CN1343888A - 发光菌水质毒性监测传感装置 - Google Patents

Abstract

涉及一种利用水生生物对水生态环境毒性进行监测的装置。包括发光菌连续培养装置,可编程时间控制器、传感器探头、提升泵、恒流蠕动泵、光信号检测器和数据处理器。以发光细菌作为生物传感介质,根据检测其加入被测水样后整个过程的光信号强度变化的发光度动态曲线拟合指数,以确定所测水样的毒性等级。可用于现场、连续、原位、自动化监测,检测时间短,可广泛布放于近海海域、河口水域及排污口等环境政策中需严密监视的场所。

Description

发光菌水质毒性监测传感装置

(1)技术领域

本发明涉及一种利用水生生物对水生态环境毒性进行监测的装置。

(2)背景技术

随着工农业的发展和人类活动的日益增长，大量的有毒有害污染物被排放到湖泊、河流和海洋，对水生生态系统的生态平衡和生物体造成危害，给海洋环境造成越来越大的压力。常规化学分析法只能对人体中有限的污染物质进行监测，难以判断水体中各种污染物及它们之间相互作用对鱼类等水生生物的实际毒性。因此采用水生生物进行环境样品的毒性检验成为评价环境污染的必需手段之一。目前已有许多生物学方法用于水体毒性的综合性评价，水生生物毒性实验通常采用浮游生物、藻类和鱼的急慢性毒性测试，但由于实验时间长、费用高，不宜用作常规检验。其中鱼体毒性试验是最为直接的传统方法。因受试验用鱼和试验条件的限制，且试验周期长、操作繁琐，用鱼体毒性试验监测水体毒性很难满足标准化的要求。因此近年来倾向于发展一些快速、简便、经济的方法。发光菌毒性检验就是符合这些要求的毒性检验方法之一。发光菌毒性测试中应用最广泛的是海洋发光细菌(Photobacterium phosporum)，成套方法一般称为Microtox检验。近年该方法已列入我国《环境监测技术规范——生物监测(水环境部分)》检测项目。国家标准方法(GT/T15441-1995)发光菌毒性检验的检测方法是利用发光菌的相对发光强度进行检验，其检测的是发光菌加入水样后某个时间段的总发光度，需先测量一系列空白溶液和标准溶液，且测定过程中发光菌密度需保持一致，操作复杂、耗时和繁琐。并且由于对发光菌的培养问题的限制，方法的实施只能在实验室内进行。因此不可能将其用于现场连续、原位、自动化监测，极大地限制了该方法的应用范围和领域。国内外已有许多研究机构利用发光菌毒性检验在水环境监测上的优势尝试研制发光菌传感器用于现场连续、原位、自动化监测，但他们遇到的主要的两个问题是：

1)利用相对发光强度进行检测，传感器必需携带足够量的空白溶液和标准溶液，这对要求传感器能长时间监测而言是难于实现的。

2)发光菌的世代时间仅有一至二小时，如何保存发光菌的长期生长和稳定发光是一个棘手的难题。

(3)发明内容

本发明的目的旨在提供一种利用发光细菌作为生物传感介质，根据其受环境因素变化刺激后所产生的光信号强度的变化以对水生态环境毒性进行现场监测的发光菌水质毒性监测传感装置。

本发明包括发光菌连续培养装置，可编程时间控制器、传感器探头、提升泵、恒流蠕动泵及光信号检测器和数据处理器，发光菌连续培养装置由培养液贮备瓶及恒化器组成，培养液贮备瓶的瓶口设通气孔，通气孔内设空气过滤装置，贮备瓶设培养液出口，与恒化器的培养液入口相连通，恒化器的底部设取菌口，与恒流蠕动泵入口端连接；传感器探头为一带4个连接口的四通流动腔体，其中2个连接口分别为水样入口及废水出口，水样入口通过水管与提升泵输出端连接，用于抽取待测水样，一连接口为发光菌液注入口，由一细管连至恒流蠕动泵以将发光菌引入腔体，另一连接口置接光纤，光纤的另一端连接光信号检测器信号输入端用于将腔体内发光菌所产生的光信号经光纤引入检测器检测；提升泵及蠕动泵的控制端均连接至可编程时间控制器以控制其运转。光信号检测器的信号输出端与数据处理器的数据输入端连接，以对数据进行处理。

发光菌是一种非致病性海洋细菌，它具有发光能力。研究表明，当菌体内合成荧光酶、荧光素、长链脂肪酸醛时，在氧的参与下，发生生物化学反应，伴随着反应产生光。但这种发光过程易受外界条件的影响，凡是干扰或损害细菌呼吸或生理过程的任何因素都能使细菌发光强度发生变化。当有害物质与发光菌接触时，发光强度改变，并随着毒物浓度的增加而发光减弱。本发明提出了一种新的发光菌毒性力学测量方法，简化了发光菌毒性试验方法、减少了测量步骤和试剂种类、降低了发光菌的保存条件，解决了传感器用于现场原位在线监测的问题。其原理如下：

在发光菌与毒性物质接触的生物过程中，包含了很多不同的动力学步骤，但我们可以把各种毒性物质的总和用一种毒性物质来表达(通常将Hg作为毒性指标)，而个体细菌间的相互作用不影响整个动力学过程，因此反应的速率方程可表达为：

或r＝k[B][T]即发光菌衰减反应的速率r与[B]和[T]成正比。[B]为发光菌浓度，[T]是毒性物质浓度，k是反应的速率常数。对于所研究的流通池体系，V_T≥V_B毒性物质的浓度在反应前后是固定不变的。因此在测量过程中r∝[T]，相应的毒性物质浓度对应一个反应速率。

又有

其中：k_T＝k[T]，因此只需测量k_T就可反映毒性物质的浓度。

若用发光强度表达，因为

，发光菌浓度[B]可通过测量发光菌的光或I来测定，因此有： $\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=-k_T\mathrm{I\Λ\Λ}---\left(1\right)$ 对式(1)积分 $\∫\frac{d{I}_t}{I_t}=\∫-k_T\mathrm{dt\Λ\Λ}---\left(2\right)$ 求得微分方程的结果为：I_t＝I₀e^(-kTt)ΛΛ                                            (3)

因此通过测量I_t对t作图。反应的速率常数K_T可通过拟合曲线求出，从而测出[T]毒物浓度。k_T反映了毒性物质对发光菌的影响，是衡量待测毒物浓度的重要参数。因此在实验中我们只要测量一定量发光菌进入样品后其强度随时间变化的动力学曲线，通过数学拟合获得该动力学曲线指数，并由此判定水质的毒性浓度。根据发光菌法测定水质毒性的分级标准(表1)，在实验中对相应浓度的氯化汞溶液进行反复测试，以获得相应浓度下的动力学曲线指数，用统计学方法确定水质毒性的指数范围。测定实际样品时即可使用相同的方法先测出水样的动力学曲线指数，然后根据其所落入的指数范围确定该水样的毒性等级。

        表1  发光菌法测定水质毒性的分级标准毒性等级  Hg(mg/L)      毒性级别I         ＜0.07        低毒II        0.07～0.09    中毒III       0.09～0.12    重毒IV        0.12～0.16    高毒V         ＞0.16        剧毒

本发明利用发光菌水体毒性检测方法具有的综合性评价方面的优点，以发光细菌作为生物传感介质，根据其光信号强度的变化达到对水生态环境毒性进行现场监测的目的。由于通过本装置所获信息值即为水质毒性状态，灵敏度高，抗恶劣环境能力较强，可广泛布放于近海海域、河口水域及排污口等在环境政策中需严密监视的场所。本发明所依据的检测方法在原理上与国家标准方法(GT/T15441-1995)相同，但其检测的是发光菌加入水样后整个过程的发光度动态曲线的拟合指数，在检测过程中不需要测定空白与标准溶液，发光菌密度对测定影响较小，可用于现场、连续、原位、自动化监测，且检测时间短。

(4)附图说明

图1为本发明系统示意图。

图2为发光菌连续培养装置示意图。

图3为传感器探头示意图。

下面通过实施例对本发明做进一步说明。

(5)具体实施方式

参见图1，本发明包括发光菌连续培养装置1、可编程时间控制器3、传感器探头5、恒流蠕动泵2、提升泵4及光信号检测器6和数据处理器7，见图2，发光菌连接培养装置由培养液贮备瓶11及恒化器12组成，贮备瓶11的瓶口设通气孔111，通气孔111内置设棉球112作为空气过滤装置，贮备瓶11上培养液出口由管道13连接至恒化器12的培养液入口121，恒化器的底部设取菌口122，由管道14连至恒流里面蠕动泵2的入口端，恒化器12内装明亮发光菌菌液，培养液贮备瓶11体积可根据需要设定，一般为300～500ml(可供传感器使用一至二个月)，内装培养液，培养液配方如下：甘油1.0％，牛肉膏1.0％，蛋白胨2.0％，酵母膏0.3％，NaCl3.0％，CaCO₃ 0.5％，pH6.9。使用时，恒化器12中400μl的发光菌液被恒流蠕动泵2抽往传感器探头5用于测定，恒化器12中形成负压，使培养液贮备瓶11中的培养液以相同体积被移入恒化器12中，如此周而复始，传感器探头5可长期获得密度较高的发光菌液用于检测，而恒化器12中不断有旧的菌液流出，有新的新鲜培养液加入，使发光菌可长期保持在指数和稳定期的平衡生长状态和稳定的生长速率上。根据温度对发光菌生长的世代时间的影响和实际海水温度情况，一个循环周期为0.5～1小时，若需要增加检测频率和缩短周期，可以通过增加恒化器的体积来实现。见图3，传感器探头5主体为不锈钢材料制作的四通的流动腔体，光纤51的一端插入该腔体的一个连接口52，而光纤的另一端与光信号检测器6的光电倍增管窗相连接，用于将腔体内产生的发光信号经光纤引入光电倍增管检测；流动腔体的另两个连接口53、54分别与进水管531、出水管541联接，进水管531与一台提升泵4相联，用于抽取待测水样；腔体的另一连接口55为发光菌液注入口55，它通过一根细管551连至蠕动泵2将发光菌引入腔体。提升泵4、蠕动泵2均由可编程时间控制器3控制其自动运转。

光信号检测器6的光电倍增管接收发光菌通过光纤传输的信号，并通过信号放大器将信号放大，然后通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，再经计数积分模块将一定时间间隔的信号进行计数积分，最后，积分信号由计算机采样卡导入数据处理器7进行数据处理，将处理后的数据与预先测定的动力学曲线指数相比较，即可确定其毒性等级。光信号检测器采用上海上立分析仪器厂的生物发光检测仪；数据处理器为486计算机。

Claims (4)

1、发光菌水质毒性监测传感装置，其特征在于包括发光菌连续培养装置，可编程时间控制器、传感器探头、提升泵、恒流蠕动泵、光信号检测器和数据处理器，发光菌连续培养装置由培养液贮备瓶及恒化器组成，贮备瓶设培养液出口，与恒化器的培养液入口相连通，恒化器的底部设取菌口，与恒流蠕动泵入口端连接；传感器探头为一带4个连接口的四通流动腔体，其中2个连接口分别为水样入口及废水出口，水样入口与提升泵输出端连接，一连接口为发光菌液注入口，与恒流蠕动泵输出端相连，另一连接口置接光纤，光纤的另一端连接光信号检测器信号输入端，光信号检测器的信号输出端与数据处理器的数据输入端连接；提升泵及恒流蠕动泵的控制端连接可编程时间控制器。

2、如权利要求1所述的发光菌水质毒性监测传感装置，其特征在于贮备瓶的瓶口设通气孔。

3、如权利要求1和2所述的发光菌水质毒性监测传感装置，其特征在于贮备瓶瓶口的通气孔内设空气过滤装置。

4、如权利要求3所述的发光菌水质毒性监测传感装置，其特征在于所说的空气过滤装置为棉球。

Images