水质毒性生物监测仪
“水质毒性生物监测仪”是一种基于生物传感技术的毒性检测仪器，它利用国际公认的最佳模式生物——斑马鱼为生物传感器，通过测定鱼的行为来判断水中污染物的毒性大小。该方法具有快速、廉价的优点。并且获得最贴近人类的实验结果，帮助我们实现对水质的连续监测，对水质污染事件的及时预警。
一、生物监测水质的经济、社会需求近年来，我国接连发生多起重大突发性水污染事件，不仅造成了巨大的经济损失，而且造成了社会的不安定和生态环境的严重破坏。突发性水质污染事件已经成为我国用水安全和水环境质量的一个潜在威胁，因此实时监测水质状况是迫切，并且十分必要的。针对此类问题1、经济发展的有效需求在我国，每年发生的水污染事故次数过千，造成数以千万计的经济损失。
· 2003.7.9广西三江县一油罐车所装10t氰化钾全部泄漏到路面，沿途池塘和板栗和遭受严重污染，大量鱼类死亡；
· 2004.2～3，由于川化集团一工厂事故排放，四川沱江遭受严重污染，沿岸80多万居民、上千家企业受到影响，内江断水26d，造成2.19亿元的经济损失；
· 2005.11，由于吉林石化双苯厂爆炸，松花江发生重大苯类污染事件，导致哈尔滨市市政管网停止供水4天。
· 2005.12，广东北江发生一起企业违法超标排放导致污染事故，重金属镉严重超标。
· 2006.9，湖南新墙河一化工厂污水泄漏导致的致癌物质砷化物进入河流，污染了当地10万居民的饮用水。
可以看出，水质污染事件不仅造成巨大的直接经济损失，而且还要花费相当可观的投资来整治和恢复生态环境。“水质毒性生物监测仪”利用斑马鱼对水质状况实时监测，及早发现水质污染事件，以多种通讯方式告知相关部门尽快采取措施，切断污染源，建立起隔离带，防止水体被污染，把污染程度和范围降到最低点，进而减少水质污染事件带来的直接和间接的经济损失。2、社会发展的有效需求突发性水质污染事件对社会的影响主要表现在：污染事件发生后，对污染影响区的居民造成巨大的心理压力，影响正常生活和生产；造成的经济损失与人员伤亡，可能引起污染纠纷，造成各种混乱，危害社会治安，并带来相关的社会问题；某些水污染会引发地区间，甚至国际间的污染纠纷。前文提及的沱江污染事件便是典型案例。
重大的突发性水质污染事件，对生态环境的破坏强度很大，往往造成一定区域的生态失衡，有的甚至造成长期的危害，致使生态环境难以恢复。一次污染事故可以让整条河流的鱼类绝迹，1987年茂名市接连发生的两起氰化物泄漏事故，使小东江茂名至吴川段近40km江水中所有鱼虾、贝壳动物全部死亡。
水质污染事件的重要危害之一是威胁人们的生命和身体健康，特别是有毒物质污染事件，如饮用污染水源而受伤害。有毒化学物质水污染事件在环境中的迁移过程见图1所示。
由此可见，突发性水质污染事件造成的后果是灾难性的，为预防突发性水质污染事件的发生和对已发生的污染事件迅速监测，建立起水质污染事件预警系统是相当必要的。如何才能有效进行预警和防治呢？首先让我们了解下水质污染事件的特点。
二、水质污染事件的特点水质污染事件的特点表现在水质污染事件发生、发展、危害的不确定性、流域性、影响的长期性和应急主体不明确。
(1)发生时间和地点的不确定性。引发突发性水污染事件的直接原因可能是企业违规或事故排污、管道破裂等，这些事件发生的时间和地点都具有不确定性。 (2)水域型态的不确定性。水域可以分为河流、水库、湖泊、河口、海洋和地下水等类型，而水域的水流状态直接影响污染物的扩散方式和扩散速度。(3)污染源的不确定性。水质污染事件发生的形式具有不确定性，导致释放的污染物类型、数量、危害方式和环境破坏能力的不确定性。(4)危害的不确定性。同等规模和程度的水质污染事件，造成的污染危害是千差万别的，如污染事件发生地点距离城市水源地很近，城市供水就会中断，其后果将是灾难性的。(5)流域性。水体被污染后呈条带状，线路长，危害容易被放大。一切与该流域水体发生联系的环境因素都可能受到水体污染的影响，如河流两侧的植被、饮用河水的动物、从河流引水的工农业水用户等，流域内的地下水由于与地表水产生交换，也可能被污染。(6)影响的长期性和处理的艰巨性。突发性水质污染事件处理涉及因素较多，且事发突然，危害强度大，必须快速、及时、有效地处理，否则将对当地的自然生态环境造成严重破坏，甚至对人体健康造成长期的影响，需要长期的整治和恢复。(7)应急主体不明确。许多突发性水污染事件不能被人们直接感知，如看到、闻到，且污染物随流输移，造成“事故现场”的不断变化，在输移扩散的过程还可能因为各种水力因素的作用而产生脱离，出现多个污染区域。
三、目前的水质监测方法水质监测方法主要是人工定期取样及理化仪表的监测，前者是通过实验员针对不同水域定期取样，在实验室中进行多种成分的理化分析，来判断某一水域当前的水质状况。这种方式检测所需时间长，检测费用高，此外污染物浓度较低时，化学分析的准确性下降，并且较难实现在线连续监测；后者一般是选取监测点，在监测点安装PH值、浊度、余氯、耗氧量等常规监测表，将监测数据传送到控制室。但目前的水质在线仪表主要为进口设备，同一类型的仪器有许多厂家的产品，除了厂家不同外，仪器的工作原理、响应范围、灵敏度、稳定性、适应的环境等各方面都不同，仪器仪表的选择对于监测预警系统是否能正常运行，具有至关重要的意义。仪表操作较为复杂，投资费用大。因此，理化仪表的监测不能很好地反映出水质状况，及时预警。
由于以上两种方式的局限性，人们尝试利用水中的微生物监测水质污染程度。最早出现在20世纪初，目前欧美国家对生物监测的理论研究已经相当成熟，生物监测设备已商品化，并较好的使用在各种饮用水处理厂、水产养殖场、污水处理厂等取水口和（或）排水口，还用于环境监测。
中国的水质监测长期以来一直采用人工取样到实验室分析的办法，随着国家对水质污染的日益重视，这几年自动监测仪器和监测系统才开始研制和发展。目前还未有一家单位能推出完整的监测系统，只是分别研制某一种监测仪器或软件。但除工业废水用的在线COD自动监测仪已大量推广外，其他仪器还处于研制试用阶段。
四、生物监测方法生物监测方法灵敏度较高，能在数分钟内对污染物的存在作出反应，并且能够实现连续监测，及时发现水质污染事件。此外，生物监测整合了污染物的时空变化，将污染物与环境条件的相互作用考虑在内，因而综合反映了污染物对生物和生态系统的危害。
鱼是最早用于生物预警的。此后水蚤、双壳类软体动物、虾、细菌等活生物，以及细胞、酶等也开始应用。这些生物对不同污染物的敏感性相差很大，常根据应用环境选用。水生生物对污染物的反应是综合性的。理论上，各种特征反应都可用作检测变量。然而，为达到连续、自动监测目的，同时使系统具有良好的应时、灵敏性，一般优先检测行为、生理或生化反应。
根据水质污染事件的特点，以及生物监测技术的成熟理论，我们研制的“水质毒性生物监测仪”并较好地应用在深圳市的五大水厂的进水和出水口。实现了对水质污染事件的早期预警，及时、快速反映水质综合毒性的变化，在与实验室检测和理化指标在线监测结合下，达到快速准确发现水质污染事件的目标。
五、水质毒性生物监测仪1、技术特征敏感性测试，有选择、有重点地进行指示生物对有毒有害污染物的专一性、敏感性监测，通过水生生物毒性测试试验，确定污染物对指示生物的急性毒性级别以及作为水质预警生物的响应的污染物类型及响应时间。
图像处理，实现对鱼的标识，记录鱼在不同时刻的位置坐标，并对所有鱼或某一条、某几条鱼进行跟踪及目标监测，对实时采集的图像采用了多种方法进行处理，已达到理想的处理效果，如平滑、去噪、阈值分割、灰度以及Kalman滤波跟踪处理。
专家系统，由专家系统进行知识的收集与汇总（经验、数据、参数、规则、条件等），利用专家系统中知识库、推理机和数据库对数据进行决策分析和判断，得到水质的综合毒性指数，由此将鱼的运动行为参数转换成水质毒性指数，为管理员的判断提供了可靠的参考依据。
数据传输，为保证图像数据的实时传输到上层系统及远程控制系统中，采用软件编程和硬件相结合的方式，保证数据传输的效率，使得远程观测效果如在现场观测一致，也避免了数据的延迟。另外，预警信号的及时发布也运用了多种数据传输和通讯形式，保证管理员随时收到预警信息。远程客户端的实时显示界面如下图所示。2、RTB的性能特点水质毒性生物监测仪的特点:
· 适用范围广，可以监测多种水体，如河流、水库、供水系统、水厂取水口及排水系统等。
· 响应灵敏迅速，对有毒有害的农药、重金属等的响应灵敏度低于0.1TU。急性毒性试验需要48h才能反映出来的毒性，采用水质毒性监测仪最短在几分钟内即可发出报警。以重金属镉为例，浓度为0.7mg/l的响应时间在5分钟内即可发出黄色报警信号。
· 抗干扰性强，将观测装置与养殖箱分离，排除了外界环境因素对监测信号的影响，也避免了探头观测带来的信号干扰，保证了观测环境，增强了结果的可靠性。
· 性能稳定可靠，仪器采用高性能的数字摄像系统，每秒采集的生物图像高达25幅，对生物的跟踪率达到98%以上；配有预过滤系统和水温稳定系统；对多条鱼进行同时监测，从而实现了稳定、可靠获取生物运动参数的目标。
· 连续实时监测，可24小时连续运行，无论什么时间出现水质异常状况，通过多种报警方式管理员都可以发现水质问题，大大提高了水质监测的效率。降低了水质污染事件带来的损失。
· 完善的统计算法,水质毒性生物监测仪有强大的数据库和专家统计分析系统，通过统计算法能区分毒性和非毒性给鱼的行为带来的影响，保证了监测预警的准确性。
· 通讯功能，当水质出现异常时，监测系统会立即通过手机短信、局域网、远程客户端等多种方式向管理者发布报警信息，以便对水质污染事件作出反应。
· 运行维护简便，采用便宜且容易得到的斑马鱼作为指示生物，只需定期对生物进行更换，即可，保障仪器的长期稳定运行。过滤器及养殖箱的清洗也十分方便，总体运行成本低。
· 与理化仪表互补，RTB预留接入水质常规理化监测数据接口，对理化数据突变可进一步分析，一方面实现对生物预警的补充，另一方面有利于追溯报警原因，降低误报警的发生。
· 可配备附属装置，增添了砂滤装置，使其更广泛的用于工业废水等的在线检测。扩大了水质毒性生物监测仪的使用范围。
六、应用水质毒性生物检测仪作为水质预警的在线监测设备，可用来监测各种取水和排水口。安装在饮用水处理厂、水产养殖厂等入口处, 能够保证进水水质, 并通过强化处理措施控制污染危害；安装在工业或生活排污口、冷却水排放口等处则可评价处理效果，是否可以安全排入受纳水体等。还可用于环境监测目的, 如调查河流污染状况,海岸保护等。
“水质毒性生物监测仪”保障了水源水质的安全，防止可能的意外化学品泄漏和恐怖事件袭击水源。
“水质毒性生物监测仪”的成功研制与应用，实现了24小时在线连续监测水体环境，在水体受到污染的情况下，快速、灵敏地检测出污染物带来的综合毒性，及时告知管理员水质污染事件发生的时间，避免对人体产生的危害。
“水质毒性生物监测仪”基本上都是国外产品垄断中国市场，国内目前有深圳市水务集团开天源自动化公司在研制，拥有多项自主知识产权，支持国货。
