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指示生物及其在环境保护中的应用
作者:管理员    发布于:2016-07-26 09:52:48    文字:【】【】【

  城市化进程的不断扩大和经济的快速增长,导致环境污染日趋严重。治理污染,保护环境已成为全社会的共识。环境监测作为了解环境状况和污染程度,为环境科研、污染治理和环境管理提供科学依据的手段和工具,在环境保护中发挥着巨大的作用。利用现代仪器和手段对污染物进行准确定量的理化分析,是环境监测的常规方法。但是,随着对环境污染影响研究的不断深入,污染的生物学效应和人群健康影响受到更多的重视,人们逐渐认识到单一地依赖理化监测难以反映出污染物对生物体及生态系统影响的综合效应,不能对污染影响作出综合评价。因此,利用生物对环境污染进行监测,从不同层次上分析污染危害程度,为环境评价、污染预报和污染物危险性提供依据,受到越来越多的关注并应用到实际的污染监测和预报中。

  1指示生物的概念在不同的资料中,定义略有区别。联合国环境规划署(UNEP)将其定义为:测量活着的生物体对人为压力的灵敏度;美国国家环保局(EPA)则定义为:使用活着的生物体来测定环境影响。许多生物对环境,尤其是对大气和水体环境的变化反应敏感,可作为环境污染的指示生物。所谓指示生物又叫做生物指示物(biologicalindicator)就是指那些在一定地区范围内,能通过其特性、数量、种类或群落等变化,指示环境或某一环境因子特征的生物。传统上,生物监测通过采用测量生物体内蓄积的污染物浓度的方法,揭示环境污染的程度和状况。近几十年来,生物监测概念的范畴已明显扩大,包括测量生物体暴露于污染环境中的生理、生态、遗传等参数变化,以获得污染的有关信息及暴露所造成的影响。

  2指示生物应用于环境监测的优越性与传统的理化监测方法相比,指示生物监测的优越性表现在:(1)在环境中,生物接触到的污染物不止一种,而几种污染物混合起来,有可能发生协同作用,使危害程度加剧,生物监测能较好地反映出环境污染对生物产生的综合效应;一些低浓度甚至是痕量的污染物进入环境后,在能直接检测或人类直接感受到以前,生物即可迅速作出反应,显示出可见症状。因此,可以在早期发现污染,及时预报;(3)对于那些剂量小、长期作用产生的慢性毒性效应,用理化方法很难进行测定,而生物监测却可以做到;(4)生物监测克服了理化监测的局限性和连续取样的繁琐性。

  3指示生物在环境监测中的应用3.1行为特征应激反应是生物界普遍存在的特性,运动或游动能力较强的动物尤为明显。当动物接触低剂量有害污染物时,刺激动物的嗅觉、味觉和视觉等感受器官、影响呼吸或作用于中枢神经系统,从而影响动物的活动水平、摄食、逃避捕食、繁殖或其它行为方式,改变其在环境中的分布。回避试验是目前广泛采用的以水生动物为指示物,研究其对污染物,尤其是有毒污染物的回避反应及引起回避的污染物浓度,以期对水体污染进行早期预报和评价。

  大量研究表明,在人为设计污染水区和非污染水区的迷宫回避装置中,未经训练的鱼类在受到亚致死剂量的有毒污染物刺激时,能主动回避受污染水域,游向清洁水区。根据目测或利用电视摄像系统跟踪鱼的行为,观察污染物对鱼回避行为的影响。此外,其它水生动物如虾、蟹及某些水生昆虫等也存在有类似的回避反应。生物自有的活动方式,在外来污染物的作用下,可能会增强或减弱其活动性。利用光电设备对受试生物,如鱼类、水蚤、螯虾、糠虾等的活动性进行监测,当其游过观察池时,光束受到干扰,转变成脉冲信号。光束干扰越多,表明受试生物的活动性越强,反之亦然。通过对照比较受试生物在未受污染水体中的活动性,来反映水体是否污染。其它还有诸如呼吸、代谢、习性、摄食、捕食等指标亦可用于对水体污染进行监测和评价。

  另外,污染物的存在,也会造成微生物的行为异常。正常情况下,发光细菌中的FMNH2和醛类在胞内荧光素酶的催化作用下,氧化生成FMN酸和水,释放出蓝绿色荧光。当有害污染物存在时,发光行为受到干扰或阻碍,引起荧光强度变化,利用生物发光光度计测定光强,可以对污染物进行定量分析。细菌发光检测具有较好的剂量一响应关系,能获得可重复和可再现的试验结果。研究发现,当大气中光化学反应物(PAN)的浓度为2微升/升时,即阻碍发光菌发光。该方法已广泛用于废水、固体废弃物浸出液及重金属等的综合毒性的监测。

  3.2形态特征许多植物对大气污染的反应非常敏感即使在极低浓度的情况下,也能很快地表现出受害症状。

  根据植物表现出的受害症状,可以对污染物种类进行定性分析,也可以根据症状的轻重、面积大小,对污染物浓度进行初步的定量分析。大气污染对植物的危害机制主要表现在:外部伤害,污染物通过气孔被吸收进入植物体内,对叶面产生严重伤害;(2)组织伤害,污染物进入植物体内,引起阔叶树叶内海绵细胞和叶下表皮的破坏,使叶绿体发生畸变而引起栅栏细胞伤害,后导致上表皮损伤;(3)影响代谢作用,大气污染改变了植物的生理生化过程,如蒸腾作用减弱,光合作用受到抑制等,引起形态变异。

  研究表明,当大气环境中二氧化硫浓度为1.2ppm0寸,紫花苜猜暴露1小时后,叶片出现白色“烟斑”并逐渐枯萎,或在叶脉之间或叶缘出现明显的坏死,而二氧化硫浓度高于0. 154ppm苔鲜即产生急性伤害。氟化物浓度为1ppb暴露2至3天或浓度为10ppb暴露20小时,唐菖蒲就会受到伤害,叶缘和叶尖组织出现坏死,坏死部分颜色呈浅褐色或褐红色,并且与健康组织有明显的界线,因而被公认是监测氟化物的理想植物。燕麦、烟草等暴露在接近背景浓度的臭氧环境中,可迅速作出反应或显示出明确可见的症状。常见污染物对植物的伤害症状、受害剂量及敏感指示植物见表表1主要大气污染物对植物的危害二氧化硫氨臭氧过氧乙酰硝酸酯受害症状叶脉间出现褐色或红棕色大小不等的点、块状伤斑与正常组织间界限分明。单子叶植物沿平行叶脉出现条状伤斑。

  叶尖和叶缘呈现水渍状,逐渐形成褐红色伤斑,与正常组织间有明显的暗红色界限。

  叶脉间出现不规则点、块状伤斑,与正常组织间界限模糊或有过渡带叶脉或叶缘间出现不规则水渍斑,逐渐坏死,形成白色、黄褐色或棕色伤斑叶脉间出现点、块状褐色或褐黑色伤斑,与正常组织间界限明显-叶背变成白色、棕色、古铜色或玻璃状,不呈点、块状伤斑。有时在叶尖、中部或基部出现坏死带。

  叶片表面出现密集的红棕、紫、褐或黄褐色细小点状伤斑。

  叶背出现银灰或青铜色水渍状,干后变为白或浅褐色坏死带。

  受害剂量暴露8小时10ppb/暴露20小时暴露1小时23ppm暴露8小时10ppm/暴露数小时暴露2至4小时0.05ppm/暴露8小时敏感指示植物紫花苜蓿、大麦、烟草、棉花、蚕豆、荞麦等唐菖蒲、萝卜、荞麦、杏、葡萄、玉米、芝麻等苜蓿、荞麦、玉米、大麦、芥菜、洋葱、向日葵等扁豆、番茄、莴苣、芥菜、烟草、向日葵等棉花、芥菜、向日葵等见以下主要光化学反应物烟草、苜蓿、大麦、扁豆、洋葱、马铃署、黑麦等番茄、扁豆、莴苣、芥菜、马铃署等3.3数量特征在正常稳定的环境中,生物的种类比较多,个体数量适当。受到污染后,敏感指示生物种类的数量逐渐减少甚至消失,与对照点相比显示出种类数量的差异。水污染指示生物用得较多。由于不同污染程度的水体中各有其作为特征的生物存在,因此指示生物及其在环境保护中的应用李江平可以利用天然出现的生物来指示水体污染的程度。

  二十世纪初,德国科学家提出的污水生物体系法,将受有机物污染的河流,按其污染程度和自净过程,划分几个互相连续的污染带,每一带包含着各自的生物。在美国伊利湖污染的调查中,利用湖中原生动物颤蚓的数量作为评价指标,根据单位面积的水体中颤蚓数量,将受污染水域分为无污染、轻度污染、中度污染和重庆污染(表2)。

  表2美国伊利湖污染调查(以颤蚓为评价指标)颤蚓数量(个/M2水面)水域受污染的程度无污染轻度污染中度污染重度污染苔藓地衣的共生性增加了其敏感性,在英国工业城市纽卡斯尔地区,由于二氧化硫污染,藓苔种类从55种下降到5种。微生物对污染物也很敏感,叶生红酵母是生长在落叶表面的一种微生物,通过暴露试验,把不同时期的多次平行实验的结果累加,计算出菌落平均数,根据菌落数的多少反映污染的程度,菌落平均数多的树木所在地污染程度小,反之则大。细菌总数、总大肠菌群、水生真菌、放线菌等也常用作水体污染的指示物种。

  3.4种群/群落特征早期通过种群的变化来反映或判断环境污染是具代表性的当数在英国伦敦郊区发现的黑斑蝶现象。十九世纪中叶,工业革命带来了生产力的极大解放,同时也造成以煤烟型为主的大气污染,原来生活在该地区的灰斑蝶种群逐渐消失,取而代之的是黑斑蝶种群。这种蝶类种群的变化,较好地反映了长时期污染状况对生物的影响。实际应用中,水污染指示生物用得较多,包括浮游生物、着生生物(如藻类、原生动物、真菌等)、大型水生植物(如海藻、大型褐藻)、底栖大型无脊椎动物(如软体动物、甲壳类、腔肠动物、棘皮动物等)、鱼类(如鲇鱼、鲑鱼、河鲈等)等,以各类群在群落中所占比例作为水体污染的指标。以藻类为例,绿藻和蓝藻数量多,甲藻、黄藻和金藻数量少,往往是水体污染的象征,而绿藻和蓝藻数量下降,甲藻、黄藻和金藻数量增加,则反映水质的好转。国外通过大量的研究,以硅藻作为指示生物,建立了硅藻群落对数正态分布曲线。从曲线上可以看出,未受污染时,水体中的种群数量多,个体数目相对较少;但如果水体受到污染,则敏感种类减少,污染种类个体数量大增,形成优势种。通常采用多样性指数和各种生物指数来定量描述种群或群落变化,如香农多样性指数(Shannon)、Margalef多样性指数、Gleason指数和Menhinick指数外,对水质进行生物学评价。

  35遗传特征污染不仅会对生物的行为、形态、数量、种群或群落结构产生影响,而且可能造成细胞结构和遗传物质的破坏,导致机体畸变、致癌和变异。出于对人体健康考虑,污染物的潜在遗传毒性受到更多关注,并通过监测污染物对生物的三致效应来评价。早期开展的微核试验,以细胞中的微核数量作为指标,监测污染物对染色体损伤。环境中存在污染物越多,诱变因子诱发生物染色体的损害也越严重,其微核率愈高。蚕豆根尖细胞微核试验、小白鼠血红细胞微核试验等均表明,污染因子诱发染色体异常与微核率之间存在有较好的相关性。

  Ames试验(鼠伤寒沙门氏菌/肝微粒体试验法)是目前和广泛应用的一项常规监测方法,用于短期快速检测和筛选环境致突变物与致癌物。当环境诱变剂或经肝微粒体酶转化的诱变剂作用于鼠伤寒沙门氏菌组氨酸营养缺陷型系列菌株,使之发生回复突变,从而能在不加组氨酸和生物素的基本培养基上生长,计数回复突变的菌落数以评价污染物的诱变能力。二十年来,用此方法对几百种化学品进行了大量实验,结果表明,即使浓度很低,回复率与化学品的遗传毒性之间有较高的相关性。Ames试验成功地用于多环芳烃、重金属、农药和各种类型污水或废水等多种污染物的遗传毒丨生检测。

  4存在的问题尽管利用指示生物监测环境污染具有很多优势,实际应用越来越广泛,但也存在一些问题:标准化问题。所选择的指标生物生活在自然环境中,除受到污染物影响外,同时还受到气候、季节、地域、土壤、病虫害等因子影响,因此建立标准化的监测方法,使获得结果可比,才具有应用。

  监测参数的选择较为困难。由于选用的是活体生物,同一种生物不同生长时期对污染物的敏感性和反应不同,并且即使是同一种生物也存在有个体差异,如何挑选合适的生物进行监测,要视监测的环境(土壤、大气、水域)、污染物类型(重金属、杀虫剂、有毒气体、放射性元素、致癌物等)和受检环境中生物对污染物反应情况而定;无法做到准确定量,不能对弓I起生物体反应的原因进行定量分析。因此利用指示生物对污染进行监测的结果,应与理化监测结果较好地结合起来,这样不仅能对污染物的性质和浓度进行监测,而且能对污染物引起的生物学综合效应作出恰当的评价。

  5小结污染物进入环境后,与其它污染物或环境介质相互作用,可能会出现拮抗和相加的协同现象,使污染危害加强或减弱。生活在环境中的生物暴露于污染,直接与污染物接触,受污染影响,在不同层次上产生反应。用适当的指标来表征这些反应,可以对污染的状况和程度进行监测和评价。指示生物监测能够在一定程度反映出污染的综合生物学效应,与化学和仪器监测结合起来,能较好地说明环境污染对生物产生的综合效应,是环境监测中行之有效的手段之一。

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