儀器行業(yè)應用解決方案
水質生物毒性的新監(jiān)測技術探討
摘 要：隨著社會的發(fā)展，水質生物毒性已經(jīng)逐步成為評價水質污染的手段之一。本文主要探討國內外新的兩種生物毒性檢測技術——**發(fā)光法及化學發(fā)光法，以及采用這兩種技術的毒性儀特點。
關鍵詞：生物毒性監(jiān)測 **發(fā)光法 化學發(fā)光法 便攜式毒性分析儀
1生物毒性監(jiān)測的必要性
隨著近代工業(yè)的發(fā)展，化學物質的使用日益增多，使人類賴以生存的水生生態(tài)系統(tǒng)受到了越來越嚴重的污染，而且突發(fā)性環(huán)境污染事故時有發(fā)生，如人為投毒、自然災害引起的水質突變，尤其是石油化工原料、產(chǎn)成品及有毒有害危險品的生產(chǎn)、儲存和運輸過程中發(fā)生的事故對環(huán)境水體所造成的污染等。這就要求我們要快速地應對各種突發(fā)性環(huán)境污染事故，盡量減少各種經(jīng)濟損失或社會影響。幾十年來，各種理化分析手段的靈敏度越來越高，大多數(shù)研究者都是關注單一污染物對生物體和生態(tài)系統(tǒng)的毒性效應，但是，環(huán)境中的生物體常常暴露于多組分污染物共存的混合體系中，而非簡單的單一體系?；旌衔矬w系產(chǎn)生的毒性效應是所有組分污染物拮抗、疊加、協(xié)同或抑制作用的綜合結果，即使混合物體系中的單一組分處于無毒性效應濃度時，該組分對混合物的總毒性效應仍有一定的貢獻【1-4】。因此，發(fā)展新的快速、準確評價各類污染物毒性的有效方法顯得非常迫切和必要。
本文在此主要對國內外新的生物毒性監(jiān)測技術進行研究和探討。
2 生物毒性監(jiān)測技術
環(huán)境中有毒物質生物毒性的測定與評價，一般用浮游生物、藻類和魚類等水生生物，以其形態(tài)、運動性、生理代謝的變化或者死亡率做指標來評價環(huán)境污染物的毒性。這些方法一度成為評價環(huán)境污染的必需手段之一，但這些方法操作都比較繁瑣，檢測時間較長，檢測費用較高，且結果不穩(wěn)定，重復性差，使其難以推廣應用，且不適于常規(guī)的檢驗，尤其是現(xiàn)場的應急監(jiān)測【5】。針對傳統(tǒng)生物毒性檢測方法的不足，以及現(xiàn)場應急監(jiān)測的需求，一些快速、簡便且經(jīng)濟的現(xiàn)代檢測方法逐步發(fā)展起來，如發(fā)光**毒性檢測方法、化學發(fā)光毒性檢測方法等。其中發(fā)光**因其獨特的生理特性，與現(xiàn)代光電檢測手段**匹配的特點而備受關注。而化學發(fā)光毒性監(jiān)測方法則是新的毒性評價技術，彌補了**發(fā)光法在現(xiàn)場中使用的一些限制性，可在時間內對突發(fā)性事件或人為破壞引起的水源地及飲用水污染事件做出評估，越來越受到各個環(huán)境領域的關注。
2.1 **發(fā)光檢測技術
發(fā)光**綜合毒性檢測技術是建立在**發(fā)光生物傳感方法基礎上的毒性檢測技術，它能有效地檢測突發(fā)性或破壞性的環(huán)境污染。發(fā)光**的發(fā)光過程是菌體內一種新陳代謝的生理過程，是光呼吸進程，是呼吸鏈上的一個側支，該光的波長在490nm左右。這種發(fā)光過程極易受到外界條件的影響，凡是干擾或損害**呼吸或生理過程的任何因素都能使**發(fā)光強度發(fā)生變化。當有毒有害物質與發(fā)光**接觸時，水樣中的毒性物質會影響發(fā)光菌的新陳代謝，發(fā)光強度的減弱與樣品毒性物質的濃度成正比。其反應機理如下列化學方程式所示：
FMNH2 +O2 + R-CHO → FMN + R-COOH + H2O + Light
概括地說，就是**生物發(fā)光反應是由分子氧作用，胞內熒光酶催化，將還原態(tài)的黃素單核苷酸（FMNH2）及長鏈脂肪醛氧化為FMN及長鏈脂肪酸，同時釋放出大發(fā)光強度在490nm左右的藍綠光【6】。
目前，發(fā)光**法已經(jīng)成為了成為一種簡單、快速的生物毒性檢測手段，廣泛應用于質檢、環(huán)境監(jiān)測、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領域，并被列入了國際標準ISO11348，我國國家標準GB/T15441-1995，德國國家標準DIN38412。在我國，目前主要是以國際ISO標準和我國的國家標準為依據(jù)，尤其是國際ISO標準。
ISO11348標準的檢測原理是，在15℃溫度下，以無毒參比溶液做對比，樣品或其稀釋溶液與Vibrio Fischeri（費氏弧菌）接觸15min或30min或5min后，測量出實際樣品對發(fā)光**的抑制率。水質的毒性水平以LID值（當抑制率降低到20%時樣品的稀釋倍數(shù)）、EC20或EC50值（造成20%或50%抑制率時樣品的濃度）表示。LID值越高，EC值越低，表明樣品的毒性越強。而我國的國家標準GB/T15441-1995采用的菌種是明亮發(fā)光桿菌T3小種，水質的毒性水平是以相當?shù)穆然瘽舛然蜻x用EC50值來表征。
2.2 常見的**發(fā)光法生物毒性儀
目前，國內外常見的快速生物毒性分析儀大多都是建立在**發(fā)光法的原理上，一般有適用于實驗室檢測的臺式毒性儀和適用于現(xiàn)場使用的便攜式毒性儀。臺式的毒性儀主要應用于實驗室中，在15℃的恒溫器中，按照ISO標準流程進行樣品的毒性分析，計算出樣品的毒性水平LID值或EC值。便攜式的毒性儀主要應用于現(xiàn)場的常規(guī)快速監(jiān)測或突發(fā)事件的應急監(jiān)測，采用簡化后的ISO標準流程進行分析，一般不配備恒溫器，檢測水樣對發(fā)光**的發(fā)光抑制率。
2.3 臺式**發(fā)光法毒性儀的對比分析
對于臺式毒性儀來說，它們的主要區(qū)別主要有：
（1） 菌種：使用不同的菌種，水中毒物對其發(fā)光過程的影響程度是不一樣的，因此，若要使數(shù)據(jù)更有權威性及可比性，一般采用符合標準的菌種。有些公司采用的菌種是ISO標準中采用的費氏弧菌Vibrio Fischeri，復蘇時間為15min；有些公司采用的菌種是我國國家標準中采用的明亮發(fā)光桿菌T3小種，復蘇時間為2min；還有些公司的毒性儀采用的菌種為鰒魚發(fā)光桿菌，其復蘇時間長達3小時。
（2） 抗干擾能力：毒性測定是通過一個光度計測定樣品的相對發(fā)光度，因此水樣的顏色或渾濁度會對檢測結果造成很大的干擾，這也是所有毒性儀在實際水樣測定中遇到的大干擾。
2.4 便攜式**發(fā)光法毒性儀的對比分析
對于便攜式毒性儀，由于應用場所是各類現(xiàn)場環(huán)境，因此大多儀器特點集中在檢測速度及其是否適合應用于各種惡劣現(xiàn)場環(huán)境中，各品牌的主要區(qū)別如下：
（1） 菌種：使用符合標準的菌種可使實驗數(shù)據(jù)具有更好的權威性及可比性。哈希公司的Eclox、使用的是ISO標準中的費氏弧菌，有些公司的毒性分析儀采用的是鰒魚發(fā)光桿菌，靈敏度高，還有些毒性儀采用的是淡水菌——青海弧菌，但是由于既不符合國際標準，也不符合我國的國家標準，因此，其數(shù)據(jù)的可比性和權威性不強。
（2） 檢測速度：現(xiàn)場應用，一般都要求檢測速度越快越好，由于使用的都是**發(fā)光法，因此操作流程基本一致。影響檢測速度的就只有菌種的準備過程了。一般來說，菌種需要經(jīng)過復蘇和稀釋過程，有些菌種長達3小時的復蘇時間對現(xiàn)場快速檢測不利。
（3） 儀器的便攜性能：在野外現(xiàn)場的工作中，儀器的小巧便攜性、堅固性及使用方便性是非常重要的。以上品牌的便攜性儀器基本上都很小巧，且都可以使用電池為電源，重量在2~3kg，并配備了便攜箱，把儀器和試劑都內置在便攜箱中，便于攜帶。這些功能都會增加現(xiàn)場使用的便捷性。
（4） 認證：對于水質的現(xiàn)場表征，USEPA不鼓勵使用那些性能（例如假陽性或假陰性）沒有經(jīng)過驗證的現(xiàn)場測試技術。哈希公司的Eclox毒性分析儀具有USEPA環(huán)境技術驗證項目（ETV）的認可。
（5） 結果表達形式：由于主要是針對在現(xiàn)場的快速篩檢，因此便攜式毒性儀基本上都是采用簡化了的ISO11348標準流程對樣品的毒性進行快速評估，一般都是測定一個樣品濃度的抑制率，即所謂的單點結果表達方式，抑制率越高，樣品溶液的毒性越強。所有的便攜式毒性儀基本上都是采用這種方式。其中的Eclox除了采用單點表達方式外，還**開發(fā)了一種獨特的類似于ISO標準的三點表達方式，且用一張獨特的色卡（見圖1和圖2），通過三個點落在不同的顏**域來判斷水樣的毒性及危險性。這種方法更直觀，令使用者更容易判定水樣的毒性強度及處理方法。
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