第五章生物监测

第五章生物监测环境中的污染物可通过空气、水、食物，经呼吸道、口或表皮，以及植物的根叶进入生物体内，吸收、转化和浓缩积累。测定生物体内污染物含量，即可说明生物体受污染物危害情况，也表明环境污染状况。同时对人类减少食入污染物也是一种预防措施。所谓无公害食品或绿色食品就是依据这种监测所规范的某些物质在允许检出量以内的食物。生物体内的污染物也可分为无机污染物和有机污染物。其中金属类无机污染物除部分参加生化代谢过程，转化化学形态和结构之外，大部分不会在生物体内转化，对生物的危害仅在于金属化合物本身所表现出的毒性作用；有机污染物在生物内可代谢转变为另一种物质，其毒性可能是污染物本身，也可能是代谢产物。因此，对生物样品进行监测时，重金属污染物以其本身为主，而有机污染物不仅要测定有机污染物本身，还要测定其代谢转化产物。另外，各种污染物在生物体内各个部位的分布极不均匀。故此，生物体内污染物含量测定的生物样品采集、处理各不相同，而测定方法与水体、土壤污染测定相近。本章重点介绍生物样品的采集与处理。§1污染物在生物体内的分布一、污染物在植物内的分布植物通过根系吸收土壤或水体中营养物质的同时也吸收了污染物，植物叶片通过气孔也会吸收气态污染物或颗粒状污染物，均经管束组织运往株体的其他部位。植物对污染物的吸收效率和积累量与污染物的性质、浓度、植物的种类、环境条件等诸多因素有关。不同来源，不同类别的污染物，在不同植物体内的分布也存在着很大的差别。植物从土壤和水体中吸收重金属污染物时，一般的分布规律和残留含量顺序为：根茎叶穗种子。例如，某土壤研究所应用放射性同位素镉进行水稻测试，各部位镉的残留情况列于表9-1。表9-1成熟期水稻各部位镉的分布情况植株部位每盆吸收镉总量m/μg镉分布百分率%放射性记数含镉量ω/（μg·Kg-1干物）脉冲（min·Kg干物）植株根系164.0082.4354016.12植株地上部分35.1117.6其中茎杆叶与叶鞘穗轴穗壳糙米3751484437351.700.670.200.160.15从表中可以看到：水稻地下部分（根）镉吸收量为164微克/盆，占植株吸收镉总量的82.4%；地上部分只吸收35.11微克/盆，占植株吸收镉总量的17.6%。地面上各部位的分布状况为：茎杆叶与叶鞘穗轴穗壳糙米。重金属污染物在植物体内各部位分布，依植物种类的不同有着很大的差异。如镉在水稻内的残留量，根部远比叶内高；但萝卜和胡萝卜却相反，其根部镉残留量比叶子残留镉低得多。似乎这种植物能将根部吸收的镉迅速输送至地上各部位。植物受大气污染物影响时，残留污染物的分布情况与从土壤中吸收污染物的分布有所不同。表中9-2所列为放射性氟对各种蔬菜进行实验的结果。这表明在叶子中残留氟最高，其次才是根部、茎部。果实中含氟量最低。表9-2氟在不同蔬菜各部位的含量ω/（mg·kg-1）蔬菜各部位番茄茄子黄瓜菜豆菠菜青萝卜胡萝卜叶片14910711016457.034.063.0根32.031.050.0—18.73.82.4茎19.59.0—33.07.3——果实2.53.83.617.0———有机农药在植物果实中残留分布一般情况是果皮大于果肉，糠大于米。但向果肉渗透性很强的农药，如西维因在苹果上的残留含量是果肉大于果皮。二、污染物在动物体内分布动物吸收有害物质之后，主要通过体液（血液和淋巴液）输送到全身，最后到达各种组织细胞的作用点发生危害。各种物质的分布大体符合下述规律：1)能溶解于体液的物质，几乎在体内均匀分布，如钾、钠等盐类以及氟、氯等水溶性化合物。2)有些污染物易贮留于肝或其他网状内皮组织系统。如水解后能生成胶体的锑、钍等三价和四价阳离子。3)具有亲骨性的污染物，如二价阳离子铅、钙、铍、钡、锶等在骨骼中积累量较高。4)对某一器官具有特殊亲和性的物质，在该器官中存在量较高。如碘对甲状腺，汞、铀对肾脏亲和性极强。5)脂溶性物质，如有机氯化合物等易蓄积于体内脂肪。如六六六和DDT在动物体内均以脂肪组织中含量最高。猪板油和肥膘的脂肪含量分别为肌肉的28倍，而六六六和DDT在板油及肥膘中含量分别为肌肉中含量30、35倍和53、66倍之多。在肝、肾、心、肠、胃等器官中积累量更少。实际上，污染物在动物体内的分布是复杂的，各种亲和作用彼此交叉，往往一种污染物对某一器官有特殊亲和作用，同时也会分布于其它器官或组织中。如铅除分布在骨骼、牙齿之外，肝、肾也同时存有铅。同一种元素由于价态和存在形式不同，在体内各部位积累也会不同，如水溶性的汞离子进入脑组织极少；而烷基汞是脂溶性，较多残留于脑组织。有机污染物进行动物体内，除少量水溶性强的小分子化合物以原形排泄之外，多数化合物经酶代谢转化增强水溶性，而无机污染物仅部分参与代谢过程。肝、肾、肠、胃等器官均有污染物转化功能，降解毒性（也存在增毒转化），其中以肝脏最为重要。污染物经转化通过粪便、尿液、汗液、乳液、唾液排出体外，也有些随皮肤代谢，及毛发、爪甲等离开肌体。在污染物代谢和排出过程可能对某些器官会造成积累性伤害。表9-3列出污染物在人或动物体内主要积累部位及常用的检测生物材料作为参考。表9-3污染物在动物体内积累部位及检测生物材料污染物积累部位生物检测材料砷镉铬铅无机汞甲基汞有机氯农药多氯联苯氟化物一氧化碳肝、脾、肾肾、肝、主动脉肝、肺、皮肤骨骼、主动脉、肝、肾肾脂肪脂肪脂肪骨骼血液血、尿、发、肝血、尿、粪便、肾、肝、胎盘尿血、尿、粪便、肾、肝、骨骼、胎盘、牙齿血、尿、肾血、脑、发脂肪组织、血、乳汁脂肪组织、血、乳汁尿、骨骼、牙齿血、呼出气体§2生物样品的采集与制备一、植物样品的采集与制备根据监测的目的要求，首先要对监测对象的有关污染情况及各种环境因素进行调查了解，并收集有关资料。然后选择适当的采样区并划分具有代表性和生长典型的小区。采集的样品要具有代表性、典型性和适时性。所谓代表性是选择符合一定范围内大多数情况的植株作为样品，不能采集田埂，地边及距田埂、地边二米以内的样品；典型性是使采集的样品部位能充分反映所要了解的情况，不能将植株的上、下部随意混合。若需要分别测定根、茎、叶、果实，则各部位样品应分置；适时性是根据植物的不同生长发育阶段定期采样，以掌握污染物对植物各生长期的影响。若考虑施药、施肥对作物的影响，应在施药、施肥前、后一定时期内采样测定。1．植物样品的采集方法布点：对农作物、蔬菜等样品采集，一般是在同一污染区域内，根据调查的资料选择几个代表性小区，在各采样小区内采得一个代表性样品。此代表性样品应是在这个小区分布于5—10处采集的5—10个样品混合组成。通常以梅花形五点式或平行交叉间隔式采集代表性的植株。（图见教材）工具：采集样品的工具根据样品采集的部位，可用小铲、枝剪、不锈钢剪刀等。方法：采样时，可分别采集植株的根、茎、叶、果实等不同部位。必要时可以从不同植株上采集。对矮小作物也可整株采集后制备。在采集根部时，应尽量保持根系完整。对旱田作物，在抖掉泥土时注意不能损失根毛；对水稻等水田作物根，应以清水立即洗净泥土。根系带回实验室后，要在半小时内用清水洗四次，洗净后用纱布拭干。对果树采集，要注意株型、长势、树龄、载果数量和果实着生部位及方向。蔬菜样品中的叶菜或其他植物的嫩枝叶，当用鲜样进行分析时，尤其在夏季采样应避免水分蒸发，最好用湿布或塑料袋包装，使之不致蔫萎，叶类蔬菜可连根带泥挖起。水生植物一般是全株采集，若从污染严重的河塘中捞取样品时，必须用清水冲净，并去掉杂物。采样量：样品采集量应经处理后，最少能保证监测项目分析测定需要用量。一般单项平行测定需近百克干样，重复测定还需增加。若新鲜样含水按80-90%计，则比干样重5-10倍即可。采集的样品装入布袋或聚乙烯塑料袋内，附上用铅笔写好的样品标签，并填写样品采集登记表。标签应写清样品编号，采样地点、时间、植物名称、采样部位、测定项目、采样人等。样品携回实验室应立即处理，检测鲜样的项目应当天分析测定，不能完成的可冷藏保存，冷藏最长期限与污染物及植物的性质有关。2．植物样品的制备现场采集的样品称为原始样品，需要根据要求进行选取。块状原始样品，如块根、块茎、瓜果类洗净后每个个体按生长轴线剖切成四块或八块，取对角线两份切碎混匀、缩分，获得所需量样品；籽种、粮食类原始样品要充分混合后，平摊在清洁的木板或玻璃板上，多点取样或用四分法获得平均样品，之后再行加工制成可供测定的样品。鲜样的制备：测定植物中易起变化的物质，如酚、氰、亚硝酸盐等，以及多汁瓜果、蔬菜等，应采用新鲜样品进行分析测定。制备新鲜样品时，先将各平均样品在半小时内用清水冲洗3～4遍（若为受大气污染的样品应先用洗涤剂洗）再用去离子水或重蒸馏水冲洗两遍，晾干或用干净纱布清清拭干，切碎，混匀。称取100g放入电动高速捣碎机的捣碎杯中，根据样品含水量的多少，加入适量的去离子水或重蒸馏水，捣碎成浆状即可用于提取待测物。对于纤维性或较硬样品（如木质或禾本科作物的根）可用不锈钢刀切碎，再在研钵中加石英砂研磨后提取。干样的制备：测定植物中比较稳定的物质，如某些重金属和非金属化合物、有机农药等一般用风干样品。制备风干样品，应将洗净的样品尽快放在干燥通风处晾干（要防尘、避免阳光直射），或在40-60℃的鼓风干燥箱中烘干、剪碎。谷类、果实要脱壳。然后用电动磨碎机粉碎，使之通过1㎜筛孔或更细的0.25㎜筛孔，装于玻璃广口瓶备用。对于检测某些金属的样品，应注意金属的污染问题。可用玛瑙研钵磨碎，用尼龙筛筛分后保存于聚乙烯塑料瓶中备用。结果表示：在样品制备过程中，应考虑检测结果常用干样量为基础表示待测物的含量（㎎／㎏干样）。但是，对于含水量很高的浆果，幼嫩蔬菜等最好以鲜样量的基础计算，并附以水分含量作参考，同样具备可比性。因此，在制备的风干样或鲜样均需测定水分含量。含水量测定：样品的含水量常用烘干法测定，即称取一定量的样品在100～105℃烘箱内烘干至恒重，以失重来计算水分含量。对105℃易于热分解的组分可在真空干燥箱内低温烘至恒重。对高水分的浆果类样品应先低温脱水或加入一定量的干燥海砂再烘干至恒重。二、动物样品的采集与制备动物的尿液、血液、脑脊液、唾液、呼出气体、胃液、胆汁、乳液、粪便、毛发、爪甲、骨、脂肪以及肝、肾、心、肺等器官均可作为监测环境污染的样品材料。1．血液：可检测某些微量金属和某些非金属，一般可取前臂静脉血5～10ml。若用微量法，可取指血或耳血。可用不锈钢针头的玻璃注射器，使用白金和钌合金制成的针筒更便于防止样品的污染。采样时，不可将皮肤上的污染物带到针头上。收集血样的容器应用10%硝酸洗静，然后加入适量的抗凝剂、防腐剂。采集的血样可在4℃下保存。2．尿液：绝大多数污染物及其代谢产物主要由肾脏、经膀胱、尿道排出体外。同时，采集尿液也方便。一般可采取24h尿液或晨尿。采样瓶应先用稀硝酸浸泡，蒸馏水冲洗，烘干。采样后，按每100ml尿液加入3ml浓硝酸，于4℃保存。3．乳液：多用于检测有机污染物。用湿布擦洗乳头及周围，用手工挤或用吸乳器吸。在一个乳房吸取乳液直至吸空为止。可按每10ml乳液加入50μl甲醛防腐，或用有机溶剂萃取后－4℃保存萃取液。4.毛发和爪甲：蓄积在动物毛、爪和人的头发及指甲中的污染物保留时间较长。特别是人的头发，即使是已经脱离接触污染物或停止摄取污染物，血液、尿中污染物含量已下降，而毛发和爪甲中仍可检出。另外，毛发、爪甲样品易于采集和保存。有些污染物（如汞、砷等）含量在人的头发中积累要比尿液中高得多。因此，头发是污染物检测最为广泛采用的样品。采集头发最好在后颈部，从头皮上25mm处取样约1～3g。毛发样品采集后必须去污，一般先切成2～3mm依次在乙醚、丙酮中浸泡10min，沥尽后干燥，再用5%十二烷基磺酸钠洗涤。爪甲样品先用不锈钢刀刮净，再用巴比妥酸—铵缓冲液（PH=7.35）吐温—80溶液或特立顿X—100（1%溶液）洗净。也可用中性洗衣粉（10%溶液）在室温下浸泡4h，以洗去油污，用水洗净后再用丙酮浸泡，干燥后备用。5.器官及组织：污染物在动物的器官和组织中蓄积和毒理的研究均很成熟，用器官和组