专利名称：一种水质在线生物安全预警方法
技术领域：
本发明属于环境监测与水体污染控制技术领域，具体地说是涉及一种以差分滤除和三维空间技术监测水生生物行为生态学变化为基础的水质在线生物安全预警方法。
背景技术：
各种突发性事故以及化工厂的不正常运行都会导致不可预知的水体污染事故。因此，对水体污染的持续在线监测是非常必要的。在线生物监测技术是顺应水质评价的需要而逐渐发展起来的一项技术。迄今为止，应用于水质在线监测的技术主要为在线理/化分析，应用生物指示物进行的在线水质监测预警技术尚处于探索阶段。目前，世界上已经出现了一些水质在线监测系统，如Microtox毒性测试系统、平面摄像监测系统以及MFB监测系统等。Microtox毒性测试系统只能在关键点进行定期监测，不能实现水体的实时监测；平面摄像系统可以通过实时记录生物在一个平面内的行为变化，但缺乏三维空间变化，不能涵盖生物行为生态学变化的规律特点；MFB监测系统能够通过监测生物行为规律性变化达到在线监测的目的，但不能够准确反映不同时期受试生物的运动行为变化。因此，在传统方法难以达到在线环境监测要求的情况下，迫切需要发展安全、高效、经济的水体预警方法。
行为是指生物对外界环境和内部环境变化的外在反应，它并不仅仅局限于生物的跑、游、爬、以及其他方式的位置移动，也包括进食、求偶甚至呼吸时的运动。刺激是动物行为产生的必要条件。在大多数情况下，外界环境条件的变化都可以成为刺激，作为行为产生的原因，刺激既有内部的，也由外界的。但是，无论哪一种行为的产生都有相似的基本过程，如图1所示，当环境刺激作用于感受器，会引起神经冲动，神经冲动沿着传入神经传达到神经中枢，通过中枢内的神经联系，再经传出神经传达到感应器，引起行为反应，这就是行为反应产生的简单模式。因此，行为反应是生物各种生理现象在外部出现的综合结果。
水生生物暴露于受污染水环境以后，通过自身行为机制的调节，短期内保持体内环境的稳定，并逐步适应环境，在很大程度上避免污染水环境对身体造成急性损伤。逃避行为是指生物通过增加运动行为强度，试图主动避开受污染水环境的行为。逃避行为作为水生生物对水环境污染所产生的第一层次行为变化，是对环境污染的第一反应，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作用。另外，生物游动的速率，身体摆动频率，一定时间内呼吸、身体翻转以及“C”型运动(若存在)的次数等都会因为环境污染压力的存在而发生变化。
如图2的水生生物大型蚤的逐级压力行为模型(Stepwise Stress Model，SSM)中所示，水生生物在各种浓度的农药化学品内暴露时间与行为生态变化的关系、行为生态变化的规律以及大型蚤的行为方式，可以把暴露时间自始至终划分为t1，t2，t3，t4和t5这5个时间段。其中，t1时间段是大型蚤从清洁水环境进入污染环境以后的一段运动行为强度逐渐增强的过程，在t1时间内，生物的运动行为是一种努力逃避污染水环境过程，并不断进行适应的适应性行为变化；t2时间段是生物运动行为改变后，强度达到极值以后的维持阶段，此时段生物行为表现为强度最大的“逃避行为”；t3时间段出现环境内污染物给生物生存造成的“第一压力阈(Threshold One)”，经历过t3时间段的暴露以后，生物会经历“第二压力阈(Threshold Two)”。如果在生物体内积累的污染物质浓度达到了致死浓度(Lethal Concentration，LC)，会逐渐进入t4时间段；未达到LC，进入t5时间段。由SSM可以看出t1+t2时间段为水生生物适应新环境的“适应期”，在这段时间内表现的生物运动强度逐渐增强至稳定值的过程实际上应该是生物通过行为机制和生理机能的调节来逐渐适应新环境而导致的行为生态的变化。
发明内容
本发明的目的在于克服传统水质在线监测方法只能在关键点进行定期监测、不能实现水体的实时监测的缺陷，从而提供一种以差分滤除和三维空间技术监测水生生物行为生态学变化为基础的，可实时、在线和在位监测的、安全、高效、经济的水质在线生物安全预警方法。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的本发明提供的水质在线生物安全预警方法，以预选具有运动行为的多样性的受试水生生物为指示物，以差分滤除和三维空间技术在线监测这些水生生物在达到第一压力阈值之前(即t1+t2)的行为变化，从而对水环境生态系统质量进行综合性评价，实现对水质的安全生物安全预警，即通过这些水生生物的行为变化或生理反应来表明水质状况。
对生物行为变化进行差分滤除是通过将被监测水体内的受试生物行为生态学绝对变化与对照组内生物行为变化进行差分比较，得到生物相对行为生态学变化的过程。
对生物行为变化进行的三维空间监测是借助于数字摄像技术，对三维空间水体内受试生物进行多点跟踪，自动记录、汇总受试生物的运动行为轨迹，得出在一定环境内暴露的生物多个运动行为参数的变化，包括生物游动的速率，身体摆动频率，一定时间内呼吸、身体翻转以及“C”型运动(若存在)的次数等。
本发明提供的水质在线生物安全预警方法，具体步骤包括1)选择与培养受试生物选择出生后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，作为受试生物使用；或是选择出生后24～72小时(优选48小时)的被监测水源标准模式生物的水生生物幼体，直接作为受试生物使用；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、蚤类等，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日本沼虾、大型蚤以及脊椎动物的日本鲭鳉、稀有鮈鲫和斑马鱼；2)在被监测水体的流速为30米/小时，浊度小于8.0NTU，监测间噪音低于50分贝，光照周期与自然光照一致的条件下，通过生物传感器监测受试生物的周期性的行为规律；所述的生物传感器由两对电极组成其中一对产生低压交流电，给被监测水体形成一个电场；另外一对为感应电极，感应受试生物行为运动变化带来的电场变化，不同的行为强度可以产生不同的电信号强度；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(泳动、摆动、翻转等)；3)经过傅立叶转换将步骤2)收集的受试生物行为变化的电信号按照不同频率进行分解，得到一个从0Hz到10Hz的频率变化曲线，并以可视信号进行显示；4)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，并差分滤除正常的行为变化，即得到被监测水源中该受试生物不同频率行为的行为强度相对变化值；5)通过三维空间监测技术，借助于数字摄像技术，对三维空间的被监测水体内的受试生物的各种周期性的行为进行多点跟踪、实时监测、自动记录，同时获得受试生物游动的速率，身体摆动频率，一定时间内呼吸、身体翻转以及“C”型运动的次数等行为生态学指标的变化，汇总这些受试生物的运动行为轨迹，得出在一定环境内暴露的生物多个运动行为参数的变化；在水体中的突发性污染会导致受试生物在短时间内的游动速率、摆动频率、呼吸次数、身体翻转次数和“C”型运动的次数剧烈增加，然后逐渐降低；根据这些不同指标的综合分析评估，可以获知水体突发性污染事故的综合危害程度。
本发明提供的水质在线安全预警方法的原理是水生生物的行为变化可以通过周期性的行为规律进行表征，如周期性呼吸运动或循环出现的典型行为活动(泳动、摆动、翻转等)。水体内生物行为生态学变化可以通过生物传感器引起外加低压交流电产生的电场发生变化，产生不同的电信号强度，经过傅立叶转换以后，变化的行为电信号按照不同频率进行分解，得到一个从0Hz到10Hz的频率变化曲线。在水体污染或其它水体负荷期间，受试生物的行为生态学变化具有规律性(如图2所示)。因此，通过将在一定环境污染压力下水生生物行为生态学变化(如图3所示)与正常水体内生物行为生态学变化(如图4所示)进行对照比较，并差分滤除正常的行为变化，就会得到一定环境压力下生物运动行为生态学的相对变化(如图5所示)。在受污染水体内(低于致死剂量)，生物的运动行为强度会在短时间内增强，然后急剧降低。本发明通过生物特征行为变化的对比，明确生物基于污染环境下的运动行为强度变化。对生物行为生态学变化实现差分滤除得到生物行为强度绝对变化的同时，通过对生物在多点空间内行为生态学各个指标的实时监测，可以同时获得生物游动的速率，身体摆动频率，一定时间内呼吸、身体翻转以及“C”型运动(若存在)的次数等行为生态学指标，根据这些不同指标的综合分析评估，可以实现对水质突发性变化的早期预警，控制水环境质量，并降低突发性污染水体对社会的危害。
本发明提供的水质在线安全预警方法选用受试生物时，无论是进化三代以后的原生种还是标准种，都需要选择出生后24～72小时(优选48小时)的幼体进行，是因为低于24小时的受试生物对外界变化极其敏感，而高于72小时的生物对环境的敏感度又有所下降。经过多次试验结果证明，出生后48小时的受试生物最合适。
本发明提供的水质在线安全预警方法适用于在线流水水质监测，特别适用于在线生物监测以及天然水体或饮用水突发性污染事故的生物安全预警。
与现有的在线理/化水质分析和其它水质生物监测技术不同，本发明是一种新的在线生物安全预警对有毒有机污染物进行实时环境监测的方法，所用的在线监测方法简单，在实现水质安全预警的同时不对被监测水环境形成污染。同时，由于基于水生生物行为变化的水质在线生物安全预警方法对水体的总体质量进行实时、在线、在位监测，可以实现对水质突发性变化的早期预警，控制水环境质量，并降低突发性污染水体对社会的危害。
图1为生物行为产生的基本过程的示意图；图2为水生生物逐级压力的行为模型(Stepwise Stress Model，SSM)；图3为在0.45ppm的有机磷农药敌百虫胁迫下，48小时内大型蚤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)，纵坐标为大型蚤不同频率的行为强度；图4为大型蚤在标准水体内的运动行为强度变化；图中横坐标为暴露时间，单位是小时(h)，纵坐标为大型蚤不同频率的行为强度；图5以标准水为对照，经过生物行为差分滤除以后，含0.45ppm的有机磷农药敌百虫水体为被监测水体组成的一个监测单元内大型蚤的行为对照、评估结果；图中横坐标为暴露时间，单位是小时(h)，纵坐标为大型蚤不同频率的行为强度。
具体实施例方式
实施例1、使用本发明提供的方法对有机磷污染水源进行在线生物安全预警方法本实施例中选用出生后48小时的大型蚤幼体作为受试生物，监测其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(泳动、摆动、翻转等)变化。将生物传感器的两对电极之一产生低压交流电，给被监测水体形成一个电场；另外一对为感应电极，感应大型蚤幼体行为运动变化带来的电场变化，不同的行为强度可以产生不同的电信号强度。水体的监测条件为被监测水体的流速为30米/小时，浊度小于8.0NTU，监测间噪音低于50分贝，光照周期与自然光照一致。使用0.45ppm有机磷敌百虫作为突发性的污染源。
经过傅立叶转换将大型蚤幼体的行为变化的电信号按照不同频率进行分解，得到一个从0Hz到10Hz的频率变化曲线，并以可视信号进行显示。
如图3所示的48小时内大型蚤的运动行为强度变化图，在0.45ppm的有机磷农药胁迫下，大型蚤在经历初期的行为强度剧烈上升的过程以后，又经历了强度的剧烈下降。
图4为大型蚤在标准水体内的运动行为强度变化；图中横坐标为暴露时间，单位是小时(h)，纵坐标为大型蚤不同频率的行为强度；大型蚤在标准水体内的行为强度基本保持不变。与该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，并差分滤除正常的行为变化，即得到被监测水源中该受试生物不同频率行为的行为强度相对变化值。如图5所示，经过生物行为差分滤除以后，含0.45ppm的有机磷农药敌百虫水体为被监测水体组成的一个监测单元内大型蚤的行为对照、评估结果为刚刚暴露于一定浓度的有机磷环境时，大型蚤的运动行为强度明显的高于在标准水体内的正常运动行为强度，主要为生物的逃避行为。
在没有污染时，大型蚤的平均游动速率为2.2毫米/秒，摆动4.2次/秒，身体翻转0.0次/秒。当水体被突发性污染(0.45ppm有机磷敌百虫)后，大型蚤在1小时、4小时、12小时、24小时、48小时的平均游动速率，摆动，身体翻转等指标的变化列于表1，大型蚤的主要行为学指标的变化趋势完全符合图2的SSM。
表1、大型蚤主要行为学指标的变化
根据在受污染水体内(低于致死剂量)，生物的运动行为强度会在短时间内增强，然后急剧降低的普遍现象，本发明通过生物特征行为变化的对比，明确生物基于污染环境下的运动行为强度变化，实现对水质突发性变化的早期预警，控制水环境质量，并降低突发性污染水体对社会的危害。
权利要求
1.一种水质在线生物安全预警方法，以预选具有运动行为的多样性的受试水生生物为指示物，以差分滤除和三维空间技术在线监测这些水生生物在达到第一压力阈值之前的行为变化，从而对水环境生态系统质量进行综合性评价，实现对水质的安全生物安全预警，即通过这些水生生物的行为变化或生理反应来表明水质状况。
2.如权利要求1所述的水质在线生物安全预警方法，其特征在于所述的差分滤除是通过将被监测水体内的受试生物行为生态学绝对变化与对照组内生物行为变化进行差分比较，得到生物相对行为生态学变化的过程。
3.如权利要求1所述的水质在线生物安全预警方法，其特征在于所述的三维空间技术是借助于数字摄像技术，对三维空间水体内受试生物进行多点跟踪，自动记录、汇总受试生物的运动行为轨迹，得出在一定环境内暴露的生物多个运动行为参数的变化。
4.如权利要求1所述的水质在线生物安全预警方法，其具体步骤包括1)选择与培养受试生物选择出生后24～72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，作为受试生物使用；或是选择出生后24～72小时的被监测水源标准模式生物的水生生物幼体，直接作为受试生物使用；2)在被监测水体的流速为30米/小时，浊度小于8.0NTU，监测间噪音低于50分贝，光照周期与自然光照一致的条件下，通过生物传感器监测受试生物的周期性的行为规律；所述的生物传感器由两对电极组成其中一对产生低压交流电，给被监测水体形成一个电场；另外一对为感应电极，感应受试生物行为运动变化带来的电场变化，不同的行为强度可以产生不同的电信号强度；3)经过傅立叶转换将步骤2)收集的受试生物行为变化的电信号按照不同频率进行分解，得到一个从0Hz到10Hz的频率变化曲线，并以可视信号进行显示；4)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，并差分滤除正常的行为变化，即得到被监测水源中该受试生物不同频率行为的行为强度相对变化值；5)通过三维空间监测技术，借助于数字摄像技术，对三维空间的被监测水体内的受试生物的各种周期性的行为进行多点跟踪、实时监测、自动记录，同时获得受试生物行为生态学指标的变化，汇总这些受试生物的运动行为轨迹，得出在一定环境内暴露的生物多个运动行为参数的变化；根据这些不同指标的综合分析评估，可以获知水体突发性污染事故的综合危害程度。
5.如权利要求4所述的水质在线生物安全预警方法，其特征在于所述步骤1)中选择的被监测水源原生种的水生生物幼体为出生后48小时的幼体。
6.如权利要求4所述的水质在线生物安全预警方法，其特征在于所述步骤1)中选择的被监测水源标准模式生物的水生生物幼体为出生后48小时的幼体。
7.如权利要求4所述的水质在线生物安全预警方法，其特征在于所述步骤1)的被监测水源原生种包括水生无脊椎动物和脊椎动物。
8.如权利要求7所述的水质在线生物安全预警方法，其特征在于所述的无脊椎动物为虾或蚤类，所述的脊椎动物为成体体长为4厘米的鱼类。
9.如权利要求4所述的水质在线生物安全预警方法，其特征在于所述步骤1)的被监测水源标准模式生物为日本沼虾、大型蚤、日本鲭鳉、稀有鮈鲫或斑马鱼。
10.如权利要求4所述的水质在线生物安全预警方法，其特征在于所述步骤2)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。
全文摘要
本发明涉及一种水质在线生物安全预警方法，以预选具有运动行为的多样性的受试水生生物为指示物，以差分滤除和三维空间技术在线监测这些水生生物在达到第一压力阈值之前(即t
文档编号C12Q1/02GK101059493SQ20061007625
公开日2007年10月24日 申请日期2006年4月21日 优先权日2006年4月21日
发明者王子健, 任宗明, 马梅, 查金苗 申请人:中国科学院生态环境研究中心