顾俊强

（苏州市环境监测中心江苏苏州215004）

饮用水源地生物毒性在线预警技术的发展

顾俊强

（苏州市环境监测中心江苏苏州215004）

分析了当前饮用水源地水质安全预警方法及评价体系，指出了常规监测技术的不足，对几种生物毒性在线预警技术的原理及特点进行了比较，分析出发光细菌毒性在线预警技术相比其他预警技术具有如下优点：毒谱宽、测量稳定、与常规指标的相关性好、维护方便。

饮用水源地；生物毒性；在线预警；发光细菌

1　饮用水源地安全预警现状

饮用水源地水质安全关乎民生，责任重大。世界卫生组织、美国、欧盟等都先后通过立法来保障饮用水源的安全性[1-4]。在国内，环保部也陆续通过行政立法以及加强监测等手段来完善水质评价体系，先后颁布了《地表水环境质量标准》《生活饮用水卫生标准》以及《地下水质量标准》，分别规定了108项、106项、39项检测指标，规范了饮用水源的监测指标、测量方法和评价依据。这些常规的检测方法和检测指标使得饮用水安全得到了基本保障。

但随着经济的快速发展，环境污染事故的数量和复杂程度也在不断增加，特别是从上世纪90年代开始，关系到饮用水源的污染事件屡见报道：1998年黑龙江水源遭受生物污染、1999年湖南饮用水源发生化学污染、2004年四川发生饮用水源化学污染、2005年黑龙江发生化学污染、2012年广西发生饮用水源化学污染，这些污染事件大都属于偶发事件，污染物的种类和来源均需要经过大量排查分析才能确定。

面对饮用水源地突发污染事故，及时预警、快速定性可以为应急处置赢得宝贵的时间。常规的物理化学方法能定量分析污染物中主要成分的含量，但不能直接、全面地反映各种有毒物质的叠加效应，也无法预知水体是否安全、适合饮用。因而，在饮用水在线监测中有必要采用生物指标评价水环境的毒性，考察其生物效应，完善饮用水源水质安全评价体系[5-6]。

2　生物毒性在线预警技术

水质综合生物毒性在线预警技术作为常规监测技术的有效补充，在饮用水体以及工业废水的各个领域都有广泛的应用[7-9]，从生物传感器的角度可以分成水生动植物法（鱼类、水蚤类、藻类等）和微生物法（细菌）两类。

2.1鱼类毒性在线预警技术

鱼类是水生态系统中的主要成员，水体环境的基体变化都会直接作用在鱼类的生理行为中，基于此，毒性检测技术中，鱼类毒性技术是最直接的分析手段。中国在用的标准中也把鱼类毒性试验列为标准方法[10]。以鱼类为生物传感器的在线生物毒性监测技术多以斑马鱼在与目标水体接触中的行为变化为指标，通过电子信号转换，将鱼类活动的生理状态：腮呼吸运动、游动、跳动、觅食等活动进行记录和分析，不同的毒物浓度对应着不同的行为模式。

鱼类生物毒性在线监测仪的基础是记录其生物行为学变化，将运动信号转化为电信号，此类系统以电场信号为基础。监测系统内部包含两对不锈钢电极，在第一对电极上施加变化的电流，当斑马鱼在形成的电场中运动时，电场就会变化；第二对电极相对静止，用来参比记录电场的变化。当斑马鱼在电场中运动时，转换装置会将电场的变化转换为电信号的变化，通过傅里叶转换器，将电信号转化成一个特定频率的连续谱图来分析不同频率的行为变化。

2.2蚤类毒性在线预警技术

水蚤是环境监测中常用到的无脊椎动物。在预警系统中采用监测水蚤的运动速率、心跳速率、游泳能力以及生长繁殖信息等指标的变化来表征水体的毒性情况[11]。大型蚤对毒性物质敏感，且均质性好，个体差异小。

蚤类毒性在线监测系统与鱼类的毒性预警系统类似，以电磁感应信号的变化来反应大型蚤的行为变化，信号记录部分由载流电极和感应电极组成。载流电极由变化的交流电驱动，产生电场，大型蚤的运动会引起电场的变化，继而通过感应电极检测大型蚤的运动变化。大型蚤生物传感器的测量室通常由两路组成，一路作为参照通道测定正常大型蚤的运动，一路作为测量通道，测量大型蚤与待测水样接触后的行为特征。

蚤类毒性在线预警技术中通常采用的蚤为5～20只[12]，接触反应的时间需要24h～96h。统计中蚤的用量较少，容易引入个体差异的误差，同时接触反应时间长，不能对水体的变换进行快速的响应。

2.3藻类毒性在线预警技术

藻类是水生生态中的生产者，通常具有个体小、繁殖能力快、容易培养等特点，可直接观察细胞水平的中毒症状[13]，藻类毒性在线监测系统以藻类作为探测生物，检测水样对藻的活性的影响。分析中，采用叶绿素荧光技术检测被测样品对藻类活性的影响，进而确定其毒性强弱。

藻类毒性在线监测系统主要由三部分组成：（1）藻类发酵培养部分，用来提供藻类的适宜生长环境，使得藻类可以生长到最佳的状态；（2）液体移动部分，用来将培养好的藻类移动到待测水样的位置，与待测水样进行接触反应；并在接触反应完成之后对系统进行清洗；（3）中央控制部分，主要作用是分析、显示数据，并提供人机接口。

藻类毒性预警技术可以指示水质生物毒性，可以反映水体中营养物质、重金属、农药和有机物的综合毒性，不足之处在于藻类的毒性接触反响时间较长，一般需要24h～48h，对于水样的毒性反应较慢[14]。

2.4发光细菌毒性在线预警技术

发光细菌毒性在线预警技术利用细菌作为生物检测器，通过测定水样与细菌接触时发光损失情况来判断水中污染物的毒性大小。检测方法基于细菌的发光特性，发光细菌在进行新陈代谢时会发出荧光，若正常代谢被抑制，就会导致发光减弱。毒物的抑制能力与发光程度相关[15]。发光细菌对2000余种不同类型的化学物质具有不同的敏感程度。

检测过程主要由四部分组成，首先，抽取发光细菌到菌种孵育仓，对发光细菌进行复苏；接着抽取样品水与参考水分别注入反应池；第三步抽取发光菌同样注入反应池，进行水样和发光菌的接触反应；最后，检测发光细菌发光量在接触水样前后的变化，应用分析软件计算得出毒性的百分比量。

该技术的检测过程仅需30min左右时间，同时，发光细菌的密度大于10000万个单位，减少了测量中个体差异带来的误差，具有统计学稳定的优势[16]。

2.5其他毒性在线预警技术

在毒性监测领域，除了上述生物传感器技术外，还发明了将发光细菌重组后的基因工程微生物传感器[17]，重组发光微生物具备多种不同的代谢指征，重组体可以针对特定污染物进行指征表达。这种生物传感器可以检测任何一种可溶性物质。另外，还有基于呼吸机能微生物传感器和基于代谢机能微生物传感器的毒性预警系统，呼吸机能微生物传感器可用于监测对呼吸存在抑制作用物质的毒性，代谢机能的微生物传感器可以在10min内灵敏地测量对氧磷、对硫磷等毒性物质。

基于基因工程、呼吸机能和代谢机能的生物传感器均选择微生物作为载体实现快速检测，这类技术目前还在完善中，实现产业化后可以更好地对水体状况进行预警判断。

2.6几种毒性在线预警技术的比较

表1　几种毒性在线预警技术的比较

3　前景与展望

生物毒性在线预警技术弥补了理化检测的局限性和连续取样的繁琐性，能够对水体中各种毒性物质的加成或者抑制作用进行综合判断。生物毒性监测系统按照传感器类型的不同，可分为鱼类毒性在线预警系统、蚤类毒性在线预警系统、藻类毒性在线预警系统以及发光细菌毒性在线预警系统等多种类别。发光细菌毒性在线预警系统测量所需时间短、对毒物的敏感性强、测量传感器的数量多、重现性好，采用该系统通过原位监测可以实时判断水体水质状况，达到早期预警的目的，在保障水质安全方面发挥着举足轻重的作用。以下几个方面是生物毒性在线预警技术的进一步研究方向：（1）目前在线监测的目标水体主要是饮用水（水源水）。饮用水毒性普遍较低，所以开发更高灵敏度的生物传感器可以更进一步对水质状况进行有效预警；（2）目前监测技术多为原位监测，发光细菌需要更换，开发具有更长生命周期的发光细菌可以减少维护人员的工作量；（3）目前的生物毒性在线预警系统为综合毒性监测系统，早日引入多种功能的基因工程可以克服发光细菌为好氧生物的局限性。并且，对特定水源的特征污染物可以开发具有针对性的代谢菌，从而起到针对特定污染物的精确预警。

[1]World Health Organization，Guidelines for drinking-water quality, third edition,2005[S].

[2]European Union，Council Directive 80/778/EC on the qualityofwater intented for human consumption,1980[S].

[3]European Union，Council Directive 98/83/EC on the quality ofwater intented for human consumption,1998[S].

[4]United States Environmental Protection Agency,the Drinking Water Standards and Health Advisories 2006[S].

[5]郁建桥,钟声,王经顺.生物毒性检测技术在水质应急和预警监测过程的应用[J].生命科学仪器,2009,7（12）：16-18.

[6]王海英.生物毒性在线监测在水源地的应用研究[J].环境科学与管理,2014，39（5）：125-127．

[7]赵风云,孙根行.工业废水生物毒性的研究进展[J].工业水处理, 2010,30(4)：22-25.

[8]武超,任东华.饮用水源地水质引入生物毒性初筛[J].中国资源综合利用,2010,28（10）:57-60.

[9]王子健,饶凯锋.突发性水源水质污染的生物监测、预警与应急决策[J].给水排水,2013,39(10)：1-3.

[10]GB/T13267-91水质物质对淡水鱼（斑马鱼）急性毒性测定[S].

[11]GB/T16125-1995大型水蚤测试标准方法[S].

[12]郑新海.大型蚤在线生物监测系统研究[J].环境监测与预警, 2011,3(2):21-23.

[13]BS EN ISO Water quality-Freshwater algal growth inhibition test with unicellular green algae[S].

[14]LAT LA A,STEPNOWSKI P,NEDZI M．Marine toxicity assessment ofimidazoliumionic liquids：acute effects on the balic algae ocystis submarina and cyclotella meneghiniana[J]，Aquat Toxicol，2005,73 (1)：91-98．

[15]GB/T15441-1996水质发光细菌法急性毒性测定[S].

[16]张迪生,谢馨,陈鑫琪.在线生物毒性监测系统在饮用水源地水质监测中的应用[J].环境监测管理与技术,2014(5):53-55.

[17]CHINALIA F A,PATON G I,KILLHAM KS,physiological and toxicological characterization of an engineered whole-cell biosensor[J]. Bioresource Technology,2008,99(4)：714-721.

国家重大科学仪器设备开发专项（2012YQ030111）。

顾俊强（1982—），男，汉族，江苏省苏州市人，硕士研究生，工程师，从事环境自动监测方面工作。