生物监测biologicalmonitoring
江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,生物监测 Biological Monitoring,环境监测的新途径 New Approach to Monitor Environment徐志伟 2006年12月,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,目录,一、前言 二、水环境的生物监测 三、空气环境的生物监测 四、土壤环境的生物监测 五、环境化合物毒性的生物测定与评价 六、生物传感器技术,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,一、前言,生物与其生存环境之间存在着相互影响，相互制约，相互依存的密切关系，生物需要不断地直接或间接从环境中吸取营养，进行新陈代谢，维持自身生命。 当环境受到污染后，生物在吸收营养的同时，也吸收了污染物质，并在体内迁移、积累，从而遭受污染，受到污染的生物，在生态、生理和生化指标，污染物在体内的行为等方面会发生变化，出现不同的症状或反应，可以利用这些变化来反映和度量环境污染的程度。,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,生物监测概念,生物监测是一类通过生物（动物、植物、微生物）在环境中的分布，生长发育状况及生理生化指标和生态系统的变化来研究环境质量状况的环境监测技术方法。,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,生物监测古老又年轻！,生物监测是一门古老而又年轻的技术，既需要传统经典的生物学基础知识的支撑，如生物的分类与鉴定，又需要由科技进步的突破与发展以及环境保护面临的新问题需要注入新鲜活力。 生物监测是环境监测的重要组成部分。,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,生物监测BOD分析,BOD可以表征水体有机物含量乃至毒性，是应用最为广泛的生物监测技术。,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,生物监测的特点,生物监测能反映各种污染物的综合影响，具有直观、客观、综合和历史可溯源性的特点;理化监测是定期采样,结果不能反映采样前、后的情况,而生态系统中生物汇集了整个生长期环境因素改变的情况; 有些水生生物对污染物很敏感,有些连精密仪器都测不出的微量元素的浓度,却能通过“生物放大”作用在生物体内积累而被测出。,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,生物监测综合性,环境中的污染因素是相当复杂的，混合成分之间的相互作用使得环境中污染物对生物的影响大相径庭，难以预测。孤立检测各种污染物对反应毒性的意义不是很大。复合污染物的毒性及其对生物的影响，不是个别因素简单加合，因此单纯的物理、化学分析不能说明问题，只有通过生物监测才能真正反映综合效应的结果。,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,生物监测连续性,环境污染是变化和连续的。一般物理、化学监测手段相对只能反映取样前后环境情况的，而生物监测能更为全面地了解污染物对环境造成的长期效应。 例如：年轮解析法能极为形象地分析历年环境条件的优劣。,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,生物监测敏感性,某些生物对特定污染物的敏感程度是现代精密仪器也难以实现的。鱼类：10-6-10-5mg/L的有机磷能抑制鱼类脑中的乙酰胆碱酯酶的活性，使鱼类出现中毒现象。 某些植物在0.3ml/m3的含SO2空气中就会出现受害症状。 据记载，有的敏感植物能监测到十亿分之一浓度的氟化物污染，而现在许多仪器也未达到这样的灵敏度水平,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,生物监测经济性,生物监测技术和手段的经济性为开拓监测面积和范围，实现点、站结合，构成经济、有效实用的监测网络提供了可能。,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,生物监测直观性,利用常见生物种类可以判别生态系统的健康，使监测更为直观、为民众能信服。 健康河流的生物学观点：有大型食草或食肉性鱼类长期生存，能正常繁殖。,法国塞纳河水清了，鱼类也多了起来。50多年前，塞纳河内只有4至5种鱼类，如今已增至20来种，其中包括鳟鱼、鲈鱼、白斑狗鱼和河鳗等，还有红眼鱼、冬穴鱼等较为稀有的鱼种。,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,生物富集作用、生物积累和生物放大,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,生物监测：优势与局限,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,两种“生物监测”概念,环境监测领域。 利用生物来监测环境受污染的实际变化情况 在有害废物排入环境前后，对照测定生物在组成及数量上的变化，来判断环境污染的程度。用以评价由于污染所寻造成的生态系统的变化。,职业卫生领域。 在生物的血液、尿、呼气、头发、乳汁或其他生物材料中测定含有害物质或其代谢产物的量，统称为生物监测。 对人体进行生物学监测，能从多方面反映机体接触有害物质的水平，包括呼吸吸收、皮肤吸收、消化道摄入和劳动强度，甚至工作场所外受到的污染等，即可估计通过各条途径接触所致的体内负荷状况。,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,环境污染物的生物学效应,污染物的生物效应是当前环境化学研究领域里十分活跃的研究课题，环境污染物能引起各种复杂的生物效应，如致畸、致突变、致癌的生物化学变化。生物效应同化学物质的结构与毒性相关，与多种污染物毒性的协同和拮抗作用相关，也与污染物食物链作用的生物化学过程相关等。 随着分析技术和分子生物学的发展，环境污染的生物化学研究取得很大进展，并与环境生物学、环境医学相互交叉渗透，成为当前生命科学的一个重要组成部分。,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,生物对污染物的吸收,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,污染物在植物体内的分布,污染物被植物吸收后，在植物体内各部位的分布规律与吸收污染物的途径、植物品种、污染物的性质等因素有关。从土壤和水体中吸收污染物的植物，一般分布规律和残留量的顺序是：根>茎>叶>穗>壳>种子,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,污染物在动物体内的分布,动物吸收污染物质后，主要通过血液和淋巴系统传输到全身各组织发生危害。,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,生物对环境变化的多层次反应,基因 大分子 组织 个体 种群 群落 生态系统,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,图示：有毒胁迫下的生物学效应,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,基因水平上对环境变化的反应,自然状态下，生物基因在相当稳定的水平上发生遗传变异，生物在一定范围内对环境胁迫具有自我修复功能，但如果受到有毒有害化合物的污染，基因发生突变的频率就会急剧增加，正常的基因表达和遗传功能遭到破坏，无法进行正常的繁殖等。相关监测技术：PCR技术,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,大分子水平上对环境变化的反应,生物对环境胁迫会产生复杂的生理生化反应，表现在基因表达失常，糖类、脂肪、蛋白质等大分子代谢紊乱，生物酶功能遭损害，还会出现一些特异的化合物。生物对一些环境污染物的特异反应是生物监测的依据。,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,个体水平上对环境变化的反应,生物个体对环境胁迫的反应包括生长发育异常，形态变异、生殖功能低下甚至丧失，行为失常等。生物监测方法：指示生物法,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,种群水平上对环境变化的反应,在严重的环境胁迫下，生物种群数量急剧减少乃至灭绝，大量个体出现生理生化、繁殖及行为的异常，适应性丧失。 生物监测湖泊富营养化的特征参数为藻类的种群和生物量变化,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,群落及生态系统水平上对环境变化的反应,某些对污染物有指示价值的生物种类的出现或消失. 群落中生物种类数在污染加重的条件下减少,在水质较好的情况下增加,但过于清洁的条件下由于食物缺乏也会导致种类数减少. 组成群落的个别种群变化 群落中种类组成比例的变化 自养-异养程度上的变化 生产力的变化,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,群落和生态系统水平的生物监测方法,污水生物系统法 PFU法（聚氨酯泡沫塑料块法） 生物指数法,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,生物监测类型依据监测对象,水环境生物监测 大气环境生物监测 土壤环境生物监测,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,生物监测方法依据监测手段,分子监测技术 微生物监测技术 植物监测技术 生物传感器监测技术,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,二、水与废水的 生物监测,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,分子生物监测,PCR技术 生物标记物biomarker分析,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,什么是PCR?,聚合酶链反应(Polymerase Chain Reaction ,PCR)是80年代中期发展起来的体外核酸扩增技术. 它具有特异,敏感,产率高, 快速, 简便,重复性好,易自动化等突出优点;能在一个试管内将所要研究的目的基因或某一DNA片段于数小时内扩增至十万乃至百万倍,使肉眼能直接观察和判断;可从一根毛发,一滴血,甚至一个细胞中扩增出足量的DNA供分析研究和检测鉴定.过去几天几星期才能做到的事情,用PCR几小时便可完成.PCR技术是生物医学领域中的一项革命性创举和里程碑.,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,基于PCR技术的生物监测,全世界每年有2亿5千万人感染水源性疾病，而不同的的微生物病原体具有不同的致病剂量，因此确定水样中病原体的数量，提高检测的准确度显得十分重要。 已经发现PCR对星状病毒的检测灵敏度比电镜更高，并可鉴定这一病毒的不同血清型。 利用多链PCR技术可检测非人源性E. coli的甘氨酸羧酶基因，从而可快速鉴定河流是否受到人粪便的污染。 英国人开发了一种基于PCR的E. coli检测方法可以在24小时完成对99种不同的环境水样的检测，与标准方法100%相吻合，现已列为泰晤士河的例行项目。,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,生物标记分析,是在生物化学和分子生物学技术基础上发展起来的,研究毒性物质对生物体产生毒性效应的方法,正成为生态毒理学和环境风险评价研究中的一项重要技术手段. 该方法对检测并定量分析各类混合毒性物质所引发的遗传毒性,具有积极的意义,包括以蛋白质特性为基础的蛋白质标记,检测亚细胞毒性水平遗传毒性的生理性标记,及以遗传物质DNA的结构和多态性为特征的分子标记等.该方法具有测定灵敏、快速的特性,在遗传毒性的研究中将发挥出越来越大的作用.,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,水污染的细菌学监测,细菌总数的测定平皿法 总大肠菌群的测定五日发酵法 粪大肠菌群的测定多管发酵法 水中沙门氏菌属的测定 水中粪链球菌属的测定,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,总大肠菌群,当饮用水受到粪便等污染，就有可能带有沙门氏菌、志贺氏菌、弧菌、肠道病毒等，且它们均可以水为媒介引起肠道传染病。总大肠菌群含量可表明水体被污染的程度，并且间接地表明肠道病菌存在的可能，以及对人体健康具有潜在危险性。,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,粪大肠菌群,粪大肠菌为总大肠菌群的一个亚种；直接来自粪便，除了它耐热，在44-445的高温条件下仍可生长繁殖并将色氨酸代谢成吲哚，其他特性均与总大肠菌群相同。 由于总大肠菌群既包括粪便污染，同时也包括非粪便污染的大肠菌总数，因此，有必要在饮用水标准中增加粪大肠菌群这个指标，以便直接反映出水体是否受到粪便污染的信息，进一步确保流行病学的安全。,江阴市环境监测站 www.jyems.com.cn,粪大肠菌群检测方法注解,总大肠菌群中的细菌除生活在肠道中外，在自然环境中的水与土壤中也经常存在，但此等在自然环境中生活的大肠菌群培养的最合适温度为25左右，如在37培养则仍可生长，但如将培养温度再升高至445，则不再生长，而直接来自粪便的大肠菌群细菌，习惯于37左右生长，如将培养温度升高至445仍可继续生长。因此，可用提高培养温度方法将自然环境中的大肠菌群与粪便中的大肠菌群区分。在37培养生长的大肠菌群，包括在粪便内生长的大肠菌群称为“总大肠菌群”(Total coliform)；在445仍能生长的大肠菌群，称为“粪大肠菌群”(Fecal coliform)，粪大肠菌群细菌在卫生学上具有重要的意义。,
