本發(fā)明涉及一種利用水生生物回避行為反應監(jiān)測水質(zhì)變化的在線水質(zhì)預警監(jiān)控系統(tǒng)及方法，屬于水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領域。

背景技術(shù)：

水體污染事故近年來頻繁發(fā)生，因而對水質(zhì)的持續(xù)在線監(jiān)測是非常必要的。為實現(xiàn)污染物快速準確監(jiān)測的目的，獲取水質(zhì)安全事故發(fā)生發(fā)展過程的關(guān)鍵信息，我們需要符合管理需求的水質(zhì)安全監(jiān)測技術(shù)和預警體系。由于常規(guī)的水質(zhì)在線理化檢測技術(shù)在水體突發(fā)性污染事故在線監(jiān)測方面的具有局限性,而生物監(jiān)測技術(shù)是通過生物傳感器監(jiān)測水體內(nèi)受試水生生物不同水平上的生物學指標變化，可以進行實時連續(xù)監(jiān)測，是在線理化監(jiān)測技術(shù)的有益補充，所以監(jiān)測水體中生物學指標變化的方法得以推廣應用。

水生生物回避行為，是水生生物受到外界環(huán)境刺激而引起的短期的逃避行為，表現(xiàn)為劇烈的行為反應。環(huán)境中理化條件的惡化、水的變質(zhì)、遭受敵害等等，都能讓水生生物發(fā)生短期的轉(zhuǎn)移與逃避。利用水生生物回避行為反應的特性可實現(xiàn)水質(zhì)污染事故的早期預警。為此，我們提出一種利用水生生物回避行為反應監(jiān)測水質(zhì)變化的在線水質(zhì)預警監(jiān)控系統(tǒng)及方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題克服現(xiàn)有的缺陷，提供一種利用水生生物回避行為反應監(jiān)測水質(zhì)變化的在線水質(zhì)預警監(jiān)控系統(tǒng)及方法，可以有效解決背景技術(shù)中的問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種利用水生生物回避行為反應監(jiān)測水質(zhì)變化的在線水質(zhì)預警監(jiān)控系統(tǒng)，包括受試生物和生物行為傳感器，所述受試生物放置于生物行為傳感器內(nèi)，所述生物行為傳感器裝有兩組電極，每組電極都由連接在信號采集裝置上的信號發(fā)射電極和信號接收電極組成；信號發(fā)射電極給測試管內(nèi)形成一個高頻低壓交流電場，當被監(jiān)測的受試生物在側(cè)試管內(nèi)的運動導致低壓電場發(fā)生變化以后，信號接收電極能夠感應電場的變化，然后通過信號接收電極接收測試管內(nèi)由信號發(fā)射電極形成的電信號變化，并經(jīng)信號采集裝置采集處理后，對應受試生物行為反應，得出在一定環(huán)境內(nèi)暴露的生物多個運動行為參數(shù)的變化。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述受試生物為標準模式生物，以高頻低壓電信號生物行為傳感器實時在線監(jiān)測水生生物行為變化，可實現(xiàn)多通道連續(xù)實時、在線在位預警監(jiān)控生物中毒早期癥狀。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述高頻低壓電信號生物行為傳感器是通過生物行為傳感器提取被監(jiān)測水體內(nèi)的受試生物行為信號中的特異性特征，以確定特征性行為與水質(zhì)變化的聯(lián)系。

一種利用水生生物回避行為反應監(jiān)測水質(zhì)變化的在線水質(zhì)預警監(jiān)控系統(tǒng)方法，其具體步驟包括：

1)受試生物選擇與培養(yǎng)：

受試水生生物選擇：出生后24～72小時(優(yōu)選48小時)的被監(jiān)測水源原生種的水生生物幼體，在實驗室內(nèi)使用常規(guī)的標準水培養(yǎng)進化至少三代以上，作為受試水生生物使用；或出生后24～72小時(優(yōu)選48小時)的標準模式生物幼體，直接作為受試水生生物使用；或被監(jiān)測水源原生種在實驗室內(nèi)使用常規(guī)的標準水培養(yǎng)進化至少三代以上，將標其成熟體作為受試水生生物使用；或?qū)藴誓Ｊ缴锍墒祗w作為受試水生生物使用；

所述的被監(jiān)測水源原生種包括水生無脊椎動物和脊椎動物，其中無脊椎動物主要選擇節(jié)肢動物，如蝦、溞類等，脊椎動物主要選擇成體體長為4厘米左右的魚類；

所述的被監(jiān)測水源標準模式生物包括無脊椎動物的蝦、溞類以及脊椎動物的青鳉魚、稀有鮈鯽和斑馬魚；

2）在被監(jiān)測水體的流速為30l/小時，濁度小于10.0ntu，監(jiān)測環(huán)境噪音低于50分貝，光照周期與自然光照一致的條件下，通過生物行為傳感器監(jiān)測受試生物的周期性的行為規(guī)律；

所述的受試生物的周期性的行為規(guī)律包括周期性呼吸運動或循環(huán)出現(xiàn)的典型行為活動(游動、擺動、翻轉(zhuǎn)等)；

3）與標準的正常水體內(nèi)同種受試生物的行為生態(tài)學變化曲線進行對照比較，并通過查分濾除及模式識別方法得到正常的行為變化，即得到被監(jiān)測水源中該受試生物行為強度相對變化值；

本發(fā)明所達到的有益效果是：一種利用水生生物回避行為反應監(jiān)測水質(zhì)變化的在線水質(zhì)預警監(jiān)控系統(tǒng)及方法，克服了理化分析不能夠直接反映水質(zhì)狀況，尤其是未知化學物質(zhì)的毒性，以及生物評估方法缺乏對于需要及時監(jiān)測的突發(fā)性污染事故的實時監(jiān)測和實時在線預警的缺陷，也克服了傳統(tǒng)的水質(zhì)理化分析和生物監(jiān)測監(jiān)預警結(jié)果滯后性的特點，實現(xiàn)了原位、在線和實時的在線生物監(jiān)測，并且可以對水體的未知污染物進行預警，對于研究環(huán)境污染，尤其是突發(fā)性、劇烈的事故性變化具有非常重要的預警監(jiān)控作用。

附圖說明

附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。

在附圖中：

圖1是本發(fā)明的在線水質(zhì)預警監(jiān)控系統(tǒng)方法采用的生物行為傳感器的示意圖；

圖2為在不同濃度的有機磷農(nóng)藥對硫磷脅迫下，回避行為的傳感器中水生生物(青鳉魚)的運動行為強度變化圖；圖中橫坐標為暴露時間，單位是小時(h)，縱坐標為青鳉魚行為強度；

圖3為在監(jiān)測水生生物回避行為的生物行為傳感器中，無污染對照水體的水生生物運動行為變化圖；圖中橫坐標為暴露時間，單位是小時(h)，縱坐標為青鳉魚行為強度；

圖4水生生物環(huán)境脅迫閾值模型，行為增強階段即為回避行為開始階段；

圖5為在污染物脅迫下水生生物回避行為反應趨勢圖，圖中橫坐標為暴露時間，縱坐標為水生生物行為變化趨勢；

圖中標號：1、信號發(fā)射電極；2、信號接收電極。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例：請參閱圖1-5，本發(fā)明一種利用水生生物回避行為反應監(jiān)測水質(zhì)變化的在線水質(zhì)預警監(jiān)控系統(tǒng)，包括受試生物和生物行為傳感器，所述受試生物放置于生物行為傳感器內(nèi)，所述生物行為傳感器裝有兩組電極，每組電極都由連接在信號采集裝置上的信號發(fā)射電極1和信號接收電極2組成；信號發(fā)射電極1給測試管內(nèi)形成一個高頻低壓交流電場，當被監(jiān)測的受試生物在側(cè)試管內(nèi)的運動導致低壓電場發(fā)生變化以后，信號接收電極2能夠感應電場的變化，然后通過信號接收電極2接收測試管內(nèi)由信號發(fā)射電極1形成的電信號變化，并經(jīng)信號采集裝置采集處理后，對應受試生物行為反應，得出在一定環(huán)境內(nèi)暴露的生物多個運動行為參數(shù)的變化。

所述受試生物為標準模式生物，以高頻低壓電信號生物行為傳感器實時在線監(jiān)測水生生物行為變化，可實現(xiàn)多通道連續(xù)實時、在線在位預警監(jiān)控生物中毒早期癥狀，所述高頻低壓電信號生物行為傳感器是通過生物行為傳感器提取被監(jiān)測水體內(nèi)的受試生物行為信號中的特異性特征，以確定特征性行為與水質(zhì)變化的聯(lián)系。

一種利用水生生物回避行為反應監(jiān)測水質(zhì)變化的在線水質(zhì)預警監(jiān)控系統(tǒng)方法，其具體步驟包括：

1)受試生物選擇與培養(yǎng)：

受試水生生物選擇：出生后24～72小時(優(yōu)選48小時)的被監(jiān)測水源原生種的水生生物幼體，在實驗室內(nèi)使用常規(guī)的標準水培養(yǎng)進化至少三代以上，作為受試水生生物使用；或出生后24～72小時(優(yōu)選48小時)的標準模式生物幼體，直接作為受試水生生物使用；或被監(jiān)測水源原生種在實驗室內(nèi)使用常規(guī)的標準水培養(yǎng)進化至少三代以上，將標其成熟體作為受試水生生物使用；或?qū)藴誓Ｊ缴锍墒祗w作為受試水生生物使用；

所述的被監(jiān)測水源原生種包括水生無脊椎動物和脊椎動物，其中無脊椎動物主要選擇節(jié)肢動物，如蝦、溞類等，脊椎動物主要選擇成體體長為4厘米左右的魚類；

所述的被監(jiān)測水源標準模式生物包括無脊椎動物的蝦、溞類以及脊椎動物的青鳉魚、稀有鮈鯽和斑馬魚；

2）在被監(jiān)測水體的流速為30l/小時，濁度小于10.0ntu，監(jiān)測環(huán)境噪音低于50分貝，光照周期與自然光照一致的條件下，通過生物行為傳感器監(jiān)測受試生物的周期性的行為規(guī)律；

所述的受試生物的周期性的行為規(guī)律包括周期性呼吸運動或循環(huán)出現(xiàn)的典型行為活動(游動、擺動、翻轉(zhuǎn)等)；

3）與標準的正常水體內(nèi)同種受試生物的行為生態(tài)學變化曲線進行對照比較，并通過查分濾除及模式識別方法得到正常的行為變化，即得到被監(jiān)測水源中該受試生物行為強度相對變化值；

需要說明的是，本發(fā)明為一種利用水生生物回避行為反應監(jiān)測水質(zhì)變化的在線水質(zhì)預警監(jiān)控系統(tǒng)及方法：

如圖1所示，生物行為傳感器設置兩個監(jiān)測區(qū)域，檢測時，在兩個監(jiān)測區(qū)域中，一個監(jiān)測區(qū)域中放受試生物，另一個監(jiān)測區(qū)域中不放，這樣兩監(jiān)測區(qū)域所感應到的信號差即是受試生物的行為變化，排除了外界環(huán)境的影響，確保檢測精度。

每個監(jiān)測區(qū)域中所使用的兩對電極的結(jié)構(gòu)一致，其中一對作為信號發(fā)射電極1，另一對作為信號接收電極2，電極呈圓弧形，貼合安裝在監(jiān)測區(qū)域的內(nèi)壁上，并且電極覆蓋除電極之間的空隙以外的整個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)壁，這就使得電場分布均勻且更加靈敏，接收頻率更廣。

每個監(jiān)測區(qū)域中一對電極連接高頻低壓電流（此為信號發(fā)射電極1），從而在管內(nèi)形成一個低壓電場；另一對電極連接信號采集器，為感應電極（此為信號接收電極2）。

進行監(jiān)測時，在生物行為傳感器內(nèi)均放置3個受試生物(本實施例中選用3個月成熟青鳉魚作為受試生物)，并將被監(jiān)測水體(使用1tu有機磷對硫磷作為突發(fā)性的污染源)和對照水體分別通入本發(fā)明的在線水質(zhì)預警監(jiān)控系統(tǒng)方法的8通道生物行為傳感器中（六通道為監(jiān)測水體，兩通道為對照水體）；水質(zhì)監(jiān)測起始時期，每個傳感器內(nèi)放置的青鳉魚保持數(shù)量和個體大小的一致，青鳉魚產(chǎn)生的行為強度相當；當被監(jiān)測水體被污染后，青鳉魚首先會通過行為調(diào)節(jié)的方式努力使自己適應受污染的環(huán)境，其回避行為作為水生生物對水環(huán)境污染所產(chǎn)生的首要行為變化，是對環(huán)境污染的第一反應，青鳉魚主動避開受污染的水域，游向未受污染的清潔水區(qū)；青鳉魚的運動行為變化導致測試管內(nèi)接正旋低壓交流電電極(信號發(fā)射電極1)形成的低壓交流電場發(fā)生變化，被安裝傳感器中的信號接受電極2接收到以后，以電信號方式傳輸?shù)叫盘柌杉b置，一組生物回避行為傳感器形成的監(jiān)測單元內(nèi)，被監(jiān)測水體內(nèi)青鳉魚運動行為變化形成的電信號與正常水體內(nèi)青鳉魚運動行為變化形成的電信號進行差分濾除，得到生物相對回避行為變化：

根據(jù)30分鐘內(nèi)收集到的8通道受試生物行為變化，設定如下行為變化及其臨界數(shù)值：

每組生物回避行為傳感器對照水體測試管內(nèi)平均受試生物行為變化強度b；

每組生物回避行為傳感器被監(jiān)測污染水體測試管內(nèi)受試生物平均行為變化強度bc；

被監(jiān)測水體導致的6組平行生物回避行為傳感器中，平均受試生物行為變化強度bc與b相比，差異超過一定程度的比例。

最近30分鐘收集到的8組受試生物行為變化中，如果：

(bc-b)/b＞30％，水質(zhì)預警為紅色警報，此時水質(zhì)可能為嚴重污染；

(bc-b)/b＞20％，且(bc-b)/b＜30％水質(zhì)預警為橙色預警，此時水質(zhì)可能為輕度污染；

(bc-b)/b≤20％，此時水質(zhì)可能為安全。

除此以外，被監(jiān)測水體水質(zhì)在最近30分鐘監(jiān)測期間為正常水質(zhì)，可視信號為水質(zhì)安全。

如圖2所示，在不同濃度的有機磷農(nóng)藥對硫磷脅迫下，生物行為傳感器青鳉魚的運動行為強度變化圖；圖中橫坐標為暴露時間，單位是小時(h)，縱坐標為青鳉魚行為強度。結(jié)果顯示，青鳉魚在被監(jiān)測水體內(nèi)的運動行為變化是逐漸降低的。

如圖3所示的在監(jiān)測水生生物回避行為的傳感器中，無污染對照水體青鳉魚的運動行為基本維持在同一行為強度。

最后應說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。