第六章 生物与生态监测

四、群落和生态系统监测法
3．微型生物监测 以前生物监测的研究重点多放在分类和结构方面。然而，生物系统的结构变化并非总与生 物系统的其它变化相关联，仅以某个种类、某个种群构成的生物反应系统的变化来评价一 个水生生态系统，其偏差较大。因此，为掌握水生生态系统对环境污染的完整反应，要求 我们在生物系统（细胞、组织、个体、种群、群落、生态系统）中选择超出单一种类水平 即群落或生态系统作为生物监测的生物反应系统，并对该系统的结构和功能变化均进行研 究。美国 Cains 创建了用聚氨酯泡沫塑料块（polyurethane foam unit，简写为 PFU）测 定微型生物群落的结构和功能参数，进而进行监测预报的新方法，即 PFU 法是指用聚氨醋 泡沫塑料块采集水域中微型生物和测定其群集速度来监测和评价环境质量状况的一种方 法。 4．生物指数法 生物指数(biotic index)是指运用数学公式反映生物种群或群落结构的变化以评价环境质 量的数值。 5．微宇宙法 微宇宙(Microcosms)法是真正意义上的生态系统层次的生物监测。利用微宇宙法可以系统 地观察与评价生物种群、群落、生态系统甚至生物圈对自然变化和人为变化所产生的反应。 微宇宙法又称为模型生态系统法(model ecosystem)。
五、毒性与毒理试验
1．一般毒性试验 毒性试验(toxic test)是指人为地设置某种致毒方式使受试生物中毒，根据试验 生物的中毒反应来确定毒物毒性的试验方法。所谓毒物，是指由某种方式进入生 物体的化学物质，在其达到一定数量时，能扰乱或破坏生物的正常生理功能，引 起暂时或持久的病症，甚至使生物死亡的物质。 2．遗传毒性试验 遗传毒理试验主要用于致突变和致癌物质的检测。遗传毒性试验方法包括微核技 术、染色单体交换测定技术和艾姆斯试验技术。
三、现场盆栽定点监测法
将监测用的指示植物栽培在污染区选定的监测点上，定期观察，记录其受害症状 和程度，来估测污染物的成分、浓度和范围，以此来监测该地区大气污染情况。
四、群落和生态系统监测法
1．植物群落监测法 植物群落和周围环境有着密切的关系，环境条件的变化可以直接或间接影响植物 群落的生长。各种植物对污染物敏感性不同，其反应有明显的不同。因此，监测 各种植物的受害症状和受害程度，分析植物群落中各种植物的反应，可以对该地 区的大气污染程度做出评价。 2．污水生物系统法 污水生物系统是最早由科尔科威茨和马森提出，后又经许多学者不断完善的一种 用于河流污染、尤其是有机污染的一种监测方法。这种方法的理论基础是，当河 流受到污染后，在污染源下游的一段流程里会发生自净过程，即随着河水污染程 度的逐渐减轻，生物的种类组成也随之发生变化，在不同河段将出现不同的物种。
第六章 生物与生态监测
• 本章要点：要求了解生物与生态监测的意 义以及不同污染环境介质的主要生物监测 方法，理解污染对各种环境介质中生物的 危害状况判别和测定的基础理论，掌握生 物样品的采集、制备、预处理和测定技术， 重点掌握细菌学检测方法，为制定控制污 染措施，使环境生态系统保持平衡提供依 据。
6.1概述
6.1.1 生物监测 6.1.2 生态监测 6.1.3 监测与评价
6.1.1 生物监测
一、指示生物法 二、现场调查法 三、现场盆栽定点监测法 四、群落和生态系统监测法 五、毒性与毒理试验 六、生物标志物检测法 七、环境流行病学调查法
一、指示生物法
早在两千多年前，人类就懂得用植物的特征来指示土壤的肥瘠、地下水的深浅、气候变化和地下有无矿 藏等；在水枯井或矿井前，先用绳子缚一只鸡于井中，以鸡的死活来探查井中是否存有毒气。国外有人 在矿井坑道或可能产生毒气的地方喂养金丝鸟，经常观察鸟有无异常反应，以此来指示井中有无毒性发 生。与上述古代方法相比，现代的指示生物法则向着更细致、确切和定量化的方向发展。 指示生物法是利用指示生物来监测环境状况的一种方法。所谓指示生物，就是对环境中某些物质，包括 污染物的作用或环境条件的改变能较敏感和快速地产生明显反应的生物，通过其所作的反应可了解环境 的现状和变化。该方法具有灵敏性、代表性、小的差异性和多功能性等特点。 指示生物法常用的指示方式和指标主要有以下几个方面。 1．症状指示指标 指示生物的这类指标主要是通过肉眼或其他宏观方式可观察到的形态变化。如大气污染监测中指示植物 叶片表面出现的受害症状和由此建立的评价系统(表 6—5)，重金属污染水体中水生生物和鱼类的致畸现 象等均属这类指标。 2．生长指标 生长指标包括生长势和产量评价指标。 3．生理生化指标 这类指标已被广泛应用于生物监测中，它比症状指标和生长指标更敏感和迅速，常在生物未出现可见症 状之前就已有了生理生化方面的明显改变。 4．行为学指标 在污染水域的监测中，水生生物和鱼类的回避反应也是监测水质的一种比较灵敏、简便的方法。
六、生物标志物检测法
近年来，化学污染物所导致的生物有机体的生物化学和生理学改变越来越多地被 运用于监测和评价化学污染物的暴露及其效应。许多环境科学家把这些生物化学 和生理学改变称之为生物标志物(Biomarker)。生物有机体包括动物、植物和微 生物。有些环境科学家应用生物标志物这一术语的概念非常广泛，指在任何生物 学水平上用于测定污染物暴露和效应的指标，包括亚个体、个体、种群、群落和 生态系统。然而，目前普遍赞同和应用的生物标志物这一术语的概念是指在亚个 体和个体水平上既可以测定污染物暴露水平，也可以测定污染物效应的生理和生 化指标。 生物标志物种类很多，其分类有多种方法。应用最广的是将其分为暴露生物标志 物(exposure biomarkers)和效应生物标志物(effect biomarkers)。生物标志物 的特异性差异很大。特异性高的生物标志物如血色素合成中的氨基乙酰丙酸脱氢 酶(ALAD)仅被铅抑制。而一些非特异性生物标志物，如很多污染物可引起免疫系 统的某种反应。目前，生物标志物被大量发展，但必须充分评价这些生物标志物 的应用价值，比较分析这些标志物的优缺点。评价一个生物标志物基本原则包括 一般指示性、相对敏感性、生物特异性、化学特异性、反应的时间效应、固有的 变化性、与高级生物学水平上效应的关系和野外应用价值等。
6.1.3 监测与评价
环境质量是指在一个具体的环境内，环境的总体或环境的基本繁衍及社会经济发 展的适宜程度，是反映人类的具体要求而形成的对环境的性质及数量进行评定的 一种概念，涵盖自然环境质量和社会环境质量两个方面，它包括物理的、化学的 和生物的质量，又可具体划分为大气环境质量、水环境质量、土壤环境质量、生 物环境质量等，生物环境质量是自然环境质量的重要组成部分，它是指周围生物 群落构成的特点而言，不同地区生物群落的结构及组成持点不同，其生物环境质 量也有差别。环境质量标准有水质量标准、大气质量标准、土壤质量标准、生物 质量标准。环境质量基准有环境卫生基准，水生生物基准等。而生物、生态监测 便是利用各种技术测定和分析生命系统各层次对自然或人为作用的反应或反馈 效应的综合表征来判断和评价这些干扰对环境产生的影响、危害及其变化规律， 为环境质量的评估、调控和环境管理提供科学依据。环境质量与生物、生态监测 的关系如图 6-2 所示。 评价物质对生态环境毒害影响的复杂系统，包括由化学物质引起的生物体发生状 态和功能的改变，需要建立模型来描述物质和生物种（毒理学）、物质和系统（化 学）、生物体和系统（生态学）之间的关系，以便从整体上考虑上述交互作用， 进行客观、科学的评价。
三、其它高新技术
中国技术创新信息网上发布了用于远距离生态监测的俄罗斯高新技术可调节的 高功率激光器，在距离 300m 的范围内，可以发现和测量甲烷以及其它系列(乙 烷、丙烷、m-丁烷、异丁烷等)的碳氢化合物的浓度，浓度范围为 0.0003-0.1%， 该项技术正在推广。其它高新技术如俄罗斯已有的军用无人机技术，可用于生态 监测。 环境不断恶化，要求监测技术不断完善，而利用生态监测、生物监测能真实地反 映环境质量状况。目前，生态监测与生物监测的方法正不断更新。某些方法能够 对特定某种或某几种污染物质的存在做出响应，可以实现传统监测方法无法实现 的某种物质的定性检测。但由于现有的监测技术仍然难以确定污染物的种类组成 和含量，有时不能定性和定量地测定污染，检测的灵敏性和专一性方面不如理化 检测，某些检测需时较长，资金短缺、监测点及设备不够，指标、相关立法不完 善。因此，在条件许可的情况下，应尽可能采取多种方法进行综合监测，以确保 监测结果的准确性和完整性。
二、电磁台网监测系统
高星在我国西部地区进行环境地球物理监测的探讨中认为，可以利用电磁台网络 监测系统进行西部脆弱生态环境的监测。以中长电磁波近地表传播衰减因子观测 为基础的环境调查监测系统克服了天然地震层析、卫星遥感等技术对包括沙漠、 黄土、冰川、湖泊沉积在内的地球表层和浅层监测的不足，以其对环境变化敏感、 有一定穿透深度、不同频率信号反映不同深度信息、台网观测技术方便等优点而 应用到生态监测中来。该系统通过对中长电磁波衰减因子数据的研究，利用现代 层析成像技术，建立西部地区高分辨率浅层三维导电率地理信息系统，为监测、 研究、预测西北地区浅层环境变化打下了基础。
6.2 水污染的生物监测
6.2.1 生物群落监测方法 6.2.2 生物测试法 6.2.3 细菌学检验法
6.2.1 生物群落监测方法
一、一般描述对比法 二、水污染指示生物 三、生物指数监测法 四、污水生物系统法 五、PFU微型生物群落监测法
一、一般描述对比法
根据对调查水体的水生生物的区系组成、种类、数量、生态分布、资源情况等的 描述，对比区域内同类型水体或同一水体的历史资料，对目前的环境质量现状做 出评价。这是常用的一种方法，但是需要评价人员具有较丰富的经验。
二、现场调查法
1．选择观察点。 2．调查了解主要大气污染物的种类、浓度和分布扩散规律。 3．选择观察对象：主要是树木、农作物、蔬菜及野生草本植物等。可选择其中 一类或几类作为观察对象，做好标记并采取保护措施使其免受虫兽侵害。 4．根据调查目的和人力条件确定观测时间。 5．确定观测项目：主要观察各类植物叶、芽、枝条等器官受害的表现症状，特 别注意仔细观察叶片受害后颜色、形状的变化及受害面积、受害年龄、落叶度等。 6．根据调查和资料对比分析，确定各种植物对有害气体的抗性等级，也可把地 区受害程度表示在地图上。
七、环境流行病学调查法
在毒理学研究中，一个突出的问题是动物实验与人群流行病学调查结果往往不一 致。假阴性、假阳性、过低或过高估计毒物潜在危害程度等情况经常发生。这是 由于种属差异以及实验过程中的许多不确定因素造成的，使得在如何解释毒理学 试验结果以及怎样把它外推到人类等方面存在明显的局限性。因而，单纯依赖动 物试验以至仅仅通过某一体外试验方法得出的结论都不一定是可靠的。完整的方 法是将实验室研究与人类流行病学调查有机地结合起来，用微观研究进行毒性筛 选、机理探讨，并为宏观研究提供所需观察指标；而宏观研究则为微观研究提供 选题方向，并进行验证。对一项具体研究来说，如果某种毒物已被广泛生产和使 用，应首先分析其对人类的影响，以发现对健康损害的迹象，然后用微观实验手 段进行深入研究。最后，将这些实验研究结果进一步在人群流行病学调查中加以 验证，再确定其因果关系。
6.1.2 生态监测
一、3S技术 二、电磁台网监测系统 三、其它高新技术
一wk.baidu.com3S技术
生态监测的新内涵中包括对大范围生态系统的宏观监测。因此，许多传统的监测 技术不适应于大区域的生态监测，只有借助于现代高新技术，高效、快速地了解 大区域生态环境的动态变化，为迅速制定治理、保护的方案和对策提供依据。遥 感技术（RS）、地理信息系统(GIS)、全球定位系统 统(GPS)称 3S 集成一体化的 高新技术，可以解决这个问题，在实际中通过建立生态环境动态监测与决策支持 系统，有效获取生态环境信息，实时监测区域环境的动态变化，进而掌握该区域 生态环境的现状、演变规律、特征与发展趋势，为管理者提供依据。