飲用水源地生物毒性在線預(yù)警技術(shù)的發(fā)展

顧俊強(qiáng)

（蘇州市環(huán)境監(jiān)測中心江蘇蘇州215004）

飲用水源地生物毒性在線預(yù)警技術(shù)的發(fā)展

顧俊強(qiáng)

（蘇州市環(huán)境監(jiān)測中心江蘇蘇州215004）

分析了當(dāng)前飲用水源地水質(zhì)安全預(yù)警方法及評價體系，指出了常規(guī)監(jiān)測技術(shù)的不足，對幾種生物毒性在線預(yù)警技術(shù)的原理及特點(diǎn)進(jìn)行了比較，分析出發(fā)光細(xì)菌毒性在線預(yù)警技術(shù)相比其他預(yù)警技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：毒譜寬、測量穩(wěn)定、與常規(guī)指標(biāo)的相關(guān)性好、維護(hù)方便。

飲用水源地；生物毒性；在線預(yù)警；發(fā)光細(xì)菌

1　飲用水源地安全預(yù)警現(xiàn)狀

飲用水源地水質(zhì)安全關(guān)乎民生，責(zé)任重大。世界衛(wèi)生組織、美國、歐盟等都先后通過立法來保障飲用水源的安全性[1-4]。在國內(nèi)，環(huán)保部也陸續(xù)通過行政立法以及加強(qiáng)監(jiān)測等手段來完善水質(zhì)評價體系，先后頒布了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》以及《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，分別規(guī)定了108項(xiàng)、106項(xiàng)、39項(xiàng)檢測指標(biāo)，規(guī)范了飲用水源的監(jiān)測指標(biāo)、測量方法和評價依據(jù)。這些常規(guī)的檢測方法和檢測指標(biāo)使得飲用水安全得到了基本保障。

但隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染事故的數(shù)量和復(fù)雜程度也在不斷增加，特別是從上世紀(jì)90年代開始，關(guān)系到飲用水源的污染事件屢見報道：1998年黑龍江水源遭受生物污染、1999年湖南飲用水源發(fā)生化學(xué)污染、2004年四川發(fā)生飲用水源化學(xué)污染、2005年黑龍江發(fā)生化學(xué)污染、2012年廣西發(fā)生飲用水源化學(xué)污染，這些污染事件大都屬于偶發(fā)事件，污染物的種類和來源均需要經(jīng)過大量排查分析才能確定。

面對飲用水源地突發(fā)污染事故，及時預(yù)警、快速定性可以為應(yīng)急處置贏得寶貴的時間。常規(guī)的物理化學(xué)方法能定量分析污染物中主要成分的含量，但不能直接、全面地反映各種有毒物質(zhì)的疊加效應(yīng)，也無法預(yù)知水體是否安全、適合飲用。因而，在飲用水在線監(jiān)測中有必要采用生物指標(biāo)評價水環(huán)境的毒性，考察其生物效應(yīng)，完善飲用水源水質(zhì)安全評價體系[5-6]。

2　生物毒性在線預(yù)警技術(shù)

水質(zhì)綜合生物毒性在線預(yù)警技術(shù)作為常規(guī)監(jiān)測技術(shù)的有效補(bǔ)充，在飲用水體以及工業(yè)廢水的各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[7-9]，從生物傳感器的角度可以分成水生動植物法（魚類、水蚤類、藻類等）和微生物法（細(xì)菌）兩類。

2.1魚類毒性在線預(yù)警技術(shù)

魚類是水生態(tài)系統(tǒng)中的主要成員，水體環(huán)境的基體變化都會直接作用在魚類的生理行為中，基于此，毒性檢測技術(shù)中，魚類毒性技術(shù)是最直接的分析手段。中國在用的標(biāo)準(zhǔn)中也把魚類毒性試驗(yàn)列為標(biāo)準(zhǔn)方法[10]。以魚類為生物傳感器的在線生物毒性監(jiān)測技術(shù)多以斑馬魚在與目標(biāo)水體接觸中的行為變化為指標(biāo)，通過電子信號轉(zhuǎn)換，將魚類活動的生理狀態(tài)：腮呼吸運(yùn)動、游動、跳動、覓食等活動進(jìn)行記錄和分析，不同的毒物濃度對應(yīng)著不同的行為模式。

魚類生物毒性在線監(jiān)測儀的基礎(chǔ)是記錄其生物行為學(xué)變化，將運(yùn)動信號轉(zhuǎn)化為電信號，此類系統(tǒng)以電場信號為基礎(chǔ)。監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部包含兩對不銹鋼電極，在第一對電極上施加變化的電流，當(dāng)斑馬魚在形成的電場中運(yùn)動時，電場就會變化；第二對電極相對靜止，用來參比記錄電場的變化。當(dāng)斑馬魚在電場中運(yùn)動時，轉(zhuǎn)換裝置會將電場的變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化，通過傅里葉轉(zhuǎn)換器，將電信號轉(zhuǎn)化成一個特定頻率的連續(xù)譜圖來分析不同頻率的行為變化。

2.2蚤類毒性在線預(yù)警技術(shù)

水蚤是環(huán)境監(jiān)測中常用到的無脊椎動物。在預(yù)警系統(tǒng)中采用監(jiān)測水蚤的運(yùn)動速率、心跳速率、游泳能力以及生長繁殖信息等指標(biāo)的變化來表征水體的毒性情況[11]。大型蚤對毒性物質(zhì)敏感，且均質(zhì)性好，個體差異小。

蚤類毒性在線監(jiān)測系統(tǒng)與魚類的毒性預(yù)警系統(tǒng)類似，以電磁感應(yīng)信號的變化來反應(yīng)大型蚤的行為變化，信號記錄部分由載流電極和感應(yīng)電極組成。載流電極由變化的交流電驅(qū)動，產(chǎn)生電場，大型蚤的運(yùn)動會引起電場的變化，繼而通過感應(yīng)電極檢測大型蚤的運(yùn)動變化。大型蚤生物傳感器的測量室通常由兩路組成，一路作為參照通道測定正常大型蚤的運(yùn)動，一路作為測量通道，測量大型蚤與待測水樣接觸后的行為特征。

蚤類毒性在線預(yù)警技術(shù)中通常采用的蚤為5～20只[12]，接觸反應(yīng)的時間需要24h～96h。統(tǒng)計中蚤的用量較少，容易引入個體差異的誤差，同時接觸反應(yīng)時間長，不能對水體的變換進(jìn)行快速的響應(yīng)。

2.3藻類毒性在線預(yù)警技術(shù)

藻類是水生生態(tài)中的生產(chǎn)者，通常具有個體小、繁殖能力快、容易培養(yǎng)等特點(diǎn)，可直接觀察細(xì)胞水平的中毒癥狀[13]，藻類毒性在線監(jiān)測系統(tǒng)以藻類作為探測生物，檢測水樣對藻的活性的影響。分析中，采用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)檢測被測樣品對藻類活性的影響，進(jìn)而確定其毒性強(qiáng)弱。

藻類毒性在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由三部分組成：（1）藻類發(fā)酵培養(yǎng)部分，用來提供藻類的適宜生長環(huán)境，使得藻類可以生長到最佳的狀態(tài)；（2）液體移動部分，用來將培養(yǎng)好的藻類移動到待測水樣的位置，與待測水樣進(jìn)行接觸反應(yīng)；并在接觸反應(yīng)完成之后對系統(tǒng)進(jìn)行清洗；（3）中央控制部分，主要作用是分析、顯示數(shù)據(jù)，并提供人機(jī)接口。

藻類毒性預(yù)警技術(shù)可以指示水質(zhì)生物毒性，可以反映水體中營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬、農(nóng)藥和有機(jī)物的綜合毒性，不足之處在于藻類的毒性接觸反響時間較長，一般需要24h～48h，對于水樣的毒性反應(yīng)較慢[14]。

2.4發(fā)光細(xì)菌毒性在線預(yù)警技術(shù)

發(fā)光細(xì)菌毒性在線預(yù)警技術(shù)利用細(xì)菌作為生物檢測器，通過測定水樣與細(xì)菌接觸時發(fā)光損失情況來判斷水中污染物的毒性大小。檢測方法基于細(xì)菌的發(fā)光特性，發(fā)光細(xì)菌在進(jìn)行新陳代謝時會發(fā)出熒光，若正常代謝被抑制，就會導(dǎo)致發(fā)光減弱。毒物的抑制能力與發(fā)光程度相關(guān)[15]。發(fā)光細(xì)菌對2000余種不同類型的化學(xué)物質(zhì)具有不同的敏感程度。

檢測過程主要由四部分組成，首先，抽取發(fā)光細(xì)菌到菌種孵育倉，對發(fā)光細(xì)菌進(jìn)行復(fù)蘇；接著抽取樣品水與參考水分別注入反應(yīng)池；第三步抽取發(fā)光菌同樣注入反應(yīng)池，進(jìn)行水樣和發(fā)光菌的接觸反應(yīng)；最后，檢測發(fā)光細(xì)菌發(fā)光量在接觸水樣前后的變化，應(yīng)用分析軟件計算得出毒性的百分比量。

該技術(shù)的檢測過程僅需30min左右時間，同時，發(fā)光細(xì)菌的密度大于10000萬個單位，減少了測量中個體差異帶來的誤差，具有統(tǒng)計學(xué)穩(wěn)定的優(yōu)勢[16]。

2.5其他毒性在線預(yù)警技術(shù)

在毒性監(jiān)測領(lǐng)域，除了上述生物傳感器技術(shù)外，還發(fā)明了將發(fā)光細(xì)菌重組后的基因工程微生物傳感器[17]，重組發(fā)光微生物具備多種不同的代謝指征，重組體可以針對特定污染物進(jìn)行指征表達(dá)。這種生物傳感器可以檢測任何一種可溶性物質(zhì)。另外，還有基于呼吸機(jī)能微生物傳感器和基于代謝機(jī)能微生物傳感器的毒性預(yù)警系統(tǒng)，呼吸機(jī)能微生物傳感器可用于監(jiān)測對呼吸存在抑制作用物質(zhì)的毒性，代謝機(jī)能的微生物傳感器可以在10min內(nèi)靈敏地測量對氧磷、對硫磷等毒性物質(zhì)。

基于基因工程、呼吸機(jī)能和代謝機(jī)能的生物傳感器均選擇微生物作為載體實(shí)現(xiàn)快速檢測，這類技術(shù)目前還在完善中，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后可以更好地對水體狀況進(jìn)行預(yù)警判斷。

2.6幾種毒性在線預(yù)警技術(shù)的比較

表1　幾種毒性在線預(yù)警技術(shù)的比較

3　前景與展望

生物毒性在線預(yù)警技術(shù)彌補(bǔ)了理化檢測的局限性和連續(xù)取樣的繁瑣性，能夠?qū)λw中各種毒性物質(zhì)的加成或者抑制作用進(jìn)行綜合判斷。生物毒性監(jiān)測系統(tǒng)按照傳感器類型的不同，可分為魚類毒性在線預(yù)警系統(tǒng)、蚤類毒性在線預(yù)警系統(tǒng)、藻類毒性在線預(yù)警系統(tǒng)以及發(fā)光細(xì)菌毒性在線預(yù)警系統(tǒng)等多種類別。發(fā)光細(xì)菌毒性在線預(yù)警系統(tǒng)測量所需時間短、對毒物的敏感性強(qiáng)、測量傳感器的數(shù)量多、重現(xiàn)性好，采用該系統(tǒng)通過原位監(jiān)測可以實(shí)時判斷水體水質(zhì)狀況，達(dá)到早期預(yù)警的目的，在保障水質(zhì)安全方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。以下幾個方面是生物毒性在線預(yù)警技術(shù)的進(jìn)一步研究方向：（1）目前在線監(jiān)測的目標(biāo)水體主要是飲用水（水源水）。飲用水毒性普遍較低，所以開發(fā)更高靈敏度的生物傳感器可以更進(jìn)一步對水質(zhì)狀況進(jìn)行有效預(yù)警；（2）目前監(jiān)測技術(shù)多為原位監(jiān)測，發(fā)光細(xì)菌需要更換，開發(fā)具有更長生命周期的發(fā)光細(xì)菌可以減少維護(hù)人員的工作量；（3）目前的生物毒性在線預(yù)警系統(tǒng)為綜合毒性監(jiān)測系統(tǒng)，早日引入多種功能的基因工程可以克服發(fā)光細(xì)菌為好氧生物的局限性。并且，對特定水源的特征污染物可以開發(fā)具有針對性的代謝菌，從而起到針對特定污染物的精確預(yù)警。

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[2]European Union，Council Directive 80/778/EC on the qualityofwater intented for human consumption,1980[S].

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[4]United States Environmental Protection Agency,the Drinking Water Standards and Health Advisories 2006[S].

[5]郁建橋,鐘聲,王經(jīng)順.生物毒性檢測技術(shù)在水質(zhì)應(yīng)急和預(yù)警監(jiān)測過程的應(yīng)用[J].生命科學(xué)儀器,2009,7（12）：16-18.

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國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)（2012YQ030111）。

顧俊強(qiáng)（1982—），男，漢族，江蘇省蘇州市人，碩士研究生，工程師，從事環(huán)境自動監(jiān)測方面工作。