环境污染的生物监测课件.ppt

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1、环境污染的生物监测,1,第六章 环境污染的生物监测,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 环境污染生物监测方法的典型例子（自学）,第一节 概述,环境污染的生物监测,2,第六章 环境污染的生物监测,第一节 概述 （一）生物监测的慨念: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。,（二）生物监测的重要性,1、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定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

2、比拟的。,2、生物监测是化学、物理监测的补充,环境污染的生物监测,3,（三）生物监测方法的分类,1、生物学层次分类，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。,2、生物的分类法分类，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）和微生物监测（以微生物为监测生物）。 植物监测目前是生物监测中研究最多、应用最广的方法。,环境污染的生物监测,4,需要区分的两个概念,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。,不仅能够反映污染物的存在，而且能够反映污染物的量

3、。,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。,环境污染的生物监测,5,第二节 大气污染的生物监测,大气污染的生物监测的慨念：利用生物对大气污染的这些异常反应监测大 气中有害物质的成分和含量，了解大气质量状况，这就是大气污染的生物监测。,大气中污染物的主要种类：SO2、HF、O3、NOx、粉尘、重金属等 生物对大气污染的异常: 如某些动物的生病、死亡或成群迁移；植物叶片的变色、脱落或枯死等；微生物种类和数量的变化等。,环境污染的生物监测,6,(1)、有些植物对大气污染的反应极为敏感，在污染物达到人和动物的受害浓度之前，它们就显示出可觉察的受害症状，这些敏感生物的生存状况可以

4、反映其生存介质的环境质量，用来监测环境。（如紫花苜蓿、帖梗海棠）,植物监测的优势：,(2)、植物还能够将污染物或其代谢产物富集在体内，分析植物体的化学成分并可确定其含量。,(3)、植物本身的不可移动性、便于管理等特征，使它成为重要的大气污染监测生物。,(4)、植物的种类区系变化也可以用于监测环境。,一、 大气中主要的污染物及其植物监测 利用动物来监测大气环境质量，存在很多困难，而利用植物来指示和监测大气质量，既灵敏可靠，又简单易行。,环境污染的生物监测,7,紫花 苜蓿,环境污染的生物监测,8,帖 梗 海 棠,环境污染的生物监测,9,1. 臭氧（O3） 臭氧是一种气态的次生大气污染物，是氮氧化物

5、在阳光照射下发生复杂反应的产物。它具有很强的生物毒性。,臭氧（O3）诱发的污染伤害症状： 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。 植物受臭氧急性伤害后出现的初始典型症状为：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。,（一） 光化学氧化剂（光化学烟雾） 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。,环境污染的生物监测,10,臭氧对植物叶片的伤害,环境污染的生物监测,11,表6-1

6、 O3的监测植物及其典型症状,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（Mottling）。关于O3的监测植物及典型症状见表6-1。,环境污染的生物监测,12,针叶树是树叶细长如针，多为常绿树，材质一般较软，有的含树脂，故又称软材，如：红松、樟子松、落叶松、云杉、冷杉、铁杉、杉木、柏本、云南松、华山松、马尾松及其它针叶树种。,马尾松,环境污染的生物监测,13,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）、过氧异丁基硝酸酯（PisoBN）。其中含量最高、毒性最强的为PAN。它是一种次生污染物，

7、是烃在阳光照射下发生复杂反应的产物。,（1）PAN诱发的早期症状是在叶背面出现水渍状或亮斑。随着伤害的加剧，气孔附近的海绵叶肉细胞崩溃并为气窝（Air pocket）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。,（2）用于监测PAN的植物有：长叶莴苣（Lactuca sativa）、瑞士甜菜（Beta chilensis）以及一年生早熟禾（Poa annua）。这些草本植物的叶片对PAN敏感，但对O3却表现出相当强的抗性。,2. 过氧酰基硝酸酯类（PANs）,环境污染的生物监测,14,草地早熟禾,长叶莴苣, 莴苣,环境污染的生物监测,15,（二）二氧化硫（SO2） SO2是一种众所

8、周知的大气污染物，除了自身的毒性外，它还是形成酸雨的主要物质之一。目前空气中的SO2污染主要来源于含硫燃料（如煤）的燃烧。,1、植物受二氧化硫伤害后出现的初始典型症状为：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，然后逐渐失水干枯，直至出现显著的坏死斑。,环境污染的生物监测,16,2、监测二氧化硫的植物有一年生早熟禾、芥菜、堇菜、百日草（Zinnia eleguns）、欧洲蕨（Idium pter）、苹果树（Malus）、颤杨（Populus tremuloid

9、es）、美国白蜡树（Fraxinus americana）、欧洲白桦（Betula pendula）、紫花苜蓿（Medicago sativa）、大麦（Hordeum vnlgare）、荞麦（Fagopyrum esculentnm）、南瓜、美洲五针松（Pinus strobus）、加拿大短叶松（Pinus banksiana）、挪威云杉（Picea abies），以及苔藓和地衣等。,环境污染的生物监测,17,二氧化硫指示植物,环境污染的生物监测,18,杨梅,杨梅对二氧化硫、氢氟敏感。,环境污染的生物监测,19,环境污染的生物监测,20,SO2监测植物矮牵牛,环境污染的生物监测,21,（三）氟

10、化物 大气中的氟化物以气态氟化氢（HF）、颗粒态或以气态形式吸附在其它颗粒物上等三种形态存在，其中以HF的毒性最大，它产生于铝等冶炼工业排放的废气。,1、氟化氢对阔叶植物的伤害症状，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。,环境污染的生物监测,22,2、监测氟化氢的植物有：杏树（Prunus armeniaca）、北美黄杉（Pseudotsuga menziesii）、美国黄松（Pinus ponderosa）、唐菖蒲（Gladiodus hortulanus）、小苍兰（Free

11、sia hybrida）以及地衣等。,举例：在磷肥厂附近放置氟化物监测植物唐菖蒲，监测磷肥厂周围大气的氟污染状况。如果几天以后，唐菖蒲出现了典型的氟化物危害症状（叶片先端和边缘产生淡棕黄色片状伤斑），表明该厂周围已被氟化物污染，而且根据唐菖蒲的各个放置地点，可以推算出氟化物的污染范围。,环境污染的生物监测,23,氟化物指示植物,环境污染的生物监测,24,唐 菖 蒲,环境污染的生物监测,25,（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。目前它已经成为大气中的一种重要污染物，机动车辆排放的气体是它的初生源。,1、C2H4对植物的影响，一般是影响植物的生长

12、及花和果实的发育，并且加速植物组织的老化。,2、 监测C2H4的植物通常有兰花（Cattleya spp.）、麝香石竹（Dianthus caryaphyllus）、黄瓜（Cucumis sativus）、西红柿（Lycopersicon esculentum）、万寿菊（Tagetes erecta）、皂荚树（Gleditsia triacanthos）等。,环境污染的生物监测,26,乙烯的指示植物,环境污染的生物监测,27,兰 花,万 寿 菊,环境污染的生物监测,28,氮氧化物指示植物,环境污染的生物监测,29,（二）监测大气污染的动物,1、利用鸟类羽毛、骨骼中的重金属含量来监测大气中重金属

13、的污染物及污染程度。,二、大气污染的动物监测 （一） 大气污染对动物的影响 金丝雀对SO2最敏感，其次是狗，再次是家禽；蜜蜂会受到砷、氟化物、铅、汞等的污染，臭氧、氟化物缩短了蜜蜂的寿命。,环境污染的生物监测,30,2、 1970年初，北美和欧洲的科学家开始利用蜜蜂监测大气污染水平，评价大气环境质量。 大气污染物会随着花粉、花蜜带回蜂巢，只要分析花粉、花蜜和蜂体就能够了解污染物种类及污染水平。,3、 一个区域中动物种群数量的变化也可监测该地大气污染状况。如一些大型哺乳类、鸟类、昆虫等，特别对大气污染敏感种类数量的变化很能够说明问题。,三、 大气污染的微生物监测（自学）,环境污染的生物监测,31

14、,对矿井内瓦斯毒气敏感的动物,金丝雀,金翅雀,鸡,老鼠,环境污染的生物监测,32,第三节 水污染的生物监测,水体中的污染物主要有：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。,一、 水污染的植物监测 （一） 以滇池为例，水生植被与水体污染程度的关系如下：,1、严重污染：各种高等沉水植物全部死亡； 2、中等污染：敏感植物如海菜花、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； 3、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； 4、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

15、长。,从上述结果可以看出，海菜花、轮藻等敏感植物可以用作监测植物。,环境污染的生物监测,33,海菜花,环境污染的生物监测,34,荷花,荷花的地下茎和根对含有强度酚、氰等有毒的污水会失去抵抗力而死亡。,环境污染的生物监测,35,（二）赵彦霞等（1993）对太子河本溪河进行了浮游植物调查,太子河本溪河段五个断面（从上游到下游依次为：橡皮坝、牛心台、大峪、二焦化、白石砬子）及主要四个排污沟（溪湖、平山、崔东、千金沟）进行了浮游植物调查,环境污染的生物监测,36,1、河本溪河段五个断面浮游植物调查 橡皮坝浮游植物11属牛心台河段浮游植物12属大峪断面浮游植物13属二焦化河段浮游植物3属白石砬子河段浮游

16、植物6属,从以上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；而下游水质污染严重，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。,环境污染的生物监测,37,2、四个排污沟浮游植物调查 4个主要排污沟的浮游植物种类稀少而单调，以耐污性种类为优势，说明水质受到严重污染。,以上结果反映了藻类群落与水体污染之间良好的相关关系，说明浮游植物群落的变化在一定程度上可以指示水体受污染的程度。,环境污染的生物监测,38,二、 水污染的动物监测,水污染指示生物一般

17、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。,(一)有机污染的动物检测,1、颤蚓类普遍出现于污染水体中，特别在严重有机污染水体中数量多、种类单纯，其中以霍莆水丝蚓或颤蚓最为常见。 可以用单位面积颤蚓数作为水体污染程度的指标，如：,颤蚓类100条/ m2 ）为未污染；颤蚓类100999条/m2属轻污染；颤蚓类10005000条/m2属中污染；颤蚓类5000条/m2属严重污染。,环境污染的生物监测,39,颤蚓,水蛭(俗称蚂蟥),环境污染的生物监测,40,2、 水蛭(俗

18、称蚂蟥)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。在有机污染的地方，水蛭数量可以多达惊人的地步。,1925年美国伊利诺斯河有机污染后，每平方米的水蛭数量达到29107条，每公顷达2800公斤。水蛭对铅、铜和DDT等农药的忍耐能力也很强，有些蚂蝗能够把DDT分解成为毒性较小的DDE。,环境污染的生物监测,41,（二） 重金属的动物监测,Winner等（1980）调查了美国俄亥俄州受铜污染的两条河流以及金沙江调查的结果：,1、严重污染河段以摇蚊虫幼虫占优势；,3、 鱼类可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，因此鱼的呼吸系统是受污染物

19、影响的最敏感的系统。,因此，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。,环境污染的生物监测,42,2、中污染河段以石蚕及摇蚊虫为主； 3、轻污染河段或清洁河段以蜉蝣与石蚕占优势。,结论：石蚕和摇蚊幼虫是重金属污染河流的主要底栖动物，其中四节蜉科分布于轻至中污染河段，石蚕、扁蜉仅出现在轻污染至清洁水体，长角石蚕只见于清洁水体。,蜉蝣只能活一天,环境污染的生物监测,43,摇蚊幼虫(红虫),石蚕,三、 水污染的微生物监测（自学）,环境污染的生物监测,44,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、洗涤剂等。 生活在污染土壤上的生物，其生活力

20、、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地受到污染物的影响，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。,环境污染的生物监测,45,表6-3 土壤重金属污染监测植物,一、 土壤污染的植物监测,土壤重金属污染检测植物 。见表6-3。,环境污染的生物监测,46,二、 土壤污染的动物监测,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即会影响到土壤动物的繁衍和生存，甚至死亡。 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（王振中等，1996）。,土壤农药的动物监测,1、农药对蚯蚓的影响,土壤

21、中的大型动物蚯蚓对敌敌畏很敏感，在农药洒入培养缸的瞬间，即发现蚯蚓剧烈弹跳，隐伏在土层中的蚯蚓也纷纷涌出土面，浓度越大，蚯蚓的反应越剧烈，6 h后某些蚯蚓个体环带区有充血肿胀现象，12 h后，蚯蚓呈现暗红色，活动能力大大减弱，甚至呈现麻痹、组织溃疡等病变，直至死亡。,环境污染的生物监测,47,李忠武等（1999）研究了敌敌畏对土壤动物群落的影响，结果表明，土壤动物的种类和个体数均随敌敌畏农药的增加而呈明显的递减趋势，群落多样性指数随浓度升高而递减 。见图6-1所示。,C：敌敌畏的浓度梯度。,2、农药对土壤动物种类、个体数和群落结构的影响,三、 土壤污染的微生物监测 （自学）,环境污染的生物监测

22、,48,第五节 环境污染生物监测方法的典型例子（了解）,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、动物器官畸形等。,二、利用生物体内污染物及其代谢产物含量分析法监测环境污染 生活于污染环境中的植物、动物、微生物都能够不同程度地吸收积累一些污染物。通过分析这些生物体内的成分，可以监测环境污染物的种类、水平等。,环境污染的生物监测,49,（一）利用低等附生植物体内污染物及其代谢产物含量分析法监测大气污染 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。地衣和苔藓都能够从大气或沉积物中吸收重金属。有许多种

23、地衣和苔藓已经用于监测空气中的重金属。,（二）利用高等植物叶片内污染物及其代谢产物含量分析法监测大气污染 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，如用叶片中的含硫量和含氟量分别评价空气中二氧化硫和氟化物的污染程度。,环境污染的生物监测,50,三、利用生物的生理、生化指标监测环境污染,程培树，1981 研究发现: NH3、NH4+ 使植物的6-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6-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,环境

24、污染的生物监测,51,四、利用生物的细胞遗传学指标监测环境污染 细胞遗传学是研究遗传基因的传递者染色体的行为、形态、结构、数目和组合，并进一步阐明生物遗传现象的科学。目前常采用细胞遗传学的方法来筛选化学诱变因子，监测环境中具有致癌、致畸、致突变的化学物质。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，非预定DNA合成等。,环境污染的生物监测,52,五、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。 在1920年至1970年的50年中，关于附生植物指示大气污染的研究主要有四个阶段： （1）污染地区附生植物群落类

25、型、种类组成与分布；（2）移植附生植物于污染地区，观察其受害至死亡所需时间；（3）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；（4）利用种的丰富度或种类数量特征绘制大气污染分布图。,北京林学院 的研究昆明磷肥厂附近林地在氟污染情况下地衣调查结果为例(P185) :,环境污染的生物监测,53,六、群落多样性指数法监测环境污染,1. 简便多样性指数: d = s / N 式中：s群落中总种类数；N总个体数。 2. Willams多样性指数 式中：ni为单位面积上第i种的个体数，i = 1、2、3、. m； N为单位面积上各类生物的总个体数。 对指数的评价：d 3为轻污染。,种类数量

26、相等的群落，当种间的个体数量愈接近均衡时，即群落优势种表现得愈弱时，群落多样性愈大；相反，种的个体数差异愈大，优势种表现得愈强时，多样性就愈小。,环境污染的生物监测,54,3. Margalef多样性指数 d = （S - 1）/ lnN 式中：S种类数；N总个体数。 d值越大表示水质越清洁。 4. Shannon-Wiener多样性指数 式中：Pi = ni / N，n第i 种生物的个体数；N总个体数； S物种数。 对指标的评价：H值在01时为重污染；13时为中度污染；大于3时为轻度污染。,环境污染的生物监测,55,八、 利用生物的生长量变化监测环境污染,九、利用生态系统综合指标监测环境污染

27、,1902年德国植物学家Kolwilz把河段分成连续三个区带（表6-4）：多污带（polysaprobic）；中污带（mesosaprobic），其中中污带又可分为强中污带和弱中污带；少污带（oligosaprobic）。,动物、植物、微生物都可作为这一技术的材料。在水污染的生物监测中，一些藻类植物是最适合于这种方法的材料。常用的藻类有斜生栅藻、小球藻、水华鱼腥藻、羊角月牙藻、莱因衣藻等。因为藻类生长快，适应周期短，是一种理想的监测材料。具体方法是采用人工培养，测量、统计生长量。,环境污染的生物监测,56,表6-4 污水生物系统特征,环境污染的生物监测,57,练习题,环境污染的生物监测,58,环境污染的生物监测,59,环境污染的生物监测,60,环境污染的生物监测,61,完,