Chapter6環境污染生物監測目前在環境監測中，一般采用各種儀器和化學分析手段．對污染物的種類和濃度可以比較快速而靈敏地分析測定出來，其中某些常規檢驗已經能夠連續監測。但大部分測定項目或參數還需定期采樣。因而只反映采樣瞬時的污染物濃度，不能反映環境已經發生的變化。環境監測中理化監測的不足：利用生物的組分、個體、種群或群落對環境污染或環境變化所產生的反應，從生物學的角度，為環境質量的監測和評價提供依據，稱為生物監測。生物監測方法：

1.生態（群落生態和個體生態

）監測

2.生物測試(毒性測定、致突變測定)

3.生物的生理、生化指標測定

4.生物體內污染物殘留量測定生物監測的定義和方法生物監測的特點

長期性

環境污染物的含量和其它環境條件改變的強度大小，是隨時間而變化的。這些變化是因污染物的排放量不穩定而造成的。理化監測只能代表取樣期間的概況。而生活于一定區域內的生物，能把一定時問內環境變化情況反映出來。生物監測的特點綜合性人類生產、生活所產生的污染物，成份極其復雜。理化監測只能獲得各種成份的類別和含量，但不能確切說明對生物有機體的影響。而生物是接受綜合作用，不僅僅是個別組分的影響，所以生物監測能反映環境諸因子、多組分綜合作用的結果，能闡明整個環境的情況。對符合排放標準的污染物，其長期影響環境的后果，更需要用生物監測來評價。第二節空氣污染生物監測

第三節生物污染監測第四節生態監測第一節水環境污染生物監測6.1.1對水環境進行生物監測的主要目的:了解污染對水生生物的危害狀況，判別和測定水體污染的類型和程度，為制定控制污染措施，使水環境生態系統保持平衡提供依據。第一節水環境污染生物監測6.1.3生物監測主要方法一、生物群落監測方法二、生物測試法三、細菌學檢驗法6.1.3.1生物群落監測方法未受污染的環境水體中生活著多種多樣的水生生物，這是長期自然發展的結果，也是生態系統保持相對平衡的標志。當水體受到污染后，水生生物的群落結構和個體數量就會發生變化，使自然生態平衡系統被破壞，最終結果是敏感生物消亡，抗性生物旺盛生長，群落結構單一，這是生物群落監測法的理論依據。

生物群落監測中的對象：水污染指示生物浮游生物著生生物－附著于長期浸沒水中的各種基質表面上的有機體群落。

底棲動物－棲息在水體底部淤泥內、石塊或礫石表面及其間隙中的肉眼可見的水生無脊椎動物。

魚類微生物浮游生物（原生動物、輪蟲、枝角類和橈足類

）浮游生物－藻類（一）生物指數監測法（貝克生物指數、貝克-津田生物指數、生物種類多樣性指數、硅藻生物指數）（二）污水生物系統法（三）PFU微型生物群落監測法（簡稱PFU法）

6.1.3.1生物群落監測方法2.生物種類多樣性指數式中：——種類多樣性指數；

N——單位面積樣品中收集到的各類動物的總個數；

ni——單位面積樣品中第i種動物的個數；

S——收集到的動物種類數。動物種類越多，指數越大，水質越好；反之，種類越少，指數越小，水體污染越嚴重。威爾姆對美國十幾條河流進行了調查，總結出指數與水樣污染程度的關系如下：

值＜1.0：嚴重污染;值1.0～3.0：中等污染；值＞3.0：清潔3.硅藻生物指數硅藻指數=式中：A——不耐污染藻類的種類數；

B——廣譜性藻類的種類數；

C——僅在污染水域才出現的藻類種類數。

硅藻指數0～50為多污帶；硅藻指數50～100為α-中污帶；硅藻指數100～150為β-中污帶；硅藻指數150～200為輕污帶。（二）污水生物系統法

將受有機物污染的河流按照污染程度和自凈過程，自上游向下游劃分為四個相互連續的河段，即多污帶段、α-中污帶段、β-中污帶段和寡污帶段，每個帶都有自己的物理、化學和生物學特征。根據這些特征進行判斷。表6.1為污水系統的部分生物學、化學特征。（三）PFU微型生物群落監測法PFU法是以聚氨酯泡沫塑料塊（PFU）作為人工基質沉入水體中，經一定時間后，水體中大部分微型生物種類均可群集到PFU內，達到種數平衡，通過觀察和測定該群落結構與功能的各種參數來評價水質狀況。

根據水環境條件確定采樣時間，一般在靜水中采樣約需四周，在流水中采樣約需兩周；采樣結束后，帶回實驗室，把PFU中的水全部擠于燒杯內，用顯微鏡進行微型生物種類觀察和活體計數。

Cairns首次使用聚氨酯泡沫塑料塊(PolyurechaneFoamUnit，簡稱PFU)采集水體微型生物群落；根據生物地理平衡模型及微型生物在PFU上群集的過程，提出了3個功能參數：平衡時的物種數量Seq；群集曲線的斜率(或稱群集常數)G；達到90％Seq所需要的時間T90％。如果環境受到污染影響，原來的平衡遭到破壞，這3個參數將發生改變。因此，利用微型生物在PFU上的群集過程中3個參數的變化，可以評價水質和監測水污染。PFU微型生物群落參數的變化在不同的水質范圍內具有不同的行為:污染較輕的情況下，隨著污染加重，集群速度G、平衡時的物種數Seq都會增大，達到90％Seq的時間T90%將縮短。從生態學觀點看，此時營養水平適合大多數原生動物的生長，因此，種類多，豐度也大；但隨著污染程度進一步加重，平衡時物種數Seq會減少，達到90％Seq所需時間T90%將延長，集群速度G也減小。從生態學觀點看，重污染和嚴重污染已超出大多數原生動物的耐受限度，在這惡劣的環境中，大多數種類不能耐受而消失。（一）水生生物毒性試驗水生生物毒性試驗可用：魚類、蚤類、藻類等，其中魚類毒性試驗應用較廣泛。金魚綠藻褐藻蝴蝶魚圖6.1可用于水生生物毒性試驗的部分魚類和藻類靜水式魚類急性毒性試驗

供試魚的選擇和馴養要選擇無病、行動活潑、魚鰭完整舒展、食欲和逆水性強、體長（不包括尾部）約3cm的同種和同齡的金魚。選出的魚必須先在與試驗條件相似的生活條件（溫度、水質等）下馴養7d以上；試驗前一天停止喂食；如果在試驗前4d天內發生死亡現象或發病的魚高于10%，則不能使用。金魚2金魚1試驗條件選擇每一種濃度的試驗溶液為一組，每組至少10尾魚試驗容器用容積約10L的玻璃缸，保證每升水中魚重不超過2g。試驗溶液的溫度要適宜，對冷水魚為12～28℃，對溫水魚為20～28℃。同一試驗中，溫度變化為±2℃。試驗溶液中不能含大量耗氧物質，要保證有足夠的溶解氧，對于冷水魚不少于5mg/L，對于溫水魚不少于4mg/L。試驗溶液的pH值通常控制在6.7～8.5之間。配制試驗溶液和馴養魚用水應是未受污染的河水或湖水。如果使用自來水，必須經充分曝氣才能使用。不宜使用蒸餾水。半數忍受限度（TLm），即半數存活濃度。求TLm值的簡便方法是將試驗魚存活半數以上和半數以下的數據與相應試驗液毒物（或污水）濃度繪于半對數坐標紙上（對數坐標表示毒物濃度，算術坐標表示存活率），用直線內插法求出。表6.2某毒物實驗結果毒物濃度/(mg·L-1)每組魚數/尾試驗魚成活數24h48h96h10.07.55.64.23.22.4對照組10101010101010038910101000279101000127910安全濃度=安全濃度=48TLm×0.1圖6.2用直線內插法求TLm6.1.3.3細菌學檢驗法1.衛生學質量的判斷在實際工作中，經常以檢驗細菌總數，特別是檢驗作為糞便污染的指示細菌，如總大腸菌群、糞大腸菌群、糞鏈球菌、腸道病毒等，來間接判斷水的衛生學質量。2.利用細菌的新陳代謝能力檢測廢水毒性：利用細菌的活動能力利用用細菌生長抑制試驗利用細菌的呼吸代謝檢測第二節空氣污染生物監測大氣污染的生物監測是利用生物對存在于大氣中的污染物的反應，監測有害氣體的成分和含量，以確定大氣的環境質量水平。6.2.1利用植物監測在生物體系中，植物更易遭受大氣污染的傷害，其原因為:植物能以龐大的葉面積與空氣接觸，進行活躍的氣體交換;植物缺乏動物的循環系統來緩沖外界的影響;植物固定生長的特點使其無法避開污染物的傷害。正因為植物對大氣污染的反應敏感性強，加上本身位置的固定，便于監測與管理，大氣污染的生物監測主要是利用植物進行監測。6.2.1.1指示植物及其受害癥狀對大氣污染反應靈敏，用以指示和反映大氣污染狀況的植物，稱為大氣污染的指示植物。空氣污染物一般通過葉面上的氣孔或孔隙進入植物體內，侵襲細胞組織，并發生一系列生化反應，從而使植物組織遭受破壞，呈現受害癥狀。這些癥狀雖然隨污染物的種類、濃度以及受害植物的品種、曝露時間不同而有差異，但具有某些共同特點，如葉綠素被破壞、細胞組織脫水，進而發生葉面失去光澤，出現不同顏色（黃色、褐色或灰白色）的斑點，葉片脫落，甚至全株枯死等異常現象。二氧化硫指示植物堇菜苔蘚白蠟樹云杉地衣棉花白楊圖6.3部分二氧化硫指示植物光化學氧化物指示植物矮牽牛花葡萄菠菜黃瓜馬鈴薯洋蔥圖6.4O3的指示植物雪松葡萄金錢草杏樹慈竹郁金香圖6.5氟化物的指示植物氟化物指示植物乙烯的指示植物萬壽菊皂莢樹黃瓜番茄蘭花圖6.6乙烯的指示植物氮氧化物指示植物向日葵菠菜秋海棠番茄煙草圖6.7氮氧化物指示植物6.2.1.2監測方法1.栽培指示植物監測法先將指示植物在沒有污染的環境中盆栽或地栽培植，待生長到適宜大小時，移至監測點觀察它們的受害癥狀和程度。圖6.8植物監測器示意圖1.氣泵；2.針型閥；3.流量計；4.活性炭凈化器；5.盆栽指示植物2、植物群落監測法

先通過調查和試驗，確定群落中不同種植物對污染物的抗性等級，將其分為敏感、抗性中等和抗性強三類。如果敏感植物葉部出現受害癥狀，表明空氣已受到輕度污染；如果抗性中等的植物出現部分受害癥狀，表明空氣已受到中度污染；當抗性中等植物出現明顯受害癥狀，有些抗性強的植物也出現部分受害癥狀時，則表明已造成嚴重污染。植物受害情況懸鈴木、加拿大白楊檜柏、絲瓜向日葵、蔥、玉米、菊、牽牛花、月季、薔薇、枸杞、香椿、烏柏葡萄、金銀花、枸樹、馬齒莧廣玉蘭、大葉黃楊、梔子花、臘梅80％～100%葉片受害，甚至脫落葉片有明顯大塊傷斑，部分植株枯死50%左右葉面積受害，葉片脈間有點、塊狀傷斑30%左右葉面積受害，葉脈間有輕度點、塊狀傷斑10%左右葉面積受害，葉片上有輕度點狀斑無明顯癥狀表6.3排放SO2的某化工廠附近植物群落受害情況6.2.2利用動物監測6.2.2.1利用動物個體的異常反應

對礦井內瓦斯毒氣敏感的動物

金絲雀金翅雀

雞老鼠圖6.9對礦井內瓦斯毒氣敏感的動物對SO2敏感的動物敏感性水平：本鳥最高俺狗狗第二耐受力最好的當屬我們家禽了金絲雀狗家禽圖6.10對SO2敏感的動物6.2.2.2利用動物種群數量的變化受不了啦，快跑吧！大型哺乳動物、鳥類、昆蟲等遷移

圖6.11大型哺乳動物、鳥類不堪忍受空氣污染而遷往別處不易直接接觸污染物的潛葉性昆蟲、蟲癭昆蟲、體表有蠟質的蚧類增加，圖6.12為部分該類昆蟲。潛葉蛾

癭蚊

紅蠟蚧

圖6.12部分昆蟲和蚧類6.2.3利用微生物監測空氣微生物是空氣污染的重要因子，它與氣溶膠、顆粒物等媒體一起散布并污染環境、左右疾病發生與傳播，監測空氣微生物狀況是掌握其活動和作用的必要前提。室內空氣微生物監測：某醫院的空氣微生物監測163份標本，合格88份，合格率僅54％；表明空氣微生物的污染與醫院感染密切相關，加強消毒隔離措施、合理使用抗生素，控制醫院感染是十分重要的。室外空氣微生物監測：遼寧省某市空氣中微生物區系分布與環境質量關系研究表明：空氣中微生物的數量隨著人群和車輛流動的增加而增多，繁華的中街微生物數量最多，其次是交通路口，居民小區；郊區某公園和農村空氣中細菌最少。2001和2002年山東省某海濱城市空氣微生物監測發現：該市空氣微生物檢出率高，空氣處于微生物中度污染狀態。其中東部、居住區空氣污染較重，南部、西部和風景游覽區空氣污染較輕。濱海區空氣陸源細菌少于內陸區，真菌卻較多。濱海與內陸區空氣微生物含量相近，濱海區空氣陸源微生物增多，意味兩區空氣污染有趨同現象。第三節生物污染監測生物污染監測就是應用各種檢測手段測定生物體內的有害物質，以便及時掌握被污染的程度。生物污染監測的步驟：生物樣品的采集

預處理

污染物的測定

生物樣品制備

6.3.1生物對污染物的吸收及在體內分布(一)植物對污染物的吸收

及在體內分布空氣污染物主要通過粘附、從葉片氣孔或莖部皮孔侵入方式進入植物體；植物通過根系從土壤或水體中吸收水溶態污染物。氟化物、農藥等

污染物

圖6.13植物對氣態污染物的吸收圖6.14植物從土壤或水體中吸收污染物植物內污染物的分布見表6.4和表6.5。植株部位放射性計數/(脈沖·min-1·g干樣-1)含鎘量/(μg·g干樣-1)分配百分數/%不同部位合計地上部位葉、葉鞘莖桿穗軸穗殼糙米1483754437350.671.700.200.160.153.59.01.10.80.815.2根系部分354016.1284.484.8表6.4成熟期水稻各部位中的含鎘量

品種葉片根莖果實番茄茄子黃瓜菜豆菠菜青蘿卜胡蘿卜14910711016457.034.063.032.031.050.0—18.73.82.419.59.0—33.07.3——2.53.83.617.0———表6.5氟污染區蔬菜不同部位的含氟量單位：μg/g表6.6農藥在稻谷中的蓄積情況農藥糠/%米/%農藥糠/%米/%p,p′-DDTγ—六六六馬拉硫磷704087306013苯硫磷乙拌磷倍硫磷80659420356表6.7農藥在水果中的蓄積情況農藥品種果皮/%果肉/%農藥品種果皮/%果肉/%p,p′-DDT西維因敵菌丹倍硫磷蘋果蘋果蘋果桃97229770378330異狄氏劑殺螟松樂果柿子葡萄橘子9698854215（二）動物對污染物的吸收及在體內分布環境中的污染物一般通過呼吸道、消化道、皮膚等途徑進入動物體內;水和土壤中的污染物質主要通過飲用水和食物攝入，經消化道被吸收;脂溶性污染物質通過皮膚吸收后進入動物肌體。

呼吸道消化道皮膚吸收圖6.15動物對污染物的吸收方式6.3.2生物樣品的采集和制備1.植物樣品的采集(1)對樣品的要求：采集的植物樣品要具有代表性、典型性和適時性。(2)布點方法：在劃分好的采樣小區內，常采用梅花形布點法或交叉間隔布點法確定代表性的植株。6.3.2.1植物樣品的采集和制備(3)采樣方法：在每個采樣小區內的采樣點上分別采集5～10處植株的根、莖、葉、果實等，將同部位樣混合，組成一個混合樣；采集樣品量要能滿足需要，一般經制備后，至少有20～50g干重樣品。圖6.16采樣點布設方法2.植物樣品的制備(1)鮮樣的制備：測定植物內容易揮發、轉化或降解的污染物質、營養成分，以及多汁的瓜、果、蔬菜樣品，應制備成新鮮樣品。樣品洗凈→晾干或拭干→搗碎機搗碎制漿→研磨

(2)干樣的制備：風干、烘干→磨碎→過篩→保存3.分析結果表示方法常以干重為基礎表示（mg/kg），但含水量高的蔬菜、水果等，以鮮重表示計算結果為好。6.3.2.2動物樣品的采集和制備動物的尿液、血液、唾液、胃液、乳液、糞便、毛發、指甲、骨骼和組織等均可作為檢驗樣品。6.3.3生物樣品的預處理(一)消解和灰化濕法消解灰化法提取方法分離方法液-液萃取法蒸餾法層析法：磺化法和皂化法氣提法和液上空間法低溫冷凍法振蕩浸取法組織搗碎提取法脂肪提取器提取直接球磨提取法(二)提取、分離和濃縮(三)濃縮方法蒸餾法K-D濃縮器蒸發法等

圖6.17高頻電場激發灰化裝置示意圖圖6.18氧瓶燃燒灰化裝置示意圖圖6.19索式提取器示意圖圖6.20實驗室用攪拌球磨機實物照片6.3.4污染物的測定測定方法主要有分光光度法、原子吸收光譜法、熒光分光光度法、色譜法、質譜法和聯機法等。表6.8硅酸鎂-乙醚-石油醚層析體系分離農藥吸附劑淋洗溶液能分離出來的農藥硅酸鎂6%乙醚-石油醚艾氏劑、六六六各種異構體、p,p′-DDT、

p,p′-DDT、p,p′-DDD、p,p′-DDE、七氯、多氯聯苯等硅酸鎂15%乙醚-石油醚狄氏劑、異狄氏劑、地亞農、殺螟硫磷、對硫磷、苯硫磷等硅酸鎂50%乙醚-石油醚強堿農藥、馬拉硫磷等第四節生態監測生態監測就是運用可比的方法，在時間或空間對一定區域范圍內的生態系統或生態組合體的類型、結構和功能及其組成要素進行系統的測定和觀察的過程。

生態監測不同于環境監測。生態監測是指預先制定的計劃和用可比的方法，在一個區域范圍內對各生態系統變化情況以及每個生態系統內一個或多個環境要素或指標進行連續觀測的過程。

生態監測是一個動態的連續觀察、測試的過程，少則一個或幾個生態變化周期，多則幾十個、幾百個生態變化周期。在時空上少則幾年，多則幾十年或更長一段時間。生態監測的目的：了解所研究地區生態系統的現狀及其變化；根據現狀及變化趨勢為評價已開發項目對生態環境的影響和計劃開發項目可能的影響提供科學依據；提供地球資源狀況及其可利用數量。6.4.1生態監測的類型及內容(一)宏觀生態監測

宏觀監測地域面積至少應在一定區域范圍之內，對一個或若干個生態系統進行監測，最大范圍可擴展至一個國家、一個地區基至全球。主要監測區域范圍內具有特殊意義的生態系統的分布、面積及生態功能的動態變化。(二)微觀生態監測

微觀監測指對一個或幾個生態系統內各生態要素指標進行物理、化學、生態學方面的監測。根據監測的目的一般可分為：

1.干擾性生態監測

2.污染性生態監測

3.治理性生態監測

4.環境質量現狀評價監測（三）生態類型的劃分森林生態系統草原生態系統農村生態系統城市生態系統（四）生態監測指標選擇自然指標：自然景觀、自然狀況、自然因素人為指標：人文景觀、人為因素一般性監測指標：重點生態監測指標、常規生態監測指標應急監測指標：自然力和人為因素造成的緊急生態問題監測(1)全球氣候變暖引起的生態系統或動植物區系位移；(2)珍稀、瀕危動植物種的分布及其棲息地；(3)水土流失面積及其時空分布和對環境影響；(4)沙漠化面積及其時空分布和對環境影響；(5)草場沙化退化面積及其時空分布和對環境影響；(6)人類活動對陸地生態系統（森林、草原、農田、荒漠等）結構和功能的影響；(7)水環境污染對水體生態系統（湖泊、水庫、河流和海洋等）結構和功能的影響；(8)主要環境污染物（農藥、化肥、有機污染物和重金屬）在土壤-植物-水體系統中的遷移和轉化；(9)水土流失地、沙漠化地及草原退化地優化治理模式的生態平衡恢復過程；(10)各生態系統中微量氣體的釋放通量與吸收情況。(五)我國優先監測的生態項目6.4.2生態監測方案（1）監測目的；（2）監測的方法及使用設備；（3）監測場地描述：土壤類型、植被、海拔、經緯度、面積；（4）監測頻度；（5）監測起止時間、周期；（6）數據的整理：觀測數據、實驗分析數據、統計數據、文字數據、圖形數據、圖像數據，編制生態監測項目報表；（7）監測人員及監測要求。（一）監測方案的編制(1)國家采用的生態監測儀器屬大型監測設備，如：遙感、地理信息系統、地理圖像系統；(2)常規生態監測選擇小型儀器。一般的測試系統，應由傳感器、中間變換設備、傳輸設備、數據處理設備、顯示記錄設備幾部分組成。圖6.22熱島現象研究遙感圖

圖6.21非洲地理圖像（二）監測儀器的選擇圖6.23地球遙感圖圖6.24某地地理信息圖

生態監測平臺是宏觀生態監測的工作基礎，它以遙感技術作支持，并具備容量足夠大的計算機和宇航信息處理裝置。生態監測站是微觀生態監測工作的基礎，它以完整的室內外分析觀測儀器作支持，并具備計算機等信息處理系統。（三）生態監測平臺和生態監測站(1)能反映生態系統的各個層次和主要生態環境問題，并以結構和功能指標為主；(2)篩選那些受外界條件影響大、改變快、具有綜合性代表意義的指標作為優先監測指標；(3)考慮可操作性及實際監測能力。（四）生態監測指標確定原則表6.9陸生生態系統監測指標要素常規指標選擇指標氣象氣溫；濕度；風向；風速；降水量及分布；蒸發量；地面及淺層地溫；日照時數大氣干、濕沉降物及其化學組成；林間CO2濃度（森林）水文地表徑流量；徑流水化學組成：酸度、堿度、總磷、總氮及NO2－、NO3－、農藥（農田）；徑流水總懸浮物；地下水位；泥沙顆粒組成及流失量；泥沙化學成分：有機質、全氮、全磷、全鉀及重金屬、農藥（農田）附近河流水質；附近河流泥沙流失量；農田灌水量、入滲量和蒸發量（農田）土壤有機質；養分含量：全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀；pH值；交換性酸及其組成；交換性鹽基及其組成；陽離子交換量；顆粒組成及團粒結構；容重；含水量CO2釋放量（稻田測CH4）；農藥殘留量、重金屬殘留量、鹽分總量、水田氧化還的電位、化肥和有機肥施用量及化學組成（農田）；元素背景值；生命元素含量；沙丘動態（荒漠）植物種類及組成；種群密度；現存生物量；凋落物量及分解率；地上部分生產量；不同器官的化學組成：粗灰分、氮、磷