全息顯微技術(shù)助力水質(zhì)保護(hù)

鄭秀亮 陳惠陸

數(shù)字激光全息顯微技術(shù)，能對水中的顆粒、藻類、浮游動物、原生動物、微生物等進(jìn)行全息顯微攝影、計(jì)數(shù)和分析，能夠有效預(yù)測水華、赤潮等生物性水污染事件，為水質(zhì)安全安上一道新的防線。

“近些年，水華、赤潮發(fā)生頻率總體呈上升趨勢?！睆V東省環(huán)境科學(xué)研究院專家指出，當(dāng)前水環(huán)境保護(hù)工作得到前所未有的關(guān)注，但是由于監(jiān)測技術(shù)的制約，對水華、赤潮的預(yù)測仍然比較滯后，無法提前作出應(yīng)對。

讓人欣喜的是，這種狀況將有望得到改善。10月初，廣州博冠光電科技股份有限公司（以下簡稱博冠光電）及其美國子公司BOSMA USA 聯(lián)合加拿大Resolution Optics公司共同舉辦數(shù)字激光全息顯微技術(shù)與應(yīng)用國際研討會，與會專家學(xué)者積極探索數(shù)字激光全息顯微技術(shù)在飲用水源水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警方面的應(yīng)用。來自水利部、環(huán)境保護(hù)部、環(huán)境科學(xué)研究院、中科院水生所、中科院南海海洋研究所的專家均認(rèn)為，該項(xiàng)技術(shù)將為水源生物污染防治提供全天候全方位的監(jiān)測預(yù)警服務(wù)，可以提前對水華、藍(lán)藻等生物性水污染事件發(fā)出預(yù)警，為水質(zhì)安全增添一道防線。

探頭之下，污染粒子紛紛現(xiàn)形

一個黑色的圓筒，一頭插著電線連到電腦，另一頭有一個小小的圓形孔，沉入水底之后，水中的各種生物經(jīng)過圓孔時(shí)，它們的實(shí)時(shí)影像就顯示在電腦屏幕上。通過研討會現(xiàn)場展示的數(shù)字激光全息顯微設(shè)備，記者清晰看到了橢圓形的浮游生物正在水中緩緩蠕動。

“與普通顯微鏡相比，激光全息顯微技術(shù)沒有任何鏡頭，其運(yùn)用小孔成像的原理，避免了鏡頭污跡帶來對成像質(zhì)量的影響?！辈┕诠怆姸麻L曾德祥介紹，數(shù)字激光全息顯微鏡是數(shù)字全息技術(shù)在顯微領(lǐng)域的應(yīng)用，也被稱為全息顯微術(shù)。與其他顯微技術(shù)相比，數(shù)字激光全息顯微鏡并不直接記錄被觀測物體的圖像，而是記錄含有被觀測物體波前信息的全息圖。

“全息圖是一種三維圖像，它與傳統(tǒng)的照片有很大的區(qū)別。傳統(tǒng)的照片呈現(xiàn)的是真實(shí)的物理圖像，而全息圖則包含了被記錄物體的尺寸、形狀、亮度和對比度等信息?！痹孪橹赋?，全息圖提供了“視差”，視差的存在使得觀察者可以通過前后、左右和上下移動來觀察圖像的不同形象——就好像有個真實(shí)的物體在你眼前一樣。

“隨著工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展，我國水污染問題日漸突出，如果得不到有效的監(jiān)控和治理，污染問題將會嚴(yán)重威脅國民生產(chǎn)活動。”曾德祥介紹說，激光全息顯微成像技術(shù)由加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)物理學(xué)教授Juergen博士首創(chuàng)，由于看到國內(nèi)水污染防治的需求，同時(shí)鑒于對該技術(shù)運(yùn)用的信心，廣州博冠光電科技股份有限公司與加拿大Resolution Optics公司共同將該技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并且將其運(yùn)用到水污染防治工作中來。

據(jù)博冠光電專家介紹，以該技術(shù)為基礎(chǔ)研發(fā)生產(chǎn)的數(shù)字激光全息顯微鏡，可以應(yīng)用于水環(huán)境微生物和泥沙等方面的監(jiān)測，并可應(yīng)用于光學(xué)元件表面檢測。該設(shè)備的黑色圓筒里裝有激光發(fā)射器，其發(fā)出的光線照射過的物體，都可以形成全息圖，“也就是說，圓孔下面就是一個顯微鏡平臺，生物通過平臺都會被記錄下來?！?/p>

提前預(yù)警，水質(zhì)安全更有保障

參加此次研討會的專家指出，江河湖泊的污染分為化學(xué)、物理、生物污染3種。其中水華、赤潮等水體富營養(yǎng)化的污染就屬于藻類生物污染。目前，環(huán)境監(jiān)測主要關(guān)注的是化學(xué)、物理污染。

“我國水環(huán)境呈現(xiàn)流域性、區(qū)域性、污染物種類多樣性等特點(diǎn)，傳統(tǒng)監(jiān)測方法難以滿足現(xiàn)代水體污染現(xiàn)場快速實(shí)施監(jiān)測預(yù)警的要求，同時(shí)還可能帶來對環(huán)境的二次污染。”廣東省環(huán)境監(jiān)測中心教授級高工易雯表示，目前監(jiān)測主要采用化學(xué)分析法和儀器分析法，一方面是檢測的時(shí)效性有限，“很多項(xiàng)目都必須采樣到實(shí)驗(yàn)室開展，耗費(fèi)的時(shí)間比較多?！绷硪环矫?，監(jiān)測過程中要使用大量的顯色劑，掩蔽劑，氧化劑和萃取劑等，無疑也增加了監(jiān)測成本，還可能產(chǎn)生二次污染。

因此，尋求一種清潔、快速、便捷的監(jiān)測技術(shù)方法顯得尤為重要。而將數(shù)字激光全息顯微技術(shù)應(yīng)用在湖庫性飲用水源的監(jiān)測中，對赤潮水華發(fā)生、發(fā)展、死亡的過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可為湖庫水生物污染早期預(yù)警、治理防范提供科學(xué)的技術(shù)支撐。“通過這種技術(shù)，可以隨時(shí)了解水質(zhì)微生物的生長、繁衍及死亡狀況，一旦發(fā)現(xiàn)超出了正常范圍，就可以提早做出預(yù)警，并采取相應(yīng)措施?！?/p>

據(jù)了解，把該顯微鏡設(shè)備潛入水下，隨著船移動，就可以實(shí)現(xiàn)快速移動中對水體的微粒和微生物進(jìn)行實(shí)時(shí)原位觀測，每秒拍攝16幅的圖像，并可應(yīng)對2米/秒的流速，觀測距離可達(dá)水下數(shù)千米。數(shù)字激光全息顯微成像技術(shù)及其衍生出來的產(chǎn)品，它們的逐步應(yīng)用將會有效地幫助政府環(huán)保水利職能部門提升水質(zhì)監(jiān)控的能力。

易雯認(rèn)為，發(fā)揮多學(xué)科交叉和綜合優(yōu)勢，研發(fā)集成生化、光電、傳感器、網(wǎng)絡(luò)和空間信息技術(shù)，建立集衛(wèi)星遙感、近地面高光譜監(jiān)測、地基激光雷達(dá)、全息顯微與水質(zhì)在線監(jiān)測為一體的立體監(jiān)控平臺，實(shí)時(shí)監(jiān)測分析相關(guān)指標(biāo)，結(jié)合水動力學(xué)模型、藻類生長、輸移和擴(kuò)散模型，對赤潮、藍(lán)藻水華的發(fā)生、爆發(fā)進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測和預(yù)警，將為保障廣東乃至全國富營養(yǎng)化湖泊的供水安全、海洋環(huán)境安全提供有力的技術(shù)支撐，提升海洋和湖泊水質(zhì)安全保障應(yīng)急技術(shù)水平和自主創(chuàng)新能力。

有力補(bǔ)充，水質(zhì)監(jiān)測更加全面

“在保護(hù)水環(huán)境方面，其中一項(xiàng)非常重要的工作就是做好水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警。”廣東省環(huán)境科學(xué)研究院羅育池博士介紹，目前很多地方基本都建成水質(zhì)安全預(yù)警監(jiān)控體系，24小時(shí)監(jiān)測流域內(nèi)各種主要重金屬在內(nèi)的污染物，監(jiān)測主要是單一的理化指標(biāo)，沒有涉及生物領(lǐng)域，在水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域，也沒有實(shí)現(xiàn)對水生物指標(biāo)的實(shí)時(shí)自動監(jiān)測。

“生物指標(biāo)監(jiān)測具有專業(yè)性和復(fù)雜性，在采樣方面，野外采樣干擾因素較多，傳統(tǒng)顯微技術(shù)難以達(dá)到直接觀測的精度要求；物質(zhì)鑒別專業(yè)性強(qiáng)，機(jī)器難以代替專業(yè)研究人員；生物圖庫建設(shè)需收集大量樣本進(jìn)行比對，并不斷更新，耗時(shí)長，工作量大；監(jiān)測數(shù)據(jù)與水質(zhì)預(yù)警指示性生物關(guān)聯(lián)性有待進(jìn)一步研究?！绷_育池介紹，單靠物理、化學(xué)指標(biāo)不能有效預(yù)警水華、赤潮等生態(tài)污染，必須發(fā)展自動化、智能化的設(shè)備。

作為一種新型水生生物監(jiān)測技術(shù)，數(shù)字激光全息顯微技術(shù)，在水生物污染指標(biāo)自動監(jiān)測方面，能對水中的顆粒、藻類、浮游動物、原生動物、微生物等進(jìn)行全息顯微攝影、計(jì)數(shù)和分析，此外還能對水中生物進(jìn)行游動分析、速度計(jì)算。這樣，在水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警中，就能綜合物理化學(xué)和生物指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)評價(jià)，為水環(huán)境管理提供更科學(xué)的依據(jù)。

羅育池介紹，今年8月，廣東省環(huán)境科學(xué)研究院聯(lián)合高校和相關(guān)技術(shù)公司，到河源新豐江水庫開展水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警新技術(shù)的研發(fā)活動，對傳統(tǒng)顯微和全息顯微兩種觀察技術(shù)進(jìn)行對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)全息顯微與傳統(tǒng)顯微技術(shù)相比，在觀察生物三維影像、研究生物運(yùn)動軌跡以及研究生物的生理規(guī)律方面有顯著的優(yōu)勢。

不過，相關(guān)專家也表示，作為一項(xiàng)新生技術(shù)，全息顯微技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測工作上的運(yùn)用，仍需進(jìn)一步提高顯微分辨率和抗干擾能力，例如對微米級以下物體的觀測能力，同時(shí)，要提高應(yīng)用于預(yù)警領(lǐng)域的適用性，提高技術(shù)設(shè)備的系統(tǒng)化程度。