CN101191792A - 基于水生生物回避行为的水质在线安全预警***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水质在线安全预警***和方法。该水质在线安全预警***包括两个测试管组成的生物回避行为传感器，两个管路通过中间的两通相连，且彼此平行；两个管路中分别装有两组不锈钢监测电极，每组电极都由发射信号电极和接受信号电极组成，发射信号电极给测试管内形成一个正旋低压交流电场，接受信号电极能够感应电场的变化，并将其传送到信号采集装置，经处理后通过显示器进行显示。本发明通过以多点监测获得的电信号方式显示受试生物的行为变化信号，并经过对电信号的分析评估，实现了原位、在线和实时的在线生物监测，并且可以对水体的未知污染物进行预警，对于研究环境污染，尤其是突发性、剧烈的事故性变化具有非常重要的指示作用。

Description

基于水生生物回避行为的水质在线安全预警***和方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，具体地说是涉及一种水质在线安全预警***和方法。

背景技术

化学品特别是化学农药和重金属的广泛应用带来环境污染问题，并在其生产、运输过程中存在非常多的隐患。有毒和危险化学品向环境的意外泄漏，随时都会对人类造成重大危害，对生物的生存形成威胁。人为的水体投毒也无时不在威胁着水生生物的生存和人类饮用水的安全。各种突发性事故以及化工厂的不正常运行都会导致不可预知的水体污染事故。需要有效的环境质量早期预警体系对水环境的突发性污染事故进行监测。

迄今为止，世界上普遍采用的水质在线监测与预警大致分为两大类：一类是理化分析，即采用各种在线分析仪器，通过定量或定性的分析方法，测定水中有害物质及其浓度。这一类监测方法有针对性，能够比较快速、灵敏地监测到水中不同种类危险化学物质的含量。然而，这类在线的化学监测仪器可以快速分析出的水质参数十分有限，监测结果并不能够直接反映水体内含有化学物质的毒性大小，尤其是未知化学物质的毒性。另一类是通过把生物监测技术与环境科学技术相结合，运用生态学方法和毒理学方法对污染环境进行分析评估。这种方法虽然可以直接测定工业废水的毒性和多种化学物质混合后的联合毒性，并为研究化学物质的致毒机理积累资料，但缺乏对于需要及时监测的突发性污染事故的实时监测(Real-time Monitoring)和实时在线预警。

在线生物监测技术(On-line Bio-monitoring Technology)是近几年刚刚提出的环境污染监测新技术。在线生物监测技术能够对受试生物在突发水质变化以后的不同指标实施监测，实现对可能导致生态和健康影响的水环境突发性事故预警。目前，应用于水质在线监测的技术主要为在线摄像技术(On-line image analysis)。这种技术可以通过摄像记录受试生物的运动行为变化，并根据生物的行为变化对水质进行评价。但这种技术存在的误差会因为水体的透明度、水流速度、光照等因素的影响而加大，并且因为此技术只实现了对生物的二维监测，不能对生物在立体空间内的行为变化进行综合评价、分析。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的用于水质的在线生物监测技术会因为水体的透明度、水流速度、光照等因素使得测量误差加大、且只能实现对生物的二维监测，不能对生物在立体空间内的行为变化进行综合评价、分析的缺陷，从而提供一种基于水生生物在受到污染的水体中所表现的具有趋向性的回避行为变化，综合应用生物运动规律变化和不同频率电场信号改变，且可对生物运动行为进行多点监测的水质在线生物安全预警***和方法。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种基于水生生物回避行为的水质在线安全预警***，如图1所示，包括第一测试管1和第二测试管2组成的生物回避行为传感器，两个管路通过中间的两通相连，且彼此平行，受试生物可以自由的在第一测试管1和第二测试管2之间游动；

第一测试管1和第二测试管2中分别装有两组不锈钢监测电极，每组电极都由连接在信号采集装置3上的发射信号电极4和接受信号电极5组成；发射信号电极4给测试管内形成一个正旋低压交流电场，当被监测的生物在管内的运动导致低压电场发生变化以后，接受信号电极5能够感应电场的变化，然后通过接受信号电极5接收测试管内由发射信号电极4形成的电信号变化，并经信号采集装置3采集处理后，通过显示器6将可视信号进行显示。

所述的测试管可以根据受试生物个体大小进行选择；

也可根据需要，在同一组测试管内安装多组监测电极，以实现多点监测功能。

本发明提供的基于水生生物回避行为的水质在线安全预警方法，包括如下的步骤：

1)在每个测试管内装入与其尺寸相适应的同等数量和个体的受试生物，并将被监测水体和对照水体分别通入本发明的水质在线生物安全预警***的第一测试管1和第二测试2中；

所述的受试生物为出生后24～72小时(优选48小时)的被监测水源原生种的水生生物幼体，在实验室内使用常规的标准水培养进化至少三代以上，作为受试生物使用；或是出生后24～72小时(优选48小时)的被监测水源标准模式生物的水生生物幼体，直接作为受试生物使用；

所述的被监测水源原生种包括水生无脊椎动物和脊椎动物，其中无脊椎动物主要选择节肢动物，如虾、蚤类等，脊椎动物主要选择成体体长为4厘米左右的鱼类；

所述的被监测水源标准模式生物包括无脊椎动物的日本沼虾、大型蚤以及脊椎动物的日本青鳉、稀有鮈鲫和斑马鱼；

2)水质监测起始时期，每个测试管内装的受试生物保持数量和个体大小的一致，受试生物产生的行为强度相当；当被监测水体被污染后，受试生物首先会通过行为调节的方式努力使自己适应受污染的环境，其回避行为作为水生生物对水环境污染所产生的第一层次行为变化，是对环境污染的第一反应，受试生物主动避开受污染的水域，游向未受污染的清洁水区，即在被污染的第一测试管1内的受试生物会逐渐的游向清洁的对照水体(第二测试管2)内；受试生物的运动行为变化导致测试管内接正旋低压交流电电极(信号发射电极4)形成的低压交流电场发生变化，被安装在第一测试管1和第二测试管2中的接受信号电极5接收到以后，以正旋交替变化的电信号方式传输到信号采集装置3，一组生物回避行为传感器形成的监测单元内，被监测水体内受试生物运动行为变化形成的电信号与正常水体内受试生物运动行为变化形成的电信号进行差分滤除，得到生物相对回避行为生态学变化；经过信号处理以后，无论是原始的正旋变化信号，还是相对行为变化信号都可以进行傅立叶转换，形成从0Hz到10Hz不同频率的行为变化信号，原始的正旋变化信号、相对行为变化信号以及傅立叶转化以后的行为信号数据都以Excel格式进行存储，这些行为信号通过显示器6进行显示，在线监测水质；

所述的接受信号电极5向信号采集装置3的信号传输为每5～15分钟/次。

受试生物的回避行为是指水生生物，特别是游泳能力强的水生生物，能够通过感觉器官的感知，主动避开受污染的水域，游向未受污染的清洁水区的行为。本发明提供的基于水生生物回避行为的水质在线安全预警***和方法，是预选具有运动行为多样性的水生生物为指示物种，通过生物传感器的多点监测，受试生物在两种水体内不同位置的运动行为变化会导致测试管内电场电信号改变，并以电信号的方式被信号采集器收集，经过信号采集处理器以后，以频率为0Hz到10Hz的电信号进行显示。基于差分滤除技术，被监测水体和对照水体内生物相对行为变化经过分析评估以后，会形成对水质状况的综合评价。分析评估结果会直接通过视觉和听觉信号传输出来，从而实现了水质的在线生物安全预警。

与传统的水质理化分析和生物评估进行比较，本发明不仅克服了理化分析不能够直接反映水质状况，尤其是未知化学物质的毒性，以及生物评估方法缺乏对于需要及时监测的突发性污染事故的实时监测(Real-time Monitoring)和实时在线预警的缺陷，也克服了仅靠可视信号进行预警的局限性，实现水质预警的听觉信号传输方式，更解决了在线摄像技术受外界环境因子影响的限制，通过以多点监测获得的电信号方式显示受试生物的行为变化信号，并经过对电信号的分析评估，实现了原位(In situ)、在线(On line)和实时(Real time)的在线生物监测，并且可以对水体的未知污染物进行预警，对于研究环境污染，尤其是突发性、剧烈的事故性变化具有非常重要的指示作用。此外，本发明进行水质预警的投入很少，不需要专业人员进行操作，占用有限的人力、物力，水质预警期间的维护费用极低。

附图说明

图1是本发明的水质在线生物安全预警***的示意图；其中，1第一测试管，2第二测试管，3信号采集装置，4发射信号电极，5接受信号电极，6显示器；

图2为在1.25ppm的有机磷农药对硫磷胁迫下，回避行为的传感器第一测试管1中水生生物(大型蚤)的运动行为强度变化图；图中横坐标为暴露时间，单位是小时(h)，纵坐标为大型蚤不同频率的行为强度(试验开始，第一测试管1内含有10只出生后48小时的健康大型蚤)；

图3为在监测水生生物回避行为的传感器中，无污染对照水体的第二测试管2内水生生物运动行为变化图；图中横坐标为暴露时间，单位是小时(h)，纵坐标为大型蚤不同频率的行为强度(试验开始，第二测试管2内含有10只出生后48小时的健康大型蚤)；

图4为以标准测试管的正常水体内同种受试生物(大型蚤)的行为为对照，经过生物行为差分滤除以后，含1.25ppm的有机磷农药对硫磷水体为被监测水体内大型蚤的行为对照、评估结果；图中横坐标为暴露时间，单位是小时(h)，纵坐标为大型蚤不同频率的行为强度。

具体实施方式

下面进一步详述使用本发明提供的预警***和方法对有机磷污染水源进行在线生物安全预警。

采用本发明提供的基于水生生物回避行为的水质在线安全预警***，如图1所示，包括第一测试管1(管内径为2厘米，长度为5厘米)和第二测试管2(管内径为2厘米，长度为5厘米)组成的生物回避行为传感器，两个管路通过中间的两通(管内径为1.5厘米，长度为5厘米)相连，且彼此平行，生物可以自由的在第一测试管1和第二测试管2之间游动；第一测试管1和第二测试管2中分别装有两组不锈钢监测电极，每组电极都由发射信号电极4和接受信号电极5组成。信号采集装置3可以通过发射信号电极4给测试管内形成一个正旋低压交流电场，然后通过接受信号电极5接收测试管内由发射信号电极4形成的电信号变化。经信号采集装置3采集处理的信号通过显示器6进行显示。

进行监测时，在两个测试管内均装入10个受试生物(本实施例中选用出生后48小时的大型蚤幼体作为受试生物)，并将被监测水体(使用1.25ppm有机磷对硫磷作为突发性的污染源)和对照水体分别通入本发明的水质在线生物安全预警***的第一测试管1和第二测试管2中；水质监测起始时期，每个测试管内装的大型蚤幼体保持数量和个体大小的一致，大型蚤幼体产生的行为强度相当；当被监测水体被污染后，大型蚤幼体首先会通过行为调节的方式努力使自己适应受污染的环境，其回避行为作为水生生物对水环境污染所产生的第一层次行为变化，是对环境污染的第一反应，大型蚤幼体主动避开受污染的水域，游向未受污染的清洁水区，即在被污染的第一测试管1内的大型蚤幼体会逐渐的游向清洁的对照水体(第二测试管2)内；大型蚤幼体的运动行为变化导致测试管内接正旋低压交流电电极(信号发射电极4)形成的低压交流电场发生变化，被安装在第一测试管1和第二测试管2中的接受信号电极5接收到以后，以每5～15分钟一次的正旋交替变化的电信号方式传输到信号采集装置3，一组生物回避行为传感器形成的监测单元内，被监测水体内大型蚤幼体运动行为变化形成的电信号与正常水体内大型蚤幼体运动行为变化形成的电信号进行差分滤除，得到生物相对回避行为生态学变化；经过信号处理以后，无论是原始的正旋变化信号，还是相对行为变化信号都可以进行傅立叶转换，原始的正旋变化信号、相对行为变化信号以及傅立叶转化以后的行为信号数据都以Excel格式进行存储，这些行为信号通过显示器6进行显示，在线监测水质。

根据最近5次(大约25～75分钟)收集到的四组受试生物行为变化，设定如下行为变化代码及其临界数值：

S₀：每组生物回避行为传感器正常水体测试管内平均受试生物行为变化强度；

S_c：每组生物回避行为传感器被监测污染水体测试管内平均受试生物行为变化强度；

R：被监测水体导致的四组平行生物回避行为传感器中，平均受试生物行为变化强度S_c与S₀相比，差异超过一定程度的比例。

最近5次(大约25～75分钟)收集到的四组受试生物行为变化中，如果：

(S₀-S_c)/S₀＞80％，且R_80％≥75％，水质预警为红色警报，包括可视信号和听觉信号提醒，此时水质可能为重度污染；

(S₀-S_c)/S₀＞80％，且R_80％≥50％，或(S₀-S_c)/S₀＞50％，且R_50％≥75％，或(S₀-S_c)/S₀＞20％，且R_20％＝100％，水质预警为橙色预警，包括可视信号和听觉信号提醒，此时水质可能为轻度污染；

除此以外，被监测水体水质在最近5次(大约25～75分钟)监测期间为正常水质，可视信号为白色提醒。

如图2所示，在1.25ppm的有机磷农药对硫磷胁迫下，回避行为的传感器第一测试管1中大型蚤幼体的运动行为强度变化图；图中横坐标为暴露时间，单位是小时(h)，纵坐标为大型蚤不同频率的行为强度(试验开始，每管内含有10只出生后48小时的健康大型蚤)。结果显示，大型蚤在被监测水体内的运动行为变化是逐渐降低的：2小时以后，测试管内受试大型蚤的运动行为强度出现逐渐降低的趋势；在大约暴露4小时以后，行为强度降为零，这主要是因为第一测试管1内活着的大型蚤都通过回避行为成功的逃离受污染的环境，通过两管连接处的两通进入含有正常水体的第二测试管2。在图3所示的在监测水生生物回避行为的传感器中，无污染对照水体的第二测试管2内大型蚤幼体的运动行为基本维持在同一行为强度。

图4为进行差分滤除以后，对含1.25ppm的有机磷农药对硫磷水体为被监测水体内大型蚤的行为对照、分析结果。根据第2小时10分钟开始，一直到第3小时的连续五次的监测结果进行分析，(S₀-S_c)/S₀＞80％，并且根据四组平行监测结果的综合分析，R_80％明显大于75％，因此，***通过“红色”显示以及语音提示“水质可能出现重度污染”等方式进行水质预警。

Claims (5)

1.一种基于水生生物回避行为的水质在线安全预警***，包括第一测试管和第二测试管组成的生物回避行为传感器，两个管路通过中间的两通相连，且彼此平行；

第一测试管和第二测试管中分别装有两组不锈钢监测电极，每组电极都由连接在信号采集装置上的发射信号电极和接受信号电极组成；发射信号电极给测试管内形成一个正旋低压交流电场，当被监测的生物在管内的运动导致低压电场发生变化以后，接受信号电极能够感应电场的变化，然后通过接受信号电极接收测试管内由发射信号电极形成的电信号变化，并经信号采集装置采集处理后，通过显示器将可视信号进行显示。

2.一种基于水生生物回避行为的水质在线安全预警方法，包括如下的步骤：

1)在每个测试管内装入与其尺寸相适应的同等数量和个体的受试生物，并将被监测水体和对照水体分别通入权利要求1所述的水质在线生物安全预警***的两个测试管中；

2)水质监测起始时期，每个测试管内装的受试生物保持数量和个体大小的一致，受试生物产生的行为强度相当；当被监测水体被污染后，由于回避行为，在被污染的测试管内的受试生物会逐渐的游向清洁的测试管内；受试生物的运动行为变化导致测试管内信号发射电极形成的低压交流电场发生变化，被安装在两个测试管中的接受信号电极接收到以后，以正旋交替变化的电信号方式传输到信号采集装置，经差分滤除，得到生物相对回避行为生态学变化；经过信号处理以后，通过显示器进行显示，在线监测水质。

3.如权利要求2所述的基于水生生物回避行为的水质在线安全预警方法，其特征在于：所述的受试生物为出生后24～72小时的被监测水源原生种的水生生物幼体，在实验室内使用常规的标准水培养进化至少三代以上，作为受试生物使用；或是出生后24～72小时的被监测水源标准模式生物的水生生物幼体，直接作为受试生物使用.

4.如权利要求3所述的基于水生生物回避行为的水质在线安全预警方法，其特征在于：所述的被监测水源原生种为虾、蚤类或成体体长为4厘米左右的鱼类。

5.如权利要求3所述的基于水生生物回避行为的水质在线安全预警方法，其特征在于：所述的被监测水源标准模式生物为日本沼虾、大型蚤、日本青鳉、稀有鮈鲫或斑马鱼。

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