基于鱼类应激反应的水质在线监测预警技术研究进展*

芦玥同 黄 毅# 刘金涛 王 珏 武军旭 许晨阳 李伟栋

(1.西安工业大学建筑工程学院,陕西 西安 710021;2.中交第三公路工程局有限公司,北京 100304)

随着我国工业和农业的高速发展,重金属及农药等污染物排放现象时有发生,导致突发性水质污染事件数量增多,引起社会各界的高度重视。目前,基于鱼类应激反应的水质在线监测预警技术是通过鱼类对水质污染变化产生的应激反应进行预警的技术。相较于其他生物监测来说,该技术运行周期长、维护简单且成本低廉[1],能在第一时间预警水体突发污染,为应急处理争取宝贵时间。近些年,鱼类监测在实际应用中也颇见成效,河北省、汕头市陆续利用青鳉鱼的生物行为学原理进行水质生物毒性在线监测预警[2-3],有效保障了当地的饮用水安全。由中国科学院生态环境研究中心开发的水质在线生物安全预警系统(BEWs),也在2008年北京奥运会和汶川抗震救灾的用水保障工作中发挥了重要作用[4]。本研究通过对水质在线监测预警系统的介绍,系统阐述多种监测预警技术原理,为深入研究监测预警技术提供一定的理论基础和发展方向。

1 受试鱼种及其应激反应

1.1 受试鱼种的选择

用于水质在线监测的受试鱼种应满足易饲养、易观察,环境适应力强,对污染物敏感且毒理学基础数据丰富等特征。被国际标准化组织(ISO)[5]、经济合作与发展组织(OECD)[6]和英国标准学会(BSI)[7-8]推荐的斑马鱼、孔雀鱼、青鳉鱼和虹鳟等在实际中应用较多。同时,这些鱼种也广泛应用于药物毒理学、生态毒理学和生命科学等研究领域,积累了丰富的毒理学数据,是水质在线监测预警系统中的首选模式生物,其主要特征对比如表1所示。

表1 受试鱼种特征对比Table 1 Comparison of characteristics of tested fish species

1.2 鱼类的应激反应

应激反应指生命体在受到创伤或内外界刺激后机体通过生理生化反应重新建立稳态的一个过程,是非特异性的全身反应[9]。在水质预警系统中应用的主要有行为和生理两种应激反应。鱼类行为应激反应指鱼类受到应激原刺激时做出的回避反应,如躲避逃窜、不安地急速游动等行为,在水体污染初期表现强烈,是较敏感的监测指标[10]。鱼类生理应激反应指鱼类体内的酶和激素水平的变化,导致机体激素水平、心电和脑电等监测指标发生规律性变化,随着污染物胁迫的浓度增加,所对应的监测指标相关性也更显著。相较于行为应激反应,生理应激反应是鱼类受污染胁迫后直接表现出的异常反应,也是其表现出异常行为的部分内在原因。

2 基于鱼类行为应激反应的水质在线监测预警

2.1 利用电磁信号捕捉鱼类行为应激

电磁信号在线监测利用装置一侧发出电流形成电场,另一侧采集鱼类运动时产生的电场变化实现监测。在实际使用过程中,电磁信号的实时性比视频信号更强,但布置在水中的电磁信号捕捉装置会对鱼类有一定的干扰,监测结果会受到影响。活动电位、生物传感器和光栅遮挡(见表2)都是采用电磁信号的原理,可监测多种鱼类行为指标,胁迫因素有重金属、农药和非侵入性胁迫因素等。

2.1.1 活动电位监测

利用鱼类活动电位变化的方式进行水质在线监测,是在水箱内壁两侧放置电极板监测鱼体呼吸时身体产生的生物电位变化,达到水质污染预警的一种方法。王磊[11]利用鱼鳃和鱼嘴开闭产生的活动电位变化,监测水中乐果、敌敌畏、敌百虫、百草枯的毒性。随着农药胁迫的持续,当活动电位和移动平均值逐渐趋近于零时,进行红色报警[12]。但该方法在监测体长过小的鱼类时电位信号太微弱,故仅限于监测鱼体长度适中的鲫鱼和锦鲤。徐敏等[13]对此进行改进,扩大了监测的普适性,测量值改为电位信号频率的变化,不再限制鱼种和尺寸,可用于青鳉鱼、斑马鱼等小型鱼种,并用0.04 mg/L杀螟硫磷和0.50、2.00 mg/L氰化钾验证了可行性,监测的生物电位十分微弱,因此采用鱼呼吸运动电位信号监测装置避免游动运动对呼吸运动电位监测的干扰。除鱼嘴、鱼鳃和鱼鳍等部位,运动时肌肉收缩舒张产生的活动电位也可实现监测[14]。

2.1.2 生物传感器监测

生物传感器监测在受试鱼游动的水箱两侧设置电极板,鱼受到化学品胁迫后,电极板中电场能感应受试鱼胁迫后的运动变化。王子健等[15]设计了有两个电极板采集运动电信号的水箱,用提供鱼类逃避的通道相连,适合鱼游动的区域为低压交流电场,再通过信号采集装置转换为可视信号。HU等[16]又在此基础上进行了完善,添加了在亮、暗光照和不同水温(15～35 ℃)下对斑马鱼的监测功能,可实现非侵入性胁迫下斑马鱼的持续行为反应监测。水质在线BEWs通过低压高频电磁信号传感器技术连续实时监测生物运动行为变化。任宗明等[19]采用此系统研究10.00 mg/L氰戊菊酯间断胁迫,发现斑马鱼的行为强度发生了明显降低。赵晓艳等[17]采用多物种净水监测仪(MFB)测定不同频率的鱼类运动电磁信号,该装置传感器由一组生成高频电流的电极和另一组呈90°的接收电极组成。GERHARDT等[20]采用MFB监测饮用水,在酸性条件下胁迫饮用水中的大型蚤和蚤状钩虾,当pH低于6.8时两者都表现出明显的行为变化。

2.1.3 光束遮挡监测

德国BBE公司研发的Tox Protect 64简易鱼类毒性仪运用光栅遮挡感知原理(与电场遮挡原理相似),监测鱼类运动强度对光束的遮挡次数,当鱼遮挡光栅频率和位置低于限值时,启动报警检验系统,达到水质污染预警的目的。此外,还可以调节水箱中瞬时光照强度,通过鱼类应激反应判断报警信号的真伪,提高监测准确度[18]。

表2 电磁信号捕捉鱼类应激反应水质在线监测Table 2 On-line monitoring of water quality based on fish stress response captured by electromagnetic signals

2.2 利用视频信号追踪鱼类行为应激

视频信号在线监测是采用一个或多个摄像头实时采集鱼类在水箱中运动的轨迹,对视频图像数据进行数字化处理,实现在线监测的一种方法。虽然这种监测方法中鱼群游动轨迹可能会相互影响,数据采集也会受到影响,但在实际操作中更简单方便,在成本方面也优于电磁信号[21]58。

二、三维视频监测都是常用的监测形式,可监测的指标有速度、转次等(见表3),运用多种数据处理方法将视频信号转换为可视数据。

2.2.1 二维视频信号

二维视频信号监测因采集数据少、运算量小、操作简单等优势,是目前普遍应用的监测形式[22]672。监测指标是鱼类水质在线监测中重要的因素,早期指标通常包括鱼类的游动行为,当水质发生变化时,鱼类会发生回避逃离等应激反应,观察鱼类行为变化可对水质进行监测预警,而游动速度是游动行为中最常用的参数之一[29]。

严升[21]57运用二维视频监测技术监测鱼群运动轨迹,通过调节水体pH,验证了鱼群作为监测指标的可行性。黄毅等[22]671-676用氯化镉和敌敌畏胁迫,验证鱼类游动行为划分为个体和群体指标的有效性。鱼群在相邻个体鱼的行为下更快速地感知环境变化,做出应激反应,因此鱼类的群体行为也可作为水质监测行为指标。贾贝贝等[24]提取呼吸频率和鱼鳃、胸尾鳍的摆动频率变化作为新的行为监测指标。李秀麟等[25]设计了具有中间胁迫区和胁迫逃离区的监测装置,监测斑马鱼在氯化锌和氯化镉联合胁迫下的规避行为变化,提出了距中心对角线距离指标;装置中部放置重金属暴露的斜管,随着水流的不断运动扩散,斑马鱼逃离中间胁迫区,最终进入胁迫逃离区。酚类污染物对斑马鱼的游动行为影响研究表明,浮出水面的频率[27]也可作为监测指标。

2.2.2 三维视频信号

三维视频监测追踪鱼类运动轨迹相比二维更精准,在鱼缸不同方向摆放两个摄像头,实现XYZ轴上的鱼类运动轨迹的采集,是三维视频监测普遍采用的布置形式。

李林波等[30]提出利用三维轨迹对鱼类游动行为进行空间定位和连续跟踪的方法。CHENG等[28]结合卡尔曼滤波和核相关滤波算法对轨迹进行平滑处理,并提高准确度和跟踪效率。范伟康[31]用平面镜和摄像机成像原理将监测图像转化为三维监测方式。张胜茂等[32]采用高斯模型对鱼类运动图像进行处理、运动目标检测及鱼体轮廓分析等,提出了对前景轮廓进行合理性分析来提高检测正确率的方法。

2.3 其他监测鱼类行为应激的方式

在水质监测预警中,为解决电或视频信号监测带来的误差,利用物理因子胁迫对鱼类进行无损伤刺激,通过鱼类行为变化可检验预警真实性,减少发生误报警的状况。凌睿[33]研究认为,斑马鱼受到镉、铬、溴氰菊酯和敌敌畏的胁迫时,对声、光和电刺激的行为反应强度会降低。韩小波等[34]在研究中选择光照对斑马鱼进行短暂刺激,验证了物理因子胁迫检验报警真伪方法的可行性。任宗明等[35]将电与视频信号监测方法相结合,在装置内壁设置两组电极发射和接收电信号,在电场监测的基础上,添加摄像头帮助定位,再利用生物识别算法配套分析,这种电、视频结合的方式保障了行为信号和结果的唯一性,降低单电场监测时传感器采集会出现的误差,防止斑马鱼群在交叉游动时个体采集错位的情况,提高了生物识别定位的精确度。

表3 不同视频监测维数追踪鱼类应激反应水质在线监测Table 3 Online monitoring of water quality in different video monitoring dimensions tracking fish stress response

3 基于鱼类生理应激反应的水质在线监测预警

3.1 鱼类心电采集对鱼类生理应激反应的研究

鱼类生理应激监测水质污染的方法,目前是从参照监测动物心电图的方法发展到研究鱼类心电对水环境的响应。有研究采用重金属和农药对斑马鱼进行胁迫,使鱼类心电产生变化,得出变化程度与暴露的重金属和农药之间存在的效应关系,可反映水体污染情况。斑马鱼长时间暴露在高浓度溴氰菊酯下,心率会变慢,但斑马鱼心电与行为变化相关性不强,这是由于鱼体内受到生理机制的调节,行为变化有一定的滞后性[36-38]。任宗明等[39]还发明保持鱼类正常体位的在线心电采集装置,两边用充满水的海绵包裹鱼体,再通过埋入鱼体指定位置的导线,分别采集不同水质下斑马鱼的心电,并实时传入主机分析比对,可得出环境污染对斑马鱼心电的影响。

3.2 生理生化指标对鱼类生理应激反应的研究

鱼类行为水质监测可与生理生化指标相结合,鱼类受到外界环境胁迫后生理及内分泌的变化,是导致鱼类产生行为变化的内在因素。研究发现,乙酰胆碱酯酶(AChE)、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶等[40]活性的变化,均可作为鱼类行为应激水质监测预警的生理指标。REN等[41]分析溴氰菊酯对斑马鱼肌肉中AChE活性的影响得出,斑马鱼肌肉中AChE活性的抑制会造成游泳行为紊乱。HAVERROTH等[42]研究铜对斑马鱼行为和生理生化指标的影响得出,低浓度的铜抑制肌肉中AChE的活性,会严重影响斑马鱼的行为。

皮质醇激素作为生理生化指示物,对鱼类生理应激反应有明显的表征作用[43]。生物体内下丘脑-垂体-肾间腺轴可合成并分泌皮质醇,是机体应激反应的一种表现[44]。研究表明,人为惊扰刺激[45]与水体重金属Cu2+[46]胁迫等都会对皮质醇水平产生影响。

4 结 语

水质污染在线监测预警技术中,不同的监测预警系统特点不同。电磁信号的实时性比视频信号更强,但布置在水中的电磁信号捕捉装置会对鱼类有一定的干扰,监测结果会受到影响。视频信号监测方法中,鱼群游动轨迹可能会相互影响,数据采集也会受到影响,但在实际操作中这种方法更简单方便,成本也低于电磁信号监测预警系统。而基于鱼类生理应激(导致鱼类产生行为变化的内在因素)的监测系统,可探究鱼类内在机理的调节与鱼类行为应激的关系。

总体而言,鱼类行为与生理应激在水质在线监测预警技术研究中,都能有效反应水质污染情况,通过总结监测预警系统装置,今后可深入研究多种信号联合监测的方式。通过采集鱼类行为异常变化,行为应激反应可实时反应水体变化,实现在线监测预警。生理应激是导致鱼类产生行为变化的内在因素,但在鱼类内在机理探究中,如鱼类内在调节机制与行为应激之间的关系,其他有关内分泌变化的问题还有待解决。总体上,鱼类应激反应的水质在线监测预警技术有很大的应用前景与发展潜力,可为突发性水体污染预警提供更多的研究方向。