徐 敏,陸瑞玨,楊凌升*

(1.南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用電磁學(xué)研究中心,江蘇 南京 210044；2.上海市嘉定自來(lái)水有限公司，上海 201800)

近年來(lái)水質(zhì)突發(fā)性污染事故在各地頻發(fā)，對(duì)人民的生命安全產(chǎn)生了巨大威脅.而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，政府和人民群眾對(duì)水環(huán)境的安全要求也越來(lái)越高.2012年國(guó)務(wù)院頒發(fā)了《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》，其中明確提出了治理水資源污染和健全水資源監(jiān)控體系的要求.這使得開(kāi)展水環(huán)境監(jiān)測(cè)和水質(zhì)安全預(yù)警的研究變得極為重要.而如何能夠快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出水中的有毒物質(zhì)并進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警就引起了研究者們的高度關(guān)注.

水質(zhì)監(jiān)測(cè)一般分為理化分析法和生物監(jiān)測(cè)法.傳統(tǒng)的理化分析方法目前主要采用化學(xué)儀器分析方法，如氣相色譜、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)機(jī)(GC/MS)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)機(jī)(LC/MS)和等離子發(fā)射光譜-質(zhì)譜聯(lián)機(jī)(ICWMS)等．這些方法精密度高，可對(duì)水中的毒性物質(zhì)進(jìn)行定性、半定量和定量檢驗(yàn)．但是，所使用的儀器設(shè)備龐大、運(yùn)行費(fèi)用高，而且儀器昂貴，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，局限性大，很難進(jìn)行野外現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[1-5].同時(shí)，理化分析法盡管能定量分析水體污染物的主要成分及其含量，但由于化學(xué)物質(zhì)間可能出現(xiàn)拮抗、協(xié)同和抑制等作用，溫度、pH、溶解氧等環(huán)境因子會(huì)對(duì)化學(xué)物質(zhì)的毒性產(chǎn)生影響，且有些物質(zhì)在低濃度時(shí)就能對(duì)生物產(chǎn)生毒害作用，從而無(wú)法全面評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量[6].

水質(zhì)的生物監(jiān)測(cè)主要是利用生物對(duì)毒性物質(zhì)的特殊生理反應(yīng)進(jìn)行的，不僅可以測(cè)定和評(píng)價(jià)單一化學(xué)物質(zhì)對(duì)生物的影響，而且能綜合評(píng)價(jià)多種物質(zhì)的相互作用，測(cè)定其聯(lián)合毒性，并判定化學(xué)物質(zhì)濃度與生物效應(yīng)之間的直接關(guān)系.其檢測(cè)限取決于這種生理反應(yīng)測(cè)量方法的靈敏度和可重復(fù)性.目前，生物監(jiān)測(cè)常用的指示生物有細(xì)菌、藻類(lèi)、原生動(dòng)物、深海大型無(wú)脊椎動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)等[7-13].魚(yú)類(lèi)個(gè)體較大、形態(tài)色澤各異、行動(dòng)反應(yīng)敏捷，對(duì)天敵、毒物等有強(qiáng)烈的回避反應(yīng)，與人類(lèi)最為接近，同時(shí)，魚(yú)類(lèi)對(duì)水環(huán)境的變化十分敏感，當(dāng)水體的污染物達(dá)到一定濃度或強(qiáng)度時(shí)就會(huì)引起一系列的中毒反應(yīng)[14]，相對(duì)地，一些細(xì)菌只對(duì)某些化學(xué)物質(zhì)的生物毒性測(cè)定比較好，并不是對(duì)所有物質(zhì)的毒性測(cè)定都有效.所以魚(yú)類(lèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中是水質(zhì)生物毒性監(jiān)測(cè)的主流[15-16].

利用魚(yú)類(lèi)活動(dòng)電位變化實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的方法，因其對(duì)魚(yú)類(lèi)變化信號(hào)采集的靈敏性吸引了國(guó)內(nèi)外水質(zhì)監(jiān)測(cè)學(xué)者的注意.國(guó)外有學(xué)者通過(guò)觀(guān)測(cè)巖鱸呼吸產(chǎn)生的模擬信號(hào)并通過(guò)快速傅里葉變換將其轉(zhuǎn)變成頻域上的連續(xù)信號(hào)，將觀(guān)測(cè)到的信號(hào)變化與概率統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合，來(lái)判別水體是否受到污染[17]，這種方法只考慮了魚(yú)的呼吸運(yùn)動(dòng),檢測(cè)的毒物對(duì)于魚(yú)類(lèi)的作用位點(diǎn)過(guò)于單一,無(wú)法準(zhǔn)確反映毒物對(duì)魚(yú)類(lèi)造成的總體影響.國(guó)內(nèi)學(xué)者則利用魚(yú)的整體活動(dòng)電位變化作為水體污染的判定依據(jù)[18]，該方法證明了鯽魚(yú)或錦鯉的活動(dòng)電位變化在監(jiān)測(cè)毒物(農(nóng)藥百草枯)上的敏感性.但該方法中，魚(yú)體長(zhǎng)不能太小(青鳉魚(yú)、斑馬魚(yú)等體長(zhǎng)4 cm左右的魚(yú)類(lèi)相對(duì)于該系統(tǒng)屬于體長(zhǎng)小的魚(yú)類(lèi))，否則會(huì)導(dǎo)致電位變化量過(guò)小，從而無(wú)法判別水體是否受到污染.因此在傳統(tǒng)利用魚(yú)類(lèi)活動(dòng)電位變化監(jiān)測(cè)水質(zhì)的基礎(chǔ)上，提出一種全面、靈敏、有效的水質(zhì)監(jiān)測(cè)新方法對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)研究具有重要意義.

1 材料與方法

1.1 理論方法

筆者的研究理論基礎(chǔ)是魚(yú)類(lèi)活動(dòng)電位水質(zhì)監(jiān)測(cè)法.該方法機(jī)理為魚(yú)的口、鰓和鰭等部位在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)部位肌肉的緊張和緩和，從而產(chǎn)生活動(dòng)電位，在水中就會(huì)表現(xiàn)為相應(yīng)的電位分布.水質(zhì)的變化將帶來(lái)魚(yú)的各種生理活動(dòng)的變化，如呼吸、游泳等運(yùn)動(dòng)行為的變化，最終會(huì)反映為活動(dòng)電位上的變化[19-21].利用該原理，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)魚(yú)的活動(dòng)電位信號(hào)來(lái)判別水質(zhì)的變化.

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖1所示為系統(tǒng)構(gòu)成結(jié)構(gòu).整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共分為3個(gè)功能模塊.數(shù)據(jù)采集模塊由監(jiān)視水槽、循環(huán)水槽、水循環(huán)系統(tǒng)和觀(guān)測(cè)電極組成.該模塊設(shè)計(jì)的重心包括水槽容量和循環(huán)水流速控制(容量和水速將影響到整個(gè)系統(tǒng)的有毒物質(zhì)濃度變化快慢，同時(shí)水流過(guò)快也會(huì)引起魚(yú)的疲勞進(jìn)而對(duì)魚(yú)類(lèi)電位信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生影響)以及整個(gè)系統(tǒng)的電磁環(huán)境優(yōu)化.

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成圖

通過(guò)將魚(yú)不同種類(lèi)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的生物電位在頻譜上進(jìn)行分析，可以將魚(yú)類(lèi)活動(dòng)進(jìn)行細(xì)分，從而為分析毒物到底對(duì)魚(yú)的哪一部分生理機(jī)能產(chǎn)生影響奠定基礎(chǔ).根據(jù)魚(yú)類(lèi)呼吸活動(dòng)電位產(chǎn)生原理，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，通過(guò)觀(guān)測(cè)魚(yú)在單位時(shí)間內(nèi)魚(yú)鰓張合的次數(shù)來(lái)粗略給出由呼吸時(shí)鰓運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的呼吸運(yùn)動(dòng)電信號(hào)的頻率.也可以如圖2所示，使用一條魚(yú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用特制實(shí)驗(yàn)裝置在不影響?hù)~(yú)生物活性的前提下，限制魚(yú)的游泳運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行魚(yú)活動(dòng)電位測(cè)量，這樣測(cè)試得到的魚(yú)類(lèi)活動(dòng)電位可以認(rèn)為主要是由呼吸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的.接著利用15條魚(yú)在監(jiān)測(cè)水槽內(nèi)自由游動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，再將所測(cè)得活動(dòng)電位與一條魚(yú)限制運(yùn)動(dòng)測(cè)試時(shí)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，15條魚(yú)測(cè)試時(shí)在不同頻率處的電位信號(hào)就是由游泳時(shí)肌肉運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的游泳運(yùn)動(dòng)電位.

圖2 魚(yú)類(lèi)呼吸運(yùn)動(dòng)電信號(hào)檢測(cè)裝置

1.3 監(jiān)測(cè)方法

對(duì)水中魚(yú)類(lèi)活動(dòng)電信號(hào)f(t)進(jìn)行測(cè)量，魚(yú)類(lèi)的活動(dòng)按照頻率分為呼吸運(yùn)動(dòng)以及游泳運(yùn)動(dòng)，設(shè)置游泳運(yùn)動(dòng)信號(hào)頻率f1范圍為[x0，x1]，呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)頻率f2范圍為[x2，x3]，游泳運(yùn)動(dòng)效率恒定比為a，呼吸運(yùn)動(dòng)效率恒定比為b，毒素報(bào)警范圍值為θ，x0，x1，x2，x3為常數(shù).

對(duì)功率頻譜密度進(jìn)行積分得到生物電信號(hào)功率P為

(1)

其中：角頻率w0和w1可由頻率計(jì)算得到，計(jì)算公式為w=2πf；游泳運(yùn)動(dòng)時(shí)角頻率w0=2πx0、w1=2πx1，呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)角頻率w0=2πx2、w1=2πx3.

對(duì)所得的游泳運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)的生物電信號(hào)功率求和得到總功率PT，PT=P1+P2.

具體工作流程如圖3所示(圖中θ以20%為例).

圖3 監(jiān)測(cè)流程圖

2 結(jié)果與分析

利用建立的系統(tǒng)，對(duì)工業(yè)廢水中常見(jiàn)的氰化物進(jìn)行了初步測(cè)試.

圖4為以15條青鳉魚(yú)作為觀(guān)測(cè)對(duì)象，正常情況下魚(yú)類(lèi)游泳時(shí)呼吸運(yùn)動(dòng)與總功率的比值情況.

圖4 正常情況下魚(yú)類(lèi)游泳時(shí)呼吸運(yùn)動(dòng)與總功率的比值

由圖4可以看到，在水質(zhì)正常的情況下，魚(yú)的呼吸運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的生物電信號(hào)功率和游泳運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的生物電信號(hào)功率在這兩種運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的總功率中的比重并沒(méi)有顯著的變化.在未投入有毒物質(zhì)時(shí)，所測(cè)游泳運(yùn)動(dòng)效率恒定比a為P1/PT=54.3%，呼吸運(yùn)動(dòng)效率恒定比b為P2/PT=45.7%.圖4顯示，正常情況下魚(yú)類(lèi)游泳時(shí)各種運(yùn)動(dòng)在總功率中所占比例基本恒定，從而消除了魚(yú)個(gè)體、數(shù)目、疲勞程度等帶來(lái)的對(duì)監(jiān)測(cè)水質(zhì)的影響.

圖5為在投入氰化物(濃度0.4 mg·L-1)下魚(yú)類(lèi)各類(lèi)活動(dòng)功率與總功率比例的變化.

圖5 氰化物濃度0.4 mg·L-1下魚(yú)類(lèi)各類(lèi)活動(dòng)功率與總功率比例的變化

圖6為氰化物濃度0.04 mg·L-1下魚(yú)類(lèi)各類(lèi)活動(dòng)功率與總功率比例的變化圖.圖6顯示氰化物濃度為0.04 mg·L-1(國(guó)家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)0.05 mg·L-1)時(shí)，系統(tǒng)中魚(yú)類(lèi)活動(dòng)電位功率頻譜變化未出現(xiàn)異常.

圖6 氰化物濃度0.04 mg·L-1下魚(yú)類(lèi)各類(lèi)活動(dòng)功率與總功率比例的變化

筆者還利用文中所提方法對(duì)農(nóng)林殺蟲(chóng)劑中常見(jiàn)的硫磷化物進(jìn)行了監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7～8所示.

圖7 殺螟硫磷濃度2 mg·L-1下魚(yú)類(lèi)各類(lèi)活動(dòng)功率與總功率比例的變化

圖8 殺螟硫磷濃度0.5 mg·L-1下魚(yú)類(lèi)各類(lèi)活動(dòng)功率與總功率比例的變化

由圖8可以看到，在投入0.5 mg·L-1的殺螟硫磷后，魚(yú)類(lèi)呼吸運(yùn)動(dòng)功率P2在總功率中所占的比值上升，而與之相對(duì)，游泳運(yùn)動(dòng)功率P1的比值下降，60 min后，呼吸運(yùn)動(dòng)所占比例超過(guò)游泳運(yùn)動(dòng)，依照之前判定依據(jù)也可進(jìn)行水質(zhì)預(yù)警.

3 結(jié)束語(yǔ)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該論文所提方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 將魚(yú)類(lèi)活動(dòng)電位按照頻率分為呼吸運(yùn)動(dòng)和游泳運(yùn)動(dòng)，從而能在兩種數(shù)值的變化中監(jiān)測(cè)水質(zhì)，提高了系統(tǒng)對(duì)水中毒物的敏感度；

(2) 以呼吸運(yùn)動(dòng)和游泳運(yùn)動(dòng)所占的功率在總運(yùn)動(dòng)功率中的比例變化作為判定依據(jù)，在提高系統(tǒng)對(duì)毒物敏感性的同時(shí)，有效消除了由于魚(yú)類(lèi)的個(gè)體差異等帶來(lái)的監(jiān)測(cè)誤差，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的精度；

(3) 由于測(cè)量值為電位信號(hào)頻率，無(wú)須限定魚(yú)類(lèi)大小或種群，可采用斑馬魚(yú)、青鳉魚(yú)等國(guó)際通用的毒性實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)用魚(yú)，其具有與人類(lèi)極為相似的毒性反應(yīng)，可有效監(jiān)測(cè)飲用水源的安全；

(4) 無(wú)需加外加電場(chǎng)，避免因?yàn)樯飩€(gè)體、數(shù)量差異以及與電極位置關(guān)系等帶來(lái)的對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響，提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性.

將來(lái)除了對(duì)氰化物、硫磷化物這類(lèi)毒性較強(qiáng)的污染物，還需對(duì)工業(yè)來(lái)源廣泛、污染突出的鉻(試驗(yàn)材料選用重鉻酸鉀)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)記錄所用毒物的濃度以及檢測(cè)所需時(shí)間，再和目前國(guó)際先進(jìn)的毒物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(如德國(guó)的MFB等)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)證明判據(jù)選擇的合理性以及整個(gè)系統(tǒng)的靈敏性.

致謝：日本九州大學(xué)吉富邦明教授對(duì)文中涉及的水體毒物實(shí)驗(yàn)提供了相關(guān)對(duì)比數(shù)據(jù)，并給予了耐心指導(dǎo)，此致謝.