水質毒性生物監測儀

“水質毒性生物監測儀”是一種基於生物感測技術的毒性檢測儀器，它利用國際公認的最佳模式生物——斑馬魚為生物感測器，通過測定魚的行為來判斷水中污染物的毒性大小。該方法具有快速、廉價的優點。並且獲得最貼近人類的實驗結果，幫助我們實現對水質的連續監測，對水質污染事件的及時預警。

近年來，我國接連發生多起重大突發性水污染事件，不僅造成了巨大的經濟損失，而且造成了社會的不安定和生態環境的嚴重破壞。突發性水質污染事件已經成為我國用水安全和水環境質量的一個潛在威脅，因此實時監測水質狀況是迫切，並且十分必要的。針對此類問題

1、經濟發展的有效需求

在我國，每年發生的水污染事故次數過千，造成數以千萬計的經濟損失。

· 2003.7.9廣西三江縣一油罐車所裝10t氰化鉀全部泄漏到路面，沿途池塘和板栗和遭受嚴重污染，大量魚類死亡；

· 2004.2～3，由於川化集團一工廠事故排放，四川沱江遭受嚴重污染，沿岸80多萬居民、上千家企業受到影響，內江斷水26d，造成2.19億元的經濟損失；

· 2005.11，由於吉林石化雙苯廠爆炸，松花江發生重大苯類污染事件，導致哈爾濱市市政管網停止供水4天。

· 2005.12，廣東北江發生一起企業違法超標排放導致污染事故，重金屬鎘嚴重超標。

· 2006.9，湖南新牆河一化工廠污水泄漏導致的致癌物質砷化物進入河流，污染了當地10萬居民的飲用水。

可以看出，水質污染事件不僅造成巨大的直接經濟損失，而且還要花費相當可觀的投資來整治和恢復生態環境。“水質毒性生物監測儀”利用斑馬魚對水質狀況實時監測，及早發現水質污染事件，以多種通訊方式告知相關部門儘快採取措施，切斷污染源，建立起隔離帶，防止水體被污染，把污染程度和範圍降到最低點，進而減少水質污染事件帶來的直接和間接的經濟損失。

2、社會發展的有效需求

突發性水質污染事件對社會的影響主要表現在：污染事件發生后，對污染影響區的居民造成巨大的心理壓力，影響正常生活和生產；造成的經濟損失與人員傷亡，可能引起污染糾紛，造成各種混亂，危害社會治安，並帶來相關的社會問題；某些水污染會引發地區間，甚至國際間的污染糾紛。前文提及的沱江污染事件便是典型案例。

重大的突發性水質污染事件，對生態環境的破壞強度很大，往往造成一定區域的生態失衡，有的甚至造成長期的危害，致使生態環境難以恢復。一次污染事故可以讓整條河流的魚類絕跡，1987年茂名市接連發生的兩起氰化物泄漏事故，使小東江茂名至吳川段近40km江水中所有魚蝦、貝殼動物全部死亡。

水質污染事件的重要危害之一是威脅人們的生命和身體健康，特別是有毒物質污染事件，如飲用污染水源而受傷害。有毒化學物質水污染事件在環境中的遷移過程見圖1所示。

由此可見，突發性水質污染事件造成的後果是災難性的，為預防突發性水質污染事件的發生和對已發生的污染事件迅速監測，建立起水質污染事件預警系統是相當必要的。如何才能有效進行預警和防治呢？首先讓我們了解下水質污染事件的特點。

水質污染事件的特點表現在水質污染事件發生、發展、危害的不確定性、流域性、影響的長期性和應急主體不明確。

(1)發生時間和地點的不確定性。引發突發性水污染事件的直接原因可能是企業違規或事故排污、管道破裂等，這些事件發生的時間和地點都具有不確定性。 (2)水域型態的不確定性。水域可以分為河流、水庫、湖泊、河口、海洋和地下水等類型，而水域的水流狀態直接影響污染物的擴散方式和擴散速度。(3)污染源的不確定性。水質污染事件發生的形式具有不確定性，導致釋放的污染物類型、數量、危害方式和環境破壞能力的不確定性。(4)危害的不確定性。同等規模和程度的水質污染事件，造成的污染危害是千差萬別的，如污染事件發生地點距離城市水源地很近，城市供水就會中斷，其後果將是災難性的。(5)流域性。水體被污染后呈條帶狀，線路長，危害容易被放大。一切與該流域水體發生聯繫的環境因素都可能受到水體污染的影響，如河流兩側的植被、飲用河水的動物、從河流引水的工農業水用戶等，流域內的地下水由於與地表水產生交換，也可能被污染。(6)影響的長期性和處理的艱巨性。突發性水質污染事件處理涉及因素較多，且事發突然，危害強度大，必須快速、及時、有效地處理，否則將對當地的自然生態環境造成嚴重破壞，甚至對人體健康造成長期的影響，需要長期的整治和恢復。(7)應急主體不明確。許多突發性水污染事件不能被人們直接感知，如看到、聞到，且污染物隨流輸移，造成“事故現場”的不斷變化，在輸移擴散的過程還可能因為各種水力因素的作用而產生脫離，出現多個污染區域。

水質監測方法主要是人工定期取樣及理化儀錶的監測，前者是通過實驗員針對不同水域定期取樣，在實驗室中進行多種成分的理化分析，來判斷某一水域當前的水質狀況。這種方式檢測所需時間長，檢測費用高，此外污染物濃度較低時，化學分析的準確性下降，並且較難實現在線連續監測；後者一般是選取監測點，在監測點安裝PH值、濁度、余氯、耗氧量等常規監測表，將監測數據傳送到控制室。但目前的水質在線儀錶主要為進口設備，同一類型的儀器有許多廠家的產品，除了廠家不同外，儀器的工作原理、響應範圍、靈敏度、穩定性、適應的環境等各方面都不同，儀器儀錶的選擇對於監測預警系統是否能正常運行，具有至關重要的意義。儀錶操作較為複雜，投資費用大。因此，理化儀錶的監測不能很好地反映出水質狀況，及時預警。

由於以上兩種方式的局限性，人們嘗試利用水中的微生物監測水質污染程度。最早出現在20世紀初，目前歐美國家對生物監測的理論研究已經相當成熟，生物監測設備已商品化，並較好的使用在各種飲用水處理廠、水產養殖場、污水處理廠等取水口和（或）排水口，還用於環境監測。

中國的水質監測長期以來一直採用人工取樣到實驗室分析的辦法，隨著國家對水質污染的日益重視，這幾年自動監測儀器和監測系統才開始研製和發展。目前還未有一家單位能推出完整的監測系統，只是分別研製某一種監測儀器或軟體。但除工業廢水用的在線COD自動監測儀已大量推廣外，其他儀器還處於研製試用階段。

生物監測方法靈敏度較高，能在數分鐘內對污染物的存在作出反應，並且能夠實現連續監測，及時發現水質污染事件。此外，生物監測整合了污染物的時空變化，將污染物與環境條件的相互作用考慮在內，因而綜合反映了污染物對生物和生態系統的危害。

魚是最早用於生物預警的。此後水蚤、雙殼類軟體動物、蝦、細菌等活生物，以及細胞、酶等也開始應用。這些生物對不同污染物的敏感性相差很大，常根據應用環境選用。水生生物對污染物的反應是綜合性的。理論上，各種特徵反應都可用作檢測變數。然而，為達到連續、自動監測目的，同時使系統具有良好的應時、靈敏性，一般優先檢測行為、生理或生化反應。

根據水質污染事件的特點，以及生物監測技術的成熟理論，我們研製的“水質毒性生物監測儀”並較好地應用在深圳市的五大水廠的進水和出水口。實現了對水質污染事件的早期預警，及時、快速反映水質綜合毒性的變化，在與實驗室檢測和理化指標在線監測結合下，達到快速準確發現水質污染事件的目標。

1、技術特徵

敏感性測試，有選擇、有重點地進行指示生物對有毒有害污染物的專一性、敏感性監測，通過水生生物毒性測試試驗，確定污染物對指示生物的急性毒性級別以及作為水質預警生物的響應的污染物類型及響應時間。

圖像處理，實現對魚的標識，記錄魚在不同時刻的位置坐標，並對所有魚或某一條、某幾條魚進行跟蹤及目標監測，對實時採集的圖像採用了多種方法進行處理，已達到理想的處理效果，如平滑、去噪、閾值分割、灰度以及Kalman濾波跟蹤處理。

專家系統，由專家系統進行知識的收集與匯總（經驗、數據、參數、規則、條件等），利用專家系統中知識庫、推理機和資料庫對數據進行決策分析和判斷，得到水質的綜合毒性指數，由此將魚的運動行為參數轉換成水質毒性指數，為管理員的判斷提供了可靠的參考依據。

數據傳輸，為保證圖像數據的實時傳輸到上層系統及遠程控制系統中，採用軟體編程和硬體相結合的方式，保證數據傳輸的效率，使得遠程觀測效果如在現場觀測一致，也避免了數據的延遲。另外，預警信號的及時發布也運用了多種數據傳輸和通訊形式，保證管理員隨時收到預警信息。遠程客戶端的實時顯示界面如下圖所示。

2、RTB的性能特點

水質毒性生物監測儀的特點:

· 適用範圍廣，可以監測多種水體，如河流、水庫、供水系統、水廠取水口及排水系統等。

· 響應靈敏迅速，對有毒有害的農藥、重金屬等的響應靈敏度低於0.1TU。急性毒性試驗需要48h才能反映出來的毒性，採用水質毒性監測儀最短在幾分鐘內即可發出報警。以重金屬鎘為例，濃度為0.7mg/l的響應時間在5分鐘內即可發出黃色報警信號。

· 抗干擾性強，將觀測裝置與養殖箱分離，排除了外界環境因素對監測信號的影響，也避免了探頭觀測帶來的信號干擾，保證了觀測環境，增強了結果的可靠性。

· 性能穩定可靠，儀器採用高性能的數字攝像系統，每秒採集的生物圖像高達25幅，對生物的跟蹤率達到98%以上；配有預過濾系統和水溫穩定系統；對多條魚進行同時監測，從而實現了穩定、可靠獲取生物運動參數的目標。

· 連續實時監測，可24小時連續運行，無論什麼時間出現水質異常狀況，通過多種報警方式管理員都可以發現水質問題，大大提高了水質監測的效率。降低了水質污染事件帶來的損失。

· 完善的統計演演算法,水質毒性生物監測儀有強大的資料庫和專家統計分析系統，通過統計演演算法能區分毒性和非毒性給魚的行為帶來的影響，保證了監測預警的準確性。

· 通訊功能，當水質出現異常時，監測系統會立即通過手機簡訊、區域網、遠程客戶端等多種方式向管理者發布報警信息，以便對水質污染事件作出反應。

· 運行維護簡便，採用便宜且容易得到的斑馬魚作為指示生物，只需定期對生物進行更換，即可，保障儀器的長期穩定運行。過濾器及養殖箱的清洗也十分方便，總體運行成本低。

· 與理化儀錶互補，RTB預留接入水質常規理化監測數據介面，對理化數據突變可進一步分析，一方面實現對生物預警的補充，另一方面有利於追溯報警原因，降低誤報警的發生。

· 可配備附屬裝置，增添了砂濾裝置，使其更廣泛的用於工業廢水等的在線檢測。擴大了水質毒性生物監測儀的使用範圍。

水質毒性生物檢測儀作為水質預警的在線監測設備，可用來監測各種取水和排水口。安裝在飲用水處理廠、水產養殖廠等入口處, 能夠保證進水水質, 並通過強化處理措施控制污染危害；安裝在工業或生活排污口、冷卻水排放口等處則可評價處理效果，是否可以安全排入受納水體等。還可用於環境監測目的, 如調查河流污染狀況，海岸保護等。

“水質毒性生物監測儀”保障了水源水質的安全，防止可能的意外化學品泄漏和恐怖事件襲擊水源。

“水質毒性生物監測儀”的成功研製與應用，實現了24小時在線連續監測水體環境，在水體受到污染的情況下，快速、靈敏地檢測出污染物帶來的綜合毒性，及時告知管理員水質污染事件發生的時間，避免對人體產生的危害。

“水質毒性生物監測儀”基本上都是國外產品壟斷中國市場，國內目前有深圳市水務集團開天源自動化公司在研製，擁有多項自主知識產權，支持國貨。