第六章 污染生态诊断与监测分析随着现代科学技术的发展，特别是计算机技随着现代科学技术的发展，特别是计算机技术、遥感技术和生物技术的应用，导致了污术、遥感技术和生物技术的应用，导致了污染生态诊断方法和监测分析设备的不断改进，染生态诊断方法和监测分析设备的不断改进，从而使污染生态学不断向前发展。从而使污染生态学不断向前发展。1.1.污染生态诊断污染生态诊断概念：概念：生态系统污染诊断：生态系统污染诊断：就是就是诊断生态系统质量的优劣诊断生态系统质量的优劣，即按照一套综，即按照一套综合会诊程序和行之有效的检验方法合会诊程序和行之有效的检验方法( (物理法、物理法、化学法、生物学方法及生态毒理学方法等化学法、生物学方法及生态毒理学方法等) )对对一定区域内的生态系统质量进行说明、评定和一定区域内的生态系统质量进行说明、评定和预测。预测。生态系统质量：生态系统质量：就是环境要素就是环境要素( (水体、大气和土壤等水体、大气和土壤等) )和生物组和生物组分受到污染的程度分受到污染的程度。生态系统污染诊断的目的生态系统污染诊断的目的1) 了解区域生态系统质量状况及其各个时期的变化规了解区域生态系统质量状况及其各个时期的变化规律，为控制生态系统污染和治理重点污染源提出律，为控制生态系统污染和治理重点污染源提出要求；要求；2) 为制定生态规划、城市生态建设规划方案提供依据；为制定生态规划、城市生态建设规划方案提供依据；3) 为制定区域环境污染物排放标准、环境标准和环境为制定区域环境污染物排放标准、环境标准和环境法规等提供依据；法规等提供依据；4)生态系统质量诊断是环境管理工作的重要手段之一，生态系统质量诊断是环境管理工作的重要手段之一，为搞好环境管理提供依据。为搞好环境管理提供依据。污染生态诊断的意义污染生态诊断的意义及时了解生态系统受污染的程度及其变化的趋及时了解生态系统受污染的程度及其变化的趋势，以便给生态系统的健康状况势，以便给生态系统的健康状况“确诊确诊”然然后后“对症下药对症下药”，才能达到治理、修复污染的，才能达到治理、修复污染的生态系统。生态系统。生态系统污染诊断是生态系统质量评价的基础生态系统污染诊断是生态系统质量评价的基础和生态系统恢复预测的依据。和生态系统恢复预测的依据。污染生态诊断原理污染生态诊断原理1生态系统污染生态系统污染 生态环境问题的实质应该说是生态系统的污染生态环境问题的实质应该说是生态系统的污染。为了正确表述一个地区的生态系统质量，为了正确表述一个地区的生态系统质量，首先首先要根据污染物的时间和空间分布的特点考虑要根据污染物的时间和空间分布的特点考虑如何科学地设置采样点，确定适当的采样频率如何科学地设置采样点，确定适当的采样频率保证以后测定结果准确无误。保证以后测定结果准确无误。2.生态系统污染衡量标准生态系统污染衡量标准 (1)环境背景值环境背景值 环境背景值是指环境要素在未受污染的情况下，环境背景值是指环境要素在未受污染的情况下，环境本身环境本身所固有的元素含量以及环境中能量分布的正常值所固有的元素含量以及环境中能量分布的正常值。可作为诊。可作为诊断生态系统污染程度的参照值断生态系统污染程度的参照值。环境背景值实际上是相对不受直接污染情况下环境要素的基本环境背景值实际上是相对不受直接污染情况下环境要素的基本化学组成。化学组成。土壤背景值土壤背景值是在不受或少受人类活动影响和现代工业污染与破是在不受或少受人类活动影响和现代工业污染与破坏的情况下，坏的情况下，土壤原来固有的化学组成和结构特征土壤原来固有的化学组成和结构特征。土壤元素。土壤元素的背景值是统计性的，它是一个范围值，而不是一个确定值。的背景值是统计性的，它是一个范围值，而不是一个确定值。植物的背景值植物的背景值是指在良好的环境条件是指在良好的环境条件下生长于具有背景值的土下生长于具有背景值的土壤中某一植物的可食部分的化学组成和营养特征壤中某一植物的可食部分的化学组成和营养特征这里所指的这里所指的良好环境条件包括正常情况下的水、肥、气候等诸因素。良好环境条件包括正常情况下的水、肥、气候等诸因素。(2)环境质量标准环境质量标准 环境质量标准环境质量标准是国家为保护人群健康和生存环境，对是国家为保护人群健康和生存环境，对环境要素中有害物容许含量所作的规定体现了国家环境要素中有害物容许含量所作的规定体现了国家的环境保护政策和要求以及经济和技术发展的水平。的环境保护政策和要求以及经济和技术发展的水平。环境质量一般分为环境质量一般分为水质标准、大气质量标准、土壤质水质标准、大气质量标准、土壤质量标准和生物质量标准量标准和生物质量标准。制定环境质量标准的主要科学依据是制定环境质量标准的主要科学依据是环境质量基准环境质量基准。环境质量基准和环境质量标准是两个不同的概念环境质量基准和环境质量标准是两个不同的概念，前，前者是由化学物暴露对象之间的剂量者是由化学物暴露对象之间的剂量效应关系确定的，效应关系确定的，不考虑社会、经济、技术等人为因素，不具有法律效不考虑社会、经济、技术等人为因素，不具有法律效力；而后者是以前者为依据，并考虑社会、经济和技力；而后者是以前者为依据，并考虑社会、经济和技术因素，经过综合分析而制定的，由国家管理机关颁术因素，经过综合分析而制定的，由国家管理机关颁布，具有法律的效力。布，具有法律的效力。 (3)环境容量环境容量 环境容量是以生态系统为基础，在一定区域与一定期限内，环境容量是以生态系统为基础，在一定区域与一定期限内，遵循环境质量标准，既保证农产品生物学质量，同时也不使环遵循环境质量标准，既保证农产品生物学质量，同时也不使环境遭致污染时，境遭致污染时，环境所能容纳污染物的最大负荷环境所能容纳污染物的最大负荷。环境容量是对污染物进行总量控制与环境管理的重要手段，环境容量是对污染物进行总量控制与环境管理的重要手段， 它对损害或破坏环境质量的人类活动，施加数量上的限制，以它对损害或破坏环境质量的人类活动，施加数量上的限制，以求人的活动符合自然规律，从而进一步要求污染物的排放，必求人的活动符合自然规律，从而进一步要求污染物的排放，必须限制在允许限度内，既能发挥土壤的净化功能又保证该系须限制在允许限度内，既能发挥土壤的净化功能又保证该系统处于良性循环状态。统处于良性循环状态。环境容量是自然环境的基本属性之一，由自然环境特性和污染环境容量是自然环境的基本属性之一，由自然环境特性和污染物质特性所共同确定的。物质特性所共同确定的。（4）临界浓度）临界浓度是指环境中某种污染物对人或其他生物不产生不良或有害影响是指环境中某种污染物对人或其他生物不产生不良或有害影响的最大剂量或浓度。的最大剂量或浓度。按作用对象的不同可分为按作用对象的不同可分为：卫生临界浓度卫生临界浓度(对人群健康的影响对人群健康的影响)；生态临界浓度生态临界浓度(对动植物及生态系统的影响对动植物及生态系统的影响)物理临界浓度物理临界浓度(对材料、能见度、气候等的影响对材料、能见度、气候等的影响)。临界浓度确定方法：临界浓度确定方法：生态地球化学法；生态地球化学法；生态环境效应法；生态环境效应法；(5)(5)污染严重程度污染严重程度在土壤在土壤植物系统污染生态评价中，采用既考虑污染植物系统污染生态评价中，采用既考虑污染物的毒理学性质和生态效应，又考虑污染物的环境效物的毒理学性质和生态效应，又考虑污染物的环境效应的区域土壤的临界浓度作为评价标准。应的区域土壤的临界浓度作为评价标准。采用采用指数评价法指数评价法，将污染严重程度分为不同级别。，将污染严重程度分为不同级别。三、污染生态诊断方法三、污染生态诊断方法1敏感植物指示法敏感植物指示法 当生态系统受到污染后，利用植物对污染的生态反应和生理生化反应“信号”，可以诊断生态系统被污染的状况。 (1)症状法植物受到污染影响后，常常会在植物形态上，尤其是叶片上出现肉眼可见的伤害症状，即可见症状。不同的污染物质和浓度所产生的症状及程度各不相同。根据敏感植物在不同环境下叶片的受害症状、程度、颜色变化和受害面积等指标，来指示生态系统的污染程度，以诊断主要污染物的种类和范围。(2)生长量法生长量法利用植物在污染生态区和清洁区生长量的差异来诊断和评价生态系统污染状况。一般影响指数越大，说明生态系统污染越严重。 (3)清洁度指标法清洁度指标法是指利用敏感植物种类、数量和分布的变化，来指示大气环境的污染状况。通常指数越大，说明空气质量越好。(4)种子发芽和根伸长的毒性试验种子发芽和根伸长的毒性试验本方法可用于测定受试物对陆生植物种子萌发和根部伸长的抑制作用，以诊断受试物对陆生植物胚胎发育的影响。 (5)陆生植物生长试验 本测试可用于诊断受试物对陆生植物毒性、生态效应，估计受试物对植物生长及生产力的影响。 (6)生活力指标法 此方法是利用植物在生态系统中生长发育所受到的影响来诊断生态系统的污染状况。2敏感动物指示法敏感动物指示法 (1)蚯蚓指示法 选用蚯蚓进行筛选试验是为了诊断污染生态系统中化学物质对土壤中动物的急性伤害。 (2)鱼类回避试验鱼类回避试验 回避反应是鱼类行为方式之一。污染引起的生物回避，可使水环境中的水生生物种类，区系分布随之改变，从而打破了生态系统的平衡。利用生物行为反应进行污染生态诊断，可以检出低浓度的污染物。 生物回避性能是由于外界环境作用于其感官系统，信息再传递到中枢神经系统所引起的。目前对污染物产生回避反应的水生动物种类主要有鱼、虾、蟹。还有水生昆虫等也有一定回避能力。(深水集团)3发光细菌诊断法发光细菌诊断法原理：明亮发光杆菌(Photobacterium phosphoreum)在正常生活状态下，体内荧光素(FMN)在有氧参与时，经荧光酶的作用会产生荧光，光的峰值在490nm左右。当当细胞活性高时，细胞内细胞活性高时，细胞内ATPATP含量高，发光强；休眠细含量高，发光强；休眠细胞胞ATPATP含量明显下降，发光弱；当细胞死亡，含量明显下降，发光弱；当细胞死亡，ATPATP立即立即消失，发光即停止。消失，发光即停止。 处于活性期的发光菌，当受到外界毒性物质(如重金属离子、氯代芳烃等有机毒物、农药、染料等化学物质)的影响，菌体就会受抑甚至死亡，体内ATP含量也随之降低甚至消失，发光减弱甚至到零，并呈线性相关。4.物理诊断法物理诊断法通过物理方法测定水的温度(热污染)、颜色、味道等物理性质来确诊环境介质的健康状况，为污染生态评价和恢复预测提供科学依据。5.化学诊断法化学诊断法用化学分析方法诊断生态系统的污染情况，称为化学诊断法。化学分析方法是以物质的化学性质和化学反应为基础的分析方法。 国际学术联合会环境问题科学委员会提出生态系统应测定下列污染物质：第一类，包括汞、铅、镉、DDT及其代谢产物与分解产物，多氯联苯(PCB)；第二类，为石油产品、DDT以外的长效性有机氯，四氯化碳醋酸衍生物氯化脂肪族，砷、锌、硒、铬、钒、锰、镍，有机磷化合物及其他活性物质(抗菌素、激素、致畸性物质、催畸性物质和诱变物质)等。6.遥感诊断法遥感诊断法 遥感技术是指从遥远的地方，对所要研究的对象进行探测的技术。即从一定距离外对地壳或地下一定深度的目标进行探测。遥感技术能够监测全球性大气、土壤、水质、植物污染、掌握污染源的位置、污染物的性质及其扩散的动态变化，及时了解污染物对生态系统的影响，从而采取积极的防护措施。水质污染诊断；土壤污染诊断；植物污染诊断；卫星定位卫星定位与定轨与定轨遥感信遥感信息传输息传输目标提取与识别目标提取与识别(自动化、智能化自动化、智能化)数据处理数据处理(高光谱、高分辨率、雷达高光谱、高分辨率、雷达)分发分发多源数据融合与集成多源数据融合与集成遥感成像机遥感成像机理与模型理与模型用户用户各各应用部门应用部门水污染监测水污染的类型和遥感表征水环境监测水环境监测l利用航空热红外扫描图像确定热电厂排水口处利用航空热红外扫描图像确定热电厂排水口处水体的热污染；水体的热污染； l利用利用SARSAR图像确定海面油污染的范围及用红外扫图像确定海面油污染的范围及用红外扫描仪确定油膜的厚度；描仪确定油膜的厚度； l利用利用TMTM图像确定水生物图像确定水生物( (藻类藻类) )、赤潮的范围等、赤潮的范围等等都是遥感技术应用的例子。等都是遥感技术应用的例子。l近近1010年，在水质量定量监测方面的研究有了长年，在水质量定量监测方面的研究有了长足的进步，采用高光谱对水体所含化学要素的足的进步，采用高光谱对水体所含化学要素的定量研究正在官厅水库和太湖进行，为进行大定量研究正在官厅水库和太湖进行，为进行大面积的水环境监测提供先进而价廉的方法，从面积的水环境监测提供先进而价廉的方法，从而取代传统的水样化验方法。而取代传统的水样化验方法。 2. 污染生态监测污染生态监测 污染生态监测是以生态系统为对象、运用物理的、化学的和生物的技术手段、对其中的污染物及其有关的组成成分进行定量的和系统的综合分析，以探索研究生态系统质量及其变化规律。污染生态监测的目的是：污染生态监测的目的是：根据污染物或其他影响生态系统质量因素的分布，追踪污染路线，寻找污染源寻找污染源；确定污染源所造成的污染影响，它在时间和空间上的分布规律及其发展、迁移和转化情况分布规律及其发展、迁移和转化情况；研究污染扩散模式和规律，为预测预报生态系统质量，控制生态系统污染和环境治理提供依据提供依据；收集生态系统本底值及其变化趋势数据，积累长期积累长期监测资料监测资料为保护人类健康和合理使用自然资源提供建议，为制定和修改环境标准提供数据为制定和修改环境标准提供数据。监测点和采样时间的选择监测点和采样时间的选择 污染生态监测的样品应该在具有代表性的时间、地点、按规定的采样要求采集、它必须能够反映实际情况。正确的采样是污染生态分析的首要问题。1.水样的采集水样的采集 水质监测的对象，具体地讲是指河流、湖泊、水库、海洋以及经人类加工的工业用水、排放水和生活饮用水等。布点原则；布点方法；1）.江河水系的布点方法：单点布设法；三点布设法；多断面布设法；2）湖泊水库的布点方法3）工业废水采样点水样采集频率1）水系的采样；2) 废水样品的采集：瞬时水样、平均水样、平均比例水平水样。水样采样量2.土壤污染监测土壤污染监测(1)土壤监测的特点； 土壤中污染组分的测定属痕量分析和超痕量分析需注意测定结果的准确性；(2)污染土壤样品采样点的布置；(3)采样时间(4)采样深度 (5)采样量(6)采样时注意事项污染生态监测程序及质量保征污染生态监测程序及质量保征程序：程序： 主要包括现场调查、样品分析、生态实验、室内毒性实验、结果计算、数据统计，检测生物样品的残毒水平，编写报告。质量保证污染生态监测质量保证是整个监测过程的全面质量管理，包含了保证污染生态监测数据正确可靠的全部活动和措施。3.污染生态分析方法污染生态分析方法3.1.化学分析法化学分析法 化学分析法是以污染物质的化学性质和化学反应为基础的分析方法。分为重量分析法：根据称量反应生成物的重量来确定试样中待测组分物质含量的方法。容量分析法：就是用一种已知浓度的试剂溶液滴加至被测物的溶液中，直至化学反应完全为止，然后由试剂溶液的用量和浓度算出被测物的含量。包括：酸碱滴定法；氧化还原滴定法；络合滴定法；沉淀滴定法。3.2 光谱分析法光谱分析法分光光度法：分光光度法是利用棱镜或光栅等单色器来获得单色光并对待测物质的吸光能力进行测定的方法。原子吸收分光光度法：又称原子吸收光谱法，简称AAS。它是基于待测组分的基态原子对待测元素的特征谱线的吸收程度，来进行定量分析的一种方法。荧光分析法： 物质吸收激发光的能量后而处于电子激发态，再以辐射的方式放出光能。当激发光停止照射后，其发光过程几乎立即停止，则这种发光现象称为荧光。物质因所接受的电磁辐射能量大小不同所发射的荧光强度也就不同。3.3色谱分析法色谱分析法 色谱技术是基于一相(流动相)流过另一相(固定相)时混合物中各组分在互不相溶的两相之间有不同的分配系数，当两相作相对运动时混合物中各组分在两相间经反复多次的分配，使得原来分配系数只有微小差别的各组分产生很大的分离效果，从而将各组分分离开来。气相色谱法(GC)：水中污染物分析， 以及空气、水体 土壤、植株、食品等样品中的无机、有机污染物组分。高效液相色谱法（HPLC）：可测定空气、土壤、水样、食品、植物等样品中的六六六、DDT、地亚农、谷硫磷、倍硫磷、硝基酚。涕灭灵、五氯酚、亚乙酰硫脲、真菌毒索(黄曲霉素、棕曲霉素、桔舀素)等。离子色谱法（IC）：土壤中无机离子的分析，还可以分析水样、土壤、空气、植物、食品等样品的污染物。3.4酶学分析法酶学分析法1过氧化物同工酶作为植物硒中毒早期评价指标；大量研究证实POD同工酶作为一种适应性酶，能反映植物生长发育的特点、体内代谢状况以及对外界环境的适应性。因此可以反映环境影响与植物生理代谢的关系。2过氧化氢酶活性及活性抑制的测定；由于此酶可分解有机质降解过程中向土壤释放的过氧化氢或生物体内的过氧化氢，防止其对生物体的毒害作用，因此可作为了解土壤有机质状况、微生物数量、植物代谢强度及抗病能力的参数。在水生生态毒理学中，可用于估计受试化学品对水生生物的急性和亚急性效应。