大型蚤在線生物監(jiān)測系統(tǒng)研究

鄭新梅,馮 政,丁 亮,劉紅玲,于紅霞

(南京大學環(huán)境學院污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 210046)

·監(jiān)測技術·

大型蚤在線生物監(jiān)測系統(tǒng)研究

鄭新梅,馮 政,丁 亮,劉紅玲,于紅霞

(南京大學環(huán)境學院污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 210046)

近年來,世界范圍內突發(fā)性廢水泄漏事件頻發(fā),在引起人們對水質問題恐慌的同時,也促進了飲用水在線監(jiān)測與早期污染預警系統(tǒng)的發(fā)展。生物監(jiān)測可以對污染環(huán)境下多污染物的聯(lián)合毒性進行有效評估,具有傳統(tǒng)化學監(jiān)測所不具備的優(yōu)點,已成為判定水質是否對水生生物存在影響、是否符合人類安全飲用的有效依據(jù)和手段。介紹了大型蚤在線生物監(jiān)測系統(tǒng)的多通道流通生物測試室和生物傳感器系統(tǒng),并對世界范圍內的研究與應用情況做了研究綜述。目前,采用大型蚤作為指示生物的在線監(jiān)測系統(tǒng)已在飲用水水質監(jiān)測方面成功實現(xiàn),但其在工業(yè)廢水接管過程中毒性評估和早期預警的研究和應用上尚有不足,有待更加深入地探討與研究。

在線生物監(jiān)測系統(tǒng);水質預警;大型蚤

生物監(jiān)測技術起源于20世紀初,通過表征特定生物群落、種群或個體對環(huán)境因子變化的響應,實現(xiàn)對環(huán)境污染狀況的監(jiān)測與評估[1]。生物監(jiān)測在環(huán)境監(jiān)測中主要的應用方向,是對河流、湖泊和濕地等自然水體水環(huán)境質量的監(jiān)測。與化學監(jiān)測側重理化指標(p H、溶解氧、硬度等)分析與化學品含量測定、不能直接反映化學物質對水生生物毒性效應相比,生物監(jiān)測是通過水生生物種群退化、物種行為方式變化、個體器官特殊功能異?；蚣毎桨l(fā)生的毒性物質暴露響應來進行監(jiān)測。因此,生物監(jiān)測不僅能夠評價某一種化合物對水生生物的影響,還可以對多種化合物共存體系的聯(lián)合毒性進行有效的評估,從而成為判定水質改變對水生生物生存、人類飲用水健康評價的有效依據(jù)和手段[2]。

隨著世界范圍內化學品生產(chǎn)和使用的快速增長,化學品突發(fā)泄漏已成為嚴重影響水體水質安全的重要隱患之一。近30年來,諸如1986年瑞士巴塞爾生產(chǎn)殺蟲劑化工廠爆炸致使萊茵河流域水質嚴重污染、2005年吉林雙苯廠爆炸引發(fā)松花江苯和硝基苯嚴重超標等污染事件,在喚醒公眾水環(huán)境安全意識的同時,更凸顯飲用水在線監(jiān)測與早期污染預警的重要性。在線生物監(jiān)測系統(tǒng)通過生物傳感器傳輸和記錄受試水生生物特征指標的變化,進而實現(xiàn)水體污染的實時監(jiān)測與早期預警。大型蚤不但對毒性物質十分敏感,而且在適宜條件下采取孤雌生殖,具有較好的均質性和個體差異,從而成為在線生物監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)利用最多的指示生物[3]。因此,針對采用大型蚤作為受試生物的在線監(jiān)測系統(tǒng)進行組成和原理的闡述、運行現(xiàn)狀的分析以及應用前景的展望,有著重要的指導作用和現(xiàn)實意義。

1 大型蚤在線生物監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

概括來說,在線生物監(jiān)測系統(tǒng)由多通道流通生物測試室和生物傳感器系統(tǒng)兩單元組成。前一單元主要實現(xiàn)受試生物(大型蚤)的循環(huán)動態(tài)暴露,而受試生物的動態(tài)暴露可消除傳統(tǒng)靜態(tài)毒性試驗過程中溶氧及目標化合物濃度隨時間變化等因素的影響;后一單元主要實現(xiàn)水質毒性評價由致死或抑制指標(LC50和EC50等)向行為指標信號的轉化,即將大型蚤的行為指標(趨光性、游動速率及分布概率等)通過傳感器的光、電或磁感信號的變化在輸出端(計算機等)以函數(shù)值或波形圖的形式輸出。

1.2 多通道流通生物測試室

多通道流通生物測試室的材質為有機玻璃或聚合塑料[4,5],測試室劃分為6或8個等尺寸通道。通常選擇其中一個通道作為參照通道測定大型蚤在無化合物暴露條件下行為探針信號,其余通道將預設濃度梯度的化合物溶液與標準培養(yǎng)液混合,暴露測定大型蚤受污染物脅迫條件下的行為探針信號。

為了便于大型蚤行為特征的觀察以及后續(xù)探針信號的轉化和輸出,每一單通道生物測試室的尺寸不宜過大。同時,在每一通道內放置等量相同蚤齡的大型蚤(一般為5—20只),通道入流及出流處使用小孔徑尼龍網(wǎng)密封,以保證大型蚤不會因液體循環(huán)流出通道[6]。流速控制裝置將每個通道控制在一個較低的流速(一般小于 10 mL/min),以可保證大型蚤游動行為不受液體循環(huán)流動的影響;而恒溫器件(如電加熱棒等)可保證監(jiān)測過程中生物測試室通道內溫度的恒定,排除溫度因素對大型蚤活動的影響。此外,生物測試室上方或側面根據(jù)探針傳感系統(tǒng)工作原理的不同布置單色或復色光源,通過控制光源照度使大型蚤在未暴露于化合物條件下,均勻或規(guī)律地分布在測試室通道中[7]。

1.3 生物傳感器系統(tǒng)

1.3.1 數(shù)碼影像記錄與分析 (Digital Image Recording and Analyzing)傳感器

數(shù)碼影像記錄與分析傳感器的基本工作原理是利用微型攝像裝置對通道內大型蚤活動拍照,得到圖像經(jīng)過數(shù)據(jù)分析軟件處理后轉換為運動軌跡、游動速率等行為指標,進而判定大型蚤行為指標是否因毒性物質暴露出現(xiàn)異常變化和分布。韓國光州科學與技術研究所的JUNHON等研究人員開發(fā)出的一套針對水體中重金屬銅的生物早期預警系統(tǒng)(Biological Early Warning System,BEWS),采用“數(shù)字網(wǎng)格計數(shù)器”分別觀測并記錄6個監(jiān)測通道內大型蚤活動。系統(tǒng)中每個通道內均設置一個與輸出端計算機相連的攝像頭,而“數(shù)字網(wǎng)格計數(shù)器”則可將大型蚤運動軌跡以30 s/幀(高達640×480像素)的圖像輸出,并依靠統(tǒng)計分析軟件對圖像進行處理和數(shù)據(jù)分析[8]。

1.3.2 電場、磁場感應(E/M induction)傳感器

以電磁感應信號變化反映大型蚤行為變化的傳感器是目前大型蚤在線生物監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的一個主要趨勢。此類傳感器通常由載流電極和感應電極組成:載流電極負載高頻變化的電壓或電流信號;感應電極則能夠生成相應變化的電壓或電流信號。通過感應生成電信號的變化,作為判定大型蚤行為是否出現(xiàn)異常的標準,從而達到在線監(jiān)測與預警的目的。GERHARDT等研制出的多物種在線生物監(jiān)測儀(Multi species Freshwater Bio monitor,MFB),即利用由電場形成的生物傳感器內水生生物在電場內對電場形成的干擾來感知指示生物行為的變化,然后通過信號轉換裝置,將電信號轉換成可視圖像來加以分析[9]。

2 基于大型蚤的在線生物監(jiān)測系統(tǒng)應用

2.1 實驗室研究

實驗室研究側重利用各種在線監(jiān)測系統(tǒng),觀察并記錄大型蚤各項運動行為指標與水體中常見的污染物質(有機物、重金屬等)濃度及其他環(huán)境因素的綜合效應,為敏感行為指標的篩選和目標物質與系統(tǒng)的特征響應提供理論依據(jù)。任宗明等使用3種毒性很強的有機磷殺蟲劑馬拉硫磷(malathion)、敵百蟲(dipterex)和柏拉息昂(parathion),證實大型蚤的行為強度與3種殺蟲劑亞致死濃度間存在顯著相關性,并且可通過逐級壓力模型對其進行解釋[10]。比利時安特衛(wèi)普大學的WOLF等研究人員采取一套在線生物監(jiān)測系統(tǒng)記錄大型蚤平均速率(average velocity)、在測試室頂部與底部分布比率(distribution rate)等行為指標,評價大型蚤行為指標與亞致死濃度(3.5μg/L和5μg/L)金屬鎘之間的行為效應-濃度關系[11]。

2.2 原位(in-situ)監(jiān)測

以德國Limco公司(出品多物種在線生物監(jiān)測儀MFB)和Bbe公司(生產(chǎn)水蚤毒性儀Daphnia taximeter)為代表的制造商,實現(xiàn)利用大型蚤作為指示生物的在線監(jiān)測系統(tǒng)的商品化和產(chǎn)業(yè)化,并已將商品化的在線監(jiān)測系統(tǒng)應用在湖泊、河流及飲用水水源地水質的實時原位監(jiān)測。據(jù)《萊茵河流域早期預警實踐與戰(zhàn)略報告》報道,萊茵河流域設置的9個水質監(jiān)測中心全部實現(xiàn)了在線生物監(jiān)測儀與 GC-MS、LC-MS等化學分析儀器的聯(lián)合使用,而9個監(jiān)測中心之中的7個采用的是以大型蚤作為指示生物的在線監(jiān)測系統(tǒng)。報告中列舉德國Bimmen監(jiān)測中心2002年1月20日12:00 pm至1月22日12:00 pm監(jiān)測到的萊茵河中甲基叔丁基醚(methyl t-butyl ether,MTBE)化學監(jiān)測與在線生物監(jiān)測數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)顯示當水體中MTBE質量濃度超過12μg/L時,大型蚤活動強度超過38 impulses/min。由此可由水蚤活動強度(activity of daphnids)與MTBE水中濃度呈現(xiàn)正相關特性設置報警閾值,從而實現(xiàn)具備生物毒性化合物進入飲用水源地的早期預警與原位實時監(jiān)測[12]。

國內大型蚤在線生物監(jiān)測系統(tǒng)的研究起始于20世紀90年代末,但其應用則仍處于起步階段。中科院生態(tài)中心王子健研究員等研發(fā)出一套可用于多類水源中化學品污染綜合監(jiān)控和預警的在線生物安全預警系統(tǒng),采用8通道的生物傳感器實現(xiàn)定點、定時和遠程控制報警等功能,在北京、深圳、成都、無錫和寧波等城市水源水監(jiān)測中取得應用。

3 應用展望

目前,國內工業(yè)廢水處理正由分散式向集中式過渡,但廢水由化工企業(yè)到集中處理廠接管過程中的基準制定還不完善。以無錫市錫山區(qū)2009年3月發(fā)布的數(shù)據(jù)為例,全區(qū)共上報的1 042家企業(yè)廢水接管的進度為645家已接管、309家未接管和88家無法接管。對已接管企業(yè)廢水水質評估和未接管、無法接管企業(yè)廢水的審查,都亟需除理化指標監(jiān)測外的生物毒性指標作為判定的重要依據(jù)。大型蚤在線生物監(jiān)測系統(tǒng)運行成本較低、具有對水質毒性評估與預警功能的特性,一旦成功運用在化工企業(yè)廢水排放過程中的在線監(jiān)控,不僅能夠解決已接管企業(yè)廢水在接管過程中毒性監(jiān)測問題,而且可以作為判定目前未接管甚至無法接管企業(yè)廢水排放的重要標準之一。

采用大型蚤作為指示生物的在線監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于飲用水水質監(jiān)測,但國內外應用此類系統(tǒng)在工業(yè)廢水毒性評估和預警方向的研究卻鮮有報道。一方面,現(xiàn)有的大型蚤在線監(jiān)測系統(tǒng)仍處于發(fā)展階段,存在行為指標受環(huán)境因子的影響復雜、預警閾值設定依據(jù)不充分、低濃度污染物短期內生物學效應不明顯導致的系統(tǒng)無報警以及錯誤報警等問題;另一方面,工業(yè)廢水較自然水體水質的復雜性和污染物質的高濃度水平,使其對大型蚤游動行為的影響難以預計,進而影響大型蚤在線生物監(jiān)測系統(tǒng)預警敏感性和準確度。

盡管面臨諸多問題與挑戰(zhàn),但在工業(yè)廢水接管過程中應用水質在線生物監(jiān)測系統(tǒng)將是水質監(jiān)測發(fā)展的重要方向。隨著生物傳感器技術以及信號轉換手段的不斷發(fā)展,大型蚤在線生物監(jiān)測系統(tǒng)在原位監(jiān)測、水質預警和毒性評價等領域的應用必將趨向完善與成熟。

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Review of Online Biological Monitoring Systems with the Use of Daphnia Magna

ZHENG Xin-mei,FENG Zheng,DIN G Liang,LIU Hong-ling,YU Hong-xia
(State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse,School of the Environment,Nanjing University,Nanjing,Jiangsu 210046,China)

In recent years,the emergencies of leakage waste water into the environment took place all over the world frequently and it not only arose more and more panicky people to concern the water pollution problem but also improved the development of the online monitoring methods and the biota early warning system(BEWS).BEWS can evaluate the toxicity of simplex compound on the aquatic organisms,and also be used in the evaluation of the actual pollution environment which contains a lot of complex compounds.Comparing with the chemical methods that mainly focused on the detection of physiochemical index,BEWS has more advantages and now it has become the available method in estimating whether water quality toxic to aquatic organisms or match the standards of drinking water.In this paper,the BEWS with the use of Daphnia was presented,and mechanisms of the systems units which included multi-channels biological testing cells and the biosensor systems were also demonstrated.Application of these systems in drinking water quality monitoring was already realized.But it still needed further study of its development in industrial wastewater toxicity identification.

online biological monitoring systems;water quality warning;daphnia magna

X835

A

1674-6732(2011)-02-0021-04

10.3969/j.issn.1674-6732.2011.02.006

2010-09-03

國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2008ZX08526—003),江蘇省環(huán)境監(jiān)測科研基金項目(0809),江蘇省環(huán)?？萍柬椖?2008005)。

鄭新梅 (1985—),女,在讀博士研究生,從事環(huán)境毒理研究工作。