CN105092806A - 一种硅藻生物水质监测系统 - Google Patents

Abstract

一种硅藻生物水质监测系统，包括生物培养与采集装置4，水生物实验处理装置5，水生物鉴定装置7，生物分类与水质判定系统9。监测区域一般设置对照样点，通过采集装置采集设计区域的硅藻样品，在实验室预处理去除硅藻有机质、处理去除有机盐，得到硅质壳，经清洗，干燥后预制硅藻玻片，进行初步检测，待检测合格后用折射率为？1.7左右的胶体封片。鉴定装置7对玻片21进行硅藻个体鉴定和计数，并在系统9中图像显示硅藻个体，对硅藻样本可拍照保存。系统9将鉴定的硅藻种类划分为不同的类群，甄别不同类型的指示种，同时系统9依据多种数学模型计算各类硅藻指数，实现硅藻生物资源调查和生物水质监测功能。

Description

一种硅藻生物水质监测系统

技术领域

本发明涉及一种河流、湖泊中的水质生物监测系统，属于水环境监测领域。

背景技术

我国的水资源污染问题非常严峻，重大水污染事件频发，重大事故暴露出的一个重要因素是水环境监测方面的不足，使得排污者存在侥幸心理，且很多突发事件的发掘是由于出现大量死鱼或死家禽，另一个问题是我国尚有大范围的溪流未曾进行过评价，急需对其开展监测和评价。因为在国内，与制定国家水资源决策相关的生物数据极为欠缺，这些现实情况使得开发经济、有效的生物监测技术很有必要。

水生生物群落中的底栖动物、水生维管束植物、鱼类、微型藻类等生物均为良好的河湖水质指示生物。一般来说，指示生物与其敏感性与生命周期长短、移动性、位于食物链（网）的位置等生态特征相关。相对于其他水生指示生物，淡水硅藻生命周期短，固着性强，位于食物链底端，是十分合适的水质指示生物。

关于硅藻的分类学和生态学的相关研究已有一段历史，但关于水质监测的研究刚刚起步，对于如何合理布置采样点，对硅藻实验的技术要求，鉴定仪器的配置等存在诸多问题，硅藻种单元的智能识图计数系统还未开发，完成整个监测过程存在种种复杂因素，最关键的是至今还没有一个标准的水质监测流程或系统，因此需要一套完整的监测方法及其装置来实施。

发明内容

发明目的：本发明提供一套完整的、用现代生物技术与图像识别技术等相结合的硅藻生物水质监测系统，成套技术是传统水质生物监测技术的拓展和延伸。本发明解决了在江河湖泊中无法采集到合格水质生物样品的弊端，总结了合理的监测流程和标准，形成一套的完整技术，能够科学有效的进行河流湖泊的硅藻生物水质监测。

技术方案：具体来说包括一种简易培养装置与采集装置，水生物实验处理装置，水生物鉴定装置，生物分类与水质判定系统。首先按照水生态分区，森林覆盖率，人口密度，海拔选定监测区域和对照区域，在区域内选择合格的采样点；然后通过采集设计样点的硅藻样品，在实验室氧化处理去除硅藻有机质、酸化处理去除有机盐，得到可显微观察的硅质壳，经纯净水清洗三遍或以上次数，每次清洗后须静置6小时以上才去除上清液；接着用一次性吸管吸取清洗后的硅藻滴入载玻片，待样品干燥后预制硅藻玻片，进行初步检测，待检测合格后用折射率为1.7左右的胶体封片。最后鉴定装置对玻片样品进行硅藻个体鉴定和计数，并在系统中图像显示硅藻个体，对硅藻样本可拍照保存。生物分类与水质判定系统将鉴定的硅藻种类划分为不同的类群，甄别不同类型的指示种，同时系统依据多种数学模型计算各类硅藻指数，实现硅藻生物资源调查和生物水质监测功能。

所述培养装置包括天然基质和人工培养基质；人工基质为一种简易装置，基质要求质硬、不带泥砂无松软杂质，装置兼有水温和流速集成智能遥控传感器及配套信号无线发射器；天然基质包括岩石、卵石、砾石，移动基质常常掩蔽了大量硅藻群落，不能体现环境平衡，因此天然基质不能是移动或不稳定的；选择培养基质时优先考虑稳定的自然基质，在缺少天然坚硬基质的情况下，采用稳定的人工培养基质。

所述采集装置，应根据监测区域的环境特征，使用薄形刀片或刷子采集，在这过程中，必须严格进行清洁工作，避免样品被污染，所述设计采样点应光照充足，尽量设在河床中央，保证具有0.3~0.5米基本水深。

所述水生物实验处理装置，包括用于取样的一次性5ml移液管，20ml玻璃试管，以及对所述水生物进行有机质消化、酸化、清洗、干燥、制作玻片及镜检、封片的设备。

所述实验处理流程，包括使用高浓度氧化剂消化硅藻有机质，使用中等浓度的酸性溶液溶解消化后的硅藻钙物质，为使消化和酸化更加充分，宜在温度80~120℃下进行，消化时间控制在20小时左右，酸化时间控制在8小时左右；玻片的封胶要求折射率为1.7±0.03。所述消化和酸化环境可采用水浴锅中进行。

所述水生物鉴定装置，为正置显微镜与高分辨率显微专用数码相机，相机配置显微图像控制及分析软件，用于硅质壳的鉴定识别以及图像拍摄保存；所述正置显微镜具有双折射结构的高分辨率成像,便于观察硅质壳的立体结构；鉴定装置附属易耗品为香柏油、擦镜纸和封片胶，硅藻鉴定可人工计数和借助图像数据库由计算机智能识别计数，两者互补，观察计数时可通过“已”字形来移动鉴定装置的载物台。

所述生物分类与水质判定系统，为品牌计算机软件系统，系统内含有长期鉴定的物种资源库，用于划分所述生物的不同类群，并计算生物硅藻指数，完成水质监测。

所述生物分类采用德国生物学家克拉莫和贝尔塔罗的分类标准，所述水质判定根据不同层次的生物属性，有生物量子系统，多样性子系统，形态特征子系统，相似性分类子系统，指数子系统，生态类群子系统，多度量生态指标子系统。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：①能较好地反映出环境污染对硅藻的综合效应；②早期发现污染，及时预报；③成本低廉，可以大范围布点。

硅藻生物监测的具体优点可概括为以下几点。

1、硅藻对污染物敏感，能够保存企业排污的大概时间，从而弥补理化监测的不足，曝光企业偷排暗排的历史过程，能有效地威慑企业有钱也不治污的通病。

2、河流湖库富营养化问题严峻，需要以河流中的硅藻生物为安全前哨，它直接反映了水环境质量变化对生物的影响和危害程度，是一种直接而有效的手段，对饮水安全、水资源保护、水环境修复具有重要意义。

3、硅藻处于食物链的底层生物，相对鱼类等较高级生物，该生物可及时反应污染物的综合毒性效应及可能对环境产生的潜在威胁，掌握水环境质量，发现一般监测或理化监测所发现不了的环境问题，具有理化监测无可比拟的综合性、真实性和灵敏性。

附图说明

图1是本发明硅藻生物监测系统的结构流程图。

图2是本发明中采集装置的主要结构组成图。

图3是本发明硅藻实验处理装置的结构图。

图4是本发明硅藻鉴定、分类与水质判定系统结构图。

图5是本发明人工基质的结构示意图。

图中，1.培养基质，2.水体，3.河流湖泊，4.采集装置，5.处理装置，6.硅藻生物玻片，7.鉴定成像系统，8.正置显微镜，9.计算机系统，10.分类评价系统，11.托盘，12.刷子，13.喷水壶，14.试剂瓶，15.样本瓶，16.一次性移液管，17.恒温锅，18.恒温箱，19.玻璃试管，20.试管架，21.培养箱笼，22.浮体，23.传感线，24.信号采集及发射器，25.指示牌，26.不锈钢丝绳，27.扣锁，28.集成遥控传感器，29.连接器件，30.玻片样本。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

本发明提供一套完整的硅藻生物水质监测系统，系统集成了现代生物技术、图像识别技术与计算机软件系统；所述系统包括生物培养与采集装置4，水生物实验处理装置5，水生物鉴定装置7，生物分类与水质判定系统9。如附图1所示，在总体上分六个步骤。

（1）选择样点。根据水生态分区、森林覆盖率、人口密度、海拔，选定监测区域和对照区域，在区域内选择合格的采样点3。

（2）采样与保存。在采样点3选择合适的基质1，基质1一般在水体2深0.5~1.0米左右，不得小于0.3米，通过刷子12刷取基质1向阳面的硅藻样品，并用喷水壶13将刷取的样品喷水洗入托盘11中，加入终浓度50~70%的酒精或终浓度5~10%的甲醛溶液保存在样本瓶15中，并贴上标签编号。

（3）预处理。取样本瓶15，轻轻摇匀后用一次性移液管16吸取5毫升左右的硅藻样品，滴入玻璃试管19中，然后滴入5毫升中等浓度的氧化剂，放入恒温锅17加热氧化，去除硅藻有机质，氧化时间控制在14小时~18小时之间；氧化完成后清洗试样，然后酸化处理去除有机盐，在经纯净水清洗三遍或以上次数，每次清洗后须静置6小时以上才去除上清液，最后得到可显微观察的硅质壳。

（4）制片镜检封胶。接着用一次性吸管16吸取清洗后的硅藻滴入载玻片，将编号的载玻片放入恒温箱18中去除水分，待样品干燥后预制硅藻玻片30，利用显微镜8进行初步检测，待检测合格后用折射率为1.7左右的胶体封片。

（5）物种鉴定与计数。最后鉴定装置7对玻片样品30进行硅藻个体鉴定和计数，并在系统9中图像显示硅藻个体，对硅藻样本可拍照保存。

（6）水质判定评价。系统10将鉴定的硅藻种类划分为不同的类群，甄别不同类型的指示种，同时系统依据多种数学模型计算各类硅藻指数，实现硅藻生物资源调查和生物水质监测功能。

所述步骤（3）可细分为：一、取样，取样前要将硅藻样品摇匀，用一次性移液管16吸取5毫升左右的瓶内上部试样，滴入试管19中，试管标号放入试管架20；二、氧化，在试管19中加入中等浓度的双氧水或氧化剂替代品，在80~120℃环境下氧化16小时左右，若得到白色浑浊液，说明采样很成功，若白色中夹杂其他颜色，说明采样效果不好；三、清洗提纯，将氧化后的白色悬浊样品静置6小时左右后移除上清液，加入纯净水清洗后，按同样的方法移除杂质；四、酸化去除有机盐，上述样品加入约10毫升10%浓度的盐酸，试管按梅花型布置在试管架上，试管架置于恒温锅对样品加热，使酸化更充分；五、提纯，在经纯净水清洗三遍或以上次数，每次清洗后须静置6小时以上才去除上清液，最后得到可显微观察的硅质壳。

所述附生硅藻培养，有天然基质和人工基质，而人工基质推荐采用硅藻培养装置，所述培养装置包括水上浮体22，浮体22上端有螺栓接口，连接部门的监测指示牌25；下端焊接附生硅藻培养箱21，浮体22和箱笼25由连接器件29相接。培养箱25采用长方体吊笼，培养基质1按要求置入笼25内；硅藻培养装置上的扣锁27用不锈钢丝绳26连接到岸边3，并由锚具固定，以方便采样。硅藻采样时，将吊笼21内已自然培养1个月以上的硬质石头1取出，用刷子12将基质1中向阳面的附生硅藻刷入瓷盘11中，在取样时尽可能将基质1向阳表面硅藻刷入11中，并借助刷子12装入样本瓶15中，并用纯净水冲刷干净，确保刷取的硅藻样品都装入瓶15中，最后加入终浓度10%的酒精或甲醛试剂保存。根据水质监测的需要，可选择安装水温和流速集成智能遥控传感器28，在浮体22内安装信号采集及发射器等配套设施24，水温和流速通过无线遥控监测并无线传输至数据中心。

所述水质判定的指数子系统，推荐使用欧洲指数，指数采用Zelinka&Marvan数学模型计算得到，尤其推荐法国的特定污染敏感指数IPS和硅藻生物指数IBD。

Claims (5)

1.利用水生硅藻的水质生物监测系统，包括：

生物培养与采集装置，生物培养指天然水体中附生硅藻的自然生长或人工设备在自然水体中培养，采集装置用于采集并保存所述水生物，该水生物须在设计采样点；

水生物实验处理装置，用于取样的一次性5ml移液管，20ml玻璃试管，对所述水生物进行有机质消化、酸化、清洗、干燥制作玻片及镜检、封片的流程和设备；

水生物鉴定装置，正置显微镜与显微镜同品牌的高分辨率显微专用数码相机，配置显微图像控制及分析软件，用于硅质壳的鉴定识别以及图像拍摄保存；

生物分类与水质判定系统，将鉴定的物种纳入当地生物资源库，用于划分所述生物的不同类群，并计算生物硅藻指数。

2.根据权利要求1的生物培养与采集装置，根据监测区域的环特征，生物培养可选择人工基质或天然基质，基质要求较硬，一般取岩石和鹅卵石，可使用薄形刀片或刷子采集，在这过程中，必须严格进行清洁工作，避免样品被污染，所述设计采样点一般设置对照样点与监测样点，样点应光照充足，尽量设在河床中央，保证具有0.3~0.5米基本水深。

3.根据权利要求1的实验处理装置，使用高浓度氧化剂消化硅藻有机质，使用中等浓度的酸性溶液溶解消化后的硅藻钙物质，为使消化和酸化更加充分，宜在温度80~100℃下进行，消化时间控制在20小时左右，酸化时间控制在8小时左右；玻片的封胶要求折射率为1.7±0.03。

4.根据权利要求1的水生物鉴定装置,正置显微镜具有双折射结构的高分辨率成像,便于观察硅质壳的立体结构，鉴定装置附属易耗品为香柏油、擦镜纸和封片胶，硅藻鉴定可人工计数和借助图像数据库由计算机智能识别计数，两者互补，观察计数时可通过“已”字形来移动鉴定装置的载物台。

5.如权利1所述的生物分类与水质判定系统，其特征在于：所述生物采用德国生物学家克拉莫和贝尔塔罗的分类标准，水质评价判定根据不同层次的生物属性，有生物量子系统，多样性子系统，形态特征子系统，相似性分类子系统，功能团层次子系统，指数子系统，生态类群子系统，多度量生态指标子系统。