專利名稱：發光菌水質毒性監測傳感裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用水生生物對水生態環境毒性進行監測的裝置。
(2)背景技術隨著工農業的發展和人類活動的日益增長，大量的有毒有害污染物被排放到湖泊、河流和海洋，對水生生態系統的生態平衡和生物體造成危害，給海洋環境造成越來越大的壓力。常規化學分析法只能對人體中有限的污染物質進行監測，難以判斷水體中各種污染物及它們之間相互作用對魚類等水生生物的實際毒性。因此采用水生生物進行環境樣品的毒性檢驗成為評價環境污染的必需手段之一。目前已有許多生物學方法用于水體毒性的綜合性評價，水生生物毒性實驗通常采用浮游生物、藻類和魚的急慢性毒性測試，但由于實驗時間長、費用高，不宜用作常規檢驗。其中魚體毒性試驗是最為直接的傳統方法。因受試驗用魚和試驗條件的限制，且試驗周期長、操作繁瑣，用魚體毒性試驗監測水體毒性很難滿足標準化的要求。因此近年來傾向于發展一些快速、簡便、經濟的方法。發光菌毒性檢驗就是符合這些要求的毒性檢驗方法之一。發光菌毒性測試中應用最廣泛的是海洋發光細菌(Photobacterium phosporum)，成套方法一般稱為Microtox檢驗。近年該方法已列入我國《環境監測技術規范——生物監測(水環境部分)》檢測項目。國家標準方法(GT/T15441-1995)發光菌毒性檢驗的檢測方法是利用發光菌的相對發光強度進行檢驗，其檢測的是發光菌加入水樣后某個時間段的總發光度，需先測量一系列空白溶液和標準溶液，且測定過程中發光菌密度需保持一致，操作復雜、耗時和繁瑣。并且由于對發光菌的培養問題的限制，方法的實施只能在實驗室內進行。因此不可能將其用于現場連續、原位、自動化監測，極大地限制了該方法的應用范圍和領域。國內外已有許多研究機構利用發光菌毒性檢驗在水環境監測上的優勢嘗試研制發光菌傳感器用于現場連續、原位、自動化監測，但他們遇到的主要的兩個問題是1)利用相對發光強度進行檢測，傳感器必需攜帶足夠量的空白溶液和標準溶液，這對要求傳感器能長時間監測而言是難于實現的。
2)發光菌的世代時間僅有一至二小時，如何保存發光菌的長期生長和穩定發光是一個棘手的難題。
(3)發明內容本發明的目的旨在提供一種利用發光細菌作為生物傳感介質，根據其受環境因素變化刺激后所產生的光信號強度的變化以對水生態環境毒性進行現場監測的發光菌水質毒性監測傳感裝置。
本發明包括發光菌連續培養裝置，可編程時間控制器、傳感器探頭、提升泵、恒流蠕動泵及光信號檢測器和數據處理器，發光菌連續培養裝置由培養液貯備瓶及恒化器組成，培養液貯備瓶的瓶口設通氣孔，通氣孔內設空氣過濾裝置，貯備瓶設培養液出口，與恒化器的培養液入口相連通，恒化器的底部設取菌口，與恒流蠕動泵入口端連接；傳感器探頭為一帶4個連接口的四通流動腔體，其中2個連接口分別為水樣入口及廢水出口，水樣入口通過水管與提升泵輸出端連接，用于抽取待測水樣，一連接口為發光菌液注入口，由一細管連至恒流蠕動泵以將發光菌引入腔體，另一連接口置接光纖，光纖的另一端連接光信號檢測器信號輸入端用于將腔體內發光菌所產生的光信號經光纖引入檢測器檢測；提升泵及蠕動泵的控制端均連接至可編程時間控制器以控制其運轉。光信號檢測器的信號輸出端與數據處理器的數據輸入端連接，以對數據進行處理。
發光菌是一種非致病性海洋細菌，它具有發光能力。研究表明，當菌體內合成熒光酶、熒光素、長鏈脂肪酸醛時，在氧的參與下，發生生物化學反應，伴隨著反應產生光。但這種發光過程易受外界條件的影響，凡是干擾或損害細菌呼吸或生理過程的任何因素都能使細菌發光強度發生變化。當有害物質與發光菌接觸時，發光強度改變，并隨著毒物濃度的增加而發光減弱。本發明提出了一種新的發光菌毒性力學測量方法，簡化了發光菌毒性試驗方法、減少了測量步驟和試劑種類、降低了發光菌的保存條件，解決了傳感器用于現場原位在線監測的問題。其原理如下在發光菌與毒性物質接觸的生物過程中，包含了很多不同的動力學步驟，但我們可以把各種毒性物質的總和用一種毒性物質來表達(通常將Hg作為毒性指標)，而個體細菌間的相互作用不影響整個動力學過程，因此反應的速率方程可表達為 或r＝k[B][T]即發光菌衰減反應的速率r與[B]和[T]成正比。[B]為發光菌濃度，[T]是毒性物質濃度，k是反應的速率常數。對于所研究的流通池體系，VT≥VB毒性物質的濃度在反應前后是固定不變的。因此在測量過程中r∝[T]，相應的毒性物質濃度對應一個反應速率。
又有 其中kT＝k[T]，因此只需測量kT就可反映毒性物質的濃度。
若用發光強度表達，因為 ，發光菌濃度[B]可通過測量發光菌的光或I來測定，因此有dIdt=-kTIΛΛ---(1)]]>對式(1)積分∫dItIt=∫-kTdtΛΛ---(2)]]>求得微分方程的結果為It＝I0e(-kTt)ΛΛ(3)因此通過測量It對t作圖。反應的速率常數KT可通過擬合曲線求出，從而測出[T]毒物濃度。kT反映了毒性物質對發光菌的影響，是衡量待測毒物濃度的重要參數。因此在實驗中我們只要測量一定量發光菌進入樣品后其強度隨時間變化的動力學曲線，通過數學擬合獲得該動力學曲線指數，并由此判定水質的毒性濃度。根據發光菌法測定水質毒性的分級標準(表1)，在實驗中對相應濃度的氯化汞溶液進行反復測試，以獲得相應濃度下的動力學曲線指數，用統計學方法確定水質毒性的指數范圍。測定實際樣品時即可使用相同的方法先測出水樣的動力學曲線指數，然后根據其所落入的指數范圍確定該水樣的毒性等級。
表1 發光菌法測定水質毒性的分級標準毒性等級 Hg(mg/L) 毒性級別I ＜0.07低毒II0.07～0.09中毒III 0.09～0.12重毒IV0.12～0.16高毒V ＞0.16劇毒本發明利用發光菌水體毒性檢測方法具有的綜合性評價方面的優點，以發光細菌作為生物傳感介質，根據其光信號強度的變化達到對水生態環境毒性進行現場監測的目的。由于通過本裝置所獲信息值即為水質毒性狀態，靈敏度高，抗惡劣環境能力較強，可廣泛布放于近海海域、河口水域及排污口等在環境政策中需嚴密監視的場所。本發明所依據的檢測方法在原理上與國家標準方法(GT/T15441-1995)相同，但其檢測的是發光菌加入水樣后整個過程的發光度動態曲線的擬合指數，在檢測過程中不需要測定空白與標準溶液，發光菌密度對測定影響較小，可用于現場、連續、原位、自動化監測，且檢測時間短。
(4)


圖1為本發明系統示意圖。
圖2為發光菌連續培養裝置示意圖。
圖3為傳感器探頭示意圖。
下面通過實施例對本發明做進一步說明。
(5)具體實施方式
參見圖1，本發明包括發光菌連續培養裝置1、可編程時間控制器3、傳感器探頭5、恒流蠕動泵2、提升泵4及光信號檢測器6和數據處理器7，見圖2，發光菌連接培養裝置由培養液貯備瓶11及恒化器12組成，貯備瓶11的瓶口設通氣孔111，通氣孔111內置設棉球112作為空氣過濾裝置，貯備瓶11上培養液出口由管道13連接至恒化器12的培養液入口121，恒化器的底部設取菌口122，由管道14連至恒流里面蠕動泵2的入口端，恒化器12內裝明亮發光菌菌液，培養液貯備瓶11體積可根據需要設定，一般為300～500ml(可供傳感器使用一至二個月)，內裝培養液，培養液配方如下甘油1.0％，牛肉膏1.0％，蛋白胨2.0％，酵母膏0.3％，NaCl3.0％，CaCO30.5％，pH6.9。使用時，恒化器12中400μl的發光菌液被恒流蠕動泵2抽往傳感器探頭5用于測定，恒化器12中形成負壓，使培養液貯備瓶11中的培養液以相同體積被移入恒化器12中，如此周而復始，傳感器探頭5可長期獲得密度較高的發光菌液用于檢測，而恒化器12中不斷有舊的菌液流出，有新的新鮮培養液加入，使發光菌可長期保持在指數和穩定期的平衡生長狀態和穩定的生長速率上。根據溫度對發光菌生長的世代時間的影響和實際海水溫度情況，一個循環周期為0.5～1小時，若需要增加檢測頻率和縮短周期，可以通過增加恒化器的體積來實現。見圖3，傳感器探頭5主體為不銹鋼材料制作的四通的流動腔體，光纖51的一端插入該腔體的一個連接口52，而光纖的另一端與光信號檢測器6的光電倍增管窗相連接，用于將腔體內產生的發光信號經光纖引入光電倍增管檢測；流動腔體的另兩個連接口53、54分別與進水管531、出水管541聯接，進水管531與一臺提升泵4相聯，用于抽取待測水樣；腔體的另一連接口55為發光菌液注入口55，它通過一根細管551連至蠕動泵2將發光菌引入腔體。提升泵4、蠕動泵2均由可編程時間控制器3控制其自動運轉。
光信號檢測器6的光電倍增管接收發光菌通過光纖傳輸的信號，并通過信號放大器將信號放大，然后通過模數轉換器將模擬信號轉換為數字信號，再經計數積分模塊將一定時間間隔的信號進行計數積分，最后，積分信號由計算機采樣卡導入數據處理器7進行數據處理，將處理后的數據與預先測定的動力學曲線指數相比較，即可確定其毒性等級。光信號檢測器采用上海上立分析儀器廠的生物發光檢測儀；數據處理器為486計算機。
權利要求
1.發光菌水質毒性監測傳感裝置，其特征在于包括發光菌連續培養裝置，可編程時間控制器、傳感器探頭、提升泵、恒流蠕動泵、光信號檢測器和數據處理器，發光菌連續培養裝置由培養液貯備瓶及恒化器組成，貯備瓶設培養液出口，與恒化器的培養液入口相連通，恒化器的底部設取菌口，與恒流蠕動泵入口端連接；傳感器探頭為一帶4個連接口的四通流動腔體，其中2個連接口分別為水樣入口及廢水出口，水樣入口與提升泵輸出端連接，一連接口為發光菌液注入口，與恒流蠕動泵輸出端相連，另一連接口置接光纖，光纖的另一端連接光信號檢測器信號輸入端，光信號檢測器的信號輸出端與數據處理器的數據輸入端連接；提升泵及恒流蠕動泵的控制端連接可編程時間控制器。
2.如權利要求1所述的發光菌水質毒性監測傳感裝置，其特征在于貯備瓶的瓶口設通氣孔。
3.如權利要求1和2所述的發光菌水質毒性監測傳感裝置，其特征在于貯備瓶瓶口的通氣孔內設空氣過濾裝置。
4.如權利要求3所述的發光菌水質毒性監測傳感裝置，其特征在于所說的空氣過濾裝置為棉球。
全文摘要
涉及一種利用水生生物對水生態環境毒性進行監測的裝置。包括發光菌連續培養裝置,可編程時間控制器、傳感器探頭、提升泵、恒流蠕動泵、光信號檢測器和數據處理器。以發光細菌作為生物傳感介質,根據檢測其加入被測水樣后整個過程的光信號強度變化的發光度動態曲線擬合指數,以確定所測水樣的毒性等級。可用于現場、連續、原位、自動化監測,檢測時間短,可廣泛布放于近海海域、河口水域及排污口等環境政策中需嚴密監視的場所。
文檔編號C12Q1/02GK1343888SQ0113720
公開日2002年4月10日 申請日期2001年10月19日 優先權日2001年10月19日
發明者莊峙廈, 王小如 申請人:廈門大學