CN113390847A - 基于浮游藻类的水体综合毒性检测设备及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水体综合毒性检测技术领域，公开了一种基于浮游藻类的水体综合毒性检测设备及检测方法，利用精密顺序注射手段避免了系统交叉污染，同时提高了测量精度，降低了设备试剂损耗，减少设备后期维护频率；另外，该检测方法在毒性空白水样对比的基础上，增加了待测水样前测量对比组，避免了由于待测水样自身所含的浮游藻类的干扰因素，改善依靠浮游藻类测量毒性含量的固有缺陷，实现了水体综合毒性的精准检测。
Description
技术领域
本发明涉及水体综合毒性检测技术领域，具体涉及一种基于浮游藻类的水体综合毒性检测设备及检测方法。
背景技术
近年来水环境污染情况愈发复杂，重金属、有机毒物引起的污染事故频繁发生，引起了国内外对水质生态环境安全性的高度重视。有毒污染物判定及浓度分析等理化分析手段已经不能解决水质安全性评价的问题。由于水体中含有的污染物质千差万别，单一理化指标仅反映其中很少一部分物质的含量，无法对所有物质污染状况做出综合评价。
传统的水质指标如COD、氨氮、总氮、总磷等所表征的只是水体中某一种或某一类物质的含量水平，缺少反映水体毒性的综合指标。即使排放污水理化指标达标，依旧有可能对水生微生物产生毒害作用，甚至可能对受纳水体的水生态系统带来潜在风险。水生生物毒性监测技术是目前最能满足各种污染物对水环境综合影响的评价手段。
目前水体的毒性预警市场常见的是发光菌毒性分析法和藻类毒性分析法，但是目前应用的发光菌主要有明亮发光杆菌、费氏弧菌、青海弧菌。其中明亮发光杆菌、费氏弧菌为海洋发光菌，青海弧菌为淡水发光菌。但实际应用在地表水在线自动监测的发光菌综合毒性分析基本采用海洋发光菌费氏弧菌。不同菌种的测量体系(包括盐度、缓冲体系、反应时间)存在差异，对不同毒性化合物的毒性灵敏度及测试原理也有一定差异，各有优劣，目前对不同菌种发光性能测试缺少比对研究。
另外，针对发光菌的不稳定性以及藻类评价水体综合质量的本身优势，基于藻类毒性监测产品的后期发展更加的广阔，对后期评价水体的综合生态环境更具备说服力和真实性。相比于传统的活体生物受体，发光菌的确是不错的监测媒介。但细菌是易受影响体质，水体的微弱变化都有可能影响其活性，因此现场应用时经常出现误报假消息状况，严重影响其预警能力。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于浮游藻类的水体综合毒性检测设备及检测方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于浮游藻类的水体综合毒性检测设备，包括系统毒性检测模块和系统流路模块；
所述系统流路模块包括：
光学检测暗室，用于盛放空白水样、待测水样或者加入藻试剂的待测水样；
流路管道；
动力泵，设置在流路管道上，用于向光学检测暗室内输送待测水样或者将光学检测暗室内的待测水样排空，
试剂组件，内部存储有藻试剂；
清洗组件，内部存储有空白水样；
多通道切换阀，其输入端分别与试剂组件、清洗组件、流路管道连通，其输出端与光学检测暗室连通；用于控制试剂组件、清洗组件、流路管道，与光学检测暗室之间的连通关系；
所述系统毒性检测模块包括：
系统光源，用于发光，并通过光学传导介质将光入射至光学检测暗室内形成入射光；
光电探测组件，包括用于对光学检测暗室内的待测水样进行检测的探测面，所述探测面与入射光所在平面正交设置。
进一步地，所述系统光源所发出的光由矩阵式多波长单色光组成；所述矩阵式多波长单色光的波长能够对藻类进行荧光激发。
进一步地，所述矩阵式多波长单色光的波长范围为300nm～900nm。
进一步地，所述系统光源具有能够发出矩阵式激发光的矩阵式激发模式以及能够发出单点式激发光的单点式激发模式；所述矩阵式激发光用于检测待测水样自身所含的藻群落浓度分布，避免待测水样自身藻活性对毒性检测的干扰；所述单点式激发光能够采用快相激发方式和驰豫激发方式对加入藻试剂的待测水样进行激发，获得加入藻试剂待测水样的藻活性参数。
一种基于浮游藻类的水体综合毒性检测设备的检测方法，包括以下步骤：
步骤A：驱动动力泵将待测水样抽取至流路管道中，待测水样经过流路管道和多通道切换阀流入光学检测暗室中等待检测；
步骤B：切换系统光源至矩阵式激发模式，发出的矩阵式激发光通过光学传导介质入射到光学检测暗室，通过光电探测组件检测待测水样自身的藻群落浓度分布；
步骤C：向待测水样中注入藻试剂；切换系统光源至单点式激发模式，发出的单点式激发光通过光学传导介质入射到光学检测暗室，通过光电探测组件检测加入藻试剂待测水样的藻活性参数；
步骤D：将待测水样排空并注入空白水样；通过与步骤B、C相同的方式检测空白水样自身的藻群落浓度分布以及加入藻试剂后的藻活性参数；
步骤E：待测水样自身的藻群落浓度分布为基底，根据待测水样自身的藻群落浓度分布以及步骤C中注入藻试剂的量，计算出加入藻试剂待测水样中去除基底的实际藻含量，进而得到待测水样中的藻试剂活性参数；用以上同样的方法，得到空白水样中的藻试剂活性参数；
步骤F：对比待测水样和空白水样的藻试剂活性参数，根据预先建立的荧光动力学曲线计算出能够反映待测水样中生物生理状态的光合作用参数。
具体地，所述光合作用参数包括光合作用光化学量子产率、光化学效率、光合电子传导速率。
具体地，步骤F中建立荧光动力学曲线时包括以下步骤：
步骤F1：准备N份同样体积的去离子水的空白样；
步骤F2：在设定的浓度范围内，按梯度配置N-1阿特拉津标准溶液；
步骤F3：分别把等量且不同浓度的阿特拉津标准溶液加入到空白样中，形成一系列的实验样，并预留一份空白样；
步骤F4：向各实验样和一份空白样中分别加入等量藻试剂，依次形成实验待测样和空白待测样，且统称为待测样；
步骤F5：利用步骤A～D检测各待测样的藻活性参数；
步骤F6：根据各待测样的藻活性参数，绘制各待测样的荧光动力学曲线，进而可以得到反映藻生理状态的光合作用参数。
具体地，对比各实验待测样和空白待测样的荧光动力学曲线，结合光合作用参数的变化，能够以光合作用参数代替各实验待测样的荧光动力学曲线，反演出各待测样抑制藻光合活性的强弱关系。
为了进一步量化待测水样的综合毒性，根据步骤F2和F3得到各待测样的阿特拉津含量，得到阿特拉津含量的变化与光合作用参数变化的一一对应关系，即可反演出相对阿特拉津毒性剂量的水样综合毒性含量。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
(1)本发明中的检测设备，通过多通道切换阀连通流路管道、试剂组件、清洗组件，利用精密顺序注射手段避免了系统交叉污染，提高了测量精度，降低了设备试剂损耗，减少设备后期维护频率。
(2)弥补了现有发光菌水环境检测的不足，改善了依靠浮游藻类分析水体综合毒性的原有缺陷，从根本上消除外界环境的干扰因素，提高产品的精准度。
(3)本发明中的检测方法，在传统毒性空白样对比的基础上，对待测水样自身的藻群落浓度分布进行了检测，避免了待测水样自身所含的浮游藻类的干扰，实现了水体综合毒性的精准检测。
(4)流路管道两端分别与待测水样、多通道切换阀连通，通过动力泵能够实现待测水样进入光学检测暗室以及待测水样排出光学检测暗室；通过多通道切换阀控制藻试剂或者空白水样进入光学检测暗室，另外清洗组件中的空白水样还可作为清洗水对光学检测暗室进行清洗；本发明具备自动进样、自动清洗、自动排废功能，可满足实时在线水环境监测的应用需求。
附图说明
图1为本发明检测设备的示意框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
检测设备包括系统毒性检测模块1和系统流路模块2；所述系统毒性检测模块1包括上位机11、控制采集中心12、驱动电路13、系统光源14、光电探测组件16、信号处理器15；所述系统流路模块2包括：动力泵21、流路管道22、试剂组件23、清洗组件24、光学检测暗室25和多通道切换阀26。
基于上位机11设置，通过控制采集中心12控制系统流路模块2各组成部件进行动作，利用动力泵21结合流路管道22，实现待测水样的抽取和排空，再依靠多通道切换阀26切换空白水样、藻试剂、待测水样通道；所述多通道切换阀26流路出口与光学检测暗室25连接，可实现空白水样、待测水样、藻试剂进入光学检测暗室；其中空白水样可以作为清洗水。
所述系统毒性检测模块1具备对水体中浮游藻类生理状态检测的功能，上位机11通过协议与控制采集中心12连接并可对其参数写入；所述控制采集中心12的输出端与驱动电路13的输入端连接；驱动电路13的输出端与系统光源14的输入端连接，能够点亮系统光源。所述系统光源14通过光学传导介质17与光电探测组件16结合。所述光电探测组件16的探测面与系统光源的入射面呈立体垂直分布；所述光电探测组件16的输出端，经过信号处理器15输出端与控制采集中心12的输入端连接；所述上位机11的读取端与控制采集中心12的传输端互联，用于展示模型，输出测量结果。
所述系统光源14发出的光是由矩阵式多波长单色光组成的，波长范围从300nm到900nm，能够满足常见藻群落荧光激发需求；系统光源具备两种工作模式，分别为矩阵式激发模式和单点式激发模式。矩阵式激发光用于检测待测水样本身所含的藻群落浓度分布，避免待测水样自身藻活性对毒性测量的干扰。单点式激发光通过快相和驰豫两种激发方式激发加入藻试剂的待测水样，获得待测水样的藻活性参数。
检测方法包括以下步骤：
步骤A：将检测设备的各组成部件固定安装，通过上位机11启动人机交互界面，设置控制采集中心12控制系统流路模块1：驱动动力泵21、流路管道22完成待测水样抽取，抽取的待测水样经过流路管道22和多通道切换阀26流入光学检测暗室25中，等待检测；
步骤B：通过上位机11与控制采集中心12通讯，触发驱动电路13使系统光源14切换至矩阵式激发模式；系统光源所发出矩阵式激发光通过光学传导介质17入射到光学检测暗室25，光电探测组件16探测获取待测水样自身的藻群落浓度分布；
步骤C：控制多通道切换阀26，使试剂模块23的输入端与光学检测暗室25输入端连通，将藻试剂注入光学检测暗室25的待测水样中；通过上位机11与控制采集中心12通讯，触发驱动电路13点亮系统光源14，切换成单点式激发模式，通过内部激励机制使系统光源处于快相和驰豫两种激发方式；同样，系统光源发出的单点式激发光通过光学传导介质17入射到光学检测暗室25，光电探测组件16探测两种激发方式下藻试剂的荧光信号变化，再由信号处理器15进一步处理；
步骤D：通过与步骤B、C相同的方式，检测空白水样自身的藻群落浓度分布以及加入藻试剂后的藻活性参数，获得空白水样的荧光信号变化模型；
步骤E：待测水样自身藻群落浓度分布作为待测水样的藻浓度基底数值，在步骤C时可获得加入的藻试剂的量，可计算出加入藻试剂待测水样中去除基底的实际藻含量，得到待测水样藻试剂活性参数；用同样的方式得到空白水样藻试剂活性参数；
步骤F：对比待测水样和空白水样中藻试剂活性参数，借助预先建立的荧光动力学曲线进一步计算得到多种反映生物生理状态的光合作用参数；所述光合作用参数包括光合作用光化学量子产率、光化学效率、光合电子传导速率等。
建议荧光动力学曲线包括以下步骤：
步骤F1：准备一系列同样体积的去离子水的空白样；
步骤F2：配置梯度范围的阿特拉津标准溶液；
步骤F3：把等量的阿特拉津标准溶液加入到空白样中形成实验样，并预留一份空白样；
步骤F4：向各实验样和一份空白样中加入等量培养藻试剂溶液，形成待测样；
步骤F5：通过步骤A、B、C、D检测各待测样的藻活性参数；
步骤F6：基于各待测样的藻活性参数，绘制各自的荧光动力学曲线，进而获得反映藻生理状态的光合作用参数，比如荧光量子产率等；
步骤F7：对比各实验待测样和空白待测样的荧光动力学曲线，结合光合作用参数前后的变化，即可以光合作用参数变化量代替各荧光动力学曲线，进而可反演出各种待测水样抑制藻光合活性的强弱关系。
步骤F8：为了进一步量化综合毒性，可结合实验前预设毒性试剂—阿特拉津剂量，可获得阿特拉津毒性剂量的变化与相对光合作用参数变化的一一对应关系，即可反演相对阿特拉津剂量的综合水样毒性含量。
本发明利用精密顺序注射手段避免了系统交叉污染，同时提高了测量精度，降低了设备试剂损耗，减少设备后期维护频率；另外，该检测方法在毒性空白水样对比的基础上，增加了待测水样前测量对比组，避免了由于待测水样自身所含的浮游藻类的干扰因素，改善依靠浮游藻类测量毒性含量的固有缺陷，实现了水体综合毒性的精准检测。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种基于浮游藻类的水体综合毒性检测设备，其特征在于，包括系统毒性检测模块和系统流路模块；
所述系统流路模块包括：
光学检测暗室，用于盛放空白水样、待测水样或者加入藻试剂的待测水样；
流路管道；
动力泵，设置在流路管道上，用于向光学检测暗室内输送待测水样或者将光学检测暗室内的待测水样排空，
试剂组件，内部存储有藻试剂；
清洗组件，内部存储有空白水样；
多通道切换阀，其输入端分别与试剂组件、清洗组件、流路管道连通，其输出端与光学检测暗室连通；用于控制试剂组件、清洗组件、流路管道，与光学检测暗室之间的连通关系；
所述系统毒性检测模块包括：
系统光源，用于发光，并通过光学传导介质将光入射至光学检测暗室内形成入射光；
光电探测组件，包括用于对光学检测暗室内的待测水样进行检测的探测面，所述探测面与入射光所在平面正交设置。
2.根据权利要求1所述基于浮游藻类的水体综合毒性检测设备，其特征在于：所述系统光源所发出的光由矩阵式多波长单色光组成；所述矩阵式多波长单色光的波长能够对藻类进行荧光激发。
3.根据权利要求2所述基于浮游藻类的水体综合毒性检测设备，其特征在于：所述矩阵式多波长单色光的波长范围为300nm～900nm。
4.根据权利要求1所述基于浮游藻类的水体综合毒性检测设备，其特征在于：所述系统光源具有能够发出矩阵式激发光的矩阵式激发模式以及能够发出单点式激发光的单点式激发模式；所述矩阵式激发光用于检测待测水样自身所含的藻群落浓度分布，避免待测水样自身藻活性对毒性检测的干扰；所述单点式激发光能够采用快相激发方式和驰豫激发方式对加入藻试剂的待测水样进行激发，获得加入藻试剂待测水样的藻活性参数。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述基于浮游藻类的水体综合毒性检测设备的检测方法，包括以下步骤：
步骤A：驱动动力泵将待测水样抽取至流路管道中，待测水样经过流路管道和多通道切换阀流入光学检测暗室中等待检测；
步骤B：切换系统光源至矩阵式激发模式，发出的矩阵式激发光通过光学传导介质入射到光学检测暗室，通过光电探测组件检测待测水样自身的藻群落浓度分布；
步骤C：向待测水样中注入藻试剂；切换系统光源至单点式激发模式，发出的单点式激发光通过光学传导介质入射到光学检测暗室，通过光电探测组件检测加入藻试剂待测水样的藻活性参数；
步骤D：将待测水样排空并注入空白水样；通过与步骤B、C相同的方式检测空白水样自身的藻群落浓度分布以及加入藻试剂后的藻活性参数；
步骤E：待测水样自身的藻群落浓度分布为基底，根据待测水样自身的藻群落浓度分布以及步骤C中注入藻试剂的量，计算出加入藻试剂待测水样中去除基底的实际藻含量，进而得到待测水样中的藻试剂活性参数；用以上同样的方法，得到空白水样中的藻试剂活性参数；
步骤F：对比待测水样和空白水样的藻试剂活性参数，根据预先建立的荧光动力学曲线计算出能够反映待测水样中生物生理状态的光合作用参数。
6.根据权利要求4所述基于浮游藻类的水体综合毒性检测设备的检测方法，其特征在于：所述光合作用参数包括光合作用光化学量子产率、光化学效率、光合电子传导速率。
7.根据权利要求4所述基于浮游藻类的水体综合毒性检测设备的检测方法，其特征在于，步骤F中建立荧光动力学曲线时包括以下步骤：
步骤F1：准备N份同样体积的去离子水的空白样；
步骤F2：在设定的浓度范围内，按梯度配置N-1阿特拉津标准溶液；
步骤F3：分别把等量且不同浓度的阿特拉津标准溶液加入到空白样中，形成一系列的实验样，并预留一份空白样；
步骤F4：向各实验样和一份空白样中分别加入等量藻试剂，依次形成实验待测样和空白待测样，且统称为待测样；
步骤F5：利用步骤A～D检测各待测样的藻活性参数；
步骤F6：根据各待测样的藻活性参数，绘制各待测样的荧光动力学曲线，进而可以得到反映藻生理状态的光合作用参数。
8.根据权利要求7所述基于浮游藻类的水体综合毒性检测设备的检测方法，其特征在于：对比各实验待测样和空白待测样的荧光动力学曲线，结合光合作用参数的变化，能够以光合作用参数代替各实验待测样的荧光动力学曲线，反演出各待测样抑制藻光合活性的强弱关系。
9.根据权利要求8所述基于浮游藻类的水体综合毒性检测设备的检测方法，其特征在于，根据步骤F2和F3得到各待测样的阿特拉津含量，得到阿特拉津含量的变化与光合作用参数变化的一一对应关系，即可反演出相对阿特拉津毒性剂量的待测水样综合毒性含量。
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2021
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