国产精品久久久久久精品毛片姜怡,王局长把白洁做到高潮,japanese19第一次,精品熟人妻一区二区三区四区不卡

聯系方式 | 業務合作 | 會員

生物早期警報系統在水和廢水水質評價中的應用

2008-05-27   來源:安全文化網    熱度:   收藏   發表評論 0

  摘 要:生物監測是評價環境質量的重要手段。生物早期警報系統根據活生物對污染物的靈敏反應,快速確認污染事件。本文對生物早期警報系統的發展、設計與應用進行探討。

  關鍵詞:污染;生物監測;生物報警;水質

  評估或預測外源性化學物質對環境的影響是開展環境保護活動的重要任務之一。過去幾十年內,環境分析化學長足發展,為研究污染物在環境中的行為、最終歸宿和效應等提供了強大工具。然而,盡管化學分析易標準化,能夠準確檢出目標污染物的含量,但耗時長,檢測費用高,較難實現在線連續監測,最大的局限還在于污染物的化學分析濃度與其生物可利用性不相關,因而不能區分不同形態污染物的毒性。此外,污染物濃度較低,化學分析的準確性下降。因此,單純的化學分析是不能全面評價環境質量的。

  對污染物的生物監測可追溯到20世紀初。1902年,Kolkwitz和Marsson利用微生物類群研究有機物污染的嚴重程度。Richardson (1928)在調查家畜工業對芝加哥Illinois河的有機污染時也指出,底棲生物類群可反映水質的惡化和恢復狀態。30年代后,工業化對自然動、植物種群的影響研究開始受重視,而發生在50年代的殺蟲劑和其他污染事件促進了生物監測的進一步發展。1984,美國國家環境保護局(USEPA)正式確認生物監測的實際應用價值,并將之定義為合適技術。

  1 生物監測的優勢分析

  生物監測表明外源性化學物質影響生物種或生物調控過程的細微變化。采用生物監測技術,可連續監測污染物及其產生的微小擾動,而這些變化可能為常規化學分析錯過。

  生物監測靈敏,可能在數分鐘內對污染物的存在作出反應。此外,生物監測整合了污染物的時空變化,將污染物間、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。

  生物監測直接測定了污染物的可生物利用性。有些環境影響并不是化學性質的,如生態環境破壞、過度開采等,生物監測也可起指示作用。

  目前,生物監測的成功范例還不是很多,主要是生物反應過于復雜,難以確定其與化學物質污染的定量關系。此外,急性致死或慢性中毒試驗等生物監測的持續時間長,不適合開展實時監測或用于預防性監測目的。

  2 生物早期警報系統

  生物早期警報系統是將活生物置于監測室內,建立生物信號檢測系統,根據生物個體的異常生理或行為參數變化警報污染事件,主要用于監測污染物毒性在短期內的變化。系統的基本特征包括:(1)生物生活在受控制的實驗室或野外;(2)水體處于連續或半連續流動狀態;(3)通過適當的檢測裝置監視生物個體的生理或行為參數,當參數檢測值高于或低于預設值后發出警報信息。

  2.1 生物早期警報系統的工作原理

  生物早期警報系統的基本組成見圖1。

 

  將用作傳感器的水生生物置于連續水流中。反應變量以電信號形式檢出,或用測量變換器轉換成電信號。反應信號傳輸到電子處理系統,進一步轉化成可為計算機或電子監測器識別的信號形式,由計算機或電子監測器根據預設算法判斷是否發生了有毒化學物質污染,在有污染物檢出的情況下發出警報信號。

  建立生物早期警報系統需要獲得豐富的生物生理和行為信息。只有全面掌握了傳感生物的行為和生理特征,才能形成有效的信號收集系統。適當的統計算法有助于提高檢測的可*性和靈敏度。一般的處理方式是建造模型,將檢測信號輸入后,比較當前狀態與本底水平,以此發現微小變化。

  2.2 生物早期警報系統的技術要求

  生物早期警報系統必須能及時而準確地檢出生理或行為參數的偏移。所謂及時,就是有充足的反應時間以便采取污染控制措施。對反應時間的要求取決于應用環境。例如,如果警報河流下游對水資源的利用,幾小時甚至1d左右的反應時間是可接受的,而檢測自來水廠流入水或污水處理廠流出水的水質則要求反應時間短,以不超過1h為宜。

  要求生物早期警報系統能夠連續、自動運行。檢測頻次設置合理,如每0.5h掃視一次。檢測結果具有良好的重現性,并且易于解釋。

  生物早期警報系統應具有相當高的敏感性和可*性。傳感生物對污染物的反應是非特異性的,因而能指示不同性質的污染事件。系統誤警概率低,干擾信息控制在可接受水平。

  為適合實地運行,要求控制生物早期警報系統的體積,并且結構堅固,日常維修量小,系統易操作,使用界面友好。

  2.3 生物早期警報系統的類型

  多種不同營養級的生物都可用作生物早期警報系統的傳感器。選擇傳感生物主要依據包括;(1)生態重要性,對水生態系的營養轉化和能量傳遞具有重要意義;(2)分布廣泛,檢測結果具有可比性; (3)易實驗室培養、繁殖,可長期獲得基因穩定的均質種群;(4)對多種污染物敏感,反應穩定;(5)生活周期較長,飼養、替換等維持工作少,能較長時間保持運動活力,表觀無明顯變化;(6)具有易被檢出的指標,背景干擾少,而預設反應易判斷;(7)有關基礎資料豐富;(8)考慮物種的經濟重要性,抗疾病、寄生蟲病和物理損傷,對環境水質,如水溫、溶解氧和渾濁度等的耐受,形體大小,適應在流體系統內生活等因素。

  魚最早用于生物預警。此后,水溞、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,各種特征反應都可用作檢測變量。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。

  行為反應直觀、快速。可用視頻相機跟蹤成相,磁場定位,超聲或光速遮擋等技術確定生物的行為變化,在較短的時間內指示污染的發生。

  污染物對水生生物的生理、生化過程產生復雜影響。呼吸或心跳速率,光合作用,化學基質的消耗或釋放,生物發光等都具有污染指示作用。可用各種電極或光電倍增管等監視這些生理或生化過程的細微變化。

  2.3.1 魚早期警報系統

  發展魚生物監測的努力始于1929年。其時,Bdding根據魚的呼吸變化指示有毒環境。后來,魚的游泳行為、正趨流性、選擇行為等相繼得到應用。Cairns及其同事對發展魚的自動、實時監測的貢獻尤其大。德國、法國、日本和英國等國已出現魚早期警報系統專利。

  隆頭魚(Salmo gairdneri),大鱗大麻哈魚 (Oncorhynchus tshawytscha)、虹蝤(Poecilia reticulata),銅吻鱗鰓太陽魚等淡水和海洋魚常用于早期警報系統。對它們的監測方法有多種,但不一定都已有應用實例。

  2.3.1.1 以魚死亡為終點的早期警報系統

  嚴重的污染事故,如石油、有毒化學物質泄漏,導致魚在短期內因氧氣缺乏或神經損傷等原因死亡。死亡現象的發生表明水質急劇惡化,應盡快查明污染源并控制污染擴散。

  2.3.1.2腮呼吸早期警報系統

  腮呼吸對污染物敏感,0.5h內可檢出接近半致死濃度的污染物,亞致死濃度(20%— 50%LC50)的污染物也可在24h內檢出,但對 <10%LC50濃度的污染物不發生反應。

  在有污染物存在的情況下,魚腮呼吸加快且無規律。系統研制初期,將檢測電極直接安裝在魚腮上,監視當前呼吸頻率并將之與前1或2h的平均呼吸頻率比較,如果出現明顯差異,則表明發生了污染。現在發展是在容器壁上安裝雙電極,不僅可以測呼吸頻率,同時還獲得呼吸強度、心跳速度等信息,但信號較弱。

  2.3.1.3 正趨流性早期警報系統

  很多生活在流水環境中的魚都表現出一種獨特的位移行為,即總是逆水游動,定義為正趨流性。水體污染物可使魚的正趨流能力被破壞,魚失去逆游能力而順水動。

  德國從1977年開始研究利用魚的正趨流性開展生物監測。在下游設強光區或適度電擊,控制健康魚向下游的活動,或間歇性提高水流速度,迫使魚反應。如果魚不能維持在上游的位置,則表明污染產生了危害。

  2.3.1.4 選擇行為早期警報系統

  魚類能夠憑借其強大的運動能力逃避不利環境。設計選擇裝置,使潔凈水和受試水分別流入,在出口處混合,形成污染物濃度梯度,魚在二個極端間選擇停留位置。如果大多數魚集中在潔凈水一端,則受試水遭受了污染。

  2.3.1.5 弱電脈沖早期警報系統

  Mormyriden和Gymnotiden等科的魚周期性發出弱電脈沖。脈沖頻率與種類有關,20-30~C溫度范圍內1—1600S-1”。尼羅河狗魚(Gnatonemus Petersi)的正常脈沖頻率為C.18S”,但在污染達到一定程度后,魚體運動和弱電脈沖頻率均下降。根據這種變化預警污染事件。

  2.3.1.6 游泳活動早期警報系統

  污染物提高或降低魚的游泳能力,用光電技術連續或半連續確定魚的位置變化,通過比較魚的當前運動與歷史記錄檢出污染物。

  2.3.2 雙殼類軟體動物早期警報系統

  美國的Butler最早用雙殼軟體動物監測河海交匯水中的殺蟲劑,后來進一步發展為淡水蚌觀察工程(Mussel Watch Program),監測污染物又增加了放射性元素、金屬穩定同位素、碳氫化合物等。

  雙殼類軟體動物數量豐富,易獲得,大小可選擇,堅硬而好處理。正常環境中,它們有規律地開殼呼吸和攝食。然而,在有污染物存在的情況下,受脅迫個體長時間閉殼以抵抗危害。根據雙殼軟體動物的閉殼反應可檢測重金屬、殺蟲劑及其他有毒有機物。歷史上曾用機械方法記錄殼瓣的運動。1972年,Schuring和Geense首次用電磁感應技術測殼瓣的運動。Jenner等在1989年改用高頻電磁感應系統,進一步提高了監測的自動化水平。

  淡水雙殼軟體動物,如斑貽貝(Dreissena polymorpha),普通貽貝(Mytilusspp.)等常用作監測生物。將傳感器的2個線圈粘貼到軟體動物的2個殼瓣上,1個線圈用作發送器,另 1個用作接受器,同步工作,記錄線性反應。

  雙殼軟體動物的心跳、挖掘活動等也具有污染指示作用。

  2.3.3 水溞早期警報系統

  一般認為,大型無脊椎動物對污染物的敏感性較魚強,而且它們在多種水體,尤其在流水中廣泛分布,采集方便,同時生活周期足以記錄環境質量,群落異質性強,總是存在對污染物發生反應的生物類群,因而較多研究集中在開發無脊椎動物早期警報系統。

  水溞(Daphnia)是最常用的無脊椎動物。水溞在水生態系食物網中處于關鍵地位,適宜環境中以孤雌生殖為主,實驗動物具有良好的均質性,生長和繁殖周期能保證獲得足量個體。正是由于獨特的生態和生物學意義,水溞成為標準毒理實驗動物。

  2.3.3.1 游泳活動早期警報系統

  受污染物刺激,水溞在初期的運動速率變快,而且旋轉角度加大,運動的隨機性增強。但隨著時間延長,受損水溞的游泳能力下降。根據這種特征反應判斷污染事件。

  2.3.3.2 位移能力早期警報系統

  設垂直管,水由上而下流人,將光源和檢測器沿管壁相對安裝。檢測水溞在水柱內單位時間產生的光斑。

  3.1.2提高系統的敏感性

  生物早期警報系統的敏感性與傳感材料密切相關。然而,理想物種很難選擇,人工條件下易飼養或維持的物種往往對污染物的敏感性差,也沒有一個物種對所有污染物都同樣敏感。此外,生物個體對毒物存在自然延時反應,而且所有生物都具有抵抗低水平污染脅迫的能力,在某些情況下并不能完全反映對人體的有害濃度。要保證警報系統的敏感性,必須加強對實驗材料的維持,避免弱信號,同時優選生長良好的個體,使之在活躍期內對污染物作出反應。

  由于生物個體對低水平污染物的適應性,生物早期警報系統的敏感性會隨使用時間延長而下降,因此要注意實驗生物的及時更換。廢水可能具有高溫、pH異常、離子含量過高或溶解氧水平低等特點,不能支持實驗生物的生長,需進行適當預處理,如冷卻、調節pH、曝氣或按一定比例稀釋后開展監測工作。

  物種聯用是提高生物早期警報系統敏感性的有效措施。物種結合監測不僅可能提高檢測速度,而且擴大了污染物檢出范圍,準確確定污染事件的概率明顯增加。

  3.1.3 系統的標準化設計和運行

  生物早期警報系統的設計和運行必須標準化。例如,監測室的大小要合理,室內水的周轉不會影響傳感生物對污染物的應時反應。只有在標準化條件下運行,才能保證監測結果的真實性和可比性。與此同時,系統的設計和運行要保持一定彈性,從而使系統能在各種獨特的環境中應用,或更準確地描述在野外的行為。

  生物早期警報系統的位置安裝應綜合考慮,要保證有充足的時間采取污染控制措施,同時易接近,方便維修操作,而且不易受洪水等自然災害威脅。

  降低運行成本是推廣使用生物早期警報系統的關鍵。至少要使系統的運行費用不高于現場96h急性致死試驗。

  3.2 生物早期警報系統與理化險測相結合

  生物警報的最大困難在于生物個體對化學物質反應的不確定性。在實驗室受控條件下,生物個體表現出良好的線性反應,但引入實際環境中,監測數據可能極度分散,干擾結果分析。

  生物早期警報系統只能獲得毒性信息,而不能表明污染物性質。因此,在確認污染事件時,生物警報必須與理化檢測結合,通過理化檢測鑒定污染物類型。此外,可根據待檢水體的性質選擇對出現概率較大的污染物敏感的傳感生物開展特異性監測。

  生物早期警報系統監測的結果要通過多種途徑證實,至少周期性開展傳統毒理學試驗,修正監測結果。

  3.3 生物早期警報系統的自動化發展

  計算機技術的應用提高了處理檢測數據的能力,而遠程數據傳輸系統的發展為生物早期警報系統的在線運行提供了強大支持。

  未來監測系統的野外工作性能將得到顯著改善,并逐步發展成便攜式。

  生物早期警報系統的遠程控制模式見圖2。

 

  3.4 生物早期警報系統的應用展望

  生物早期警報系統的環境保護作用已普遍為歐美國家接受。1984年,在北威爾士迪伊河發生酚污染后,英國西北水務局要求各水廠在取水口處安裝魚監測裝置。德國、荷蘭和美國等國也陸續利用生物早期警報系統監測和保護飲用水水源。美加州洛杉磯水廠還設立了向公眾顯示的系統,希望通過生物監測降低氰化物和PCBs的污染風險。俄亥俄州則第一個將生態生物監測列入水質條例中。

  目前以魚早期警報系統的應用情況最好,要求新建系統至少達到魚的靈敏水平。但由于應用環境的復雜性,實驗室內運行良好的系統并不一定能在實地穩定工作,現階段的發展仍以實驗室研究為主。根據已取得的進展,建立具有預警功能的入水或出水口生物保護系統是可能的,但強調生物和電子信號處理、統計學等先進技術的綜合運用。只要能實現生物信號向電子信號的有效轉換,通過大量測試確定了基準生物行為或生理值,就可研制出實用性強的商業生物早期預警系統,在各種受保護環境中普遍應用。


主站蜘蛛池模板: 瑞丽市| 郯城县| 竹溪县| 自贡市| 海门市| 沙湾县| 来宾市| 建水县| 丹凤县| 伽师县| 全南县| 松滋市| 瑞昌市| 大田县| 花垣县| 南乐县| 福州市| 扬中市| 鄂伦春自治旗| 肥乡县| 新巴尔虎左旗| 杭锦旗| 宁都县| 北安市| 临城县| 兴安县| 滕州市| 达拉特旗| 沙雅县| 隆子县| 湛江市| 莱西市| 大城县| 梁河县| 佳木斯市| 石林| 琼结县| 龙游县| 丁青县| 铅山县| 山东|