專利名稱：發(fā)光菌水質(zhì)毒性監(jiān)測(cè)傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用水生生物對(duì)水生態(tài)環(huán)境毒性進(jìn)行監(jiān)測(cè)的裝置。
(2)背景技術(shù)隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人類活動(dòng)的日益增長(zhǎng)，大量的有毒有害污染物被排放到湖泊、河流和海洋，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)平衡和生物體造成危害，給海洋環(huán)境造成越來(lái)越大的壓力。常規(guī)化學(xué)分析法只能對(duì)人體中有限的污染物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，難以判斷水體中各種污染物及它們之間相互作用對(duì)魚(yú)類等水生生物的實(shí)際毒性。因此采用水生生物進(jìn)行環(huán)境樣品的毒性檢驗(yàn)成為評(píng)價(jià)環(huán)境污染的必需手段之一。目前已有許多生物學(xué)方法用于水體毒性的綜合性評(píng)價(jià)，水生生物毒性實(shí)驗(yàn)通常采用浮游生物、藻類和魚(yú)的急慢性毒性測(cè)試，但由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高，不宜用作常規(guī)檢驗(yàn)。其中魚(yú)體毒性試驗(yàn)是最為直接的傳統(tǒng)方法。因受試驗(yàn)用魚(yú)和試驗(yàn)條件的限制，且試驗(yàn)周期長(zhǎng)、操作繁瑣，用魚(yú)體毒性試驗(yàn)監(jiān)測(cè)水體毒性很難滿足標(biāo)準(zhǔn)化的要求。因此近年來(lái)傾向于發(fā)展一些快速、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的方法。發(fā)光菌毒性檢驗(yàn)就是符合這些要求的毒性檢驗(yàn)方法之一。發(fā)光菌毒性測(cè)試中應(yīng)用最廣泛的是海洋發(fā)光細(xì)菌(Photobacterium phosporum)，成套方法一般稱為Microtox檢驗(yàn)。近年該方法已列入我國(guó)《環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范——生物監(jiān)測(cè)(水環(huán)境部分)》檢測(cè)項(xiàng)目。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法(GT/T15441-1995)發(fā)光菌毒性檢驗(yàn)的檢測(cè)方法是利用發(fā)光菌的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)，其檢測(cè)的是發(fā)光菌加入水樣后某個(gè)時(shí)間段的總發(fā)光度，需先測(cè)量一系列空白溶液和標(biāo)準(zhǔn)溶液，且測(cè)定過(guò)程中發(fā)光菌密度需保持一致，操作復(fù)雜、耗時(shí)和繁瑣。并且由于對(duì)發(fā)光菌的培養(yǎng)問(wèn)題的限制，方法的實(shí)施只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。因此不可能將其用于現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)、原位、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，極大地限制了該方法的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外已有許多研究機(jī)構(gòu)利用發(fā)光菌毒性檢驗(yàn)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)上的優(yōu)勢(shì)嘗試研制發(fā)光菌傳感器用于現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)、原位、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，但他們遇到的主要的兩個(gè)問(wèn)題是1)利用相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，傳感器必需攜帶足夠量的空白溶液和標(biāo)準(zhǔn)溶液，這對(duì)要求傳感器能長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)而言是難于實(shí)現(xiàn)的。
2)發(fā)光菌的世代時(shí)間僅有一至二小時(shí)，如何保存發(fā)光菌的長(zhǎng)期生長(zhǎng)和穩(wěn)定發(fā)光是一個(gè)棘手的難題。
(3)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的旨在提供一種利用發(fā)光細(xì)菌作為生物傳感介質(zhì)，根據(jù)其受環(huán)境因素變化刺激后所產(chǎn)生的光信號(hào)強(qiáng)度的變化以對(duì)水生態(tài)環(huán)境毒性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的發(fā)光菌水質(zhì)毒性監(jiān)測(cè)傳感裝置。
本發(fā)明包括發(fā)光菌連續(xù)培養(yǎng)裝置，可編程時(shí)間控制器、傳感器探頭、提升泵、恒流蠕動(dòng)泵及光信號(hào)檢測(cè)器和數(shù)據(jù)處理器，發(fā)光菌連續(xù)培養(yǎng)裝置由培養(yǎng)液貯備瓶及恒化器組成，培養(yǎng)液貯備瓶的瓶口設(shè)通氣孔，通氣孔內(nèi)設(shè)空氣過(guò)濾裝置，貯備瓶設(shè)培養(yǎng)液出口，與恒化器的培養(yǎng)液入口相連通，恒化器的底部設(shè)取菌口，與恒流蠕動(dòng)泵入口端連接；傳感器探頭為一帶4個(gè)連接口的四通流動(dòng)腔體，其中2個(gè)連接口分別為水樣入口及廢水出口，水樣入口通過(guò)水管與提升泵輸出端連接，用于抽取待測(cè)水樣，一連接口為發(fā)光菌液注入口，由一細(xì)管連至恒流蠕動(dòng)泵以將發(fā)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(hào)檢測(cè)器信號(hào)輸入端用于將腔體內(nèi)發(fā)光菌所產(chǎn)生的光信號(hào)經(jīng)光纖引入檢測(cè)器檢測(cè)；提升泵及蠕動(dòng)泵的控制端均連接至可編程時(shí)間控制器以控制其運(yùn)轉(zhuǎn)。光信號(hào)檢測(cè)器的信號(hào)輸出端與數(shù)據(jù)處理器的數(shù)據(jù)輸入端連接，以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
發(fā)光菌是一種非致病性海洋細(xì)菌，它具有發(fā)光能力。研究表明，當(dāng)菌體內(nèi)合成熒光酶、熒光素、長(zhǎng)鏈脂肪酸醛時(shí)，在氧的參與下，發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，伴隨著反應(yīng)產(chǎn)生光。但這種發(fā)光過(guò)程易受外界條件的影響，凡是干擾或損害細(xì)菌呼吸或生理過(guò)程的任何因素都能使細(xì)菌發(fā)光強(qiáng)度發(fā)生變化。當(dāng)有害物質(zhì)與發(fā)光菌接觸時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度改變，并隨著毒物濃度的增加而發(fā)光減弱。本發(fā)明提出了一種新的發(fā)光菌毒性力學(xué)測(cè)量方法，簡(jiǎn)化了發(fā)光菌毒性試驗(yàn)方法、減少了測(cè)量步驟和試劑種類、降低了發(fā)光菌的保存條件，解決了傳感器用于現(xiàn)場(chǎng)原位在線監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。其原理如下在發(fā)光菌與毒性物質(zhì)接觸的生物過(guò)程中，包含了很多不同的動(dòng)力學(xué)步驟，但我們可以把各種毒性物質(zhì)的總和用一種毒性物質(zhì)來(lái)表達(dá)(通常將Hg作為毒性指標(biāo))，而個(gè)體細(xì)菌間的相互作用不影響整個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，因此反應(yīng)的速率方程可表達(dá)為 或r＝k[B][T]即發(fā)光菌衰減反應(yīng)的速率r與[B]和[T]成正比。[B]為發(fā)光菌濃度，[T]是毒性物質(zhì)濃度，k是反應(yīng)的速率常數(shù)。對(duì)于所研究的流通池體系，VT≥VB毒性物質(zhì)的濃度在反應(yīng)前后是固定不變的。因此在測(cè)量過(guò)程中r∝[T]，相應(yīng)的毒性物質(zhì)濃度對(duì)應(yīng)一個(gè)反應(yīng)速率。
又有 其中kT＝k[T]，因此只需測(cè)量kT就可反映毒性物質(zhì)的濃度。
若用發(fā)光強(qiáng)度表達(dá)，因?yàn)?，發(fā)光菌濃度[B]可通過(guò)測(cè)量發(fā)光菌的光或I來(lái)測(cè)定，因此有dIdt=-kTIΛΛ---(1)]]>對(duì)式(1)積分∫dItIt=∫-kTdtΛΛ---(2)]]>求得微分方程的結(jié)果為It＝I0e(-kTt)ΛΛ(3)因此通過(guò)測(cè)量It對(duì)t作圖。反應(yīng)的速率常數(shù)KT可通過(guò)擬合曲線求出，從而測(cè)出[T]毒物濃度。kT反映了毒性物質(zhì)對(duì)發(fā)光菌的影響，是衡量待測(cè)毒物濃度的重要參數(shù)。因此在實(shí)驗(yàn)中我們只要測(cè)量一定量發(fā)光菌進(jìn)入樣品后其強(qiáng)度隨時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)曲線，通過(guò)數(shù)學(xué)擬合獲得該動(dòng)力學(xué)曲線指數(shù)，并由此判定水質(zhì)的毒性濃度。根據(jù)發(fā)光菌法測(cè)定水質(zhì)毒性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)相應(yīng)濃度的氯化汞溶液進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，以獲得相應(yīng)濃度下的動(dòng)力學(xué)曲線指數(shù)，用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定水質(zhì)毒性的指數(shù)范圍。測(cè)定實(shí)際樣品時(shí)即可使用相同的方法先測(cè)出水樣的動(dòng)力學(xué)曲線指數(shù)，然后根據(jù)其所落入的指數(shù)范圍確定該水樣的毒性等級(jí)。
表1 發(fā)光菌法測(cè)定水質(zhì)毒性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)毒性等級(jí) Hg(mg/L) 毒性級(jí)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(fā)明利用發(fā)光菌水體毒性檢測(cè)方法具有的綜合性評(píng)價(jià)方面的優(yōu)點(diǎn)，以發(fā)光細(xì)菌作為生物傳感介質(zhì)，根據(jù)其光信號(hào)強(qiáng)度的變化達(dá)到對(duì)水生態(tài)環(huán)境毒性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的目的。由于通過(guò)本裝置所獲信息值即為水質(zhì)毒性狀態(tài)，靈敏度高，抗惡劣環(huán)境能力較強(qiáng)，可廣泛布放于近海海域、河口水域及排污口等在環(huán)境政策中需嚴(yán)密監(jiān)視的場(chǎng)所。本發(fā)明所依據(jù)的檢測(cè)方法在原理上與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法(GT/T15441-1995)相同，但其檢測(cè)的是發(fā)光菌加入水樣后整個(gè)過(guò)程的發(fā)光度動(dòng)態(tài)曲線的擬合指數(shù)，在檢測(cè)過(guò)程中不需要測(cè)定空白與標(biāo)準(zhǔn)溶液，發(fā)光菌密度對(duì)測(cè)定影響較小，可用于現(xiàn)場(chǎng)、連續(xù)、原位、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，且檢測(cè)時(shí)間短。
(4)


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)示意圖。
圖2為發(fā)光菌連續(xù)培養(yǎng)裝置示意圖。
圖3為傳感器探頭示意圖。
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
(5)具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖1，本發(fā)明包括發(fā)光菌連續(xù)培養(yǎng)裝置1、可編程時(shí)間控制器3、傳感器探頭5、恒流蠕動(dòng)泵2、提升泵4及光信號(hào)檢測(cè)器6和數(shù)據(jù)處理器7，見(jiàn)圖2，發(fā)光菌連接培養(yǎng)裝置由培養(yǎng)液貯備瓶11及恒化器12組成，貯備瓶11的瓶口設(shè)通氣孔111，通氣孔111內(nèi)置設(shè)棉球112作為空氣過(guò)濾裝置，貯備瓶11上培養(yǎng)液出口由管道13連接至恒化器12的培養(yǎng)液入口121，恒化器的底部設(shè)取菌口122，由管道14連至恒流里面蠕動(dòng)泵2的入口端，恒化器12內(nèi)裝明亮發(fā)光菌菌液，培養(yǎng)液貯備瓶11體積可根據(jù)需要設(shè)定，一般為300～500ml(可供傳感器使用一至二個(gè)月)，內(nèi)裝培養(yǎng)液，培養(yǎng)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(shí)，恒化器12中400μl的發(fā)光菌液被恒流蠕動(dòng)泵2抽往傳感器探頭5用于測(cè)定，恒化器12中形成負(fù)壓，使培養(yǎng)液貯備瓶11中的培養(yǎng)液以相同體積被移入恒化器12中，如此周而復(fù)始，傳感器探頭5可長(zhǎng)期獲得密度較高的發(fā)光菌液用于檢測(cè)，而恒化器12中不斷有舊的菌液流出，有新的新鮮培養(yǎng)液加入，使發(fā)光菌可長(zhǎng)期保持在指數(shù)和穩(wěn)定期的平衡生長(zhǎng)狀態(tài)和穩(wěn)定的生長(zhǎng)速率上。根據(jù)溫度對(duì)發(fā)光菌生長(zhǎng)的世代時(shí)間的影響和實(shí)際海水溫度情況，一個(gè)循環(huán)周期為0.5～1小時(shí)，若需要增加檢測(cè)頻率和縮短周期，可以通過(guò)增加恒化器的體積來(lái)實(shí)現(xiàn)。見(jiàn)圖3，傳感器探頭5主體為不銹鋼材料制作的四通的流動(dòng)腔體，光纖51的一端插入該腔體的一個(gè)連接口52，而光纖的另一端與光信號(hào)檢測(cè)器6的光電倍增管窗相連接，用于將腔體內(nèi)產(chǎn)生的發(fā)光信號(hào)經(jīng)光纖引入光電倍增管檢測(cè)；流動(dòng)腔體的另兩個(gè)連接口53、54分別與進(jìn)水管531、出水管541聯(lián)接，進(jìn)水管531與一臺(tái)提升泵4相聯(lián)，用于抽取待測(cè)水樣；腔體的另一連接口55為發(fā)光菌液注入口55，它通過(guò)一根細(xì)管551連至蠕動(dòng)泵2將發(fā)光菌引入腔體。提升泵4、蠕動(dòng)泵2均由可編程時(shí)間控制器3控制其自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。
光信號(hào)檢測(cè)器6的光電倍增管接收發(fā)光菌通過(guò)光纖傳輸?shù)男盘?hào)，并通過(guò)信號(hào)放大器將信號(hào)放大，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)計(jì)數(shù)積分模塊將一定時(shí)間間隔的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)積分，最后，積分信號(hào)由計(jì)算機(jī)采樣卡導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理器7進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理后的數(shù)據(jù)與預(yù)先測(cè)定的動(dòng)力學(xué)曲線指數(shù)相比較，即可確定其毒性等級(jí)。光信號(hào)檢測(cè)器采用上海上立分析儀器廠的生物發(fā)光檢測(cè)儀；數(shù)據(jù)處理器為486計(jì)算機(jī)。
權(quán)利要求
1.發(fā)光菌水質(zhì)毒性監(jiān)測(cè)傳感裝置，其特征在于包括發(fā)光菌連續(xù)培養(yǎng)裝置，可編程時(shí)間控制器、傳感器探頭、提升泵、恒流蠕動(dòng)泵、光信號(hào)檢測(cè)器和數(shù)據(jù)處理器，發(fā)光菌連續(xù)培養(yǎng)裝置由培養(yǎng)液貯備瓶及恒化器組成，貯備瓶設(shè)培養(yǎng)液出口，與恒化器的培養(yǎng)液入口相連通，恒化器的底部設(shè)取菌口，與恒流蠕動(dòng)泵入口端連接；傳感器探頭為一帶4個(gè)連接口的四通流動(dòng)腔體，其中2個(gè)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(fā)光菌液注入口，與恒流蠕動(dòng)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(hào)檢測(cè)器信號(hào)輸入端，光信號(hào)檢測(cè)器的信號(hào)輸出端與數(shù)據(jù)處理器的數(shù)據(jù)輸入端連接；提升泵及恒流蠕動(dòng)泵的控制端連接可編程時(shí)間控制器。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光菌水質(zhì)毒性監(jiān)測(cè)傳感裝置，其特征在于貯備瓶的瓶口設(shè)通氣孔。
3.如權(quán)利要求1和2所述的發(fā)光菌水質(zhì)毒性監(jiān)測(cè)傳感裝置，其特征在于貯備瓶瓶口的通氣孔內(nèi)設(shè)空氣過(guò)濾裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的發(fā)光菌水質(zhì)毒性監(jiān)測(cè)傳感裝置，其特征在于所說(shuō)的空氣過(guò)濾裝置為棉球。
全文摘要
涉及一種利用水生生物對(duì)水生態(tài)環(huán)境毒性進(jìn)行監(jiān)測(cè)的裝置。包括發(fā)光菌連續(xù)培養(yǎng)裝置,可編程時(shí)間控制器、傳感器探頭、提升泵、恒流蠕動(dòng)泵、光信號(hào)檢測(cè)器和數(shù)據(jù)處理器。以發(fā)光細(xì)菌作為生物傳感介質(zhì),根據(jù)檢測(cè)其加入被測(cè)水樣后整個(gè)過(guò)程的光信號(hào)強(qiáng)度變化的發(fā)光度動(dòng)態(tài)曲線擬合指數(shù),以確定所測(cè)水樣的毒性等級(jí)?？捎糜诂F(xiàn)場(chǎng)、連續(xù)、原位、自動(dòng)化監(jiān)測(cè),檢測(cè)時(shí)間短,可廣泛布放于近海海域、河口水域及排污口等環(huán)境政策中需嚴(yán)密監(jiān)視的場(chǎng)所。
文檔編號(hào)C12Q1/02GK1343888SQ0113720
公開(kāi)日2002年4月10日 申請(qǐng)日期2001年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月19日
發(fā)明者莊峙廈, 王小如 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)