6 第六章 环境污染的生物监测.ppt.ppt

第六章 环境污染的生物监测,主要内容,第一节 概述第二节 大气污染的生物监测第三节 水污染的生物监测第四节 土壤污染的生物监测第五节 生物监测方法的典型例子,第一节 概述,生物监测这一术语是在1977年4月由欧洲共同体（EEC）、世界卫生组织（WHO）、美国环境保护局（EPA）组织的“关于生物样品在评价人体接触污染物方面的应用”的国际会议上正式提出并给予的定义。定义：生物监测是利用生物分子、细胞、组织、器官、个体、种群和群落等各层次对环境污染程度所产生的反应来阐明环境状况，从生物学的角度为环境质量的监测和评价提供依据。利用生物进行环境污染监测，早在20世纪初就引起了生态学有的注意。,生物监测是一种既经济、方便，又可靠准确的方法。因此生物监测是利用生物对特写污染物的抗性或敏感性来综合地反映环境状况，这是任何物理、化学监测所不能比拟的。具有长期性、累积性、综合性的特点。但生物监测并非可以取代化学、物理监测，而是作为重要的补充，生物监测能够弥补化学、物理监测的缺陷。如果没有化学、物理监测数据所提供的信息，生物的反应就不能准确地提供污染信息。生物监测就有悠久的历史。,生物监测方法从生物学层次来分，主要包括生态监测（群落生态和个体生态）、生物测试（急性毒性测定、亚急性毒性测定上和慢性毒性测定）以及分子、生理、生化指标和污染物在体内的行为等几个方面。生物监测已经从传统的生物种类、数量和行为的描述发展到现代化的自动分析；从单纯的生态学方法扩展到与生理、生化、毒理学和生物体残留量分析等领域相结合的研究。,从生物 的分类法来分，主要包括：动物监测（以动物为监测生物）、植物监测（以植物为监测生物）、微生物监测（以微生物为监测生物）。,指示生物是指对环境中的污染物能产生各种定性反应，指示环境污染物的存在。监测生物不仅能够反映污染物的存在，而且能够反映污染物的量。监测生物必然是指示生物，同时它还要回答环境中污染物多少的问题。,第二节 大污污染的生物监测,大气污染时，某些生物动物和植物以及微生物会做出不同程度的反应，利用生物对大气污染的异常反应来检测大气中有害物质的成分和含量，了解大气质量状况，就是大气污染的生物监测。指示生物是指以地环境中的污染物能产生各种这下性反应，指标环境污染物的存在。监测生物多种多样，有SO2、HF、O3、NOx、粉尘及重金属等污染物。,一、大气中主要的污染物及其植物监测,利用植物监测大气污染的依据是植物对大气污染的生物效应，这种效应可表现为慢性伤害,如酶系统被破坏或产生其他生理反应;也可表现为急性伤害，如叶片出现伤斑，生长量和生产量受到影响等等；还表现为植物群落结构的改变。,生物效应同植物种类，污染物的种类、浓度以及作用时间等因素有关。如各种污染物造成的叶伤害症状所表现的颜色、形状、部位因植物种类和污染物的种类而异，根据这些症状即可估测大气污染物的成分。,污染物的浓度愈大，植物受害愈重。植物受害的最低浓度称为临界浓度或极限浓度。植物从接触临界浓度以上的有毒气体时起，到植物体出现受害症状时为止，这段时间称为临界时间。一般情况下，污染物的浓度愈高，植物受害的临界时间愈短；浓度愈低，临界时间愈长。植物种类不同，各种污染物的临界浓度和临界时间也不同。,部分植物对大气污染物极为敏感，在人和动物达到受害浓度之前，就开始显示出可察觉的受害症状，植物本事不宜移动，便于管理，因而利用历史悠久，能有效的监测大气污染。（一）光化学氧化剂（光化学烟雾）（二）二氧化硫（三）氟化物（四）乙烯（C2H4）,（一）光化学氧化剂（光化学烟雾）,臭氧、过氧酰基硝酸酯类和氮氧化物 统称为光化学氧化剂，又称为光化学烟雾。1.臭氧2.过氧酰基硝酸酯类（PANs）,1 臭氧,植物与其周围环境进行正常的气体交换时O3就经气孔进入植物叶片内，诱发一系列的污染伤害症状，许多叶片会呈现大片浅赤褐色或古铜色，并导致叶片褪绿、衰老和脱落。,Ozone injury to soybean（大豆）foliage,植物受臭氧急性伤害后出现的初始典型症状：,叶片上散布细密点状斑，几乎是均匀地分布在整个叶片上，并且其形状、大小也比较规则、一致，颜色呈 棕色或黄褐色。O3伤害植物的一个共同特征，人们称之为“点斑”，这种斑点呈银灰色或褐色，随着叶龄的增长逐渐脱色，变成黄褐色或白色。这些斑点还会连成一片变成大片的块斑（blotch），致使叶片褪绿或脱落。点斑通常是急性伤害的一个标志。,Dark pigmented stipple on upper surface of yellow poplar（白杨）leaves exposed to ozone.,针叶树对O3的反应,针叶树对O3的反应有所不同，先是针叶的尖部变红，然后变为褐色，进而褪为灰色，针叶上会出现一些孤立的黄斑或斑迹。贴梗海棠在0.5mg/L的臭氧下暴露半小时就会受到伤害。,Tipburn on eastern white pine exposed to ozone.,P167-168,2.过氧酰基硝酸酯类（PANs）,包括过氧乙酰硝酸酯（PAN）、过氧丙酰硝酸酯（PPN）、过氧丁基硝酸酯（PBN）及过氧异丁基硝酸酯（PisoBN）。,PAN诱发的早期症状：在叶背面出现水渍或亮斑。随着伤害的加剧，气孔附近的海绵叶肉细胞崩溃并为气窝取代。结果使受害叶片的叶背面呈银灰色，两三天后变为褐色。PAN诱发的一个最重要的受害症状是出现“伤带”（banding）。这些症状出现于最幼嫩的对PAN敏感的叶片的叶上尖上（与O3伤害成熟叶的情形恰恰相反）。随着叶片组织的逐渐生长和成熟，受害的部分就表现为许多伤带。,用于监测PAN的植物有：长叶莴苣（Lactuca sativa）、瑞士甜菜（Beta chilensis）以及一年生虫熟禾（Poa annua）。,光化学氧化物指示植物,矮牵牛花,葡萄,菠菜,黄瓜,马铃薯,洋葱,O3的指示植物,（二）二氧化硫（SO2）,二氧化硫（SO2）具有毒性，还能形成酸雨。主要来源于化石燃料的燃烧。如果SO2浓度超过极限值,就会引起伤害。这一极限值称为伤害阈值，它因植物种类和环境条件而异。综合大多数已发表的数据,敏感植物的SO伤害阈值为：8小时0.25ppm，4小时0.35ppm，2小时0.55ppm，或1小时0.95ppm。,Marginal and interveinal necrosis on American beech（山毛榉）leaves exposed to sulfur dioxide.,植物受二氧化硫伤害后出现的初始典型症状：,微微失去膨压，失去原来光泽，出现呈暗绿色的水渍状斑点，叶面微微有水渗出并起皱。这几种症状可以单独出现，也可能同时出现。随着时间推移，症状继续发展，成为比较明显的失绿斑，呈灰绿色，然后逐渐失去干枯，直至出现显著的坏死斑。坏死斑颜色有深（黄褐色、红棕色、深褐色和黑色）有浅（灰白色、象牙色、灰黄色和浅灰色），但以浅色为主。,二氧化硫对大波斯菊的危害,二氧化碳对棉花的影响,阔叶植物中同共型急性中毒症状是叶脉间有不规则的坏死斑，伤害严重时，点斑发展成为条状、块斑，坏死组织和健康组织之间有一失绿过渡带。单子叶植物在平行叶脉之间出现斑点状或条状的坏死区。针叶植物受二氧化硫伤害首先从针叶尖端开始，逐渐的向下发展，呈线棕色或褐色。,二氧化硫熏绣球,Acute sulfur dioxide injury to raspberry（黑莓）,二氧化硫对杉木的危害,二氧化硫对玉米叶的危害,监测二氧化硫的植物有一年生早熟禾、芥菜、堇菜、百日草、欧洲蕨、苹果树、颤杨、美国白腊树、紫花苜蓿、大麦、荞麦等，以及苔藓和地衣。紫花苜蓿在二氧化硫浓度 达到0.3mg/L时就有明显反应;,二氧化硫指示植物,堇菜,苔藓,白蜡树,云杉,地衣,棉花,白杨,部分二氧化硫指示植物,（三）氟化物,大气中的氟化物以气态氟化氢（HF）、颗粒态或气态形式吸附其他颗粒物上等三种形态存在，其中以HF的毒性最大，主要来源铝等金属冶炼工业排放的废气。,氟化物对植物的影响大气氟污染物主要为氟化氢（HF）。它的排放量远比SO2小,影响范围也小些，一般只在污染源周围地区。但它对植物的毒性很强。空气含ppb级浓度HF时,接触几个星期可使敏感植物受害。氟是积累性毒物，植物叶子能继续不断地吸收空气中极微量的氟，吸收的F随蒸腾流转移到叶尖和叶缘，在那里积累至一定浓度后就会使组织坏死。这种积累性伤害是氟污染的一个特征。叶子含氟量高到4050ppm时,多数植物虽不致受害,但牛羊等牲畜吃了这些被污染的叶子,就会中毒，如引起关节肿大、蹄甲变长、骨质变松、卧栏不起，以至于死亡。蚕吃了含氟量大于 30ppm的桑叶后，不食、不眠、不作茧，大量死亡。,氟化氢对叶植物的伤害症状：,植物受氟害的典型症状是叶尖和叶缘坏死，伤区和非伤区之间常有一红色或深褐色界线。氟污染容易危害正在伸展中的幼嫩叶子，因而出现枝梢顶端枯死现象。此外，氟伤害还常伴有失绿和过早落叶现象，使生长受抑制，对结实过程也有不良影响。,（1）一般是叶缘或叶片顶部出现坏死区，坏死区有明显的有色边缘。这种坏死的组织可能发生分离，甚至脱落，但通常情况下叶子并不脱落。受害组织与正常组织之间有明显的分界。,氟化物对植物叶的影响,Fluoride injury to plum（李子）foliage.,（2）在针叶树中，氟化氢导致的组织坏死，首先从当年的针叶的叶尖开始，然后逐渐向针叶基部蔓延。被伤害的部分逐渐由绿色变为黄色，再变为赤褐色。严重枯焦的针叶则发生脱落。新长出的幼叶对氟化氢敏感，而比较老的叶片则不易被伤害。,Tip necrosis on needles of eastern white pine exposed to fuorides.,监测氟化氢的植物有杏树、北美黄彬、美国黄松、唐菖蒲、小苍兰以及地衣等。如氟化氢浓度为 10ppb时，20小时使唐菖蒲（Gladiolus gandavensis）开始受害；浓度为50ppb时,69小时可使棉花开始受害。,雪松,葡萄,金钱草,杏树,慈竹,郁金香,氟化物的指示植物,唐菖蒲,（四）乙烯（C2H4）,乙烯本是植物生成的一种天然的植物激素，具有重要的生理功能。但目前成为大气中的主要污染物，主要由机动车辆排放。（C2H4）对植物的影响，一般是影响植物的生长及花和果实的发育，并且加速植物组织的老化。,引起植物产生反应的乙烯阈值浓度为10100ppb，饱和反应浓度为110ppm。乙烯对植物的危害不像其他污染物那样会造成叶组织的破坏，它的作用是多方面的，其中一个特殊的效应是“偏上生长”，就是使叶柄上下两边的生长速度不等,从而使叶片下垂(见彩图乙烯污染指示植物番茄。左为污染引起的偏上反应，右为正常、乙烯污染指示植物中国石竹。左为污染引起的闭花反应,右为正常)。乙烯的另一个作用是引起叶片、花蕾、花和果实的脱落，因而影响某些农作物产量和花卉的观赏效果。如棉花、芝麻、油菜、茄子、辣椒等作物极易受乙烯影响而落花落蕾,大叶黄杨、苦楝、女贞、刺槐、油橄榄、柑桔等遇到乙烯则易落叶。,有一些植物因接触乙烯而产生不正常的生长反应，如茎变粗，节间变短，顶端优势消失，侧枝丛生等，还有一些植物会产生一些特殊现象，如棉花花蕾萼片张开，黄瓜卷须弯曲等。乙烯使某些植物如石竹、紫花苜蓿、夹竹桃等正在开放的花朵发生闭花现象（又称“睡眠”效应,图2下）,使洋玉兰的花瓣和花萼脱水枯萎，使菊花、一串红、三色堇的花期缩短，使花石榴、凤仙花、紫茉莉等不能开花，使向日葵、蓖麻、小麦等结实不良、空秕率增加，使西瓜、桃子等产生畸形果和开裂果，座果率降低。,乙烯使植物产生反应的浓度，一般认为是0.010.1PPm，引起达到最大反应的一半时，所需浓度是0.11.0PPm，饱和反应浓度为110PPm，植物发生急性伤害的阈值浓度为0.051.0PPm。植物对乙烯的敏感性有很大差别，芝麻、棉花等属于敏感植物，而水稻、小麦、玉米、高梁及叶菜类、葱等则不敏感。监测（C2H4）的植物通常有兰花、麝香石竹、黄瓜、西红柿、万寿菊及皂荚树等。,乙烯的指示植物,万寿菊,皂荚树,黄瓜,番茄,兰花,（五）氯气,Cl2 对叶肉细胞有很强的杀伤力,进入叶肉细胞后很快破坏叶绿素,产生点、块状褪色伤斑,叶片严重失绿,甚至全叶漂白脱落。其伤斑部位大多在脉间,伤斑与健康组织之间没有明显界限。,氯气对植物的危害,对Cl2 敏感的植物:圆柏、垂柳、加拿大杨、油松、紫薇、栾树等。对Cl2 抗性强的植物:樱花、丝棉木、臭椿、小叶女贞、接骨木、木槿、乌桕、龙柏等。较强者:海桐、大叶黄杨、小叶黄杨、女贞、棕榈、丝兰、香樟、枇杷、石榴、构树、泡桐、刺槐、葡萄、天竺葵等。,Cement-dust coating on apple leaves and fruit.The dust had no injurious effect on the foliage,but inhibited the action of a pre-harvest crop spray.,煤烟粉尘和金属飘尘,利用植物监测大气污染的方法：,（1）现场生态调查 在污染现场调查植物的受害症状。如敏感植物受害，表明大气受到污染；抗性中等的植物受害，表明污染比较严重；抗性强的植物受害，表明污染已十分严重。在严重污染区，敏感植物基本消失。根据植物叶片的受害症状，可以判断大气中的主要污染物；根据受害症状面积的大小，也可以判断大气污染的程度。综合抗性不同的植物的受害状况，即可绘制出大气污染的分级分区图，确定区域性污染的程度和范围。在污染现场调查植物的慢性伤害状况时，可把污染区的一年生枝条的长度、叶面积的变化、叶重及年轮等，同非污染区的这些指标进行比较，也可了解污染的程度、范围和污染的历史。,（2）现场盆栽定点监测 将监测用的指示植物栽在污染区选定的监测点上，定期观察、记录其受害症状和受害程度，可估测大气污染物的成分、浓度和范围。如中国利用京桃监测氯气，用唐菖蒲、金荞麦 监测氟化物；美国洛杉矶利用矮牵牛监测过氧乙酰硝酸酯,用烟草监测臭氧等氧化剂，都取得较好的效果。利用紫花苜蓿(Medicago sativa)监测二氧化硫已为人们所熟知。一旦这些敏感植物受害，就等于发出空气被污染的“警报”。采用盆栽植物，可以根据需要设置监测点，不受污染现场环境条件的限制，在厂区、室内、车间到处都可进行，便于开展群众性的监测活动。,（3）植物体内污染物含量分析 叶片对重金属、二氧化硫、氟化物、氯等有一定的富集能力。对叶片中的这些污染物进行含量分析，可以了解大气污染物的种类、污染范围和污染程度。如植物的自然含氟量为0.525ppm，自然含硫量一般为0.10.3，如果排除根系吸收等因素，测得叶片中氟或硫的含量高于上述自然含量，就表明空气中存在着氟或二氧化硫污染。树皮一年四季都能固定大气中的氟，监测树皮中的含氟量的工作在植物休眠期仍可进行。可以分析叶片、树皮、年轮等。,（4）利用地衣、苔藓植物监测 地衣和苔藓植物都属于隐花植物，对大气中不同浓度的二氧化硫、氟化氢等反应很敏感。二氧化硫年平均浓度在 0.0150.105ppm范围，就能使地衣绝迹，没有地衣生长的地带称为“地衣沙漠”。苔藓是仅次于地衣的指示植物，如大气中二氧化硫浓度超过0.017ppm，大多数苔藓植物就不能生存。1968年，在荷兰瓦赫宁根举行的大气污染对动植物影响讨论会上，附生隐花植物（主要指地衣和苔藓）被推荐为大气污染的指示生物。用生态学方法调查污染区树干上距地12.5米高度范围内的树生地衣或附生苔藓植物的种类、数量和分布，在污染源附近会发现“地衣沙漠区”，苔藓植物也是愈接近污染源种类愈少，甚至完全消失。根据地衣、苔藓植物的多度、盖度、频度以及种类数量的变化，绘制污染分级图，能清楚地显示出大气污染的程度和范围，还可以在一定程度上反映污染历史。,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。,二、大气污染的动物监测,（一）利用动物个体的异常反应,对矿井内瓦斯毒气敏感的动物,金丝雀,金翅雀,鸡,老鼠,图6.9 对矿井内瓦斯毒气敏感的动物,对SO2敏感的动物,敏感性水平：,本鸟最高,俺狗狗第二,耐受力最好的当属我们家禽了,金丝雀,狗,家禽,（二）利用动物种群数量的变化,受不了啦，快跑吧！,大型哺乳动物、鸟类、昆虫等迁移,图6.11 大型哺乳动物、鸟类不堪忍受空气污染而迁往别处,不易直接接触污染物的潜叶性昆虫、虫瘿昆虫、体表有蜡质的蚧类增加，图6.12为部分该类昆虫。,潜叶蛾,瘿蚊,红蜡蚧,图6.12 部分昆虫和蚧类,蜜蜂是大气污染最理想的监测动物。As、氟化物、铅、汞、O3等影响蜜蜂体内污染物的含量和蜜蜂的寿命；蜜蜂的活动范围比较广；可以用一个区域中动物种群数量的变化监测大气污染状况。,三、大气污染的微生物监测,（一）利用空气中微生物的发生率监测大气污染 空气中没有微生物可以利用的营养物质，它不是微生物生长和繁殖的天然环境。空气中的微生物没有固定的种群，使通过土壤尘埃、水滴、人和动物体表的脱落物，呼吸道的排泄物等进入大气的。因此尘埃多的空气中微生物也多。因此，可以利用大气微生物物种数量及其分布来检测大气环境质量。,辽宁省某市空气中微生物区系分布与环境质量关系研究表明：空气中微生物的数量随着人群和车辆流动的增加而增多，繁华的中街微生物数量最多，其次是交通路口，居民小区；郊区某公园和农村空气中细菌最少。2001和2002年山东省某海滨城市空气微生物监测发现：该市空气微生物检出率高，空气处于微生物中度污染状态。其中东部、居住区空气污染较重，南部、西部和风景游览区空气污染较轻。滨海区空气陆源细菌少于内陆区，真菌却较多。滨海与内陆区空气微生物含量相近，滨海区空气陆源微生物增多，意味两区空气污染有趋同现象。,（二）利用病原微生物的致病性监测大气污染 许多大气污染物具有杀菌作用，能够改变微生物的种类区系及活性，改变微生物的数量、分布特征、代谢活动、致病性及其他生理功能。借助对这些特征的调查、比较可以估计当地的空气污染情况。,SO2污染严重的地区，柱锈菌属、鞘锈菌属、栅锈菌属、皮孢锈菌属等不存在或受到抑制。黑痣病是几种槭树常见的病害，它对SO2有抗性。因此槭树上的黑痣病的发病率的严重程度与相应的SO2的平均浓度有关。,第三节 水污染的生物监测,水体中的污染物十分复杂，洗涤剂、染料、酚类物质、油类物质、重金属、放射性物质以及一些富营养化物质如氮、磷。现有的水质污染综合指标即BOD、COD、TOD、DO等化学监测只能检测出某一指标，并不能反映出多种毒物的综合影响。测定的结果不能说明其对生物界和人类的危害程度。而利用生物监测能够避免这一弊端。,生物监测可以利用水中生物及早警报水体中存在的有毒物质。在用生物方法进行水体监测时，可以用浮游生物、着生生物、底栖生物、鱼和微生物作为监测生物。,一、水污染的植物监测,水生植物的个体、种群和群落均可以作为水污染的指示生物。举例：1 滇池-合适的监测生物2 太子河-河流分段,以滇池为例，水生植被与水体污染程度的关系如下：（）严重污染各种高等沉水植物全部死亡。（）中等污染敏感植物如海菜化、轮藻、石龙尾等消失，篦齿眼子菜等敏感植物稀少，抗性强的如红线草、狐尾藻等相当繁茂。（）轻度污染敏感植物如海菜花、轮藻等渐趋消失，中等敏感植物和抗污植物均有生长。（）无污染轮藻生长茂盛，海菜花生长正常。上述各类植物均能够正常生长。海菜花、轮藻等敏感植物可以用作监测植物。,1 滇池,通过太子河本溪段河流上不同的5个断面的检测，计算各种指数，通过各断面的藻类种群组成和数量分布可见：上游河段水质较好，藻类种类多、密度大，种群中寡污性种类多，耐污性种类较少；下游水质污染严重；浮游植物种类数减少，清洁种类显著减少以至消失，被耐污性种类所取代；离开市区后，水质通过自净而转好，藻类种类和数量回升，硅藻数量增加。个主要排污沟的浮游植物种类少而单调，以耐污性种类为优势，说明水质受到严重污染。,2 太子河,二、水污染的动物监测,水污染指示生物一般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。它们个体大，在水中相对位移小、生命周期较长，能够反映环境污染特点，已经成为水体污染指示生物的重要研究对象。主要有颤蚓、水蛭、鱼类以及原生动物等作为监测动物。,颤蚓：用单位面积颤蚓数作为水体污染程度的指标，例如，颤蚓类条/m2）为未污染；颤蚓类条/m2属轻污染；颤蚓类条/m2属中污染；颤蚓类条/m2属严重污染。往往还形成单一种类。,水蛭：水蛭也是一种相当耐污染的无脊椎动物，有些种类只有在富含有机物的水域中生活。,鱼类：由于水土污染严重，鱼类的大量死亡和数量的急剧下降，鱼可以作为水体污染的监测生物。鱼类的呼吸系统是鱼体与水环境之间联系最广的界面。鱼的呼吸系统是受污染物影响的最敏感的系统，可利用污染物对鱼类毒害前后呼吸频率的变化来判断污染物的毒性大小和污染程度。,在用鱼来监测水体污染的方法中，监测参数包括咳嗽反应、耗氧量、运动类型、回避反应、趋流性、游泳耐力、心跳速率和血液成分等。,(徐士霞等，2003),(徐士霞等，2003),三、水污染的微生物监测,有机污染物是微生物的良好生长物质，水体内有机质的含量高，则微生物的数量大。一般在清洁湖泊、池塘、水库和河流中，有机质含量少，微生物也很少，每毫升水中含有几十至几百个细菌，并以自养型为主，常见的种类有硫细菌、铁细菌、鞘杆菌等。,在停滞的池塘水、污染的江河水，以及下水道的沟水中，有机质含量高，微生物的种类和数量都很多，每毫升可达几千万至几亿个，其中以抗性强、能分解各种有机物的一些腐生型细菌、真菌为主。细菌总数越多，说明污染越严重。常见的有变形杆菌、大肠杆菌、粪链球菌等。,发光细菌法发光细菌是一类能自发发光的细菌，其发光机制是由于菌体内有一种荧光素酶，通过酶催化不饱和脂肪酸反应，而向外界辐射蓝绿色的荧光，发光光谱范围在435630nm，有单一最大发射峰(max=475nm).发光是生物自身的正常生理代谢过程.由于发光细菌有易培养、增殖速度快、发光易受外界环境的影响且反应迅速、灵敏等特点。近年来国内外较多地将发光细菌应用于环境监测，Beckman公司依据发光细菌的发光原理,已推出用于环境监测的生物毒性检测仪Microtox。,生物发光法是结合生命有机体的生物物理和生物化学过程，检测的是处于环境中的生物，提供的是一个综合的整体指标，因此比传统的检验方法更迅速，直接反映环境污染对生物的影响。当发光细菌与水样毒性组分接触时，可影响或干扰细菌的新陈代谢，使细菌的发光强度下降或熄灭。在一定毒物浓度范围内，有毒物质浓度与发光强度呈负相关线性关系，因而可使用生物发光光度计测定水样的相对发光强度来监测有毒物质的浓度。,发光细菌来监测有毒物质，费时较少且敏感性好，操作简便，结果准确。该法在环境监测中可用于水体中无机或有机的许多毒物，如重金属、农药、除草剂、酚类化合物及氰化物等30多种污染物的监测。,SOS显色反应,世纪年代初建立的一种遗传毒物细菌监测系统SOS显色反应已在环境污染物的致遗传毒性监测中广泛应用。原理：通过大肠杆菌液在遗传毒性因素作用后，根据最终产生的BD半乳糖苷酶在液体分解底物邻硝基BD半乳糖苷所产生的黄色可溶性色素来进行定量测定。通过检测细胞的SOS反应就可测定外源性化学物及物理因素是否具有遗传毒性。该法速度快且可直接用于检测成分复杂的混合物。,第四节 土壤污染的生物监测,土壤中的污染物质主要有重金属、农药、化肥及洗涤剂等。生活在污染土壤中的生物、其生活力、代谢特点、行为方式、种类组成、数量分布、体内污染物及其代谢产物含量等均不同程度的受到污染物的影响。因此，土壤生物的这些特征变化可以用来监测土壤污染的成分和浓度。,一、土壤污染的植物监测,植物监测就是利用土壤污染的指示植物进行监测,土壤受到污染后,污染物对植物产生各种反应“信号”。主要是产生可见症状,如叶片上出现伤斑;生理代谢异常,如蒸腾率降低呼吸作用加强,生长发育受抑;植物成分发生变化,由于吸收污染物质,使植物体中的某些成分相对于正常情况下发生改变,(1)根据植物形态异常变化判定土壤污染 研究发现,当土壤中 Cu 过量时,婴粟植株矮化;Ni过量时,白头翁的花瓣变为无色;Mn 过量时,植物叶片畸形茎呈金黄色;土壤中 MnFeS 超量时,石竹紫宛八仙花花色分别呈深紫色无色(原玫瑰色)和天蓝色(原玫瑰色),(2)根据植物生态习性判定土壤污染 研究证实,有些植物具有超量积累重金属能力,通常分布于重金属过量土壤中,此生态习性可资判断土壤重金属污染与否如萱麻能在含 Hg 丰富的土壤上生长;早熟禾裸柱菊北美独行菜能在 Cu 污染土壤上生存;北美车前蚊母草早熟禾裸柱菊则能在 Cd 污染土壤上存活,(3)根据植物体内污染物含量判定土壤污染 相关报道如祝栋林等报道了苔藓对 Pb 有很强的富集能力,其体内的重金属浓度随土壤浓度的增大而增大Lee Y Z等用可食用植物如萝卜吸收镉的量表征土壤受重金属镉的污染程度另外,许多蕨类植物也可用于土壤环境污染的监测目前关于土壤环境的植物监测法主要用于重金属污染,而有关有机物污染土壤的植物监测尚未见报道有必要加强此方面的研究,二、土壤动物监测,土壤动物是反映环境变化的敏感指示生物，当某些环境因素的变化发展到一定限度时限会影响到土壤动物的繁衍和生存，甚至死亡。研究表明在重金属污染的土壤中土壤动物的数量随污染程度的减轻而逐渐增加，并且与重金属的浓度具有显著的负相关。,农药和重金属能够将少敏感的动物的数量，使土壤动物的数量和群落发生改变。土壤动物种类和个体数随污染程度的增加而明显减少，群落结构发生显著变化。如：农药减少蚯蚓的数量,有机磷农药废水使动物群落发生改变。,（王振中等，1996）,蚯蚓的急性毒性实验中所配制的敌敌畏溶液浓度为3.2，5.6，10，18.2mL/L，在农药洒入培养缸的瞬间，即发现蚯蚓急剧弹跳，隐伏在土层中的蚯蚓也纷纷涌出土面，浓度越大，蚯蚓的反应越强烈，6h后某些蚯蚓个体环带区有充血肿胀现象，12h后，蚯蚓呈现暗红色，活动能力大为减弱，甚至出现麻痹、组织溃疡等病变，直至死亡。在此实验中，随染毒历时的延长，蚯蚓死亡率迅速上升，在3.2mL/L浓度组，24 h死亡率为28.9%，而在4d后即达到99%的死亡，第5天已不存在活体(表6)；其他浓度亦有相同的趋势，只是在高浓度全部死亡的时间较快，24h后即已死亡大部分，不到36h已没有活体。实验表明：蚯蚓对敌敌畏农药污染极为敏感，可以用来作为农药环境污染监测的指示生物。,敌敌畏使动物群落发生改变,表6敌敌畏浓度与蚯蚓死亡率的关系,优势类群中蜱螨类和弹尾类动物占动物总量的79%，其中以蜱螨类中的甲螨亚目耐污能力较强，弹尾类对农药污染较敏感。,三、土壤污染的微生物监测,污染物进入土壤后首先受害的是土壤微生物，许多土壤微生物对土壤中重金属、农药等污染物含量的稍许提高就会表现出明显的不良反应。通过测定污染物进入土壤系统前后的微生物种类、数量、生长状况及生理生化变化等特征就可监测土壤污染的程度。,杨居荣等研究了土壤中重金属和砷对几种固氮菌(紫云英根瘤菌、圆褐固氮菌等)及解磷细菌(芽孢杆菌)以及纤维分解菌一木霉的影响。结果表明Cd、Cu、Pb、Cr对较为敏感的大芽孢杆菌和枯草杆菌均有明显的抑制作用，随着重金属浓度的升高，菌落数明显减少。砷污染对几种固氮菌、解磷细菌及维分解菌均具有抑制作用。纤维分解菌群的活性受重金属和其他有毒元素的影响很大。从已有的研究来看，微生物种群数量变化、微生物酶活性变化等都可以用作土壤受污染程度的微生物监测指标。,第五节 环境污染生物监测方法的典型例子,一、利用生物典型受害症状监测环境污染本法主要是通过肉眼观察生物体受污染影响后发生的形态变化，如观察植物叶片伤害症状、动物器官畸形。,处在大气环境中的敏感植物受污染物影响，叶片会表现出伤害症状。根据特写植物的典型症状（尤其是急性症状）可以指示大气中某种污染物的存在。根据受害叶数、颜色深浅及伤斑的大小与大气中污染物浓度的相关性，将污染伤害植物的程度同已知的环境污染物浓度联系起来，就能够凭借叶片典型症状反应大气中相应污染物的浓度。建立用于参比的照片系列，将受害的叶片与参照照片比较，就可以估计叶片的受害程度和空气中污染物的类型和含量。,利用这种方法监测大气污染时，必须尽可能采用哪些不会产生“混淆症状”的职务材料，以便得到植物对特定污染物影响的非常独特的反映。土壤中的污染物对植物的根、茎、叶都可能产生影响，出现一定的症状，如Cu、Ni、Co会抑制新根的伸长，形成狮子尾巴一样的形状。,锌污染引起洋葱主根肥大和曲褶；锌、铜污染使扁豆、红小豆等的老叶组织变褐死亡；铜污染使大麦不能分蘖，长到片叶时就抽穗；镍使甘蓝叶由绿变为褐色，叶片变得细长，叶缘向内卷曲，燕麦叶片有分散的斑点状白化症；在铜、钼污染严重的土壤中生长的点瓣罂栗花瓣上会出现黑色条纹；在硼污染严重地区，驼绒蒿变矮小或畸形；,土壤中不同污染物的症状,酚污染会使水稻根系发育不好，植株变矮小，小蘖减少，叶片变窄，叶色灰暗，严重受害者叶片枯黄，叶缘内卷，少数叶片主脉两侧有不明显的褐色条斑，根部变为褐色；氰化物能够使植株变矮，根系短而稀少，部分叶尖端有褐色斑纹；砷污染使小麦叶片变得窄而硬，呈青绿色；铬使小麦植株生长矮小，下部叶片发黄，叶面出现铁锈样斑块；镉使大豆叶脉变成棕色，叶片褪绿，叶柄变为淡红棕色；一些无机农药污染使植物叶柄基部或叶片出现烧伤的斑点或条纹，使幼嫩组织发生褐色焦斑或破坏；有机农药污染严重使叶片相继变黄或脱落，花座少，延迟结果，果变小或籽粒不饱满等。,水 稻 缺 铁,水 稻 铁 毒,中毒症状：水稻亚铁中毒“青铜病”,黄 瓜 硼 毒,棉 花 硼 毒,B过多症状：棉花、油菜“金边叶”,锰中毒的马铃薯叶背,缺锰的马铃薯叶背,中毒症状：老叶失绿区中有棕色斑点，诱发其它元素的缺乏症,菠 菜 锌 中 毒,番 茄 锌 中 毒,中毒症状：叶片黄化，出现褐色斑点,番 茄 钼 中 毒,中毒症状：茄科叶片失绿等,（二）动物体形发生变化,1 在根据形态结构变化指标来监测水体污染时，最常见的生物材料是鱼类。如果见到鱼的体形变短变宽、背鳍颈部后方向上隆起，鳍条排列紧密，臀鳍基部上方的鳞片排列紧密，发生不规则错乱，侧线不明显或消失等，可认为水体已被严重污染。,2 受到污染的土壤使蝗蚓身体蜷曲、僵硬、缩短和肿大，体色变暗，体表受伤甚至死亡。,二、利用生物体内的污染物及其代谢产物含量分析方法监测环境污染,（一）利用低等附生植物体内污染物监测大气污染,地衣和苔藓植物被大量用来指示和监测大气中重金属、粉尘、SO2等污染。,附生植物具有比较好的监测大气污染的功能，原因：1.附生植物地理分布广，出现在各种自然环境，甚至工业区和城市市区。2.附生植物无表皮和角质层，污染物容易通过。3.附生植物无真正意义上的根，也没有维管组织，其所需矿物质主要通过干湿沉降。在这些植物及其枝叶体中发现的全部污染物，是直接从空气中吸收或是吸收沉降在植物体上的污染物。4.因为附生植物大多为单层细胞，污染物可以从背腹两面进入植物体，所以对大气污染敏感。5.附生植物大多分布在树干、枝、叶上，不受土壤污染的影响。,（二）利用高等植物叶片内污染物监测大气污染,植物体内的污染物的含量与大气或土壤中相应得污染物的浓度有很大的相关性，并且能够反映较长时间内大气污染物的平均浓度。因此可以通过分析植物叶片中积累的污染物含量的多少来评价大气的质量。,根据一个地区范围的污染源的分布情况以及地形、地貌等的特点，在污染区不同污染地段采集一种或几种各地段都有的植物叶片（乔木、灌木）或全株（草本），在非污染区设对照点。可以计算含污量指数IP。Cm为采样点采样植物叶片中污染物含量；Cc为对照点采样植物叶片中污染物含量。,水中的污染物可以进入生物体内并富集，通过分析水生生物体内的某些成分，就能够了解水中污染物的种类、相对水平和危害程度。分析可以是生物体的整体，如鱼类、贝类、虾类等，也可以是生物体的一部分、排泄物、呕吐物等。,三、利用生物的生理、生化指标监测环境污染,生物受污染时，某些生理生化指标的变化，远比形态可见症状反应灵敏、迅速，因此，更适宜用作环境监测。,(1)植物对污染反应具有以下普遍性：NH3使植物的磷酸葡萄糖脱氢酶、苹果酸脱氢酶和过氧化物酶活性升高；过氧乙酰硝酸酯抑制磷酸葡萄糖脱氢酶和苹果酸脱氢酶的活性；植物对臭氧、二氧化硫、亚硫酸根离子、硫酸根离子、氨和铵离子都敏感，植物暴露在这些污染物中之后，过氧化物酶活性都有所升高,(2)用动物来监测 利用鱼的生理代谢来监测水污染的指标有：鳃盖运动频率、呼吸频率、呼吸代谢、侧线感观机能、渗透压调节、摄食量与能量转换率、的和及神经内分泌活动等。生化方面的指标有：血液成分变化、血糖水平、酶活性（如鱼脑胆碱酯酶、转氨酶、血浆酶和ATP酶等）变化、糖类及酯类化代谢等。不成熟红细胞的增加和溶血性贫血可作为水体中铅污染的监测指标。,四、利用生物的细胞遗传学指标监测环境污染,目前采用的细胞遗传学得方法来筛选化学诱变因子，监测环境中的具有致癌、致畸、致突变的物质。目前常采用的方法主要有：微核测定法、染色体畸变分析、姐妹染色体交换率及非预定DNA合成等。,（一）微核监测技术,外源性诱变剂或物理诱变因素可以诱导生活细胞内染色体发生断裂、影响纺锤丝和中心粒的正常功能，造成有些染色体及其断片在细胞分裂后期滞后，不能够正常地分配并整合到了细胞的细胞核上，形成所谓的微核。在一定污染物浓度范围内，污染物与微核率有很好的剂量效应关系，而且灵敏度高，可靠性强。目前应用最多的是紫露草微核技术（也称紫露草四分体微核监测法）和蚕豆根尖细胞微核技术。植物微核技术监测法尤其对具有致畸、致癌、致突变的污染物监测最有效，在我国目前已广泛应用于空气、水体、土壤污染监测等方面。,进行微核监测所用的材料可以是植物或动物组织和细胞。植物微核测定常用根尖和四分体。利用蚕豆根尖微核技术和紫露草四分体微核技术主要用于大气污染、水污染和土壤污染的监测，现已经被列为监测环境污染物的常规指标。,（二）染色体畸变技术,在物理和化学因素的影响下，染色体数目和结构的变化称之为染色体畸变分析。染色体畸变包括染色体单体断裂、双着丝点染色体、染色体粉碎化和染色单体互换等。染色体畸变率越高，说明污染越严重。,（三）非预定DNA合成,非预定DNA合成（unscheduled DNA synthesis,UDS）技术的原理是：如果细胞复制受阻，同时又暴露于受测药品和H标记的胸腺密啶核苷，那么此时如果受测物质不损伤DNA从而刺激修复系统(UDS)H标记就不会有明显的掺入。UDS试验是在DNA水平上检测化学物质的损伤作用，现已广泛用于致癌物质的筛选和作为评价污染物遗传毒性的指标之一。,五、利用生物群落结构分析方法监测环境污染,环境污染的最终结果之一是敏感生物消亡，抗性生物旺盛生长，群落结构单一。,（一）附生植物的群落,在1920年至1970年年中，关于附生植物指示大气污染的研究主要有个阶段：污染地区生植物群落类型、种类组成与分布；移植附生植物于污染地区，观察其受害至死亡所需时间；利用附生植物群落学特征计算大气洁净度指数，进行环境质量评价；利用种的丰富度就种类数量特征绘制大气污染分布图。调查项目有种的总数、每个种的覆盖度、每个种的分布频率、颜色变化、叶绿素含量、菌丝体受伤害程度、受精和生殖状况、生长发育以及产量等特征。,现以昆明磷肥厂附近林地在氟污染情况下对地衣调查的结果为例：严重污染：树干上没有梅衣属地衣，石蕊属地衣不能够形成子囊盘，甚至不能够柱体。粉状地衣只存在于地表及树干基部15cm以下。指裂梅衣含氟量大于570mg/kg。中等污染：梅衣属地衣出现在树干高度4m以下，但没有连片生长的梅衣原柱体。指裂梅衣大部分个体不产生粉芽。石蕊属的几个种虽然有柱体及囊盘，但原植体不同程度小于正常生长者。粉状地衣在树干上可以分布到5m