环境生物学第八章.docx

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环境生物学第八章

第四篇生物监测与生物治理

第八章生物对受损环境的监测

第一节生物监测概述

一、生物监测的基本概念

二、监测生物的选择

三、生物预警和监测环境变化的机理

第二节生物对污染环境的监测与指示

一、形态结构监测

二、生理生化监测

三、生物体内污染物及其代谢产物监测

四、遗传毒理监测

五、分子标记

六、生物群落监测法

第三节环境预警与生物监测

一、环境预警的概念和意义

二、生物监测在环境预警中的应用

三、生态监测

思考题

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第四篇生物监测与生物治理

第八章生物对受损环境的监测

生物与环境是一个有机互动的整体．当环境发生变化时，生物也将进行调整使之与环境保持协调和一致，当环境受损时，生物自然也将在其生命活动中产生异常反应。

在一定条件下，这种反应与受损环境的性质特征、产生强度，甚至作用时间都呈高度的相关性。

这样，就可以利用生物的这些反应来指示环境的变化。

生物对受损环境产生的响应，可以发生在生物系统的基因、细胞、组织、器官、个体、种群、群落、生态系统等各层次。

利用这些不同层次的生物学属性的变化，就可以对各种不同类型的污染环境和退化环境进行监测和预警。

第一节生物监测概述

一、生物监测的基本概念

生物监测（biologicalmonitoring）是利用生物分子、细胞、组织、器官、个体、种群和群落及生态系统等层次上的变化对人为胁迫的生物学响应反应来阐明环境状况。

即用生物作指标对环境质量变化进行指示，从生物学的角度对环境质量变化进行监测，为环境质量的评价提供依据。

利用生物对环境进行监测和预警早在古代就已被人们所认识，历史上很早就有利用金丝雀、老鼠来监测地下矿区瓦斯含量的记载，但生物监测真正受到人们重视并被广泛用于环境监测领域，却是在20世纪初。

工业革命以来，人类生活方式的改变和工农业生产的迅速发展，深刻地影响着环境的变化。

人类活动所导致的环境污染及对自然资源的不合理利用所引发的生态破坏，已成为人类面临的严峻挑战。

为此，人们迫切需要能够对环境质量状况及其变化的即时信息进行准确测量，为环境管理和环境建设提供依据的环境监测方法。

借助于各种先进检测仪器和分析手段的理化监测方法，虽然能精确测定环境污染物的瞬时浓度，但不能反映各种污染物混合作用于生物系统的长期影响。

人为胁迫导致的受损环境中，各种污染物同时存在，并共同作用于生物系统。

不同污染物之间或发生协同作用，或发生拮抗作用，不考虑污染物、环境因素与生物的综台作用，就不能真正反映环境质量的变化和生活在其中的生物状况，不能真正保护自然生态系统的健康运行。

而利用生物指标对环境质量变化进行监测，由于生物接受的是各种环境因子与污染物综合作用，因而反映的是各种影响因子对生物综合作用的结果，是对整个环境的生物学损伤后果的监测与评价。

与理化监测方法相互补充，就能够帮助人们即时获取有关环境质量状况及其变化的综合信息，为环境控制管理提供依据。

因此，生物监测在环境监测领域的研究应用，受到了人们的极大关注。

目前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验室自动分析，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。

在美国、日本、加拿大等许多国家的环境保护部门，已将一些生物学监测方法列人了国家的环境管理目标，我国国家环境保护局也分别在1986年颁布了《生物监测技术规范》（水环境部分），1993年编写出版了《大气污染生物监测方法》。

生物监测已成为了解和评价环境质量状况不可或缺的环境监测方发之一。

二、监测生物的选择

生物的种类繁多，由于生物在长期进化过程中形成的胁迫适应机制的多样性及遗传差异，不同生物对人为胁迫作用下，受损环境影响的反应是不一样的。

如唐菖蒲的敏感品种白雪公主暴露在10×10-9的氟化氢中20h便出现明显的受害症状，而泡桐吸氟量高达1．06×10-5却没有受害症状出现。

可见，并非任何一种生物都适用于对环境质量的监测。

监测生物的选择应遵循以下原则：

（1）选择对人为胁迫敏感并具有特异性反应的生物

监测生物的敏感性直接决定了生物监测方法的灵敏度。

监测生物对人为胁迫的生物反应应具有特异性，即对特定胁迫具有特殊的敏感性或抗性，而对其他胁迫反应不敏感。

同时，这种生物反应应能及时灵敏地通过一些测试手段如形态解剖技术、生理生化技术、生态技术等进行测定，以反映较低水平的环境受损，提供环境质量的现时信息。

（2）选择遗传稳定、对人为胁迫反应个体差异小、发育正常的健康生物

遗传稳定的监测生物，能够保证监测结果的重复性，是生物监测方法标准化必须具备的条件。

同时，监测生物还必须生长发育良好、干扰症状少。

如以植物监测大气污染时，所选择的监测植物个体应发育正常、健壮，叶片无斑痕，植株间较为均匀一致。

如果植物体本身长势很弱，叶片有病斑或虫害痕迹，就很难评价大气幅染的影响效果。

（3）选择易于繁殖和管理的常见生物

生物监测需要大量个体，因此监测生物应具备大量增殖后代的能力，种质保存和扩大繁殖应简便易行，并避免选用珍惜濒危物种。

同时监测生物应易于管理，以降低监测成本，提高生物监测的实用价值。

（4）尽量选择既有监测功能又兼有其他功能的生物

监测生物应尽量选择既有监测功能叉兼有经济价值或观赏价值的生物。

如国内外常选择唐莒蒲、玉簪来监测氟化物；秋海棠、石竹监测SO2；选择贴梗海棠、牡丹监测O3；兰花、玫瑰监测乙烯；千日红、大波斯菊监测Cl2。

污染等。

这些生物既可观赏，叉能预警，一举两得。

三、生物预警和监测环境变化的机理

在人为胁迫条件下，生物系统会对受损环境发生一些在自然条件下没有或罕见的生物反应，这种反应可以发生在生物系统的基因、细胞、组织、器官、个体、种群、群落及生态系统等各个层次。

反应强度与环境受损程度存在着相关性，是利用生物对环境变化进行监测、预警的基础。

（一）个体水平的生物反应

个体是生物系统中最重要的组织层次，是器官、细胞和基因的整合单位，是环境变化的直接承受者。

1．细胞及分子水平的生物反应

对多细胞生物而言，细胞是机体的结构组成单位，它不仅是机体的结构基础，而且是其重要的代谢场所。

人为胁迫对细胞及分子的作用，必然会影响这一水平上正常的生物反应。

如受损环境中存在的“致畸、致癌、致突变”的三致环境污染物作用于生物遗传载体——染色体时，其行为、形态、结构、数目和组合等会发生相应的改变。

这时，染色体结构变异、数目变异、DNA损伤及基因突变率等与污染物的种类、浓度存在着相关关系，即剂量效应关系。

因此利用生物的细胞遗传学反应可以监测和指示环境的受损程度。

如受损环境中生物在外诱性诱变剂或物理诱变因素作用下，其生活细胞内的染色被诱导发生断裂，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，不能正常分配并整合到子细胞细胞核上，形成微核。

在一定污染浓度范围内，污染物与微核率存在的剂量一反应关系，可以灵敏、快捷地监测环境质量的变化。

当一定浓度的环境污染物及其活性代谢产物进人生物机体后，通过对生命活动不可或缺的催化剂一酶的抑制，将改变细胞膜的通透性，从而直接影响细胞的正常功能；与机体靶分子的作用，将导致靶分子的结构和功能受损，引发一系列的理生化变化，导致生物在不表现出外观损伤之前，机体生理代谢就已发生了改变。

其相应的生理生化指标变化，可以灵敏迅速地指示和反映受损环境对生物的影响。

如鱼脑胆碱酯酶活性受水体中有机磷农药污染物的抑制，其抑制程度随污染物的浓度和致毒时间的增加而增强，鱼脑胆碱酯酶活性的变化可以反映水体受污染的质量变化情况。

2．组织、器官水平的生物反应

生物对污染物的吸收，由于其特有的蓄积特性将使污染物在生物体内不断积累。

当体内的蓄积量达到一定数量后，由于污染物的对机体靶分子毒害作用，其结构和功能将发生改变，从而引发一系列的生理生化变化．将导致组织、器官的结构和功能受损，生物出现相应的受害症状。

如大气环境受污染后，植物叶片会出现各种伤斑，甚至叶组织局部坏死．不同污染物对植物的伤害反应症状不同。

根据受害叶数、颜色深浅及伤斑大小与大气中污染物种类及浓度的相关性，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．就能凭借叶片的受害症状反映大气中相应污染物的浓度．从而对大气进行监测和预警。

如紫花苜蓿、棉花等叶片的叶脉间出现不规则的白色、黄色斑点或块状坏死，反映SO2嘎污染，而烟草叶片出现的红棕色斑电状坏死则指示大气中的O3污染。

正常环境中，生物体内各种化学成分的含量大致在一定范围内变化．这是生物长期适应环境的结果。

但在污染环境中．由于生物对污染物的吸收、蓄积特性．其体内污染物的蓄积量一般与环境的受损程度存在相关关系．能够忠实地“记录”污染过程。

生物体内的污染物及其代谢产物含量能够反映环境污染物的种类及污染程度,因而不同历史时期采集的生物标本能够为某地区的污染监测历史提供客观的“自动记录”资料，对其进行成分分析，就能对污染物的污染历史进行推测和评价。

如美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员采用中子活化法分析树木年轮中重金属元素的含量变化。

结果显示20世纪中第一个十年的年轮含铁量减少，20世纪50年代后汞含量增加，50年代早期至60年代银含量增加，这与当地在同期内炼铁炉被淘汰、工业用汞量增加及在云中撒布碘化银人工降雨等人类活动导致的环境变化呈相关性。

（二）种群及群落的生物反应

种群是生物系统中一个重要的组织层次。

大量研究表明，人为胁迫作用下的受损环境会对种群生态学、遗传学和进化过程产生深刻影响。

由于受损环境中生物个体反映的特殊性，因而由这些个体组成的种群具有与正常环境中不同的特点。

正常环境条件下．温度、含盐量等非生物因素和食物、捕食等生物因素对种群的影响是通过改变种群密度而起作用的，即密度制约。

而在受损环境中，种群同时受到密度制约因素和污染物的共同影响。

污染物将从两方面影响种群：

一方面，在污染作用下，种群中敏感个体死亡．种群的死亡率上升，这已被大量的毒理学实验所证实；另一方面，大量的实验研究亦证明，污染胁迫会使躯体生长率下降，如污染物通过降低植物的光合作用或动物的合成代谢导致种群的躯体生长率下降。

生物种群由于环境受损而发生适应性分化。

不同种群对环境受损的反应是不同的。

在正常的非污染环境中具有竞争优势的敏感物种，当环境受到污染后其优势地位可能被削弱甚至消失，而原先处于竞争劣势地位的抗性物种则取代成为优势物种。

种群组成的变化，必然导致群落结构与功能的改变。

环境的受损将使正常环境条件下的群落物种组成与结构发生改变。

如自然水体受到严重污染后，往往在很短时间内就能使群落的组成和结构发生显著改变。

1974年的英国Bantry海湾溢油事故使35km海滩受到污染。

现场调查表明：

齿缘墨角藻等藻类由于受害严重而大量死亡，而车叶藻、浒薹等藻类由于对石油污染的抗性较强而成为优势种。

其他油轮事故的调查也发现污染导致了群落结构改变。

描述生物种群或群落结构和功能变化的参数如生物指数、群落的多样性指数、种类数量、生物量、生活史、种群分布、种的目录、分布格局、密度、指示物种等可以指示受损环境对群落结构变化的影响程度。

群落结构组成的改变将使群落的基本特征发生变化。

多样性是群落的主要特征，正常环境条件下，生物的种类多且个体数相对稳定；而受损环境中，由于不同种生物对胁迫的敏感性和耐受能力的不同敏感物种在不利条件下死亡或消失，抗性物种在新的环境条件下大量发展，群落发生演替，多样性指数可以指示群落的演替。

常用的多样性指数主要有Margeler多样性指数、Shannon-Weiner多样性指数等。

（三）生态系统的响应

人为胁迫作用下，生态系统的结构和功能发生变化，这些变化可用来指示环境的变化及环境受损的程度。

（1）生态系统结构

污染物由于其毒害作用，引起敏感生物体的病态和死亡，生物种群由于环境受损而发生适应性分化。

敏感物种的消失使系统内的物种数量显著降低，竞争、捕食、寄生及共生等种间关系的改变，使群落的物