魚類行為法水質生物毒性監測儀性能測評研究

李 震,廖 偉,孫 鋒

(深圳市水務科技有限公司，廣東 深圳 518030)

0 引言

隨著工業的迅猛發展，水環境污染與水資源短缺問題受到人們廣泛關注。突發性水污染事件直接威脅到人民群眾的飲用水安全，給人們生活造成影響。再生水回用技術可以在一定程度上緩解水資源短缺。同時，再生水水質安全問題也受到關注。為了保障水質安全，人們基于電化學法、光學法、生物法等開發了一系列水質在線監測技術[1-4]。其中，生物法可以直觀地反映水體中各種污染物質對生物種群的綜合毒性，近年來得到廣泛應用[5]。根據受試生物種類的不同，目前主要的生物在線監測技術可以分為：魚類行為法、發光細菌法、微生物燃料電池法、藻類法、水蚤法等[6-10]。以魚類行為法為基礎的水質監測預警系統具有穩定性好、可靠性高、續航能力強、管理方便、運行費用低等優點，是水體污染物在線監測的有效技術手段[11]。根據監測原理的不同，基于魚類行為法的水質在線監測儀器可主要分為圖像解析法和傳感器法兩類[12-13]。圖像解析法采用圖像識別處理技術，通過監測魚類行為模式及其變化反映水質狀況；傳感器法采用電信號傳感技術，通過監測魚類行為強度及其變化反映水質狀況。圖像解析法基于計算機攝像跟蹤技術，可以通過對受試魚類群體行為的變化進行實時分析，獲得全面、有效的水質信息，及時預警水質突變事件[14]。深圳水務集團采用圖像解析法研制出水質生物毒性監測儀(RTB)，以斑馬魚作為標準化指示生物，實現水質在線監測，提高水質安全保障能力[15]。目前，雖然在國家標準GB/T13267-1991《水質物質對淡水魚(斑馬魚)急性毒性測定方法》中介紹了生物毒性分析方法，但是屬于方法標準，而對于魚類行為法水質生物毒性監測儀性能測評方面的研究及報道較少[16]。因此，有必要開展魚類行為法水質生物毒性監測儀的測評方法研究，以便提升完善儀器性能指標的規范性。

本文以基于圖像解析法的水質生物毒性監測儀為例，探討儀器性能的測評方法。為了盡可能全面評價儀器性能，將主要指標歸納為檢測性能類、數據質量類以及運行維護類，并進行了測試分析。

1 監測原理及系統結構

1.1 魚類行為法水質監測原理

魚類對水質狀況的變化十分敏感。在正常無污染物的水體中，魚類的運動行為具有一定的規律，其運動速度、運動范圍、運動高度、轉彎次數等參數處于一定范圍之內。當水體受到污染時，魚類的運動行為將會發生變化。圖像解析法可以對魚類運動行為進行識別分析。利用計算機圖像跟蹤處理和識別技術，實時監測魚類運動軌跡，利用運動行為解析軟件包分析魚類的個體行為參數以及群體行為參數，并通過大量實驗，建立起魚類運動行為模式與水質污染物毒性之間的效應關系，進而實現對水質生物毒性的監測。魚類的個體行為參數一般包括速度、高度、轉彎次數；群體行為參數一般包括平均距離、分散度、分形維數、活魚數目。

1.2 監測儀系統結構

基于上述監測原理，為了實現水質在線監測，除了需要設計魚類運動行為識別分析模塊之外，還需要綜合考慮水樣采集、自動控制、數據傳輸等功能模塊的設計。水質生物毒性監測儀包括水樣預處理模塊、圖像采集模塊、運動行為識別分析模塊、水質預警模塊、電氣及自動控制模塊、遠程通信模塊等。儀器的系統結構見圖1所示。水樣預處理模塊包括過濾、除氯、溫度控制等裝置，可保障監測結果不受水體濁度、余氯、溫度變化等因素的干擾。圖像采集模塊用于對魚類活動區域進行監測，并將采集到的圖像實時傳輸到運動行為識別分析模塊進行處理，解析出受試魚類的個體行為參數及群體行為參數，計算出水質綜合毒性指數。當水質綜合毒性指數超出設定的閾值時，將會聯合水質預警模塊發出預警信息，及時通知用戶進行處理。電氣及自動控制模塊負責儀器整機的供電以及對儀器執行機構的控制。遠程通信模塊可采用有線或無線數據傳輸方式，實時傳輸水質監測數據，實現遠程在線監測。

2 測評方法

為了盡可能全面地對基于魚類行為法的水質生物毒性監測儀進行測試評價，將其主要指標分為三類：檢測性能類、數據質量類和運行維護類。其中，檢測性能類指標用于評價水質生物毒性在線監測儀對水質狀況的反映能力，主要包括靈敏度、響應時間；數據質量類指標用于評價水質生物毒性在線監測儀監測結果的可靠性，主要包括穩定性、誤報率、監測數據丟失率；運行維護類指標用于評價水質生物毒性監測儀在實際應用過程中的連續工作能力以及環境適應能力，主要包括溫度控制誤差、受試生物更換周期、平均無故障連續運行時間。

2.1 檢測性能類指標及測試方法

1)響應時間。魚類行為的變化與水中污染物的劑量以及作用時間相關。水質生物毒性監測儀對水質狀況的判斷需要基于足夠的生物行為數據解析。將受試魚類從開始接觸試驗溶液到監測儀發出水質報警所需要的時間定義為響應時間。

2)靈敏度。該指標用于表征水質生物毒性監測儀在一定的監測周期內產生報警信號所對應的污染物濃度。監測儀對污染物毒性的靈敏度與毒性效應濃度(Ceti)和系統響應時間相關。在監測儀運行過程中，待受試魚類適應環境且行為穩定后，向監測儀魚類活動區域注入一定毒性單位的標準溶液并開始計時，至監測儀報警時所經過的時間為響應時間，所使用的標準溶液濃度即為該響應時間所對應的毒性檢測靈敏度。標準溶液濃度采用毒性效應濃度(Ceti)來表征。毒性效應濃度(Ceti)將不同污染物的質量濃度(Dρi)與該污染物對受試魚類48小時半數致死劑量(LC50-48)的比值作為毒性單位(TU)，以進行歸一化分析，便于不同污染物之間的比較。毒性效應濃度(Ceti)的計算公式為：

(1)

2.2 數據質量類指標及測試方法

1)穩定性。穩定性反映監測儀保持其計量特性隨時間恒定的能力。在實際測量中，對于同一待測水樣，監測儀在一定時間范圍內多次測量時得到的監測數據可能存在波動，用標準差反映該組監測數據的離散程度，從而表征監測數據的穩定性。

2)誤報率。在一定條件下，如果監測儀在水質狀況良好的情況下出現誤判，將會觸發水質報警。誤報率是指在一定時間范圍內，出現水質誤報警數據條數占該時間段內獲取的所有監測數據總條數的百分比。誤報率可以反映監測儀監測數據的可靠性。在實際測量中，可以用無毒性的水樣進行測試，統計誤報警數據條數，從而計算誤報率。

3)監測數據丟失率。監測儀的監測數據是按時間順序進行收集的。監測數據的丟失可能由兩個因素導致。(1)在某段時間內，沒有任何數據收集記錄而導致數據中斷；(2)收集到的數據存在部分缺失，即有數據收集記錄，但是數據只有時間點，沒有數值或數值為空。因此，監測數據丟失率定義為在一段時間內，未收集到的數據條數與有數據缺失的數據條數之和占該段時間內應獲取的所有數據條數的百分比。其中，未收集到的數據條數可以利用數據收集頻率與收集中斷時間計算得出。監測數據丟失率能夠反映監測儀監測結果的可靠性以及遠程通信傳輸的可靠性。

2.3 運行維護類指標及測試方法

1)溫度控制誤差。監測儀采用恒溫裝置控制進入魚類行為監測區域的水樣溫度，當進水溫度高于或低于設定值時，恒溫裝置會自動工作，最終達到設定溫度T0。每隔10 min測量魚類行為監測區域中的水樣溫度1次，共測量6次，記錄讀數T1,T2,……,T6,分別計算讀數相對設定值T0的偏差值，將絕對值最大的偏差定義為溫度控制誤差ΔT。溫度偏差值的計算公式為：

ΔTi=Ti-T0

(2)

其中：ΔTi為第i次測量的溫度偏差，Ti為第i次測量的溫度值。溫度控制誤差可以反映監測儀在運行過程中對水環境的適應能力。

2)受試生物更換周期。為確保監測儀長時間正常運行，受試魚類應定期更換。該指標直接影響監測儀的維護周期。如果在預定的更換周期內出現受試魚類非正常死亡，應及時留取水樣，充分清洗監測儀流路系統，并更換全部受試魚類。

3)平均無故障連續運行時間。該指標為監測儀在測試期間每相鄰兩次故障之間的平均工作時間。在測試時，采用實際水樣，監測儀連續運行至少2個月，記錄總運行時間和故障次數，總運行時間和故障次數的比值即為平均無故障連續運行時間。平均無故障連續運行時間可以衡量監測儀的可靠性。

3 指標測試與結果分析

3.1 試驗條件

測試采用深圳水務集團自主研發的水質生物毒性監測儀(RTB)，選取魚齡3～4個月、體長3～5 cm的斑馬魚作為受試魚類，其馴養和選用條件應符合GB/T13267的規定，在測試及運行期間一般不喂食。關于被測水體，應滿足以下要求：濁度：≤15 NTU；溶解氧飽和度：≥60%；余氯：≤0.05 mg/L；水溫：(15～40) ℃。在檢測性能類指標的測試中，使用分析純級以上的溴氰菊酯配置標準儲備液。

3.2 檢測性能類指標

在監測儀運行時，待斑馬魚適應環境并且行為穩定后，向魚類活動區域注入一定毒性單位的溴氰菊酯溶液，記錄至系統報警時所經過的時間。進行多次試驗，以獲得不同濃度溴氰菊酯溶液所對應的報警時間。試驗結果為：注入0.1 TU的溴氰菊酯溶液后，報警時間為12 h；注入1.0 TU的溴氰菊酯溶液后，報警時間為60 min；注入10 TU的溴氰菊酯溶液后，報警時間為6 min。由此可知，監測儀響應時間12 h時，靈敏度為0.1 TU；監測儀響應時間60 min時，靈敏度為1 TU；監測儀響應時間6 min時，靈敏度為10 TU。監測儀的靈敏度與響應時間相關。監測儀具有較高的靈敏性，能夠及時對進入水體的污染物做出響應。

3.3 數據質量類指標

使用監測儀對同一實際水樣進行監測，設定每隔5 min讀取一次監測結果，并通過遠程通信模塊上傳到服務器進行統計分析。圖2為監測儀連續運行一天的監測數據曲線。監測結果表明，監測儀運行穩定，該時間段內監測到的綜合毒性指數的平均值為78.96，標準差為4.12。綜合毒性指數處于60至100之間表明水質正常，在該時間段內未出現水質誤報警，即誤報警個數為0，誤報率為0。上傳到服務器的監測數據完整，在一天之內共有288個監測數據，不存在數據中斷或數據缺失。即在該時間段內的監測數據丟失率為0。這表明監測儀具有良好的穩定性和可靠性。

圖2 監測儀運行一天的監測數據曲線

3.4 運行維護類指標

試驗中，設定儀器控制溫度為25 ℃，當儀器運行穩定后，每隔10 min用溫度測量裝置測量魚類行為監測區域中的水溫1次。試驗結果如圖3所示。水溫的最大偏差值為0.9 ℃，故溫度控制誤差為0.9 ℃，表明監測儀對水環境的適應能力良好。

圖3 監測儀溫度控制試驗結果

在監測儀實際運行時，斑馬魚每隔15天更換一次，即受試生物更換周期為15天。監測儀連續運行2個月，無故障發生，即平均無故障連續運行時間為1 440 h。監測儀具有較高的可靠性，維護周期可以設定為兩周一次，進行更換受試魚類、流路清洗以及其它檢查工作。

4 結束語

基于魚類行為圖像解析法的水質生物毒性監測儀能夠對水質的綜合狀況做出及時反映，對突發污染事件進行預警，可以廣泛應用于對原水、再生水等的監測，有效保障水質安全。目前對于該種類型水質監測儀性能測評的研究報道較少。本文從檢測性能、數據質量和運行維護3個方面對監測儀的性能進行了綜合評價。具體介紹了各項評價指標的測試方法，并進行了試驗測試。文中總結的評價指標可表征監測儀對水質狀況的反映能力、監測數據的可靠性以及在實際應用中的表現情況，對于其它類型的水質生物毒性監測儀的性能測評也具有參考意義。