1、第四章環境質量的生物監測與生物評價本章將討論以下內容：v生物監測和環境質量評價概念v生物監測與評價v生態環境質量評價v化學品生態風險評價v有害物理因素的生物學效應的評價第一節 生物監測和環境質量評價概念一、環境質量定義及基本內涵（一）環境質量的定義 環境質量（ Environmental Quality ）：指環境素質的優劣程度。優劣是質的概念，程度是量的表征。（二）環境質量的基本內涵 1、自然環境質量和社會環境質量兩個方面，它包括物理的、化學的和生物的質量：又可具體劃分為大氣環境質量、水環境質量、土壤環境質量、生物環境質量等。v 物理環境質量：指周圍物理環境條件的好壞，自然界氣候、水文、地質

2、、地貌等條件的變化，人為的熱污染、噪聲污染、微波輻射、地面下沉以及自然災害等都能影響物理環境質量。 化學環境質量是指周圍化學環境條件的好壞，不同地區各環境要素的化學組成不同，它們的化學環境質量也不一樣。人類活動造成的化學污染可以降低化學環境質量。 生物環境質量是自然環境質量的重要組成部分，它是指周圍生物群落構成的特點而言，不同地區生物群落的結構及組成特點不同，其生物環境質量也有差別。2、社會環境質量包括經濟的、文化的及美學的等各方面。各地區發展程度不同，社會環境質量有明顯的差別。環境質量評價涉及到：v環境質量基準（ Environmental Quality Criteria）指環境因素在一定

3、條件下作用于特定對象（人或生物）而不產生不良或有害效應的最大閾值。它是由污染物同特定對象之間的劑量反應關系確定的，不考慮社會、經濟、技術等人為因素，具有客觀性。v環境質量標準（ Environmental Quality Standard）是國家權力機構以前者為依據，考慮社會、經濟、技術等因素，經過綜合分析后，對環境中的有害因素在限定的時空范圍內容許閾值所作的強制性法規，體現國家環境保護政策和要求，具有一定的主觀性。（三）環境質量調查、監測及評價v環境質量調查：是為了了解環境的質量狀況而進行的一系列工作，調查的主要內容是環境背景值、自然環境狀態、區域污染狀況、人為干擾下環境的演變規律，以及環境

4、因素的危害效應等。 v環境質量監測為了評價環境質量，人們研究并確定了一系列具有代表性的環境指標，對這些指標進行定期的或連續的監測、觀察和分析其變化稱為環境質量監測。 v環境質量評價指按照一定的標準，采用相應的方法對環境質量進行評定、比較及預測。（四）環境質量調控與質量預測v環境質量預測：是對環境質量未來趨勢所做的判斷，是環境科學的重要組成部分，是制定環境法規，對環境進行科學管理，以及規劃區域性人口、資源、生產布局的重要的基礎性依據。v環境質量調控：狹義：是采取合理有效的措施，調節和控制向環境中排放的污染物不超過允許的容納量。 廣義：采取人工手段，使環境要素變化不超過或者能夠達到一定的標準。二、

5、生物監測（Biomonitoring）v生物監測生物監測是利用生物個體、種群或群落對環境污染或變化所產生的反應闡明環境污染狀況，從生物學角度為環境質量的監測和評價提供依據。v與理化監測相比，生物監測有何優缺點？能直接反映環境質量對生態系統的影響不需購置昂貴的儀器及進行儀器保養和維修可大面積或長距離內密集布點不足之處：反應不夠快速，無法精確監測某些污染物的含量，精度不高，易受環境因素的影響如季節和地理環境等第二節 生物監測與評價指示生物指示生物v指示生物的概念：指對環境中某些物質（包括污染物）能產生各種反應或信息而被用來監測和評價環境質量的現狀和變化的生物。v指示生物的種類包括大氣污染指示生物和

6、水體污染指示生物。v例如：指示節氣 棗花發，種棉花；杏花開，快種麥指示天氣 燕子低飛預示雨將來臨，蜻蜓高飛預示天晴指示水質 美國威斯康星地區湖泊中的軟水指示植物為Gratiola，硬水指示植物為Ranunculus aquatilis。指示資源 安徽的海州香薷指示銅礦，湖南念同的野韭指示金礦v注：指示生物只在一定的時空范圍內起作用：安徽的海州香薷只在安徽指示銅礦，在北方則無此作用。一、大氣污染生物監測與評價大氣污染的植物監測有以下幾種方法：v指示植物法v現場調查法v植物群落調查法v現場盆栽定點監測法v地衣、苔蘚監測法：v微核技術的應用v污染量指數法v大氣污染的綜合生態指標法1、指示植物監測法、

7、指示植物監測法 指示植物利用某些植物對某些有害氣體的特殊敏感性，可以監測大氣中該氣體的濃度，這種植物就稱為該大氣污染物的指示植物。指示植物的選擇原則：對污染物敏感；受污染后的癥狀明顯；干擾癥狀少；生長期長，能不斷萌發新葉；栽培管理和繁殖容易；并盡可能具有一定的觀賞或經濟價值，以起到美化環境和監測環境質量的雙重作用。 1、指示植物、指示植物2、受害癥狀、受害癥狀SO2監測植物監測植物矮牽牛矮牽牛v指示植物的選擇方法現場比較評比法栽培比較試驗法人工熏氣法v監測方法選擇可靠的指示植物，了解其受害癥狀和受傷閾值受傷閾值，然后根據受害程度大小估測大氣污染物的成分、濃度和范圍。注：受傷閾值受傷閾值指引起指

8、示植物受害的污染氣體的最低濃度和暴露時間。植物群落監測法v植物群落監測法該法是利用植物群落植物群落中各種植物對環境污染的反應估測大氣污染的方法。如敏感植物受害，表明大氣受到污染；如抗性中等的植物受害，表明大氣污染較嚴重；如抗性強的植物受害，表明大氣污染十分嚴重；在嚴重污染地區，敏感植物不存在。在長期受污染地區，一些群落多樣性受到影響，從而使植物退化，由此可根據群落中物種多少及個體數量多少來評價大氣污染狀況。v實例：某化工廠附近的植物群落調查實例：某化工廠3050m范圍內植物受害情況說明及分析植物名稱受 害 情 況懸鈴木、加拿大白楊80或全部葉片受害，甚至脫落檜柏、絲瓜葉片有明顯大塊傷斑，部分植

9、物枯死向日葵、蔥、玉米、菊花、牽牛花50左右葉面積受害，葉脈間有點、塊狀傷斑月季、薔薇、枸杞、香椿、烏桕80左右葉面積受害，葉片有輕度點、塊狀傷斑葡萄、金銀花、構樹、馬齒莧10左右葉面積受害，葉片有輕度點狀傷斑廣玉蘭、大葉黃楊、臘梅肉眼觀察無明顯癥狀表42 某化工廠3050m范圍內植物受害情況情況分析： 根據植物葉片出現的癥狀特點（傷斑出現葉脈間），表明該廠附近的大氣已被SO2污染。從受害程度上看，由于一些對SO2抗性強的構樹、馬齒莧等已受到損害，可以判斷該地區發生過急性危害，估測其SO2濃度為310 ppm。地衣、苔蘚監測法v地衣、苔蘚作為指示植物的特點這兩類植物對二氧化硫二氧化硫和氟化氫氟

10、化氫等的反應比高等植物敏感；例如SO2年平均濃度在0.0150.105 ppm范圍內就可使地衣絕跡；濃度超過0.017ppm時大多數苔蘚植物不能生存。地衣、苔蘚生長在樹干上，故可以減少土壤或水體污染的干擾。地衣、苔蘚所需水分和養分等全部依賴于雨水和露，同時以植物整體吸收養分，而高等植物靠氣孔來吸收大氣中的污染物，故前者吸收污染物的量相對較多。生長速度比高等植物慢，一旦受損不易恢復，有利于掌握長時間的污染積累結果。兩者為多年生長綠色植物，一年四季均可作為監測器。而高等植物往往冬季落葉，難以顯示受害情況。取材方便，成本低，有直觀效果，但在自然條件下難以獲得精確可靠的定量數據。形體小，分類困難，不經

11、過專門的學習不易掌握辨識方法。地衣、苔蘚監測法v觀察指標通常觀察地衣、苔蘚植物的多度、蓋度、頻度、種類數量以及內外部受害癥狀等指標。v在大氣污染狀況下，地衣、苔蘚分布規律污染嚴重地區，地衣、苔蘚植物很少或完全絕跡；隨污染的減輕，地衣、苔蘚植物種屬增加，多度、蓋度、頻度等也逐漸增高并且在樹干上的分布高度也升高。植物監測的其他方法v微核技術的應用：根據環境污染物會引起染色體畸變而形成微核的原理，利用紫路草花粉母細胞的微核數量指示環境污染狀況，我國已應用該法來監測水、大氣污染狀況。v污染量指數法KIPC監測點指示植物葉片中某污染物的含量/對照點同種植物中某污染物的含量v大氣污染的綜合生態指標法思考：

12、應用植物監測應注意哪些問題？采取哪些措施？應注意區分大氣污染對植物的傷害與其他因素對植物傷害，如凍害、病蟲害、肥料不足、農藥藥害等也可使植物受害?？蓮恼{查污染源入手，通過觀察植物葉片受害癥狀、受害方式，或進行葉片污染物的含量分析來進行判斷，這要求工作人員觀察細心，并有較為豐富的實踐經驗。大氣污染的 細菌總數測定v空氣污染的微生物學評價指標細菌總數鏈球菌總數v測定方法：沉降平皿法吸收管法撞擊平皿法濾膜法二、水污染的生物監測水污染的生物監測主要包括以下方面：v水污染的細菌學監測v浮游生物監測法v底棲大型無脊椎動物監測法v微型生物群落監測法1.水污染的細菌學監測水污染的細菌學監測指標有以下兩個：v細

13、菌總數細菌總數指1mL水樣在營養瓊脂培養基中，于37、24小時培養后所生長的細菌菌落總數。它可反映水體有機污染的程度，如每1毫升自來水中細菌總數不得超過100個。v大腸菌群數大腸桿菌是一群需氧和兼性厭氧的、能發酵乳糖、產酸、產氣的革蘭氏陰性無芽孢桿狀細菌。主要來源于人畜糞便中，在腸道中普遍存在并且是數量最多的一種。故大腸桿菌群的檢測作為監測水體是否受糞便污染的指標。大腸菌群數指每升水樣中含有的大腸菌群的數量。如每升飲用水中大腸菌群數不得超過3個。大腸菌群數的測定：多管發酵法和濾膜法思考： 大腸菌群為何用其作為水質糞便污染的指示菌？致病菌在水體中存在數量極少，檢測技術復雜，不易直接檢測；大腸菌在

14、水中存在的數目與致病菌呈一定正相關，抵抗力略強，易于檢查等特點，故作為水體受糞便污染的指標，以大腸菌群最為理想。測量方法（1）水樣的采集與保存v無菌操作v自來水：酒精燈水龍頭滅菌，完全打開，放水3分鐘，排除死水。如果水樣中含氯，預先在采樣瓶中加入3%的硫代硫酸鈉。v江河湖海的水樣：用事先滅菌的采水器，距水面10-15m采集水樣。v原則上立即送檢，不超過2h；1-5度冷凍保存，不超過6h。（2）測定方法細菌總數：指1ml水樣接種于普通瓊脂培養基中，在37度下培養24h，計數生長的菌落數。一般采用平皿法。大腸桿菌：發酵法：大腸桿菌能使乳糖發酵產酸產氣。將不同稀釋度的水樣分別接種入含有乳糖等糖類的培

15、養液中，經過37度培養24h，觀察產酸產氣情況初步判斷是否有大腸桿菌存在。濾膜法：選用0.45-0.65微米的微孔濾膜，通過抽濾使一定的水樣通過，將水中的細菌截留在濾膜上。將濾膜不截菌的一面貼附在固體培養基上進行培養，通過菌落特征和鏡檢初步確定是否有大腸桿菌。2.浮游生物監測法 浮游生物定義：在海洋、湖泊及河川等水域的生物中，那些自身完全沒有移動能力，或者有也非常弱，因而不能逆水流而動，而是浮在水面生活，這類生物總稱為浮游生物。 包括浮游植物和浮游動物，如藻類、原生動物、輪蟲、枝角類等v浮游生物監測法的特點浮游生物中的某些種類對有機污染或化學污染非常敏感，長期被用作指示生物，但由于浮游生物的不

16、穩定性且常常集群分布，因而其作為水質指示生物的可靠性和準確性受到限制。v浮游生物監測法的具體步驟采樣檢驗標本的制作計數生物量的測定：葉綠素a法；生物體積法；重量法；ATP測定3.底棲大型無脊椎動物監測法v底棲大型無脊椎動物包括水生昆蟲、大型甲殼類、軟體動物、環節動物等，一般棲息在水底或附著在水中植物和石塊上，肉眼可見。v底棲大型無脊椎動物監測法在未受干擾的環境里，河流和湖泊中大型無脊椎動物群落的組成和密度比較穩定，這些群落可調節群落結構來反映生境質量變化，這些對環境變化的反應可用來監測和評價城市、工業、石油、農業廢物及其土地利用對自然水體的影響。4.微型生物群落監測法v微型生物群落微型生物群落

17、是生活在水中的微小生物，包括藻類、原生動物、輪蟲、線蟲、甲殼類等，如環境受到外界的嚴重干擾，其群落的平衡被破壞，其結構特征也隨之變化，因而可用其進行水體的監測和評價。vPFU法（聚氨酯泡沫塑料塊法）原生動物在PFU內的群集速度和時間受環境的影響，不同污染水體，其群集速度和種類數不同。三、水環境質量的生物學評價水環境質量的生物學評價有以下幾種方法：v一般描述對比法v指示生物法v污水生物系統法v生物指數法v種的多樣性指數v生產力法v殘留量指數 及富集系數1.一般描述對比法 根據所需要評價的水體中水生生物的區系組成、種類、數量、分布等情況的調查描述，與未受污染的、清潔的同類型水體的情況，或與同一水體

18、的歷史資料做對比分析。通過對比分析，即可評價目前水體的環境質量狀況。這是一種常用的、比較簡單的評價方法。但這種評價需要評價人員具有豐富的經驗。 2.指示生物法v水體污染指示生物常采用底棲動物中的環節動物、軟體動物、固著生活的甲殼動物以及水生昆蟲等。它們個體較大，在環境中相對位移小，無逃避行為，生命周期較長，故成為水體污染指示生物的重要研究對象。v常用的水體污染指示生物種類顫蚓類搖蚊幼蟲螞蝗浮游生物和藻類Hellawell推薦作為指示生物的各種生物所占的百分數051015202530生物類型生物類型各類生物所占百分數各類生物所占百分數魚類大型無脊椎動物原生動物大型水生植物藻類細菌圖41 Hell

19、awell推薦作為指示生物的各種生物所占的百分數3.污水生物系統法（1）v污水生物系統法的原理 受污染的河流由于自身的自凈過程自凈過程從而導致自上游往下游形成一系列在污染程度上逐漸減輕的連續帶。隨污染物濃度的降低，生物種類也發生變化，每一帶都生存有大體上能夠表示這一帶特性的動物和植物，由此可以將河流依次劃分為四個污染帶，即多污帶、 中污帶、 中污帶、寡污帶，從而可以根據一條河流中一定區域內所發現的動物區系和植物區系來鑒別該區域的有機污染程度。v污水生物系統中各帶特點多污帶：有機污染嚴重，溶解氧含量低，細菌極多，無好氧生物，無魚類生存；中污帶：包括中污帶（有機污染較為嚴重，溶解氧略有回升，多為耐

20、污性生物種類，）和中污帶（中等程度的有機污染區域，溶解氧較高，有多種藻類和原生動物，有魚類出現）；寡污帶：溶解氧恢復正?；蜻_飽和，水質透明，細菌數量少，藻類種類和數量多。v污水生物系統的應用主要應用對象是被生活污水污染的水域，對重金屬和其他工業廢水引起的污染水域的應用問題尚需進一步研究。應用該法來監測和評價環境比較全面，但工作很繁重，耗費時間，而且需要具有熟練的分類知識，同時調查結果也不易表示。4.生物指數法v什么是生物指數法？它是依據不利環境因素，用數學形式表現群落結構來指示環境質量狀況，包括污染在內的水質變化對生物群落的生態學效應的一種方法。v例子：Beck生物指數公式：IBn An B注

21、1： n A為底棲大型無脊椎動物中對有機物敏感的種類數，在污染水體中從未發現； n B為底棲大型無脊椎動物中對有機物不敏感（耐污性）的種類數，只在污染狀況下才出現。注2： IB0時，表示水體受到嚴重污染； IB在19之間時為中等污染； IB大于10時為清潔水體。v生物指數法的應用特點方法簡單，有一個粗略數字概念，便于比較；缺點：需分類學和生態學專門人員進行種類鑒定，同時只考慮了種類數，而未考慮個體數量。應用時應結合生物學其他指標和物理、化學指標，綜合考慮各方面的影響因素。5.多樣性指數法v什么是多樣性指數法？多樣性指數法是應用數理統計方法來表示生物群落的種類生物群落的種類和個體數量的比值和個體

22、數量的比值從而評價環境質量的一種方法。v多樣性指數法的工作原理其工作原理為不同的生物對污染的敏感性和耐受性敏感性和耐受性不同，敏感的種類在不利的條件下死亡，抗性強的種類在新的條件下可大量發現。利用群落中個體數與種類數的比值在不同污染區的不同，從而反映環境污染的狀況。v例子：香農韋弗多樣性指數公式：注1：d多樣性指數；S生物種類數；N群落的個體總數；n i第 i種的個體數。注2：此公式的計算經多人的調查資料發現，d在0任何正數之間變動。全部生物個體為一個種時，d0；全部個體各屬不同種時，d最大。注：當d小于1時為重污染帶；d在13時為中污染帶；d大于3時為寡污帶。v小結多樣性指數具有簡明的數值概

23、念，可以直接反映環境質量狀況。指數值越大，表明生態環境狀態越好。該法如與其他生物監測方法綜合起來分析，其效果更好。6.其他生物學評價方法v生產力：反映一個生態系統內物質循環和能量流動的指標。P/R值：初級生產量和呼吸量的比率。自養指數 I AI：去灰分重和葉綠素含量的比值。v殘留量指數 和富集系數殘留量指數 IC i / C s i富集系數 K C i / C s i注：C i生物個體或種群的某種化合物或元素的實測殘留量，mg/kg； C s i環境中的本底值，mg/kg 。比值小于1時表明水體未受污染，比值大于1時表明水體受到污染，并按不同數值劃分污染程度。四、生物標志物v概念：生物標志物（

24、Biomarker）化學污染物所導致的生物有機體的生物化學和生理學改變稱之為生物標志物。廣義上的概念指在任何生物學水平上用于測定污染物暴露和效應的指標，包括亞個體、個體、種群、群落和生態系統。目前普遍贊同和應用的概念指在亞個體和個體水平亞個體和個體水平上既可以測定污染物暴露水平，也可以測定污染物效應的生理和生化指標。v暴露生物標志物和效應生物標志物暴露生物標志物（Exposure Biomarkers）：可指示機體對化學污染物的暴露，但不顯示發生這種變化所造成的不利效應的程度。效應生物標志物（Effect Biomarkers）：可證明化學污染物對機體的不利效應。第三節 生態環境質量評價一、生態環境質量及其基本內涵v生態環境質量：除人口種群以外的生態系統中不同層次的生物組成的生命系統在人為作用下所發生的好與壞