CN114577785B - 一种水质毒性检测方法及系统 - Google Patents

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CN114577785B CN202210480267.XA CN202210480267A CN114577785B CN 114577785 B CN114577785 B CN 114577785B CN 202210480267 A CN202210480267 A CN 202210480267A CN 114577785 B CN114577785 B CN 114577785B
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Abstract

本发明涉及一种水质毒性检测方法及系统，采用发光细菌法，在培养瓶中接种发光细菌，所述水质毒性检测方法包括以下步骤：S1、待发光细菌复苏后，将菌液进样至测试管和对照管中，采集测试管的初始光强；S2、将待测水样和零样分别进样至测试管和对照管中并进行鼓泡处理，采集鼓泡后的测试管和对照管的光强；其中，零样为蒸馏水；S3、采集鼓泡处理之后反应15min的测试管和对照管的光强；S4、判断第一校正因子是否处于预设范围内；若是，则转至步骤S5；S5、利用第一校正因子对发光抑制率进行修正，得到发光抑制率；S6、利用发光抑制率来表征待测水样的毒性水平。本发明提升发光抑制率的计算精度，从而提升毒性检测的精度。

Description

一种水质毒性检测方法及系统
技术领域
本发明属于水质监测技术领域，具体涉及一种水质毒性检测方法及系统。
背景技术
发光细菌法作为在线生物毒性检测方法之一，被广泛应用在水质监测中。其中，发光细菌监测水质生物毒性的原理为：水样在一定时间和条件下与发光细菌接触后，发光细菌的发光强度与水样中毒性组分总浓度呈负相关关系，通过生物发光光度计测定水样与发光细菌接触15min后的发光抑制率来表征水样的急性毒性水平。
关于发光抑制率，国家标准GB/T 15441-1995及国际标准ISO11348-3公开了相应的计算方法；然而，由于发光细菌在15min内存在自然繁殖或死亡而非毒物作用导致的光强变化，以及向菌液中加入水样会影响光的折射率导致的光强变化，均会影响发光抑制率的计算精度，从而影响水质毒性的监测精度。
发明内容
基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种水质毒性检测方法及系统。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种水质毒性检测方法，采用发光细菌法，在培养瓶中接种发光细菌，所述水质毒性检测方法包括以下步骤：
S1、待发光细菌复苏后，将菌液进样至测试管和对照管中，采集测试管的初始光强，记为E 1；
S2、将待测水样和零样分别进样至测试管和对照管中并进行鼓泡处理，采集鼓泡后的测试管和对照管的光强，分别记为E 2和E 3；其中，零样为蒸馏水；
S3、采集鼓泡处理之后反应15min的测试管和对照管的光强，分别记为E 4和E 5；
S4、判断第一校正因子是否处于预设范围内，第一校正因子f=E 5/E 3；若是，则转至步骤S5；
S5、利用第一校正因子对发光抑制率进行修正，得到发光抑制率H：
Figure 830075DEST_PATH_IMAGE001
；
S6、利用发光抑制率来表征待测水样的毒性水平。
作为优选方案，所述步骤S5，还包括：
利用第二校正因子k对发光抑制率进行修正，得到修正后的发光抑制率H *：
Figure 925070DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，
Figure 515451DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 354094DEST_PATH_IMAGE004
分别为阴性测试中菌液进样至测试管的初始光强以及零样进样至测试管并鼓泡后的光强。
作为优选方案，所述步骤S4中，预设范围为0.6～1.8。
作为优选方案，所述步骤S6还包括：
根据毒物识别因子判断毒物的种类；其中，毒物识别因子β为：
Figure 244690DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 510586DEST_PATH_IMAGE006
为测试管中鼓泡处理之后反应53～67s范围内采集的光强。
作为优选方案，若毒物识别因子β为-1～1，则毒物为Zn2+；
若毒物识别因子β为6～9，则毒物为Hg2+。
作为优选方案，所述步骤S4中，若否，则重新复苏或添加培养液或更换发光细菌冻干粉，之后转至步骤S1。
作为优选方案，在水质毒性检测的采样间隔期间，将菌液进样至测试管或对照管并检测光强，若光强低于预设阈值时，培养瓶中自动添加培养液。
本发明还提供一种水质毒性检测系统，应用如上方案所述的水质毒性检测方法，所述水质毒性检测系统包括：
光强采集模块，用于采集测试管的初始光强，还用于采集鼓泡后的测试管和对照管的光强，还用于采集鼓泡处理之后反应15min的测试管和对照管的光强；
计算模块，用于计算第一校正因子；
判断模块，用于判断第一校正因子是否处于预设范围内；
修正模块，用于利用第一校正因子对发光抑制率进行修正；
表征模块，用于利用发光抑制率来表征待测水样的毒性水平。
作为优选方案，所述光强采集模块还用于采集阴性测试中菌液进样至测试管的初始光强以及零样进样至测试管并鼓泡后的光强，分别记为
Figure 588264DEST_PATH_IMAGE007
；
所述计算模块还用于计算第二校正因子k，
Figure 965018DEST_PATH_IMAGE003
；
所述修正模块还用于利用第二校正因子k对发光抑制率进行修正，得到修正后的发光抑制率H *：
Figure 710120DEST_PATH_IMAGE002
。
作为优选方案，所述光强采集模块还用于采集测试管中鼓泡处理之后反应53～67s范围内的光强，记为
Figure 146918DEST_PATH_IMAGE006
；
所述计算模块还用于计算毒物识别因子β：
Figure 711891DEST_PATH_IMAGE005
；
所述判断模块还用于根据毒物识别因子判断毒物的种类。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
（1）本发明利用第一校正因子，不仅实现发光细菌是否复苏的判断，还对发光抑制率进行修正，解决了由于发光细菌在15min内存在自然死亡而非毒物作用导致的光强减小的缺陷，提升发光抑制率的计算精度，从而提升毒性检测的精度；
（2）本发明利用第二校正因子，进一步对发光抑制率进行修正，解决了由于进样影响光的折射率导致的光强增大的缺陷，进一步提升发光抑制率的计算精度；
（3）本发明利用不同毒物导致菌液光强衰弱速率不同，从而利用毒物识别因子识别毒物的种类；
（4）本发明实现培养液的自动添加，发光细菌的寿命从7天延长至30天以上，实现水质毒性检测采样的连续性；
（5）本发明的发光细菌的培养温度由原来的4℃提升至10-12℃，降低功耗，减少菌液复苏时间。
附图说明
图1是本发明实施例1的水质毒性检测方法的流程图；
图2是本发明实施例1的水质毒性检测系统的构架图；
图3是本发明实施例1和实施例2的发光抑制率与样品浓度的线性拟合图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1：
本实施例的水质毒性检测方法，采用发光细菌法，在25mL培养瓶中接种发光细菌，利用培养瓶中的培养液对发光细菌进行培养，得到菌液。
如图1所示，本实施例的水质毒性检测方法，具体包括以下步骤：
S1、待发光细菌复苏后，将菌液进样至测试管和对照管中，采集测试管的初始光强，记为E 1；另外，还可采集对照管的初始光强，记为E 0。
S2、将待测水样和零样分别进样至测试管和对照管中并进行鼓泡处理，采集鼓泡后的测试管和对照管的光强，分别记为E 2和E 3；其中，零样为蒸馏水；
具体地，鼓泡处理有利于提升菌液与待测水样或零样的混合均匀，有利于提升水质毒性检测的精度。
S3、采集鼓泡处理之后反应15min的测试管和对照管的光强，分别记为E 4和E 5；
S4、判断第一校正因子是否处于预设范围内，第一校正因子f=E 5/E 3；若是，则转至步骤S5；若否，则重新复苏或添加培养液或更换发光细菌冻干粉，之后转至步骤S1。
其中，预设范围为0.6～1.8；另外，若第一校正因子处于预设范围之外，需要根据具体情况确定是重新复苏，或是添加培养液，或是更换发光细菌冻干粉；例如，如果是发光细菌变质，则需要更换发光细菌冻干粉（简称冻干粉）。
S5、利用第一校正因子和第二校正因子对发光抑制率进行修正，得到修正后的发光抑制率H *：
Figure 157916DEST_PATH_IMAGE002
。
具体地，考虑发光细菌自身随着时间存在生长或衰变，故在对照管中添加无毒性的零样（即蒸馏水），以鼓泡处理之后反应15min的对照管的光强E 5与刚添加零样的对照管的光强E 3作比值得到第一校正因子f，即f=E 5/E 3，以此修正待测水样测试时反应15min的期间内发光细菌自然生长或死亡造成的误差影响。
另外，本实施例还考虑到加入待测水样后会改变液体体积，影响光的折射率，故设计阴性测试，又称为零样测试，即以零样作为水样进行测试。具体地，采集阴性测试中菌液进样至测试管的初始光强
Figure 491946DEST_PATH_IMAGE008
以及零样进样至测试管并鼓泡后的光强
Figure 99645DEST_PATH_IMAGE009
，以光强
Figure 151914DEST_PATH_IMAGE009
与初始光强
Figure 401630DEST_PATH_IMAGE008
作比值得到第二校正因子k，即
Figure 590166DEST_PATH_IMAGE003
，以此修正水样测试中液体本身造成的误差影响。
S6、利用发光抑制率来表征待测水样的毒性水平。具体表征方式可以参考现有技术，在此不赘述。
基于本实施例的水质毒性检测方法，如图2所示，本实施例还提供水质毒性检测系统，包括光强采集模块、计算模块、判断模块、修正模块和表征模块。
具体地，待发光细菌复苏后，将菌液进样至测试管和对照管中，本实施例的光强采集模块用于采集测试管的初始光强，记为E 1；另外，还可用于采集对照管的初始光强，记为E 0。
将待测水样和零样分别进样至测试管和对照管中并进行鼓泡处理，本实施例的光强采集模块用于采集鼓泡后的测试管和对照管的光强，分别记为E 2和E 3；其中，零样为蒸馏水；
具体地，鼓泡处理有利于提升菌液与待测水样或零样的混合均匀，有利于提升水质毒性检测的精度。
本实施例的光强采集模块还用于采集鼓泡处理之后反应15min的测试管和对照管的光强，分别记为E 4和E 5；
考虑到发光细菌自身随着时间存在生长或衰变，故在对照管中添加无毒性的零样（即蒸馏水），以鼓泡处理之后反应15min的对照管的光强E 5与刚添加零样的对照管的光强E 3作比值得到第一校正因子f，即f=E 5/E 3，以此修正待测水样测试时反应15min的期间内发光细菌自然生长或死亡造成的误差影响。
另外，还考虑到加入待测水样后会改变液体体积，影响光的折射率，故设计阴性测试，又称为零样测试，即以零样作为水样进行测试。
具体地，本实施例的光强采集模块还用于采集阴性测试中菌液进样至测试管的初始光强
Figure 634345DEST_PATH_IMAGE008
以及零样进样至测试管并鼓泡后的光强
Figure 173911DEST_PATH_IMAGE009
，以光强
Figure 687370DEST_PATH_IMAGE009
与初始光强
Figure 995992DEST_PATH_IMAGE008
作比值得到第二校正因子k，即
Figure 211072DEST_PATH_IMAGE003
，以此修正水样测试中液体本身造成的误差影响。
本实施例的计算模块用于计算第一校正因子f和第二校正因子k。
本实施例的判断模块用于判断第一校正因子是否处于预设范围内；具体地，预设范围为0.6～1.8；另外，若第一校正因子处于预设范围之外，需要根据具体情况确定是重新复苏，或是添加培养液，或是更换发光细菌冻干粉；例如，如果是发光细菌变质，则需要更换发光细菌冻干粉。
本实施例的修正模块用于利用第一校正因子和第二校正因子对发光抑制率进行修正，得到修正后的发光抑制率H *：
Figure 237934DEST_PATH_IMAGE002
。
本实施例的表征模块用于利用修正后的发光抑制率来表征待测水样的毒性水平。具体表征方式可以参考现有技术，在此不赘述。
实施例2：
本实施例的水质毒性检测方法与实施例1的不同之处在于：仅利用第一校正因子对发光抑制率进行修正。
具体地，本实施例的水质毒性检测方法，包括以下步骤：
S01、待发光细菌复苏后，将菌液进样至测试管和对照管中，采集测试管的初始光强，记为E 1；另外，还可采集对照管的初始光强，记为E 0。
S02、将待测水样和零样分别进样至测试管和对照管中并进行鼓泡处理，采集鼓泡后的测试管和对照管的光强，分别记为E 2和E 3；其中，零样为蒸馏水；
具体地，鼓泡处理有利于提升菌液与待测水样或零样的混合均匀，有利于提升水质毒性检测的精度。
S03、采集鼓泡处理之后反应15min的测试管和对照管的光强，分别记为E 4和E 5；
S04、判断第一校正因子是否处于预设范围内，第一校正因子f=E 5/E 3；若是，则转至步骤S05；若否，则重新复苏或添加培养液或更换发光细菌冻干粉，之后转至步骤S01。
其中，预设范围为0.6～1.8；另外，若第一校正因子处于预设范围之外，需要根据具体情况确定是重新复苏，或是添加培养液，或是更换发光细菌冻干粉；例如，如果是发光细菌变质，则需要更换发光细菌冻干粉。
S05、利用第一校正因子对发光抑制率进行修正，得到发光抑制率H：
Figure 298294DEST_PATH_IMAGE010
。
具体地，考虑发光细菌自身随着时间存在生长或衰变，故在对照管中添加无毒性的零样（即蒸馏水），以鼓泡处理之后反应15min的对照管的光强E 5与刚添加零样的对照管的光强E 3作比值得到第一校正因子f，即f=E 5/E 3，以此修正待测水样测试时反应15min的期间内发光细菌自然生长或死亡造成的误差影响。
S06、利用发光抑制率来表征待测水样的毒性水平。具体表征方式可以参考现有技术，在此不赘述。
相应地，基于本实施例的水质毒性检测方法，本实施例的水质毒性检测系统与实施例1的构架相同，也包括光强采集模块、计算模块、判断模块、修正模块和表征模块，不同之处在于具体模块的功能有所减少。
具体地，待发光细菌复苏后，将菌液进样至测试管和对照管中，本实施例的光强采集模块用于采集测试管的初始光强，记为E 1；另外，还可用于采集对照管的初始光强，记为E 0。
将待测水样和零样分别进样至测试管和对照管中并进行鼓泡处理，本实施例的光强采集模块用于采集鼓泡后的测试管和对照管的光强，分别记为E 2和E 3；其中，零样为蒸馏水；
具体地，鼓泡处理有利于提升菌液与待测水样或零样的混合均匀，有利于提升水质毒性检测的精度。
本实施例的光强采集模块还用于采集鼓泡处理之后反应15min的测试管和对照管的光强，分别记为E 4和E 5；
考虑到发光细菌自身随着时间存在生长或衰变，故在对照管中添加无毒性的零样（即蒸馏水），以鼓泡处理之后反应15min的对照管的光强E 5与刚添加零样的对照管的光强E 3作比值得到第一校正因子f，即f=E 5/E 3，以此修正待测水样测试时反应15min的期间内发光细菌自然生长或死亡造成的误差影响。
本实施例的计算模块用于计算第一校正因子f。
本实施例的判断模块用于判断第一校正因子是否处于预设范围内；具体地，预设范围为0.6～1.8；另外，若第一校正因子处于预设范围之外，需要根据具体情况确定是重新复苏，或是添加培养液，或是更换发光细菌冻干粉；例如，如果是发光细菌变质，则需要更换发光细菌冻干粉。
本实施例的修正模块用于利用第一校正因子对发光抑制率进行修正，得到发光抑制率H：
Figure 461422DEST_PATH_IMAGE010
。
具体地，考虑发光细菌自身随着时间存在生长或衰变，故在对照管中添加无毒性的零样（即蒸馏水），以鼓泡处理之后反应15min的对照管的光强E 5与刚添加零样的对照管的光强E 3作比值得到第一校正因子f，即f=E 5/E 3，以此修正待测水样测试时反应15min的期间内发光细菌自然生长或死亡造成的误差影响。
本实施例的表征模块用于利用发光抑制率来表征待测水样的毒性水平。具体表征方式可以参考现有技术，在此不赘述。
以下对实施例1和实施例2的水质毒性检测方法的检测精度进行比对测试：通过在零样中添加不同浓度的ZnSO4，得到不同的待测样品，测试结果如表1所示。
表1 各阶段的光强以及发光抑制率
Figure 112983DEST_PATH_IMAGE011
根据国标可知，用 C表征样品浓度（mg/L），将H/(1-H)或H */(1-H *)与C 转换成自然对数或者以10为底的对数形式，采用最小二乘法回归，然后如下线性拟合：
Figure 361562DEST_PATH_IMAGE012
其中，a、b为线性拟合的系数；
最后得到发光抑制率与样品浓度（即毒物浓度）的拟合关系，实施例1计算的发光抑制率的拟合结果和实施例2计算的发光抑制率的拟合结果如图3所示，实施例1对应的线性拟合线性较好，R2=0.9998；实施例2对应的线性拟合线性相对较差，R2=0.9895。
另外，还对同一浓度的ZnSO4进行多次测试，如表2所示，可见实施例1的发光抑制率的修正相对于实施例2而言的稳定性更佳。
表2 各阶段的光强以及发光抑制率
Figure 225613DEST_PATH_IMAGE013
实施例3：
本实施例的水质毒性检测方法与实施例1或实施例2的不同之处在于：还根据毒物识别因子判断毒物的种类。
具体地，毒物识别因子β为：
Figure 774406DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 65710DEST_PATH_IMAGE014
为测试管中鼓泡处理之后反应53～67s范围内采集的光强。
若毒物识别因子β为-1～1，则毒物对应Zn2+，浓度范围为1～8mg/L；
若毒物识别因子β为6～9，则毒物对应Hg2+，浓度范围为0.8～1mg/L。
相应地，基于本实施例的水质毒性检测方法，本实施例的水质毒性检测系统与实施例1或2的不同之处在于：
光强采集模块还用于采集测试管中鼓泡处理之后反应53～67s范围内的光强
Figure 67164DEST_PATH_IMAGE014
；
计算模块还用于计算毒物识别因子β：
Figure 734906DEST_PATH_IMAGE005
；
判断模块还用于根据毒物识别因子判断毒物的种类；若毒物识别因子β为-1～1，则毒物为Zn2+，浓度范围为1～8mg/L；若毒物识别因子β为6～9，则毒物为Hg2+，浓度范围为0.8～1mg/L；
其他模块以及模块的功能可以参考实施例1或2。
实施例4：
本实施例的水质毒性检测方法与实施例1或实施例2或实施例3的不同之处在于：
在水质毒性检测的采样间隔期间（一般4小时测一个样），将菌液进样至测试管或对照管并检测光强，若光强低于预设阈值时，培养瓶中自动添加培养液，实现连续培养，发光细菌的寿命从7天延长至30天以上，实现水质毒性检测采样的连续性。具体地，光强衰弱导致通道切换，判断菌活性，当光强跌落至通道二时，往培养瓶中自动添加一定体积的培养液；
其他步骤可以参考实施例1或实施例2或实施例3。
相应地，本实施例的水质毒性检测系统与实施例1或实施例2或实施例3的不同之处在于：
光强采集模块还用于在水质毒性检测的采样间隔期间（一般4小时测一个样），当菌液进样至测试管或对照管，从而检测光强；
判断模块还用于判断光强是否低于预设阈值；
本实施例的水质毒性检测系统还包括培养液自动添加系统（可参考现有技术，在此不赘述）；当光强低于预设阈值，培养液自动添加系统往培养瓶中自动添加一定体积的培养液，实现连续培养，发光细菌的寿命从7天延长至30天以上，实现水质毒性检测采样的连续性；
其他模块以及模块的功能可以参考实施例1或实施例2或实施例3。
实施例5：
本实施例的水质毒性检测方法与实施例1或实施例2或实施例3或实施例4的不同之处在于：
发光细菌的培养温度由原来的4℃提升至10-12℃，降低功耗，减少菌液复苏时间；
其他步骤可以参考实施例1或实施例2或实施例3或实施例4。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种水质毒性检测方法，采用发光细菌法，在培养瓶中接种发光细菌，其特征在于，所述水质毒性检测方法包括以下步骤：
S1、待发光细菌复苏后，将菌液进样至测试管和对照管中，采集测试管的初始光强，记为E 1；
S2、将待测水样和零样分别进样至测试管和对照管中并进行鼓泡处理，采集鼓泡后的测试管和对照管的光强，分别记为E 2和E 3；其中，零样为蒸馏水；
S3、采集鼓泡处理之后反应15min的测试管和对照管的光强，分别记为E 4和E 5；
S4、判断第一校正因子是否处于预设范围内，第一校正因子f=E 5/E 3；若是，则转至步骤S5；
S5、利用第一校正因子f和第二校正因子k对发光抑制率进行修正，得到修正后的发光抑制率H *：
Figure 914364DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 114402DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 842186DEST_PATH_IMAGE003
分别为阴性测试中菌液进样至测试管的初始光强以及零样进样至测试管并鼓泡后的光强；
S6、利用发光抑制率来表征待测水样的毒性水平。
2.根据权利要求1所述的一种水质毒性检测方法，其特征在于，所述步骤S4中，预设范围为0.6～1.8。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种水质毒性检测方法，其特征在于，所述步骤S4中，若否，则重新复苏或添加培养液或更换发光细菌冻干粉，之后转至步骤S1。
4.根据权利要求1-2任一项所述的一种水质毒性检测方法，其特征在于，在水质毒性检测的采样间隔期间，将菌液进样至测试管或对照管并检测光强，若光强低于预设阈值时，培养瓶中自动添加培养液。
5.一种水质毒性检测系统，应用如权利要求1所述的水质毒性检测方法，其特征在于，所述水质毒性检测系统包括：
光强采集模块，用于采集测试管的初始光强，还用于采集鼓泡后的测试管和对照管的光强，还用于采集鼓泡处理之后反应15min的测试管和对照管的光强；还用于采集阴性测试中菌液进样至测试管的初始光强以及零样进样至测试管并鼓泡后的光强；
计算模块，用于计算第一校正因子和第二校正因子；
判断模块，用于判断第一校正因子是否处于预设范围内；
修正模块，用于利用第一校正因子和第二校正因子对发光抑制率进行修正；
表征模块，用于利用发光抑制率来表征待测水样的毒性水平。
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