生物毒性仪原理

2020年伊始，由新型冠状病毒（2019-nCoV）所引发的肺炎疫情牵动着每一个人的心。随着各个医疗及隔离场所疫情防治工作的逐步展开，在此过程中产生的各种废水及废弃物对环境生态所产生的影响也逐渐受到关注。为了避免污染物对水源地、地表水、地下水和土壤等产生的污染和破坏，1月31日生态环境部印发了《应对新型冠状病毒感染肺炎疫情应急监测方案》，研究部署应对新型冠状病毒感染肺炎疫情应急监测工作，防止疫情次生灾害对生态环境和人民群众造成不良影响。在该应急监测方案中，明确提出加强饮用水水源地水质预警监测，方案中表明在疫情防控期间，在饮用水水源地常规监测的基础上，增加余氯和生物毒性等疫情防控特征指标的监测，控制风险，切实保障人民群众饮水安全。Modern Water 作为先进水质生物毒性监测设备的所有者，所有用的Microtox® 生物毒性检测技术起源于20世纪60年代，是生物毒性检测行业内的“黄金标准”。这项技术应用生物传感原理（发光细菌法），可对水中广谱污染物质进行快速测定。产品Microtox® 系列检测产品包括：Microtox® LX/Microtox® M500 台式毒性仪，适用于实验室；Microtox® FX/Delatox 便携式毒性仪，适用于应急监测和小型水厂化验室；Microtox® CTM 在线毒性仪，适用于水源地监测，大型水厂进/出水口监测。应用Microtox® 系列生物毒性分析仪自2007年进入中国以来，广泛应用于水源地、净水构筑物出水、出厂水的应急监测，在环境监测、供水、疾控和公共卫生管理等领域中发挥了重要作用。2008年北京奥运会，2010年广州亚运会，2010年上海世博会均采用了Microtox毒性检测仪；2008年汶川地震期间，国家环监总站、震区及国内多家检测机构应急小组均配备了Microtox便携毒性仪对震区进行了全面全程的水质毒性监控；美国911事件以后，美国各水司、水厂将Microtox® 毒性仪大量应用于公共场所、饮用水源、出厂水等的检测。Microtox® 生物毒性检测技术通过了工业界、研究单位和政府的验证，截至05年已有超过500篇的关于Microtox系统应用和评价的论文。

一、生物毒性与环境监测预警体系　　常规的水质监测给出的结果一般是各项检测指标的浓度，比如《生活饮用水检测方法》中列出的109项检测指标及其限值。但是水体中可能存在的有毒物质远不止这109种，尤其是许多有毒有害的微污染物，如有机氯农药(OCPs)、多环芳烃(PAHs)、全氟辛烷磺酸(PFOS)和全氟辛酸铵(PFOA)以及消毒副产物等新型污染物，对人体具有致癌、致畸、致突变等严重危害。常规的理化监测虽然可以对污染物做定性定量的检测，但对水环境质量整体评价和生态影响评估来说，理化监测存在着局限性。此外，当突发性污染事件发生时，在找到污染物前需要快速地评判污染危害性，以尽量减少可能造成的人员危害和经济损失。　　所以，为了快速直观地反映水污染状况、可以直接利用水中的活体生物来判定有毒物质的质量浓度。在污染物指标明确之前，用一种综合的毒性效应指标快速报告毒性的存在及大小，这就是水质生物毒性监测。它也是一种能够及时快速对水体毒性进行预警的方法。　　2020年，新冠疫情突然爆发，生态环境部在1月30日印发《关于做好应对新型冠状病毒感染肺炎疫情生态环境应急监测工作通知》，明确了将饮用水水源地环境质量作为重点进行监控，在原来常规监测指标的基础上，增加余氯和生物毒性等疫情特征指标。　　生物毒性的检测原理为利用有毒物质污染应激下生物体的死亡、行为响应和生理生化改变，通过人工观察存活生物数量，或使用仪器自动测量指示生物的发光强度、呼吸作用、氧含量、酶活性、微生物产电量等指标，来判断水中毒性大小。这种方法使用“毒性”代替“毒物”来反映水质情况，确认对生态和健康的影响，也称为综合毒性。　　总之，采用常规的化学监测，难以对多种化学污染物进行实时监测，预警迟滞，从发生水环境污染事故，到采取有效的处理措施需要耗费大量时间。生物毒性监测和常规化学指标监测相比，优势在于能够对复合污染和未知污染物快速响应，常用于突发性污染事故监测，饮用水安全监测或者在线预警装置中。　二、技术路线及代表仪器　　生物毒性监测使用的指示生物有动物、植物和微生物等。目前我国用于水质毒性监测的指示生物主要有四种：菌类、藻类、蚤类和鱼类。　　路线一：菌指发光菌，是一类在正常生理条件下能发出荧光的微生物。在实际应用中常选用费氏弧菌、鳆发光杆菌和明亮发光杆菌。我国于1995年8月1日实施的《水质急性毒性的测定发光细菌法》(GB/T 15441-1995)中，使用的是明亮发光杆菌T3小种，以氯化汞作为参比毒物，通过生物发光光度计来测量水体的相对发光度，从而表示其急性毒性水平。这种方法简单、快速，可用于多种水环境的监测，是目前生物毒性分析仪中应用最为广泛的方法。但同时，发光细菌法也存在测试稳定性和重复性稍差，进口仪器使用的发光细菌冻干粉价格昂贵等缺点。使用发光细菌法测量生物毒性的监测仪器有聚光科技生产的TOX-2000、美国赛默飞生产的AQ4700水质毒性分析仪、清华大学研制的JQ TOX-online、杭州绿洁生产的GR-8800、英国现代水务生产的Microtox LX、哈希生产的Eclox、山东东润生产的DR-2090 、深圳朗石生产的LumiFOX系列等。　　路线二：藻类是水生生态系统的主要初级生产者，生存状态与水环境的质量密切相关，因此藻类用于水质监测评价也得到广泛的应用。但是藻类作为受试生物存在不少缺陷，例如由于藻类本身有较强的适应性及变异性，对外部环境有较强的忍耐力，因此灵敏性较其他方法偏低。使用藻类作为受试生物测量生物毒性的监测仪器有德国BBE生产的Algae Toximeter 11等。　　路线三：蚤类监测中使用大型蚤(Daphnia magna straus)作为受试生物。大型蚤(也有称 “大型溞”)是一种常见的浮游动物，隶属甲壳纲，枝角亚目。在《水质 物质对蚤类(大型蚤)急性毒性测定方法》(GB/T 13266-1991)中，通过测定物质或废水对蚤的半数抑制浓度或半数致死浓度，来判断物质或废水的毒性程度。以这种原理研发生产的仪器有德国BBE的Daphnia Toximeter 11等。　　路线四：国内用于水质毒性监测的鱼类较多，常见的有鲢鱼、鳙鱼、草鱼、斑马鱼等。我国于1992年8月1日实施的《水质　物质对淡水鱼(斑马鱼)急性毒性测定方法》(GB/T 13267-91)中规定，推荐采用斑马鱼并不排除使用其他鱼种，比如还可以选用青鳉鱼等，但对试验条件需做相应的改变，例如稀释水性质及温度。此标准适用于单一化学物质的毒性测定，或者工业废水的毒性测试。在2019年生态环境部发布的《水质　急性毒性的测定　斑马鱼卵法》(HJ 1069-2019)中，使用斑马鱼卵代替了活鱼，灵敏度更高，可用于地表水、地下水、生活污水和工业废水的急性毒性测定。中国科学院生态环境研究中心以鱼为指示生物研制出BEWs生物毒性监测仪器已在北京密云水库和山东某市水源地安装使用。此外，选用鱼作为受试生物的还有德国BBE生产的Fish Toximeter、新加坡叡克公司研发的鱼类毒性仪等。　　由于各个方法的灵敏度、响应时间、预警范围、适用水体有所差异，因此在实际应用中需根据污染情况来选用合适的单一方法，或者多种方法结合以实现及时、全面、有效的毒性预警监测系统。　三、生物毒性分析仪市场简述　　目前国内市场上的生物毒性监测仪有十几家品牌，同总磷、COD、氨氮检测仪等常规污染物检测仪器相比，生物毒性分析仪属于相对小众的水质监测仪。从市场量占比角度看，其中70%为进口品牌，如赛默飞、BBE、哈希、现代水务等。国产品牌仅占30%，如聚光科技、朗石、绿洁等。　　根据应用场景，水质毒性分析仪可以分为在线式、便携式和实验室型。其中在线式和便携式约各占40%的市场份额，实验室仪器使用的相对较少，约为20%。在污水厂进水监测和饮用水水源地的监测点位多使用在线式水质毒性分析仪，而便携式仪器多用于突发性污染事件时的应急监测，或者定期的水质监测。进口品牌在线式仪器单台价格在50-60万左右，国产价格约为30-50万左右。进口品牌便携式仪器单台价格约30万元，国产约10万元。　　从仪器原理来看，以发光细菌为指示生物研制的生物毒性仪市场占有量最大，约占70%以上。在水库、饮用水水源地等环境水的监测中常选用发光细菌法，而湖泊、河流等水域常使用鱼类作为指示生物。　　由于目前水质毒性数据不属于环境监测考核指标，因此存在认可度不高的问题，这也是该类仪器推广过程中的一大难点。因此，使用该类仪器的单位多用于辅助性、预警性的判断水质质量状况，比如在连云港、重庆、汕头、苏州环境监测中心站等长三角和珠三角地区已投入使用。当涉及环境污染定性定量结论时，仍需出具理化检测结果来判定污染程度和污染类型。　四、未来展望　　突发性环境污染事故不同于一般的环境污染，它具有事发突然、难以预测、危害严重等特点，常规的理化指标监测已经难以满足当前污染物的监控预警要求。应对突发性环境污染事件需要构建好环境安全预警系统，生物毒性预警就是其中关键而有效的一种。　　我国正处于生态环境监测工作转型的阶段，从传统环境监测向现代生态环境监测转变，目标是建成科学、独立、权威、高效的生态环境监测体系。国家近期发布的有关计划中对环境预警系统建设、突发性污染事故防范的重视程度越来越高，生物毒性监测以及环境预警体系建设的重要性已在多个文件中提及。　　比如2020年6月21日生态环境部发布的《生态环境监测规划纲要(2020-2035年)》中指出， 2020-2035年，生态环境监测将在全面深化环境质量和污染源监测的基础上，逐步向生态状况监测和环境风险预警拓展，构建生态环境状况综合评估体系。监测指标也从常规理化指标向有毒有害物质和生物、生态指标拓展，从浓度监测、通量监测向成因机理解析拓展。　　在2020年7月中国仪器仪表行业协会发布的9项团体标准立项中，《水质生物毒性监测仪(电化学分析法)》即为其中之一。生物毒性监测仪的优势在于能够实现已知有毒污染物的低成本快速监测，和在位、在线和实时监测与预警。随着相关政策和标准的推出，可以预见，在接下来的环境监测工作中，生物毒性监测或许会成为重点手段之一。利用生物毒性预警与化学参数监测的优势互补，联合生物-化学监测，可提升扩展在线监测预警功能，形成更为完善的生态环境整体质量监测体系。　　参考文献　　[1]王英才,王树磊,胡文,等.生物综合毒性监测技术与多源生物预警体系[J].人民长江,2017,48(11):21-26.　　[2]生态环境部.生态环境监测规划纲要(2020-2035年)[Z].2020-06-21.　　[3]郑洪领,邹丽.生物监测及其在水环境污染防治中的应用进展研究[J].环境科学与管理,2017,42(4):116-118.　扫二维码加绿仪社为好友 及时了解科学仪器市场深度分析!

广东省某水文局于近期采购了 Modern Water 的 Microtox FX 便携式生物毒性检测仪，作为应急检测能力的重要组成部分，用于地表水水质安全的日常检测以及地表径流的生物毒性预警与分析。上周，Modern Water 的工程师前往客户所在地，对其 Microtox FX 相关操作人员进行了操作方法和日常维护的全面培训。培训过程对 Microtox FX 便携式生物毒性的基本原理、检测流程及应用等面进行了详细介绍，并且结合广东省内其他单位的 Microtox FX 应用情况和相关经验与客户做了详尽的交流。Microtox FX 便携式生物毒性检测仪Microtox FX 是一款操作简便且灵敏度极高的便携式水质生物毒性检测仪，采用生物发光检测技术，并使用先进的光电倍增管（PMT），可检测到发光细菌在分析过程中的发光量变化，可对事故或人为的饮用水及废水污染紧急事件进行快速毒性检测。Microtox 生物毒性检测技术采用纯度与稳定性极高的费氏弧菌冻干试剂，符合ISO11348-3和污水生物毒性监测技术规程-发光细菌急性毒性测试-费歇尔弧菌法标准方法，费氏弧菌无毒且淡水体系中无法存活，不会造成二次污染。，时长02:01