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1、第三章环境生物检测技术,3.1生物监测与评价,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？,生物监测优点:综合效应性 连续监测性 多功能性 高灵敏性生物监测缺点：反映相对迟钝 很难定性和定量化 影响因素多,3.1.1 大气污染的生物监测与评价植物监测,大气污染的植物监测有以下几种方法：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：污染量指数法大气污染的综合生态指标法,指示生物,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
2、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。,指示植物监测法,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。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、加拿大白杨等氟化物污染指示植物：如郁金香、杏、葡萄、梅
3、、雪松等二氧化氮污染指示植物：向日葵、番茄、秋海棠、烟草等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。,几种大气污染物对植物的危害症状,表41 几种大气污染物对植物的危害症状,植物群落监测法,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
4、。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3050m范围内植物受害情况说明及分析,表42 某化工厂3050m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310 ppm。,现场调查法,选择观察点调查了解主要大气污染物的种类、浓度和分布扩散归律选择观察对象根据调查目的和人力条件确定观测时间确定观测项
5、目根据调查和资料进行对比分析,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，以此来监测大气污染情况。,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0.0150.105 ppm范围内就可使地衣绝迹；浓度超过0.017ppm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。
6、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。,地衣、苔藓监测法,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。,植物监测的其他方法,污染量指数法
7、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级：清洁大气（3.0）,大气污染的综合生态指标法污染水平 主要表现清洁 树木生长正常、叶片面积含铅量接近清洁对照区指标轻污染 树木生长正常，但所选指标明显高于清洁对照区中污染 树木生长正常，但可见典型受害症状重污染 树木受到明显伤害，秃尖，受害面积达50%,思考：应用植物监测应注意哪些问题？采取哪些措施？应注意区分大气污染对植物的伤害与其他因素对植物伤害，如冻害、病虫害、肥料不足、农药药害等也可使植物受害。可从调查污染源入手，通过观察植物叶片受害症状、受害方式，或进行叶片污染物的含量分析来进行判断，这要求工作人员观察细心
8、，并有较为丰富的实践经验。,大气污染的 细菌总数测定,空气污染的微生物学评价指标细菌总数链球菌总数测定方法：沉降平皿法吸收管法撞击平皿法滤膜法,3.1.2 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,水污染的细菌学监测,水污染的细菌学监测指标有以下两个：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总数不得超过100个。它可反映水体有机污染的程度。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、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
9、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：多管发酵法和滤膜法,思考：,什么是大肠菌群？为何用其作为水质粪便污染的指示菌？致病菌在水体中存在数量极少，检测技术复杂，不易直接检测；大肠菌在水中存在的数目与致病菌呈一定正相关，抵抗力略强，易于检查等特点，故作为水体受粪便污染的指标，以大肠菌群最为理想。,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，
10、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,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。,微型生物群落监测法,微型生物群落
11、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）原生动物在PFU内的群集速度和时间受环境的影响，不同污染水体，其群集速度和种类数不同。,3.1.3 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、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
12、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,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，细菌极多，无好氧
13、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，包括污染在内的水质变化对生物群
14、落的生态学效应的一种方法。例子：Beck生物指数公式：IBn An B注1：n A为底栖大型无脊椎动物中对有机物敏感的种类数，在污染水体中从未发现；n B为底栖大型无脊椎动物中对有机物不敏感（耐污性）的种类数，只在污染状况下才出现。注2：IB0时，表示水体受到严重污染；IB在19之间时为中等污染；IB大于10时为清洁水体。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。,多样性指数法（1）,什么是多样性指数法？多样性指数法是应用数理
15、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。,多样性指数法（2）,例子：香农韦弗多样性指数公式：注1：d多样性指数；S生物种类数；N群落的个体总数；n i第 i种的个体数。注2：此公式的计算经多人的调查资料发现，d在0任何正数之间变动。全部生物个体为一个种时，d0；全部个体各属不同种时，d最大。注：当d小于1时为重污染带；d在13时为中污染带；d大于3时为寡
16、污带。小结多样性指数具有简明的数值概念，可以直接反映环境质量状况。指数值越大，表明生态环境状态越好。该法如与其他生物监测方法综合起来分析，其效果更好。,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 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。,3.2生物标
17、志物,概念：生物标志物（Biomarker）化学污染物所导致的生物有机体的生物化学和生理学改变称之为生物标志物。广义上的概念指在任何生物学水平上用于测定污染物暴露和效应的指标，包括亚个体、个体、种群、群落和生态系统。目前普遍赞同和应用的概念指在亚个体和个体水平上既可以测定污染物暴露水平，也可以测定污染物效应的生理和生化指标。暴露生物标志物和效应生物标志物暴露生物标志物（Exposure Biomarkers）：可指示机体对化学污染物的暴露，但不显示发生这种变化所造成的不利效应的程度。效应生物标志物（Effect Biomarkers）：可证明化学污染物对机体的不利效应。,生物标志物的特异性在监测和评价中生物标志物的作用生物标志物未能广泛应用的原因,
