大氣污染生物監(jiān)測法

生物監(jiān)測法是通過生物（動物、植物及微生物）在環(huán)境中的分布、生長、發(fā)育狀況及生理生化指標和生態(tài)系統(tǒng)的變化來研究環(huán)境污染情況，測定污染物毒性的一類監(jiān)測方法。對比理化監(jiān)測方法，這種方法具有特定的優(yōu)點。例如，可以確切反映污染因子對人和生物的危害及環(huán)境污染的綜合影響；有些生物對特定污染物很敏感，在危害人體之前可起到“早期診斷”作用；對污染物具有富集作用等。當然，這種方法也有其固有的局限性。例如，對污染因子的敏感性隨生活在污染環(huán)境中時間的增長而降低，專一性差，用來進行定量測定困難，費時等。

監(jiān)測大氣污染的生物可以用動物，也可以用植物，但由于動物的管理比較困難，目前尚未形成比較完整的監(jiān)測方法，而植物分布范圍廣、容易管理，當遭受污染物侵襲時，有不少種植物顯示明顯受害癥狀，因此廣泛用于大氣污染監(jiān)測。下面介紹這種方法。

一、植物在污染環(huán)境中的受害癥狀

大氣污染物通過葉面上進**體交換的氣孔或孔隙進入植物體內(nèi)，侵襲細胞組織，并發(fā)生一系列生化反應，從而使植物組織遭受破壞，呈現(xiàn)受害癥狀。這些癥狀雖然隨污染物的種類、濃度以及受害植物的品種、曝露時間不同而有差異，但具有某些共同特點，如葉綠素被破壞，葉細胞組織脫水，進而發(fā)生葉面失去光澤，出現(xiàn)不同顏色（灰白色、黃色或褐色）的斑點，葉片脫落，甚至全株枯死等異常現(xiàn)象。

（一）SO₂污染的危害癥狀

當空氣中的SO₂濃度較高時，就會使一些植物的葉脈間產(chǎn)生不整齊的變色斑塊（俗稱煙斑）。當植物受到SO₂污染時，一般其葉脈間葉肉*先出現(xiàn)淡棕紅色斑點，經(jīng)過一系列的顏色變化，*后出現(xiàn)漂白斑點，危害嚴重時葉片邊緣及葉肉全部枯黃，僅留葉脈仍為綠色。當用顯微鏡觀察產(chǎn)生煙斑葉子的切片時，可以看到*初的危害只在柵欄組織細胞處出現(xiàn)，危害加重則罹及海綿組織的細胞和表皮組織細胞。當受害細胞的葉綠素被破壞改變顏色時，原生質(zhì)從細胞分離出來，從而使細胞干燥枯萎。在葉片外部觀察時，可觀察到煙斑部分逐漸枯萎變薄，*后枯死。

硫酸霧危害癥狀則為葉片邊緣光滑。受害較輕時，葉面上呈現(xiàn)分散的淺黃色透光斑點；受害嚴重時則成孔洞，這是由于硫酸霧以細霧狀水滴附著于葉片上所致。圓點或孔洞大小不一，直徑多在1mm左右。

（二）NO_x污染時危害癥狀

NO_x對植物構成危害的濃度要大于SO₂等污染物。一般很少出現(xiàn)NO_x濃度達到能直接傷害植物的程度，但它往往與O₃或SO₂混合在一起顯示危害癥狀，首先在葉片上出現(xiàn)密集的深綠色水浸蝕斑痕，隨后這種斑痕逐漸變成淡黃色或青銅色。損傷部位主要出現(xiàn)在較大的葉脈之間，但也會沿葉緣發(fā)展。

（三）氟化物污染的危害癥狀

一般植物對氟化物氣體很敏感，其危害特點是先在植物的特定部位呈現(xiàn)傷斑，例如，單子葉植物和針葉樹的葉尖，雙子葉植物和闊葉植物的葉緣等。開始這些部位發(fā)生萎黃，然后顏色轉深形成棕色斑塊，在發(fā)生萎黃組織與正常組織之間有一條明顯分界線，隨著受害程度的加重，黃斑向葉片中部及靠近葉柄部分發(fā)展，*后，使葉片大部分枯黃，僅葉主脈下部及葉柄附近仍保持綠色。可見，龍爪柳的葉片**及前半部的兩側邊緣都產(chǎn)生黃斑；箭桿楊的葉片邊緣部位產(chǎn)生破損，并沿邊緣出現(xiàn)大片黃白斑塊，僅葉片中央仍為綠色；洋槐受害后，葉片的上半部邊緣黃萎而卷曲。

（四）其他污染物的危害癥狀

植物的成熟葉片對O₃的危害*敏感，故通?？偸窃诶淆g葉片上發(fā)現(xiàn)危害癥狀。首先，柵欄組織細胞受害，然后葉肉受害。如出現(xiàn)細小點狀煙斑，則是急性傷害的標志，這是柵欄細胞壞死所致。這種煙斑呈銀灰色或褐色，并隨葉齡增長逐漸脫色，還可以連成一片，變成大片的塊斑，使葉子退綠脫落。植物長時間暴露于低濃度O₃中，許多葉片上會出現(xiàn)大片淺褐色或古銅色斑，常導致葉片退綠和脫落。

過氧乙酰硝酸酯是大氣中的二次污染物，對植物的傷害經(jīng)常發(fā)生在幼齡葉片的尖部及敏感老齡葉片的基部，并隨所處環(huán)境溫度的增高而加重傷害程度。

在以植物作為探測器監(jiān)測污染物時，應注意以下影響其受害程度的因素：

（1）在污染源下風向的植物受害程度比上風向的植物重，并且受害植株往往呈帶狀或扇形分布。

（2）植物受害程度隨離污染源距離增大而減輕，即使在同一植株上，面向污染源一側的枝葉比背向污染源一側受害明顯。無建筑物等屏障阻擋處的植物比有屏障阻擋處的植物受害程度重。

（3）對大多數(shù)植物來說，成熟葉片及老齡葉片較新長出的嫩葉容易受害。

（4）植物受到兩種或兩種以上有害物質(zhì)同時作用時，受危害程度可能具有相加、相減或相乘等協(xié)同作用。

二、大氣污染指示植物的選擇

指示植物在受到污染物的侵襲后，應有明顯地顯示，包括明顯的傷害癥狀、生長和形態(tài)的變化、果實或種子的變化及生產(chǎn)力或產(chǎn)量的變化等。

指示植物可選擇一年生草本植物、多年生木本植物及地衣、苔蘚等。下面介紹一些常見污染物的指示植物，在這些植物中，有的能同時顯示幾種污染物的危害，這就是本節(jié)開始所說的“專一性”差的表現(xiàn)。

（一）SO₂污染指示植物

據(jù)資料介紹，對SO₂敏感的植物已有幾十種之多，如紫花苜蓿、棉株、元麥、大麥、小麥、大豆、芝麻、蕎麥、辣椒、菠菜、胡蘿卜、**、百日菊、麥桿菊、紅花鼠尾草、玫瑰、中國石竹、蘋果樹、雪松、馬尾松、白楊、白樺、合歡、杜仲、臘梅等。

紫花苜蓿對SO₂很敏感，有試驗表明，當將它于SO₂濃度為1.2ppm的環(huán)境中暴露1h，就會顯示可見受害癥狀；若在20ppm濃度下，只需暴露10min，葉面上就會出現(xiàn)灰白色斑點。

（二）氟化物污染指示植物

對氟化物危害比較敏感的指示植物有唐菖蒲、金蕎麥、葡萄、玉簪、杏梅、榆樹葉、郁金香、山桃樹、金絲桃樹、慈竹、池柏、南洋楹等。

唐菖蒲對氟化物*為敏感，當它暴露在10ppb氟化氫環(huán)境中，20h后就會出現(xiàn)可見傷害癥狀。

（三）NO₂污染指示植物

對NO₂污染較敏感的植物有**、番茄、秋海棠、向日葵、菠菜等。**在3ppmNO₂環(huán)境中經(jīng)4—8h即可顯示受害癥狀；25ppm濃度下經(jīng)7小時可使番茄的葉子變白。

（四）其他污染物質(zhì)的指示植物

O₃的指示植物有**、矮牽?；?、馬唐、花生、馬鈴薯、洋蔥、蘿卜、丁香、牡丹等。

Cl₂的指示植物有白菜、菠菜、韭菜、蔥、番茄、菜豆、繁縷、向日葵、木棉、落葉松等。

氨的指示植物有紫藤、小葉女貞、楊樹、懸鈴木、杜仲、楓樹、刺槐、棉株、芥菜等。

過氧乙酰硝酸酯（PAN）的指示植物有繁縷、早熟禾、矮牽?；ǖ?。

三、監(jiān)測方法

（一）盆栽植物監(jiān)測法

先將指示植物在沒有污染的環(huán)境中盆栽培植，待生長到適宜大小時，移至監(jiān)測點，觀測它們受害癥狀和程度。例如，用唐菖蒲監(jiān)測大氣中的氟化物，先在非污染區(qū)將其球莖栽培在直徑20cm、高10cm的花盆中，待長出3—4片葉后，移至污染區(qū)，放在污染源的主導風向下風側不同距離（如5、50、300、500、1150、1350m）處，定期觀察受害情況。幾天之后，如發(fā)現(xiàn)部分監(jiān)測點上的唐菖蒲葉片**和邊緣產(chǎn)生淡棕黃色片狀傷斑，且傷斑部位與正常組織之間有一明顯界線，說明這些地方已受到嚴重污染。根據(jù)預先試驗獲得的氟化物濃度與傷害程度關系，即可估計出大氣中氟化物的濃度。如果一周后，除*遠的監(jiān)測點外，都發(fā)現(xiàn)了唐菖蒲不同程度的受害癥狀，說明該地區(qū)的污染范圍至少達1150m。

利用紫露草微核監(jiān)測技術可以測定大氣、水體等中的三致（致癌、致畸、致突變）物質(zhì)，目前國外已被廣泛應用，我國也已推薦作為生物監(jiān)測方法之一。紫露草是一種多年生草本植物，單子葉、鴨趾草科、紫露草屬，可以盆栽，也可以地栽。用于監(jiān)測三致物質(zhì)的原理是它的花粉母細胞在減數(shù)分裂過程中的染色體受到污染物攻擊和破壞后，在四分體中形成微核，以微核增加的數(shù)量作為判斷污染程度的指標。測定時，選擇紫露草開花盛期的幼期花序，隨機采栽一定數(shù)量的花枝條（枝長6—8cm，帶有兩片葉子，每個花枝上有十個以上花蕾，頂端開**朵花），插入盛有清潔自來水的杯子中，移到監(jiān)測點上，經(jīng)一定時間后，進行固定處理，切下適齡花蕾，剝出花粉并輕壓成片，在顯微鏡下觀察形成的微核（呈圓形或橢圓形）數(shù)量。

圖3－80（圖略）為植物監(jiān)測器。該監(jiān)測器由A、B兩室組成，A室為測量室，B室為對照室。將同樣大小的指示植物分別放入兩室，用氣泵將污染空氣以相同流量分別打入A、B室的導管，并在通往B室的管路中串接一活性炭凈化器，以獲得凈化空氣。待通入足夠量的污染空氣后，即可根據(jù)A室內(nèi)指示植物出現(xiàn)的癥狀和預先確定的與污染物濃度的相關關系或變**階估算空氣中的污染物濃度。

（二）現(xiàn)場調(diào)查法

現(xiàn)場調(diào)查法是選擇監(jiān)測區(qū)域現(xiàn)有植物作為大氣污染的指示植物。該方法需先通過調(diào)查和試驗，確定現(xiàn)場生長的植物對有害氣體的抗性等級，將其分為敏感植物、抗性中等植物和抗性較強植物三類。如果敏感植物葉部出現(xiàn)受害癥狀，表明大氣已受到輕度污染；如果抗性中等的植物出現(xiàn)部分受害癥狀，表明大氣已受到中度污染；當抗性中等植物出現(xiàn)明顯受害癥狀，有些抗性較強的植物也出現(xiàn)部分受害癥狀時，則表明已造成嚴重污染。同時，根據(jù)植物葉片呈現(xiàn)的受害癥狀和受害面積百分數(shù)，可以判斷主要污染物和污染程度。

1.植物群落調(diào)查法

調(diào)查現(xiàn)場植物群落中各種植物受害癥狀和程度，估測大氣污染情況。表3-18為排放SO₂的化工廠附近植物群落的調(diào)查結果。可見，對SO₂抗性強的一些植物如枸樹、馬齒莧等也受到危害，表明該廠附近的大氣已受到嚴重污染。

表3-18  排放SO₂的某化工廠附近植物群落受害情況

2.調(diào)查地衣和苔蘚法

地衣和苔蘚是低等植物，分布廣泛，但對某些污染物反應敏感。例如，SO₂的年平均濃度在0.015—0.105ppm范圍內(nèi)就可以使地衣絕跡；濃度達0.017ppm時，大多數(shù)苔蘚植物便不能生存。

調(diào)查樹干上的地衣和苔蘚適于大氣污染監(jiān)測。當知道樹干上的地衣和苔蘚的種類與數(shù)量后，就可以估計大氣污染程度。在工業(yè)城市中，通常距市中心越近，地衣的種類越少，重污染區(qū)內(nèi)一般僅有少數(shù)殼狀地衣分布，隨著污染程度的減輕，便出現(xiàn)枝狀地衣；在輕污染區(qū)，葉狀地衣數(shù)量*多。日本學者調(diào)查了東京周圍苔蘚的分布，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的21種苔蘚分布狀況，將該地區(qū)分成五個帶，各帶的大氣污染程度不同，如將這些結果繪制在地圖上，便得到大氣污染分布圖。

對于沒有適當?shù)臉淠净蚴谟^察地衣和苔蘚的地方，可以進行人工栽培并放在苔蘚監(jiān)測器中進行監(jiān)測。苔蘚監(jiān)測器的組成和測定原理與前面介紹的指示植物監(jiān)測器相同，只是可以更小型化。

3.調(diào)查樹木的年輪

剖析樹木的年輪，可以了解所在地區(qū)大氣污染的歷史。在氣候正常、未曾遭受污染的年份樹木的年輪寬，而大氣污染嚴重或氣候條件惡劣的年份樹木的年輪窄。還可以用x射線法對年輪材質(zhì)進行測定，判斷其污染情況，污染嚴重的年份木質(zhì)比重小，正常年份的年輪木質(zhì)比重大，它們對x射線的吸收程度不同。

（三）其他監(jiān)測法

還可以用生產(chǎn)力測定法、指示植物中污染物質(zhì)含量測定法等來監(jiān)測大氣污染。生產(chǎn)力測定法是利用測定指示植物在污染的大氣環(huán)境中進行光合作用等生理指標的變化來反映污染狀況，如植物進行光合作用產(chǎn)生氧能力的測定；葉綠素a的測定等。植物中污染物含量的測定是利用理化監(jiān)測方法測定植物吸收積累的污染物量來判斷污染情況。