inct_水生昆虫与水质的生物监测

2023年12月7日发(作者：rods)

莱阳农学院学报　18(1):66～70,2001JournalofLaiyangAgriculturalCollege　文章编号:1001-3717(2001)01-0066-05Ξ水生昆虫与水质的生物监测徐希莲(中国农业大学昆虫学系,北京100094)世界的水资源为13.5亿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%。而现在世界上1/3的水受到化肥和有害化学产品的污染。在生态环境日益受到人们重视的今天,水污染也相应地引起越来越多的关注。水污染是指“人为地引起的、导致水的任(Warren,1971)。消除或减轻污染,不仅取决于治何有益利用的适合性遭受任何损害的水质改变”理,而且还取决于对环境的有效的监测,以便适时采取控制措施,并检验所采取的措施是否有效(Odum,1971)。所谓生物监测简单说就是利用生物对环境变化所产生的反应来评价、监测环境质量,从生物学的角度为环境的监测提供依据。生物与环境是相互作用的统一整体,环境中的各种理、化条件的改变直接影响到生活在该环境中的生物,影响到生物体的内部功能和种间关系,以至破坏生态平衡。而生物又不断地影响改变着环境。二者相互依存,协同进化,生物与其环境的这种统一性和协同进化是环境质量生物监测的生物学基础。环境质量和其它环境条件改变的强度是随时间而变化的,因此,长期连续的检测比理化监测的定期取样观测更能反映环境质量变化的全貌。生物监测具有时效性、综合性和敏感性,能反映整个时期中环境因素改变的情况,以及各环境因素变化的协同和拮抗作用的结果,所以,在监测环境质量上,生物是一个理想的检测工具。Patrick(1949)曾把用于监测的生物分成7类:①蓝绿藻和部分绿藻,一些轮虫;②寡毛类(水蚯蚓)、蚂蟥、肺螺类;③原生动物;④硅藻、红藻和大部分绿藻;⑤轮虫、蚬、螺和三肠目蠕虫;⑥昆虫与甲壳动物;⑦鱼类。我国国家环保局1986年曾制定水环境野外监测的技术规范,其中规定野外监测的生物群落有5种,即:①浮游动物;②浮游植物;③着生生物;④底栖动物;⑤水生维管植物。其中水生昆虫在浮游动物和底栖动物中都占有很大的比重。1　水生昆虫由于水生昆虫个体较大,种类多,数量大,易于鉴定,耐受范围广,相对于鱼类其活动范围较小,对污染的逃避能力弱,加之对环境变化比较敏感等特点,其群落结构可对污染源作出灵敏的反应。利用水生昆虫进行水质监测和评价是水质生物监测的主要手段之一(Moretal.,1994),也是昆虫学在实际应用中的一个新领域。这方面的研究工作在国外至少已有50年的历史(Moretal.,1994),而我国目前尚处于起步阶段,主要以浮游生物,软体动物,水蚤,鱼类等为研究对象(刘保元等,1981;杞桑等,1982;杨潼等,1986;任淑智,1991)。1.1　水生昆虫类群不同种类的水生昆虫对水体污染的适应能力不同,有的种类只适宜在清洁水中生活,而有些则可以生活在污染的水中。水生昆虫种类组成和种群结构的变化标志着水质变化的程度,因此利用Ξ收稿日期:2000-08-24作者简介:徐希莲(1975-),女,山东莱芜人,莱阳农学院植保系98届毕业生,现为中国农业大学在读硕士研究生,主要进行昆虫半翅目功能形态学的研究。1期　　　　　　　　　　　　　徐希莲:水生昆虫与水质的生物监测　　　　　　　　　　　　　67水生昆虫对水质污染的耐受性高低不同,就可以评价水体被污染的状况。正是基于这种原理,水生昆虫已成为水质生物监测的主要手段之一。根据昆虫耐受性和敏感性的差别,用来进行水质监测的水生昆虫有:蜉蝣目、　翅目、毛翅目,这是分布广泛、对水质敏感、应用最多的三大类群;另外,在各种不同的水域中曾先后有人研究过鞘翅目、半翅目、双翅目、鳞翅目、蜻蜓目、广翅目、脉翅目、弹尾目等共11个目的100多种水生昆虫。原则上都可用于水质监测。水生昆虫可分为水生和半水生两大类。而按传统的昆虫分类法,除了无翅亚纲的弹尾目,有翅亚纲的水生昆虫也分外翅部和内翅部。外翅部包括直翅目(蚤蝼科)、半翅目(17科)、蜉蝣目(10科)、蜻蜓目(16科)、　翅目(9科);内翅部则有毛翅目、脉翅目(水蛉科)、膜翅目(潜水姬蜂科)、鳞翅目(如螟蛾科的水螟亚科)、长翅目(Nannochoristidae)、鞘翅目(13科)、广翅目和双翅目(27科)共8个目。其中种类最多的是鞘翅目,有近1万种,绝大多数成、幼虫均水生。而研究最多、最深入的则数双翅目,已涉及27个科。1.2　水生昆虫的采集根据不同的生境,水生昆虫采集所用工具也有差异。主要有手工滤网,D-形网,筒状采集器,Hess取样器,人工基质采样器,索伯网,水网等等,同时由于采样的目的不同(定性或定量),采集工具也稍有不同。附表　水生昆虫采集(定性)和取样(定量)部分工具比较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　研究历史和现状20世纪初德国科学家Kolkwiz&Marsson(1908,1909)就提出了污水生物系统(saprobien2system)概念,从而发展出了用指示生物评价水体污染理论。“指示生物”的探索,在最初的生物监测中是很流行的。但随着时间的推移,越来越多的研究者认识到单凭某一种或某几种生物的存在与否来评价水体污染程度是很困难和不准确的,而应该研究生物群落的结构对污染的反应。近年来,许多研究集中于以大型底栖无脊椎动物种类及其组成情况来评价河川有机物污染的程度。Gaufin等(1959)根据调查指出,污染带生物种类仅为清洁带的1/5,但个体数远大于清洁带。国内这方面的工作起步较晚,但发展很快。目前的研究主要集中在3个方面:一是研究底栖动物(昆虫)群落的结构并进行生态学分析或水质评价;二是研究水生昆虫的多样性及其水质生物评价。三是测定昆虫体内毒物含量来检测水污染,或用鱼类和其它水生生物作急性或慢性毒性试验,确定水体的安全浓度,制订水质标准。莱　阳　农　学　院　学　报　　　　　　　　　　　　　　18卷68　　　　　　　　　　　　　　　2.1　水生昆虫的群落结构与水质生物评价底栖大型无脊椎动物被认为比硅藻更适宜作为生物学指标之用(Gallupetal.,1970)。而水生昆虫的种类和数量占底栖大型无脊椎动物的95%以上。水生昆虫中已知某些红色摇蚊幼虫是嗜污性种类,而蜉蝣和毛翅目幼虫是对污染敏感的种类。1927年,美国曾将河流分成三带,其相应的指示生物为抵抗型,忍耐型和敏感型,代表分别为摇蚊幼虫,肺螺类,石蚕、蜻蜓幼虫、　翅目幼虫、螺类、鱼类等(Wilber,1971)。其中使用最多的还是摇蚊幼虫。摇蚊科Chironomidae幼虫广泛分布于各种类型的水体中,种类多(3000多种),不同属种对水生环境变化反应差异显著(如有耐缺氧耐污的,有不耐缺氧不耐污的,有不耐缺氧不耐有机污染的等等),故多用于水质的生物监测。如根据其敏感品种进行湖的分类。Lindeman(1942)发现红色摇蚊能耐低浓度溶氧,而Harnisch(1958)发现羽摇蚊Tendipesplumosus等在无氧情况下,其生活环境的水中,有机酸的种类数和总量大量增加。由摇蚊幼虫分布所判断的污染情况与溶氧及有机物耗氧量是一致的。故据此将湖分为不同的营养级。也有人研究摇蚊在不同污染环境中的形态畸变(主要是触角和口器),试图将畸变程度与污染程度直接联系起来。2.2　水生昆虫多样性与水质生物评价直接调查江、河、湖等水中的昆虫,或选取几个样点取样,将采获的水生昆虫进行分类、统计,发现各生境的优势种或群落,并进一步计算其各指标,从而对水质做出评价。这也是水生昆虫水质监测的很重要的组成部分。我国水生昆虫的研究主要集中在这一方面。如于力等(1997)用10年的时间在发源于长白山的几条河流中调查水生昆虫,共获取标本一万多个,隶属于7目40科86属166种。再如1991年,任淑智利用底栖动物群落对京津及邻近地区的河流进行了水质评价并据此划分了河流等级。后来,杨莲芳等(1992,1996)利用水生昆虫先后评价了安徽九华河和丰溪河的水质。2.3　室内水生生物的急、慢性毒性试验许多水生动物对有机污染,重金属和放射性物质有很强的富集能力,其体内含量往往超过周围环境。运用化学分析技术测定某类动物体内毒物含量以研究环境污染的来源,污染的程度及污染的发展过程是近年来比较兴旺的一个研究领域。对于水生昆虫,由于死亡不易鉴别,一般采用半数效应反应的现象,如水蚤、摇蚊幼虫的不运动;而对于鱼类、大型无脊椎动物则主要用96h半致死浓度测定,这对制定水质标准具有重要意义。近年来,随着各种生物实验技术的发展,水生昆虫监测水质也产生了新的发展动向。微观上,分子生态毒理学即采用现代分子生物学方法与技术研究污染物及代谢产物与细胞内大分子,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机理,从而对在个体、种群或生态系统水平上的影响作出预报的研究进展很快,可分为以下几个方面:①研究有关酶的活性作为机体功能和器官损伤的标志;②解毒系统的酶或蛋白;③环境化合物对DNA的化学修饰引起的DNA的改变。其中许多研究结果及有关参数已被作为分子生态毒理学指标用于环境监测和早期预报。为提高治理污染的效率和质量,对水污染程度的正确评价是重要的前提。为此,自1977年以来,全球环境监测系统一直为改善全球水质监测网络而努力。这一网络现已包括240个江河监测站、3个湖泊监测站和61个地下水监测站。每5年对水质做一次评价。也有学者倡导建立污水环境中的原生动物数据库,这应该是今后水质监测系统的新的努力方向。3　水质监测的方法水质的生物学监测方法很多,目前国际上常用水生昆虫群落变化,种的类型,个体数量、动态特1期　　　　　　　　　　　　　徐希莲:水生昆虫与水质的生物监测　　　　　　　　　　　　　69征、受害程度、体内富集、积累毒物的程度作为监测手段,主要方法有:1)污水生物系统评价法。由Kolkwiz&Marsson(1908,1909)提出,把河流从污染源开始自上而下划分为不同的污染带,列出了各带的生物种类,发现不同的污染带的生物种类有显著差别,从而可以根据各带指示生物的不同来评价水质污染的程度。2)利用水生昆虫群落结构变化。如通常摇蚊在污染较严重,溶解氧较低的水体中是优势种,中度污染区,居栉水虱是优势种。一般由群落优势种的变化可大约推测出水质污染变化。3)利用水生昆虫个体行为、生理、生化变化。根据其行为表现(如回避)或变化程度及生物体内毒物积累量的测定来进行水质的有效评价。北美应用比较广泛的有4种方法:1)Shannon-Weiner多样性指数。公式为:H′=-∑(ni/N)log2(ni/N)。式中H′代表样品中i=1s种的多样性指数,s代表样品中种的种类数,N代表样品中种的个体总数,ni代表样品中第i种个体数。多样性指数的评价标准是H′越大,水质越好。H′=0为严重污染,H′<1为重污染,H′=1～3为中度污染,H′>3为清洁。2)EPT种类丰富度。即以蜉蝣目(Ephemeroptera)、　翅目(Plecoptera)和毛翅目(Trichopter2a)(简称EPT)种类的丰富度来表示水体污染程度,其评价标准因地区而异,可参考文献[8]。3)BioticIndex简称BI(Beck,1955)。计算公式为:BI=∑niti/N。其中ni代表第i种或属的i=1s个体数,ti为第i种或属的耐受性,N为样品中种或属的个体总数。BI值越小,水质越好。4)科级水平生物指数(Family-levelBioticIndex)简称FBI。FBI=∑NiTi/N。式中Ni代表第i=1si科的个体数,Ti为第i科的耐污值,N为样品中科的个体总数。FBI值也是越小越好。近年来,又提出综合定性采样法和连续比较指数法,希望能全面反映水体中不同生境内的昆虫结构。国内学者多利用北美的4种方法来对我国部分河流的水质进行评价,探索其在我国应用的可行性和存在的问题。当然也有人引进了新的评价指标。柯欣等的Fisher对数级数法则,测定了丰溪河水生昆虫群落的“种—多度”关系,并与多样性指数进行了比较,发现二者均可反映水生昆虫群落结构的变化趋势,可以作为辅助性指标。在EPT种类丰富度的基础上,以优势科或属来代替目级分类单元,可以简化评价过程。Morisita指数也具有污染指示意义。还有的学者从生态位理论的角度出发,对优势种据生态位进行排序,讨论了优势种的群落结构与水体污染间的关系,都是值得注意的。4　讨　　论首先要注意采集和取样的细微差别。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异。但这并不是绝对的,只要注意采集方法、时间及生境等,定性的采集完全可以用于定量的取样。其次是几种生物评价方法的比较。多样性指数由于以生物分类单位为基础,适用范围广,适合于各种水体,即考虑了生物的出现与否,又注意到个体的丰富度,较实际地反映水体的群落结构,评价水质准确度较高。其缺点是没有考虑虫体本身耐污能力的差异,致使有时值偏高,而且对稀有种的反应不灵敏。EPT丰富度评价法,简单易行,适用于水流湍急和石砾河床的山区河川,对泥沙底质的平原河流效果不好。生物指数既考虑虫体的耐污力的差异,又考虑种的个体数,增加了评价的准确性,但目前我国还只是借用国外已发表的700多个水生昆虫的耐污值。科级水平生物指数仅需将昆虫鉴定到科,省时,省力,适于野外作业。但同样,对中国水生昆虫重要科、属耐污值莱　阳　农　学　院　学　报　　　　　　　　　　　　　　18卷70　　　　　　　　　　　　　　　的重新核订和中国特有类群耐污值的确定工作已迫在眉睫。虽然,以昆虫群落结构及其相对数量反映污染的影响并用公式计算出污染程度比较能反映实际情况,资料也便于比较。但群落结构与功能本身很复杂,影响因素很多,污染仅是其中之一。生物评价仍须与理化资料相结合;单凭生物本身还很难准确评价水质。而且目前水质的生物学评价与监测工作还远远不能适应水资源保护的要求,有待于进一步努力找到更快速、有效的生物评价方法。参考文献:[1]湖北省水生生物研究所.国外水污染的生物监测和生物治理研究动态[M].258-274.[2]黄先玉,刘沛然.水体污染生物检测的研究进展[J].环境科学进展,1999,7(4):14-18.[3]柯欣,杨莲芳,等.安徽丰溪河水生昆虫多样性及其水质生物评价[J].南京农业大学学报,1996,19(3):37-43.[4]林昌善,吴聿明.环境生物学[M].北京:中国环境科学出版社,1986,171-175.[5]刘建军.用底栖动物评价水磨河的污染程度—兼论Morisita指数的污染指示意义[J].生态学杂志,1989,8(5):52-54.[6]刘建军,徐艳华.水磨河底栖动物群落结构的生态位分析[J].水生生物学报,1997,21(2):101-108.[7]任淑智.京津及邻近地区底栖动物群落特性与水质等级[J].生态学报,1991,11(3):262-268.[8]童晓立,胡慧建,等.利用水生昆虫评价南昆山溪流的水质[J].华南农业大学学报,1995,16(3):6-10.[9]王士达,朱新源,等.官厅水库主要污染物质对底栖动物的影响[A].环境污染与生态学文集[C].南京:江苏科学技术出版社,1981,58-65.[10]杨莲芳,李佑文,等.九华河水生昆虫群落结构和水质生物评价[J].生态学报,1992,12(1):8-15.[11]杨潼,胡德良.利用底栖大型无脊椎动物对湘江干流污染的生物学评价[J].生态学报,1986,6(3):262-274.[12]由文辉.淀山湖周丛动物群落的初步研究[J].水生生物学报,1997,21(2):114-122.[13]于丹.溪流生态系统生态学研究[J].水生生物学报,1996,20(2):104-112.[14]于力,暴学祥,等.长白山水生昆虫的研究[J].水生生物学报,1997,21(1):31-38.[15]张毓琪,陈叙龙.环境生物毒理学[M].天津:天津大学出版社,1993,87-91.[16]中国科学院动物研究所动物生态室环保组.国外淡水环境质量的生物学评价与监测研究概况[A].环境污染与生态学文集[C].江苏科学技术出版社,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.