第四章-环境质量的生物监测与生物评价

第四章环境质量的生物监测与生物评价本章将讨论以下内容：生物监测和环境质量评价概念生物监测与评价生态环境质量评价化学品生态风险评价有害物理因素的生物学效应的评价第一节生物监测和环境质量评价概念一、环境质量定义及其内涵环境质量（EnvironmentalQuality）指环境素质的优劣程度。优劣是质的概念，程度是量的表征。环境质量基准（EnvironmentalQualityCriteria）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。环境质量基准是保障人类生存活动及维持生态平衡的基本水准。环境质量标准（EnvironmentalQualityStandard）是国家权力机构以前者为依据，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。环境质量调查：是为了了解环境的质量状况而进行的一系列工作，调查的主要内容是环境背景值、自然环境状态、区域污染状况、人类干扰下环境的演变规律，以及环境因素的危害效应等。环境质量监测：指对环境指标进行定期的或连续的监测、观察和分析其变化。环境质量评价：指按照一定的标准，采用相应的方法对环境质量进行评定、比较及预测。环境质量调控：狭义：是采取合理有效的措施，调节和控制向环境中排放的污染物不超出允许的容纳量。广义：是采取人工手段，使环境要素变化不超过或能够达到一定的标准。环境质量预测：是对环境质量未来趋势所作的推断，是环境科学的重要组成部分，是制定环境法规，对环境进行科学管理，以及规划区域性人口、资源、生产布局的重要的基础性依据。二、生物监测（Biomonitoring）生物监测生物监测是利用生物个体、种群或群落对环境污染或变化所产生的反应阐明环境污染状况，从生物学角度为环境质量的监测和评价提供依据。思考：与理化监测相比，生物监测有何优缺点？能直接反映环境质量对生态系统的影响；不需购置昂贵的仪器及进行仪器保养和维修；可大面积或长距离内密集布点；不足之处：反应不够快速，无法精确监测某些污染物的含量，精度不高，易受环境因素的影响如季节和地理环境等。第二节生物监测与评价一、大气污染的生物监测与评价（一）大气污染的植物监测方法指示植物法现场调查法植物群落调查法现场盆栽定点监测法地衣、苔藓监测法微核技术的应用污染量指数法大气污染的综合生态指标法1.指示植物指示生物的概念：指对环境中某些物质（包括污染物）能产生各种反应或信息而被用来监测和评价环境质量的现状和变化的生物。指示生物的种类包括大气污染指示生物和水体污染指示生物。例如：指示节气枣花发，种棉花；杏花开，快种麦指示天气燕子低飞预示雨将来临，蜻蜓高飞预示天晴指示水质美国威斯康星地区湖泊中的软水指示植物为Gratiola，硬水指示植物为Ranunculusaquatilis。指示资源安徽的海州香薷指示铜矿，湖南念同的野韭指示金矿注：指示生物只在一定的时空范围内起作用：安徽的海州香薷只在安徽指示铜矿，在北方则无此作用。海州香薷与铜矿资源指示植物法指示植物利用某些植物对某些有害气体的特殊敏感性，可以监测大气中该气体的浓度，这种植物就称为该大气污染物的指示植物。（1）大气污染指示植物应具备的条件•对污染物反应敏感，受污染后的反应症状明显，且干扰症状少；•生长期长，能不断萌发新叶；•栽培管理和繁殖容易；•尽可能具有一定的观赏或经济价值，以起到美化和监测双重作用（2）常见大气污染指示植物二氧化硫污染指示植物：如地衣、苔藓、芝麻、向日葵、落叶松等氟化物污染指示植物：如郁金香、杏、葡萄、梅、雪松（幼嫩叶）等二氧化氮污染指示植物：向日葵、番茄、秋海棠、烟草等（3）指示植物的选择方法现场比较评比法栽培比较试验法人工熏气法（4）常见有害气体对植物伤害的典型症状污染物危害症状O3叶面出现白色或褐色不规则斑点或呈条斑分布，叶尖端变成褐色或坏死PAN叶子下表面变光滑或呈银白色或青铜色NO2脉间组织和靠近叶缘边出现不规则的白色或褐色溃伤SO2伤斑多分布于脉间，与健康组织区别明显，阔叶植物脉间出现不规则坏死斑，单子叶植物平行脉间出现斑点或条状坏死区HF叶尖和叶缘出现灼伤、退绿，伤区与健康组织区别明显Cl2叶脉间变白，叶尖和叶缘出现灼伤及落叶酸雾叶上出现细密、近圆形坏死斑表4－1几种大气污染物对植物的危害症状烟草气候斑病（O3）乙烯导致香石竹“闭花反应”SO2对玉米叶的伤害枣果受氟化物伤害（5）监测方法选择可靠的指示植物，了解其受害症状和受伤阈值，然后根据受害程度大小估测大气污染物的成分、浓度和范围。注：受伤阈值指引起指示植物受害的污染气体的最低浓度和暴露时间2.现场调查法具体方法：（1）选择观察点（2）调查了解主要大气污染物的种类、浓度和分布扩散规律（3）选择观察对象（4）根据调查目的和人力条件确定观测时间（5）确定观测项目（6）根据调查和资料对比分析，确定各种植物对有害其他的抗性等级。3.植物群落监测法该法是利用植物群落中各种植物对环境污染的反应估测大气污染的方法。如敏感植物受害，表明大气受到污染；如抗性中等的植物受害，表明大气污染较严重；如抗性强的植物受害，表明大气污染十分严重；在严重污染地区，敏感植物不存在。在长期受污染地区，一些群落多样性受到影响，从而使植物退化，由此可根据群落中物种多少及个体数量多少来评价大气污染状况。实例：某化工厂附近的植物群落调查实例：某化工厂30～50m范围内植物受害情况说明及分析植物名称受害情况悬铃木、加拿大白杨80％或全部叶片受害，甚至脱落桧柏、丝瓜叶片有明显大块伤斑，部分植物枯死向日葵、葱、玉米、菊花、牵牛花50％左右叶面积受害，叶脉间有点、块状伤斑月季、蔷薇、枸杞、香椿、乌桕80％左右叶面积受害，叶片有轻度点、块状伤斑葡萄、金银花、构树、马齿苋10％左右叶面积受害，叶片有轻度点状伤斑广玉兰、大叶黄杨、腊梅肉眼观察无明显症状表4－2某化工厂30～50m范围内植物受害情况情况分析：根据植物叶片出现的症状特点（伤斑出现叶脉间），表明该厂附近的大气已被SO2污染。从受害程度上看，由于一些对SO2抗性强的构树、马齿苋等已受到损害，可以判断该地区发生过急性危害，估测其SO2浓度为3～10ppm。4.现场盆栽定点监测法将监测用的指示植物栽培在污染区选定的监测点上，定期观察，记录其受害症状和程度，来估测污染物的成分、浓度和范围，以此来监测该地区大气污染情况。5.地衣、苔藓监测法地衣、苔藓作为指示植物的特点这两类植物对二氧化硫和氟化氢等的反应比高等植物敏感；例如SO2年平均浓度在0.015～0.105mg/m3范围内就可使地衣绝迹；浓度超过0.017mg/m3时大多数苔藓植物不能生存。地衣、苔藓生长在树干上，故可以减少土壤或水体污染的干扰。地衣、苔藓所需水分和养分等全部依赖于雨水和露，同时以植物整体吸收养分，而高等植物靠气孔来吸收大气中的污染物，故前者吸收污染物的量相对较多。生长速度比高等植物慢，一旦受损不易恢复，有利于掌握长时间的污染积累结果。两者为多年生长绿色植物，一年四季均可作为监测器。而高等植物往往冬季落叶，难以显示受害情况。取材方便，成本低，有直观效果，但在自然条件下难以获得精确可靠的定量数据。形体小，分类困难，不经过专门的学习不易掌握辨识方法。观察指标通常观察地衣、苔藓植物的多度、盖度、频度、种类数量以及内外部受害症状等指标。在大气污染状况下，地衣、苔藓分布规律污染严重地区，地衣、苔藓植物很少或完全绝迹；随污染的减轻，地衣、苔藓植物种属增加，多度、盖度、频度等也逐渐增高并且在树干上的分布高度也升高。6.植物监测的其他方法微核技术的应用根据环境污染物会引起染色体畸变而形成微核的原理，利用紫路草花粉母细胞的微核数量指示环境污染状况，我国已应用该法来监测水、大气污染状况。污染量指数法KIPC＝监测点指示植物叶片中某污染物的含量/对照点同种植物中某污染物的含量大气污染的综合生态指标法根据植物种类和生长情况选择一些综合性的指标作为评价因子，仔细观察记录这些评价因子的特征，以此划分大气污染等级。（二）大气污染的细菌总数测定空气中微生物区系组成及数量变化与空气污染有密切关系，可用于监测空气质量。1.测定方法：沉降平皿法吸收管法撞击平皿法滤膜法2.空气污染的微生物学评价指标评价空气微生物污染状况的指标可用细菌总数和链球菌总数目前对其的标准无正式规定，一般认为超过500-1000个/m3以上时，作为空气污染的指标二、水污染的生物监测水污染的生物监测主要包括以下方面：水污染的细菌学监测浮游生物监测法底栖大型无脊椎动物监测法微型生物群落监测法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）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。它可反映水体有机污染的程度，如我国现行饮用水卫生标准规定，细菌总数1ml自来水不得超过100个。细菌总数（个/ml）10~100100~10001000~1000010000~100000＞100000级别极清洁清洁不太清洁不清洁极不清洁细菌总数的测定方法检验步骤：无菌操作条件下，1ml水样注入培养皿，接着再注入15ml已融化并冷却至45℃左右的培养基，混匀。凝固后培养24h进行计数。细菌数=每皿细菌数×稀释倍数菌落计算方法与报告方式不同情况的计算方法报告方式：用10的指数法表示（2）大肠菌群数大肠菌群是一群需氧及兼性厌氧的革兰氏阴性无芽孢杆状细菌，能在37℃培养24h内使乳糖发酵产酸产气。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。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：发酵法（多管发酵法或三步发酵法）和滤膜法。细菌产气试验2.浮游生物监测法浮游生物包括浮游植物和浮游动物，如藻类、原生动物、轮虫、枝角类等浮游生物监测法的特点浮游生物尤其是浮游植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：计数框、拉季微量计数法、滤膜计数法等生物量的测定：叶绿素a法；生物体积法；重量法；ATP测定法3.底栖大型无脊椎动物监测法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。4.微型生物群落监测法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）PFU孔径为100-150μm为好，规格5×6.5×7.5cmPFU可浮于水面或在不同深度分层悬挂，须有垂坠物。PFU挤出液可见到水体中大约85%原生动物种类，可反映整个群落动态变化的全过程和基本趋势。（二）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