inct_水生昆蟲與水質的生物監測

2023年12月7日發(作者：rods)

萊陽農學院學報　18(1):66～70,2001JournalofLaiyangAgriculturalCollege　文章編號:1001-3717(2001)01-0066-05Ξ水生昆蟲與水質的生物監測徐希蓮(中國農業大學昆蟲學系,北京100094)世界的水資源為13.5億km3,其中96.5%是海水,2.8%是淡水。扣除冰川和冰山后,可利用的淡水少于1%。而現在世界上1/3的水受到化肥和有害化學產品的污染。在生態環境日益受到人們重視的今天,水污染也相應地引起越來越多的關注。水污染是指“人為地引起的、導致水的任(Warren,1971)。消除或減輕污染,不僅取決于治何有益利用的適合性遭受任何損害的水質改變”理,而且還取決于對環境的有效的監測,以便適時采取控制措施,并檢驗所采取的措施是否有效(Odum,1971)。所謂生物監測簡單說就是利用生物對環境變化所產生的反應來評價、監測環境質量,從生物學的角度為環境的監測提供依據。生物與環境是相互作用的統一整體,環境中的各種理、化條件的改變直接影響到生活在該環境中的生物,影響到生物體的內部功能和種間關系,以至破壞生態平衡。而生物又不斷地影響改變著環境。二者相互依存,協同進化,生物與其環境的這種統一性和協同進化是環境質量生物監測的生物學基礎。環境質量和其它環境條件改變的強度是隨時間而變化的,因此,長期連續的檢測比理化監測的定期取樣觀測更能反映環境質量變化的全貌。生物監測具有時效性、綜合性和敏感性,能反映整個時期中環境因素改變的情況,以及各環境因素變化的協同和拮抗作用的結果,所以,在監測環境質量上,生物是一個理想的檢測工具。Patrick(1949)曾把用于監測的生物分成7類:①藍綠藻和部分綠藻,一些輪蟲;②寡毛類(水蚯蚓)、螞蟥、肺螺類;③原生動物;④硅藻、紅藻和大部分綠藻;⑤輪蟲、蜆、螺和三腸目蠕蟲;⑥昆蟲與甲殼動物;⑦魚類。我國國家環保局1986年曾制定水環境野外監測的技術規范,其中規定野外監測的生物群落有5種,即:①浮游動物;②浮游植物;③著生生物;④底棲動物;⑤水生維管植物。其中水生昆蟲在浮游動物和底棲動物中都占有很大的比重。1　水生昆蟲由于水生昆蟲個體較大,種類多,數量大,易于鑒定,耐受范圍廣,相對于魚類其活動范圍較小,對污染的逃避能力弱,加之對環境變化比較敏感等特點,其群落結構可對污染源作出靈敏的反應。利用水生昆蟲進行水質監測和評價是水質生物監測的主要手段之一(Moretal.,1994),也是昆蟲學在實際應用中的一個新領域。這方面的研究工作在國外至少已有50年的歷史(Moretal.,1994),而我國目前尚處于起步階段,主要以浮游生物,軟體動物,水蚤,魚類等為研究對象(劉保元等,1981;杞桑等,1982;楊潼等,1986;任淑智,1991)。1.1　水生昆蟲類群不同種類的水生昆蟲對水體污染的適應能力不同,有的種類只適宜在清潔水中生活,而有些則可以生活在污染的水中。水生昆蟲種類組成和種群結構的變化標志著水質變化的程度,因此利用Ξ收稿日期:2000-08-24作者簡介:徐希蓮(1975-),女,山東萊蕪人,萊陽農學院植保系98屆畢業生,現為中國農業大學在讀碩士研究生,主要進行昆蟲半翅目功能形態學的研究。1期　　　　　　　　　　　　　徐希蓮:水生昆蟲與水質的生物監測　　　　　　　　　　　　　67水生昆蟲對水質污染的耐受性高低不同,就可以評價水體被污染的狀況。正是基于這種原理,水生昆蟲已成為水質生物監測的主要手段之一。根據昆蟲耐受性和敏感性的差別,用來進行水質監測的水生昆蟲有:蜉蝣目、　翅目、毛翅目,這是分布廣泛、對水質敏感、應用最多的三大類群;另外,在各種不同的水域中曾先后有人研究過鞘翅目、半翅目、雙翅目、鱗翅目、蜻蜓目、廣翅目、脈翅目、彈尾目等共11個目的100多種水生昆蟲。原則上都可用于水質監測。水生昆蟲可分為水生和半水生兩大類。而按傳統的昆蟲分類法,除了無翅亞綱的彈尾目,有翅亞綱的水生昆蟲也分外翅部和內翅部。外翅部包括直翅目(蚤螻科)、半翅目(17科)、蜉蝣目(10科)、蜻蜓目(16科)、　翅目(9科);內翅部則有毛翅目、脈翅目(水蛉科)、膜翅目(潛水姬蜂科)、鱗翅目(如螟蛾科的水螟亞科)、長翅目(Nannochoristidae)、鞘翅目(13科)、廣翅目和雙翅目(27科)共8個目。其中種類最多的是鞘翅目,有近1萬種,絕大多數成、幼蟲均水生。而研究最多、最深入的則數雙翅目,已涉及27個科。1.2　水生昆蟲的采集根據不同的生境,水生昆蟲采集所用工具也有差異。主要有手工濾網,D-形網,筒狀采集器,Hess取樣器,人工基質采樣器,索伯網,水網等等,同時由于采樣的目的不同(定性或定量),采集工具也稍有不同。附表　水生昆蟲采集(定性)和取樣(定量)部分工具比較HabitatShallowdiments(water<0.3m)StreamPondShallowdiments(water0.3-1.5m)Shallowdiments(water>1.5m)Deepdiments(water<3m)HandacreenorAquaticnetAquaticnetAquaticnetArtificialsubstrateHoledugindimentsjustaboveshorelineoruofpopesamplerRocks,logs,andotherstableobjectsPlantfoliageMovingwaterWatersurfaceSurroundingairPickindividualsspecimensbyhandAquaticnetDriftnetAquaticnetSweepnetorultravioletlightorMalaitrapCalibratedartificialsubstrateorHesssamplerCalibratedartificialsubstrateorEckmangrabCalibratedartificialsubstrateorEckmangrabCalibratedartificialsubstrateorEckmangrabCalibratedartificialsubstrateimplantedindimentsorcalibratedpipesamplerTimedpickingofspecimensbyhandEnclosuresampleTimeddriftnetTimedaquaticnetEmergencetrapQualitativeCollectingQuantitativeSampling　　Mor,J.C.,Yang,cinctsofchinaufulformonitoringwaterquality.2　研究歷史和現狀20世紀初德國科學家Kolkwiz&Marsson(1908,1909)就提出了污水生物系統(saprobien2system)概念,從而發展出了用指示生物評價水體污染理論。“指示生物”的探索,在最初的生物監測中是很流行的。但隨著時間的推移,越來越多的研究者認識到單憑某一種或某幾種生物的存在與否來評價水體污染程度是很困難和不準確的,而應該研究生物群落的結構對污染的反應。近年來,許多研究集中于以大型底棲無脊椎動物種類及其組成情況來評價河川有機物污染的程度。Gaufin等(1959)根據調查指出,污染帶生物種類僅為清潔帶的1/5,但個體數遠大于清潔帶。國內這方面的工作起步較晚,但發展很快。目前的研究主要集中在3個方面:一是研究底棲動物(昆蟲)群落的結構并進行生態學分析或水質評價;二是研究水生昆蟲的多樣性及其水質生物評價。三是測定昆蟲體內毒物含量來檢測水污染,或用魚類和其它水生生物作急性或慢性毒性試驗,確定水體的安全濃度,制訂水質標準。萊　陽　農　學　院　學　報　　　　　　　　　　　　　　18卷68　　　　　　　　　　　　　　　2.1　水生昆蟲的群落結構與水質生物評價底棲大型無脊椎動物被認為比硅藻更適宜作為生物學指標之用(Gallupetal.,1970)。而水生昆蟲的種類和數量占底棲大型無脊椎動物的95%以上。水生昆蟲中已知某些紅色搖蚊幼蟲是嗜污性種類,而蜉蝣和毛翅目幼蟲是對污染敏感的種類。1927年,美國曾將河流分成三帶,其相應的指示生物為抵抗型,忍耐型和敏感型,代表分別為搖蚊幼蟲,肺螺類,石蠶、蜻蜓幼蟲、　翅目幼蟲、螺類、魚類等(Wilber,1971)。其中使用最多的還是搖蚊幼蟲。搖蚊科Chironomidae幼蟲廣泛分布于各種類型的水體中,種類多(3000多種),不同屬種對水生環境變化反應差異顯著(如有耐缺氧耐污的,有不耐缺氧不耐污的,有不耐缺氧不耐有機污染的等等),故多用于水質的生物監測。如根據其敏感品種進行湖的分類。Lindeman(1942)發現紅色搖蚊能耐低濃度溶氧,而Harnisch(1958)發現羽搖蚊Tendipesplumosus等在無氧情況下,其生活環境的水中,有機酸的種類數和總量大量增加。由搖蚊幼蟲分布所判斷的污染情況與溶氧及有機物耗氧量是一致的。故據此將湖分為不同的營養級。也有人研究搖蚊在不同污染環境中的形態畸變(主要是觸角和口器),試圖將畸變程度與污染程度直接聯系起來。2.2　水生昆蟲多樣性與水質生物評價直接調查江、河、湖等水中的昆蟲,或選取幾個樣點取樣,將采獲的水生昆蟲進行分類、統計,發現各生境的優勢種或群落,并進一步計算其各指標,從而對水質做出評價。這也是水生昆蟲水質監測的很重要的組成部分。我國水生昆蟲的研究主要集中在這一方面。如于力等(1997)用10年的時間在發源于長白山的幾條河流中調查水生昆蟲,共獲取標本一萬多個,隸屬于7目40科86屬166種。再如1991年,任淑智利用底棲動物群落對京津及鄰近地區的河流進行了水質評價并據此劃分了河流等級。后來,楊蓮芳等(1992,1996)利用水生昆蟲先后評價了安徽九華河和豐溪河的水質。2.3　室內水生生物的急、慢性毒性試驗許多水生動物對有機污染,重金屬和放射性物質有很強的富集能力,其體內含量往往超過周圍環境。運用化學分析技術測定某類動物體內毒物含量以研究環境污染的來源,污染的程度及污染的發展過程是近年來比較興旺的一個研究領域。對于水生昆蟲,由于死亡不易鑒別,一般采用半數效應反應的現象,如水蚤、搖蚊幼蟲的不運動;而對于魚類、大型無脊椎動物則主要用96h半致死濃度測定,這對制定水質標準具有重要意義。近年來,隨著各種生物實驗技術的發展,水生昆蟲監測水質也產生了新的發展動向。微觀上,分子生態毒理學即采用現代分子生物學方法與技術研究污染物及代謝產物與細胞內大分子,包括蛋白、核酸、酶的相互作用,找出作用的靶位或靶分子并揭示其作用機理,從而對在個體、種群或生態系統水平上的影響作出預報的研究進展很快,可分為以下幾個方面:①研究有關酶的活性作為機體功能和器官損傷的標志;②解毒系統的酶或蛋白;③環境化合物對DNA的化學修飾引起的DNA的改變。其中許多研究結果及有關參數已被作為分子生態毒理學指標用于環境監測和早期預報。為提高治理污染的效率和質量,對水污染程度的正確評價是重要的前提。為此,自1977年以來,全球環境監測系統一直為改善全球水質監測網絡而努力。這一網絡現已包括240個江河監測站、3個湖泊監測站和61個地下水監測站。每5年對水質做一次評價。也有學者倡導建立污水環境中的原生動物數據庫,這應該是今后水質監測系統的新的努力方向。3　水質監測的方法水質的生物學監測方法很多,目前國際上常用水生昆蟲群落變化,種的類型,個體數量、動態特1期　　　　　　　　　　　　　徐希蓮:水生昆蟲與水質的生物監測　　　　　　　　　　　　　69征、受害程度、體內富集、積累毒物的程度作為監測手段,主要方法有:1)污水生物系統評價法。由Kolkwiz&Marsson(1908,1909)提出,把河流從污染源開始自上而下劃分為不同的污染帶,列出了各帶的生物種類,發現不同的污染帶的生物種類有顯著差別,從而可以根據各帶指示生物的不同來評價水質污染的程度。2)利用水生昆蟲群落結構變化。如通常搖蚊在污染較嚴重,溶解氧較低的水體中是優勢種,中度污染區,居櫛水虱是優勢種。一般由群落優勢種的變化可大約推測出水質污染變化。3)利用水生昆蟲個體行為、生理、生化變化。根據其行為表現(如回避)或變化程度及生物體內毒物積累量的測定來進行水質的有效評價。北美應用比較廣泛的有4種方法:1)Shannon-Weiner多樣性指數。公式為:H′=-∑(ni/N)log2(ni/N)。式中H′代表樣品中i=1s種的多樣性指數,s代表樣品中種的種類數,N代表樣品中種的個體總數,ni代表樣品中第i種個體數。多樣性指數的評價標準是H′越大,水質越好。H′=0為嚴重污染,H′<1為重污染,H′=1～3為中度污染,H′>3為清潔。2)EPT種類豐富度。即以蜉蝣目(Ephemeroptera)、　翅目(Plecoptera)和毛翅目(Trichopter2a)(簡稱EPT)種類的豐富度來表示水體污染程度,其評價標準因地區而異,可參考文獻[8]。3)BioticIndex簡稱BI(Beck,1955)。計算公式為:BI=∑niti/N。其中ni代表第i種或屬的i=1s個體數,ti為第i種或屬的耐受性,N為樣品中種或屬的個體總數。BI值越小,水質越好。4)科級水平生物指數(Family-levelBioticIndex)簡稱FBI。FBI=∑NiTi/N。式中Ni代表第i=1si科的個體數,Ti為第i科的耐污值,N為樣品中科的個體總數。FBI值也是越小越好。近年來,又提出綜合定性采樣法和連續比較指數法,希望能全面反映水體中不同生境內的昆蟲結構。國內學者多利用北美的4種方法來對我國部分河流的水質進行評價,探索其在我國應用的可行性和存在的問題。當然也有人引進了新的評價指標。柯欣等的Fisher對數級數法則,測定了豐溪河水生昆蟲群落的“種—多度”關系,并與多樣性指數進行了比較,發現二者均可反映水生昆蟲群落結構的變化趨勢,可以作為輔助性指標。在EPT種類豐富度的基礎上,以優勢科或屬來代替目級分類單元,可以簡化評價過程。Morisita指數也具有污染指示意義。還有的學者從生態位理論的角度出發,對優勢種據生態位進行排序,討論了優勢種的群落結構與水體污染間的關系,都是值得注意的。4　討　　論首先要注意采集和取樣的細微差別。由于二者定性和定量的目的性不同,如前所述采集工具存在差異。但這并不是絕對的,只要注意采集方法、時間及生境等,定性的采集完全可以用于定量的取樣。其次是幾種生物評價方法的比較。多樣性指數由于以生物分類單位為基礎,適用范圍廣,適合于各種水體,即考慮了生物的出現與否,又注意到個體的豐富度,較實際地反映水體的群落結構,評價水質準確度較高。其缺點是沒有考慮蟲體本身耐污能力的差異,致使有時值偏高,而且對稀有種的反應不靈敏。EPT豐富度評價法,簡單易行,適用于水流湍急和石礫河床的山區河川,對泥沙底質的平原河流效果不好。生物指數既考慮蟲體的耐污力的差異,又考慮種的個體數,增加了評價的準確性,但目前我國還只是借用國外已發表的700多個水生昆蟲的耐污值。科級水平生物指數僅需將昆蟲鑒定到科,省時,省力,適于野外作業。但同樣,對中國水生昆蟲重要科、屬耐污值萊　陽　農　學　院　學　報　　　　　　　　　　　　　　18卷70　　　　　　　　　　　　　　　的重新核訂和中國特有類群耐污值的確定工作已迫在眉睫。雖然,以昆蟲群落結構及其相對數量反映污染的影響并用公式計算出污染程度比較能反映實際情況,資料也便于比較。但群落結構與功能本身很復雜,影響因素很多,污染僅是其中之一。生物評價仍須與理化資料相結合;單憑生物本身還很難準確評價水質。而且目前水質的生物學評價與監測工作還遠遠不能適應水資源保護的要求,有待于進一步努力找到更快速、有效的生物評價方法。參考文獻:[1]湖北省水生生物研究所.國外水污染的生物監測和生物治理研究動態[M].258-274.[2]黃先玉,劉沛然.水體污染生物檢測的研究進展[J].環境科學進展,1999,7(4):14-18.[3]柯欣,楊蓮芳,等.安徽豐溪河水生昆蟲多樣性及其水質生物評價[J].南京農業大學學報,1996,19(3):37-43.[4]林昌善,吳聿明.環境生物學[M].北京:中國環境科學出版社,1986,171-175.[5]劉建軍.用底棲動物評價水磨河的污染程度—兼論Morisita指數的污染指示意義[J].生態學雜志,1989,8(5):52-54.[6]劉建軍,徐艷華.水磨河底棲動物群落結構的生態位分析[J].水生生物學報,1997,21(2):101-108.[7]任淑智.京津及鄰近地區底棲動物群落特性與水質等級[J].生態學報,1991,11(3):262-268.[8]童曉立,胡慧建,等.利用水生昆蟲評價南昆山溪流的水質[J].華南農業大學學報,1995,16(3):6-10.[9]王士達,朱新源,等.官廳水庫主要污染物質對底棲動物的影響[A].環境污染與生態學文集[C].南京:江蘇科學技術出版社,1981,58-65.[10]楊蓮芳,李佑文,等.九華河水生昆蟲群落結構和水質生物評價[J].生態學報,1992,12(1):8-15.[11]楊潼,胡德良.利用底棲大型無脊椎動物對湘江干流污染的生物學評價[J].生態學報,1986,6(3):262-274.[12]由文輝.淀山湖周叢動物群落的初步研究[J].水生生物學報,1997,21(2):114-122.[13]于丹.溪流生態系統生態學研究[J].水生生物學報,1996,20(2):104-112.[14]于力,暴學祥,等.長白山水生昆蟲的研究[J].水生生物學報,1997,21(1):31-38.[15]張毓琪,陳敘龍.環境生物毒理學[M].天津:天津大學出版社,1993,87-91.[16]中國科學院動物研究所動物生態室環保組.國外淡水環境質量的生物學評價與監測研究概況[A].環境污染與生態學文集[C].江蘇科學技術出版社,1981,251-257.[17]Arshad,A.,XueR.&icologicaleffectsofabamectin(MK-936)onnaturalpopulationsoflectedinverte2bratesinman-madeponds[J]..,1997,48(3):233-241.[18]Merritt,R.W.&roductiontotheAquaticInctsofNorthAmerica(2ndEd.)[M].Kendalll/HuntPublishingCompanyDubuque,Iowa,USA.1984,1-722.[19]Mor,J.C.,YangL.&cInctsofChinaUfulforMonitoringWaterQuality[M].Nanjing:HohaiUniversi2tyPress.1994,1-570.[20]Rein,W.K.,Hardy,J.L.&sofwaterqualityonthevectorcompetenceofCulextarsalis(Diptera:Culicidae)forwesternequineencephalomyelitis(Togaviridae)ncephalitis(Flaviviridae)virus[J]..,1997,34(6):631-643.[21]Wang,omidaerearchinChina[J].EntomologicaScandinavica,1987,Supplenment29:35-38.