水污染生態(tài)學(xué)ppt課件

1、.,1,水域生態(tài)學(xué),第十五章 水污染生態(tài)學(xué),.,2,第一節(jié) 水污染對(duì)水生生物的影響,一、水資源現(xiàn)狀 二、污染與脅迫 三、污染物對(duì)水生生物的影響及其反饋?zhàn)饔蒙飪艋?.,3,一、水資源現(xiàn)狀,水是人類(lèi)寶貴的自然資源，因?yàn)榈厍蛏系纳茧x不開(kāi)水。與海洋和陸地相比，淡水僅占地球表面較小的比例，但是它對(duì)人類(lèi)的重要性卻是無(wú)與倫比的。據(jù)統(tǒng)計(jì)地球上咸水占973，而淡水僅占2.7。就這小部分淡水中還包括人類(lèi)目前尚無(wú)法利用的南北兩極的冰山和冰河，以及深度在750m以下的地下水。因此，人類(lèi)能利用的淡水還不到地球總儲(chǔ)水量的1。,.,4,水資源現(xiàn)狀-2,隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人們生活水平的提高，近50年來(lái)，人類(lèi)對(duì)淡水的

2、消耗量增加了一倍。全世界對(duì)水的需要量將逐年增加。這一發(fā)展的趨勢(shì)是無(wú)法阻擋的。造成淡水緊缺的更重要的原因是水污染十分嚴(yán)重。寶貴的水不能循環(huán)使用，這是對(duì)水資源的最大破壞，而且還直接危害了人類(lèi)的健康。 1977年聯(lián)合國(guó)“水”會(huì)議秘書(shū)處發(fā)表公告，指出全世界40億人口中有70得不到安全的飲用水。我國(guó)水污染的來(lái)源主要是工廠廢水。1991年報(bào)道廢水總量為3362億噸，其中70是工業(yè)廢水。中國(guó)42個(gè)城市的處理污水能力還不到5。不少城市的供水水源地下水也已受到酚、氰、砷等不同程度的污染。,.,5,二、 1. 脅迫的定義,脅迫(stress)是環(huán)境生物學(xué)家從工程學(xué)借用來(lái)的一個(gè)詞。在工程學(xué)上stress是“應(yīng)力”之

3、意。它的標(biāo)準(zhǔn)工程定義是指由于外部的力，不均勻的溫度等引起一個(gè)彈性物質(zhì)的變形或應(yīng)力變化。stress是對(duì)這一彈性物質(zhì)在該條件下的種定量表示方法。這一工程上的術(shù)語(yǔ)被生態(tài)學(xué)家用來(lái)描述各種因子能引起一個(gè)有機(jī)體的正常生理狀況的一些可檢出的變化，或是引起種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)天然狀況的一些可檢出的變化。這些變化可稱(chēng)之為脅迫效應(yīng)(stress effect)。要了解整個(gè)生態(tài)系脅迫的反應(yīng)，必須要有功能變化和結(jié)構(gòu)變化的信息。,.,6,脅迫類(lèi)型,脅迫有兩種類(lèi)型，一種是天然的，一種是人為的。前者指正常的環(huán)境因子變化如溫度、光周期、光強(qiáng)、流速、溶解的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、溶解氧等因子的變化，其中也包括正常的季節(jié)變化和周年變化，以上

4、這些環(huán)境因子的變化都能導(dǎo)致水生生物在結(jié)構(gòu)與功能上的 變化。后者是指由于人為的(anthropogenic)原因引起各種脅迫，如有毒化學(xué)物、熱、營(yíng)養(yǎng)物的富集等都能對(duì)水生生物產(chǎn)生影響。在實(shí)際應(yīng)用中，要把人為的壓迫和自然界本身的變化區(qū)別開(kāi)來(lái)，是很困難的。,.,7,水污染的定義,早在18世紀(jì)時(shí)，人們從實(shí)踐中認(rèn)識(shí)了水污染(water pollution)。最初認(rèn)為水污染是指進(jìn)入水體的外來(lái)物質(zhì)，其量超過(guò)了該物質(zhì)在水體中的本底含量。它只強(qiáng)調(diào)了外來(lái)物質(zhì)的量，而忽視了對(duì)水生生物的影響。隨著科學(xué)的發(fā)展，美國(guó)藻類(lèi)學(xué)家Patrick(1953)認(rèn)為水污染的定義是指任何帶進(jìn)水體的物質(zhì)能使水生生物多樣性指數(shù)下降，以致破壞

5、接受系統(tǒng)中生命的平衡狀態(tài)。現(xiàn)在對(duì)水污染的理解比較強(qiáng)調(diào)人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的因素，強(qiáng)調(diào)損害水生生物資源和危害人類(lèi)的健康。水污染比較完整的定義：由于人為的原因使水質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致水的任何有益的用途受到現(xiàn)實(shí)的或潛在的損害。即水體進(jìn)入某種污染物使水的質(zhì)量惡化并使水的用途受到不良影響，稱(chēng)為水污染。,.,8,背景值,背景值：是指未受人為影響或者基本未受污染的環(huán)境中某種物質(zhì)的天然含量或濃度。 又稱(chēng)為本底值。,.,9,影響河流水生生物的5種污染途徑,Patrick (1967)提出5種污染途徑可以影響河流水生生物。 由于還原化合物的生物氧化作用或非生物氧化作用而使溶解氧的含量下降。 化學(xué)物及其降解產(chǎn)物可能有毒，如農(nóng)藥

6、、殺蟲(chóng)劑、表面活性劑等。 工廠排放的廢水帶有余熱，由于溫度的沖擊和波動(dòng)可能有害于水生生物，因?yàn)樗苡绊懫渑R界的生理活動(dòng)，如酶的活性等。 廢水的生理性能，如因沉淀作用而引起水體底部產(chǎn)生剝蝕或光滑的變化。 由于混濁度的增加以及其他原因而導(dǎo)致生境的改變。,.,10,水污染原因,（1）工業(yè)廢水：渾、臭并含大量溶解和懸浮的有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)質(zhì)。 （2）農(nóng)地排水和水土流失：化肥、農(nóng)藥。 （3）生活污水：有機(jī)質(zhì)、腸胃病菌和寄生蟲(chóng)。 （4）工業(yè)廢渣的溶解 （5）大氣污染物的降落：如酸雨,.,11,3. 廢水的幾種主要類(lèi)型,工廠排放的廢水(effluent)按其理化相似性及其對(duì)水生生物群落的影響，大體上可劃分為六類(lèi)：

7、 (1)惰性懸浮物。 (2)有毒物質(zhì)酸、堿、重金屬、酚、氰化物、有機(jī)毒素、放射性物質(zhì)。 (3)無(wú)機(jī)還原化合物。 (4)有機(jī)廢水。 (5)熱廢水。 (6)煉油廢水。,.,12,1. 污染物對(duì)水生生物的影響,(1)對(duì)細(xì)菌、真菌的影響 (2)對(duì)藻類(lèi)和高等水生植物的影響 (3)對(duì)水生無(wú)脊椎動(dòng)物的影響 (4)對(duì)魚(yú)類(lèi)的影響,.,13,(1)對(duì)細(xì)菌、真菌的影響,城市生活污水的糞便中帶有許多致病菌，如大腸桿菌Escherichia coli。在有機(jī)污染嚴(yán)重的水體中，可看到大量的污水真菌。它們大量繁殖，長(zhǎng)成肉眼可見(jiàn)的、呈灰白、淡黃、微紅、棕色的團(tuán)塊，像地毯似地蓋滿(mǎn)了河流的底部，也可被河水沖刷下來(lái)成團(tuán)塊漂浮在水面

8、。最常見(jiàn)的污水真菌是浮游球衣細(xì)菌Sphaerotilus natans和白色貝氏硫菌Beggiatoa alba。這在造紙廠、纖維廠、制糖廠等排出廢水的河流中經(jīng)常可見(jiàn)。在厭氧的水體中，底部會(huì)因甲烷細(xì)菌的活動(dòng)而產(chǎn)生沼氣，硫化菌也能把硫酸鹽變?yōu)榱蚧?，放出硫化氫。因而在有機(jī)物污染嚴(yán)重的水體中常能聞到令人不愉快的沼氣和硫化氫味。些有害物質(zhì)進(jìn)入水體后，能影響微生物的生長(zhǎng)：破壞水體自?xún)裟芰Α＠鐨⑾x(chóng)劑丹寧和氯丹對(duì)大多數(shù)微生物來(lái)說(shuō)，是生長(zhǎng)、代謝、呼吸的抑止劑。水體中的重金屬對(duì)細(xì)菌也能產(chǎn)生根大的影響。廢水中汞離子濃度增加時(shí)，能降低好氣菌的生長(zhǎng)率，增長(zhǎng)延滯期。水體淤泥內(nèi)的某些細(xì)菌能使各種有機(jī)鉛和無(wú)機(jī)鉛化合物甲

9、基化，從而大大增加了鉛的毒性。銅對(duì)細(xì)菌的影響和鉛很相似。鎘的毒性又次于銅和鉛，在50mgL時(shí)，細(xì)菌種群數(shù)量才減少。鉻對(duì)細(xì)菌的毒性在上述幾中金屬中是最低的。污染的河流中，金屬離子不會(huì)是單一的。已知在含有銅、鉛和鋅的金屬冶煉廢水中，細(xì)菌的活性與這些金屬含量成反比。,.,14,(2)對(duì)藻類(lèi)和高等水生植物的影響,適度的有機(jī)污染能促進(jìn)藻類(lèi)和高等水生植物的生長(zhǎng)，緩解藻類(lèi)和高等植物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)。但是如有過(guò)量的氮和磷，藻類(lèi)會(huì)大量繁殖，甚至產(chǎn)生“水華”，由于藻類(lèi)遮陰影響光線的射人，藻毒素能排斥其他生物，高等水生植物如Elodea、聚草Myriophyllum、黃絲草Potamogeton能因而消亡。氮磷營(yíng)養(yǎng)

10、物質(zhì)的增加，雖能促進(jìn)藻類(lèi)生長(zhǎng)，但是種類(lèi)組成有很大改變。饒欽止等(1980)研究藻類(lèi)隨東湖富營(yíng)養(yǎng)化的過(guò)程而產(chǎn)生的變化，其中重要的標(biāo)志是由以甲藻和硅藻占主要比例演變?yōu)橐运{(lán)藻和綠藻占主要成分。,.,15,工業(yè)污染和化學(xué)毒物對(duì)藻類(lèi)的影響,抑止藻類(lèi)細(xì)胞的光合作用。已知各有機(jī)氯殺蟲(chóng)劑(如毒殺芬、狄氏劑等)和有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑(如倍硫磷等)、重金屬元素(如Cu、Cd、Hg、Pb、Zn等)、煉油廢水等能抑止藻類(lèi)的光合作用。 對(duì)核酸合成和遺傳的影響。已知酚和石油能降低藻類(lèi)細(xì)胞內(nèi)DNA和RNA的濃度，使蛋白質(zhì)合成發(fā)生故障。 對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)攝取的影響。已知除草劑MCPA(2-甲基-4-氯苯氧基乙酸)和MCPB(2-甲基-4-

11、氯苯氧基丁酸)能抑止藻類(lèi)對(duì)磷的攝取，而重金屬(如Pb、Zn、Cu、Cd等)能刺激藻類(lèi)對(duì)磷的攝人。由于不同藻類(lèi)種類(lèi)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攝取能力起了變化，于是藻類(lèi)的組成也相應(yīng)地改變，往往出現(xiàn)藍(lán)藻占優(yōu)勢(shì)。 固氮作用。藍(lán)藻的固氮作用是與藍(lán)藻中異形胞的數(shù)量成正比。有些殺蟲(chóng)劑能使藍(lán)藻異形胞的數(shù)量增加，也就加速了固氮作用。水生態(tài)系統(tǒng)中固氮作用加速、藍(lán)藻生長(zhǎng)旺盛，只會(huì)使水質(zhì)變壞。但有些除草劑卻能降低藍(lán)藻的固氮作用。 顆粒懸浮物質(zhì)使河水混濁、陽(yáng)光不能透入，從而影響藻類(lèi)和高等水生植物的生長(zhǎng)。顆粒大的懸浮質(zhì)能沉在底部，蓋住高等水生植物和水底的藻類(lèi)。,.,16,(3)對(duì)水生無(wú)脊椎動(dòng)物的影響,有機(jī)污染嚴(yán)重的水體中，枝角類(lèi)和橈足

12、類(lèi)幾乎絕跡，輪蟲(chóng)也很少，主要是一些以細(xì)菌為食或腐生性的原生動(dòng)物，尤其是異養(yǎng)性鞭毛蟲(chóng)，如波豆蟲(chóng)Bodo等。水生昆蟲(chóng)和軟體動(dòng)物對(duì)有機(jī)物污染的反應(yīng)十分靈敏，當(dāng)污染嚴(yán)重以致完全缺氧時(shí)，就不能生存；只有雙翅目昆蟲(chóng)中的毛蠓屬Psychoda和Eristalis的幼蟲(chóng)才能生存，因?yàn)樗鼈兪且晕膊康钠鞴俸粑諝庵械难鯕?。僅有少量的氧氣而有機(jī)污染嚴(yán)重的水中，寡毛類(lèi)顫蚓科Tubificidae中的顫蚓屬Tubifex和水絲蚓Limnodrilus不僅能生存，還能大量繁殖以致河底呈一片紅色。雖有有機(jī)物污染，但不乏氧氣的地方搖蚊Chironomus thummi幼蟲(chóng)才能生存，而水虱Asellus aquaticus、軟

13、體動(dòng)物、螞蝗等要生存在溶解氧多而水質(zhì)干凈的水中。惰性的固體物質(zhì)如果沉淀到底部，可以把底棲動(dòng)物蓋住，隨著泥沙的不斷覆蓋和推移，往往使底棲動(dòng)物無(wú)處生長(zhǎng)。,.,17,(4)對(duì)魚(yú)類(lèi)的影響,有機(jī)物污染嚴(yán)重的地區(qū)魚(yú)可因缺氧而致死。熱污染的水中因度過(guò)高使魚(yú)不能耐受而回避，或魚(yú)卵不能發(fā)育孵化。重金屬污染的水中，魚(yú)的呼吸系統(tǒng)受到損傷，鰓絲之間的空隙被含有重金屬的粘液所堵塞，阻礙了鰓絲與水的接觸魚(yú)望息而死。石油污染的水中，雖然我國(guó)的四大家魚(yú)尚能生長(zhǎng)，但由于魚(yú)體積累了大量的石油烴類(lèi)化合物，體表沾染了大量的油污，石油臭味令人厭惡。60年代時(shí)，由于生產(chǎn)農(nóng)藥(對(duì)硫磷、馬拉硫磷、樂(lè)果、六六六等)的廢水未經(jīng)處理直接排人鴨兒湖

14、，以致該湖經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)幾乎絕跡。,.,18,綜上所述，污染對(duì)水生生物的影響可歸納為：,直接危害：如重金屬（Cu、Pb、Hg）、農(nóng)藥，使生物種類(lèi)減少，嚴(yán)重的可造成除細(xì)菌外，別無(wú)其他生物能生存的致死效應(yīng)。 能引起影響光合作用、呼吸作用、生長(zhǎng)、生殖等的亞致死效應(yīng)以及致畸、致癌、致突變，傷害魚(yú)鰓、覆蓋底棲動(dòng)物等。 毒物積累在生物體內(nèi)，通過(guò)食物鏈的作用轉(zhuǎn)移到更高一級(jí)營(yíng)養(yǎng)層次的有機(jī)體內(nèi)，使毒物在生物體內(nèi)的濃度愈來(lái)愈大，甚至轉(zhuǎn)移到人，如汞污染引起人的水俁病。 影響氣體狀況：污水耗氧，放出H2S、NH3、CO2等。,.,19,2生物凈化,天然水體在受到一定程度的污染后，由于自然界物理、化學(xué)及生物等過(guò)程的作用會(huì)使污

15、染的水得到凈化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為水體的自?xún)?。生物凈化在水體自?xún)糁衅鹣喈?dāng)重的作用。生物類(lèi)群通過(guò)代謝作用(同化作用和異化作用)，使進(jìn)入環(huán)境中的污染物質(zhì)無(wú)害化，這個(gè)反饋?zhàn)饔梅Q(chēng)為生物凈化(biological purification)。這是因?yàn)樗懈鞣N生物。主要是微生物，在它的生命活動(dòng)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)吸附、氧化、還原、分解、吸收了某些污染物。在污染物的降解和無(wú)機(jī)化的過(guò)程中，直接或間接地把污染物作為營(yíng)養(yǎng)源既滿(mǎn)足了有機(jī)體自身的原生質(zhì)合成、繁殖及其他生命活動(dòng)等的需要，又使水體得到了凈化。但是水體對(duì)污染物負(fù)載能力是有一定限度的，如果污染物超過(guò)了生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)載能力，生物凈化作用就會(huì)遭到破壞，生態(tài)系統(tǒng)也就失去了原來(lái)的平

16、衡狀態(tài)。,.,20,泰晤士河,污水排人河流時(shí)，對(duì)水生生物的影響有時(shí)可達(dá)數(shù)百公里之遠(yuǎn)，才能恢復(fù)。恢復(fù)的標(biāo)志主要看種類(lèi)是否恢復(fù)到與污染前或污染源上游相近的生物群落組成，也就是完成了河流的自?xún)糇饔?。如果超過(guò)了河流自?xún)裟芰Γ妥兂伤篮?。人?lèi)歷史上是有教訓(xùn)的如英國(guó)倫敦的泰晤士河。在19世紀(jì)時(shí)由于人口增多，工業(yè)污染嚴(yán)重，使這條本來(lái)十分干凈的河變成骯臟不堪的臭河，幾次發(fā)生過(guò)霍亂，約有4萬(wàn)人死亡。本世紀(jì)50年代中期這條河從生物學(xué)的角度上說(shuō)是“死亡”了，它的含氧量為零。從1964年開(kāi)始大規(guī)模治理河流，建立了453個(gè)污水處理廠，經(jīng)20年的治理，變污水為清潔的、符合衛(wèi)生標(biāo)誰(shuí)的飲用水了?，F(xiàn)在水中氧的飽和度達(dá)98，適宜

17、于一百多種魚(yú)類(lèi)的生存。1984年一只海豹沿此河逆流而上，以吞食河魚(yú)為生：這是150年來(lái)人們首次看到海豹又活躍在泰士河道上。,.,21,生態(tài)服務(wù)(ecological service),因此，現(xiàn)在提出了一種全新的概念，即生態(tài)服務(wù)(ecological service)，或稱(chēng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(ecosystem service)(Caims, l997)，它是指自然生態(tài)系統(tǒng)，其中包括這個(gè)系統(tǒng)中的生物，對(duì)人類(lèi)提供了有一定限度的生存條件，并服務(wù)于人類(lèi)。從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來(lái)看，它是有價(jià)的服務(wù)，已估計(jì)出地球上一切產(chǎn)品和服務(wù)的價(jià)值大約為30萬(wàn)億美元。英國(guó)泰晤士河提供了一個(gè)很好的例子，恢復(fù)泰晤士河的水質(zhì)所投入的資金也許比

18、當(dāng)時(shí)利用這條河流發(fā)展經(jīng)濟(jì)的收益還要高。因此，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)必需要考慮環(huán)境的保護(hù)。否則，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展就有個(gè)得不償失的問(wèn)題。,.,22,第二節(jié) 生物降解和生物積累,污染物進(jìn)入水生態(tài)系統(tǒng)后，直接和間接地接觸各類(lèi)水生生物，產(chǎn)達(dá)生物降解和生物積累的過(guò)程。,.,23,一、生物降解,凡生態(tài)系統(tǒng)中的生物能對(duì)天然的和合成的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行破壞和礦化作用的過(guò)程，稱(chēng)之為生物降解(biodegradation)。污染物的生物降解主要是指微生物，其他水生生物也有微弱的降解作用。,.,24,1. 微生物的降解,自然界中所有的有機(jī)物質(zhì)都能被微生物降解因而地球生物圈內(nèi)元素循環(huán)恒久不 息。從理論上說(shuō)沒(méi)有什么東西是微生物不能分解的，

19、這是因?yàn)槲⑸镉袃蓚€(gè)專(zhuān)性。一是對(duì)基質(zhì)的專(zhuān)一性，例如分解蛋白質(zhì)的總是腐敗細(xì)菌，分解纖維的總是纖維素分解菌，微生物對(duì)一定的基質(zhì)有特別的趨向性。二是有高度的化學(xué)專(zhuān)性，例如鐮刀菌比較喜歡氧化12-碳原子。,.,25,PCB,對(duì)高分子的合成物就需要幾種、乃至幾十種酶的聯(lián)合作用才能降解完畢，例如分解甲苯就要十幾種曲。農(nóng)藥多氯聯(lián)苯(po1ychlorinated bipheny1，簡(jiǎn)寫(xiě)為PCB,俗名殺草敏)開(kāi)始細(xì)菌無(wú)法分解，后來(lái)發(fā)現(xiàn)可利用細(xì)菌在功能上的專(zhuān)性，聯(lián)合起來(lái)就可以降解它。篩選和培養(yǎng)出一種菌株可以把四氯聯(lián)苯拆開(kāi)，另一種菌株把拆開(kāi)了的四氯苯甲酸進(jìn)行分解，這是因?yàn)檫@兩種菌株各有各的質(zhì)粒。于是把兩類(lèi)細(xì)菌混合

20、培養(yǎng)，兩種質(zhì)?；ハ嗥春希a(chǎn)生了降解新污染物的質(zhì)粒，并且可以遺傳下來(lái)這樣就獲得了能同時(shí)拆開(kāi)和分解四氯聯(lián)苯的新菌株、為降解人造合成污染物提供了新的途徑。,.,26,2水生生物的降解,一般認(rèn)為比起微生物的降解作用來(lái)說(shuō)，其他水生生物的降解作用即使有效能的話，也是微不足道的。前蘇聯(lián)烏克蘭加盟共和國(guó)科學(xué)院膠體化學(xué)和水化學(xué)研究所水凈化微生 物學(xué)研究室的研究人員比較了細(xì)菌和藻類(lèi)粉核小球藻(Chlorella pyrenoidosa對(duì)十二烷基磺酸鈉的降解活力，當(dāng)十二烷基磺酸鈉濃度在50和100mg/L時(shí)，小球藻要花8晝夜才能降解它，而細(xì)菌則在該化學(xué)品濃度為500和600mg/L時(shí)，在18小時(shí)就可降解完畢。由此證

21、明藻類(lèi)的降解活力比細(xì)菌要低得多。大量研究表明水生植物對(duì)多種污染物質(zhì)、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素有很強(qiáng)的吸收和利用能力。對(duì)有毒物質(zhì)如含酚廢水也有很強(qiáng)的吸收、分解、凈化能力(表131)。對(duì)重金屬Hg、Pb、Cd、Cu、As、Cr等有很強(qiáng)的富集能力。除了水生植物能直接吸收污染物達(dá)到凈化外，其根系的微生物作用也是不可低估的。,.,27,二、生物積累,污染物進(jìn)入環(huán)境后，不論它最初是分布于大氣還是陸地，最后大部分將通過(guò)各種途徑，如降雨、地表徑流、水土流失等進(jìn)人水生態(tài)系統(tǒng)江、湖、河、海，直接或間接地接觸各種水生生物。污染物能對(duì)水生生物產(chǎn)生各種影響，首先就是水生生物能攝取污染物。攝取有兩個(gè)途徑吸附(adsorption

22、)和吸收(absorption)。前者是指污染物被大量地被吸附在生物體的表面，后者是指污染物被吸人體內(nèi)。吸附和吸收可以有先后之分，也可以各行其是。污染物進(jìn)入生物體內(nèi)，隨著新陳代謝活動(dòng)而分布全身或積累于體內(nèi)，或排出體外。這就是污染物在水生生物中的行為，這種行為不會(huì)是均等的，隨生物本身和外界環(huán)境而有變異。,.,28,生物積累(bioaccumulation),生物通過(guò)吸附、吸收、吞食等各種過(guò)程，從周?chē)h(huán)境中攝入污染物并滯留在體內(nèi)，當(dāng)攝人量超過(guò)消除量時(shí)，污染物在生物體內(nèi)的濃度可比周?chē)械臐舛雀咴S多倍，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為生物積累(bioaccumulation)或生物學(xué)積累(biological acc

23、umulation)。生物積累可包括兩個(gè)過(guò)程：生物濃縮(bioconcentration)，這是指有機(jī)體直接從水中攝取污染物；生物放大(biomagnification)，這是指有機(jī)物通過(guò)食物鏈從水中攝取污染物。這兩個(gè)過(guò)程可以分開(kāi)測(cè)定。前者可用生物濃縮因子(bioconcentration factors簡(jiǎn)寫(xiě)B(tài)CF)來(lái)表示，即最后的或平衡的組織中污染物濃度與周?chē)械奈廴疚餄舛戎菳CF最終組織中污染物濃度/水中污染物濃度。也有人把生物濃縮因子稱(chēng)為濃縮因子、濃縮系數(shù)。,.,29,影響B(tài)CF值的因素,影響濃縮因子BCF值的一個(gè)很重要的因素，就是污染物的化學(xué)特性，尤其是它的持久性(persista

24、nce)和親油性(1ipophilicity)，目前正在尋求n-辛醇/水的分配系數(shù)(partition coefficient)與BCF之間的關(guān)系。后者生物放大可用放射性同位素標(biāo)記化學(xué)物后，追蹤其在食物鏈各營(yíng)養(yǎng)級(jí)中轉(zhuǎn)移的過(guò)程。例如在試驗(yàn)系統(tǒng)中有初級(jí)生產(chǎn)者藻類(lèi)和次級(jí)生產(chǎn)者枝角類(lèi)和魚(yú)，比較每營(yíng)養(yǎng)級(jí)組織內(nèi)含該化學(xué)物的濃度。一般說(shuō)來(lái)，通過(guò)食物鏈的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物體內(nèi)污染物的增加，也就是污染物的生物學(xué)放大。但是也有相反的現(xiàn)象，有些在較高食物鏈位置上的動(dòng)物反而有減少積累的趨勢(shì)。,.,30,進(jìn)入生物體內(nèi)的污染物,進(jìn)入生物體內(nèi)的污染物，部分殘留在體內(nèi)，也有一部分立即從體內(nèi)徘出，殘留于 體內(nèi)的污染物在一

25、定條件下也會(huì)逐漸消除(elimination)。消除的途徑有：排泄，通過(guò)排泄器官排出體外；排遺，隨糞便排出；分泌，如分泌粘液，乳汁等；解毒，通過(guò)酶的作用使許多有毒化合物轉(zhuǎn)化為低毒或無(wú)毒化合物；其他生理過(guò)程，如甲殼動(dòng)物的蛻殼，昆蟲(chóng)的蛻皮均可消除殘毒物。消除的速度常用生物學(xué)半衰期(biological halflife)來(lái)表示，它是指組織內(nèi)污染物的濃度下降到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的一半濃度所需的時(shí)間，一般地把含有污染物殘留量(處于穩(wěn)定狀態(tài)下)的生物轉(zhuǎn)移到干凈的水中測(cè)定其消除的速度。,.,31,生物積累的重要性,在評(píng)價(jià)污染物的危害性時(shí)，生物積累的測(cè)定是對(duì)慢性毒性試驗(yàn)的重要補(bǔ)充。通過(guò)殘留量的測(cè)定，可以判斷該化學(xué)物

26、質(zhì)的生物效應(yīng)強(qiáng)度。測(cè)定生物半定期后，可以知道該化 學(xué)物質(zhì)的生物效應(yīng)持久程度。它們是公害評(píng)價(jià)中不可缺少的論據(jù)。,.,32,第三節(jié) 水污染的生物處理,一、廢水處理是水資源保護(hù)的關(guān)鍵 二、生物處理的基本原理 三、廢水生物處理的方法,.,33,廢水處理與水資源保護(hù),水作為一種資源，并不是取之不盡，用之不竭的。我國(guó)水資源數(shù)量有限。通過(guò)對(duì)廢(污)水的處理，不僅可以回收其他有用的物質(zhì)和凈化環(huán)境還可以做到一水多用，重復(fù)使用，以減輕水危機(jī)的壓力。 目前我國(guó)處理廢(污)水的能力僅為排放量的十分之一左右?，F(xiàn)有污水處理工程設(shè)施，不僅數(shù)量少，而且規(guī)模小，技術(shù)落后，有的處理效果也不見(jiàn)得好。 我國(guó)處理廢水的標(biāo)準(zhǔn)是以達(dá)到排放

27、標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)。且不談現(xiàn)用的排放標(biāo)準(zhǔn)是否有充分的科學(xué)依據(jù)。從總體的觀點(diǎn)來(lái)考慮，它對(duì)排入受納系統(tǒng)的污染物總量沒(méi)有起到控制作用。例如，一個(gè)工廠排的廢水達(dá)到了國(guó)家允許排放的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)某條河流沒(méi)有危害，那么幾十個(gè)、幾百個(gè)工廠都按此標(biāo)準(zhǔn)排放，廢水的量增大了幾十甚至幾百倍，超過(guò)了河流自?xún)舻呢?fù)荷量，能對(duì)此河流不造成嚴(yán)重的污染嗎?這樣簡(jiǎn)單的道理是不能視而不見(jiàn)的。因此工廠廢水處理一定要和受納水體的自?xún)裟芰Y(jié)合起來(lái)。,.,34,二、生物處理的基本原理,一般常用初級(jí)、二級(jí)、三級(jí)處理來(lái)表示廢水處理的程度。初級(jí)處理用于去除懸浮固體與漂浮物質(zhì)，常用格篩、沉淀、浮選的方法；有時(shí)，還伴之以中和均衡處理。然后進(jìn)入二級(jí)處理或受納水體

28、。二級(jí)處理即生物處理。三級(jí)處理，亦稱(chēng)高級(jí)處理，它要求更高的出水質(zhì)量，即去除在二級(jí)處理中未能去除的污染物，它包括溶解性的磷、氮化合物、帶色、味、氣的有機(jī)物、細(xì)菌、病毒、膠狀物、可溶性的礦物質(zhì)。目的或是為了使處理的水能重復(fù)使用，或是為了使受納水系不致遭到污染。 生物處理的原理基于水體自?xún)糇饔茫⒂萌斯さ臈l件加以強(qiáng)化。將水體自?xún)暨@一基本原理應(yīng)用到廢水處理中去，利用處理裝置創(chuàng)造有利于生物凈化的條件，在空間上和時(shí)間上強(qiáng)化河流自?xún)舻乃俣?，使天然的河流白凈機(jī)制在工廠中實(shí)現(xiàn)。,.,35,三、廢水生物處理的方法,生物處理可劃分為好氧處理和厭氧處理。好氧處理有活性污泥法、生物濾池和生物 轉(zhuǎn)盤(pán)。厭氧處理有甲烷發(fā)酵法

29、。兩者具備的有氧化塘法。,.,36,第四節(jié) 生物學(xué)監(jiān)測(cè),一、生物學(xué)監(jiān)測(cè)的意義和任務(wù) 二、用生態(tài)學(xué)方法進(jìn)行生物學(xué)監(jiān)測(cè) 三、用毒理學(xué)方法進(jìn)行生物學(xué)監(jiān)測(cè) 四、公害評(píng)價(jià)的基本原理,.,37,一、生物學(xué)監(jiān)測(cè)的意義和任務(wù),環(huán)境保護(hù)的目的是為了保護(hù)人類(lèi)和人類(lèi)所賴(lài)以生存的環(huán)境空氣、水、動(dòng)植物。通常用監(jiān)測(cè)的方法達(dá)到環(huán)境保護(hù)的目的，以確保事先建立的質(zhì)量控制條件能付之實(shí)現(xiàn)。過(guò)去十分強(qiáng)調(diào)物理監(jiān)測(cè)和化學(xué)監(jiān)測(cè)，對(duì)生物監(jiān)測(cè)不夠重視。殊不知理化監(jiān)測(cè)的方法即使技術(shù)先進(jìn)，所設(shè)計(jì)的精密儀器也只能測(cè)出毒物的濃度，它無(wú)法測(cè)出它的毒性強(qiáng)度。毒性的強(qiáng)弱只能通過(guò)生物監(jiān)測(cè)的方法才能獲得。但是生物監(jiān)測(cè)不能鑒別是哪種特殊毒物所引起的反應(yīng)，而只能指

30、示有害物質(zhì)的存在。因此必須和理化監(jiān)測(cè)結(jié)合起來(lái)，才能互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，真正達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。,.,38,生物監(jiān)測(cè)的定義,生物監(jiān)測(cè)是系統(tǒng)地利用生物反應(yīng)以評(píng)價(jià)環(huán)境的變化，并把它的信息應(yīng)用于環(huán)境質(zhì)量控制的程序中去。從生物學(xué)組建水平(hierarchical levels of biological organization) 觀點(diǎn)出發(fā)，各級(jí)水平上都可以有反應(yīng)，但是重點(diǎn)應(yīng)放在生態(tài)系統(tǒng)級(jí)的生物反應(yīng)上。因?yàn)樯鷳B(tài)系能反應(yīng)出生物與生物、生物與非生物因子之間的相互關(guān)系。,.,39,生物學(xué)監(jiān)測(cè)的目的,生物學(xué)監(jiān)測(cè)的目的是希望在有害物質(zhì)還未達(dá)到受納系統(tǒng)之前，在工廠或現(xiàn)場(chǎng)就以最 快的速度把它監(jiān)側(cè)出來(lái)，以免破壞受納系統(tǒng)的生態(tài)

31、平衡；或是能偵察出潛在的毒性，以免釀成更大的公害。如果有毒物質(zhì)已經(jīng)溢流到受納系統(tǒng)，造成魚(yú)、蝦等經(jīng)濟(jì)生物大批死亡，這時(shí)再去進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)已經(jīng)太晚，故而，我們應(yīng)當(dāng)把重點(diǎn)放在野外的水污染生物學(xué)監(jiān)測(cè)。其理由是：有機(jī)體對(duì)各種毒物的反應(yīng)常常被受納系統(tǒng)水中的理、化性質(zhì)所緩和或加強(qiáng)，這樣就會(huì)改變毒物的毒性；還有可能是毒物和其他排放的廢水起相互作用，也會(huì)明顯改變毒物的毒性。這樣，就會(huì)從根本上改變有機(jī)體在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)純污染物質(zhì)所作出的毒性反應(yīng)。直接的野外監(jiān)測(cè)可克服上述缺陷。,.,40,生物學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的任務(wù)和要求,(1)在致死物質(zhì)溢流(spill)還未進(jìn)入受納系統(tǒng)(江、湖、河、海)之前，就被偵察出來(lái)。 (2)監(jiān)測(cè)生物

32、有廣泛的代表性，不會(huì)因?yàn)樗鼘?duì)某種特殊毒物有很高的忍受力，以致沒(méi)有把這種毒物偵察出來(lái)而通過(guò)了，但是對(duì)受納系統(tǒng)中的其他生物群落卻是有害的。 (3)能達(dá)到和理、化監(jiān)測(cè)相同的結(jié)果，并且成本低，效率高。 (4)生物監(jiān)測(cè)雖不能鑒別是哪種特殊毒物引起的反應(yīng)，而只能提出有害物質(zhì)的出現(xiàn)。但如能和理化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，就可以鑒別是何種毒物引起的急性反應(yīng)。 (5)生物監(jiān)測(cè)中不會(huì)出現(xiàn)假信號(hào)以致造成判斷上的失誤。 (6)在監(jiān)測(cè)每個(gè)受納系統(tǒng)時(shí)，生物監(jiān)測(cè)都能應(yīng)用當(dāng)?shù)氐纳铩?(7)在工廠內(nèi)的生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能偵察出致死的或長(zhǎng)效的物質(zhì)溢流，操作簡(jiǎn)便。,.,41,二、用生態(tài)學(xué)方法進(jìn)行生物學(xué)監(jiān)測(cè),1指示種類(lèi)階段 2群落結(jié)構(gòu)階段 3群

33、落功能階段,.,42,1指示種類(lèi)階段,Kolkwitz 和Marrson (1909)首次提出污染系統(tǒng)和河流不同污染帶(寡污帶、-中污帶、-中污帶、多污帶)的指示生物種類(lèi)。他們的出發(fā)點(diǎn)是每個(gè)種類(lèi)都對(duì)環(huán)境有特殊的要求，只有當(dāng)水體中存在這些環(huán)境條件的前提下，這個(gè)種類(lèi)才能生存。他們總結(jié)了河流有機(jī)物污染的自?xún)暨^(guò)程，把自?xún)暨^(guò)程劃分為4個(gè)污染帶，每帶中提出有代表性的生物種類(lèi)(包括藻類(lèi)、原生動(dòng)物、輪蟲(chóng)、甲殼動(dòng)物、底棲動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)等，細(xì)菌以數(shù)量多少來(lái)劃分)，稱(chēng)之為污水生物系統(tǒng)(saprobic system)。 此后，許多研究者（Patrick 1949; Liebmann 1995; Fjerdingstad

34、 1964; Sladecek 1973）對(duì)此污水系統(tǒng)進(jìn)行修改和補(bǔ)充，提出各種污染帶中更為詳細(xì)的指示生物名錄。其出發(fā)點(diǎn)認(rèn)為可根據(jù)對(duì)環(huán)境變化敏感的某些生物種類(lèi)的存在或缺失來(lái)指示環(huán)境質(zhì)量。事實(shí)上沒(méi)有一個(gè)種類(lèi)對(duì)不同污染物的敏感度和耐受度都是一致的。工業(yè)廢水中污染物品種繁多，而且往往是混合的，更難確認(rèn)每個(gè)種類(lèi)對(duì)它的反映。某一種類(lèi)的存在至少說(shuō)明已有生存的起碼條件。但是要說(shuō)明該種類(lèi)不存在的理由時(shí)就很困難。分辨不清是環(huán)境不合適還是因?yàn)闆](méi)有機(jī)會(huì)生存，或是因?yàn)橛信c之競(jìng)爭(zhēng)的種類(lèi)。也就難以弄清是受天然條件的排斥，還是受污染物壓迫的排斥。有人想改正污染系統(tǒng)指示生物的這些缺點(diǎn)，但因?yàn)閷?duì)各種類(lèi)的環(huán)境要求，它們對(duì)各種毒物的

35、忍受性這方面的知識(shí)很不足，故限制了污染系統(tǒng)指示生物的預(yù)報(bào)能力但是一些特殊性的種類(lèi)能對(duì)特殊的毒物有反應(yīng)這類(lèi)工作仍然是很有價(jià)值的。,.,43,2群落結(jié)構(gòu)階段-1,第二階段發(fā)展為用群落結(jié)構(gòu)來(lái)評(píng)定水質(zhì)。個(gè)體、種群、群落三級(jí)是生態(tài)的一個(gè)連續(xù)發(fā)展系統(tǒng)，由低級(jí)發(fā)展為高級(jí)。對(duì)水生生物單種個(gè)體的生理、生態(tài)和毒理研究都是十分必要，但它是在實(shí)驗(yàn)室的單純而穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行的結(jié)果，故缺少天然的有機(jī)聯(lián)系。即使對(duì)某一種類(lèi)的生物學(xué)有了全面的了解，亦仍然不能預(yù)報(bào)與這種類(lèi)結(jié)合在一起的生物群落的影響。作為常規(guī)的方法，對(duì)具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的種類(lèi)只能用生活史中的某個(gè)階段為試驗(yàn)材料。同一種魚(yú)，其大小、年齡、不同發(fā)育階段、個(gè)體差異對(duì)同一化學(xué)毒物

36、有不同的反應(yīng)。于是就逐漸發(fā)展為用種群評(píng)價(jià)水質(zhì)。用魚(yú)類(lèi)種群進(jìn)行生物測(cè)試或作為監(jiān)測(cè)生物在取材方面是太困難了。為了解魚(yú)類(lèi)種群的生長(zhǎng)情況，就要求大量的個(gè)體，而過(guò)度的捕魚(yú)其本身也是對(duì)天然群落的一種干擾。,.,44,群落結(jié)構(gòu)階段-2,可用低等的微型生物種群進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如用小球藻、梨形四膜蟲(chóng)、草履蟲(chóng)的純種培養(yǎng)為材料，進(jìn)行生物測(cè)試。測(cè)定該種群半存活率的毒物濃度，或測(cè)定廢水引起該種群半存活率的時(shí)間。種群級(jí)測(cè)定比起個(gè)體級(jí)測(cè)定已是發(fā)展了一步，但畢竟在不同的種類(lèi)中，種群級(jí)的反應(yīng)也各不相同。用幾個(gè)種群的反應(yīng)來(lái)評(píng)定污染脅迫對(duì)群落的結(jié)構(gòu)和功能的影響，還是不足的。如果把目標(biāo)直接對(duì)準(zhǔn)微型生物的群落，這些微型生物對(duì)較高等的水生生物

37、有很大的影響，通過(guò)它又影響整個(gè)水生生物群落。最初應(yīng)用種類(lèi)的多樣性指數(shù)來(lái)揭示群落的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。多樣性指數(shù)是反映群落中的種類(lèi)數(shù)和豐度的關(guān)系。污染或其他環(huán)境脅迫能使多樣性指數(shù)下降。因?yàn)槿郝鋵?duì)污染脅迫的反應(yīng)首先是減低了群落的復(fù)合性。伴隨著種數(shù)減低，種群的密度也起變化。在未受污染脅迫的正常群落中，種類(lèi)數(shù)多而個(gè)體數(shù)的幅度相當(dāng)窄(圖131a)。隨著污染脅迫的增加，種類(lèi)數(shù)下降，同時(shí)發(fā)生少數(shù)種類(lèi)的個(gè)體數(shù)增加、幅度變寬(圖131b)。如果脅迫再不斷增加，大多數(shù)種類(lèi)都受到影響甚至消失，密度也下降(圖131c)。即使在極端污染的情況下，完全沒(méi)有藻類(lèi)和原生動(dòng)物的可能性還是很少的。藻類(lèi)和原生動(dòng)物能占領(lǐng)十分不同的生態(tài)位。有些

38、化學(xué)毒物幾乎達(dá)到殺菌的條件，還能發(fā)現(xiàn)某些特別的原生動(dòng)物和藻類(lèi)可以入侵并忍受。這就是群落結(jié)構(gòu)的變化。,.,45,異養(yǎng)性指數(shù)(HI，也可用自養(yǎng)性指數(shù)AI表示),異養(yǎng)性指數(shù)(HI，也可用自養(yǎng)性指數(shù)AI表示)是對(duì)生物群落進(jìn)行生化分析而得出的指數(shù)。一般認(rèn)為在干凈水體中以自養(yǎng)性生物占優(yōu)勢(shì)，在污染水體中以異養(yǎng)性生物占優(yōu)勢(shì)。公式為：HIBATP(mg/L)/葉綠素a(mg/L)，BATP(mg/L)ATPg/L/2400這個(gè)公式是根據(jù)1mg干重有機(jī)物中有2.4g ATP，把用ATP光度計(jì)測(cè)得的量(g/L)除以2400，即可估算出有多少干重的有機(jī)物(mg/L)。因?yàn)锳TP只存在于有生命的細(xì)胞中，用ATP來(lái)代表活

39、的生物量。其理由是所有的動(dòng)、植物細(xì)胞均含ATP；ATP和細(xì)胞有機(jī)碳之比例相對(duì)穩(wěn)定；在死的細(xì)胞中無(wú)ATP；在環(huán)境正常波動(dòng)下ATP在細(xì)胞內(nèi)的含量不會(huì)改變很大；在不同的生長(zhǎng)期，ATP不會(huì)有明顯的偏離；在以細(xì)胞有機(jī)碳和ATP之比例穩(wěn)定的基礎(chǔ)上估計(jì)的生物量，要比測(cè)總的有機(jī)碳更為合理。ATP包括自養(yǎng)性和異養(yǎng)性的生物。葉綠素a是代表自養(yǎng)性的生物，所得的指數(shù)應(yīng)當(dāng)是異養(yǎng)性指數(shù)，故我們稱(chēng)之為Heterotrophy Index(簡(jiǎn)稱(chēng)HI)。HI(或AI)高，表示有污染。但是，群落結(jié)構(gòu)變化不是總能和生態(tài)系統(tǒng)中其他變化聯(lián)系的。為了了解整個(gè)生態(tài)系對(duì)脅迫的反應(yīng)，必須要有結(jié)構(gòu)和功能變化的信息。之所以至今仍在用群落結(jié)構(gòu)參數(shù)，

40、其原因是結(jié)構(gòu)參數(shù)已有傳統(tǒng)的方法，故容易和其他已出版的資料進(jìn)行比較。而功能參數(shù)的方法還在初試階段，技術(shù)亦未規(guī)范化，積累的資料少，只對(duì)末受干擾的生態(tài)系中有較多的研究。,.,46,3群落功能階段,第三階段是用群落的功能來(lái)評(píng)定水質(zhì)。為了建立水體監(jiān)測(cè)有用的標(biāo)難，必須了解正 常情況下群落結(jié)構(gòu)和功能變化的機(jī)制。如果一個(gè)河、湖被污染，我們可以用群落結(jié)構(gòu)上的變化來(lái)偵察其污染程度。然而我們還不能完全理解維持群落結(jié)構(gòu)的單元間的相互作 用，也即整個(gè)群落的機(jī)制。群落的結(jié)構(gòu)反映出種類(lèi)和數(shù)量的差別，群落的功能反映出它們的生命活動(dòng)。因此結(jié)構(gòu)與功能兩者不可分割。在水體中常用的功能參數(shù)有光合作用速 度、呼吸速度、繁殖率、代謝率、

41、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)速度、濾食速度、群集速度等。,.,47,對(duì)生態(tài)系脅迫的結(jié)構(gòu)功能反應(yīng),從理論上說(shuō)，對(duì)生態(tài)系脅迫的結(jié)構(gòu)功能反應(yīng)有三種基本類(lèi)型。 (1)結(jié)構(gòu)改變沒(méi)有伴隨功能改變 例如有些種類(lèi)消失了，但一定的群落功能沒(méi)有消失，因?yàn)榇婊畹姆N類(lèi)能夠履行消失種類(lèi)同樣的功能。 (2)功能改變而結(jié)構(gòu)不變 例如在亞致死脅迫效應(yīng)中，群落的生命活動(dòng)(如呼吸作用)有變化，但群落的結(jié)構(gòu)是完整的。 (3)結(jié)構(gòu)與功能兩者都變 其前提是結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系密切，因此可以從結(jié)構(gòu)信息 來(lái)預(yù)報(bào)功能信息。如果結(jié)構(gòu)的復(fù)合性下降(如減少種數(shù)或多樣性指數(shù))，同時(shí)就引起功能復(fù)合性的下降(減少了能量或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移的通途)。,.,48,PFUf法,由于生態(tài)

42、系的自動(dòng)平衡機(jī)制(homeostatic machanism)之故，結(jié)構(gòu)與功能所受的影響可能是不同的。結(jié)構(gòu)與功能對(duì)環(huán)境變化的反應(yīng)也不會(huì)是一致的。就功能本身而言，對(duì)環(huán)境的反應(yīng)比較一致，很少變異。故環(huán)境只要有一點(diǎn)變化，功能即可作出反應(yīng)，可以測(cè)出統(tǒng)計(jì)學(xué)上比較正確可靠的數(shù)據(jù)，可以十分成功地鑒別干擾。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行某項(xiàng)分析時(shí)，其變異性較大，要分析更多的樣品，才能得到和功能分析相同的顯著性差異。 在我國(guó)首次通過(guò)的水質(zhì)微型生物群落監(jiān)測(cè)PFUf法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T1299091)是群落級(jí)的生物監(jiān)測(cè)方法。這個(gè)方法之所以被國(guó)家環(huán)保局采納為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗苓_(dá)到和理、化監(jiān)測(cè)相同的結(jié)果，并且具有經(jīng)濟(jì)、快速、正確的優(yōu)點(diǎn)。在

43、一項(xiàng)由加拿大國(guó)際發(fā)展研究中心(IDRC)資助的國(guó)際合作項(xiàng)目中表明了PFU法在漢江的污染監(jiān)測(cè)中所采用的微型生物群落的4個(gè)參數(shù)(原生動(dòng)物種數(shù)、植物性鞭毛蟲(chóng)的百分比、多樣性指數(shù)、異養(yǎng)性指數(shù))均與化學(xué)綜合污染指數(shù)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上呈顯著性相關(guān)(沈韞芬等1995)。,.,49,三、用毒理學(xué)方法進(jìn)行生物學(xué)監(jiān)測(cè),鑒于一切污染物毒性的強(qiáng)弱必需通過(guò)生物監(jiān)測(cè)才能獲得。生物監(jiān)測(cè)必需將室內(nèi)毒性試驗(yàn)和野外生物監(jiān)測(cè)結(jié)合，才能達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。,.,50,(一)毒性試驗(yàn),生物監(jiān)測(cè)最常采用的一種形式是生物測(cè)試(bioassay)，現(xiàn)常稱(chēng)為毒性試驗(yàn)(toxicity test)，它是指某種污染物毒性的強(qiáng)度是由活的有機(jī)體對(duì)它的反應(yīng)如何

44、而決定的一種試驗(yàn)，可分為急性、慢性毒性試驗(yàn)和生物積累試驗(yàn)等。,.,51,1急性毒性試驗(yàn)（acute toxicity test）,測(cè)定一種毒物在不同濃度時(shí)，在24、48、96小時(shí)期間內(nèi)的相對(duì)致死性。試驗(yàn)的設(shè)計(jì)是為了得出該毒物在限定時(shí)間內(nèi)能影響一定百分比(例如50)受試生物個(gè)體死亡的最高濃度，也即是臨界濃度。受試生物曝露在分等級(jí)的、按對(duì)數(shù)系列的廢物濃度中再觀察生物對(duì)它的反應(yīng)如何，常用死亡率或功能損傷(在無(wú)法判斷死亡率的情況下例如在螺的試驗(yàn)中，就采用貼在水槽壁上的螺有多少掉落下來(lái)，以表示損傷)來(lái)表示對(duì)毒物的反應(yīng)，并要求對(duì)照組中受試生物的反應(yīng)要10，毒性試驗(yàn)才有效。在用死亡率時(shí)，用致死濃度(leth

45、al concentration, LC)來(lái)表示，指在限定時(shí)間內(nèi)對(duì)種群的一定比例所產(chǎn)生的致死效應(yīng)。48hLC50是指48小時(shí)內(nèi)對(duì)種群中50的個(gè)體產(chǎn)生致死效應(yīng)的濃度。,.,52,劑量反應(yīng)曲線,與LC50相似的涵義的詞匯還有漸近半致死濃度(asymptotic LC50)，致死閾濃度 (1ethal threshold concentration)，初始致死濃度(incipient lethal concentration)。如果毒物的濃度橫坐標(biāo)用以log10來(lái)表示，死亡率的縱坐標(biāo)用來(lái)表示，就可以得到一條理想的劑量反應(yīng)曲線dose-response curve)(圖13.2a)，這個(gè)圖形是累加的正

46、態(tài)分布，它描述了在一個(gè)受試生物的種群中，在低濃度毒物中只有少數(shù)個(gè)體無(wú)法忍受而致死，在高濃度毒物中只有少數(shù)個(gè)體能忍受而存活，而在中濃度毒物中，大多數(shù)個(gè)體都死亡。如果橫坐標(biāo)的度量不變，死亡率的縱坐標(biāo)用概率單位(probit scale)來(lái)表示，則上述的劑量反應(yīng)曲線就變成直線相關(guān)，稱(chēng)為劑量反應(yīng)線(dose-response line)(圖13.2b)。這條直線也可稱(chēng)之為對(duì)數(shù)概率-模式(log-probit model)，并可從此直線用內(nèi)插法求出半致死濃度LC50。如果進(jìn)行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用對(duì)數(shù)-概率畫(huà)出來(lái)的線不是直線，說(shuō)明它不呈正態(tài)分布從這些數(shù)據(jù)中計(jì)算的LC50是沒(méi)有意義的，要尋找技術(shù)上的原因。在獲得了劑

47、量反應(yīng)曲線以后，還要考慮時(shí)間劑量的相互作用(time-dose interaction)。死亡率決定于毒物濃度和曝露時(shí)間的長(zhǎng)短，有機(jī)體通常能忍受短期的大劑量和隨時(shí)間遞增而逐步地忍受小劑量。在較長(zhǎng)期的曝露后，能對(duì)毒性產(chǎn)生延遲效應(yīng)(lag effect)。,.,53,LC50,LC50不是一種對(duì)毒性的絕對(duì)的、定量的描述，它只是說(shuō)明了種群在一定時(shí)間、一定環(huán)境下對(duì)毒物的反應(yīng)幅度。如果用同一種受試生物，相對(duì)不同廢水進(jìn)行試驗(yàn)，就會(huì)有不同的LC50。如果用不同種類(lèi)的生物對(duì)同一種廢水進(jìn)行試驗(yàn)，也會(huì)有不同的LC50。因此獲得的毒性也是相對(duì)的，受試生物的敏感性也是相對(duì)的。,.,54,2慢性毒性試驗(yàn),有些毒物在長(zhǎng)期

48、低濃度時(shí)也能積累毒性，從而引起長(zhǎng)期效應(yīng)，巳用般毒性試驗(yàn)方法是無(wú)法偵察的，這時(shí)須采用慢性毒性試驗(yàn)(chronic toxicity)的方法，也稱(chēng)長(zhǎng)期的、亞致死毒性試驗(yàn)(long-term sublethal toxicity test)。慢性毒性試驗(yàn)是為了取得各種濃度的毒物對(duì)機(jī)體的生存、生長(zhǎng)、繁殖過(guò)程能產(chǎn)生什么效應(yīng)的種試驗(yàn)。它的測(cè)試項(xiàng)目很多，典型的包括測(cè)量生長(zhǎng)(體長(zhǎng)和體重)、存活時(shí)間、幼體產(chǎn)生的數(shù)量、孵化過(guò)程、畸變的類(lèi)型和百分比等，這些測(cè)定都是曝露在不同濃度下進(jìn)行的，試驗(yàn)的時(shí)間根據(jù)受試生物而異，對(duì)藻類(lèi)和原生動(dòng)物是幾小時(shí)至幾天，對(duì)小的無(wú)脊椎動(dòng)物是幾星期，對(duì)大的元脊椎動(dòng)物和魚(yú)是幾個(gè)月乃至一年以上。它

49、可以包括完整的生活史(卵下一代卵)，部分生活史(胚胎幼體)，或是生命史(卵死亡)中的一部分和整體，以估計(jì)對(duì)繁殖、生長(zhǎng)、發(fā)育的效應(yīng)。,.,55,3. 生物積累試驗(yàn),生物積累是指某些毒物的濃度在生物組織內(nèi)可積累到比周?chē)w的毒物濃度高出許 多倍。生物積累至少包括兩個(gè)過(guò)程：生物濃縮；生物放大。生物積累試驗(yàn)(bioacumulation test)是對(duì)慢性毒性試驗(yàn)的重要補(bǔ)充。,.,56,4毒性試驗(yàn)中要考慮的幾個(gè)問(wèn)題,(1)毒性試驗(yàn)的目的 進(jìn)行毒性試驗(yàn)的目的是為了能對(duì)污染管理提供可靠的信息，一是用于預(yù)報(bào)廢水的環(huán)境效應(yīng)，二是提出廢水排放的標(biāo)準(zhǔn)，也即是安全濃度(safe concentration)。為此，

50、它必須能回答以下幾個(gè)問(wèn)題：該廢水對(duì)受試生物的致死濃度。該廢水在亞致死濃度時(shí)，對(duì)受試生物生活史的部分和整體所產(chǎn)生的效應(yīng)。廢水中有許多成分，判斷出何種成分最毒。因?yàn)樵谧匀凰w中生物是多種多樣的，故受試生物不只限于一種生物，應(yīng)有多種生物，哪種生物最敏感。廢水進(jìn)入自然水體中，會(huì)因理化因子不同而呈不同的毒性，室內(nèi)試驗(yàn)應(yīng)判斷出在什么環(huán)境因子條件下廢水最毒，在進(jìn)入天然水環(huán)境時(shí)，毒性是否變化，在受納系統(tǒng)中將有多大范圍受到毒性的影響。萬(wàn)一工廠廢水中的毒物出現(xiàn)突然高濃度沖擊或溢流時(shí)，對(duì)受納系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生伺種方式的短期效應(yīng)?？傊?，通過(guò)毒性試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)正確地回答，該種化學(xué)品可按受的濃度是多少。,.,57,(2)受試生物的選擇

51、和條件,文獻(xiàn)記錄已采用的受試生物近200種，常用也有20種左右。選擇受試生物應(yīng)隨具體要求而異如果是要求比較不同時(shí)間的毒性，必須選擇能常年生存的、易于飼養(yǎng)的種類(lèi)。如果要求估計(jì)一種即將廣泛使用的、新的化學(xué)物可能產(chǎn)生的生物效應(yīng)，則挑選最敏感的種類(lèi)。如果只是想了解排放的廢水對(duì)該地區(qū)有什么影響，最好要用當(dāng)?shù)氐姆N類(lèi)。,.,58,選擇的生物要符合以下條件,能代表生態(tài)學(xué)上重要的類(lèi)群(group)。類(lèi)群有結(jié)構(gòu)類(lèi)群和功能類(lèi)群。結(jié)構(gòu)類(lèi)群是指系統(tǒng)發(fā)育上或空間上的區(qū)別，前者是指分類(lèi)上不同的階元，后者是指不同的棲息地區(qū)，如浮游生物、底棲生物。功能類(lèi)群是指營(yíng)養(yǎng)或能量流上的區(qū)別例如生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者，又如自養(yǎng)者、食菌者、

52、食碎屑者、食藻者、食肉者、雜食者。該種類(lèi)已有足夠的背景數(shù)據(jù)，如對(duì)該種的生長(zhǎng)、生理、遺傳、變異、營(yíng)養(yǎng)、繁殖以及它在自然水體中的作用已有較為詳細(xì)的研究，這樣就能辨請(qǐng)實(shí)驗(yàn)所得的反應(yīng)的真?zhèn)尾恢掳鸭俜磻?yīng)當(dāng)作毒性效應(yīng)。要能提供足夠數(shù)量的同一大小、同一年齡、在遺傳上穩(wěn)定的同一品系的受試生物，以保證反應(yīng)均勻一致。而且要能容易飼養(yǎng)，全年可供應(yīng)。受試生物能適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)條件，能夠馴化并生活正常。受試生物的試驗(yàn)終點(diǎn)反響(test end point response)容易鑒別。受試生物要對(duì)毒物反應(yīng)的敏感性強(qiáng)，但又要具有不易生病、不易被寄生的優(yōu)點(diǎn)。,.,59,(3)稀釋水的選擇和試驗(yàn)條件的控制,可供稀釋的水有三種，

53、即受納系統(tǒng)的水、去氯自來(lái)水和入工合成水。用受納系統(tǒng)的水作為稀釋水是最理想的，因?yàn)樗沫h(huán)境現(xiàn)實(shí)性大。但如果稀釋水本身就有毒，則只能采用去氯自來(lái)水和人工合成水。因此稀釋水要符合二條標(biāo)準(zhǔn)。一是化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。稀釋水不應(yīng)含有即使是痕量的、低濃度的污染物和農(nóng)藥等，因?yàn)樗旧砭涂梢詫?duì)生物產(chǎn)生低毒性的效應(yīng)，而且和試驗(yàn)藥品接觸后也可能會(huì)產(chǎn)生人們尚未了解的拮抗效應(yīng)(不同毒物混在起時(shí)產(chǎn)生互相抵消的負(fù)效應(yīng))，疊加效應(yīng)(混合后產(chǎn)生兩者毒性相加的效應(yīng))和協(xié)同效應(yīng)(混合后產(chǎn)生比疊加效應(yīng)還要大的效應(yīng))。二是生物標(biāo)準(zhǔn)。受試生物能在稀釋水中馴化和生存，保證在試驗(yàn)期間對(duì)照組（無(wú)毒物的稀釋水)沒(méi)有脅迫的信號(hào)。試驗(yàn)的條件如光周期、光強(qiáng)、光

54、質(zhì)、水溫、水質(zhì)等都要保持在試驗(yàn)期間的恒定狀態(tài)。,.,60,(4)提高毒性試驗(yàn)的環(huán)境現(xiàn)實(shí)性,毒性試驗(yàn)通常有四種設(shè)計(jì)方式靜止試驗(yàn)，有更新的靜止試驗(yàn)，連續(xù)或間歇的流水試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。挑逃哪一種試驗(yàn)方式視工作要求而異。在現(xiàn)場(chǎng)做毒性試驗(yàn)最好用當(dāng)?shù)氐纳?，這樣就更具有環(huán)境現(xiàn)實(shí)性?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的缺點(diǎn)是試驗(yàn)容易被好奇者破壞，環(huán)境條件不易控制，監(jiān)測(cè)也較困難。,.,61,(5)毒性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化,建立標(biāo)準(zhǔn)化的毒性試驗(yàn)是為了提高可比度，使不同國(guó)家、不同實(shí)驗(yàn)室、不同的工作人員獲得可以比較的結(jié)果，因?yàn)楝F(xiàn)在的環(huán)境污染問(wèn)題不只是一個(gè)國(guó)家的問(wèn)題，而是跨國(guó)的、全球性的問(wèn)題。目前的毒性試驗(yàn)方法無(wú)論是急性的，還是慢性的，都沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化

55、。,.,62,5. 毒性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)在環(huán)境管理中的應(yīng)用,(1)急性毒性試驗(yàn)的數(shù)據(jù) (2)慢性毒性試驗(yàn)的數(shù)據(jù) (3)生物積累試驗(yàn)的數(shù)據(jù) (4)毒性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證,.,63,(1)急性毒性試驗(yàn)的數(shù)據(jù),急性毒性試驗(yàn)的結(jié)果不足以預(yù)報(bào)毒物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的安全濃度，試圖從急性毒性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)提出水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，是缺乏科學(xué)性的。因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)不是各種生物的集合物，在生態(tài)系統(tǒng)中的許多生物與生物之間，生物與非生物之間的相互作用會(huì)改變毒物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。1988年9月22日美國(guó)參議院接受一項(xiàng)提案并在國(guó)會(huì)通過(guò)了一項(xiàng)消費(fèi)者產(chǎn)品安全試驗(yàn)法令(Consumer Products Safety Test Act)。法令指出在產(chǎn)品試驗(yàn)中

56、用脊椎動(dòng)物進(jìn)行的急性毒性試驗(yàn)LC50(半致死劑量)試驗(yàn)是不準(zhǔn)確的，使人誤解而無(wú)益，為此聯(lián)邦政府采取禁止使用LC50試驗(yàn)。,.,64,急性毒性試驗(yàn)的數(shù)據(jù),但是世界上每年新的化學(xué)品有成千上萬(wàn)種，如果都要求通過(guò)急性、慢性毒性試驗(yàn)和 生物積累試驗(yàn)，也是很困難的。因此用快速的急性毒性試驗(yàn)方法對(duì)眾多的化學(xué)品進(jìn)行篩 選試驗(yàn)，還是必要的。也有用LC50估計(jì)最大可接受毒物濃度(maximum allowable toxicant concentration, MATC)，公式為AF= MATC/ LC50, AF(application factor)是應(yīng)用因子的意思，其值變動(dòng)于0.00010.1之間，它是慢性

57、毒性試驗(yàn)獲得的MATC和急性毒性試驗(yàn)獲得的LC50兩者之比值。從生物學(xué)上分析，MATC和LC50是兩個(gè)不等量的測(cè)量，LC50中死亡的生物可能是由于機(jī)械性地破壞了呼吸作用如魚(yú)在鰓上涂上一層化合物引起窒息而死，MATC則是對(duì)繁殖的損傷，酶的破壞或是行為的變化。把這兩種數(shù)量進(jìn)行比較，無(wú)疑是一個(gè)概念性的錯(cuò)誤。誠(chéng)然也不排斥在LC50和MATC之間有可能存在著過(guò)渡性的聯(lián)系，但是已知AF值在同一水平上有很大的變化，對(duì)同一種化學(xué)品不同的受試生物的AF值可有二位數(shù)的差異幅度，在同一種生物對(duì)不同的化學(xué)藥品則可以有4位數(shù)的差異幅度，對(duì)一個(gè)未知MATC的化學(xué)品，往往在求得LC50以后，就借用同類(lèi)化學(xué)品的AF值，代入公式MATCLC50AF，由此估計(jì)新化學(xué)品大致的MKTlC值只能視之為勘察的試探值。,.,65,(2)慢性毒性試驗(yàn)的數(shù)據(jù),雖然慢性毒性試驗(yàn)比急性毒性試驗(yàn)復(fù)雜而昂貴但所得的數(shù)據(jù)在預(yù)報(bào)安全濃度時(shí)很有用，而且具有重要的生態(tài)學(xué)意義，因?yàn)樗C實(shí)了毒物對(duì)生物生長(zhǎng)和繁殖的影響，從而揭示了導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)中多樣性指數(shù)下降的機(jī)理。如果采用流水裝置的慢性毒性試驗(yàn)，就可以在現(xiàn)場(chǎng)決定