是供微生物、植物和动物组织生长和维持用的人工配制的养料，一般都含有碳水化合物、含氮物质、无机盐（包括微量元素）以及维生素和水等。营养琼脂培养基：用于一般细菌的培养。一般的细菌在营养琼脂培养基上容易生长。经培养后，会呈现各自的形态特点和单位菌落数量。细菌培养基大肠杆菌显色培养基1、培养皿、移液管及蒸馏水等灭菌；2、琼脂培养基的配制；3、倒皿：将1mL水样或稀释后的水样注入培养皿中，倒入15mL左右的琼脂培养基，摇匀后置于37℃恒温培养箱中培养24h。4、计数：用肉眼或借助放大镜对培养皿中的菌落计数。细菌总数测定的操作步骤：总大肠菌群是指一群需氧及兼性厌氧的，37℃生长时能使乳糖发酵，在24h内产酸、产气的革兰氏阴性无芽孢杆菌。以每升水样中所含有的大肠菌群的数目表示。测定方法有多管发酵法和滤膜法两种。多管发酵法适用于各种水样（包括底泥），但操作较繁、需要时间长（2天）；滤膜法主要适用于杂质较少的水样，操作简单快速。（三）总大肠菌群的测定（GB5750-85）大肠菌群在水体中容易存活，且对氯具有很强的抵抗能力，可作为水体粪便污染的指示菌。①初发酵试验：将一定量的水样或稀释水样注入装有已灭菌的乳糖蛋白胨培养液的大试管中，放入一个小倒管，盖好瓶盖，置于37℃恒温培养箱培养24h，检验初发酵试验的试管，发酵试管颜色变黄的为产酸，小倒管内有气泡的为产气。②平板分离：将产酸、产气及只产酸的发酵管，分别用接种于品红亚硫酸钠培养基或伊红美蓝培养基上，置于37℃恒温培养箱培养18