專利名稱：一種水質在線生物安全預警方法
技術領域：
本發明屬于環境監測與水體污染控制技術領域，具體地說是涉及一種以差分濾除和三維空間技術監測水生生物行為生態學變化為基礎的水質在線生物安全預警方法。
背景技術：
各種突發性事故以及化工廠的不正常運行都會導致不可預知的水體污染事故。因此，對水體污染的持續在線監測是非常必要的。在線生物監測技術是順應水質評價的需要而逐漸發展起來的一項技術。迄今為止，應用于水質在線監測的技術主要為在線理/化分析，應用生物指示物進行的在線水質監測預警技術尚處于探索階段。目前，世界上已經出現了一些水質在線監測系統，如Microtox毒性測試系統、平面攝像監測系統以及MFB監測系統等。Microtox毒性測試系統只能在關鍵點進行定期監測，不能實現水體的實時監測；平面攝像系統可以通過實時記錄生物在一個平面內的行為變化，但缺乏三維空間變化，不能涵蓋生物行為生態學變化的規律特點；MFB監測系統能夠通過監測生物行為規律性變化達到在線監測的目的，但不能夠準確反映不同時期受試生物的運動行為變化。因此，在傳統方法難以達到在線環境監測要求的情況下，迫切需要發展安全、高效、經濟的水體預警方法。
行為是指生物對外界環境和內部環境變化的外在反應，它并不僅僅局限于生物的跑、游、爬、以及其他方式的位置移動，也包括進食、求偶甚至呼吸時的運動。刺激是動物行為產生的必要條件。在大多數情況下，外界環境條件的變化都可以成為刺激，作為行為產生的原因，刺激既有內部的，也由外界的。但是，無論哪一種行為的產生都有相似的基本過程，如圖1所示，當環境刺激作用于感受器，會引起神經沖動，神經沖動沿著傳入神經傳達到神經中樞，通過中樞內的神經聯系，再經傳出神經傳達到感應器，引起行為反應，這就是行為反應產生的簡單模式。因此，行為反應是生物各種生理現象在外部出現的綜合結果。
水生生物暴露于受污染水環境以后，通過自身行為機制的調節，短期內保持體內環境的穩定，并逐步適應環境，在很大程度上避免污染水環境對身體造成急性損傷。逃避行為是指生物通過增加運動行為強度，試圖主動避開受污染水環境的行為。逃避行為作為水生生物對水環境污染所產生的第一層次行為變化，是對環境污染的第一反應，對于研究環境污染，尤其是突發性、劇烈的事故性變化具有非常重要的作用。另外，生物游動的速率，身體擺動頻率，一定時間內呼吸、身體翻轉以及“C”型運動(若存在)的次數等都會因為環境污染壓力的存在而發生變化。
如圖2的水生生物大型蚤的逐級壓力行為模型(Stepwise Stress Model，SSM)中所示，水生生物在各種濃度的農藥化學品內暴露時間與行為生態變化的關系、行為生態變化的規律以及大型蚤的行為方式，可以把暴露時間自始至終劃分為t1，t2，t3，t4和t5這5個時間段。其中，t1時間段是大型蚤從清潔水環境進入污染環境以后的一段運動行為強度逐漸增強的過程，在t1時間內，生物的運動行為是一種努力逃避污染水環境過程，并不斷進行適應的適應性行為變化；t2時間段是生物運動行為改變后，強度達到極值以后的維持階段，此時段生物行為表現為強度最大的“逃避行為”；t3時間段出現環境內污染物給生物生存造成的“第一壓力閾(Threshold One)”，經歷過t3時間段的暴露以后，生物會經歷“第二壓力閾(Threshold Two)”。如果在生物體內積累的污染物質濃度達到了致死濃度(Lethal Concentration，LC)，會逐漸進入t4時間段；未達到LC，進入t5時間段。由SSM可以看出t1+t2時間段為水生生物適應新環境的“適應期”，在這段時間內表現的生物運動強度逐漸增強至穩定值的過程實際上應該是生物通過行為機制和生理機能的調節來逐漸適應新環境而導致的行為生態的變化。
發明內容
本發明的目的在于克服傳統水質在線監測方法只能在關鍵點進行定期監測、不能實現水體的實時監測的缺陷，從而提供一種以差分濾除和三維空間技術監測水生生物行為生態學變化為基礎的，可實時、在線和在位監測的、安全、高效、經濟的水質在線生物安全預警方法。
本發明的目的是通過如下的技術方案實現的本發明提供的水質在線生物安全預警方法，以預選具有運動行為的多樣性的受試水生生物為指示物，以差分濾除和三維空間技術在線監測這些水生生物在達到第一壓力閾值之前(即t1+t2)的行為變化，從而對水環境生態系統質量進行綜合性評價，實現對水質的安全生物安全預警，即通過這些水生生物的行為變化或生理反應來表明水質狀況。
對生物行為變化進行差分濾除是通過將被監測水體內的受試生物行為生態學絕對變化與對照組內生物行為變化進行差分比較，得到生物相對行為生態學變化的過程。
對生物行為變化進行的三維空間監測是借助于數字攝像技術，對三維空間水體內受試生物進行多點跟蹤，自動記錄、匯總受試生物的運動行為軌跡，得出在一定環境內暴露的生物多個運動行為參數的變化，包括生物游動的速率，身體擺動頻率，一定時間內呼吸、身體翻轉以及“C”型運動(若存在)的次數等。
本發明提供的水質在線生物安全預警方法，具體步驟包括1)選擇與培養受試生物選擇出生后24～72小時(優選48小時)的被監測水源原生種的水生生物幼體，在實驗室內使用常規的標準水培養進化至少三代以上，作為受試生物使用；或是選擇出生后24～72小時(優選48小時)的被監測水源標準模式生物的水生生物幼體，直接作為受試生物使用；所述的被監測水源原生種包括水生無脊椎動物和脊椎動物，其中無脊椎動物主要選擇節肢動物，如蝦、蚤類等，脊椎動物主要選擇成體體長為4厘米左右的魚類；所述的被監測水源標準模式生物包括無脊椎動物的日本沼蝦、大型蚤以及脊椎動物的日本鯖鳉、稀有鮈鯽和斑馬魚；2)在被監測水體的流速為30米/小時，濁度小于8.0NTU，監測間噪音低于50分貝，光照周期與自然光照一致的條件下，通過生物傳感器監測受試生物的周期性的行為規律；所述的生物傳感器由兩對電極組成其中一對產生低壓交流電，給被監測水體形成一個電場；另外一對為感應電極，感應受試生物行為運動變化帶來的電場變化，不同的行為強度可以產生不同的電信號強度；所述的受試生物的周期性的行為規律包括周期性呼吸運動或循環出現的典型行為活動(泳動、擺動、翻轉等)；3)經過傅立葉轉換將步驟2)收集的受試生物行為變化的電信號按照不同頻率進行分解，得到一個從0Hz到10Hz的頻率變化曲線，并以可視信號進行顯示；4)與標準的正常水體內同種受試生物的行為生態學變化曲線進行對照比較，并差分濾除正常的行為變化，即得到被監測水源中該受試生物不同頻率行為的行為強度相對變化值；5)通過三維空間監測技術，借助于數字攝像技術，對三維空間的被監測水體內的受試生物的各種周期性的行為進行多點跟蹤、實時監測、自動記錄，同時獲得受試生物游動的速率，身體擺動頻率，一定時間內呼吸、身體翻轉以及“C”型運動的次數等行為生態學指標的變化，匯總這些受試生物的運動行為軌跡，得出在一定環境內暴露的生物多個運動行為參數的變化；在水體中的突發性污染會導致受試生物在短時間內的游動速率、擺動頻率、呼吸次數、身體翻轉次數和“C”型運動的次數劇烈增加，然后逐漸降低；根據這些不同指標的綜合分析評估，可以獲知水體突發性污染事故的綜合危害程度。
本發明提供的水質在線安全預警方法的原理是水生生物的行為變化可以通過周期性的行為規律進行表征，如周期性呼吸運動或循環出現的典型行為活動(泳動、擺動、翻轉等)。水體內生物行為生態學變化可以通過生物傳感器引起外加低壓交流電產生的電場發生變化，產生不同的電信號強度，經過傅立葉轉換以后，變化的行為電信號按照不同頻率進行分解，得到一個從0Hz到10Hz的頻率變化曲線。在水體污染或其它水體負荷期間，受試生物的行為生態學變化具有規律性(如圖2所示)。因此，通過將在一定環境污染壓力下水生生物行為生態學變化(如圖3所示)與正常水體內生物行為生態學變化(如圖4所示)進行對照比較，并差分濾除正常的行為變化，就會得到一定環境壓力下生物運動行為生態學的相對變化(如圖5所示)。在受污染水體內(低于致死劑量)，生物的運動行為強度會在短時間內增強，然后急劇降低。本發明通過生物特征行為變化的對比，明確生物基于污染環境下的運動行為強度變化。對生物行為生態學變化實現差分濾除得到生物行為強度絕對變化的同時，通過對生物在多點空間內行為生態學各個指標的實時監測，可以同時獲得生物游動的速率，身體擺動頻率，一定時間內呼吸、身體翻轉以及“C”型運動(若存在)的次數等行為生態學指標，根據這些不同指標的綜合分析評估，可以實現對水質突發性變化的早期預警，控制水環境質量，并降低突發性污染水體對社會的危害。
本發明提供的水質在線安全預警方法選用受試生物時，無論是進化三代以后的原生種還是標準種，都需要選擇出生后24～72小時(優選48小時)的幼體進行，是因為低于24小時的受試生物對外界變化極其敏感，而高于72小時的生物對環境的敏感度又有所下降。經過多次試驗結果證明，出生后48小時的受試生物最合適。
本發明提供的水質在線安全預警方法適用于在線流水水質監測，特別適用于在線生物監測以及天然水體或飲用水突發性污染事故的生物安全預警。
與現有的在線理/化水質分析和其它水質生物監測技術不同，本發明是一種新的在線生物安全預警對有毒有機污染物進行實時環境監測的方法，所用的在線監測方法簡單，在實現水質安全預警的同時不對被監測水環境形成污染。同時，由于基于水生生物行為變化的水質在線生物安全預警方法對水體的總體質量進行實時、在線、在位監測，可以實現對水質突發性變化的早期預警，控制水環境質量，并降低突發性污染水體對社會的危害。
圖1為生物行為產生的基本過程的示意圖；圖2為水生生物逐級壓力的行為模型(Stepwise Stress Model，SSM)；圖3為在0.45ppm的有機磷農藥敵百蟲脅迫下，48小時內大型蚤的運動行為強度變化圖；圖中橫坐標為暴露時間，單位是小時(h)，縱坐標為大型蚤不同頻率的行為強度；圖4為大型蚤在標準水體內的運動行為強度變化；圖中橫坐標為暴露時間，單位是小時(h)，縱坐標為大型蚤不同頻率的行為強度；圖5以標準水為對照，經過生物行為差分濾除以后，含0.45ppm的有機磷農藥敵百蟲水體為被監測水體組成的一個監測單元內大型蚤的行為對照、評估結果；圖中橫坐標為暴露時間，單位是小時(h)，縱坐標為大型蚤不同頻率的行為強度。
具體實施例方式
實施例1、使用本發明提供的方法對有機磷污染水源進行在線生物安全預警方法本實施例中選用出生后48小時的大型蚤幼體作為受試生物，監測其周期性的行為規律包括周期性呼吸運動或循環出現的典型行為活動(泳動、擺動、翻轉等)變化。將生物傳感器的兩對電極之一產生低壓交流電，給被監測水體形成一個電場；另外一對為感應電極，感應大型蚤幼體行為運動變化帶來的電場變化，不同的行為強度可以產生不同的電信號強度。水體的監測條件為被監測水體的流速為30米/小時，濁度小于8.0NTU，監測間噪音低于50分貝，光照周期與自然光照一致。使用0.45ppm有機磷敵百蟲作為突發性的污染源。
經過傅立葉轉換將大型蚤幼體的行為變化的電信號按照不同頻率進行分解，得到一個從0Hz到10Hz的頻率變化曲線，并以可視信號進行顯示。
如圖3所示的48小時內大型蚤的運動行為強度變化圖，在0.45ppm的有機磷農藥脅迫下，大型蚤在經歷初期的行為強度劇烈上升的過程以后，又經歷了強度的劇烈下降。
圖4為大型蚤在標準水體內的運動行為強度變化；圖中橫坐標為暴露時間，單位是小時(h)，縱坐標為大型蚤不同頻率的行為強度；大型蚤在標準水體內的行為強度基本保持不變。與該標準的正常水體內同種受試生物的行為生態學變化曲線進行對照比較，并差分濾除正常的行為變化，即得到被監測水源中該受試生物不同頻率行為的行為強度相對變化值。如圖5所示，經過生物行為差分濾除以后，含0.45ppm的有機磷農藥敵百蟲水體為被監測水體組成的一個監測單元內大型蚤的行為對照、評估結果為剛剛暴露于一定濃度的有機磷環境時，大型蚤的運動行為強度明顯的高于在標準水體內的正常運動行為強度，主要為生物的逃避行為。
在沒有污染時，大型蚤的平均游動速率為2.2毫米/秒，擺動4.2次/秒，身體翻轉0.0次/秒。當水體被突發性污染(0.45ppm有機磷敵百蟲)后，大型蚤在1小時、4小時、12小時、24小時、48小時的平均游動速率，擺動，身體翻轉等指標的變化列于表1，大型蚤的主要行為學指標的變化趨勢完全符合圖2的SSM。
表1、大型蚤主要行為學指標的變化
根據在受污染水體內(低于致死劑量)，生物的運動行為強度會在短時間內增強，然后急劇降低的普遍現象，本發明通過生物特征行為變化的對比，明確生物基于污染環境下的運動行為強度變化，實現對水質突發性變化的早期預警，控制水環境質量，并降低突發性污染水體對社會的危害。
權利要求
1.一種水質在線生物安全預警方法，以預選具有運動行為的多樣性的受試水生生物為指示物，以差分濾除和三維空間技術在線監測這些水生生物在達到第一壓力閾值之前的行為變化，從而對水環境生態系統質量進行綜合性評價，實現對水質的安全生物安全預警，即通過這些水生生物的行為變化或生理反應來表明水質狀況。
2.如權利要求1所述的水質在線生物安全預警方法，其特征在于所述的差分濾除是通過將被監測水體內的受試生物行為生態學絕對變化與對照組內生物行為變化進行差分比較，得到生物相對行為生態學變化的過程。
3.如權利要求1所述的水質在線生物安全預警方法，其特征在于所述的三維空間技術是借助于數字攝像技術，對三維空間水體內受試生物進行多點跟蹤，自動記錄、匯總受試生物的運動行為軌跡，得出在一定環境內暴露的生物多個運動行為參數的變化。
4.如權利要求1所述的水質在線生物安全預警方法，其具體步驟包括1)選擇與培養受試生物選擇出生后24～72小時的被監測水源原生種的水生生物幼體，在實驗室內使用常規的標準水培養進化至少三代以上，作為受試生物使用；或是選擇出生后24～72小時的被監測水源標準模式生物的水生生物幼體，直接作為受試生物使用；2)在被監測水體的流速為30米/小時，濁度小于8.0NTU，監測間噪音低于50分貝，光照周期與自然光照一致的條件下，通過生物傳感器監測受試生物的周期性的行為規律；所述的生物傳感器由兩對電極組成其中一對產生低壓交流電，給被監測水體形成一個電場；另外一對為感應電極，感應受試生物行為運動變化帶來的電場變化，不同的行為強度可以產生不同的電信號強度；3)經過傅立葉轉換將步驟2)收集的受試生物行為變化的電信號按照不同頻率進行分解，得到一個從0Hz到10Hz的頻率變化曲線，并以可視信號進行顯示；4)與標準的正常水體內同種受試生物的行為生態學變化曲線進行對照比較，并差分濾除正常的行為變化，即得到被監測水源中該受試生物不同頻率行為的行為強度相對變化值；5)通過三維空間監測技術，借助于數字攝像技術，對三維空間的被監測水體內的受試生物的各種周期性的行為進行多點跟蹤、實時監測、自動記錄，同時獲得受試生物行為生態學指標的變化，匯總這些受試生物的運動行為軌跡，得出在一定環境內暴露的生物多個運動行為參數的變化；根據這些不同指標的綜合分析評估，可以獲知水體突發性污染事故的綜合危害程度。
5.如權利要求4所述的水質在線生物安全預警方法，其特征在于所述步驟1)中選擇的被監測水源原生種的水生生物幼體為出生后48小時的幼體。
6.如權利要求4所述的水質在線生物安全預警方法，其特征在于所述步驟1)中選擇的被監測水源標準模式生物的水生生物幼體為出生后48小時的幼體。
7.如權利要求4所述的水質在線生物安全預警方法，其特征在于所述步驟1)的被監測水源原生種包括水生無脊椎動物和脊椎動物。
8.如權利要求7所述的水質在線生物安全預警方法，其特征在于所述的無脊椎動物為蝦或蚤類，所述的脊椎動物為成體體長為4厘米的魚類。
9.如權利要求4所述的水質在線生物安全預警方法，其特征在于所述步驟1)的被監測水源標準模式生物為日本沼蝦、大型蚤、日本鯖鳉、稀有鮈鯽或斑馬魚。
10.如權利要求4所述的水質在線生物安全預警方法，其特征在于所述步驟2)的受試生物的周期性的行為規律包括周期性呼吸運動或循環出現的典型行為活動。
全文摘要
本發明涉及一種水質在線生物安全預警方法，以預選具有運動行為的多樣性的受試水生生物為指示物，以差分濾除和三維空間技術在線監測這些水生生物在達到第一壓力閾值之前(即t
文檔編號C12Q1/02GK101059493SQ20061007625
公開日2007年10月24日 申請日期2006年4月21日 優先權日2006年4月21日
發明者王子健, 任宗明, 馬梅, 查金苗 申請人:中國科學院生態環境研究中心