一种新型水体在线毒性监测系统——bbe Algae Toximeter的构造、功能及调试效果

李 明，潘晓洁，陈小娟，万成炎

（水利部中国科学院水工程生态研究所，湖北武汉430079）

目前，我国水体不仅面临由营养过度引起的水环境富营养化和水华，而且还面临水环境复合毒物污染的严峻挑战，近几年来在饮用水水源中检出有毒有机污染物屡见不鲜［1］。为尽早遏制我国水环境中的复合毒物污染，强化水环境监测不仅要体现在理化监测的层面上，还应汲取发达国家的经验，提倡在线生物毒性监测技术在复合毒物污染源监控和水资源管理中的应用，使理化监测和生物检测技术相结合，优势互补，提高我国水环境的毒物污染控制和水环境风险管理水平。

作为在线生物监测的一种有效手段，越来越多的在线生物毒性监测仪被应用，如在线荧光监测系统、在线摄像系统、兰腮太阳鱼监测系统以及多物种淡水生物监测仪等在线生物监测设备已经在多个国家应用于水体突发性污染事故的在线预警［2－5］。虽然传统的物理化学监测技术精确度高，并能准确地测定出水体中物质的浓度，但是它却不能反映水体中污染物的毒性和评价生物风险。在线生物毒性监测仪与之相比有着其自身特点及优势：①能够监测污染物毒性。物理化学监测技术只能检测数量有限的污染物的种类和浓度，无法反映污染物的毒性及对其生物风险进行评价，且不能确定不同的有毒物质之间的相互作用。②具备实时在线监测的功能。物理化学监测技术往往需要定点定时进行采样分析，难以做到实时在线监测及预先报警的功效 。③操作简单、成本较低［6－7］。

bbe藻毒性仪由德国bbe公司（bbe Moldaenke GmbH）生产，多用于环境监测站和水务公司，已在欧洲各地得到广泛应用［8－9］。该仪器基于叶绿素荧光原理，利用藻类对水体毒性进行在线监测，对除草剂和它们的降解产物尤其敏感，能检测到低至0.5ug／L的除草剂阿特拉津；该仪器在运行中无需进行测试生物的管理，测试生物更换周期可达7d，具有自动清洗检测单元，断电后再通电时，系统也可自动恢复；此外，该仪器还具有自动取样装置，可以连续24h在线监测，并可通过网络进行远程控制（实时双方向的监控），基于数据库的软件可以随时保存数据和参数。

尽管bbe藻毒性仪在水体毒性在线监测中具有如此多的的优势，但由于种种原因，我国却仍未有此仪器的应用。因此本文拟对其进行较为详细的介绍，希望能为提高我国水体在线监测的技术水平提供借鉴和参考。

1 原理及构造

检测原理是基于测定藻类的荧光光谱和动力学，此方法的优点是能对藻类的状态快速做出反应（30min），而传统的藻类急性生长抑制实验却要持续72h。在bbe藻毒性仪中，测试藻在一个有光照且恒温的容器中连续生长，每次检测时，自动抽取一定量藻液与样品水混合，通过检测不同光照强度下的荧光反应，可确定光合作用的强度。因为藻类的光合作用对外界胁迫的反应很敏感，因此可通过监测光合作用来反映水样毒性。

此外，因为水样中本身可能也含有多种藻类，如产藻毒素的蓝藻和产异味的硅藻等，因此为了检测水样中不同种类藻的活性，藻毒性仪中的叶绿素检测器也同时检测出不同藻中的色素。

Bbe藻毒性仪主要由藻培养罐、叶绿素检测器、电脑部分和管路系统4部分构成（图1，图2）。

1.1 藻培养罐

如图1所示，仪器中间绿色部分就是藻培养罐，由一个2L的玻璃圆柱体和不锈钢顶盘和底盘组成，顶部的不锈钢盘通过4根钢管与底盘固定起来，两个盘内部都有密封圈。底盘下部有一个铝制的底座通过珀耳帖效应散热调节温度，新鲜的营养液和空气分别通过顶盖上相邻的两个孔加入，多余的藻液从另一个孔排出，还有一个孔用于每次取少量藻

图1 bbe藻毒性仪外形图

图2 bbe藻毒性仪结构模式图

液检测。在培养罐中央是一根不锈钢包裹的铂金温度计。曝气管通到培养罐底部，通过曝气使培养罐内藻液混合均匀。气流也使培养罐中几十个黑色的小PVC颗粒上下浮动，防止培养罐内形成生物膜和沉积物。

检测开始时加入一定量藻培养液到培养罐中，然后在自动的光照、营养和温度条件下培养藻。为使藻的生理状态保持稳定，每个检测周期都会检测培养罐中藻的浓度和活性，根据设定的目标值自动调整加入的营养液的量，使得藻的浓度和活性保持相对稳定（图2）。

1.2 叶绿素检测器

图1中藻培养罐右边的银色圆柱体就是叶绿素检测器，是一个完全封闭的、独立的亚单元，作用是对叶绿素荧光进行检测，包括检测电路、激发光、各种光学元件和一个能记录数据的微型控制器。叶绿素检测器由电源供电，并将得到的数据通过底部的防水电线传送至电脑。由清洁活塞通过上下活动来清洁石英槽，清洁过程由程序预先设定，在每次检测过程结束后自动进行。

当检测器内部的测量槽变脏时就需要拆洗，先拆下检测器上连接的电线和水管，去掉螺丝后翻转过来，垂直打开盖板，用软毛巾清洁检测器内部、盖子和密封圈等。

1.3 电脑部分

图1中位于藻培养罐和叶绿素检测器上部的就是电脑部分，包括显示器、键盘、鼠标和磁盘驱动器等，电脑中有专门的软件（ATox）控制整个仪器并负责数据分析。数据被记录在内部的硬盘上，可被转移到软盘上或通过网络传送到其他电脑上以进一步分析。

1.4 管路系统

藻毒性仪的管路系统包括一系列规格、成分不同的软管、蠕动泵和阀，在电脑部分的控制下泵入或泵出样品水、参比水和参比毒性物等（图2）。蠕动泵泵入的液体量是由泵转动次数和软管的内径决定的，bbe藻毒性仪上有两种泵：样品／藻液泵和营养液泵。在样品／藻液泵里使用的是比较耐磨的marprene管，在营养液泵里使用含有铂金的硅胶管。

2 应用软件

Bbe藻毒性仪配有专门的软件ATox，可在任何一台计算机上安装使用（图3）。

这是一款基于图形界面开发的软件，使用非常方便。该软件界面主要包括4个部分，1）用于控制仪器运行的菜单和工具栏；2）用于显示监测结果的图；3）显示仪器运行状态的状态栏；4）警报栏，显示警报信息。

2.1 菜单和工具栏

图3 bbe藻毒性仪的软件界面

菜单和工具栏位于屏幕的上方。菜单中的“File”选项卡主要用于文件操作或打印图片等；“Measurement”用于控制仪器的运行或停止，设置警报参数和藻培养罐的调节；“View”选项卡主要用于控制屏幕上图形的显示方式，部分功能可通过工具栏上的按钮完成；“Window”用于控制屏幕上窗口的类型和数量；“Parameter”选项卡用于设置所有与监测过程相关的重要参数，但在仪器运行监测的过程中无法修改参数；“Test”选项卡用于对藻毒性仪的各个部件进行单独测试，对仪器进行诊断和纠错；“Calibration”选项卡用于校正叶绿素检测器、藻培养罐的温度控制器、泵的运行速率等；最后一个是“Help”选项卡为用户操作提供帮助。工具栏的快捷按钮主要用于对监测图进行一些快速操作，如前后移动，放大缩小等。

2.2 监测图

占据屏幕左下方大部分位置的就是监测图，以图形的方式直观地向用户显示主要数据的监测结果。每一幅小图显示一种监测数据，几幅小图可同步显示多种监测数据。其中通常显示的几个重要数据分别是：抑制率、温度、藻活性和叶绿素浓度。

2.3 状态栏

状态栏显示仪器运行状态及警报信息。当选择“Alarm”选项卡时，红色或绿色的圆片表示是否有警报信息，红色表示警报，绿色表示没有警报，一切正常。圆片下方显示最重要的监测值－抑制率（inhibition），以及其它一些警报评估结果。

“Process State”选项卡显示仪器的运行及调控状态。一共有3条“Progress bar”，第一条表示藻培养罐中藻浓度的调节状态，第二条表示藻培养罐中温度的调节状态，最下方的一条显示仪器的监测运行状态。

2.4 警报栏

警报栏是位于监测图上方的一条细线，绿色表示监测结果正常，红色表示有警报信息，灰色表示这段时间仪器停止运行。

3 主要功能

该仪器能对样品水中的毒性物质和藻的种类、活性等进行检测。

3.1 藻活性的检测

藻类利用光能进行光合作用，如果没有额外的背景光，就大量利用照射光，因此就不发射荧光，如果有强烈的背景光，光照激发的荧光也相应增强。若藻细胞已死亡，光照就不能被藻细胞所利用，因此即使没有额外的背景光，荧光反应也较强。因此藻活性的检测包括在2种不同条件下对弱光的荧光反应，一次检测以强光作为背景光，另一次则没有背景光。用参数“Genty”反映藻活性，公式如下：

Genty：以百分数的形式表示藻活性，其数值取决于藻的种类和生理状态，最高可达到75%，至少应高于60%；

Fo：没有背景光时荧光反应；Fm：有强背景光时荧光反应。

3.2 检测样品水中毒性物质

在上述藻活性检测的基础上，通过检测样品水中不同类群藻的含量及活性来检测水中的毒性物质。首先，培养罐中的藻液被加入到样品水中，通过上述的公式检测得到混合液中藻的含量和活性，即样品水活性值［Genty（sample）］，然后检测藻液与清水混合后的活性，得到参照活性值［Genty（reference）］。将上述两个活性值比较，可得样品水对藻活性的抑制率（inhibition）：

通过参照活性值还可调整加入培养罐的营养液的量，使培养罐中藻的数量和生理状态保持相对稳定。

3.3 检测藻的不同类群

不同类群的藻含有的色素不同，通过荧光反应激发的光的颜色也不同，每个类群的藻都有独特的“指纹”（fingerprint）用于区分这些藻类，可检测并记录样品水中混合藻的光谱，再通过计算即可得样品水中不同藻的含量。

4 调试效果

为了检验bbe藻毒性仪的监测效果，以蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）作为测试藻种，采用等倍数方法配置不同浓度的Cu2＋和Cd2＋溶液，反应间隔分别设置为30min、1h、2h，每次监测时间相应分别设置为3h、6h、和12h。以下是得到的实验结果：

图4 不同浓度和反应间隔下Cu2＋对蛋白核小球藻的抑制率

由图中可知，随着反应间隔的延长，Cu2＋对蛋白核小球藻的抑制率也逐渐增大；除了浓度6.4mg／l外，随着浓度的增加，Cu2＋对小球藻的抑制率也是逐渐增大，但对于6.4mg／L的浓度来说，反而比3.2mg／L时的抑制率更低，具体原因还有待进一步研究和分析。根据以上的实验结果，用回归法可预测得出不同反应间隔和抑制率响应下的Cu2＋浓度，具体结果见表1。

表1 不同反应间隔和抑制率响应下的Cu2＋浓度mg·L－1

由图中可知，随着反应间隔的延长和浓度的增加，Cd2＋对蛋白核小球藻的抑制率也是逐渐增大的，根据以上的实验结果，用回归法可预测得出不同反应间隔和抑制率响应下的Cd2＋浓度，具体结果见表2：

图5 不同浓度和反应间隔下Cd2＋对蛋白核小球藻的抑制率

表2 不同反应间隔和抑制率响应下的Cd2＋浓度mg·L－1

由此可知，bbe藻毒性仪能监测到较低浓度的重金属Cu2＋和Cd2＋离子，且在较短的反应间隔（30～60min）下就有比较明显的反应，适用于对水体重金属污染进行在线监测。

［1］ 孟庆军，杨俊慧，张利群，等.生物监测在水环境安全预警系统中的应用［J］.山东科学，2006，19（3）：39－41.

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［9］ Bbe moldaenke.2006.Manual for the bbe algae toximeter［M］.Wildrosenweg 3：bbe moldaenke GmbH，2006.