CN1866000A - 利用鱼的活动电位变化监测水中有毒物质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用鱼的活动电位变化监测水中有毒物质的方法，包括如下步骤将需要监测的原水连续通入养鱼的水槽装置；由传感器采集水槽中的活动电位并传输给放大器、滤波器；由放大器和滤波器将信号进行放大和过滤，并将经过放大的鱼活动电位经过转换传送给数据处理装置；通过对数据处理装置的各项参数进行设定，由数据处理装置对信号进行分析处理、反馈、传输、存储，数据处理装置对水中有毒物质进行连续自动监测并依据自动报警、自动采样的活动电位值或活动量值进行自动报警。本发明方法具有快捷灵敏，是常规监测手段所无法达到的。在水体受到有毒物质污染时，可快速的进行预警，大大提高了监测预警水平，并且具有较大的社会效益。

Description

利用鱼的活动电位变化监测水中有毒物质的方法

所属技术领域：

本发明属于一种利用鱼的活动电位变化监测水中有毒物质的方法。

背景技术：

越来越多的突发性水污染给安全供水带来巨大威胁。作为饮用水水源的水体一旦受到有毒物质的污染，如果不能及时预警并采取措施其后果将是灾难性的！目前有毒物质污染水体后根本无法快速检测和及时预警，这将给社会带来巨大的隐患。而有毒物质的污染靠常规检测根本无法检出，即使采用先进的精密的检测仪器由于毒物的种类繁多且检测方法不同也无法快速检测更不用说预警了，而且这些检测是非现场检测，是在实验室内的设备完成的。至今我国还没有一种规范的较为科学完善的自动连续监测方法来快速监测、预警水源有毒物质污染。而利用生物尤其是低等生物对毒物的敏感性，并利用毒物对其生理、生态上作用出的相应的反应，一般可快速判断水质是否收到有毒物质污染，从而达到快速预警的目的。曾经尝试应用饲养低等简单的水生动物、水生植物、鱼等方法进行检测。这些方法中利用低等简单的生物如水溞等进行预警由于其过于敏感而常常误报警，而水生植物反应太慢，养鱼方法相对能够比较准确的反应水中污染情况，本发明人在2002年曾参考日本水道协会《上水试验方法》及《上水试验方法的解说》，在福州市自来水总公司通过一年多的试验，建立了《水中有毒物质的生物检测》方法及其工作标准。但该方法检测是靠人的视觉来观察，因此有无法连续检测和在夜间容易耽误时机的缺点，还有鱼类在中毒前期的一些迟钝反应也很容易被人为的忽略。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种能直接置于原水中现场检测鱼的活动电位变化来监测原水水质的方法，从而既利用了鱼类对毒物的敏感性，又能自动连续检测并准确自动预警、报警和采样。

本发明的目的是这样实现的，所述的利用鱼的活动电位变化监测水中有毒物质的方法，包括如下步骤1)将需要监测的原水连续通入养鱼的水槽装置；2)由传感器采集水槽中的活动电位并传输给放大器、滤波器；3)由放大器和滤波器将信号进行放大和过滤，并将经过放大的鱼活动电位经过转换传送给数据处理装置；4)通过对数据处理装置的各项参数进行设定，由数据处理装置对信号进行分析处理、反馈、传输、存储，并应用鱼在正常情况和各种毒物流入水中时活动电位的不同或单位时间内活动电位量或活动量不同，而设定自动报警、自动采样的活动电位值或活动量值，数据处理装置对水中有毒物质进行连续自动监测并依据自动报警、自动采样的活动电位值或活动量值进行自动报警。而传感器中的电极使用不锈钢丝制成。

检测之前首先对鱼种类和数量选择，选择原则是：在正常情况下，无论昼夜鱼的活动电位都应可测得且较稳定，一旦有毒物流入后活动电位反应要敏感，且较快达到鱼致死浓度。鱼太少得到的电位小，鱼太多不仅活动量变幅过大且饲养困难。通过试验我们最终选择体长5～15(cm)的鲫鱼或锦鲤10～15条。体长上选择是因为3cm以下的鱼得到的电位小，而15cm以上的大鱼活动和静止时的活动量变幅过大。鲫鱼和锦鲤对毒物敏感，而且在正常情况昼夜电位基本相同也较稳定，这两种鱼还易养易得价廉，因此选择。对水槽装置的鱼池容积和流速选择：池容积主要考虑空间恰好可供鱼游动自由。池太大传感器面积也大，接收干扰大，正常电位不稳。流速是考虑毒物流入池内其浓度是一个渐渐增大过程，流速太小达到鱼反应和致死浓度慢，耽误预警。流速太大造成鱼活动剧烈正常电位波动幅度太大。因此，流速和鱼池大小应一并考虑。我们选择容积30～50升，流速4～6升/分。所述的数据处理装置选择，成本最低的单片机可以选用，可惜无法存储数据。成本较高的PLC可编程控制器也可选用，但数据存储量有限。选择前两种数据处理装置可以适用于野外、临时应急监测。如果在前两种数据处理装置后再加一台微型计算机，即将经转换的信号同时传给微型计算机，利用开发的计算机软件，就可以满足数据存储和直观的对数据进行分析、处理。所述的自动报警、自动采样的活动电位值或活动量值采用水质异常的鱼“活动量”的预报警值和鱼类死亡“零活动量”的最终报警数值，水质异常的鱼“活动量”的预报警值和鱼类死亡“零活动量”的最终报警数值是根据试验结果设定的，由数据处理装置判定水质异常的鱼“活动量”的预报警值和鱼类死亡“零活动量”的最终报警数值自动及时进行预警、报警。现场报警或短程报警可采用灯光、声响进行预警、报警；远程报警采用各种通讯装置将信息传送到指定位置及装置，如用GSM系统将信息自动传送到移动电话或采用成本较高的GPRS实时远程接收信息。

本发明具有如下特点，应用鱼在特定的养鱼用的水槽中的活动电位监测水中有毒物质的方法快捷灵敏，是常规监测手段所无法达到的。因此本装置可广泛应用于卫生防疫、环保、自来水公司、自备小水厂等部门对水体的远程低成本自动监测和应急监测！在水体受到有毒物质污染时，可快速的进行预警，大大提高了监测预警水平，其所产生的社会效益将是很大的。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明的结构和工作原理及工作过程进行详细说明：

图1为本发明所用的水槽装置的结构示意图。

图2为本发明的工作流程图。

图3为本发明的传感器、隔离放大器、有源滤波器、数据处理装置、采样装置等的工作原理图。

图4为本发明的鱼正常的活动量的活动电位变化图。

图5为本发明的鱼正常的活动量的活动电位到毒性物流入时的活动量的活动电位变化图。

图6为本发明的鱼正常的活动量的活动电位到毒性物流入时的活动量的活动电位变化直至鱼死亡的活动电位图。

图中：水槽1、电极板2、参比电极板3、进水管4、出水管5。

具体实施方式：

如图1所示，本发明的水槽装置包括其内养有鱼的水槽1，具体结构为：所述的水槽材质用透明玻璃或透明有机玻璃，有效容积约50升，带有溢流装置。过水流量约4～6升/分，进水从进水管4进入水槽1一端，可经阻尼板(图中未画出)进入鱼池，也可再经阻尼板从水槽另一端的出水管5溢流。采样口与溢流装置的溢流出水口在同一端(见图1)。冬天在进水端可浸入一个加热器，确保水温在8℃以上。在水源水进入鱼池前，可先通过一个简单的过滤装置(图中未画出)，过滤装置可选择沙滤装置，避免水浊度太高时鱼活动异常和减少鱼池清洗次数。在水槽1中放置有采集活动电位的传感器，传感器由电极板2和参比电极板3组成，电极板的材质为透明有机玻璃，上面挖有小槽，小槽内埋有Φ0.5mm不绣钢丝作为电极。两片电极板分于水槽内壁两侧。如图2和图3所示，本发明还采用放大器、滤波器以及数据处理装置，数据处理装置包括单片机或PLC可编程控制器、报警装置，还可以有微型计算机组合，所用的计算机内装有《鱼活动电位连续监测系统》软件，这些硬件和软件一般技术人员均能实现的技术。本发明还有采样装置。现场报警或短程报警可采用黄灯和红灯配合声响进行预警、报警。远程报警采用GSM通讯装置将信息传送到指定移动电话或采用成本较高的GPRS实时远程接收信息。采样装置由采样泵和采样瓶组成。

本发明在检测时1)首先选择鱼种类和数量，选择原则是：在正常情况下，无论昼夜鱼的活动电位都应可测得且较稳定，一旦有毒物流入后电位反应要敏感，且较快达到鱼致死浓度。通过试验，我们最终选择体长5～10cm的鲫鱼或锦鲤10～15条之间的任一个数。体长上选择是因为3cm以下的鱼得到的电位小，而15cm以上的大鱼活动和静止时的活动量变幅过大。鱼太少得到的电位小，鱼太多不仅活动量变幅过大且饲养困难。试验中鲫鱼和锦鲤对毒物敏感，而且在正常情况昼夜电位基本相同也较稳定，这两种鱼还易养易得价廉，因此选择。2)选择鱼池容积和流速：我们选择容积60升，流速控制在4～6升/分之间。池容积主要考虑空间恰好可供鱼游动自由。池太大传感器面积也大，接收干扰大，正常电位不稳。流速是考虑毒物流入池内其浓度是一个渐渐增大过程，流速太小达到鱼反应和致死浓度慢，耽误预警。流速太大造成鱼活动剧烈正常电位波动幅度太大。因此，流速和鱼池大小应一并考虑。还要结合实际生产工艺中从源水进厂到水出厂所需的最短时间，以便有时间及时预警并处置，确保已受污染的水不出厂！3)确定鱼正常的活动量时的活动电位移动平均值：鱼活动电位是在其呼吸时鳃盖和口开闭时产生的，极其微弱(单位：微伏)，频率也很低。试验首先进行仪器调整，主要调整滤波器排除干扰和调整放大器放大倍数。先考察无鱼状态下无论高(300NTU)低(10NTU)浊度源水其电位都应接近为零(介于±10mv以内)。而后考察鱼放养后正常活动电位作为本底电位，采样频率20次/秒，其值约为放大后的20～60(mv)。同时把鱼的活动状态进行量化，我们采用移动平均值，每取样300次约15秒计算一次，其值正常状态约为放大后的20～60(mV)；我们还考察人为声响刺激电位变化；见图4。4)确定毒性物流入时的鱼活动电位移动平均值的变化状况，以及预警值和报警值：主要模拟不同类型农药流入情况。先到农村购买常用的农药，我们选择乐果、敌百虫、百草枯、敌敌畏等，而后查资料得到其在水中最高限值，并以此浓度流入。一般毒物流入如农药流入3～5分钟后目视可见鱼的行动开始混乱，仅敌百虫目视没有明显异常，但活动电位和移动平均值都明显开始增加并呈逐渐递增趋势，5～8分钟后鱼出现狂乱撞壁、翻转，活动电位和移动平均值直线上升并维持一段时间。10分钟后鱼开始翻肚，活动迟缓，仅偶尔狂串一下，但移动平均值呈下降趋势，一般13分钟后，鱼死亡，活动电位和移动平均值基本归零(介于±10mv以内)。图5-图6为以1(ug/L)投加敌百虫后在计算机软件上记录的情况(实线为活动电位瞬时值，灰线为移动平均值)，其中我们还对比了外界刺激偶发异常电位变化。5)预警：一方面应排除偶尔的活动量异常，避免误报警，如喂食、外界声响引起的电位升高。另一方面应对毒物流入后的电位异常反应敏感。试验中我们考察使用了多种参数，最终选择“移动平均值”。只要毒物流入后电位连续1分钟持续升高，“移动平均值”超过200(mv)，装置进行判定发出预报警(第一次警报：黄色警报预警信号)。并将预警信息通过GSM通讯装置传送到指定移动电话，采样装置的采样泵自动开始采第一批样品。6)报警：随着水中流入有毒物质浓度上升或鱼类中毒时间延长，鱼类发生死亡，活动电位和“移动平均值”接近归零(±10mv)。此时装置进行判定发出警报(第二次警报：红色警报报警信号)，并将警报通过通讯装置传送到指定位置，采样泵自动开始采第二批样品。

按照我们试验投加的农药浓度如百草枯20ug/L。流速4L/分钟，达到预报警时间是5分钟，实际流入量为400ug。百草枯对人的致死量为3克，这个量相当于喝了预报时的水7.5吨以上。因此，本装置对毒物的预警是非常敏感和有效的。

通过两次报警，我们就可对水源水中突发的有毒物质进行有效的检测。

上述应用鱼在正常情况和毒物流入水中时活动电位的不同，通过实验，设置好预报警值和报警值，就可以及时预警并采取措施，将危害降低到最低限度。对于预警值、报警值选用那个活动电位的活动量更合适可以通过实验选择，在《鱼活动电位连续监测系统》软件中，我们设计了多种活动量的参数，而且在实验过程中可以多参数同时显示以便于选择。在实际运作过程中，为使其具有更可靠的敏感性，除用常用农药实验外，还可将需监测的水体有可能受到的相关污染企业的污染物进行实验，观测其敏感度和反应浓度，并以此设定预警值、报警值等。这样可以使装置更可靠更灵敏。鱼活动电位连续监测系统一般技术人员均能设计出，软件中的预警值、报警值是通过上述的实验中得出，按需要可进行修改选择数值。

本发明的滤波器、放大器、数据处理装置和采样装置的具体工作原理为：滤波器采用有源滤波器、放大器采用带通隔离放大器、所述的数据处理装置选择，成本最低的单片机可以选用，可惜无法存储数据。成本较高的PLC可编程控制器也可选用，但数据存储量有限。选择前两种数据处理装置可以适用于野外、临时应急监测。如果在前两种数据处理装置后再加一台微型计算机，即将经转换的信号同时传给微型计算机，利用开发的计算机软件，就可以无限制存储数据和直观的对数据进行分析、处理。检测时首先由两块电极板采集水中的活动电位，而后由有源滤波器将无用的信号过滤掉，同时提取鱼活动电位频率的信号；提取出的电位传输给放大器。设计的放大器具有高增益、高灵敏、低噪声、低漂移、强抗干扰的隔离放大器组成。放大的信号经过数据处理装置的高速AD转换传送给单片机处理。单片机按设置的程序对信号进行自动分析处理、处置、反馈、传输等。还可通过数据处理装置的的串行口将信号实时传送给计算机。计算机利用自主开发的《鱼活动电位连续监测系统》软件或其它能实现功能的软件(软件的一个重要作用是进行多参数的实时计算及数据实时处理、数据实时存储、实时分析并使数据实时显示出来，此软件是一般技术人员均能实现的技术)将数据处理器传来的活动电位进行多参数的实时计算、实时存储、实时分析并实时显示出来。应用鱼在正常情况和毒物流入水中时活动电位的不同，根据试验结果设定的判定水质异常的“活动量”移动平均值的预报警值(黄色警报)和鱼类死亡“零活动量”的最终红色警报，就可以应用此预报警值和报警值到《鱼活动电位连续监测系统》软件中，由单片机或计算机通过报警装置自动及时进行预警、报警和采样装置采样并采取措施。将危害降低到最低限度。

Claims (10)

1、一种利用鱼的活动电位变化监测水中有毒物质的方法，包括如下步骤1)将需要监测的原水连续通入养鱼的水槽装置；2)由传感器采集水槽中的活动电位并传输给放大器、滤波器；3)由放大器和滤波器将信号进行放大和过滤，并将经过放大的鱼活动电位经过转换传送给数据处理装置；4)通过对数据处理装置的各项参数进行设定，由数据处理装置对信号进行分析处理、反馈、传输、存储，并应用鱼在正常情况和各种毒物流入水中时活动电位的不同或单位时间内活动电位量或活动量不同，而设定自动报警、自动采样的活动电位值或活动量值，数据处理装置对水中有毒物质进行连续自动监测并依据自动报警、自动采样的活动电位值或活动量值进行自动报警。

2、根据权利要求1所述的利用鱼的活动电位变化监测水中有毒物质的方法，其特征在于水槽装置中所养的鱼为体长5～15cm的鲫鱼或锦鲤，数量为10～15条。

3.根据权利要求1所述的利用鱼的活动电位变化监测水中有毒物质的方法，其特征在于水槽装置的容积为30～50升，流速为4～6升/分。

4.根据权利要求1所述的利用鱼的活动电位变化监测水中有毒物质的方法，其特征在于所述的数据处理装置包括单片机，用于对信号进行分析处理、反馈、传输。

5.根据权利要求1所述的利用鱼的活动电位变化监测水中有毒物质的方法，其特征在于所述的数据处理装置包括PLC可编程控制器，用于对信号进行分析处理、反馈、传输、存储。

6.根据权利要求1所述的利用鱼的活动电位变化监测水中有毒物质的方法，其特征在于所述的数据处理装置包括单片机或PLC可编程控制器和微型计算机组合，将经转换的信号同时传给微型计算机，利用相关软件，对数据进行存储和直观的对数据进行分析、处理。

7.根据权利要求1所述的利用鱼的活动电位变化监测水中有毒物质的方法，其特征在于自动报警、自动采样的活动电位值或活动量值采用水质异常的鱼“活动量”的预报警值和鱼类死亡“零活动量”的最终报警数值，数据处理装置根据试验结果设定的判定水质异常的鱼“活动量”的预报警值和鱼类死亡“零活动量”的最终报警数值，自动及时进行预警、报警。

8.根据权利要求1所述的原水有毒物质监测装置，其特征在于传感器中的电极使用不锈钢丝制成。

9.根据权利要求7所述的利用鱼的活动电位变化监测水中有毒物质的方法，其特征在于现场报警或短程报警采用灯光、声响进行预警、报警。

10.根据权利要求7所述的利用鱼的活动电位变化监测水中有毒物质的方法，其特征在于远程报警采用通讯装置将信息传送到指定位置及装置。

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