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二、水与废水的生物监测 张敏 学号：040506025 分子生物监测 • PCR技术 • 生物标记物biomarker分析 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. 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。 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. 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 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。 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44-44.5℃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。 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44.5℃，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 44.5℃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44.5℃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。 水环境的生态监测方法 水生态系统初级生产力的测定 • 叶绿素a的测定：叶绿素A是植物光合作中的重要 光合色素。通过测定小体中浮游植物叶绿素a，可 掌握水体的初级生产力的情况。在环境监测中， 可将叶绿素a含量作为湖泊富营养化的指标之一。 • 黑白瓶测氧法：比较在有光照和无光照情况下， 水中氧气含量的变化来决定光合作用与呼吸作用 的强度。 指示生物 Indicator Organism法 • 被用来监测评价环境质量及其变化、污染程 度的生物称作指示生物。 • 已用指示生物作为监测气象、水土、周围环 境污染程度。 • 现在所指的指示生物包括自然指示生物、活 性污泥指示生物和有毒物质指示生物等。 指示生物法 • 原理：水体受到污染后，水生生物的群落结构和 个体数量就会发生变化，最终结果是敏感生物消 亡，抗性生物旺盛生长，群落结构单一，这是生 物群落监测法的理论依据。 • 水污染指示生物： • 水污染指示生物是指能对水体中污染物产生各种 定性、定量反应的生物。 浮游生物 • 浮游生物：悬浮在水体中的生物，可分为浮 游动物（原生动物），浮游植物（藻类）两 大类。多数个体小，游泳能力弱或完全没有 游泳能力，过着随波逐流的生活。是水生食 物链的基础，它们对环境变化反应很敏感。 浮游生物监测实例 • 利用白洋淀水体中浮游动物群落优势种的变化来判断水体 的污染程度和自净程度。 • 结果表明，府河—白洋淀水体从上游至下游，浮游动物耐 污种类逐渐减少，广布型种类逐渐出现较多，在下游许多 正常水体出现的种类均有分布；同时，原生动物由上游的 鞭毛虫至中游出现纤毛虫，在下游则发现很多一般分布在 清洁型水体的种类，表明府河—白洋淀水体从上游到下游 水体的污染程度不断减轻，水体具有明显而稳定的自净功 能。 着生生物 • 附着于长期浸没于水中的各种基质（动物、 植物、石头、人工）表面上的有机体群落， 如细菌、真菌、藻类、原生动物、轮虫、 甲壳虫……甚至鱼卵和幼鱼，它们对水体 污染的反应很敏感。 底栖动物 • 指栖息在水体底部淤泥内、石块或砾石表面及其间隙中， 以及附着在水生植物之间的肉眼可见的水生无脊椎动物， 其体长超过2mm。 • 它们的移动能力差，故在正常的环境下比较稳定的水体中， 种类比较多，每个种的个体、数量适当，群落结构稳定。 当水体受污染时，其群落结构便发生变化。严重的有机污 染和毒物污染会使多数较为敏感的种类和不适应缺氧的种 类逐渐消灭，而耐污染的种类成为优势种。 鱼类 鱼类对水体受污染的反应，比上述生物可能更 敏感，所以鱼类品种的变化、及个体数量的变化， 能够全面的反映水体的总体质量 最后一条人 工饲养的白 鳍豚“淇 淇”，已于 2002年7月 死亡 传说中的长江鲥鱼 污水生物系统法 • 污水生物系统法是由Kolkwiz 和 Marsson 1909年提出，后 经完善的一种用于河流污染、尤其是有机污染的监测方法。 由于河流受污染后，在污染源下游的一段流程里会发生自 净过程，生物的种类组成也随之发生变化，在不同河段将 出现不同的物种。 • 根据生物种类组成可划分为： • 多污带 • α-中污带 （强中污带） • β-中污带 （弱中污带） • 寡污染带 污水系统生物学、化学特征表 污水系统生物学、化学特征续表一 污水系统生物学、化学特征续表二 PFU 法 • PFU法（水质微型生物群落监测PFU法Water qualityMicrobial community biomonitoring--PFU method）是 用取氨酯泡沫塑料块采集水域中微生物和测定其群集 速度来监测和评价环境质量状况的一种方法。1969年 由美国 Cairns 等人建立。国内自80年代开始将这种方 法用于污染水体的监测和评价。 PFU法原理 • 微型生物群落在水生态系统中客观存在。用PFU浸泡水中， 曝露一定时间后，水体中大部分微型生物种类均可群集到 PFU内，挤出的水样能代表该水体中的微型生物群落。 • 已证明原生动物(包括植物性鞭毛虫、动物性鞭毛虫、肉足虫 和纤毛虫)在群集过程中符合生态学上的MacArthur－Wilson岛 屿区域地理平衡模型，由此可求出群集过程中的三个功能参 数(Seq、G、T90％)。在生物组建水平中，群落水平高于种和 种群水平，因而在群落水平上的生物监测和毒性试验比种和 种群水平更具有环境真实性，为环境管理部门提供符合客观 环境的结构和功能参数，作出科学的判断。 种类多样性指数 s ni ni d log2 N i 1 N • 值 <1 严重污染 1～3 >3.0 中等污染 清洁 N：单位面积监测区收集到各类动物总个数。 ni：单位面积监测区收集到第i种动物个数。 S：收集到的动物种类数 贝克生物指数法 • 运用计算公式反映生物种群或 群落结构变化，以评价水环境 质量的数值。 • 贝 克 （ Beck ） 生 物 指 数 法 （1995年提出） • 生物指数（BI）=2nA+nb • A：敏感种类，污染情况下从未 发现。 • B：耐污种类 • n：底栖大型无脊椎动物的种类 BI值意义 0 1～6 10～40 严重污 中等污 清洁区 染区域 染区域 域