儀器行業(yè)應用解決方案
水質(zhì)生物毒性的新監測技術(shù)探討
摘 要：隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，水質(zhì)生物毒性已經(jīng)逐步成為評價(jià)水質(zhì)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(shù)——**發(fā)光法及化學(xué)發(fā)光法，以及采用這兩種技術(shù)的毒性?xún)x特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：生物毒性監測 **發(fā)光法 化學(xué)發(fā)光法 便攜式毒性分析儀
1生物毒性監測的必要性
隨著(zhù)近代工業(yè)的發(fā)展，化學(xué)物質(zhì)的使用日益增多，使人類(lèi)賴(lài)以生存的水生生態(tài)系統受到了越來(lái)越嚴重的污染，而且突發(fā)性環(huán)境污染事故時(shí)有發(fā)生，如人為投毒、自然災害引起的水質(zhì)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(guò)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(huì )影響。幾十年來(lái)，各種理化分析手段的靈敏度越來(lái)越高，大多數研究者都是關(guān)注單一污染物對生物體和生態(tài)系統的毒性效應，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(jiǎn)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(wú)毒性效應濃度時(shí)，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(jià)各類(lèi)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測技術(shù)進(jìn)行研究和探討。
2 生物毒性監測技術(shù)
環(huán)境中有毒物質(zhì)生物毒性的測定與評價(jià)，一般用浮游生物、藻類(lèi)和魚(yú)類(lèi)等水生生物，以其形態(tài)、運動(dòng)性、生理代謝的變化或者死亡率做指標來(lái)評價(jià)環(huán)境污染物的毒性。這些方法一度成為評價(jià)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(shí)間較長(cháng)，檢測費用較高，且結果不穩定，重復性差，使其難以推廣應用，且不適于常規的檢驗，尤其是現場(chǎng)的應急監測【5】。針對傳統生物毒性檢測方法的不足，以及現場(chǎng)應急監測的需求，一些快速、簡(jiǎn)便且經(jīng)濟的現代檢測方法逐步發(fā)展起來(lái)，如發(fā)光**毒性檢測方法、化學(xué)發(fā)光毒性檢測方法等。其中發(fā)光**因其獨特的生理特性，與現代光電檢測手段**匹配的特點(diǎn)而備受關(guān)注。而化學(xué)發(fā)光毒性監測方法則是新的毒性評價(jià)技術(shù)，彌補了**發(fā)光法在現場(chǎng)中使用的一些限制性，可在時(shí)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(lái)越受到各個(gè)環(huán)境領(lǐng)域的關(guān)注。
2.1 **發(fā)光檢測技術(shù)
發(fā)光**綜合毒性檢測技術(shù)是建立在**發(fā)光生物傳感方法基礎上的毒性檢測技術(shù)，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(guò)程是菌體內一種新陳代謝的生理過(guò)程，是光呼吸進(jìn)程，是呼吸鏈上的一個(gè)側支，該光的波長(cháng)在490nm左右。這種發(fā)光過(guò)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(guò)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(zhì)與發(fā)光**接觸時(shí)，水樣中的毒性物質(zhì)會(huì )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(zhì)的濃度成正比。其反應機理如下列化學(xué)方程式所示：
FMNH2 +O2 + R-CHO → FMN + R-COOH + H2O + Light
概括地說(shuō)，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(cháng)鏈脂肪醛氧化為FMN及長(cháng)鏈脂肪酸，同時(shí)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(jiǎn)單、快速的生物毒性檢測手段，廣泛應用于質(zhì)檢、環(huán)境監測、水產(chǎn)養殖等領(lǐng)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，尤其是國際ISO標準。
ISO11348標準的檢測原理是，在15℃溫度下，以無(wú)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(shí)際樣品對發(fā)光**的抑制率。水質(zhì)的毒性水平以L(fǎng)ID值（當抑制率降低到20%時(shí)樣品的稀釋倍數）、EC20或EC50值（造成20%或50%抑制率時(shí)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(zhì)的毒性水平是以相當的氯化汞濃度或選用EC50值來(lái)表征。
2.2 常見(jiàn)的**發(fā)光法生物毒性?xún)x
目前，國內外常見(jiàn)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(shí)驗室檢測的臺式毒性?xún)x和適用于現場(chǎng)使用的便攜式毒性?xún)x。臺式的毒性?xún)x主要應用于實(shí)驗室中，在15℃的恒溫器中，按照ISO標準流程進(jìn)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?xún)x主要應用于現場(chǎng)的常規快速監測或突發(fā)事件的應急監測，采用簡(jiǎn)化后的ISO標準流程進(jìn)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?xún)x的對比分析
對于臺式毒性?xún)x來(lái)說(shuō)，它們的主要區別主要有：
（1） 菌種：使用不同的菌種，水中毒物對其發(fā)光過(guò)程的影響程度是不一樣的，因此，若要使數據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(shí)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(shí)間為2min；還有些公司的毒性?xún)x采用的菌種為鰒魚(yú)發(fā)光桿菌，其復蘇時(shí)間長(cháng)達3小時(shí)。
（2） 抗干擾能力：毒性測定是通過(guò)一個(gè)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(huì )對檢測結果造成很大的干擾，這也是所有毒性?xún)x在實(shí)際水樣測定中遇到的大干擾。
2.4 便攜式**發(fā)光法毒性?xún)x的對比分析
對于便攜式毒性?xún)x，由于應用場(chǎng)所是各類(lèi)現場(chǎng)環(huán)境，因此大多儀器特點(diǎn)集中在檢測速度及其是否適合應用于各種惡劣現場(chǎng)環(huán)境中，各品牌的主要區別如下：
（1） 菌種：使用符合標準的菌種可使實(shí)驗數據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(yú)發(fā)光桿菌，靈敏度高，還有些毒性?xún)x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，其數據的可比性和權威性不強。
（2） 檢測速度：現場(chǎng)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(guò)程了。一般來(lái)說(shuō)，菌種需要經(jīng)過(guò)復蘇和稀釋過(guò)程，有些菌種長(cháng)達3小時(shí)的復蘇時(shí)間對現場(chǎng)快速檢測不利。
（3） 儀器的便攜性能：在野外現場(chǎng)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?xún)x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(huì )增加現場(chǎng)使用的便捷性。
（4） 認證：對于水質(zhì)的現場(chǎng)表征，USEPA不鼓勵使用那些性能（例如假陽(yáng)性或假陰性）沒(méi)有經(jīng)過(guò)驗證的現場(chǎng)測試技術(shù)。哈希公司的Eclox毒性分析儀具有USEPA環(huán)境技術(shù)驗證項目（ETV）的認可。
（5） 結果表達形式：由于主要是針對在現場(chǎng)的快速篩檢，因此便攜式毒性?xún)x基本上都是采用簡(jiǎn)化了的ISO11348標準流程對樣品的毒性進(jìn)行快速評估，一般都是測定一個(gè)樣品濃度的抑制率，即所謂的單點(diǎn)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?xún)x基本上都是采用這種方式。其中的Eclox除了采用單點(diǎn)表達方式外，還**開(kāi)發(fā)了一種獨特的類(lèi)似于ISO標準的三點(diǎn)表達方式，且用一張獨特的色卡（見(jiàn)圖1和圖2），通過(guò)三個(gè)點(diǎn)落在不同的顏**域來(lái)判斷水樣的毒性及危險性。這種方法更直觀(guān)，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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