第七章 生物指示物

引言
在污染物和营养物质过量时生物体同样受到影响，这经常用于指 示污染的性质和程度。这些效应类型可归纳为以下一些或全部内容： 1.1生物群落中物种和/或优势种群发生改变； 1.2生物群落物种多样性发生改变； 1.3种群死亡率上升，尤其是卵和幼体阶段（早期发展阶段很敏感）； 1.4个体生理和行为的改变； 1.5个体形态和组织畸变； 1.6个体组织中污染物或其代谢物的积累(Build-up) 上述效应的研究促使生物调查/监视（Biological Surveillance） ） 方法用于替代（或至少是补充）化学分析方法监测环境质量。在一段 时间内同一环境中生物调查包括一系列相似的调查内容，因此是动态 的。若生物调查具有特殊目的，如按规范规定的污染物，则称为生物 监测（Biological monitoring/ Biomonitoring）。 ）。
古代帝王缮前令奴仆尝食 矿工下井前以绳缚鸡投井 利用金丝雀、老鼠监测地下矿区瓦斯含量
·20世纪初广泛应用于环境监测 ·生物监测以环境污染物与生物之间的 浓度-反应关系为基础
1 生物监测
• 监测生物的选择应遵循的原则 监测生物的选择应遵循的原则
对人为胁迫敏感并具有特异性反应 遗传稳定、对人为胁迫反应个体差异小、发育正常、健康 易于繁殖和管理且常见（避免用珍惜濒危物种） 尽量用既有监测又兼有其他功能的生物（经济或观赏）
• 监测指标的选择应遵循的原则 监测指标的选择应遵循的原则
根据监测目的 根据污染物的性质和毒理作用机制 根据生物的特性
1 生物监测
• 生物监测的方法 生物监测的方法
生态学方法 生理学方法 毒理学和遗传毒理学方法 生物化学成分分析方法
1 生物监测
• 生物预警和监测环境变化的机理
• 人为胁迫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 的各个层次。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。 • 个体水平的生物反应 • 细胞及分子水平的生物反应 细胞膜、生物酶、 染色体结构变异、数目变异、DNA损伤、基因突变 组织、器官水平的生物反应 植物叶片的各种伤斑/坏死、畸形
表1 生物监测的基本方法
监视类型 主要有机体 群落 结构 无脊椎动物、 大型植物 评价的主要污染物 有机物（石油烃、杀虫剂、 PCBs）、有毒废弃物（重 金属）、过剩营养 指示 生物 微生物 方法 积累 生物 生物 测定 无脊椎动物、 大型植物、 藻类、地衣 细菌 有机废弃物、过剩营养、酸 化、有毒气体 优点 缺点 使用方便、低耗、 需一些专业知识、 不需专业设备或 局部应用、无特异 必备知识 性 使用方便、低耗、 需一些专业知识、 不需专业设备 局部应用、无特异 性 相对低耗、与人 类健康直接相关 大型植物、大 有毒废弃物、放射性核素 型无脊椎动物、 脊椎动物 微生物、大型 植物、藻类、 无脊椎动物、 低等脊椎动物 有机物、有毒气体、有毒废 弃物 指示污染物的生 物可利用性、与 人类健康相关 结果快速、相对 低耗、需连续监 测 需一些专业设备和 知识 耗时、设备昂贵、 需人员培训 实验室结果很难外 推
1 生物监测
• 生物监测：利用生物分子、细胞、组织、 器官、个体、种群和群落以及生态系统等 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，为环境质量评价 提供依据。
1 生物监测
·利用生物对环境进行监测和预警历史悠久
1 生物监测
• 生物对污染环境的监测和指示
• • • • • 体内污染物及其代谢产物监测 地衣和苔藓植物 高等植物叶片、树皮 水生生物 人体健康监测（血液、头发、尿液）
1 生物监测
• 生物对污染环境的监测和指示
• 遗传毒理监测（染色体畸变和基因突变） 遗传毒理监测（染色体畸变和基因突变） • 体外基因突变试验：Ames试验、哺乳动物体细胞株突变 试验 • 体内基因突变试验：显性致死突变试验（生殖细胞染色 体）、果蝇伴性隐性致死试验 • 染色体畸变试验：体细胞、生殖细胞、体内、体外 • 微核试验：动物细胞、植物细胞 • 姐妹染色单体交换试验
• 弥补
• 配合理化监测 • 监测生物规范化、监测条件标准化、浓度-反应曲线精确 化、监测人员专业化
1生物监测
• 用活生物体进行污染物生物监测的方法很多。可 大体划分为表1。不论选用哪种方法，采集具有代 表性和有意义的生物样品是任何调查成功的关键。 采样方法很多，一些容易产生误差，因此在利用 所得数据进行解释和外推时必须将其考虑进去。 考虑到时间、资金和人力等所选用的方法必须和 规定的方法达到折衷（compromise）。采样方法 的选择还受到采样要求的影响，还应该与不同操 作者在不同时间和地点所测数据进行比较。
2 监测群落结构
•
许多生物监测方法是基于污染导致 的生物群落结构的变化。实际上，很难 对整个群落进行操作。因此，通常是研 究群落的一定区域，例如水生生态系统 中的浮游植物或底栖生物和陆地生态系 统中的大型无脊椎动物或大型植物。
2 监测群落结构
• 监测群落结构的方法是建立在生物群落中个 体的出现-消失（presence-absence）和/或数值 多度基础之上的。传统上采用多样性指数或相似 性指数，很少采用物种多度模型。相对于任何污 染物来说，除非有广泛的可利用的环境数据，否 则运用这些方法观察到的变化具有主观性而缺乏 客观性。近年来，更加复杂的多元分析技术比较 客观地与影响因素（特殊污染物等）联系起来运 用于监测中。然而，即使对非专业人士来讲，许 多多样性指数和相似性指数应用起来很容易，并 且是有成本效益的，因此，保证了它们在污染监 测中继续占有一席之地。
生物指示物/指示生物 Biological indicators
引言
•
我们知道，生物（包括人）很大程度上受到环 境理化因子的影响。有经验的生态学家可以通过 未知环境中生物种类名单准确地指出土壤、大气、 水、气候等因素的特征甚至地理位置。而且，多 年来地理学家利用特异性指示植物物种和群落勘 察地质组成和当地矿藏，这个过程称为地植物学 勘探。通过理化因素对活生物体的影响可以对环 境中现存物质及其存在水平给出明确的结论。例 如，当植物生长的土壤中特定的矿质元素（无机 营养）缺乏时，植物常出现典型和独特症状（缺 素症）。
引言
• 生物监测比化学分析更具有优势。如大多数污 染监测程序是建立在规定时间间隔内进行样品采集 （定时采样），连续采样通常行不通并且很昂贵。 这样，在常规化学采样方案中，尤其是在可变环境 （如大气和河流）中采样间隔内任何一个污染高峰 或低谷可能都检测不到（undetected） 。相反,生 物体在瞬时污染情况下可发生可测反应,在பைடு நூலகம்污染 水平反应更明显。它们还可以在污染物波动水平提 供时间-综合（time-integrated）反应。依据选用生 物寿命不同,这种反应可从几天（微生物）至几个 月/几年间（大型植物、大型无脊椎动物和脊椎动 物）变化。
• 陆地环境退化的预警体系
陆地环境退化与否与地表植被的变化高度相关，分析监测植被的变化 是有效开展陆地环境预警的手段。植被没有移动能力，最能真实地表 现环境的变化，对环境质量的变化起到适时警报器的功能。 遥感技术：草地遥感监测技术
1 生物监测
• 生物监测的局限性 局限性
• 易受各种环境因素的影响-自然胁迫（叶斑） • 可能受到监测生物生长发育状况的影响 • 费时且难确定环境污染物的实际浓度
引言
• 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 的综合作用，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，就能帮助人们及时获取 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。
有机物和排泄物
2 监测群落结构
• 在实际情况下，单个物种的毒性试验常 常不能真实反映群落和生态系统受污染胁迫 的状况。从群落水平上测量胁迫反应能够在 一定程度上克服由单个或少数几个物种的胁 迫反应解释群落与生态系统效应所带来的困 难。从20世纪50年代后期开始，许多学者提 出了多种描述群落结构和组成变化的参数用 于研究污染所引起的群落及生态系统效应。
1 生物监测
• 生物对污染环境的监测和指示
• 分子标记
• DNA损伤试验:非程序性DNA修复试验、单细胞凝胶电泳（SCGE） • DNA-加合物测定:免疫法、荧光法、32P-后标记法 • 蛋白加合物:血红蛋白（Hb）-加合物（色谱-质谱法、免疫法）
• 生物群落监测法
• 付生植物群落监测法:地衣生长绘图法 • 微生物监测法:大气污染微生物监测法、水污染的细菌学监测、 微型生物群落监测法（如PFU法） • 底栖大型无脊椎动物监测法 • 微宇宙法:标准化水生微宇宙（SAM）、土壤核心微宇宙（SCM） 模拟农田生态系统
1 生物监测
• 生物监测环境预警中的应用
• 水体污染的预警体系
退化水体的生物监测自动报警系统是利用生物敏感性对污染源排放的 废水和地表水的水质变化进行连续监测、传输和数据处理的一种监测 系统。 较早的生物预警：鱼 流水或废水 死亡率（数）/受害症状 自动报警系统：监测生物的生理或行为参数 生物传感器
引言
• 许多污染物可在同一环境中出现，并且 能够进行化学分析的单一污染物的数量是 有限的。因为生物群落可对任何有害污染 物产生反应，由于现存污染物水平的提高 或新的/不期望污染物的出现而检测到的变 化可以看作详细化学分析（detailed chemical analysis）的警告和预兆。而且， 许多不能被检测到的污染物协同或拮抗效 应在生物体上是可以检测到的。
1 生物监测
• 生物对污染环境的监测和指示
• 生物监测方法 生物层次:生理生态、生物群落、遗传学、分子标记 生物种类:植物监测 :植物监测 植物监测、动物监测、微生物监测、（人类 人类） 人类 环境介质:大气污染监测、水污染监测、土壤污染监测
1 生物监测
• 生物对污染环境的监测和指示
• 形态结构监测 • 应用最广泛、发展最成熟—利用生物对大气污染进行监测 动物生病、死亡、迁移 植物叶片病变，植株生病、死亡 微生物种类和数量的变化 • 生理生化监测 • 植物酶活（增加或减少）、胁迫代谢物（增多）、代谢 （增加或减少） • 动物生理代谢指标（呼吸频率、呼吸代谢、摄食量、抗病 力）、生化指标（血糖、酶活、代谢） • 微生物发光、畸变（PAHs对细菌）
引言
• 借助于各种先进检测仪器和分析手段的理化 监测方法，虽然能够精确测定环境污染物的瞬时 浓度，但不能反映各种污染物联合作用于生物系 统的长期影响。人为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，或拮抗作用，如果不考虑 污染物、环境因素和生物的综合作用，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， 不能真正保证自然生态系统的健康运行。
1 生物监测
• 生物预警和监测环境变化的机理
• 种群及群落的生物反应 种群中敏感个体死亡，种群死亡率上升、种群的躯体 生长率下降 群落物种组成和结构发生改变，优势种群发生改变、群落 发生演替 • 生态系统的响应 • 生态系统结构趋于简单化、食物链不完整、食物网简化 • 生态系统功能受损 脆弱生态系统、受损生态系 统、退化生态系统
1 生物监测
• 生物监测环境预警中的应用
• 环境预警 建立在环境承载能力或环境容量基础上，通过一些重要的 自然状态指标，对大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的环境 进行实时监测，并及时提供环境危险信号的警示报告。 由于环境承载能力的变化是多种因素相互作用的组合，其 中的生物随环境变化具有很强的连续性、反应的综合性和 敏感性，从而在环境预警中生物监测具有重要作用。某些 生物对特定污染物极为敏感，甚至有时精密仪器也难检测 的一些微量污染物就能对生物体产生严重伤害。有些生物 具有很强的蓄积环境污染物能力，利用这些高敏感、高蓄 积的的监测生物，能够及时检测出环境中存在的微量污染 物，作为早期环境污染的报警器。