飲用水源地生物毒性在線預警技術的發展

顧俊強

（蘇州市環境監測中心江蘇蘇州215004）

飲用水源地生物毒性在線預警技術的發展

顧俊強

（蘇州市環境監測中心江蘇蘇州215004）

分析了當前飲用水源地水質安全預警方法及評價體系，指出了常規監測技術的不足，對幾種生物毒性在線預警技術的原理及特點進行了比較，分析出發光細菌毒性在線預警技術相比其他預警技術具有如下優點：毒譜寬、測量穩定、與常規指標的相關性好、維護方便。

飲用水源地；生物毒性；在線預警；發光細菌

1　飲用水源地安全預警現狀

飲用水源地水質安全關乎民生，責任重大。世界衛生組織、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，環保部也陸續通過行政立法以及加強監測等手段來完善水質評價體系，先后頒布了《地表水環境質量標準》《生活飲用水衛生標準》以及《地下水質量標準》，分別規定了108項、106項、39項檢測指標，規范了飲用水源的監測指標、測量方法和評價依據。這些常規的檢測方法和檢測指標使得飲用水安全得到了基本保障。

但隨著經濟的快速發展，環境污染事故的數量和復雜程度也在不斷增加，特別是從上世紀90年代開始，關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年湖南飲用水源發生化學污染、2004年四川發生飲用水源化學污染、2005年黑龍江發生化學污染、2012年廣西發生飲用水源化學污染，這些污染事件大都屬于偶發事件，污染物的種類和來源均需要經過大量排查分析才能確定。

面對飲用水源地突發污染事故，及時預警、快速定性可以為應急處置贏得寶貴的時間。常規的物理化學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的疊加效應，也無法預知水體是否安全、適合飲用。因而，在飲用水在線監測中有必要采用生物指標評價水環境的毒性，考察其生物效應，完善飲用水源水質安全評價體系[5-6]。

2　生物毒性在線預警技術

水質綜合生物毒性在線預警技術作為常規監測技術的有效補充，在飲用水體以及工業廢水的各個領域都有廣泛的應用[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（細菌）兩類。

2.1魚類毒性在線預警技術

魚類是水生態系統中的主要成員，水體環境的基體變化都會直接作用在魚類的生理行為中，基于此，毒性檢測技術中，魚類毒性技術是最直接的分析手段。中國在用的標準中也把魚類毒性試驗列為標準方法[10]。以魚類為生物傳感器的在線生物毒性監測技術多以斑馬魚在與目標水體接觸中的行為變化為指標，通過電子信號轉換，將魚類活動的生理狀態：腮呼吸運動、游動、跳動、覓食等活動進行記錄和分析，不同的毒物濃度對應著不同的行為模式。

魚類生物毒性在線監測儀的基礎是記錄其生物行為學變化，將運動信號轉化為電信號，此類系統以電場信號為基礎。監測系統內部包含兩對不銹鋼電極，在第一對電極上施加變化的電流，當斑馬魚在形成的電場中運動時，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。當斑馬魚在電場中運動時，轉換裝置會將電場的變化轉換為電信號的變化，通過傅里葉轉換器，將電信號轉化成一個特定頻率的連續譜圖來分析不同頻率的行為變化。

2.2蚤類毒性在線預警技術

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

蚤類毒性在線監測系統與魚類的毒性預警系統類似，以電磁感應信號的變化來反應大型蚤的行為變化，信號記錄部分由載流電極和感應電極組成。載流電極由變化的交流電驅動，產生電場，大型蚤的運動會引起電場的變化，繼而通過感應電極檢測大型蚤的運動變化。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。

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

2.3藻類毒性在線預警技術

藻類是水生生態中的生產者，通常具有個體小、繁殖能力快、容易培養等特點，可直接觀察細胞水平的中毒癥狀[13]，藻類毒性在線監測系統以藻類作為探測生物，檢測水樣對藻的活性的影響。分析中，采用葉綠素熒光技術檢測被測樣品對藻類活性的影響，進而確定其毒性強弱。

藻類毒性在線監測系統主要由三部分組成：（1）藻類發酵培養部分，用來提供藻類的適宜生長環境，使得藻類可以生長到最佳的狀態；（2）液體移動部分，用來將培養好的藻類移動到待測水樣的位置，與待測水樣進行接觸反應；并在接觸反應完成之后對系統進行清洗；（3）中央控制部分，主要作用是分析、顯示數據，并提供人機接口。

藻類毒性預警技術可以指示水質生物毒性，可以反映水體中營養物質、重金屬、農藥和有機物的綜合毒性，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較慢[14]。

2.4發光細菌毒性在線預警技術

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

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

該技術的檢測過程僅需30min左右時間，同時，發光細菌的密度大于10000萬個單位，減少了測量中個體差異帶來的誤差，具有統計學穩定的優勢[16]。

2.5其他毒性在線預警技術

在毒性監測領域，除了上述生物傳感器技術外，還發明了將發光細菌重組后的基因工程微生物傳感器[17]，重組發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行指征表達。這種生物傳感器可以檢測任何一種可溶性物質。另外，還有基于呼吸機能微生物傳感器和基于代謝機能微生物傳感器的毒性預警系統，呼吸機能微生物傳感器可用于監測對呼吸存在抑制作用物質的毒性，代謝機能的微生物傳感器可以在10min內靈敏地測量對氧磷、對硫磷等毒性物質。

基于基因工程、呼吸機能和代謝機能的生物傳感器均選擇微生物作為載體實現快速檢測，這類技術目前還在完善中，實現產業化后可以更好地對水體狀況進行預警判斷。

2.6幾種毒性在線預警技術的比較

表1　幾種毒性在線預警技術的比較

3　前景與展望

生物毒性在線預警技術彌補了理化檢測的局限性和連續取樣的繁瑣性，能夠對水體中各種毒性物質的加成或者抑制作用進行綜合判斷。生物毒性監測系統按照傳感器類型的不同，可分為魚類毒性在線預警系統、蚤類毒性在線預警系統、藻類毒性在線預警系統以及發光細菌毒性在線預警系統等多種類別。發光細菌毒性在線預警系統測量所需時間短、對毒物的敏感性強、測量傳感器的數量多、重現性好，采用該系統通過原位監測可以實時判斷水體水質狀況，達到早期預警的目的，在保障水質安全方面發揮著舉足輕重的作用。以下幾個方面是生物毒性在線預警技術的進一步研究方向：（1）目前在線監測的目標水體主要是飲用水（水源水）。飲用水毒性普遍較低，所以開發更高靈敏度的生物傳感器可以更進一步對水質狀況進行有效預警；（2）目前監測技術多為原位監測，發光細菌需要更換，開發具有更長生命周期的發光細菌可以減少維護人員的工作量；（3）目前的生物毒性在線預警系統為綜合毒性監測系統，早日引入多種功能的基因工程可以克服發光細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具有針對性的代謝菌，從而起到針對特定污染物的精確預警。

[1]World Health Organization，Guidelines for drinking-water quality, third edition,2005[S].

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

[3]European Union，Council Directive 98/83/EC on the quality ofwater intented for human consumption,1998[S].

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

[5]郁建橋,鐘聲,王經順.生物毒性檢測技術在水質應急和預警監測過程的應用[J].生命科學儀器,2009,7（12）：16-18.

[6]王海英.生物毒性在線監測在水源地的應用研究[J].環境科學與管理,2014，39（5）：125-127．

[7]趙風云,孫根行.工業廢水生物毒性的研究進展[J].工業水處理, 2010,30(4)：22-25.

[8]武超,任東華.飲用水源地水質引入生物毒性初篩[J].中國資源綜合利用,2010,28（10）:57-60.

[9]王子健,饒凱鋒.突發性水源水質污染的生物監測、預警與應急決策[J].給水排水,2013,39(10)：1-3.

[10]GB/T13267-91水質物質對淡水魚（斑馬魚）急性毒性測定[S].

[11]GB/T16125-1995大型水蚤測試標準方法[S].

[12]鄭新海.大型蚤在線生物監測系統研究[J].環境監測與預警, 2011,3(2):21-23.

[13]BS EN ISO Water quality-Freshwater algal growth inhibition test with unicellular green algae[S].

[14]LAT LA A,STEPNOWSKI P,NEDZI M．Marine toxicity assessment ofimidazoliumionic liquids：acute effects on the balic algae ocystis submarina and cyclotella meneghiniana[J]，Aquat Toxicol，2005,73 (1)：91-98．

[15]GB/T15441-1996水質發光細菌法急性毒性測定[S].

[16]張迪生,謝馨,陳鑫琪.在線生物毒性監測系統在飲用水源地水質監測中的應用[J].環境監測管理與技術,2014(5):53-55.

[17]CHINALIA F A,PATON G I,KILLHAM KS,physiological and toxicological characterization of an engineered whole-cell biosensor[J]. Bioresource Technology,2008,99(4)：714-721.

國家重大科學儀器設備開發專項（2012YQ030111）。

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