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水质生物毒性的监测技术探讨

2016-01-13, 星期三

摘 要:随着社会的发展,水质生物毒性已经逐步成为评价水质污染的手段之一。本文主要探讨国内外的两种生物毒性检测技术——细菌发光法及化学发光法,以及采用这两种技术的毒性仪特点。

关键词:生物毒性监测 细菌发光法 化学发光法 便携式毒性分析仪

1生物毒性监测的必要性

随着近代工业的发展,化学物质的使用日益增多,使人类赖以生存的水生生态系统受到了越来越严重的污染,而且突发性环境污染事故时有发生,如人为投毒、自然灾害引起的水质突变,尤其是石油化工原料、产成品及有毒有害危险品的生产、储存和运输过程中发生的事故对环境水体所造成的污染等。这就要求我们要快速地应对各种突发性环境污染事故,尽量减少各种经济损失或社会影响。几十年来,各种理化分析手段的灵敏度越来越高,大多数研究者都是关注单一污染物对生物体和生态系统的毒性效应,但是,环境中的生物体常常暴露于多组分污染物共存的混合体系中,而非简单的单一体系。混合物体系产生的毒性效应是所有组分污染物拮抗、叠加、协同或抑制作用的综合结果,即使混合物体系中的单一组分处于无毒性效应浓度时,该组分对混合物的总毒性效应仍有一定的贡献【1-4】。因此,发展新的快速、准确评价各类污染物毒性的有效方法显得非常迫切和必要。

本文在此主要对国内外的生物毒性监测技术进行研究和探讨。

2 生物毒性监测技术

环境中有毒物质生物毒性的测定与评价,一般用浮游生物、藻类和鱼类等水生生物,以其形态、运动性、生理代谢的变化或者死亡率做指标来评价环境污染物的毒性。这些方法一度成为评价环境污染的必需手段之一,但这些方法操作都比较繁琐,检测时间较长,检测费用较高,且结果不稳定,重复性差,使其难以推广应用,且不适于常规的检验,尤其是现场的应急监测【5】。针对传统生物毒性检测方法的不足,以及现场应急监测的需求,一些快速、简便且经济的现代检测方法逐步发展起来,如发光细菌毒性检测方法、化学发光毒性检测方法等。其中发光细菌因其独特的生理特性,与现代光电检测手段良好匹配的特点而备受关注。而化学发光毒性监测方法则是的毒性评价技术,弥补了细菌发光法在现场中使用的一些限制性,可在时间内对突发性事件或人为破坏引起的水源地及饮用水污染事件做出评估,越来越受到各个环境领域的关注。

2.1 细菌发光检测技术

发光细菌综合毒性检测技术是建立在细菌发光生物传感方法基础上的毒性检测技术,它能有效地检测突发性或破坏性的环境污染。发光细菌的发光过程是菌体内一种新陈代谢的生理过程,是光呼吸进程,是呼吸链上的一个侧支,该光的波长在490nm左右。这种发光过程极易受到外界条件的影响,凡是干扰或损害细菌呼吸或生理过程的任何因素都能使细菌发光强度发生变化。当有毒有害物质与发光细菌接触时,水样中的毒性物质会影响发光菌的新陈代谢,发光强度的减弱与样品毒性物质的浓度成正比。其反应机理如下列化学方程式所示:

FMNH2 +O2 + R-CHO → FMN + R-COOH + H2O + Light

概括地说,就是细菌生物发光反应是由分子氧作用,胞内荧光酶催化,将还原态的黄素单核苷酸(FMNH2)及长链脂肪醛氧化为FMN及长链脂肪酸,同时释放出发光强度在490nm左右的蓝绿光【6】。

目前,发光细菌法已经成为了成为一种简单、快速的生物毒性检测手段,广泛应用于质检、环境监测、水产养殖等领域,并被列入了国际标准ISO11348,我国国家标准GB/T15441-1995,德国国家标准DIN38412。在我国,目前主要是以国际ISO标准和我国的国家标准为依据,尤其是国际ISO标准。

ISO11348标准的检测原理是,在15℃温度下,以无毒参比溶液做对比,样品或其稀释溶液与Vibrio Fischeri(费氏弧菌)接触15min或30min或5min后,测量出实际样品对发光细菌的抑制率。水质的毒性水平以LID值(当抑制率降低到20%时样品的稀释倍数)、EC20或EC50值(造成20%或50%抑制率时样品的浓度)表示。LID值越高,EC值越低,表明样品的毒性越强。而我国的国家标准GB/T15441-1995采用的菌种是明亮发光杆菌T3小种,水质的毒性水平是以相当的氯化汞浓度或选用EC50值来表征。

2.2 常见的细菌发光法生物毒性仪

目前,国内外常见的快速生物毒性分析仪大多都是建立在细菌发光法的原理上,一般有适用于实验室检测的台式毒性仪和适用于现场使用的便携式毒性仪。台式的毒性仪主要应用于实验室中,在15℃的恒温器中,按照ISO标准流程进行样品的毒性分析,计算出样品的毒性水平LID值或EC值。便携式的毒性仪主要应用于现场的常规快速监测或突发事件的应急监测,采用简化后的ISO标准流程进行分析,一般不配备恒温器,检测水样对发光细菌的发光抑制率。

2.3 台式细菌发光法毒性仪的对比分析

对于台式毒性仪来说,它们的主要区别主要有:

(1) 菌种:使用不同的菌种,水中毒物对其发光过程的影响程度是不一样的,因此,若要使数据更有权威性及可比性,一般采用符合标准的菌种。有些公司采用的菌种是ISO标准中采用的费氏弧菌Vibrio Fischeri,复苏时间为15min;有些公司采用的菌种是我国国家标准中采用的明亮发光杆菌T3小种,复苏时间为2min;还有些公司的毒性仪采用的菌种为鳆鱼发光杆菌,其复苏时间长达3小时。

(2) 抗干扰能力:毒性测定是通过一个光度计测定样品的相对发光度,因此水样的颜色或浑浊度会对检测结果造成很大的干扰,这也是所有毒性仪在实际水样测定中遇到的干扰。在目前市场上的毒性仪中,只有Hach公司的台式LUMIStox300毒性仪具有色度和浊度的自动补偿功能。

2.4 便携式细菌发光法毒性仪的对比分析

对于便携式毒性仪,由于应用场所是各类现场环境,因此大多仪器特点集中在检测速度及其是否适合应用于各种恶劣现场环境中,各品牌的主要区别如下:

(1) 菌种:使用符合标准的菌种可使实验数据具有更好的权威性及可比性。哈希公司的Eclox、使用的是ISO标准中的费氏弧菌,有些公司的毒性分析仪采用的是鳆鱼发光杆菌,灵敏度高,还有些毒性仪采用的是淡水菌——青海弧菌,但是由于既不符合国际标准,也不符合我国的国家标准,因此,其数据的可比性和权威性不强。

(2) 检测速度:现场应用,一般都要求检测速度越快越好,由于使用的都是细菌发光法,因此操作流程基本一致。影响检测速度的就只有菌种的准备过程了。一般来说,菌种需要经过复苏和稀释过程,有些菌种长达3小时的复苏时间对现场快速检测不利。

(3) 仪器的便携性能:在野外现场的工作中,仪器的小巧便携性、坚固性及使用方便性是非常重要的。以上品牌的便携性仪器基本上都很小巧,且都可以使用电池为电源,重量在2~3kg,并配备了便携箱,把仪器和试剂都内置在便携箱中,便于携带。这些功能都会增加现场使用的便捷性。

(4) 认证:对于水质的现场表征,USEPA不鼓励使用那些性能(例如假阳性或假阴性)没有经过验证的现场测试技术。哈希公司的Eclox毒性分析仪具有USEPA环境技术验证项目(ETV)的认可。

(5) 结果表达形式:由于主要是针对在现场的快速筛检,因此便携式毒性仪基本上都是采用简化了的ISO11348标准流程对样品的毒性进行快速评估,一般都是测定一个样品浓度的抑制率,即所谓的单点结果表达方式,抑制率越高,样品溶液的毒性越强。所有的便携式毒性仪基本上都是采用这种方式。其中的Eclox除了采用单点表达方式外,还创新开发了一种独特的类似于ISO标准的三点表达方式,且用一张独特的色卡(见图1和图2),通过三个点落在不同的颜色区域来判断水样的毒性及危险性。这种方法更直观,令使用者更容易判定水样的毒性强度及处理方法。




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