基于魚類應激反應的水質在線監測預警技術研究進展*

蘆玥同 黃 毅# 劉金濤 王 玨 武軍旭 許晨陽 李偉棟

(1.西安工業大學建筑工程學院,陜西 西安 710021;2.中交第三公路工程局有限公司,北京 100304)

隨著我國工業和農業的高速發展,重金屬及農藥等污染物排放現象時有發生,導致突發性水質污染事件數量增多,引起社會各界的高度重視。目前,基于魚類應激反應的水質在線監測預警技術是通過魚類對水質污染變化產生的應激反應進行預警的技術。相較于其他生物監測來說,該技術運行周期長、維護簡單且成本低廉[1],能在第一時間預警水體突發污染,為應急處理爭取寶貴時間。近些年,魚類監測在實際應用中也頗見成效,河北省、汕頭市陸續利用青鳉魚的生物行為學原理進行水質生物毒性在線監測預警[2-3],有效保障了當地的飲用水安全。由中國科學院生態環境研究中心開發的水質在線生物安全預警系統(BEWs),也在2008年北京奧運會和汶川抗震救災的用水保障工作中發揮了重要作用[4]。本研究通過對水質在線監測預警系統的介紹,系統闡述多種監測預警技術原理,為深入研究監測預警技術提供一定的理論基礎和發展方向。

1 受試魚種及其應激反應

1.1 受試魚種的選擇

用于水質在線監測的受試魚種應滿足易飼養、易觀察,環境適應力強,對污染物敏感且毒理學基礎數據豐富等特征。被國際標準化組織(ISO)[5]、經濟合作與發展組織(OECD)[6]和英國標準學會(BSI)[7-8]推薦的斑馬魚、孔雀魚、青鳉魚和虹鱒等在實際中應用較多。同時,這些魚種也廣泛應用于藥物毒理學、生態毒理學和生命科學等研究領域,積累了豐富的毒理學數據,是水質在線監測預警系統中的首選模式生物,其主要特征對比如表1所示。

表1 受試魚種特征對比Table 1 Comparison of characteristics of tested fish species

1.2 魚類的應激反應

應激反應指生命體在受到創傷或內外界刺激后機體通過生理生化反應重新建立穩態的一個過程,是非特異性的全身反應[9]。在水質預警系統中應用的主要有行為和生理兩種應激反應。魚類行為應激反應指魚類受到應激原刺激時做出的回避反應,如躲避逃竄、不安地急速游動等行為,在水體污染初期表現強烈,是較敏感的監測指標[10]。魚類生理應激反應指魚類體內的酶和激素水平的變化,導致機體激素水平、心電和腦電等監測指標發生規律性變化,隨著污染物脅迫的濃度增加,所對應的監測指標相關性也更顯著。相較于行為應激反應,生理應激反應是魚類受污染脅迫后直接表現出的異常反應,也是其表現出異常行為的部分內在原因。

2 基于魚類行為應激反應的水質在線監測預警

2.1 利用電磁信號捕捉魚類行為應激

電磁信號在線監測利用裝置一側發出電流形成電場,另一側采集魚類運動時產生的電場變化實現監測。在實際使用過程中,電磁信號的實時性比視頻信號更強,但布置在水中的電磁信號捕捉裝置會對魚類有一定的干擾,監測結果會受到影響。活動電位、生物傳感器和光柵遮擋(見表2)都是采用電磁信號的原理,可監測多種魚類行為指標,脅迫因素有重金屬、農藥和非侵入性脅迫因素等。

2.1.1 活動電位監測

利用魚類活動電位變化的方式進行水質在線監測,是在水箱內壁兩側放置電極板監測魚體呼吸時身體產生的生物電位變化,達到水質污染預警的一種方法。王磊[11]利用魚鰓和魚嘴開閉產生的活動電位變化,監測水中樂果、敵敵畏、敵百蟲、百草枯的毒性。隨著農藥脅迫的持續,當活動電位和移動平均值逐漸趨近于零時,進行紅色報警[12]。但該方法在監測體長過小的魚類時電位信號太微弱,故僅限于監測魚體長度適中的鯽魚和錦鯉。徐敏等[13]對此進行改進,擴大了監測的普適性,測量值改為電位信號頻率的變化,不再限制魚種和尺寸,可用于青鳉魚、斑馬魚等小型魚種,并用0.04 mg/L殺螟硫磷和0.50、2.00 mg/L氰化鉀驗證了可行性,監測的生物電位十分微弱,因此采用魚呼吸運動電位信號監測裝置避免游動運動對呼吸運動電位監測的干擾。除魚嘴、魚鰓和魚鰭等部位,運動時肌肉收縮舒張產生的活動電位也可實現監測[14]。

2.1.2 生物傳感器監測

生物傳感器監測在受試魚游動的水箱兩側設置電極板,魚受到化學品脅迫后,電極板中電場能感應受試魚脅迫后的運動變化。王子健等[15]設計了有兩個電極板采集運動電信號的水箱,用提供魚類逃避的通道相連,適合魚游動的區域為低壓交流電場,再通過信號采集裝置轉換為可視信號。HU等[16]又在此基礎上進行了完善,添加了在亮、暗光照和不同水溫(15～35 ℃)下對斑馬魚的監測功能,可實現非侵入性脅迫下斑馬魚的持續行為反應監測。水質在線BEWs通過低壓高頻電磁信號傳感器技術連續實時監測生物運動行為變化。任宗明等[19]采用此系統研究10.00 mg/L氰戊菊酯間斷脅迫,發現斑馬魚的行為強度發生了明顯降低。趙曉艷等[17]采用多物種凈水監測儀(MFB)測定不同頻率的魚類運動電磁信號,該裝置傳感器由一組生成高頻電流的電極和另一組呈90°的接收電極組成。GERHARDT等[20]采用MFB監測飲用水,在酸性條件下脅迫飲用水中的大型蚤和蚤狀鉤蝦,當pH低于6.8時兩者都表現出明顯的行為變化。

2.1.3 光束遮擋監測

德國BBE公司研發的Tox Protect 64簡易魚類毒性儀運用光柵遮擋感知原理(與電場遮擋原理相似),監測魚類運動強度對光束的遮擋次數,當魚遮擋光柵頻率和位置低于限值時,啟動報警檢驗系統,達到水質污染預警的目的。此外,還可以調節水箱中瞬時光照強度,通過魚類應激反應判斷報警信號的真偽,提高監測準確度[18]。

表2 電磁信號捕捉魚類應激反應水質在線監測Table 2 On-line monitoring of water quality based on fish stress response captured by electromagnetic signals

2.2 利用視頻信號追蹤魚類行為應激

視頻信號在線監測是采用一個或多個攝像頭實時采集魚類在水箱中運動的軌跡,對視頻圖像數據進行數字化處理,實現在線監測的一種方法。雖然這種監測方法中魚群游動軌跡可能會相互影響,數據采集也會受到影響,但在實際操作中更簡單方便,在成本方面也優于電磁信號[21]58。

二、三維視頻監測都是常用的監測形式,可監測的指標有速度、轉次等(見表3),運用多種數據處理方法將視頻信號轉換為可視數據。

2.2.1 二維視頻信號

二維視頻信號監測因采集數據少、運算量小、操作簡單等優勢,是目前普遍應用的監測形式[22]672。監測指標是魚類水質在線監測中重要的因素,早期指標通常包括魚類的游動行為,當水質發生變化時,魚類會發生回避逃離等應激反應,觀察魚類行為變化可對水質進行監測預警,而游動速度是游動行為中最常用的參數之一[29]。

嚴升[21]57運用二維視頻監測技術監測魚群運動軌跡,通過調節水體pH,驗證了魚群作為監測指標的可行性。黃毅等[22]671-676用氯化鎘和敵敵畏脅迫,驗證魚類游動行為劃分為個體和群體指標的有效性。魚群在相鄰個體魚的行為下更快速地感知環境變化,做出應激反應,因此魚類的群體行為也可作為水質監測行為指標。賈貝貝等[24]提取呼吸頻率和魚鰓、胸尾鰭的擺動頻率變化作為新的行為監測指標。李秀麟等[25]設計了具有中間脅迫區和脅迫逃離區的監測裝置,監測斑馬魚在氯化鋅和氯化鎘聯合脅迫下的規避行為變化,提出了距中心對角線距離指標;裝置中部放置重金屬暴露的斜管,隨著水流的不斷運動擴散,斑馬魚逃離中間脅迫區,最終進入脅迫逃離區。酚類污染物對斑馬魚的游動行為影響研究表明,浮出水面的頻率[27]也可作為監測指標。

2.2.2 三維視頻信號

三維視頻監測追蹤魚類運動軌跡相比二維更精準,在魚缸不同方向擺放兩個攝像頭,實現XYZ軸上的魚類運動軌跡的采集,是三維視頻監測普遍采用的布置形式。

李林波等[30]提出利用三維軌跡對魚類游動行為進行空間定位和連續跟蹤的方法。CHENG等[28]結合卡爾曼濾波和核相關濾波算法對軌跡進行平滑處理,并提高準確度和跟蹤效率。范偉康[31]用平面鏡和攝像機成像原理將監測圖像轉化為三維監測方式。張勝茂等[32]采用高斯模型對魚類運動圖像進行處理、運動目標檢測及魚體輪廓分析等,提出了對前景輪廓進行合理性分析來提高檢測正確率的方法。

2.3 其他監測魚類行為應激的方式

在水質監測預警中,為解決電或視頻信號監測帶來的誤差,利用物理因子脅迫對魚類進行無損傷刺激,通過魚類行為變化可檢驗預警真實性,減少發生誤報警的狀況。凌睿[33]研究認為,斑馬魚受到鎘、鉻、溴氰菊酯和敵敵畏的脅迫時,對聲、光和電刺激的行為反應強度會降低。韓小波等[34]在研究中選擇光照對斑馬魚進行短暫刺激,驗證了物理因子脅迫檢驗報警真偽方法的可行性。任宗明等[35]將電與視頻信號監測方法相結合,在裝置內壁設置兩組電極發射和接收電信號,在電場監測的基礎上,添加攝像頭幫助定位,再利用生物識別算法配套分析,這種電、視頻結合的方式保障了行為信號和結果的唯一性,降低單電場監測時傳感器采集會出現的誤差,防止斑馬魚群在交叉游動時個體采集錯位的情況,提高了生物識別定位的精確度。

表3 不同視頻監測維數追蹤魚類應激反應水質在線監測Table 3 Online monitoring of water quality in different video monitoring dimensions tracking fish stress response

3 基于魚類生理應激反應的水質在線監測預警

3.1 魚類心電采集對魚類生理應激反應的研究

魚類生理應激監測水質污染的方法,目前是從參照監測動物心電圖的方法發展到研究魚類心電對水環境的響應。有研究采用重金屬和農藥對斑馬魚進行脅迫,使魚類心電產生變化,得出變化程度與暴露的重金屬和農藥之間存在的效應關系,可反映水體污染情況。斑馬魚長時間暴露在高濃度溴氰菊酯下,心率會變慢,但斑馬魚心電與行為變化相關性不強,這是由于魚體內受到生理機制的調節,行為變化有一定的滯后性[36-38]。任宗明等[39]還發明保持魚類正常體位的在線心電采集裝置,兩邊用充滿水的海綿包裹魚體,再通過埋入魚體指定位置的導線,分別采集不同水質下斑馬魚的心電,并實時傳入主機分析比對,可得出環境污染對斑馬魚心電的影響。

3.2 生理生化指標對魚類生理應激反應的研究

魚類行為水質監測可與生理生化指標相結合,魚類受到外界環境脅迫后生理及內分泌的變化,是導致魚類產生行為變化的內在因素。研究發現,乙酰膽堿酯酶(AChE)、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等[40]活性的變化,均可作為魚類行為應激水質監測預警的生理指標。REN等[41]分析溴氰菊酯對斑馬魚肌肉中AChE活性的影響得出,斑馬魚肌肉中AChE活性的抑制會造成游泳行為紊亂。HAVERROTH等[42]研究銅對斑馬魚行為和生理生化指標的影響得出,低濃度的銅抑制肌肉中AChE的活性,會嚴重影響斑馬魚的行為。

皮質醇激素作為生理生化指示物,對魚類生理應激反應有明顯的表征作用[43]。生物體內下丘腦-垂體-腎間腺軸可合成并分泌皮質醇,是機體應激反應的一種表現[44]。研究表明,人為驚擾刺激[45]與水體重金屬Cu2+[46]脅迫等都會對皮質醇水平產生影響。

4 結 語

水質污染在線監測預警技術中,不同的監測預警系統特點不同。電磁信號的實時性比視頻信號更強,但布置在水中的電磁信號捕捉裝置會對魚類有一定的干擾,監測結果會受到影響。視頻信號監測方法中,魚群游動軌跡可能會相互影響,數據采集也會受到影響,但在實際操作中這種方法更簡單方便,成本也低于電磁信號監測預警系統。而基于魚類生理應激(導致魚類產生行為變化的內在因素)的監測系統,可探究魚類內在機理的調節與魚類行為應激的關系。

總體而言,魚類行為與生理應激在水質在線監測預警技術研究中,都能有效反應水質污染情況,通過總結監測預警系統裝置,今后可深入研究多種信號聯合監測的方式。通過采集魚類行為異常變化,行為應激反應可實時反應水體變化,實現在線監測預警。生理應激是導致魚類產生行為變化的內在因素,但在魚類內在機理探究中,如魚類內在調節機制與行為應激之間的關系,其他有關內分泌變化的問題還有待解決。總體上,魚類應激反應的水質在線監測預警技術有很大的應用前景與發展潛力,可為突發性水體污染預警提供更多的研究方向。