CN101218499A - 水监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及连续的水监测系统，包括它的组件，和与之相关的连续实时地监测水供应以检测其中的污染物的方法。该系统采用活体培养的生物发光的细菌和适宜的光检测装置。

Description

水监测系统

发明领域

本发明涉及监测水中污染物的方法，和用于监测水中污染物的设备，包括它的组件。

本发明特别应用于监测人居住的建筑物和住所的水供应，然而，它也涉及监测进入工厂或离开工厂的工业水。而且，本发明也涉及监测环境水，包括天然河流、溪流、湖泊、水库和甚至海水。

整个发达世界已经增加了对水质监测的关心，这正成为世界范围内的关键的安全问题。因此，水源的毒性测试已经成为非常重要的课题，获得准确的、实时的连续的结果具有重要意义。当前市场领先的工艺，称为Micro TOX，是实验室间歇系统，它在约30分钟内产生结果并依赖于使用由冰冻干燥的源再活化的细菌。

而且，美国环境保护署最近发出报告，该报告评价了用于监测和评价饮用水水质的充作早期警示系统的工艺和技术。该报告得出结论，需要提供适合于这个目的的系统并认可我们的意见，即在发达世界里需要提供实时的连续的水监测系统，该系统可配备在宽范围的场合，但，相当重要的是在建筑物或住所，在那里，对水质的连续监测将起到威慑恐怖行为的作用，并假如水供应因任何原因受到污染，还有可能挽救人的生命。

也需要提供实时的、连续的水监测系统以在实验室中使用，至少，用来在采取进一步测试之前或不进行进一步测试提供水质的第一指示。

连续的水监测系统要求连续起作用的检测器。而且，该检测器不得不对多种污染物，但，特别是对威胁到健康和生命存活的污染物是敏感的。已知用水生脊椎动物来监测水供应但这存在问题，特别的是，将该脊椎动物的密度维持在商业上可行的规模方面。

因此，我们已经开发了使用发光细菌的系统。大多数生物发光细菌发出蓝绿色光，而某些发出黄光。这些物种都是无害的。费氏弧菌是生物发光的水生细菌，它通常栖息于鱼上。

该细菌具有革兰阴性细胞壁，能通过鞭毛活动，且细胞形状是弯曲的杆。已经发现，弧菌种类的细菌与鱿鱼、线虫类、微生物和以线虫类为食的昆虫结合在一起。一些以共生关系聚集在鱼鳔中。因为这些发光细菌，该鱼是发光的。

发光是由于细菌细胞的电子迁移系统，包括醛、酶、氧和核黄素的变型体。尽管弧菌隔离种群是兼性的厌氧性生物，它们仅在O₂存在时是生物发光的。几种成份是细菌生物发光所需要的：荧光素酶、长链脂族醛、四羟酮醇单核苷酸(FMN)和O₂。主要的电子供体是NADH，且电子通过FMN传至荧光素酶。该反应可表示为

FMNH₂+O₂+RCHO→FMN+RCOOH+H₂O+光

(荧光素酶)

该发光系统由用于将电子从FMNH₂分流至O₂的旁路通道组成，而不包括其它电子载体例如醌和细胞色素。

所述荧光素酶显示独特的调整的合成性质，称作自诱导。该生物发光细菌产生特殊的物质，自诱导物，它可在生产过程中在培养介质中累积，并且当该物质的量达到临界水平时，该酶的诱导发生。在费氏弧菌中的该诱导物已经被鉴定为N-β-氧代己酰基后莫丝氨酸内酯。这种生物发光细菌的培养物在低细胞密度下不是生物发光的，但当生长达到足够高的密度以致于所述自诱导物能累积并起作用的时候，它变为生物发光的。由于该自诱导现象，显然自由存活于海水中的生物发光细菌将不是生物发光的，因为所述自诱导物不能累积；仅当条件有利于高种群密度的发展时，产生生物发光。尽管对为什么生物发光依赖于自由存活的细菌密度还不清楚，但在生物发光细菌的共生的菌株中，密度依赖的生物发光的基本原理是清楚的：仅当鱼的发光器官中的达到足够高的种群密度时，产生生物发光，以使得光的闪烁可以见到。

从该方法的遗传学研究中，已经出现了许多关于生物发光的新信息。在生物发光的弧菌物种中，几种lux操纵子已经被确定，且关键结构基因被克隆和测序。luxA和luxB基因代码分别代表细菌荧光素酶的a和b多肽链。luxC、luxD和luxE基因代码代表在生物发光反应中和在用于生物发光系统的脂肪酸的产生和活化中起作用的多肽。

因此，我们已经开发并优化了生物发光细菌的性质以提供对宽范围的有毒污染物灵敏的检测系统。用于检测这些污染物的测试标准通常在至少一个选定的时间间隔后所测量的发光降低。而且，我们优选在实验室中通常用作毒物间歇分析细菌物种即费氏弧菌。

如上所暗示，我们的挑战在于维持连续的、可再生的、这种细菌的种群以提供连续的监测系统。我们的发明因此包括i)和ii)的生产，其中i)是保持细菌存活种群并以可再生模式工作的发酵桶；ii)是在线监测系统。术语“在线”是指从待监测的水供应中连续取样的系统。在建筑物中，这通常包括将主体水供应的样品输送到我们的在线监测系统。

同时，本领域许多工作者已经试图生产连续的在线监测系统以检测水供应中的污染物，我们是首先实现该目标的。

我们的工作是困难的，因为我们不得不平衡许多变量以实现能工作的系统。而且，我们不得不对该系统的具体构造做实验，以产生对于我们的在线监测系统的技术说明，该技术说明将支持细菌种群和新鲜细菌供应的连续进料，并具有所要求的质量规格。

作为我们的努力结果，我们已经能够生产连续的在线水监测系统用于实时测量水供应中污染物的存在。

发明内容

根据本发明的第一个方面，因此提供了连续的水监测系统以检测水供应中的污染物，该系统包括：

a)从水系统或天然水供应中输送水样品至测试室的进料管线；

b)测试室；

c)与所述测试室以流体连通的生物试剂发酵桶，用来将在所述发酵桶中生长的发光的生物试剂输送到所述测试室中；

d)与至少所述测试室连接的光检测装置，用来测量由所述生物试剂发出的光；

e)用来从所述测试室移出所述样品和所述生物试剂的废物管线；其特征在于：

所述光检测装置测量在与所述水样品接触之前和之后的所述生物试剂的发光性质，和当与所述样品接触之后所述的发光性质有变化时，所述水监测系统记录所述样品水已被污染。

根据本发明的第二个方面，提供了连续的水监测系统以检测水供应中的污染物，该系统包括：

a)从水系统或天然水供应中输送水样品至测试室的进料管线；

b)测试室；

c)与所述测试室以流体连通的生物试剂发酵桶，用来将在所述发酵桶中生长的发光的生物试剂输送到所述测试室中；

d)与至少所述测试室连接的光检测装置，用来测量由所述生物试剂发出的光；和

e)用来从所述测试室移出所述样品和所述生物试剂的废物管线；其特征在于：

f)提供水样品调节装置以在所述水样品被输送到所述测试室之前对其进行调节。

在本发明的每个方面的优选实施方案中，所述光检测装置可仅与所述测试室连接，且因此生物试剂的样品被放在所述测试室中，并在该样品在那里被混合之前测定发出的光。此外，或可选地，所述光检测装置或其它光检测装置，可与所述生物试剂发酵桶或从那里引出的管线连接，以便能在所述生物试剂进入所述测试室之前测定所述生物试剂的发光性质，此外，也在该样品已经被加入到那里后测定所述生物试剂的发光性质。因此，所述光检测装置可包括与所述测试室和/或用来将所述生物试剂从所述生物试剂发酵桶输送到所述测试室的装置二者之一或与二者都连接的单独的装置；或可选地，可提供多个光检测装置，至少其中之一与所述测试室连接且至少其中另一个与用来将生物试剂从所述发酵桶输送到所述测试室的装置连接。

在本发明的第二个方面，所述水样品调节装置改变所述水样品的性质以使其与所述生物试剂生物相容。最优选地，所述水样品调节装置改变所述水样品的离子强度以使其与所述生物试剂生物相容，并因此通常改变所述水样品的盐度。此外，且有利地，所述水样品调节装置还改变至少一种选定的离子的离子浓度，并最优选地，除去由在源头处对所述水供应进行氯化消毒或氯胺消毒或臭氧处理而产生的抗菌化合物。

在本发明的每个方面的优选实施方案中，所述生物试剂是发光细菌且特别是生物发光细菌的种群。这种细菌可以是天然的或遗传改性或产生的，以使其具有在本发明的系统中操作所必备的性质，且特别是必备的发光性质和/或对污染物的灵敏度。仍更优选地，适于在本发明的水监测系统中使用的生物试剂包括如下细菌物种中的任何一种或多种：发光细菌；弧菌物种；和致病杆菌属(Xenorhabdus)物种或事实上可被改性成发光的任何物种。

最通常地，细菌是经过选择的以使其对污染物敏感，这通过它们的发光性质的降低而展示。最通常地，这是由于细菌种群的下降或死亡。然而，在本发明的可选的实施方案中，有可能使用发光增强的细菌来对特定污染物的存在做出响应。在这种情况下，该细菌种群可为检测的生物营养物。

对本领域技术人员来说显而易见的是以上安排提供测试室，其中水样品和生物试剂样品可在测试室中混合以测试污染物。测试完成后，混合溶液从所述测试室经由废物管线排出，并最终从该系统排出。与此同时，或短时间之后，或甚至预先确定的时间间隔之后，其它生物试剂样品和其它水样品进入该测试室以使得该污染物的检测可重复进行。用这种方式，可连续地监测水样品。

在本发明的每个方面的优选实施方案中，提供分段装置，由该装置将水供应分段为分段的形式，出于取样目的，由此我们意味着隔离分段的水。最通常地，我们通过在预先确定的时间间隔处鼓入气泡来完成该分段。

在本发明的每个方面的优选实施方案中，提供泵装置以驱动所述水样品和生物试剂之一或驱动二者穿过所述系统。

在本发明的每个方面的另一个优选实施方案中，所述发酵桶是连续的培养系统。我们的连续的培养系统具有恒定的体积：理想地，以恒定的速率连续流入新鲜介质且连续排出用过的培养介质。一旦连续培养系统达到稳态(平衡)，细胞数目和营养物状态保持恒定。存在不同种类的连续培养系统，对于我们的具体情况，决定将所述发酵桶作为恒化器来操作，它既控制培养物的种群密度又控制其生长速率。

“生长”定义为种群中的微生物细胞(生物质)的数目增加。细菌细胞是能够复制自身的合成机器。个体细胞连续生长直到该细胞分裂为两个新细胞(二元分裂)。在这个循环中，该细胞的所有结构部分变为二倍。在细菌中，完成生长循环所需要的时间是高度变化的，并依赖于许多因素，既有营养因素又有遗传因素。生长速率是衡量每单位时间细胞数目或细胞物质的变化的参数。应该指出的是，任何给定的生物体的裂殖时间在某种程度上取决于所使用的生长介质和所采用的培养条件。

最有利地，所述发酵桶包括抗回长(grow-back)设备以防止生物膜朝向发酵桶的营养供应源回长。该抗回长设备通常包括阻止细菌由发酵桶进入营养物进料管线的障碍物，和可以简单地包括将进料管线的末端与细菌培养物远远隔开的缝隙。该发酵桶还包括空气流入和空气流出管线以保持供应新鲜空气与所述细菌种群接触。还提供培养物溢流管线以使发酵桶内的培养物体积保持恒定。

有利地，该发酵桶的导入和导出管线由抑制微生物生长并因此具有杀菌性质的材料制成，或包括抑制微生物生长并因此具有杀菌性质的材料作为添加剂，例如银。进料管线或溢流管线的这种性质意味着生物膜在管线中的生长被消除，或必定减少。

在本发明的优选实施方案中，我们把我们的发酵桶作为恒化器来操作。然而，它可以作为例如luminostat或恒浊器来操作。

在恒化器的控制中有两个关键因素：受限制的营养物的浓度和稀释速率。恒化器类型的发酵桶的主要优点之一是可彼此独立地控制生长速率和细胞密度。通过调节稀释速率来控制生长速率，和通过改变以受限制的量存在的营养物浓度来控制细胞密度。

以稀释速率来控制生长速率具有宽的调节范围，即通过简单地改变稀释速率在恒化器中可得到任何所希望的生长速率。但在非常低和非常高的稀释速率下，系统的平衡被打破。在高稀释速率下，生物体不能快速生长以跟上它的稀释，且培养物被从发酵桶中洗出。另一方面，在非常低的稀释速率下，大部分细胞可能因饥饿而死亡，因为不能快速加入受限制的营养物以维持细胞的新陈代谢。类似地，种群密度可通过改变介质池中的单独的营养物的浓度来设定。

可通过受限制的营养物的含量来控制发酵桶中的细胞密度(细胞/毫升)。如果在引入的介质中增加这种营养物的浓度，而稀释速率保持恒定，则细胞密度将会增加。

在发酵桶中能产生的细菌的量取决于该物种的生长速度和培养物的体积。

其他工作者已经报道：费氏弧菌在23℃下在3％的盐的存在下生长最佳。

如所提到的，在本发明的每一方面，我们的水监测系统包括在线监测组件，该在线监测组件监测生物试剂与样品混合之后的发光。理想地，使该在线监测系统适应于使用多个光子计数设备来检测发光，理想地，该光子计数设备操作在时间延迟模式下以使得每一个光子计数设备或它们的组在所述样品与所述生物试剂的混合时点之后预先确定的时间测定发出的光。此外，更优选使用光子计数设备来测量所述细菌在其与所述水样品混合之前的发光性质。该第一个混合前的读数与任何其它读数的对比指示出生物发光的减弱或增强，如果有的话。通常，当存在污染物时，观察到减弱，且该减弱是指衰减比例(inhibition ratio)。

在本发明的其它优选实施方案中，以上提到的泵装置包括多通道蠕动泵，该蠕动泵操作在相对高的脉冲速率下以使得穿过该系统的所述样品相对平滑地流动。

在我们的发明的第一方面的其它优选实施方案中，我们的水监测系统还包括水样品调节器。该调节器改变待测的水样品以确保它与将要用于该水监测系统中的生物试剂是生物相容的。因此，该水样品调节器改变水样品的离子浓度，通常增加水样品的盐度，并也优选地除去任何颗粒，所述颗粒干扰或改变所述生物试剂对样品的灵敏度。例如，该水样品调节器将除去氯离子或氯化消毒或氯胺消毒的产物，这些产物对大多数细菌的发光性质具有负面影响。

在本发明的每个方面的其它优选实施方案中，所述水监测系统包括至少一个气泡阱，理想地，选择性地安置，以除去气团(pockets ofair)，否则该气团将干扰光检测机理。

在本发明的每个方面的其它优选实施方案中，所述发酵桶和/或所述测试室包括搅拌器或搅动器以确保空气或氧气均匀地分布在含有所述生物试剂的介质中。

仍更优选地，本发明的每一方面的水监测系统包括浊度计，该浊度计监测所述细菌培养物的浊度以测定在所述发酵桶内部的细胞密度。该浊度计可与所述发酵桶连接或连接在发酵桶的下游。

在本发明的每个方面的其它优选实施方案中，提供前过滤单元以过滤待测试水样品。

在本发明的每个方面的其它优选实施方案中，提供在前-和/或后-样品浓缩装置以浓缩待测样品。因此，前-样品浓缩装置在水样品被测试之前将其浓缩，并对可能存在于水中的任何污染物进行浓缩。后-样品浓缩装置在样品测试之后将其浓缩，以使得样品能被进一步测试或分析，且事实上，样品可流回本发明的测试室用于进行其它测量。如本领域技术人员将会理解的，这种后-样品浓缩装置可选择性地起作用，最通常地，这通过使用适宜的阀门装置使样品选择性地流过该后-样品浓缩装置来实现。

根据本发明的第三个方面，提供了连续监测水供应以检测其中的污染物的方法，该方法包括：

a)从水系统或天然水供应中输送水样品至测试室；

b)将发光生物试剂输送至所述测试室；

c)在所述生物试剂暴露于所述水样品之前和之后检测由其所发出的光；

d)当所述生物试剂与所述水样品接触而导致发光有变化时，确定污染物存在于所述水样品中；和

e)从所述测试室移出所述水样品和所述生物试剂以重复以上过程。

根据本发明的其它方面，提供了连续的水监测系统用于检测水供应中的污染物，该系统包括：

a)从水系统或天然水供应中输送水样品至测试室的进料管线；

b)测试室；

c)在所述水样品被输送到所述测试室之前改变其离子强度的水样品调节装置；

d)与所述测试室以流体连通的生物试剂发酵桶，用来将在所述发酵桶中生长的发光的生物试剂费氏弧菌输送到所述测试室中；

e)与至少所述测试室连接的光检测装置，用来测量由所述生物试剂发出的光；和

f)用来从所述测试室移出所述样品和所述生物试剂的废物管线。

根据本发明的其它方面，提供了连续的水监测系统，或它的组件，它们基本上如本文所述并参照下面的图。

根据本发明的其它方面，提供了连续监测水供应的方法，它们基本上如本文所述并参照下面的图。

现在，本发明的实施方案将仅通过实施例参照下面的图来描述，其中：

图1是本发明的水监测系统的第一个组件的示意图，并基本上示出了所述生物试剂发酵桶；

图2是所述水监测系统的第二个组件的示意图，并基本上示出了所述在线监测子系统；和

图3示出了浊度计装配图。

图1给出了用来生长生物试剂的细菌产生系统的图示。以250毫升的球形三颈玻璃烧瓶用作发酵桶容器。中间的瓶颈用来连接进料管线，该进料管线为培养物提供营养物质肉汤。由于所使用的物种可能生成生物膜并倾向于朝着营养物质的源头方向回长，提供抗回长设备以把该发酵桶与介质瓶隔开。使用No.16针来构成该抗回长设备，该针将营养物质滴入培养物的中央，产生空气阻隔，该阻隔阻止细菌由发酵桶进入进料管线。

通过使用穿孔橡胶塞，将空气流入和培养物流出管线连接到发酵桶的侧颈之一上。为了穿过该橡胶塞，使用不锈钢管。所有与发酵桶连接的管线由杀菌材料制成或包括杀菌材料以防止生物膜在那里生长。使用外径2毫米的管道连接空气流入，而外径5毫米的管道连接溢流。由于生物发光要求氧气的浓度大于0.5毫克/升，通过浸在培养物中央的喷射管提供连续的空气流入。为了促进氧气在介质中扩散，连续搅拌该培养物。应该指出的是，细菌发光对于氧气浓度在0.5毫克/升以下的变化是高度灵敏的。供应最小要求的氧气对于确保良好质量的生物试剂是重要的问题。

使用溢流管线来保持发酵桶内部的培养物体积恒定，并作为空气流出管线。通过将流出管线放置在合意的高度上来控制液面。当容器内的液面由于营养物流入增加或由于所需求的生物试剂降低而增加时，和培养物到达溢流管线时，过量的体积由空气流入所产生的正压冲出。

所述生物试剂供应管线与其它侧面的瓶颈相连。该管线提供新鲜培养的细菌至所述在线监测系统。

图2中示出了光检测在线监测子系统的示意图。

该在线监测系统(OLMS)是用于监测生物试剂与样品混合之前和之后的发光的系统。理想地，但不是非这样不可，通过3个光子计数设备来测定混合后的发光，该3个光子计数设备位于或操作在样品与生物试剂混合时点之后3秒、15秒和30秒处。在某些实施方案中，可采用单一的光子计数设备。而且，可在任何一个或多个选定的时间间隔处测量发光，理想地，在30秒时间间隔内测量发光。通过计算的变量监测发光的变化，该变量将生物试剂与样品混合之前的初始发光考虑在内。该变量称作衰减比例。在本发明的备选的实施方案中，光子计数器PMT1、PMT2、PMT3和PMT4可用光纤传感器来代替。这些传感器将它们的信号送到一个主光计数器中。该信号被排序并做上标记以进行随后的信号分析和解释。后者的安排是最优选使用的，我们把它称作分段的系统，其中我们有效地从连续的样品进料通常通过故意地定量鼓入气泡来把样品隔离成片段。系统的这种分段使我们能够用每个离散的光子计数器或用给一个计数器集中提供信号的光纤来获得脉冲的读数并解释信号。而且，以分段模式使用该系统使得在监测过程中冲入片段的使用成为可能，和甚至控制片段的使用成为可能，由此比较测试片段的结果。而且，通过使用污染物抗毒素例如重金属螯合剂以螯合重金属，分段有利地不仅允许使用抗细菌剂的冲入，而且精确测定了污染物的性质，其中所述重金属可毒化该系统并因此杀死细菌种群。

本领域技术人员将会理解，使用多个光检测器能分析影响生物发光的污染物的性质，例如，可由衰减谱的特征推算毒素的性质和浓度，污染物例如氰化物将迅速起作用，使衰减突然升至杀死细菌种群的高稳定水平。与之相反，重金属，甚至在高浓度下，起作用将缓慢地多，因此在达到衰减的高稳定水平之前给出显著更长的且更平缓的曲线。

使用本发明的系统，一旦检测到有毒污染物，我们还可以阻止穿过该系统的流动。用这种方法，在流动被阻止后，可使用任何后混合光检测器经长时间段来测量衰减的时间过程，以确认真实的毒效，并还用来测定衰减水平的时间过程：二者都是毒素的性质的至关重要的指示剂。

如以上所提到的，该系统还可用来加入对毒素有特效的抗毒素剂。

样品和生物试剂由具有8个辊筒头的多通道蠕动泵泵送。使用多通道泵具有优点：通过使用同一个泵泵送多股物流，可降低系统的成本。但另一方面，它造成制约：生物试剂与样品的混合比例仅能通过改变支管的孔来调节。因此，混合比例受到由制造商提供的支管尺寸的限制。作为备选方案，可使用多个泵。该后一个实施方案使得混合比例可以改变。

配置分析器以监测新鲜水，但由于所述生物试剂是基于海水环境的，如果要得到最佳的灵敏度和性能，不得不将样品的盐度调整至与培养物介质的盐度相等。如果细菌所生长的介质的离子条件显著变化(降低或增加)，将发生渗透震动杀死大多数种群。为了避免降低混合物(样品和生物试剂混合之后)的渗透压，不得不通过将样品与浓缩的氯化钠溶液混合来对其进行预调节。样品调节溶液的制备将在下文中详细阐述。

如我们以前所提到的，敏锐的毒性监测器的基本量度是衰减比例。这是生物试剂的发光在与样品混合之后改变了多少的计算值，以百分比表示。因此，以刚好在混合点之前的生物试剂的发光用作参比。用于计算衰减比例的公式是：

其中PMT₁是由位于混合点之前的光子计数设备所报告的光子计数测量值，和PMT_x是位于混合点之后3秒、15秒和30秒的位置处的三个光子计数器的每一个的光子计数。

用于该OLMS的蠕动泵是由Watson-Marlow制造的多通道蠕动泵(泵型号：505U，头型号：308MC)。蠕动泵具有良好的流动速率精确性，和当不得不处理无菌的溶液时蠕动泵是最佳选择。整个系统可装配、高压消毒和随后安装在泵上而不打破该系统的无菌性。另一方面，蠕动泵具有缺点，其流动模式不是连续的而是脉冲的。在低泵送速度下，脉冲流动效果被增强。因为，该OLMS使用光子计数设备来测量发光，如果流动速率改变，光子的数目将会改变。为了将脉冲流所导致的光子计数的波动最小化，建议在最大速度(55RPM)下运行泵。

该OLMS不得不处理三股物流：样品、生物试剂和样品调节溶液。生物试剂-样品稀释比例如下确定：调试从制造商处得到的不同的管尺寸直到得到适宜的比例。使用内径0.25毫米的支管(颜色代码：蓝色-橙色)来泵送生物试剂。使用内径0.88的支管(颜色代码：橙色-橙色)来泵送样品。

这些管道具有额定的流动速率：对所述生物试剂是0.23毫升/分钟，对于所述样品来说是2.6毫升/分钟。生物试剂与样品混合之后的浓度为50-5％，和理想地为7.52％。

在样品管线和生物试剂管线中观察到频繁的气泡。气泡在光子计数中导致负峰，因为气泡是空的部分，没有光子发出。取决于气泡的尺寸，空白空间能在监测系统中产生虚假的正值。

在泵排出之后，向试剂和样品管线中引入空气液体分离器，由此抑制气泡的存在(参见图2)。该空气-液体分离器除去气泡的效果为100％。使用空气-液体分离器的其它优点是该分离器腔体内部的气体缝隙，起到脉冲抑制器的作用，降低由泵的辊筒所导致的脉冲效果。另一方面，引入空气-液体分离器增加了缺点，在分离器容器里具有死体积，和需要控制系统通过由出口释放过量的空气来控制液位。容器内的液体体积将决定停留时间。停留时间是粒子穿过该分离系统所花费的时间。结果是，通过降低生物试剂的氧化和通过增加检测时间，停留时间使系统退化。为了降低这个副作用，不得不将停留时间保持在最小值上。

对微生物生长的监测是任何连续的培养系统的关键参数。估计细胞数目的最佳方法是使用浊度测量。因为培养物内部的细胞对穿过该溶液的光造成散射，细菌培养物看起来更混浊。细胞数目越多，散射越厉害；因此溶液越混浊。使光穿过细胞悬浮液并测量所显现的未散射的光的量，由此可测量浊度。为了监测发酵桶内部的细胞密度，设置了浊度计并安装在气泡阱之后的生物试剂管线上(参见图2)。通过使用高强度(2000mcd)绿色发光二极管来设置光源。光源的强度可通过以分压结构连接的10千欧的分压计来调节。出于电能供应和控制的目的，发光二极管与数字输出连接。为了测量未散射的光，使用具有内部放大器的光敏二极管(OPT301)。通过使用两个10兆欧的电阻器，放大器的增益设置为20×10⁶。该光敏二极管要求双重电源(+/-12V直流)且它返回一定范围内输出(0-10V直流)。监测来自浊度计的两个信号：施加在发光二极管上的电压和由光敏二极管所收到的电压。

用作生物试剂的细菌倾向于在硅橡胶管的内壁上生长，形成生物膜。连续操作48小时之后，在OLMS的管道上已经可以看见生物膜。这些生物膜通过阻挡光的传播而降低了由光子计数器所报告的测量值的质量。此外，减少了管道的内径。管道内部面积的减少导致穿过该系统的流动速率和压力出现问题。随着时间流逝，细菌持续生长，生物膜变厚且流动速度增加。流动速度的增加增加了曳力，释放生物膜团块，堵塞下游部分，由于生物膜的存在，那里的内截面降低。为了避免生物膜生长至可损害该OLMS的完整性的厚度，该系统应该定期用酸性溶液冲洗，理想地，每隔24-48小时冲洗一次。

该毒性监测器的生物试剂基于海生细菌。这些生物有机体需要3％的盐浓度以完成它们的生理功能。因为通常打算用该毒性监测器对淡水进行取样，不得不增加样品的盐度以使其与生物相容。因此，该水样品与氯化钠浓缩溶液混合以使样品的渗透条件与培养物的渗透条件相等。该样品调节溶液(SCS)的恰当浓度将由生物试剂的氯化钠浓度(25克/升)确定。例如，在我们的案例中，样品在2.6毫升/分钟的额定流量下泵送，和生物试剂以0.23毫升/分钟的额定流量下泵送。为了计算SCS的浓度，使用如下公式：

$C_1=\frac{V_2{C}_2}{V_1}C1=V2C2/V1,---\left(1\right)$

其中，V₁是SCS的流速；C₁是SCS的浓度，以克/升计；V₂是样品加上SCS的流速，和C₂是生物试剂的NaCl浓度。对于额定的流动情况，SCS的浓度是307.61克/升。

通过加入杀菌剂来处理饮用水。有三种杀菌方法可用于处理饮用水：氯化消毒、氯胺化消毒和臭氧化。所列出的选项中，最多使用的是氯化消毒。氯用来杀灭来自水源的细菌和其残留含量保持在0.5-1.0毫克/升以保护水在运送过程中不受细菌污染。

由于其杀菌性质，氯将通过杀灭所述微生物体而干扰所述生物传感器。如果氯含量是恒定的，氯的干扰将不成为问题，但因为主体水中的氯含量经常变化，这些变动将被监视器看作毒物和能产生虚假的正值。为了避免这种不希望的行为，可通过加入硫代硫酸钠(Na₂S₂O₃)从样品中除去氯。

为从水样品中除去氯所需要的硫代硫酸钠的量取决于游离氯的量。可进行化学计量计算，但这样做是非常复杂的，且为了具有可信的结果，不得不考虑所有的外界因素。用来调节该样品的剂量采自Microtox用户手册，和为处理样品所推荐的浓度的是100毫克/升。为了确定不得不加入到SCS中的硫代硫酸钠的量，必须使用公式1。对用于氯化钠实例中的相同的流动，在SCS中所要求的硫代硫酸钠的浓度为1.23克/升。

尽管没有显示，本领域技术人员将会理解，在所述系统中可使用过滤器来过滤待测水样品以除去悬浮的固体，和最一般地，将会影响生物发光的物质。此外，可提供前-和/或后-取样浓缩装置，在该装置中浓缩所取样的水以增加检测任何污染物的机会(前-取样)。而且，也可提供后-取样浓缩装置，或可选地提供后-取样浓缩装置，以使得如果读数令人不满意，水样品可在如下二者之一之前被浓缩：或者试图使用现存的生物试剂进行下一次读数，或者加入新的生物试剂并读数。

针对市场标准，我们已经测试了我们的水监测系统，所述市场标准代表了环境保护署(EPA)对于三种参照物质的基准：氰化物、硫酸铊和氯，并在每一种情况下我们已经显示：我们的系统100％地与EPA基准一致或优于EPA基准。参见表1。

此外，为了证明“30秒检测时间”的可行性，在测试样品导入PoC设备之后30秒内由“毒性警示”来指示，其中所述测试样品或者含有0.25毫克/升的氰化物或者含有240毫升/升的硫酸铊，这些毒物在此前导入到含有正常氯化(氯浓度经过许多分钟/小时之后为0.2-1毫克/升)的水的测试样品中。结果示于表2，与标准100％一致。

为了证明“8周消费品周期”的可行性，经由在第一个流体穿过的子系统中自动接种和建立连续的发光培养物，悬垂的末端的感觉到在那个第一个流体穿过的子系统之中的足够的生物发光，和随后用这样的方法在第二个流体穿过子系统中自动接种和建立连续的发光培养物，以使得连续的毒物测量成为可能。结果示于表3，与标准100％一致。

我们因此认为我们的水监测系统提供了对水连续实时取样的新颖的和创造性的系统。

表1

物质	目标	一致
			氰化物	0.25毫克/升(LD/1000)	100％
硫酸铊	240毫克/升(LD/10)	100％
			氯	无干扰	100％

表2

物质	目标	一致
			氰化物	30秒内0.25毫克/升	100％
硫酸铊	30秒内240毫克/升	100％

表3

	目标	一致
			消费品周期	8周	100％
备份子系统	自动启动	100％

Claims (31)

1.用于检测水供应中的污染物的连续的水监测系统，包括：

a)从水系统或天然水供应中输送水样品至测试室的进料管线；

b)测试室；

c)与所述测试室以流体连通的生物试剂发酵桶，用来将在所述发酵桶中生长的发光的生物试剂输送到所述测试室中；

d)与至少所述测试室连接的光检测装置，用来测量由所述生物试剂发出的光；

e)用来从所述测试室移出所述样品和所述生物试剂的废物管线；其特征在于：

所述光检测装置测量在与所述水样品接触之前和之后的所述生物试剂的发光性质，和当与所述样品接触之后所述的发光性质有变化时，所述水监测系统记录所述样品水已被污染。

2.用于检测水供应中的污染物的连续的水监测系统，包括：

a)从水系统或天然水供应中输送水样品至测试室的进料管线；

b)测试室；

c)与所述测试室以流体连通的生物试剂发酵桶，用来将在所述发酵桶中生长的发光的生物试剂输送到所述测试室中；

d)与至少所述测试室连接的光检测装置，用来测量由所述生物试剂发出的光；和

e)用来从所述测试室移出所述样品和所述生物试剂的废物管线；其特征在于：

f)提供水样品调节装置以在所述水样品被输送到所述测试室之前对其进行调节。

3.权利要求1或2的连续的水监测系统，其中所述光检测装置包括与所述测试室和所述生物试剂发酵桶或与它们连接的流体连通装置相连的单一的光检测装置。

4.权利要求1或2的连续的水监测系统，其中所述光检测装置包括多个光检测装置，其中之一与所述测试室相连，和其中另一个与所述生物试剂发酵桶或与它们连接的流体连通装置相连。

5.权利要求1、3或4的连续的水监测系统，其中提供水样品调节装置，所述装置改变水样品的性质以使其与所述生物试剂生物相容。

6.任何前述权利要求的连续的水监测系统，其中所述水样品调节装置改变所述水样品的离子强度。

7.权利要求5或6的连续的水监测系统，其中所述水样品调节装置改变至少一种所选择的离子的离子浓度。

8.权利要求5-7的连续的水监测系统，其中所述水样品调节装置除去由所述水供应的氯化消毒或氯胺消毒或臭氧处理而产生的抗菌化合物。

9.任何前述权利要求的连续的水监测系统，其中所述生物试剂是发光细菌。

10.权利要求9的连续的水监测系统，其中所述细菌是生物发光细菌。

11.权利要求9或10的连续的水监测系统，其中所述细菌是下列种类：发光细菌或弧菌或致病杆菌属(Zenorhabdus)。

12.任何前述权利要求的连续的水监测系统，其中气体装置与所述进料管线连接，由此可将气泡以预先选择的间隔插入所述水样品中以将所述水样品分为离散量的水以取样。

13.任何前述权利要求的连续的水监测系统，其中提供泵装置以驱动所述水样品或所述生物试剂之一或驱动二者穿过所述系统。

14.任何前述权利要求的连续的水监测系统，其中所述发酵桶作为连续的培养系统而操作。

15.权利要求14的连续的水监测系统，其中所述发酵桶作为恒化器操作。

16.权利要求14或15的连续的水监测系统，其中所述发酵桶包括抗回长(grow-back)设备以防止生物膜朝向营养供应源回长。

17.权利要求14-16的连续的水监测系统，其中所述发酵桶包括气体流入和气体流出管线。

18.权利要求14-17的连续的水监测系统，其中所述发酵桶包括培养物溢流管线，由此使发酵桶内的体积保持恒定。

19.任何前述权利要求的连续的水监测系统，其中所述用来输送生物试剂的管线、或多个管线、或装置由抑制细菌生长的材料制成。

20.任何前述权利要求的连续的水监测系统，其中所述光检测装置包括多个以时间延迟方式操作的光子计数设备，以使得每一个光子计数设备或选定的光子计数设备的组在所述样品与所述生物试剂的混合时点之后预先确定的时间测定发出的光。

21.任何前述权利要求的连续的水监测系统，其中所述光检测装置还包括至少一个光子计数设备，用来测量所述生物试剂在其与所述水样品混合之前所发出的光。

22.任何前述权利要求的连续的水监测系统，其中所述系统包括至少一个气泡阱以除去气团(pockets of air)，否则所述气团将干扰光检测机理。

23.任何前述权利要求的连续的水监测系统，其中所述发酵桶和/或所述测试室包括搅拌器。

24.任何前述权利要求的连续的水监测系统，其还包括浊度计，该浊度计监测所述生物试剂的浊度以测定在所述发酵桶内部的细胞密度。

25.任何前述权利要求的连续的水监测系统，其中提供预过滤装置以将所述水样品在测试之前过滤。

26.任何前述权利要求的连续的水监测系统，其中还提供在测试之前浓缩所述样品的样品预浓缩装置。

27.任何前述权利要求的连续的水监测系统，其还包括在测试之后浓缩所述样品的样品后浓缩装置。

28.连续监测水供应以检测其中污染物的方法，该方法包括：

a)从水系统或天然水供应中输送水样品至测试室；

b)将发光生物试剂输送至所述测试室；

c)在所述生物试剂暴露于所述水样品之前和之后检测由其所发出的光；

d)当所述生物试剂与所述水样品接触而导致发光有变化时，确定污染物存在于所述水样品中；和

e)从所述测试室移出所述水样品和所述生物试剂以重复以上过程。

29.用来检测水供应中的污染物的连续的水监测系统，其包括：

a)从水系统或天然水供应中输送水样品至测试室的进料管线；

b)测试室；

c)在所述水样品被输送到所述测试室之前改变其离子强度的水样品调节装置；

d)与所述测试室以流体连通的生物试剂发酵桶，用来将在所述发酵桶中生长的发光的生物试剂费氏弧菌输送到所述测试室中；

e)与至少所述测试室连接的光检测装置，用来测量由所述生物试剂发出的光；和

f)用来从所述测试室移出所述样品和所述生物试剂的废物管线。

30.基本上如本文所描述的连续的水监测系统，或它的组件。

31.基本上如本文所描述的连续监测水供应的方法。

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