水域生態(tài)學(xué)

1、水域生態(tài)學(xué),第十五章 水污染生態(tài)學(xué),第一節(jié) 水污染對水生生物的影響,一、水資源現(xiàn)狀 二、污染與脅迫 三、污染物對水生生物的影響及其反饋作用——生物凈化,一、水資源現(xiàn)狀,水是人類寶貴的自然資源，因為地球上的生命都離不開水。與海洋和陸地相比，淡水僅占地球表面較小的比例，但是它對人類的重要性卻是無與倫比的。據(jù)統(tǒng)計地球上咸水占97．3％，而淡水僅占2.7％。就這小部分淡水中還包括人類目前尚無法利用的南北兩極的冰山和冰河，以及深度在75

2、0m以下的地下水。因此，人類能利用的淡水還不到地球總儲水量的1％。,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，人類對淡水的消耗量增加了一倍。全世界對水的需要量將逐年增加。這一發(fā)展的趨勢是無法阻擋的。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，這是對水資源的最大破壞，而且還直接危害了人類的健康。 1977年聯(lián)合國“水”會議秘書處發(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

3、國水污染的來源主要是工廠廢水。1991年報道廢水總量為336．2億噸，其中70％是工業(yè)廢水。中國42個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。,二、 1. 脅迫的定義,脅迫(stress)是環(huán)境生物學(xué)家從工程學(xué)借用來的一個詞。在工程學(xué)上stress是“應(yīng)力”之意。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彈性物質(zhì)的變形或應(yīng)力變化。stress是對這一彈性物質(zhì)在該條件下的

4、—種定量表示方法。這一工程上的術(shù)語被生態(tài)學(xué)家用來描述各種因子能引起一個有機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。這些變化可稱之為脅迫效應(yīng)(stress effect)。要了解整個生態(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。,脅迫類型,脅迫有兩種類型，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、流速、溶解的營養(yǎng)物質(zhì)、溶解氧等因子的變化，其中也包括

5、正常的季節(jié)變化和周年變化，以上這些環(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、營養(yǎng)物的富集等都能對水生生物產(chǎn)生影響。在實際應(yīng)用中，要把人為的壓迫和自然界本身的變化區(qū)別開來，是很困難的。,水污染的定義,早在18世紀(jì)時，人們從實踐中認(rèn)識了水污染(water pollution)。最初認(rèn)為水污染是指進(jìn)入水體的外來物質(zhì)，其量超過了該物質(zhì)在水體中的本底

6、含量。它只強調(diào)了外來物質(zhì)的量，而忽視了對水生生物的影響。隨著科學(xué)的發(fā)展，美國藻類學(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，以致破壞接受系統(tǒng)中生命的平衡狀態(tài)。現(xiàn)在對水污染的理解比較強調(diào)人類經(jīng)濟活動的因素，強調(diào)損害水生生物資源和危害人類的健康。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

7、到不良影響，稱為水污染。,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。 又稱為本底值。,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。①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。②化學(xué)物及其降解產(chǎn)物可能有毒，如農(nóng)藥、殺蟲劑、表面活性劑等。③工廠排放的廢水帶有余熱，由于溫度的沖擊和波動可能有害于水生生物，因為它能影響其臨

8、界的生理活動，如酶的活性等。④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。⑤由于混濁度的增加以及其他原因而導(dǎo)致生境的改變。,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質(zhì)和無機質(zhì)。（2）農(nóng)地排水和水土流失：化肥、農(nóng)藥。（3）生活污水：有機質(zhì)、腸胃病菌和寄生蟲。（4）工業(yè)廢渣的溶解 （5）大氣污染物的降落：如酸雨,3. 廢水的幾種主要類型,工廠排放的廢水(effluent)按其理化相似性及其

9、對水生生物群落的影響，大體上可劃分為六類： (1)惰性懸浮物。 (2)有毒物質(zhì)酸、堿、重金屬、酚、氰化物、有機毒素、放射性物質(zhì)。 (3)無機還原化合物。 (4)有機廢水。 (5)熱廢水。 (6)煉油廢水。,1. 污染物對水生生物的影響,(1)對細(xì)菌、真菌的影響(2)對藻類和高等水生植物的影響(3)對水生無脊椎動物的影響(4)對魚類的影響

10、,(1)對細(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，長成肉眼可見的、呈灰白、淡黃、微紅、棕色的團塊，像地毯似地蓋滿了河流的底部，也可被河水沖刷下來成團塊漂浮在水面。最常見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

11、可見。在厭氧的水體中，底部會因甲烷細(xì)菌的活動而產(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?！┯泻ξ镔|(zhì)進(jìn)入水體后，能影響微生物的生長：破壞水體自凈能力。例如殺蟲劑丹寧和氯丹對大多數(shù)微生物來說，是生長、代謝、呼吸的抑止劑。水體中的重金屬對細(xì)菌也能產(chǎn)生根大的影響。廢水中汞離子濃度增加時，能降低好氣菌的生長率，增長延滯期。水體淤泥內(nèi)的某些細(xì)菌能使各種有機鉛和無機鉛化合物甲

12、基化，從而大大增加了鉛的毒性。銅對細(xì)菌的影響和鉛很相似。鎘的毒性又次于銅和鉛，在50mg／L時，細(xì)菌種群數(shù)量才減少。鉻對細(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。,(2)對藻類和高等水生植物的影響,適度的有機污染能促進(jìn)藻類和高等水生植物的生長，緩解藻類和高等植物的營養(yǎng)物質(zhì)的競爭。但是如有過量的氮和磷，藻類會大量繁殖，甚至產(chǎn)生“水華”，由于

13、藻類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。氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的增加，雖能促進(jìn)藻類生長，但是種類組成有很大改變。饒欽止等(1980)研究藻類隨東湖富營養(yǎng)化的過程而產(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。,工業(yè)污染和化學(xué)毒物對藻類的影響,①抑止藻類細(xì)胞的光合作用。已知各有機氯殺蟲劑(如毒殺芬、狄氏劑等)和

14、有機磷殺蟲劑(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的光合作用。②對核酸合成和遺傳的影響。已知酚和石油能降低藻類細(xì)胞內(nèi)DNA和RNA的濃度，使蛋白質(zhì)合成發(fā)生故障。③對營養(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-氯苯氧基丁酸)能抑止藻類對磷的攝取，而重金屬(如Pb、Zn、Cu、Cd等)能刺激藻類對磷的攝人。由于不同藻類種類對營養(yǎng)物質(zhì)的攝取能力

15、起了變化，于是藻類的組成也相應(yīng)地改變，往往出現(xiàn)藍(lán)藻占優(yōu)勢。④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)藻生長旺盛，只會使水質(zhì)變壞。但有些除草劑卻能降低藍(lán)藻的固氮作用。 ⑤顆粒懸浮物質(zhì)使河水混濁、陽光不能透入，從而影響藻類和高等水生植物的生長。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。,(3)對水生無脊椎動物的影響,有機污染嚴(yán)

16、重的水體中，枝角類和橈足類幾乎絕跡，輪蟲也很少，主要是一些以細(xì)菌為食或腐生性的原生動物，尤其是異養(yǎng)性鞭毛蟲，如波豆蟲Bodo等。水生昆蟲和軟體動物對有機物污染的反應(yīng)十分靈敏，當(dāng)污染嚴(yán)重以致完全缺氧時，就不能生存；只有雙翅目昆蟲中的毛蠓屬Psychoda和Eristalis的幼蟲才能生存，因為它們是以尾部的器官呼吸空氣中的氧氣。僅有少量的氧氣而有機污染嚴(yán)重的水中，寡毛類顫蚓科Tubificidae中的顫蚓屬Tubifex和水絲蚓Limno

17、drilus不僅能生存，還能大量繁殖以致河底呈一片紅色。雖有有機物污染，但不乏氧氣的地方搖蚊Chironomus thummi幼蟲才能生存，而水虱Asellus aquaticus、軟體動物、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，可以把底棲動物蓋住，隨著泥沙的不斷覆蓋和推移，往往使底棲動物無處生長。,(4)對魚類的影響,有機物污染嚴(yán)重的地區(qū)魚可因缺氧而致死。熱污染的水中因度過高使魚不能耐受而回避，或魚卵不

18、能發(fā)育孵化。重金屬污染的水中，魚的呼吸系統(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．魚望息而死。石油污染的水中，雖然我國的四大家魚尚能生長，但由于魚體積累了大量的石油烴類化合物，體表沾染了大量的油污，石油臭味令人厭惡。60年代時，由于生產(chǎn)農(nóng)藥(對硫磷、馬拉硫磷、樂果、六六六等)的廢水未經(jīng)處理直接排人鴨兒湖，以致該湖經(jīng)濟魚類幾乎絕跡。,綜上所述，污染對水生生物的影響可歸納為：,①直接危害：如重金屬（Cu、Pb

19、、Hg）、農(nóng)藥，使生物種類減少，嚴(yán)重的可造成除細(xì)菌外，別無其他生物能生存的致死效應(yīng)。②能引起影響光合作用、呼吸作用、生長、生殖等的亞致死效應(yīng)以及致畸、致癌、致突變，傷害魚鰓、覆蓋底棲動物等。③毒物積累在生物體內(nèi)，通過食物鏈的作用轉(zhuǎn)移到更高一級營養(yǎng)層次的有機體內(nèi)，使毒物在生物體內(nèi)的濃度愈來愈大，甚至轉(zhuǎn)移到人，如汞污染引起人的水俁病。④影響氣體狀況：污水耗氧，放出H2S、NH3、CO2等。,2．生物凈化,天然水體在受到一定程度的污染后

20、，由于自然界物理、化學(xué)及生物等過程的作用．會使污染的水得到凈化，這種現(xiàn)象稱為水體的自凈。生物凈化在水體自凈中起相當(dāng)重的作用。生物類群通過代謝作用(同化作用和異化作用)，使進(jìn)入環(huán)境中的污染物質(zhì)無害化，這個反饋作用稱為生物凈化(biological purification)。這是因為水中各種生物。主要是微生物，在它的生命活動過程中，經(jīng)過吸附、氧化、還原、分解、吸收了某些污染物。在污染物的降解和無機化的過程中，直接或間接地把污染物作為營養(yǎng)源

21、．既滿足了有機體自身的原生質(zhì)合成、繁殖及其他生命活動等的需要，又使水體得到了凈化。但是水體對污染物負(fù)載能力是有一定限度的，如果污染物超過了生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)載能力，生物凈化作用就會遭到破壞，生態(tài)系統(tǒng)也就失去了原來的平衡狀態(tài)。,泰晤士河,污水排人河流時，對水生生物的影響有時可達(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凈作用。如果超過了河流自凈能力，就變成死河。人類歷史上是

22、有教訓(xùn)的．如英國倫敦的泰晤士河。在19世紀(jì)時由于人口增多，工業(yè)污染嚴(yán)重，使這條本來十分干凈的河變成骯臟不堪的臭河，幾次發(fā)生過霍亂，約有4萬人死亡。本世紀(jì)50年代中期．這條河從生物學(xué)的角度上說是“死亡”了，它的含氧量為零。從1964年開始大規(guī)模治理河流，建立了453個污水處理廠，經(jīng)20年的治理，變污水為清潔的、符合衛(wèi)生標(biāo)誰的飲用水了?，F(xiàn)在水中氧的飽和度達(dá)98％，適宜于一百多種魚類的生存。1984年一只海豹沿此河逆流而上，以吞食河魚為生：這

23、是150年來人們首次看到海豹又活躍在泰士河道上。,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)，其中包括這個系統(tǒng)中的生物，對人類提供了有一定限度的生存條件，并服務(wù)于人類。從經(jīng)濟觀點來看，它是有價的服務(wù)，已估計出地球上一切產(chǎn)品和服務(wù)的價值大約為30萬億

24、美元。英國泰晤士河提供了一個很好的例子，恢復(fù)泰晤士河的水質(zhì)所投入的資金也許比當(dāng)時利用這條河流發(fā)展經(jīng)濟的收益還要高。因此，在發(fā)展經(jīng)濟的同時．必需要考慮環(huán)境的保護。否則，經(jīng)濟的發(fā)展就有個得不償失的問題。,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水生生物，產(chǎn)達(dá)生物降解和生物積累的過程。,一、生物降解,凡生態(tài)系統(tǒng)中的生物能對天然的和合成的有機物質(zhì)進(jìn)行破壞和礦化作用的過程，稱之為生物降解(biodegradati

25、on)。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。,1. 微生物的降解,自然界中所有的有機物質(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。從理論上說沒有什么東西是微生物不能分解的，這是因為微生物有兩個專性。一是對基質(zhì)的專一性，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，微生物對一定的基質(zhì)有特別的趨向性。二是有高度的化學(xué)專性，例如鐮刀菌比較喜歡氧化12β-碳原子。,PCB,對高分子的合成物就

26、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，簡寫為PCB,俗名殺草敏)開始細(xì)菌無法分解，后來發(fā)現(xiàn)可利用細(xì)菌在功能上的專性，聯(lián)合起來就可以降解它。篩選和培養(yǎng)出一種菌株可以把四氯聯(lián)苯拆開，另一種菌株把拆開了的四氯苯甲酸進(jìn)行分解，這是因為這兩種菌株各有各的質(zhì)粒。于是把兩類細(xì)菌混合培養(yǎng)，兩種質(zhì)?；ハ嗥春?，產(chǎn)生了降解新污染物的質(zhì)粒，并且可以遺傳下來．這樣就

27、獲得了能同時拆開和分解四氯聯(lián)苯的新菌株、為降解人造合成污染物提供了新的途徑。,2．水生生物的降解,一般認(rèn)為比起微生物的降解作用來說，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——粉核小球藻(Chlorella pyrenoidosa對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，小球藻要花8晝夜才能降

28、解它，而細(xì)菌則在該化學(xué)品濃度為500和600mg/L時，在18小時就可降解完畢。由此證明藻類的降解活力比細(xì)菌要低得多。大量研究表明水生植物對多種污染物質(zhì)、氮、磷等營養(yǎng)元素有很強的吸收和利用能力。對有毒物質(zhì)如含酚廢水也有很強的吸收、分解、凈化能力(表13．1)。對重金屬Hg、Pb、Cd、Cu、As、Cr等有很強的富集能力。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。,二、生物積累,污染物進(jìn)入環(huán)境后，不論它最初

29、是分布于大氣還是陸地，最后大部分將通過各種途徑，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。攝取有兩個途徑—吸附(adsorption)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)，隨著新陳代謝活動而分布全身．或

30、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，這種行為不會是均等的，隨生物本身和外界環(huán)境而有變異。,生物積累(bioaccumulation),生物通過吸附、吸收、吞食等各種過程，從周圍環(huán)境中攝入污染物并滯留在體內(nèi)，當(dāng)攝人量超過消除量時，污染物在生物體內(nèi)的濃度可比周圍水中的濃度高許多倍，這種現(xiàn)象稱之為生物積累(bioaccumulation)或生物學(xué)積累(biological accumulation)。生物積累可包括兩個過程

31、：①生物濃縮(bioconcentration)，這是指有機體直接從水中攝取污染物；②生物放大(biomagnification)，這是指有機物通過食物鏈從水中攝取污染物。這兩個過程可以分開測定。前者可用生物濃縮因子(bioconcentration factors簡寫B(tài)CF)來表示，即最后的或平衡的組織中污染物濃度與周圍水中的污染物濃度之比．BCF＝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為濃縮因子、濃縮系數(shù)。,影

32、響B(tài)CF值的因素,影響濃縮因子BCF值的一個很重要的因素，就是污染物的化學(xué)特性，尤其是它的持久性(persistance)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養(yǎng)級中轉(zhuǎn)移的過程。例如在試驗系統(tǒng)中有初級生產(chǎn)者——藻類和次級生產(chǎn)者——枝角類和魚，比較每營養(yǎng)級組織內(nèi)含該化學(xué)物的濃度。

33、一般說來，通過食物鏈的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致較高營養(yǎng)級生物體內(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物反而有減少積累的趨勢。,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)的污染物在一定條件下也會逐漸消除(elimination)。消除的途徑有：①排泄，通過排泄器官排出體外；②排遺，隨糞便排出；③分泌，如分泌粘液，乳汁等；④解毒，通過酶的作用

34、使許多有毒化合物轉(zhuǎn)化為低毒或無毒化合物；⑤其他生理過程，如甲殼動物的蛻殼，昆蟲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)時的一半濃度所需的時間，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)移到干凈的水中測定其消除的速度。,生物積累的重要性,在評價污染物的危害性時，生物積累的測定是對慢性毒性試驗的重要補充。通過殘留量的測定，可以判斷該化學(xué)物

35、質(zhì)的生物效應(yīng)強度。測定生物半定期后，可以知道該化 學(xué)物質(zhì)的生物效應(yīng)持久程度。它們是公害評價中不可缺少的論據(jù)。,第三節(jié) 水污染的生物處理,一、廢水處理是水資源保護的關(guān)鍵 二、生物處理的基本原理 三、廢水生物處理的方法,廢水處理與水資源保護,水作為一種資源，并不是取之不盡，用之不竭的。我國水資源數(shù)量有限。通過對廢(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，以減輕水危機的壓力。目前我國處理

36、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得好。我國處理廢水的標(biāo)準(zhǔn)是以達(dá)到排放標(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)。從總體的觀點來考慮，它對排入受納系統(tǒng)的污染物總量沒有起到控制作用。例如，一個工廠排的廢水達(dá)到了國家允許排放的標(biāo)準(zhǔn)，對某條河流沒有危害，那么幾十個、幾百個工廠都按此標(biāo)準(zhǔn)排放，廢水的量增大了幾十甚至幾百倍，超過了河流自凈的負(fù)荷量，能對

37、此河流不造成嚴(yán)重的污染嗎?這樣簡單的道理是不能視而不見的。因此工廠廢水處理一定要和受納水體的自凈能力結(jié)合起來。,二、生物處理的基本原理,一般常用初級、二級、三級處理來表示廢水處理的程度。初級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，還伴之以中和均衡處理。然后進(jìn)入二級處理或受納水體。二級處理即生物處理。三級處理，亦稱高級處理，它要求更高的出水質(zhì)量，即去除在二級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

38、、味、氣的有機物、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凈作用，并用人工的條件加以強化。將水體自凈這一基本原理應(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，在空間上和時間上強化河流自凈的速度，使天然的河流白凈機制在工廠中實現(xiàn)。,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。厭氧

39、處理有甲烷發(fā)酵法。兩者具備的有氧化塘法。,第四節(jié) 生物學(xué)監(jiān)測,一、生物學(xué)監(jiān)測的意義和任務(wù) 二、用生態(tài)學(xué)方法進(jìn)行生物學(xué)監(jiān)測 三、用毒理學(xué)方法進(jìn)行生物學(xué)監(jiān)測 四、公害評價的基本原理,一、生物學(xué)監(jiān)測的意義和任務(wù),環(huán)境保護的目的是為了保護人類和人類所賴以生存的環(huán)境——空氣、水、動植物。通常用監(jiān)測的方法達(dá)到環(huán)境保護的目的，以確保事先建立的質(zhì)量控制條件能付之實現(xiàn)。過去十分強調(diào)物理監(jiān)測和化學(xué)監(jiān)測，對生物監(jiān)測不夠重視。殊不知理化監(jiān)測的方法即使技

40、術(shù)先進(jìn)，所設(shè)計的精密儀器也只能測出毒物的濃度，它無法測出它的毒性強度。毒性的強弱只能通過生物監(jiān)測的方法才能獲得。但是生物監(jiān)測不能鑒別是哪種特殊毒物所引起的反應(yīng)，而只能指示有害物質(zhì)的存在。因此必須和理化監(jiān)測結(jié)合起來，才能互相取長補短，真正達(dá)到保護環(huán)境的目的。,生物監(jiān)測的定義,生物監(jiān)測是系統(tǒng)地利用生物反應(yīng)以評價環(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 biologi

41、cal organization) 觀點出發(fā)，各級水平上都可以有反應(yīng)，但是重點應(yīng)放在生態(tài)系統(tǒng)級的生物反應(yīng)上。因為生態(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。,生物學(xué)監(jiān)測的目的,生物學(xué)監(jiān)測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)場就以最 快的速度把它監(jiān)側(cè)出來，以免破壞受納系統(tǒng)的生態(tài)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、蝦……等經(jīng)濟生物大批死亡，這時再去進(jìn)行

42、監(jiān)測和評價已經(jīng)太晚，故而，我們應(yīng)當(dāng)把重點放在野外的水污染生物學(xué)監(jiān)測。其理由是：①有機體對各種毒物的反應(yīng)常常被受納系統(tǒng)水中的理、化性質(zhì)所緩和或加強，這樣就會改變毒物的毒性；②還有可能是毒物和其他排放的廢水起相互作用，也會明顯改變毒物的毒性。這樣，就會從根本上改變有機體在實驗室內(nèi)對純污染物質(zhì)所作出的毒性反應(yīng)。直接的野外監(jiān)測可克服上述缺陷。,生物學(xué)監(jiān)測系統(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，

43、就被偵察出來。(2)監(jiān)測生物有廣泛的代表性，不會因為它對某種特殊毒物有很高的忍受力，以致沒有把這種毒物偵察出來而通過了，但是對受納系統(tǒng)中的其他生物群落卻是有害的。(3)能達(dá)到和理、化監(jiān)測相同的結(jié)果，并且成本低，效率高。(4)生物監(jiān)測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)測系統(tǒng)結(jié)合起來，就可以鑒別是何種毒物引起的急性反應(yīng)。(5)生物監(jiān)測中不會出現(xiàn)假信號以致造成判斷上的失誤。(6)在監(jiān)測每個受

44、納系統(tǒng)時，生物監(jiān)測都能應(yīng)用當(dāng)?shù)氐纳铩?7)在工廠內(nèi)的生物監(jiān)測系統(tǒng)能偵察出致死的或長效的物質(zhì)溢流，操作簡便。,二、用生態(tài)學(xué)方法進(jìn)行生物學(xué)監(jiān)測,1．指示種類階段2．群落結(jié)構(gòu)階段3．群落功能階段,1．指示種類階段,Kolkwitz 和Marrson (1909)首次提出污染系統(tǒng)和河流不同污染帶(寡污帶、α-中污帶、β-中污帶、多污帶)的指示生物種類。他們的出發(fā)點是每個種類都對環(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

45、種類才能生存。他們總結(jié)了河流有機物污染的自凈過程，把自凈過程劃分為4個污染帶，每—帶中提出有代表性的生物種類(包括藻類、原生動物、輪蟲、甲殼動物、底棲動物、魚類等，細(xì)菌以數(shù)量多少來劃分)，稱之為污水生物系統(tǒng)(saprobic system)。 此后，許多研究者（Patrick 1949; Liebmann 1995; Fjerdingstad 1964; Sladecek 1973）對此污水系統(tǒng)進(jìn)行修改和補充，提出各種污染帶中更為詳細(xì)的

46、指示生物名錄。其出發(fā)點認(rèn)為可根據(jù)對環(huán)境變化敏感的某些生物種類的存在或缺失來指示環(huán)境質(zhì)量。事實上沒有一個種類對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)每個種類對它的反映。某一種類的存在．至少說明已有生存的起碼條件。但是要說明該種類不存在的理由時就很困難。分辨不清是環(huán)境不合適．還是因為沒有機會生存，或是因為有與之競爭的種類。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

47、染系統(tǒng)指示生物的這些缺點，但因為對各種類的環(huán)境要求，它們對各種毒物的忍受性這方面的知識很不足，故限制了污染系統(tǒng)指示生物的預(yù)報能力．但是一些特殊性的種類能對特殊的毒物有反應(yīng)．這類工作仍然是很有價值的。,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)來評定水質(zhì)。個體、種群、群落三級是生態(tài)的一個連續(xù)發(fā)展系統(tǒng)，由低級發(fā)展為高級。對水生生物單種個體的生理、生態(tài)和毒理研究都是十分必要，但它是在實驗室的單純而穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行的結(jié)果，故缺少天然的有機聯(lián)

48、系。即使對某一種類的生物學(xué)有了全面的了解，亦仍然不能預(yù)報與這—種類結(jié)合在一起的生物群落的影響。作為常規(guī)的方法，對具有經(jīng)濟價值的種類只能用生活史中的某個階段為試驗材料。同一種魚，其大小、年齡、不同發(fā)育階段、個體差異對同一化學(xué)毒物有不同的反應(yīng)。于是就逐漸發(fā)展為用種群評價水質(zhì)。用魚類種群進(jìn)行生物測試或作為監(jiān)測生物在取材方面是太困難了。為了解魚類種群的生長情況，就要求大量的個體，而過度的捕魚其本身也是對天然群落的一種干擾。,群落結(jié)構(gòu)階段-2,可

49、用低等的微型生物種群進(jìn)行監(jiān)測。如用小球藻、梨形四膜蟲、草履蟲的純種培養(yǎng)為材料，進(jìn)行生物測試。測定該種群半存活率的毒物濃度，或測定廢水引起該種群半存活率的時間。種群級測定比起個體級測定已是發(fā)展了一步，但畢竟在不同的種類中，種群級的反應(yīng)也各不相同。用幾個種群的反應(yīng)來評定污染脅迫對群落的結(jié)構(gòu)和功能的影響，還是不足的。如果把目標(biāo)直接對準(zhǔn)微型生物的群落，這些微型生物對較高等的水生生物有很大的影響，通過它又影響整個水生生物群落。最初應(yīng)用種類的多樣性

50、指數(shù)來揭示群落的結(jié)構(gòu)特點。多樣性指數(shù)是反映群落中的種類數(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。因為群落對污染脅迫的反應(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，種類數(shù)多而個體數(shù)的幅度相當(dāng)窄(圖13．1a)。隨著污染脅迫的增加，種類數(shù)下降，同時發(fā)生少數(shù)種類的個體數(shù)增加、幅度變寬(圖13．1b)。如果脅迫再不斷增加，大多數(shù)種類都受到影響甚至消失，密度也下降(圖13．1c)。即使在

51、極端污染的情況下，完全沒有藻類和原生動物的可能性還是很少的。藻類和原生動物能占領(lǐng)十分不同的生態(tài)位。有些化學(xué)毒物幾乎達(dá)到殺菌的條件，還能發(fā)現(xiàn)某些特別的原生動物和藻類可以入侵并忍受。這就是群落結(jié)構(gòu)的變化。,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，在污染水體中以異養(yǎng)性生物占優(yōu)勢。公式為：HI＝BATP(mg/L)/葉

52、綠素a(mg/L)，BATP(mg/L)＝ATP〔μg/L〕/2400這個公式是根據(jù)1mg干重有機物中有2.4μg ATP，把用ATP光度計測得的量(μg/L)除以2400，即可估算出有多少干重的有機物(mg/L)。因為ATP只存在于有生命的細(xì)胞中，用ATP來代表活的生物量。其理由是①所有的動、植物細(xì)胞均含ATP；②ATP和細(xì)胞有機碳之比例相對穩(wěn)定；③在死的細(xì)胞中無ATP；④在環(huán)境正常波動下ATP在細(xì)胞內(nèi)的含量不會改變很大；⑤在不同的生

53、長期，ATP不會有明顯的偏離；⑥在以細(xì)胞有機碳和ATP之比例穩(wěn)定的基礎(chǔ)上估計的生物量，要比測總的有機碳更為合理。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)，故我們稱之為Heterotrophy Index(簡稱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。為了了解整個生態(tài)系對脅迫的反應(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)，其

54、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，只對末受干擾的生態(tài)系中有較多的研究。,3．群落功能階段,第三階段是用群落的功能來評定水質(zhì)。為了建立水體監(jiān)測有用的標(biāo)難，必須了解正 常情況下群落結(jié)構(gòu)和功能變化的機制。如果一個河、湖被污染，我們可以用群落結(jié)構(gòu)上的變化來偵察其污染程度。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，也即整個群落的機制。群落的

55、結(jié)構(gòu)反映出種類和數(shù)量的差別，群落的功能反映出它們的生命活動。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、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)速度、濾食速度、群集速度等。,對生態(tài)系脅迫的結(jié)構(gòu)功能反應(yīng),從理論上說，對生態(tài)系脅迫的結(jié)構(gòu)功能反應(yīng)有三種基本類型。 (1)結(jié)構(gòu)改變沒有伴隨功能改變 例如有些種類消失了，但一定的群落功能沒有消失，因為存活的種類能夠履行消失種類同樣的功能。 (2)功能改變

56、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(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 來預(yù)報功能信息。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))，同時就引起功能復(fù)合性的下降(減少了能量或營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移的通途)。,PFUf法,由于生態(tài)系的自動平衡機制(homeostatic machanism)之故，結(jié)構(gòu)與功能所受的影響可能是不

57、同的。結(jié)構(gòu)與功能對環(huán)境變化的反應(yīng)也不會是一致的。就功能本身而言，對環(huán)境的反應(yīng)比較一致，很少變異。故環(huán)境只要有一點變化，功能即可作出反應(yīng)，可以測出統(tǒng)計學(xué)上比較正確可靠的數(shù)據(jù)，可以十分成功地鑒別干擾。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行某項分析時，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。 在我國首次通過的《水質(zhì)——微型生物群落監(jiān)測——PFUf法》國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T12990—91)是群落級的生物監(jiān)測方法。這個方法之所以被國家環(huán)保局采納為

58、國家標(biāo)準(zhǔn)，因為它能達(dá)到和理、化監(jiān)測相同的結(jié)果，并且具有經(jīng)濟、快速、正確的優(yōu)點。在一項由加拿大國際發(fā)展研究中心(IDRC)資助的國際合作項目中表明了PFU法在漢江的污染監(jiān)測中所采用的微型生物群落的4個參數(shù)(原生動物種數(shù)、植物性鞭毛蟲的百分比、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)計學(xué)上呈顯著性相關(guān)(沈韞芬等1995)。,三、用毒理學(xué)方法進(jìn)行生物學(xué)監(jiān)測,鑒于一切污染物毒性的強弱必需通過生物監(jiān)測才能獲得。生物監(jiān)測必需將室內(nèi)毒性試驗和

59、野外生物監(jiān)測結(jié)合，才能達(dá)到保護環(huán)境的目的。,(一)毒性試驗,生物監(jiān)測最常采用的一種形式是生物測試(bioassay)，現(xiàn)常稱為毒性試驗(toxicity test)，它是指某種污染物毒性的強度是由活的有機體對它的反應(yīng)如何而決定的一種試驗，可分為急性、慢性毒性試驗和生物積累試驗等。,1．急性毒性試驗（acute toxicity test）,測定一種毒物在不同濃度時，在24、48、96小時期間內(nèi)的相對致死性。試驗的設(shè)計是為了得出該毒物在限

60、定時間內(nèi)能影響一定百分比(例如50％)受試生物個體死亡的最高濃度，也即是臨界濃度。受試生物曝露在分等級的、按對數(shù)系列的廢物濃度中．再觀察生物對它的反應(yīng)如何，常用死亡率或功能損傷(在無法判斷死亡率的情況下．例如在螺的試驗中，就采用貼在水槽壁上的螺有多少掉落下來，以表示損傷)來表示對毒物的反應(yīng)，并要求對照組中受試生物的反應(yīng)要＜10％，毒性試驗才有效。在用死亡率時，用致死濃度(lethal concentration, LC)來表示，指在限定

61、時間內(nèi)對種群的一定比例所產(chǎn)生的致死效應(yīng)。48h—LC50是指48小時內(nèi)對種群中50％的個體產(chǎn)生致死效應(yīng)的濃度。,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來表示，死亡率的縱坐標(biāo)用％來表示，就可以得到

62、一條理想的劑量反應(yīng)曲線dose-response curve)(圖13.2a)，這個圖形是累加的正態(tài)分布，它描述了在一個受試生物的種群中，在低濃度毒物中只有少數(shù)個體無法忍受而致死，在高濃度毒物中只有少數(shù)個體能忍受而存活，而在中濃度毒物中，大多數(shù)個體都死亡。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)來表示，則上述的劑量反應(yīng)曲線就變成直線相關(guān)，稱為劑量反應(yīng)線(dose-response line)(圖13.2

63、b)。這條直線也可稱之為對數(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)行的試驗數(shù)據(jù)用對數(shù)-概率畫出來的線不是直線，說明它不呈正態(tài)分布．從這些數(shù)據(jù)中計算的LC50是沒有意義的，要尋找技術(shù)上的原因。在獲得了劑量反應(yīng)曲線以后，還要考慮時間—劑量的相互作用(time-dose interaction)。死亡率決定于毒物濃度和曝露時間的長短，有機體通常能忍受短期的大劑量和隨時間遞增而逐步地忍

64、受小劑量。在較長期的曝露后，能對毒性產(chǎn)生延遲效應(yīng)(lag effect)。,LC50,LC50不是一種對毒性的絕對的、定量的描述，它只是說明了種群在一定時間、一定環(huán)境下對毒物的反應(yīng)幅度。如果用同一種受試生物，相對不同廢水進(jìn)行試驗，就會有不同的LC50。如果用不同種類的生物對同一種廢水進(jìn)行試驗，也會有不同的LC50。因此獲得的毒性也是相對的，受試生物的敏感性也是相對的。,2．慢性毒性試驗,有些毒物在長期低濃度時也能積累毒性，從而引起長期效

65、應(yīng)，巳用—般毒性試驗方法是無法偵察的，這時須采用慢性毒性試驗(chronic toxicity)的方法，也稱長期的、亞致死毒性試驗(long-term sublethal toxicity test)。慢性毒性試驗是為了取得各種濃度的毒物對機體的生存、生長、繁殖過程能產(chǎn)生什么效應(yīng)的—種試驗。它的測試項目很多，典型的包括測量生長(體長和體重)、存活時間、幼體產(chǎn)生的數(shù)量、孵化過程、畸變的類型和百分比等，這些測定都是曝露在不同濃度下進(jìn)行的，試

66、驗的時間根據(jù)受試生物而異，對藻類和原生動物是幾小時至幾天，對小的無脊椎動物是幾星期，對大的元脊椎動物和魚是幾個月乃至一年以上。它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，以估計對繁殖、生長、發(fā)育的效應(yīng)。,3. 生物積累試驗,生物積累是指某些毒物的濃度在生物組織內(nèi)可積累到比周圍水體的毒物濃度高出許 多倍。生物積累至少包括兩個過程：①生物濃縮；②生物放大。生物積累試驗(bioa

67、cumulation test)是對慢性毒性試驗的重要補充。,4．毒性試驗中要考慮的幾個問題,(1)毒性試驗的目的 進(jìn)行毒性試驗的目的是為了能對污染管理提供可靠的信息，一是用于預(yù)報廢水的環(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，它必須能回答以下幾個問題：①該廢水對受試生物的致死濃度。②該廢水在亞致死濃度時，對受試生物生活史的部分和整體所產(chǎn)生的效應(yīng)。③廢水中有許多成分，判斷出何種

68、成分最毒。④因為在自然水體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。⑤廢水進(jìn)入自然水體中，會因理化因子不同而呈不同的毒性，室內(nèi)試驗應(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，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。⑥萬一工廠廢水中的毒物出現(xiàn)突然高濃度沖擊或溢流時，對受納系統(tǒng)會產(chǎn)生伺種方式的短期效應(yīng)?？傊?，通過毒性試驗應(yīng)當(dāng)正確地回答，該種化學(xué)品可按受的濃度是多少。,(2)受試