CN101285815A - 用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器 - Google Patents
用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器，包括至少一个腔体和在其内壁上至少安装1组电极，每组电极由相对设置的两对电极组成，其中一对为信号发射电极，另一对为信号接收电极；两对电极分别与水质在线安全预警系统连接，第一透明圆柱管两端通过尼龙网封口固定，在第一透明圆柱管壁上安装与外部水管相接的水管接头。该生物行为传感器使用时，在传感器内形成正旋低压交流电场，当受试生物在传感器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，接收传感器内由发射信号电极形成的电信号变化，并经水质在线安全预警系统处理以后，对受试生物的运动行为变化进行分析，对水质变化进行在线评估。
Description
技术领域
本发明涉及一种环境监测中应用的传感器，具体地说是涉及用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器。
背景技术
对水环境质量实时监测，实现水质的早期安全预警，对于预防突发性化学品环境污染，保证人类饮用水的安全具有非常重要的意义。发光菌在水质监测中发挥了光照强度受环境内污染物影响的特点，通过光学传感器(Optical biosensor)监测发光菌的发光强度变化，反应水质状况，但是，发光菌光强度受本身新陈代谢的影响，也不能实现水体的在线监测，只能依靠间隔抽样监测，很难反应水质的本身的实时变化情况；在线摄像技术(On-line image analysis)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在线评价。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；多物种淡水生物监测系统(Multispecies Freshwater Biomonitor，MFB)可以克服外界环境因子对受试生物的影响，最大程度的实时监测环境内受试生物的行为学变化。但是，MFB不能结合合理的生物运动行为变化规律对受试生物的行为学变化进行分析、评估。水质在线安全预警系统应用生物在一定环境压力下表现出的运动规律变化以及本身具有的对环境压力的回避本能，克服了以往水质在线生物监测技术的缺陷，通过对受试生物在立体空间内的行为变化综合评价、分析，对水质的突发性变化实现预警。
在进行水质突发性污染预警过程中，鉴于受试生物运动行为的规律性以及其本身具有的对外界环境压力的回避本能，需要有合适的生物行为传感器(BiologicalBehavior Biosensor，生物行为传感器)与其规律性的运动行为相适应。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的单一生物行为传感器不能使用在流动的水中，也不能满足水质安全在线预警系统的要求的缺陷，从而提供一种用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器，该生物行为传感器监测受试生物的运动行为变化，结合生物运动行为的规律性，以及其本身具有的对外界环境压力的回避本能，对受试生物的行为变化进行分析、评价，并以此对水质进行在线评估。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
本发明提供的一种用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器(参考图3)，包括至少一个腔体，所述的腔体为一透明圆柱管，并在所述的腔体上安装至少一组电极；其特征在于，所述的第一透明圆柱管1内壁上安装4组电极，每组电极由相对设置的两对电极组成，所述的两对电极的结构一致，其中一对为信号发射电极7，另一对为信号接收电极8；两对电极分别与水质在线安全预警系统连接，第一透明圆柱管1两端通过与受试生物大小相适应的尼龙网封口固定，在第一透明圆柱管1壁上安装与外部水管相接的水管接头9。
本发明提供的一种用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器(参考图1)，包括至少一个腔体，所述的腔体为一透明圆柱管，并在所述的腔体上安装至少一组电极；其特征在于，所述的1组电极由相对设置的两对电极组成，其中一对为信号发射电极7，另一对为信号接收电极8，所述的两对电极分别与水质在线安全预警系统连接；还包括两个圆盖5，每个所述的圆盖中心插装一根水管接头9，其余地方挖空并用与受试生物相适应的尼龙网封住，在圆盖内侧壁上带有内螺纹，通过内螺纹将圆盖分别固定在第一透明圆柱管1两端口上。
本发明提供的用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器(参考图2)，包括至少一个腔体，所述的腔体为一透明圆柱管，并在所述的腔体上安装至少一组电极；其特征在于，还包括两个圆盖5和一根联通管11；所述的腔体为2个，即为第一透明圆柱管1和第二透明圆柱管10，并在所述的2个腔体内壁上安装至少1组电极，每组电极由相对设置的两对电极组成，所述的两对电极电极的结构一致，其中一对为信号发射电极7，另一对为信号接收电极8，所述的两对电极分别与水质在线安全预警系统连接；在所述的第一透明圆柱管1和所述的第二透明圆柱管10之间通过所述的联通管11相连通，且第一透明圆柱管1和第二透明圆柱管10彼此平行；所述的圆盖5中心插装一根水管接头9，其余地方挖空并用与受试生物相适应的尼龙网12封住，在圆盖5内侧壁上带有内螺纹，通过内螺纹将圆盖5分别固定在第一透明圆柱管1和第二透明圆柱管10两端口上。
该生物行为传感器安装在水质安全预警系统中，除生物行为传感器两端的封口接头以外，整个管体为密闭系统。
在上述的技术方案中，所述的水管接头9与外部水管连接，所述的外部水管的进水管上安装有流量计；以便通过流量计控制进水和出水。
在上述的技术方案中，所述的第一透明圆柱管和第二透明圆柱管的管材，可以根据被监测水体的性质进行选择，例如可以为玻璃材料、PVC材料或ABS材料等。
在上述的技术方案中，所述的电极为不锈钢材料制成，其大小根据受试生物个体大小进行选择。
上述的三种生物行为传感器的发射信号电极通过与水质在线安全预警系统连接，在生物行为传感器内形成一个正旋低压交流电场，当受试生物在传感器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传感器内由发射信号电极形成的电信号变化，并经水质在线安全预警系统处理以后，对受试生物的运动行为变化进行分析，并依据生物行为分析结果，对水质变化进行在线评估。
所述的三种生物行为传感器可以根据受试生物个体大小进行选择。保持生物行为传感器内受试生物的数量为5～10只。
在每个生物行为传感器内装入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
本发明提供的用于监测水生生物行为变化的生物行为传感器，是预选具有运动行为多样性的水生生物为指示物种，通过一点或多点监测，受试生物在一种或几种水体内不同位置的运动行为变化，经由水质在线安全预警系统分析、评估以后，形成对水质状况的综合评价。
本发明提供的用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器，该生物行为传感器适于水质安全在线预警系统中，对动态的流水中进行测量，克服现有传感器只能静态使用的缺陷。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是本发明的一种生物行为传感器的实施例结构示意图；
图2是本发明的生物行为传感器另一种实施例结构示意图；
图3是本发明的生物行为传感器又一种实施例结构示意图；
图4a是通过实施例1的生物行为传感器监测日本鲭鳉(48小时左右开始监测)在正常水体内的行为周期性(4天)变化-生物钟(Biological Clock)现象；图中横坐标为暴露时间，纵坐标为日本鲭鳉的行为强度变化；
图4b是通过实施例1的生物行为传感器监测日本大型蚤(48小时左右开始监测)在正常水体内的行为周期性(4天)变化-生物钟(Biological Clock)现象；图中横坐标为暴露时间，纵坐标为日本鲭鳉的行为强度变化；
图5是生物行为的环境压力阈模型；图中横坐标为暴露时间，纵坐标为受试生物的行为强度变化；
图6a是通过实施例2的生物行为传感器，以正常水体大型蚤行为变化为对照(a)，实施例2的生物行为传感器中大型蚤(48小时左右开始监测)的运动行为变化图；图中横坐标为暴露时间，纵坐标为大型蚤的行为强度变化；
图6b是通过实施例2的生物行为传感器，在1.25ppm的有机磷农药对硫磷胁迫下(b)，实施例2的生物行为传感器中大型蚤(48小时左右开始监测)的运动行为变化图；图中横坐标为暴露时间，纵坐标为大型蚤的行为强度变化；
图7a、图b、图c、图d是以正常水体大型蚤行为变化为对照，在1.25ppm的有机磷农药对硫磷胁迫下，实施例3生物行为传感器中大型蚤(48小时左右开始监测)的运动行为变化图；图中横坐标为暴露时间，纵坐标为大型蚤的行为强度变化。
图面说明：
1-第一透明圆柱管 2-第一组电极 3-第二组电极 4-第三组电极
5-第四组电极 6-不锈钢螺丝 7-信号发射电极 8-信号接收电极
9-水管接头 10-第二透明圆柱管 11-连通管 12-尼龙网
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步说明本发明的生物行为传感器的结构，并利用该结构对有机磷污染水源进行在线生物安全预警的过程，以及预警的效果进行详细说明。
实施例1：
参考图1，制作一用于水质安全预警系统的生物行为传感器，该生物行为传感器由有机玻璃制作的第一透明圆柱管1，该第一透明圆柱管1的内径为×外径3Cm(对大型蚤)，对日本鲭鳉进行监测时，第一透明圆柱管1的内径为
×外径5Cm。在一透明圆柱管1内壁上安装由2对不锈钢片制作的电极，由相对设置的两对电极组成，其电极的大小由受试管决定，对大型蚤电极选择为1.2×3Cm的，对日本鲭鳉进行监测时，电极选择为2.4×5Cm的，两对电极通过不锈钢螺丝6与水质在线安全预警系统连接，其中一对为信号发射电极7，另一对为信号接收电极8；第一透明圆柱管1两端固定一圆盖5，该圆盖中心插装一根水管接头9，其余地方挖空并用与受试生物相适应的尼龙网12封住，该网的网眼由受试生物大小决定。在圆盖内侧壁上带有内螺纹，通过内螺纹将圆盖分别固定在第一透明圆柱管1和第二透明圆柱管10两端的端口上。
利用本实施例制作的生物行为传感器，进行监测日本鲭鳉和大型蚤(48小时左右开始监测)在正常水体内的行为周期性变化，具体监测试验如下：
试验进行的温度控制在20±2℃，光照周期为16H：8D。流水暴露试验维持4天。在试验过程中，流水速率控制在1升/小时，食物通过流水系统投喂。利用生物行为传感器-1监测日本鲭鳉和大型蚤(48小时左右开始监测)在正常水体内的行为周期性变化图如图4所示。在4天流水试验过程中，日本鲭鳉的行为学变化表现出明显的昼夜变化。在光照条件下，不同频率的运动行为变化基本处于从上到下的过程(低频的行为，强度高)，而在黑暗条件下，不同频率的行为变化出现明显的不同：有些频率的行为突然增大(1.5Hz和2.0Hz)，有些频率的行为降低(0.5Hz和1.0Hz)。日本鲭鳉的这种变化表现出明显的昼夜交替现象，为日本鲭鳉的行为变化生物钟(Biological Clock)现象。大型蚤在4天流水试验过程中，不同频率的行为在昼夜交替过程也出现明显的变化，在光照条件下，不同频率的运动行为变化基本处于从上到下的过程(低频的行为，强度高)，而在黑暗条件下，不同频率的行为变化出现明显的不同，表现出行为变化生物钟(Biological Clock)现象。
通过该生物行为传感器连接水质在线安全预警系统对受试生物的运动行为变化，可以针对生物的一般运动行为变化规律对生物的行为状况进行分析、评价。这其中主要包括生物行为的周期性变化-生物钟(Biological Clock)现象(图4)，生物行为的环境压力阈模型(Stepwise Stress Model，SSM)(图5)等行为变化规律。
通过生物行为传感器-2和生物行为传感器-3与水质在线安全预警系统连接，对受试生物的运动行为变化进行在线监测，主要针对生物的回避行为(AvoidanceBehavior)规律进行的。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。
实施例2：
参考图2，制作一用于水质安全预警系统的生物行为传感器，该生物行为传感器由玻璃制作的第一透明圆柱管1，和第二透明圆柱管10，两个管子大小一致；并且第一透明圆柱管1和第二透明圆柱管10彼此平行设置，一根玻璃连通管11的两端分别密封固定在它们之间的管壁上，将第一透明圆柱管1和第二透明圆柱管10连通；在第一透明圆柱管1和第二透明圆柱管10内壁上分别安装一组电极，每组电极由相对设置的两对电极组成，电极由不锈钢平板制作，大小一致，其中一对为信号发射电极7，另一对为信号接收电极8，两对电极通过不锈钢螺丝6与水质在线安全预警系统连接，第一透明圆柱管1和第二透明圆柱管10的两端，通过一圆盖5固定与受试生物相适应的尼龙网12，该圆盖5中心插装一根水管接头9，其余地方挖空并用与受试生物相适应的尼龙网12封住，在圆盖5内侧壁上带有内螺纹，通过内螺纹将圆盖5分别固定在第一透明圆柱管1和第二透明圆柱管2两端的端口上。水管接头9与外部水管相接，外部水管的进水管上安装有流量计；以便通过流量计控制进水和出水。该生物行为传感器安装在水质安全预警系统中，除生物行为传感器两端的封口接头以外，整个管体为密闭系统。
以正常水体大型蚤行为变化为对照，在1.25ppm的有机磷农药对硫磷胁迫下，应用本实施例的生物行为传感器对大型蚤(48小时左右开始监测)的运动行为变化进行监测如下：
试验进行的温度控制在20±2℃，光照周期为16H：8D。流水暴露试验维持48小时。在试验过程中，流水速率控制在1升/小时，食物通过流水系统投喂。以正常水体中大型蚤行为变化为对照，利用生物行为传感器-2监测大型蚤在1.25ppm的有机磷农药对硫磷胁迫下的运动行为变化如图6所示。在1.25ppm的有机磷农药对硫磷肋迫下，大型蚤的行为变化发生在暴露以后1小时之内，在此以后，有对硫磷流动的单侧传感器内大型蚤的行为信号消失。在正常水体中，大型蚤行为变化基本维持一致，但在试验过程中，明显出现具有昼夜周期性变化的生物钟现象。这说明大型蚤的回避环境压力的本能促使大型蚤通过中间的管路由受对硫磷污染的水体进入正常水体内。
本实施例的生物行为传感器监测受试生物回避行为是基于传统的“U型”回避行为试验装置设计的。通过该生物行为传感器监测生物回避行为是基于对污染有或无的判断，在对水质突发性污染进行安全预警非常有效。在两组类似于生物行为传感器-1的平行传感器内，受试生物受污染水体的影响，会通过中间的连接管主动避开受污染的水域，游向未受污染的清洁水区(图6)。
通过该生物行为传感器与水质在线安全预警系统连接，对受试生物的运动行为变化进行在线监测，可以针对生物的一般运动行为变化规律对生物的行为状况进行分析、评价。这其中主要包括生物行为的周期性变化-生物钟(Biological Clock)现象，生物行为的环境压力阈模型(Stepwise Stress Model，SSM)等行为变化规律以及生物的回避行为(Avoidance Behavior)规律。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。
实施例3：
参考图3，制作一用于水质安全预警系统的生物行为传感器，该生物行为传感器的第一透明圆柱管1由工程塑料作成。在第一透明圆柱管1内壁上安装4组电极，即第一组电极2、第二组电极3、第三组电极4和第四组电极(未在图上示出)，每组电极由相对设置的两对不锈钢平板电极组成，每组电极的结构一致，其中一对为信号发射电极7，另一对为信号接收电极8，两对电极通过不锈钢螺丝6与水质在线安全预警系统连接，；第一透明圆柱管1两端通过与受试生物大小相适应的尼龙网12封口固定；在第一透明圆柱管1壁上安装与外部水管相接的水管接头9；保持除生物行为传感器两端的封口接头以外管体为密闭系统；水管接头9与外部水管相接，外部水管的进水管上安装有流量计；以便通过流量计控制进水和出水。该生物行为传感器安装在水质安全预警系统中，除生物行为传感器两端的封口接头以外，整个管体为密闭系统。
以正常水体大型蚤行为变化为对照，在1.25ppm的有机磷农药对硫磷胁迫下，应用本实施例制作的生物行为传感器，对大型蚤(48小时左右开始监测)的运动行为变化进行监测试验如下：
试验进行的温度控制在20±2℃，光照周期为16H：8D。流水暴露试验维持48小时。在试验过程中，流水速率控制在1升/小时，食物通过流水系统投喂。以正常水体中大型蚤行为变化为对照，利用生物行为传感器-3监测大型蚤在1.25ppm的有机磷农药对硫磷胁迫下的运动行为变化如图7所示。在1.25ppm的有机磷农药对硫磷胁迫下，大型蚤的行为变化发生在暴露以后1小时左右，在此以后，有对硫磷流动的生物传感器一侧，大型蚤的行为信号逐渐消失。在正常水体中，大型蚤行为变化基本维持一致，并且在试验过程中，明显出现具有昼夜周期性变化的生物钟现象。而处于这两者之间的第二组和第三组电极所监测的范围之内，大型蚤的行为变化强度变化趋势基本上是逐渐降低的，并且变化的程度处于正常水体与对硫磷压力之间。这说明大型蚤的回避环境压力的本能促使大型蚤通过中间的管路由受对硫磷污染的水体进入正常水体内。相比较生物行为传感器-2中大型蚤的运动行为变化，生物行为传感器-3中监测到大型蚤的运动行为变化呈现明显的剃度变化。在后期的监测过程中，依然可以在d组电极监测的范围内存在生物运动行为的信号，原因可能是这一范围受到其它位置生物运动行为的影响。
实施例3的生物行为传感器通过在一个透明圆柱管内设定4组平行的电极测定不同位置受试生物的运动行为变化。实施例3的生物行为传感器在一定程度上弥补了生物行为传实施例2的感器有或无的判断，实现了含有污染物的被监测水体在传感器内按照一定的浓度梯度变化，并根据4组平行的电极所获得的结果，对不同浓度下受试生物的行为变化(图7)进行分析、评估。
通过该生物行为传感器与水质在线安全预警系统连接，对受试生物的运动行为变化进行在线监测，主要针对生物的回避行为(Avoidance Behavior)规律进行的。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。
Claims (7)
1.一种用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器，包括至少一个腔体，所述的腔体为一透明圆柱管，并在所述的腔体上安装至少一组电极；其特征在于，在第一透明圆柱管(1)的所述腔体内壁上安装4组电极，每组电极由相对设置的两对电极组成，所述的两对电极的结构一致，其中一对为信号发射电极(7)，另一对为信号接收电极(8)；两对电极分别与水质在线安全预警系统连接，所述的第一透明圆柱管(1)两端通过与受试生物大小相适应的尼龙网(12)封住；所述的腔体上安装至少2根水管接头(9)。
2.一种用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器，包括至少一个腔体，所述的腔体为一透明圆柱管，并在所述的腔体上安装至少一组电极；其特征在于，还包括两个圆盖(5)；所述的每组电极由相对设置的两对电极组成，所述的两对电极的结构一致，其中一对为信号发射电极(7)，另一对为信号接收电极(8)，所述的两对电极分别与水质在线安全预警系统连接；每个所述的圆盖(5)中心插装一根水管接头(9)，其余地方挖空并用与受试生物相适应的尼龙网(12)封住，在圆盖(5)内侧壁上带有内螺纹，通过内螺纹将圆盖(5)分别固定在第一透明圆柱管(1)两端口上。
3.一种用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器，包括至少一个腔体，所述的腔体为一透明圆柱管，并在所述的腔体上安装至少一组电极；其特征在于，还包括两个圆盖(5)、和一根联通管(11)；所述的腔体为2个，并在所述的2个腔体内壁上安装至少1组电极，每组电极由相对设置的两对电极组成，所述的两对电极电极的结构一致，其中一对为信号发射电极(7)，另一对为信号接收电极(8)，所述的两对电极分别与水质在线安全预警系统连接；在所述的第一透明圆柱管(1)和所述的第二透明圆柱管(10)之间通过所述的联通管(11)相连通，且第一透明圆柱管(1)和第二透明圆柱管(10)彼此平行；所述的圆盖(5)中心插装一根水管接头(9)，其余地方挖空并用与受试生物相适应的尼龙网(12)封住，在圆盖(5)内侧壁上带有内螺纹，通过内螺纹将圆盖(5)分别固定在第一透明圆柱管(1)和第二透明圆柱管(10)两端口上。
4.按权利要求1、2或3所述的用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器，其特征在于，所述的水管接头(9)与外部水管连接，所述的外部水管的进水管上安装有流量计。
5.按权利要求1、2或3所述的用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器，其特征在于，所述的第一透明圆柱管(1)和第二透明圆柱管(10)的管材，根据被监测水体的性质进行选择。
6.按权利要求5所述的用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器，其特征在于，所述的第一透明圆柱管(1)和第二透明圆柱管(10)的管材为玻璃、PVC材料或工程塑料。
7.按权利要求1、2或3所述的用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器，其特征在于，所述的电极为不锈钢材料制成，其大小根据受试生物个体大小进行选择。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20081015 |
|
| C20 | Patent right or utility model deemed to be abandoned or is abandoned |