环境生物技术优秀课件.ppt
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1、环境生物技术第1页,本讲稿共35页 生物测试(生物测试(Bioassay)的概念:)的概念:指系统地利用生物的反应测定一种或多种污染物或环境指系统地利用生物的反应测定一种或多种污染物或环境因素单独或联合存在时所导致的影响或危害。因素单独或联合存在时所导致的影响或危害。注释注释1:所利用的生物反应包括分子、细胞、组织、器:所利用的生物反应包括分子、细胞、组织、器官、个体、种群、群落、生态系统各级水平上的反应。官、个体、种群、群落、生态系统各级水平上的反应。注释注释2:生物测试不同于常规的物理、化学检测。前者:生物测试不同于常规的物理、化学检测。前者能够测定污染物对生物机体的影响,而后者只能测定污
2、能够测定污染物对生物机体的影响,而后者只能测定污染物的浓度。染物的浓度。例如:通过水污染的生物测试可获得以下数据:各种环例如:通过水污染的生物测试可获得以下数据:各种环境因素如境因素如DO、pH、温度、混浊度等对生命的有利以及、温度、混浊度等对生命的有利以及不利的浓度或强度;污染物对受测生物的毒性;各种水不利的浓度或强度;污染物对受测生物的毒性;各种水生生物对污染物的相对敏感性;废水所应处理的程度;生生物对污染物的相对敏感性;废水所应处理的程度;允许的污染物排放浓度等。允许的污染物排放浓度等。第2页,本讲稿共35页毒性试验常用参数致死剂量或致死浓度(Lethal Dose,Lethal Con
3、centration)绝对致死剂量或致死浓度(LD100、LC100)半数致死剂量或浓度(LD50、LC50)最小致死剂量或浓度(MLD、MLC)最大耐受剂量或浓度(LD0、LC0)最大无作用剂量(Maximum Noeffect Level)每日容许摄入量(Acceptable Daily Intake)最高容许浓度(Maximum Allowable Concentration)毒作用带急性毒作用带(Acutetoxic Effect Zone)慢性毒作用带(Chronic toxic Effect Zone)第3页,本讲稿共35页半数效应浓度(半数效应浓度(EC50)和半数抑制浓度)和半
4、数抑制浓度(IC50):影响或抑制微生物正常生理指标影响或抑制微生物正常生理指标值值50%所需的待测物浓度。所需的待测物浓度。第4页,本讲稿共35页检测毒性的手段:动物检测、微生物检测检测毒性的手段:动物检测、微生物检测l动物检测急性毒性:研究化学物质大剂量一次染毒或动物检测急性毒性:研究化学物质大剂量一次染毒或24小小时内多次染毒动物所引起的毒性的试验。时内多次染毒动物所引起的毒性的试验。其目的是短期内了解该物质的毒性大小和特点,其目的是短期内了解该物质的毒性大小和特点,并为进一步开展其他毒性试验提供设计依据。并为进一步开展其他毒性试验提供设计依据。急性毒性试验类型急性毒性试验类型哺乳动物急
5、性毒性试验哺乳动物急性毒性试验水生生物急性毒性试验水生生物急性毒性试验蚯蚓急性毒性试验蚯蚓急性毒性试验观察时间为观察时间为2周,以半数致死浓度周,以半数致死浓度LC50表示。表示。第5页,本讲稿共35页微生物检测选择一项或几项生理指标为指征,根据代谢物微生物检测选择一项或几项生理指标为指征,根据代谢物影响或抑制这些指征的程度来判断毒性的强度。影响或抑制这些指征的程度来判断毒性的强度。评价指标多为评价指标多为EC50或或IC50第6页,本讲稿共35页一、发光细菌一、发光细菌细菌生物发光抑制试验细菌生物发光抑制试验细菌生物发光的生物学机制:细菌生物发光的生物学机制:FMNH2+RCHO+O2 FM
6、N+H2O+RCOOH+光光420-670nm的可见光的可见光细菌生物发光抑制试验是国际标准化组织认可,也列为我国水细菌生物发光抑制试验是国际标准化组织认可,也列为我国水质评价的国家标准方法。质评价的国家标准方法。第一节第一节 污染物生物毒性的微生物监测方法污染物生物毒性的微生物监测方法细菌荧光素酶细菌荧光素酶 第7页,本讲稿共35页(一)试验原理(一)试验原理毒物毒物细菌菌荧光素光素酶活性或活性或细胞呼吸受到抑制胞呼吸受到抑制发光能力光能力减弱(比例关系)减弱(比例关系)光光电测定装置定装置测出出发光光强度的度的变化化菌株:菌株:应用最多的是明亮用最多的是明亮发光杆菌光杆菌美国贝克曼美国贝克
7、曼(Beckman)公司制造的微量毒性分析仪就公司制造的微量毒性分析仪就是一种发光细菌检测仪,操作极为方便,测定一个样品是一种发光细菌检测仪,操作极为方便,测定一个样品不到半小时,所得结果与鱼类毒性试验一致。不到半小时,所得结果与鱼类毒性试验一致。(Microtox),国际通用,使用最为广泛的微生物学检国际通用,使用最为广泛的微生物学检测方法。测方法。冻干菌种:筛选、培养的明亮发光杆菌,真空冷冻干燥冻干菌种:筛选、培养的明亮发光杆菌,真空冷冻干燥(加保护剂,缓冲物质,(加保护剂,缓冲物质,NaCl等),等),-2025C保存。保存。第8页,本讲稿共35页(二)试验方法(二)试验方法菌种复苏:菌
8、种复苏:2%NaCl,悬液,悬液样品处理:系列稀释,调样品处理:系列稀释,调pH6-8,渗透压,渗透压2%NaCl毒性测定:测试管加入样品和菌液,以苯酚作阳性有毒性测定:测试管加入样品和菌液,以苯酚作阳性有机毒物对照,以机毒物对照,以ZnSO4.7H2O作阳性无机毒物对照,作阳性无机毒物对照,蒸馏水为阴性对照。蒸馏水为阴性对照。15oC培养培养5min或或15min。光量。光量抑制百分率:抑制百分率:(阴性对照组指标值(阴性对照组指标值-实验组指标值)实验组指标值)阴性对照组指标值阴性对照组指标值 通过回归方程计算通过回归方程计算IR为为50%时的样品剂量,时的样品剂量,IC50质量控制:同一
9、剂量平行管间的发光强度差异值小于质量控制:同一剂量平行管间的发光强度差异值小于20%,苯,苯酚和硫酸锌的酚和硫酸锌的IC50有一定范围。有一定范围。x100%IR=第9页,本讲稿共35页(三)方法评价(三)方法评价与传统鱼类与传统鱼类96h毒性试验相比具有良好的一致性。毒性试验相比具有良好的一致性。1991年年Diane对对100种化学物质的毒性测试结果表明种化学物质的毒性测试结果表明两者的相关系数达两者的相关系数达0.85。可以根据细菌生物发光试验的发光抑制率进行毒性分可以根据细菌生物发光试验的发光抑制率进行毒性分级。级。各实验室间结果的重现性好各实验室间结果的重现性好可用于生物传感器分析可
10、用于生物传感器分析第10页,本讲稿共35页国际标准化组织将该方法作为检测化合物或废水毒性的国际标准化组织将该方法作为检测化合物或废水毒性的标准方法之一(标准方法之一(ISO 9509)。)。(一)试验原理(一)试验原理毒性污染物抑制硝化作用的酶类,导致对底物的利用能毒性污染物抑制硝化作用的酶类,导致对底物的利用能力或产物的生成量下降。通过测定底物或产物的变化来力或产物的生成量下降。通过测定底物或产物的变化来检测毒性作用的程度。检测毒性作用的程度。利用亚硝化单胞菌或硝化杆菌属,或用活性污泥。利用亚硝化单胞菌或硝化杆菌属,或用活性污泥。二、硝化细菌二、硝化细菌硝化作用抑制试验硝化作用抑制试验第11
11、页,本讲稿共35页(二)试验方法(以硝化杆菌属为例)(二)试验方法(以硝化杆菌属为例)增殖细菌至增殖细菌至108个个/ml。加入菌液、加入菌液、NaNO2溶液及样品(不同浓度),以蒸馏水溶液及样品(不同浓度),以蒸馏水为对照。为对照。培养(培养(30oC4h)、检测、检测NO2-比较样品组与对照组硝化作用强度,可得比较样品组与对照组硝化作用强度,可得IC50与与Microtox灵敏度相当,与鱼类毒性试验结果的相关性为灵敏度相当,与鱼类毒性试验结果的相关性为0.45。第12页,本讲稿共35页美国国家环保局认可的毒性测试方法。美国国家环保局认可的毒性测试方法。(一)实验原理(一)实验原理藻类对水体
12、污染反应十分敏感。毒物抑制光合作用,藻类生藻类对水体污染反应十分敏感。毒物抑制光合作用,藻类生长量减少。常用硅藻、栅藻、小球藻。长量减少。常用硅藻、栅藻、小球藻。(二)试验方法(二)试验方法繁殖藻种繁殖藻种配制培养基,灭菌。加入待测物,接种。配制培养基,灭菌。加入待测物,接种。培养。恒温(培养。恒温(28-30C),光照。),光照。测定生长量(或其他指标),绘制生长曲线。测定生长量(或其他指标),绘制生长曲线。计算最大生长率。(计算最大生长率。(max)(三)结果与评价(三)结果与评价三、藻类三、藻类生长抑制试验生长抑制试验第13页,本讲稿共35页又称为微型生物群落监测法,广泛用于水环境的毒性
13、监测与又称为微型生物群落监测法,广泛用于水环境的毒性监测与评价。微生物包括细菌、真菌、原生动物、藻类及小型轮虫。评价。微生物包括细菌、真菌、原生动物、藻类及小型轮虫。国家标准:水质微型生物群落监测国家标准:水质微型生物群落监测 PFU法法(GB/T 12990-91)(一)试验原理(一)试验原理正常条件下自然水环境的微型生物群落种类、分布、构成有正常条件下自然水环境的微型生物群落种类、分布、构成有一定规律,外界环境因素的干扰下,群落的平衡被破坏,结一定规律,外界环境因素的干扰下,群落的平衡被破坏,结构特征也随之变化。通过分析微型群落构特征也随之变化。通过分析微型群落结构和功能参数结构和功能参数
14、,判,判断水环境的质量状况或污染物质的毒性特征。检测结果有断水环境的质量状况或污染物质的毒性特征。检测结果有很强的生态学意义。很强的生态学意义。PFU法是在群落水平上的法是在群落水平上的,是较物种是较物种水平、种群水平更高的水平、种群水平更高的,因此它能提供较大的环境真实性。因此它能提供较大的环境真实性。四、原生动物四、原生动物微尺度群落级毒性试验微尺度群落级毒性试验第14页,本讲稿共35页最常用的方法是最常用的方法是PFU(聚氨酯泡沫塑料块)法。(聚氨酯泡沫塑料块)法。聚氨酯泡沫塑料块的孔径聚氨酯泡沫塑料块的孔径100-150um,微型生物可以进,微型生物可以进入其内,能收集到入其内,能收集
15、到85%的种类,具有环境真实性。一定的种类,具有环境真实性。一定时间内,原生动物种群构成会达到平衡,而有害物会破时间内,原生动物种群构成会达到平衡,而有害物会破坏这一平衡,比较试验组和对照组的群落结构和功能参坏这一平衡,比较试验组和对照组的群落结构和功能参数,即可评价水体质量与污染程度。数,即可评价水体质量与污染程度。第15页,本讲稿共35页(二)试验方法与评价(二)试验方法与评价把把PFU分别浸入对照水体和调查水体,不同时段后,挤出分别浸入对照水体和调查水体,不同时段后,挤出液体,对原生动物鉴定和计数。液体,对原生动物鉴定和计数。PFU中微型生物的结构与功能参数:中微型生物的结构与功能参数:
16、异养性指数(异养性指数(HI)=微型生物灰份量微型生物灰份量/叶绿素叶绿素a量量原生动物群落多样性指数(原生动物群落多样性指数(d)=(S-1)/lnN(S为原生动物种类数,为原生动物种类数,N为为10ml挤出液中原生动物个数)挤出液中原生动物个数)T90:达到达到90%Seq所需的时间(所需的时间(Seq:平衡时原生动物种:平衡时原生动物种数)数)G:原生动物群集速度常数原生动物群集速度常数评价:污染程度高,评价:污染程度高,S、d降低降低第16页,本讲稿共35页严重污染的水域中,原生动物的群集速度亦很低,随着水严重污染的水域中,原生动物的群集速度亦很低,随着水质的清洁程度提高,原生动物的群
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