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水質生物毒性的監(jiān)測技術探討

產品分類:未分類
更新日期:2018-11-21
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水質生物毒性的監(jiān)測技術探討

● 關鍵詞摘要

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摘 要:隨著社會的發(fā)展,水質生物毒性已經逐步成為評價水質污染的手段之一。本文主要探討國內外的兩種生物毒性檢測技術——細菌發(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 細菌發(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、產成品及有毒有害危險品的生產、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、簡便且經濟的現(xiàn)代檢測方法逐步發(fā)展起來,如發(fā)光細菌毒性檢測方法、化學發(fā)光毒性檢測方法等。其中發(fā)光細菌因其獨特的生理特性,與現(xiàn)代光電檢測手段良好匹配的特點而備受關注。而化學發(fā)光毒性監(jiān)測方法則是的毒性評價技術,彌補了細菌發(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 細菌發(fā)光檢測技術

發(fā)光細菌綜合毒性檢測技術是建立在細菌發(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)光細菌的發(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,凡是干擾或損害細菌呼吸或生理過程的任何因素都能使細菌發(fā)光強度發(fā)生變化。當有毒有害物質與發(fā)光細菌接觸時,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,就是細菌生物發(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,同時釋放出發(fā)光強度在490nm左右的藍綠光【6】。

目前,發(fā)光細菌法已經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)光細菌的抑制率。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 常見的細菌發(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細菌發(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)光細菌的發(fā)光抑制率。

2.3 臺式細菌發(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干擾。在目前市場上的毒性儀中,只有Hach公司的臺式LUMIStox300毒性儀具有色度和濁度的自動補償功能。

2.4 便攜式細菌發(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?;【?,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,由于使用的都是細菌發(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,還創(chuàng)新開發(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色區(qū)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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