新型生物毒性在線監(jiān)測儀在地表水中應用數(shù)據(jù)分析

摘" 要：生物毒性監(jiān)測有望實現(xiàn)水污染早期預警。利用電化學活性菌測定水質(zhì)生物毒性，具有靈敏度高、響應速度快、不受水體色度濁度干擾的優(yōu)點。目前，商業(yè)化EAB水質(zhì)生物毒性監(jiān)測裝備已實現(xiàn)了在線監(jiān)測，但受限于高的毒性物質(zhì)響應范圍，不能直接與地表水污染程度掛鉤。據(jù)此，開展了基于EAB的新型生物毒性在線監(jiān)測儀在地表水中的應用數(shù)據(jù)分析。首先，對采集的地表水監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理和分析；然后，對生物毒性抑制率與常規(guī)因子之間的相關趨勢進行特征分析；最后，對生物毒性抑制率與常規(guī)因子的相關關系進行了研究。在一定水環(huán)境條件下，生物毒性抑制率與常規(guī)因子數(shù)據(jù)趨勢基本吻合，為利用生物毒性抑制率預警水質(zhì)污染提供數(shù)據(jù)支撐。

關鍵詞：水質(zhì)生物毒性；電化學活性菌；地表水；突發(fā)性水污染早期預警；相關分析

中圖分類號：TP206" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）23-0158-07

Application Data Analysis of the New Biological Toxicity Online Monitor in Surface Water

GE Yanhong， ZHA Fan， FU Qiong， MAO Zhipeng， YU Mei， HUANG Zhiyi， HU Yifan

（Guangdong Infore Technology Co.， Ltd.， Foshan" 528322， China）

Abstract： Biological toxicity monitoring holds promise for early warning of water pollution. It offers advantages such as high sensitivity， fast response speed， and no interference from water color and turbidity to utilize electrochemically active bacteria to assess biological toxicity of water quality. Currently， commercial EAB biological toxicity of water quality monitoring equipment enables online monitoring. However， it is limited by the response range to highly toxic substances， hindering direct correlation with the extent of surface water pollution. In light of this， an application data analysis of the new biological toxicity online monitor based on EAB in surface water is conducted. Firstly， the collected surface water monitoring data is processed and analyzed. Subsequently， characteristic analysis is carried out on the correlation trends between the biological toxicity inhibition rate and conventional factors. Finally， a study is conducted on the correlativity between the biological toxicity inhibition rate and conventional factors. Under certain water environmental conditions， the data trends of biological toxicity inhibition rate and conventional factors align， providing data support for utilizing the biological toxicity inhibition rate to warn water quality pollution.

Keywords： biological toxicity of water quality; electrochemically active bacteria; surface water; early warning of sudden water pollution; correlation analysis

0" 引" 言

良好的環(huán)境是人類健康發(fā)展的基礎，忽視發(fā)展過程中的環(huán)境健康問題，已造成過許多的健康公害事件，例如公眾熟知的水俁病事件、疼痛病事件和萊茵河“死亡”20年等。實際上，我國也面臨著嚴峻的環(huán)境健康風險，原因在于我國以重化工為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)沒有根本改變，大量工業(yè)企業(yè)沿江河而建，一旦發(fā)生突發(fā)水污染事件，將危及群眾的飲用水安全[1]。為應對這一風險，我國目前正在系統(tǒng)推進環(huán)境健康工作，其中一項重要的內(nèi)容是開展水質(zhì)生物毒性監(jiān)測[2]。生物毒性指標代表了水體中毒害組分總濃度，直接反映了水體對生物代謝的影響。當水體中出現(xiàn)毒害污染物時，毒害污染物會影響生物的代謝，因此通過檢測生物的代謝特征即可判斷水環(huán)境質(zhì)量[3]。與分析毒害污染物成分相比，生物響應水體中毒害污染物具有廣譜性，檢測范圍更廣；同時，生物能夠?qū)崟r響應毒害污染物，檢測速度快。因此，有必要研制使用水質(zhì)生物毒性監(jiān)測設備，保障群眾用水安全。

目前，國內(nèi)外研究人員研制了一系列的水質(zhì)生物毒性監(jiān)測裝備。例如，使用魚類作為生物毒性測定的受試生物，德國BBE和中科院生態(tài)環(huán)境研究中心分別開發(fā)了Fish toximeter和BEWs。該設備通過分析模式魚類的行為特征[4]，判斷水質(zhì)生物毒性。然而，采集魚類行為特征需要精密的視覺監(jiān)測體系，毒性判定也依賴復雜的模型，毒性測定成本高。而且，利用魚類測定毒性易受個體差異的影響[5]。目前，最常見的水質(zhì)生物毒性監(jiān)測裝備是以發(fā)光細菌作為受試生物，例如英國Modern Water公司的Microtox和荷蘭MicroLan公司的Toxcontrol。在正常生理狀態(tài)下，發(fā)光細菌能夠在代謝時穩(wěn)定地發(fā)光。當發(fā)光細菌暴露于有毒水體時，代謝受到抑制，發(fā)光強度相應地減弱，因此通過檢測發(fā)光細菌的光強能夠判斷水質(zhì)生物毒性[6]。與魚類相比，利用發(fā)光細菌測定生物毒性操作簡單、重復性高[7]。但是，發(fā)光細菌的光強受水體顏色和混濁程度影響，因此混濁地表水、有顏色的廢水都會導致檢測結(jié)果不準確、易出現(xiàn)“假陽性”[8]。因此，仍需要研制新型的水質(zhì)生物毒性監(jiān)測設備。

目前，我國和國際上均成功研制了不受水體色度、濁度影響的水質(zhì)生物毒性監(jiān)測裝備，例如韓國KORBI公司的HATOX2000，中外合資雪迪龍公司的Model-9880以及我國盈峰公司的YF-TOX。這些裝備中，均使用了電化學活性菌（Electrochemically Active Bacteria，EAB）代替發(fā)光細菌測定水質(zhì)生物毒性。EAB是具有獨特能量代謝方式的細菌，能夠?qū)⒑粑饔卯a(chǎn)生的電子傳遞至胞外。在正常生理狀態(tài)下，EAB能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的生物電信號[9-10]。當暴露于有毒水體時，EAB代謝活性降低、電信號下降，因此檢測EAB的電信號即可判斷水質(zhì)生物毒性，而電信號不受水體色度濁度的影響[11]。目前，這些設備已經(jīng)應用于北京密云水庫、浙江海寧水廠等地應用，并成功預警了一起由于農(nóng)藥倒灌引發(fā)的突發(fā)性水污染事件。然而當前設備監(jiān)測毒性物質(zhì)的響應濃度遠高于GB 3838-2002規(guī)定的地表水五類限值，當出現(xiàn)常規(guī)因子超標時，生物毒性監(jiān)測儀沒有響應，往往被認為EAB法監(jiān)測的水質(zhì)生物毒性程度并不能直接與地表水污染程度掛鉤。實際上，EAB生物毒性不僅受水樣中有毒物質(zhì)的影響，而且受水體中類營養(yǎng)物質(zhì)的綜合影響，因此需要開展EAB生物毒性抑制率與監(jiān)測地表水的常規(guī)因子之間的數(shù)據(jù)分析研究。

據(jù)此，面向突發(fā)水污染事件的早期預警和地表水環(huán)境質(zhì)量長期監(jiān)測的重大需求，本研究開展了基于EAB的地表水監(jiān)測儀應用數(shù)據(jù)研究分析。首先，處理采集得到的長期平穩(wěn)運行的地表水監(jiān)測儀數(shù)據(jù)，研究生物毒性抑制率與不同水質(zhì)類別的關系；然后，研究了生物毒性抑制率與常規(guī)因子之間的相關趨勢特征；最后，分析了生物毒性抑制率與常規(guī)因子可能存在的相關關系，為利用生物毒性抑制率預警常規(guī)因子的異常提供了技術(shù)支撐。

1" 材料和方法

1.1" 主要儀器及器具

YF-TOX水質(zhì)生物毒性在線監(jiān)測儀（盈峰環(huán)境科技集團股份有限公司），以下簡稱監(jiān)測儀；WP-UP-Y2-80超純水機（沃特浦），如圖1所示。

1.2" 主要試劑

濃縮電解液：取NaCl 50.0 g、NH4Cl 38.0 g、KCl 3.0 g、NaH2PO4 15.0 g、Na2HPO4 58.0 g于燒杯，加適量水溶解，用1 000 mL容量瓶定容搖勻，常溫密封保存。

有機底物濃縮溶液：取NaAc 8.2 g于燒杯，加適量水溶解，轉(zhuǎn)移至1 000 mL容量瓶，定容搖勻，4 ℃密封保存。

毒性物質(zhì)母液：采用GSB 04-1725-2004銅標準溶液（1 000 mg/L，以Cu2+計）作為標準毒性物質(zhì)母液。

基礎電解液：分別取濃縮電解液、有機底物濃縮溶液各100 mL至同一個1 000 mL容量瓶中，定容搖勻，現(xiàn)用現(xiàn)配。

1.3" 監(jiān)測原理

監(jiān)測儀核心部件是生物傳感器，傳感元件是培育成熟的EAB混菌生物膜。開展水質(zhì)監(jiān)測時，監(jiān)測儀首先獲取通入基礎電解液時的基準信號Io，然后獲取通入水樣時的檢測信號Is，根據(jù)式（1）計算生物毒性抑制率IRs，以下簡稱抑制率。

IRs =（Io-Is）/Io×100% （1）

式中，IRs表示抑制率，Is表示水樣檢測信號，Io表示基準信號。

1.4" 分析方法

相關分析是研究變量之間的統(tǒng)計相關關系，相關系數(shù)能夠以數(shù)字的形式描述變量之間的相關關系程度[12]。本文數(shù)據(jù)采用GraphPad Prism 10和R 4.4.1進行圖表繪制和相關分析，由于常規(guī)因子數(shù)據(jù)的非正態(tài)性分布，采用斯皮爾曼（Spearman）相關系數(shù)[13]，在R平臺調(diào)用“corrplot”包進行相關分析和相關系數(shù)熱圖繪制，均以P＜0.05表示有差異和具有統(tǒng)計學意義。

2" 數(shù)據(jù)采集和處理

2.1" 數(shù)據(jù)采集

監(jiān)測儀布設在廣東省三個典型的地表飲用水源水監(jiān)測站。監(jiān)測儀每4個小時測一次實際水樣的監(jiān)測電流信號，常規(guī)因子監(jiān)測儀每2個小時測一次實際水樣的各項常規(guī)因子，包括氨氮（mg/L）、化學需氧量（mg/L）、高錳酸鹽指數(shù)（mg/m3）、總磷（mg/L）、pH酸堿度、電導率（μs/cm）、濁度（NTU）、溶解氧（mg/L）、總氮（mg/L）、重金屬七項（鎘鉻砷鉛鎳銅鋅）（mg/L）、氰化物（mg/L）、氟化物（mg/L）以及水質(zhì)類別判定結(jié)果?；诒灸甓鹊乃|(zhì)常規(guī)因子判定，水質(zhì)類別大部分為Ⅰ～Ⅲ類水，極少部分為Ⅳ類水。采集數(shù)據(jù)時間跨度為2023年9月至2024年8月共12個月，其中3月—7月降雨量比較大，多次發(fā)生濁度超高的情況，可能影響部分常規(guī)因子的監(jiān)測結(jié)果。

2.2" 數(shù)據(jù)處理

2.2.1" 數(shù)據(jù)有效性判定

判定準則：通過監(jiān)測儀設定的定時日質(zhì)控程序進行2次自動校準，需符合零點核查和標液核查標準；采集的原始基準電流數(shù)據(jù)，相鄰偏差在5.00%以內(nèi)。數(shù)據(jù)判定有效時，保留抑制率和常規(guī)因子監(jiān)測數(shù)據(jù)，否則，不采用該條記錄數(shù)據(jù)。

2.2.2" 數(shù)據(jù)篩選

利用Excel軟件繪制常規(guī)因子的折線圖，查找缺失值和驟變的離群值，刪去其所在行數(shù)據(jù)。針對常規(guī)因子數(shù)據(jù)列，若存在數(shù)據(jù)長期處于恒值或僅有極少數(shù)處波動、數(shù)據(jù)的缺失值占比大于50%、低于監(jiān)測下限數(shù)據(jù)占比大于30%等情況，刪去該常規(guī)因子，不納入相關分析中。據(jù)此原則，刪去了常規(guī)因子缺失列所在的1月數(shù)據(jù)，以及鉻、鎘、砷、鉛、氰化物數(shù)據(jù)列，以鎳銅鋅之和作為總重金屬納入后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

2.2.3" 數(shù)據(jù)標準化

由于常規(guī)因子之間以及常規(guī)因子與抑制率之間的數(shù)量級不一樣，每個月出現(xiàn)的波動幅度各異，根據(jù)時間標簽將抑制率和常規(guī)因子數(shù)據(jù)對應拼接，合并所有月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，通過統(tǒng)一除以常規(guī)因子自身列最大值，將其標準化縮至0～1區(qū)間。該數(shù)據(jù)標準化方法不影響后續(xù)的相關分析結(jié)果。

3" 分析步驟

采集得到的抑制率和常規(guī)因子數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，將數(shù)據(jù)導入Prism，分析不同水質(zhì)類別與抑制率大小的關系；將數(shù)據(jù)導入R平臺分析抑制率與所有常規(guī)因子之間的相關性，包括逐月分析和全年分析；繪制抑制率與各項因子的總趨勢圖，尋找分析切入點；獲取切入點數(shù)據(jù)，再次利用R平臺分析抑制率與單個常規(guī)因子之間相關性。

4" 結(jié)果與討論

4.1" 抑制率與水質(zhì)類別的相關性分析

不同水質(zhì)類別對應的抑制率數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，Ⅰ類水對應的抑制率為-0.44%±4.66%，Ⅱ類水對應的抑制率為7.72%±4.19%，Ⅲ類水對應的抑制率為10.29%±4.65%，Ⅳ類水對應的抑制率為12.16%±6.23%，在Ⅰ類水質(zhì)情況下，抑制率在±5.00%左右波動，這說明水質(zhì)良好，對EAB的正常生理代謝不存在脅迫作用，隨著水質(zhì)類別的上升，抑制率逐漸增大，表明抑制率與水質(zhì)類別呈正相關。根據(jù)水質(zhì)類別判定標準，只要出現(xiàn)超過當前水質(zhì)類別的常規(guī)因子項，就需要劃分至下一水質(zhì)類別，由圖2可知水質(zhì)類別越高，抑制率大小波動越明顯，這可能是由于相鄰水質(zhì)類別對應的常規(guī)因子往往只有少數(shù)幾項具有顯著差異，而非所有常規(guī)因子出現(xiàn)相應變化，因此水質(zhì)類別上升伴隨著部分常規(guī)因子波動，這暗示了抑制率與常規(guī)因子之間存在某種相關性。

4.2" 抑制率與常規(guī)因子的相關性分析

將每月的抑制率和所有常規(guī)因子數(shù)據(jù)導入R平臺進行Spearman相關性分析，結(jié)果如圖3（a～j）所示。根據(jù)Spearman等級相關系數(shù)表，當0.20≤r＜0.30，判定為弱相關；當0.30≤r＜0.40，判定為中等相關；當0.40≤r＜0.7，判定為強相關。圖3顯示在不同的月份，抑制率與部分常規(guī)因子存在弱相關、中度相關和強相關的情況，但是月與月之間相關系數(shù)結(jié)果差異明顯，其中4月數(shù)據(jù)顯示當月抑制率與常規(guī)因子數(shù)據(jù)之間相關性不具有統(tǒng)計意義，這可能是由于當月洪水導致濁度過高，影響常規(guī)因子監(jiān)測結(jié)果，總體抑制率與常規(guī)因子相關系數(shù)如表1所示。剔除4月的數(shù)據(jù)后，抑制率與常規(guī)因子總的相關分析結(jié)果如圖3（l）所示，綜合來看，抑制率僅與氨氮存在中等正相關（r = 0.31）、與pH酸堿度存在弱負相關（r = -0.23）、與溶解氧存在中等負相關（r = -0.30），這同樣表明連續(xù)監(jiān)測的不同月份之間的數(shù)據(jù)波動明顯，在單月可能暴露出的相關性特征會被其他部分數(shù)據(jù)掩蓋。

注：0.20≤|r|＜0.30，使用+/-表示；0.30≤|r|＜0.40，使用++/--表示；0.40≤|r|＜0.70，使用+++/---表示。

繪制總的抑制率與常規(guī)因子趨勢如圖4（a）～（k）所示，結(jié)合抑制率與常規(guī)因子相關系數(shù)表中相關系數(shù)的大小和出現(xiàn)頻次，重點考察一段時間跨度下抑制率與常規(guī)因子的趨勢，以及常規(guī)因子數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動處抑制率的響應。如圖4（a）（f）所示，抑制率與氨氮、電導率在中間區(qū)域有明顯的相同趨勢；如圖4（c）（h）（i）（j）（k）所示，抑制率與高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、總氮、總重金屬和氟化物在數(shù)據(jù)波動處可能存在某種內(nèi)在關聯(lián)；如圖4（b）（e）（g）所示，當抑制率發(fā)生變化的時候，化學需氧量、pH酸堿度和濁度不存在明顯相同或相反趨勢，其數(shù)值與抑制率不相關，如圖4（g）所示，濁度受大規(guī)模降雨影響，在后半段出現(xiàn)大幅波動（0～500 NTU）；如圖4（d）所示，總磷在后部分（5—7月）出現(xiàn)較大波動，而在前面部分與抑制率具有一定的相同趨勢。

針對抑制率與常規(guī)因子趨勢圖的切入點，抑制率與單個常規(guī)因子的相關性分析如圖5所示。圖5（a）顯示抑制率與230.80～287.20（μs/cm）的電導率強正相關（r = 0.66），這可能是由于高的電導率有利于EAB胞外電子傳遞。圖5（b）顯示抑制率與5.40～7.21（mg/L）的溶解氧強負相關（r = -0.43），這可能是由于較低濃度的溶解氧可以誘導好氧產(chǎn)電菌的增殖并促進其生理代謝[14]，隨著溶解氧的下降，好氧產(chǎn)電菌的活性下降，產(chǎn)電貢獻比例下降，表現(xiàn)為整體產(chǎn)電水平的下降和抑制率的上升。圖5（c）（d）（e）（f）分別顯示抑制率與0.07～0.36（mg/L）的氨氮強正相關（r = 0.43）、與5.31～12.70（mg/m3）的高錳酸鹽指數(shù)強正相關（r = 0.50）、與2.21～3.97（mg/L）的總氮強正相關（r = 0.40）、與剔除5—7月波動數(shù)據(jù)后0.05～0.08（mg/L）的總磷中等正相關（r = 0.34），這可能是由于混菌生物膜中嗜氮細菌和嗜磷細菌等受外部氮磷化合物誘導增長，與EAB發(fā)生有機底物競爭，導致EAB總體產(chǎn)電水平下降。圖5（g）顯示抑制率與0.07～0.20（mg/L）的氟化物中等正相關（r = 0.36），這可能是由于氟化物會干擾EAB的正常生理代謝和結(jié)構(gòu)功能，導致EAB總體產(chǎn)電水平下降。圖5（h）顯示抑制率與0.12～0.98（mg/L）的總重金屬強負相關（r=-0.60），這可能是由于低劑量的重金屬可以誘導EAB分泌參與電子傳遞的次級代謝產(chǎn)物，進而表現(xiàn)為產(chǎn)電水平提升[15]。而化學需氧量與抑制率無相關性，這可能是由于化學需氧量主要針對還原性物質(zhì)相對較高的廢水（一般＞20 mg/L），在本研究對象地表飲用水源水（一般0.1～8.8 mg/L）中數(shù)據(jù)不夠明顯。同樣，6.40～8.18范圍的pH酸堿度和2.00～500.00（NTU）的濁度均與抑制率無相關性，這說明監(jiān)測儀試劑中包含足量pH酸堿度緩沖物質(zhì)，前處理后水樣pH酸堿度都能穩(wěn)定在6.8～7.2（主要產(chǎn)電菌Geobacter相對最適生長pH酸堿度范圍），能夠有效避免EAB受外部pH波動影響，同時再次印證了微生物電化學法水質(zhì)監(jiān)測儀能有效避免高濁度物質(zhì)對水質(zhì)監(jiān)測的影響。

5" 結(jié)" 論

通過分析生物毒性抑制率與水質(zhì)類別和常規(guī)因子的相關性可知：根據(jù)常規(guī)因子判定的水質(zhì)等級越低（地表水水質(zhì)類別Ⅰ類水質(zhì)等級最高，Ⅴ類水質(zhì)等級最低），生物毒性抑制率越高；在一定水環(huán)境條件下，生物毒性抑制率與電導率、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮、氟化物正相關，生物毒性抑制率與溶解氧、總重金屬負相關，本研究為利用生物毒性抑制率預警水質(zhì)污染提供了基礎數(shù)據(jù)支撐。綜合可知：基于微生物電化學法的YF-TOX水質(zhì)生物毒性在線監(jiān)測儀不受水體濁度、pH酸堿度影響；在一定水環(huán)境條件下，生物毒性抑制率與常規(guī)因子數(shù)據(jù)趨勢基本吻合，在未發(fā)生突發(fā)性環(huán)境污染事件時，生物毒性抑制率也可以作為水質(zhì)等級評價的一種補充手段，YF-TOX水質(zhì)生物毒性在線監(jiān)測儀可以作為水質(zhì)生物毒性監(jiān)測預警的有效監(jiān)控設備。

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作者簡介：戈燕紅（1979—），女，漢族，江西吉安人，高級工程師，博士在讀，研究方向：精密儀器研發(fā)與管理。