CN101477056B

CN101477056B - 多通道发光细菌在线水质毒性监测装置及监测方法

Info

Publication number: CN101477056B
Application number: CN2009100960170A
Authority: CN
Inventors: 蔡强; 张理兵; 刘锐; 彭强辉; 曾莎莎
Original assignee: ZHEJIANG TSINGHUA YANGTZE RIVER DELTA RESEARCH INSTITUTE
Current assignee: ZHEJIANG TSINGHUA YANGTZE RIVER DELTA RESEARCH INSTITUTE
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2029-01-22
Also published as: CN101477056A

Abstract

一种多通道发光细菌在线水质毒性监测装置及监测方法，该装置包括有一隔膜抽水泵，该隔膜抽水泵的进水口通过水管连接一膜过滤器后再与一水样池相接；隔膜抽水泵的出水口通过水管接于一溢流式支流采样器，多个水样监测组件构成多个监测通道并连接于所述溢流式支流采样器上，所述多个水样监测组件的废液出口并接有一外置的蠕动泵，该蠕动泵出口接于废液缸中；所述的监测方法是：水样由隔膜泵吸入中空纤维膜组成的膜过滤器，滤除水中悬浮物和细菌，进入溢流式支流采样器。然后通过毒性检测组件实时检测发光细菌的生物发光强度。检测试验完成后，由外置的蠕动泵把反应器中的废液排入废液缸；它具有能实现水源水，城市污水、自来水厂进水生物毒性的在线检测，操作简单，维护方便，自动化程度高等特点。

Description

多通道发光细菌在线水质毒性监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及的是一种可快速在线检测水质毒性的监测装置及监测方法，这种监测装置可以用于湖泊、水库、河流、污水处理厂等纳污水体的生物毒性的连续监测，也可以用于毒物污染事故的预警，属于环境监测领域。

背景技术

近年来，有毒物质的种类逐渐增多，排放总量持续增加，由此引起的环境危害逐渐加大。为了加强河水及饮用水保护、工业废水排放等方面的管理力度，国际上纷纷出台相关规定，要求在2007年～2010年实现水质毒性控制。我国为了保障水源水质安全，也将在近年把水质毒性纳入控制标准。目前，生物毒性实验方法主要包括分子水平、细胞水平和生物体水平三个层次。其中生物体水平实验材料有鱼类、无脊椎生物、植物等，具有可靠性强、使用广泛、有历史数据、能表达出水样中实际毒性的优点，但是对试验生物的种系及体重要求苛刻、假阳性高，也不利于实现现场监测。而分子水平的材料主要如DNA、P450等，这种方法能较为准确的反应某类毒性效应，但由于具有一定的选择性而不利于总毒性表征。随着环境微生物学的发展，研究者多采用微生物(如发光细菌、硝化细菌、活性污泥等)作为生物敏感物质，分析水样毒性。其中发光细菌因为其较高的灵敏度和操作的简便性，适合用于在线分析应用领域。

发光菌毒性试验是近年来国内外在生物急性毒性和遗传毒性监测方面的研究成果。国外从六十年代中期开始研究用发光细菌监测环境污染，八十年代以来美国的贝克曼仪器公司开发了Microtox技术，并研制了实验室分析用测试仪器和配套试剂(费希弧菌)。我国在九十年代也把发光细菌法列入国家标准(GT/T15441-1995)。上述方法均采用费希弧菌或明亮发光杆菌T3小种的相对发光强度进行检验，测量过程需人工配制一系列空白溶液和标准溶液，操作复杂、耗时和繁琐。为了实现水源水和污水水质的在线监测与管理，研究单位和相关企业先后开发了一系列基于发光细菌的在线分析设备。

根据发光细菌活性控制方法的不同，基于发光细菌的在线毒性分析技术主要分为两类，(1)发光细菌连续培养型，(2)发光细菌在线复苏型。前者的代表如MicroLAN公司研制的TOXControl在线毒性分析仪，该仪器采用注射泵驱动参考通道和检测通道的细菌，把冻存的发光菌依次泵入复苏池和检测池中，实现检测过程自动化。后者的代表如ManBock Gu等，采用蠕动泵把培养基连续泵入含有发光菌母液的培养池中，同时不断抽取新鲜菌液至检测池实现毒物检测。

我国近年来也出现了类似技术，如2002年庄峙厦等人研究的发光菌水质毒性监测传感装置采用恒化培养方法，考虑了流速对发光菌活性的影响。另外如2005年黄静等研制的城市污水生物毒性在线自动分析仪，采用单一检测仓方式，建立多次试样混合，清洗的自动化控制技术。

但是上述这些技术没有考虑实际检测环境中水中复杂基质对于检测方法的影响，造成这一技术在实际应用中遇到很大障碍。这种影响来源3个方面：(1)实际纳污水体的样本中的悬浮物以及浊度等因素，会对光学探头的检测结果产生较大影响，造成检测误差甚至错误；(2)水样中的细菌会在检测过程中生长，从而抑制发光细菌的活性，造成假阳性。环境温度、水的盐度等条件也会通过影响发光细菌活性造成检测偏差；(3)实际水环境中有毒污染物质差别大、种类多，即使是具有广谱性的发光细菌也不能全面反映这些污染物的生态毒性。因此仪器中仅仅选用一种发光细菌作为指示细菌，会造成检测结果出现假阴性的现象。目前，国际上已经相继开发出20余种新型发光细菌，这些新菌种都有各种适用的有毒污染物类型和纳污水体类型。由于现有设备没有充分考虑这种细菌的差异性，不能同时利用多种发光菌。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种是一个可以采用多种指示发光细菌分析污染物生态毒性的多通道发光细菌在线水质毒性监测装置及监测方法。它主要通过检测组件模块设计，实现发光细菌抑制过程的精确控制和检测，通过多个检测组件的并行工作，实现多通道检测。通过同一的水样预处理模块，屏蔽水中干扰因素，调整水质，实现仪器稳定可靠工作。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，所述的多通道发光细菌在线水质毒性监测装置，包括有一隔膜抽水泵，该隔膜抽水泵的进水口通过水管连接一膜过滤器后再与一水样池相接；隔膜抽水泵的出水口通过水管接于一溢流式支流采样器，多个水样监测组件构成多个监测通道并连接于所述溢流式支流采样器上，所述多个水样监测组件的废液出口并接有一外置的蠕动泵，该蠕动泵出口接于废液缸中；所述的水样监测组件主要由柱塞泵，六位阀，微型生物反应器，盘管，光电检测器，温度控制器，控制电路，冷藏储液仓组成，所述的柱塞泵通过盘管连接于六位阀，通过该六位阀连接于微型生物反应器并由光电监测器连接控制电路；所述的温度控制器包括避光保温盒、调温器件和温度探测器件；其中调温器件为半导体致冷片，温度检测采用数字温度探测器件；所述的微型生物反应器和盘管被置于一避光保温盒内；所述的保温盒配置有由半导体制冷片构成的调温器件以及在保温盒内安置有温度控制器件。

所述的光电监测器为光电倍增管或者是光电二极管构成。

所述的膜过滤器为一内置有中空纤维膜的圆筒形结构，该膜过滤器的进水口置于圆筒底部，中空纤维膜开口端连接接口水管和隔膜抽水泵。

一种使用如上所述的多通道发光细菌在线水质毒性监测装置的监测方法，该方法是水样由隔膜泵吸入中空纤维膜组成的膜过滤器，滤除水中悬浮物和细菌，进入溢流式支流采样器；然后通过水样监测组件实时检测发光细菌的生物发光强度；检测试验完成后，由外置的蠕动泵把反应器中的废液排入废液缸。

所述的水样监测组件实时监测包括将水样的高活性发光菌在避光保温盒内5摄氏度环境下快速冷藏；然后在线复苏，用水样监测组件的柱塞泵和六位阀，先把冷藏菌液泵入盘管预加温，待温度平衡后，再泵入生物反应器中，由光电倍增管构成的光电检测器进行检测，提供光电倍增管的控制电压，接收光电倍增管的电流信号，并处理后转化为数字信号，在上位机请求数据时传输给上位机，完成监测。

本发明为了实现多通道检测和不同水质条件下仪器系统的稳定工作，水质毒性在线监测仪主要包括现场水样采集和预处理模块、毒性检测模块和控制器模块。

本发明建立了结构紧凑，一体式发光细菌在线水质毒性监测仪及相关的仪器软件，建立了完整的毒性分析评估方法，具有能实现水源水，城市污水、自来水厂进水生物毒性的在线检测，操作简单，维护方便，自动化程度高等特点；能够得到合理的性能价格比、能适用于较恶劣的环境的在线自动监测，利用它可以作为单机使用，也可以充当监测网络系统的前端产品。本发明最重要的特征之一是，比同类的发光细菌毒性监测设备反应灵敏，能快速检测到水质的毒性。

附图说明

图1是本发明的系统总流程示意图

图2是本发明的检测组件组成结构示意图

图3是本发明的水样预处理装置结构示意图。

图4是本发明发光菌活性复苏后光子计数图。

图5是本发明的毒性抑制曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作详细的介绍：附图1所示，本发明所述的装置包括有一隔膜抽水泵1，该隔膜抽水泵1的进水口通过水管连接一膜过滤器2后再与一水样池15相接；隔膜抽水泵1的出水口通过水管接于一溢流式支流采样器3，多个水样监测组件4构成多个监测通道并连接于所述溢流式支流采样器3上，所述多个水样监测组件的废液出口并接有一外置的蠕动泵5，该蠕动泵5出口接于废液缸6中。

附图2所示，所述的水样监测组件主要由柱塞泵7，六位阀8，微型生物反应器9，盘管10，光电检测器11，温度控制器12，控制电路13，冷藏储液仓14等组成，所述的柱塞泵7通过盘管10连接于六位阀8，通过该六位阀8连接于微型生物反应器9并由光电监测器11连接控制电路。

所述的微型生物反应器9和盘管10被置于一避光保温盒内；所述的保温盒配置有由半导体制冷片构成的调温器件以及在保温盒内安置由温度控制器件；所述的光电监测器11为光电倍增管或者是光电二极管构成。

附图3所示，所述的膜过滤器为一内置有中空纤维膜16的圆筒形结构，该膜过滤器的进水口17置于圆筒底部，中空纤维膜开口端连接接口水管和隔膜抽水泵。

本发明所述的多通道发光细菌在线水质毒性监测方法，该方法是水样由隔膜泵1吸入中空纤维膜组成的膜过滤器2，滤除水中悬浮物和细菌，进入溢流式支流采样器3；然后通过水样监测组件4实时检测发光细菌的生物发光强度；检测试验完成后，由外置的蠕动泵5把反应器中的废液排入废液缸6。

所述的毒性监测组件实时监测包括将水样的高活性发光菌在避光保温盒内5摄氏度环境下快速冷藏；经过冷藏后的在线复苏，是用水样监测组件的柱塞泵和六位阀，先把冷藏菌液泵入盘管预加温，待温度平衡后，再泵入生物反应器中，由光电倍增管构成的光电检测器进行检测，提供光电倍增管的控制电压，接收光电倍增管的电流信号，并处理后转化为数字信号，在上位机请求数据时传输给上位机，完成监测。

本发明把反应器-检测器-反应盘管-柱塞泵-多位阀-温控器集成为一个水样监测组件，构成一个检测通道；采用水样监测组件，可以叠加组合方式构成以多种发光细菌作为检测指示物的多通道的水质毒性在线监测设备。该组件的使用功能示意图如附图2所示。其功能是为实现自动从支流式采样器中抽取一定量的试样，从温控试剂舱中获取一定量的反应试剂，按照次序依次泵入组件中的实现温控的微型生物反应器中。通过光电检测器和控制电路，上位机读取组件中的光强、温度等信号，并控制流控组件中的泵、阀等。

本发明所述的柱塞泵7为1mL或者5mL注射体积；微型生物反应器9采用圆柱形耐酸碱透明材料，容积为5mL～10mL；温度控制器12包括避光保温盒、调温器件和温度探测器件；其中调温器件为半导体致冷片，额定功率为20～60W，温度检测采用数字温度探测器件，检测温度0～50摄氏度；保温盒可以容纳生物反应器9和盘管10。盘管10的内径为1/16～1/8英寸，长度为10～30cm；光电检测器11为光电倍增管或者光电二极管；安装支架尺寸规格依据实际设计需要确定。

该组件的工作方式是：控制电路功能为接受上位机指令，控制柱塞泵和六位阀的动作。提供光电倍增管的控制电压，接收光电倍增管的电流信号，并处理后转化为数字信号，在上位机请求数据时传输给上位机。其中采样频率应不低于50Hz。控制电路检测保温盒内的温度，并根据设定温度，通过调温器件调控保温盒内的温度。

实际水样中存在的悬浮物、细菌，不仅会堵塞主分析流路，也会造成反应器生长大量杂菌，导致检测器无法正常工作。因此为了实现长时间无故障连续测试，应对实际水样进行过滤等预处理。水样预处理模块主要包括支流采样器和在线过滤器两个部分。支流采样器主要是为了把采样流路和分析流路区分开来。因为分析流路的管件均属于精密器件，容易受到污染、堵塞等问题的影响。采用支流采样器，对进水作部分预处理，滤除来水中的悬浮物和泥沙，保证主分析流路的工作状态。支流采样器采用溢流方式工作，采样容积是5mL～20mL。采样流路的流速通过针阀调节，流速范围为40～200mL/min。

在线过滤器为圆筒式结构，内置中空纤维膜，配备各种规格的膜组件，依据被监测水体的类型可以选择合适的膜组件，均能达到相应的要求。。过滤器进水口置于圆筒底部，中空纤维膜开口端连接接口水管和水泵。其中圆筒容积为30～50mL，采用高分子材料或者有机玻璃制造。中空纤维膜材质为聚丙烯，平均微孔孔径为0.1～0.5μm，开孔率30～60％，总的膜面积约为0.05～0.2m2。水泵为隔膜泵或者蠕动泵，吸程为2～7米。

为了延长采样泵以及过滤膜寿命，预处理模块采用间歇工作方式。考虑到管路中的死腔体积以及清洗管壁附着的污染物，预处理模块单次采样过滤的周期为3min。

实施例1：发光细菌的冷藏与在线复苏

水质毒性在线监测装置的核心问题之一是在线运行过程中发光菌的生物活性保持稳定，这样才能保证装置连续监测的可靠性。本装置系统中，水样监测组件的低温储藏罐可以快速冷藏高活性发光菌。由于发光菌在5℃的冷藏环境下代谢作用缓慢，而一旦转移到20℃环境复苏时，在较短的时间内可以回复正常生理活性。冷藏试剂配方如下：明亮发光杆菌的培养基(质量浓度)：胰蛋白胨0.5％，酵母膏0.5％，甘油0.3％，KH₂PO₄0.1％，Na₂HPO₄0.5％，NaCl 3％。复苏液(质量浓度)：NaCl 2％。采用上述液态培养基，在每个100mL锥形瓶内分装50mL的培养基溶液，在121℃下灭菌20分钟，冷却至25℃。在培养基中接种明亮发光杆菌，25摄氏度下增菌扩大培养12h，放入5摄氏度环境下冷藏。在线复苏方法是用检测组件的注射泵和六位阀，先把了冷藏菌液泵入盘管预加温，待温度平衡后，再泵入生物反应器中。冷藏前和在线复苏后发光强度没有明显变化，复苏后发光强度较为稳定。如附图4所示。

实施例2：发光细菌在线检测系统污染水体的预处理方法

水质毒性在线监测装置预处理的目的是保证主分析流路长时间无故障运行以及分析结果准确可靠，因此必须把水体中悬浮物、泥沙、细菌去除，同时又不能对水体的综合毒性产生影响。本装置系统开发设计如附图3所示的中空纤维膜在线过滤器，膜丝平均微孔孔径0.1μm，膜组件由70根膜丝组成，每根膜丝长300mm，直径2mm。

预处理方法是用吸程为5m的隔膜泵把水样泵入过滤器，然后经过膜组件的滤膜，由过滤器的出水管导入支流采样器，再通过柱塞泵和多位阀的协同工作，可以从支流采样器中定量地采集水样，确保反应器内的检测过程顺畅、检测结果真实。

通过对地下水、水源水、河湖水以及工业污水的过滤实验表明：本系统在线过滤器对受试水样的浊度去除率为90％以上，细菌去除率达到99％，同时对pH、电导率、盐度、温度均没有影响，而UV₂₅₄、UV₄₁₀、TOC等各类有机物指标的去除率在均在20％左右。

实施例3：发光细菌在线检测系统检测Zn、甲酚、.....污染物

采用在线水质毒性监测装置，污染物质毒性检测的典型流程主要包括：加缓冲液，加细菌，培养细菌，加水样，抑制反应，清洗等六个环节，一个样本的检测周期约为40min～60min左右，可以自动重复进行。毒性检测的实现方法：以典型污染物质甲酚为例，系统依次将一定比例的缓冲液和菌液加入反应器中培养10min，此时发光强度达到最高值的稳定状态，然后定量地加入受试水样，直至发光强度达到最低值的稳态，数据处理软件得到最高值和最低值之后便将相应的抑制率和EC₅₀值反馈给系统。如附图5所示是4mg/L、10mg/L、40mg/L、100mg/L、400mg/L甲酚溶液的毒性检测及抑制曲线，从图中可以看出，在完全加入受试水样后，各曲线明显呈下降趋势，从而反映出光强的减少与污染物质的浓度成线性相关关系，然后在反应1～5min之后，曲线又都达到稳定的平衡态，且各种浓度下的光强变化趋势基本一致，由抑制曲线反算出甲酚的EC₅₀值为58.32mg/L。同样的方法可以得到ZnCl₂，NH₃，硝基苯的EC₅₀值分别为1.72mg/L、197.8mg/L、345mg/L。

Claims

1.一种多通道发光细菌在线水质毒性监测装置，其特征在于该装置包括有一隔膜抽水泵，该隔膜抽水泵的进水口通过水管连接一膜过滤器后再与一水样池相接；隔膜抽水泵的出水口通过水管接于一溢流式支流采样器，多个水样监测组件构成多个监测通道并连接于所述溢流式支流采样器上，所述多个水样监测组件的废液出口并接有一外置的蠕动泵，该蠕动泵出口接于废液缸中；所述的水样监测组件主要由柱塞泵(7)，六位阀(8)，微型生物反应器(9)，盘管(10)，光电检测器(11)，温度控制器(12)，控制电路(13)，冷藏储液仓(14)组成，所述的柱塞泵(7)通过盘管(10)连接于六位阀(8)，通过该六位阀(8)连接于微型生物反应器(9)并由光电监测器(11)连接控制电路；所述的温度控制器(12)包括避光保温盒、调温器件和温度探测器件；其中调温器件为半导体致冷片，温度检测采用数字温度探测器件；所述的微型生物反应器(9)和盘管(10)被置于一避光保温盒内；所述的保温盒配置有由半导体制冷片构成的调温器件以及在保温盒内安置有温度控制器件。

2.根据权利要求1所述的多通道发光细菌在线水质毒性监测装置，其特征在于所述的光电监测器(11)为光电倍增管或者是光电二极管构成。

3.根据权利要求1所述的多通道发光细菌在线水质毒性监测装置，其特征在于所述的膜过滤器为一内置有中空纤维膜的圆筒形结构，该膜过滤器的进水口置于圆筒底部，中空纤维膜开口端连接接口水管和隔膜抽水泵。

4.一种使用如权利要求1或2或3所述的多通道发光细菌在线水质毒性监测装置的监测方法，该方法是水样由隔膜泵(1)吸入中空纤维膜组成的膜过滤器(2)，滤除水中悬浮物和细菌，进入溢流式支流采样器(3)；然后通过水样监测组件(4)实时检测发光细菌的生物发光强度；检测试验完成后，由外置的蠕动泵(5)把反应器中的废液排入废液缸(6)。

5.根据权利要求4所述的使用多通道发光细菌在线水质毒性监测装置的监测方法，其特征在于所述的水样监测组件实时监测包括将水样的高活性发光菌在避光保温盒内5摄氏度环境下快速冷藏；然后在线复苏，用水样监测组件的柱塞泵和六位阀，先把冷藏菌液泵入盘管预加温，待温度平衡后，再泵入生物反应器中，由光电倍增管构成的光电检测器进行检测，提供光电倍增管的控制电压，接收光电倍增管的电流信号，并处理后转化为数字信号，在上位机请求数据时传输给上位机，完成监测。