CN107064445A - 一种利用水生生物回避行为反应监测水质变化的在线水质预警监控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水环境监测技术领域且公开了一种利用水生生物回避行为反应监测水质变化的在线水质预警监控系统及方法，包括受试生物和生物行为传感器，所述受试生物放置于生物行为传感器内，所述生物行为传感器装有两组电极。本发明克服了理化分析不能够直接反映水质状况，尤其是未知化学物质的毒性，以及生物评估方法缺乏对于需要及时监测的突发性污染事故的实时监测和实时在线预警的缺陷，也克服了传统的水质理化分析和生物监测监预警结果滞后性的特点，实现了原位、在线和实时的在线生物监测，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预警监控作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用水生生物回避行为反应监测水质变化的在线水质预警监控系统及方法，属于水环境监测技术领域。
背景技术
水体污染事故近年来频繁发生，因而对水质的持续在线监测是非常必要的。为实现污染物快速准确监测的目的，获取水质安全事故发生发展过程的关键信息，我们需要符合管理需求的水质安全监测技术和预警体系。由于常规的水质在线理化检测技术在水体突发性污染事故在线监测方面的具有局限性, 而生物监测技术是通过生物传感器监测水体内受试水生生物不同水平上的生物学指标变化，可以进行实时连续监测，是在线理化监测技术的有益补充，所以监测水体中生物学指标变化的方法得以推广应用。
水生生物回避行为，是水生生物受到外界环境刺激而引起的短期的逃避行为，表现为剧烈的行为反应。环境中理化条件的恶化、水的变质、遭受敌害等等，都能让水生生物发生短期的转移与逃避。利用水生生物回避行为反应的特性可实现水质污染事故的早期预警。为此，我们提出一种利用水生生物回避行为反应监测水质变化的在线水质预警监控系统及方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题克服现有的缺陷，提供一种利用水生生物回避行为反应监测水质变化的在线水质预警监控系统及方法，可以有效解决背景技术中的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供一种利用水生生物回避行为反应监测水质变化的在线水质预警监控系统，包括受试生物和生物行为传感器，所述受试生物放置于生物行为传感器内，所述生物行为传感器装有两组电极，每组电极都由连接在信号采集装置上的信号发射电极和信号接收电极组成；信号发射电极给测试管内形成一个高频低压交流电场，当被监测的受试生物在侧试管内的运动导致低压电场发生变化以后，信号接收电极能够感应电场的变化，然后通过信号接收电极接收测试管内由信号发射电极形成的电信号变化，并经信号采集装置采集处理后，对应受试生物行为反应，得出在一定环境内暴露的生物多个运动行为参数的变化。
作为本发明的一种优选技术方案，所述受试生物为标准模式生物，以高频低压电信号生物行为传感器实时在线监测水生生物行为变化，可实现多通道连续实时、在线在位预警监控生物中毒早期症状。
作为本发明的一种优选技术方案，所述高频低压电信号生物行为传感器是通过生物行为传感器提取被监测水体内的受试生物行为信号中的特异性特征，以确定特征性行为与水质变化的联系。
一种利用水生生物回避行为反应监测水质变化的在线水质预警监控系统方法，其具体步骤包括：
1)受试生物选择与培养：
受试水生生物选择：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，作为受试水生生物使用；或出生后24～72小时(优选48小时)的标准模式生物幼体，直接作为受试水生生物使用；或被监测水源原生种在实验室内使用常规的标准水培养进化至少三代以上，将标其成熟体作为受试水生生物使用；或将标准模式生物成熟体作为受试水生生物使用；
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、溞类等，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虾、溞类以及脊椎动物的青鳉鱼、稀有鮈鲫和斑马鱼；
2）在被监测水体的流速为30L/小时，浊度小于10.0NTU，监测环境噪音低于50分贝，光照周期与自然光照一致的条件下，通过生物行为传感器监测受试生物的周期性的行为规律；
所述的受试生物的周期性的行为规律包括周期性呼吸运动或循环出现的典型行为活动(游动、摆动、翻转等)；
3）与标准的正常水体内同种受试生物的行为生态学变化曲线进行对照比较，并通过查分滤除及模式识别方法得到正常的行为变化，即得到被监测水源中该受试生物行为强度相对变化值；
本发明所达到的有益效果是：一种利用水生生物回避行为反应监测水质变化的在线水质预警监控系统及方法，克服了理化分析不能够直接反映水质状况，尤其是未知化学物质的毒性，以及生物评估方法缺乏对于需要及时监测的突发性污染事故的实时监测和实时在线预警的缺陷，也克服了传统的水质理化分析和生物监测监预警结果滞后性的特点，实现了原位、在线和实时的在线生物监测，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预警监控作用。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明的在线水质预警监控系统方法采用的生物行为传感器的示意图；
图2为在不同浓度的有机磷农药对硫磷胁迫下，回避行为的传感器中水生生物(青鳉鱼)的运动行为强度变化图；图中横坐标为暴露时间，单位是小时(h)，纵坐标为青鳉鱼行为强度；
图3为在监测水生生物回避行为的生物行为传感器中，无污染对照水体的水生生物运动行为变化图；图中横坐标为暴露时间，单位是小时(h)，纵坐标为青鳉鱼行为强度；
图4水生生物环境胁迫阈值模型，行为增强阶段即为回避行为开始阶段；
图5 为在污染物胁迫下水生生物回避行为反应趋势图，图中横坐标为暴露时间，纵坐标为水生生物行为变化趋势；
图中标号：1、信号发射电极；2、信号接收电极。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：请参阅图1-5，本发明一种利用水生生物回避行为反应监测水质变化的在线水质预警监控系统，包括受试生物和生物行为传感器，所述受试生物放置于生物行为传感器内，所述生物行为传感器装有两组电极，每组电极都由连接在信号采集装置上的信号发射电极1和信号接收电极2组成；信号发射电极1给测试管内形成一个高频低压交流电场，当被监测的受试生物在侧试管内的运动导致低压电场发生变化以后，信号接收电极2能够感应电场的变化，然后通过信号接收电极2接收测试管内由信号发射电极1形成的电信号变化，并经信号采集装置采集处理后，对应受试生物行为反应，得出在一定环境内暴露的生物多个运动行为参数的变化。
所述受试生物为标准模式生物，以高频低压电信号生物行为传感器实时在线监测水生生物行为变化，可实现多通道连续实时、在线在位预警监控生物中毒早期症状，所述高频低压电信号生物行为传感器是通过生物行为传感器提取被监测水体内的受试生物行为信号中的特异性特征，以确定特征性行为与水质变化的联系。
一种利用水生生物回避行为反应监测水质变化的在线水质预警监控系统方法，其具体步骤包括：
1) 受试生物选择与培养：
受试水生生物选择：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，作为受试水生生物使用；或出生后24～72小时(优选48小时)的标准模式生物幼体，直接作为受试水生生物使用；或被监测水源原生种在实验室内使用常规的标准水培养进化至少三代以上，将标其成熟体作为受试水生生物使用；或将标准模式生物成熟体作为受试水生生物使用；
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、溞类等，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虾、溞类以及脊椎动物的青鳉鱼、稀有鮈鲫和斑马鱼；
2）在被监测水体的流速为30L/小时，浊度小于10.0NTU，监测环境噪音低于50分贝，光照周期与自然光照一致的条件下，通过生物行为传感器监测受试生物的周期性的行为规律；
所述的受试生物的周期性的行为规律包括周期性呼吸运动或循环出现的典型行为活动(游动、摆动、翻转等)；
3）与标准的正常水体内同种受试生物的行为生态学变化曲线进行对照比较，并通过查分滤除及模式识别方法得到正常的行为变化，即得到被监测水源中该受试生物行为强度相对变化值；
需要说明的是，本发明为一种利用水生生物回避行为反应监测水质变化的在线水质预警监控系统及方法：
如图1所示，生物行为传感器设置两个监测区域，检测时，在两个监测区域中，一个监测区域中放受试生物，另一个监测区域中不放，这样两监测区域所感应到的信号差即是受试生物的行为变化，排除了外界环境的影响，确保检测精度。
每个监测区域中所使用的两对电极的结构一致，其中一对作为信号发射电极1，另一对作为信号接收电极2，电极呈圆弧形，贴合安装在监测区域的内壁上，并且电极覆盖除电极之间的空隙以外的整个监测区域内壁，这就使得电场分布均匀且更加灵敏，接收频率更广。
每个监测区域中一对电极连接高频低压电流（此为信号发射电极1），从而在管内形成一个低压电场；另一对电极连接信号采集器，为感应电极（此为信号接收电极2）。
进行监测时，在生物行为传感器内均放置3个受试生物(本实施例中选用3个月成熟青鳉鱼作为受试生物)，并将被监测水体(使用1TU有机磷对硫磷作为突发性的污染源)和对照水体分别通入本发明的在线水质预警监控系统方法的8通道生物行为传感器中（六通道为监测水体，两通道为对照水体）；水质监测起始时期，每个传感器内放置的青鳉鱼保持数量和个体大小的一致，青鳉鱼产生的行为强度相当；当被监测水体被污染后，青鳉鱼首先会通过行为调节的方式努力使自己适应受污染的环境，其回避行为作为水生生物对水环境污染所产生的首要行为变化，是对环境污染的第一反应，青鳉鱼主动避开受污染的水域，游向未受污染的清洁水区；青鳉鱼的运动行为变化导致测试管内接正旋低压交流电电极(信号发射电极1)形成的低压交流电场发生变化，被安装传感器中的信号接受电极2接收到以后，以电信号方式传输到信号采集装置，一组生物回避行为传感器形成的监测单元内，被监测水体内青鳉鱼运动行为变化形成的电信号与正常水体内青鳉鱼运动行为变化形成的电信号进行差分滤除，得到生物相对回避行为变化：
根据30分钟内收集到的8通道受试生物行为变化，设定如下行为变化及其临界数值：
每组生物回避行为传感器对照水体测试管内平均受试生物行为变化强度B；
每组生物回避行为传感器被监测污染水体测试管内受试生物平均行为变化强度Bc；
被监测水体导致的6组平行生物回避行为传感器中，平均受试生物行为变化强度Bc与B相比，差异超过一定程度的比例。
最近30分钟收集到的8组受试生物行为变化中，如果：
(Bc-B)/B＞30％，水质预警为红色警报，此时水质可能为严重污染；
(Bc-B)/B＞20％，且(Bc-B)/B＜30％水质预警为橙色预警，此时水质可能为轻度污染；
(Bc-B)/B≤20％，此时水质可能为安全。
除此以外，被监测水体水质在最近30分钟监测期间为正常水质，可视信号为水质安全。
如图2所示，在不同浓度的有机磷农药对硫磷胁迫下，生物行为传感器青鳉鱼的运动行为强度变化图；图中横坐标为暴露时间，单位是小时(h)，纵坐标为青鳉鱼行为强度。结果显示，青鳉鱼在被监测水体内的运动行为变化是逐渐降低的。
如图3所示的在监测水生生物回避行为的传感器中，无污染对照水体青鳉鱼的运动行为基本维持在同一行为强度。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种利用水生生物回避行为反应监测水质变化的在线水质预警监控系统，其特征在于：包括受试生物和生物行为传感器，所述受试生物放置于生物行为传感器内，所述生物行为传感器装有两组电极，每组电极都由连接在信号采集装置上的信号发射电极和信号接收电极组成；信号发射电极给测试管内形成一个高频低压交流电场，当被监测的受试生物在侧试管内的运动导致低压电场发生变化以后，信号接收电极能够感应电场的变化，然后通过信号接收电极接收测试管内由信号发射电极形成的电信号变化，并经信号采集装置采集处理后，对应受试生物行为反应，得出在一定环境内暴露的生物多个运动行为参数的变化。
2.根据权利要求1所述的一种利用水生生物回避行为反应监测水质变化的在线水质预警监控系统，其特征在于，所述受试生物为标准模式生物，以高频低压电信号生物行为传感器实时在线监测水生生物行为变化，可实现多通道连续实时、在线在位预警监控生物中毒早期症状。
3.根据权利要求1所述的一种利用水生生物回避行为反应监测水质变化的在线水质预警监控系统，其特征在于，所述的高频低压电信号生物行为传感器是通过生物行为传感器提取被监测水体内的受试生物行为信号中的特异性特征，以确定特征性行为与水质变化的联系。
4.一种利用水生生物回避行为反应监测水质变化的在线水质预警监控系统方法，其特征在于：其具体步骤包括：
1)受试生物选择与培养：
受试水生生物选择：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，作为受试水生生物使用；或出生后24～72小时(优选48小时)的标准模式生物幼体，直接作为受试水生生物使用；或被监测水源原生种在实验室内使用常规的标准水培养进化至少三代以上，将标其成熟体作为受试水生生物使用；或将标准模式生物成熟体作为受试水生生物使用；
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、溞类等，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虾、溞类以及脊椎动物的青鳉鱼、稀有鮈鲫和斑马鱼；
2）在被监测水体的流速为30L/小时，浊度小于10.0NTU，监测环境噪音低于50分贝，光照周期与自然光照一致的条件下，通过生物行为传感器监测受试生物的周期性的行为规律；
所述的受试生物的周期性的行为规律包括周期性呼吸运动或循环出现的典型行为活动(游动、摆动、翻转等)；
3）与标准的正常水体内同种受试生物的行为生态学变化曲线进行对照比较，并通过查分滤除及模式识别方法得到正常的行为变化，即得到被监测水源中该受试生物行为强度相对变化值。
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