基于魚類應(yīng)激反應(yīng)的水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究進(jìn)展*

蘆玥同 黃 毅# 劉金濤 王 玨 武軍旭 許晨陽 李偉棟

(1.西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710021;2.中交第三公路工程局有限公司,北京 100304)

隨著我國工業(yè)和農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展,重金屬及農(nóng)藥等污染物排放現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,導(dǎo)致突發(fā)性水質(zhì)污染事件數(shù)量增多,引起社會(huì)各界的高度重視。目前,基于魚類應(yīng)激反應(yīng)的水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警技術(shù)是通過魚類對(duì)水質(zhì)污染變化產(chǎn)生的應(yīng)激反應(yīng)進(jìn)行預(yù)警的技術(shù)。相較于其他生物監(jiān)測來說,該技術(shù)運(yùn)行周期長、維護(hù)簡單且成本低廉[1],能在第一時(shí)間預(yù)警水體突發(fā)污染,為應(yīng)急處理爭取寶貴時(shí)間。近些年,魚類監(jiān)測在實(shí)際應(yīng)用中也頗見成效,河北省、汕頭市陸續(xù)利用青鳉魚的生物行為學(xué)原理進(jìn)行水質(zhì)生物毒性在線監(jiān)測預(yù)警[2-3],有效保障了當(dāng)?shù)氐娘嬘盟踩?。由中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心開發(fā)的水質(zhì)在線生物安全預(yù)警系統(tǒng)(BEWs),也在2008年北京奧運(yùn)會(huì)和汶川抗震救災(zāi)的用水保障工作中發(fā)揮了重要作用[4]。本研究通過對(duì)水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的介紹,系統(tǒng)闡述多種監(jiān)測預(yù)警技術(shù)原理,為深入研究監(jiān)測預(yù)警技術(shù)提供一定的理論基礎(chǔ)和發(fā)展方向。

1 受試魚種及其應(yīng)激反應(yīng)

1.1 受試魚種的選擇

用于水質(zhì)在線監(jiān)測的受試魚種應(yīng)滿足易飼養(yǎng)、易觀察,環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng),對(duì)污染物敏感且毒理學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)豐富等特征。被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)[5]、經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)[6]和英國標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(BSI)[7-8]推薦的斑馬魚、孔雀魚、青鳉魚和虹鱒等在實(shí)際中應(yīng)用較多。同時(shí),這些魚種也廣泛應(yīng)用于藥物毒理學(xué)、生態(tài)毒理學(xué)和生命科學(xué)等研究領(lǐng)域,積累了豐富的毒理學(xué)數(shù)據(jù),是水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中的首選模式生物,其主要特征對(duì)比如表1所示。

表1 受試魚種特征對(duì)比Table 1 Comparison of characteristics of tested fish species

1.2 魚類的應(yīng)激反應(yīng)

應(yīng)激反應(yīng)指生命體在受到創(chuàng)傷或內(nèi)外界刺激后機(jī)體通過生理生化反應(yīng)重新建立穩(wěn)態(tài)的一個(gè)過程,是非特異性的全身反應(yīng)[9]。在水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)中應(yīng)用的主要有行為和生理兩種應(yīng)激反應(yīng)。魚類行為應(yīng)激反應(yīng)指魚類受到應(yīng)激原刺激時(shí)做出的回避反應(yīng),如躲避逃竄、不安地急速游動(dòng)等行為,在水體污染初期表現(xiàn)強(qiáng)烈,是較敏感的監(jiān)測指標(biāo)[10]。魚類生理應(yīng)激反應(yīng)指魚類體內(nèi)的酶和激素水平的變化,導(dǎo)致機(jī)體激素水平、心電和腦電等監(jiān)測指標(biāo)發(fā)生規(guī)律性變化,隨著污染物脅迫的濃度增加,所對(duì)應(yīng)的監(jiān)測指標(biāo)相關(guān)性也更顯著。相較于行為應(yīng)激反應(yīng),生理應(yīng)激反應(yīng)是魚類受污染脅迫后直接表現(xiàn)出的異常反應(yīng),也是其表現(xiàn)出異常行為的部分內(nèi)在原因。

2 基于魚類行為應(yīng)激反應(yīng)的水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警

2.1 利用電磁信號(hào)捕捉魚類行為應(yīng)激

電磁信號(hào)在線監(jiān)測利用裝置一側(cè)發(fā)出電流形成電場,另一側(cè)采集魚類運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電場變化實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。在實(shí)際使用過程中,電磁信號(hào)的實(shí)時(shí)性比視頻信號(hào)更強(qiáng),但布置在水中的電磁信號(hào)捕捉裝置會(huì)對(duì)魚類有一定的干擾,監(jiān)測結(jié)果會(huì)受到影響。活動(dòng)電位、生物傳感器和光柵遮擋(見表2)都是采用電磁信號(hào)的原理,可監(jiān)測多種魚類行為指標(biāo),脅迫因素有重金屬、農(nóng)藥和非侵入性脅迫因素等。

2.1.1 活動(dòng)電位監(jiān)測

利用魚類活動(dòng)電位變化的方式進(jìn)行水質(zhì)在線監(jiān)測,是在水箱內(nèi)壁兩側(cè)放置電極板監(jiān)測魚體呼吸時(shí)身體產(chǎn)生的生物電位變化,達(dá)到水質(zhì)污染預(yù)警的一種方法。王磊[11]利用魚鰓和魚嘴開閉產(chǎn)生的活動(dòng)電位變化,監(jiān)測水中樂果、敵敵畏、敵百蟲、百草枯的毒性。隨著農(nóng)藥脅迫的持續(xù),當(dāng)活動(dòng)電位和移動(dòng)平均值逐漸趨近于零時(shí),進(jìn)行紅色報(bào)警[12]。但該方法在監(jiān)測體長過小的魚類時(shí)電位信號(hào)太微弱,故僅限于監(jiān)測魚體長度適中的鯽魚和錦鯉。徐敏等[13]對(duì)此進(jìn)行改進(jìn),擴(kuò)大了監(jiān)測的普適性,測量值改為電位信號(hào)頻率的變化,不再限制魚種和尺寸,可用于青鳉魚、斑馬魚等小型魚種,并用0.04 mg/L殺螟硫磷和0.50、2.00 mg/L氰化鉀驗(yàn)證了可行性,監(jiān)測的生物電位十分微弱,因此采用魚呼吸運(yùn)動(dòng)電位信號(hào)監(jiān)測裝置避免游動(dòng)運(yùn)動(dòng)對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)電位監(jiān)測的干擾。除魚嘴、魚鰓和魚鰭等部位,運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉收縮舒張產(chǎn)生的活動(dòng)電位也可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測[14]。

2.1.2 生物傳感器監(jiān)測

生物傳感器監(jiān)測在受試魚游動(dòng)的水箱兩側(cè)設(shè)置電極板,魚受到化學(xué)品脅迫后,電極板中電場能感應(yīng)受試魚脅迫后的運(yùn)動(dòng)變化。王子健等[15]設(shè)計(jì)了有兩個(gè)電極板采集運(yùn)動(dòng)電信號(hào)的水箱,用提供魚類逃避的通道相連,適合魚游動(dòng)的區(qū)域?yàn)榈蛪航涣麟妶?再通過信號(hào)采集裝置轉(zhuǎn)換為可視信號(hào)。HU等[16]又在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善,添加了在亮、暗光照和不同水溫(15～35 ℃)下對(duì)斑馬魚的監(jiān)測功能,可實(shí)現(xiàn)非侵入性脅迫下斑馬魚的持續(xù)行為反應(yīng)監(jiān)測。水質(zhì)在線BEWs通過低壓高頻電磁信號(hào)傳感器技術(shù)連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測生物運(yùn)動(dòng)行為變化。任宗明等[19]采用此系統(tǒng)研究10.00 mg/L氰戊菊酯間斷脅迫,發(fā)現(xiàn)斑馬魚的行為強(qiáng)度發(fā)生了明顯降低。趙曉艷等[17]采用多物種凈水監(jiān)測儀(MFB)測定不同頻率的魚類運(yùn)動(dòng)電磁信號(hào),該裝置傳感器由一組生成高頻電流的電極和另一組呈90°的接收電極組成。GERHARDT等[20]采用MFB監(jiān)測飲用水,在酸性條件下脅迫飲用水中的大型蚤和蚤狀鉤蝦,當(dāng)pH低于6.8時(shí)兩者都表現(xiàn)出明顯的行為變化。

2.1.3 光束遮擋監(jiān)測

德國BBE公司研發(fā)的Tox Protect 64簡易魚類毒性儀運(yùn)用光柵遮擋感知原理(與電場遮擋原理相似),監(jiān)測魚類運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)光束的遮擋次數(shù),當(dāng)魚遮擋光柵頻率和位置低于限值時(shí),啟動(dòng)報(bào)警檢驗(yàn)系統(tǒng),達(dá)到水質(zhì)污染預(yù)警的目的。此外,還可以調(diào)節(jié)水箱中瞬時(shí)光照強(qiáng)度,通過魚類應(yīng)激反應(yīng)判斷報(bào)警信號(hào)的真?zhèn)?提高監(jiān)測準(zhǔn)確度[18]。

表2 電磁信號(hào)捕捉魚類應(yīng)激反應(yīng)水質(zhì)在線監(jiān)測Table 2 On-line monitoring of water quality based on fish stress response captured by electromagnetic signals

2.2 利用視頻信號(hào)追蹤魚類行為應(yīng)激

視頻信號(hào)在線監(jiān)測是采用一個(gè)或多個(gè)攝像頭實(shí)時(shí)采集魚類在水箱中運(yùn)動(dòng)的軌跡,對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理,實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測的一種方法。雖然這種監(jiān)測方法中魚群游動(dòng)軌跡可能會(huì)相互影響,數(shù)據(jù)采集也會(huì)受到影響,但在實(shí)際操作中更簡單方便,在成本方面也優(yōu)于電磁信號(hào)[21]58。

二、三維視頻監(jiān)測都是常用的監(jiān)測形式,可監(jiān)測的指標(biāo)有速度、轉(zhuǎn)次等(見表3),運(yùn)用多種數(shù)據(jù)處理方法將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為可視數(shù)據(jù)。

2.2.1 二維視頻信號(hào)

二維視頻信號(hào)監(jiān)測因采集數(shù)據(jù)少、運(yùn)算量小、操作簡單等優(yōu)勢(shì),是目前普遍應(yīng)用的監(jiān)測形式[22]672。監(jiān)測指標(biāo)是魚類水質(zhì)在線監(jiān)測中重要的因素,早期指標(biāo)通常包括魚類的游動(dòng)行為,當(dāng)水質(zhì)發(fā)生變化時(shí),魚類會(huì)發(fā)生回避逃離等應(yīng)激反應(yīng),觀察魚類行為變化可對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警,而游動(dòng)速度是游動(dòng)行為中最常用的參數(shù)之一[29]。

嚴(yán)升[21]57運(yùn)用二維視頻監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測魚群運(yùn)動(dòng)軌跡,通過調(diào)節(jié)水體pH,驗(yàn)證了魚群作為監(jiān)測指標(biāo)的可行性。黃毅等[22]671-676用氯化鎘和敵敵畏脅迫,驗(yàn)證魚類游動(dòng)行為劃分為個(gè)體和群體指標(biāo)的有效性。魚群在相鄰個(gè)體魚的行為下更快速地感知環(huán)境變化,做出應(yīng)激反應(yīng),因此魚類的群體行為也可作為水質(zhì)監(jiān)測行為指標(biāo)。賈貝貝等[24]提取呼吸頻率和魚鰓、胸尾鰭的擺動(dòng)頻率變化作為新的行為監(jiān)測指標(biāo)。李秀麟等[25]設(shè)計(jì)了具有中間脅迫區(qū)和脅迫逃離區(qū)的監(jiān)測裝置,監(jiān)測斑馬魚在氯化鋅和氯化鎘聯(lián)合脅迫下的規(guī)避行為變化,提出了距中心對(duì)角線距離指標(biāo);裝置中部放置重金屬暴露的斜管,隨著水流的不斷運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散,斑馬魚逃離中間脅迫區(qū),最終進(jìn)入脅迫逃離區(qū)。酚類污染物對(duì)斑馬魚的游動(dòng)行為影響研究表明,浮出水面的頻率[27]也可作為監(jiān)測指標(biāo)。

2.2.2 三維視頻信號(hào)

三維視頻監(jiān)測追蹤魚類運(yùn)動(dòng)軌跡相比二維更精準(zhǔn),在魚缸不同方向擺放兩個(gè)攝像頭,實(shí)現(xiàn)XYZ軸上的魚類運(yùn)動(dòng)軌跡的采集,是三維視頻監(jiān)測普遍采用的布置形式。

李林波等[30]提出利用三維軌跡對(duì)魚類游動(dòng)行為進(jìn)行空間定位和連續(xù)跟蹤的方法。CHENG等[28]結(jié)合卡爾曼濾波和核相關(guān)濾波算法對(duì)軌跡進(jìn)行平滑處理,并提高準(zhǔn)確度和跟蹤效率。范偉康[31]用平面鏡和攝像機(jī)成像原理將監(jiān)測圖像轉(zhuǎn)化為三維監(jiān)測方式。張勝茂等[32]采用高斯模型對(duì)魚類運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行處理、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測及魚體輪廓分析等,提出了對(duì)前景輪廓進(jìn)行合理性分析來提高檢測正確率的方法。

2.3 其他監(jiān)測魚類行為應(yīng)激的方式

在水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警中,為解決電或視頻信號(hào)監(jiān)測帶來的誤差,利用物理因子脅迫對(duì)魚類進(jìn)行無損傷刺激,通過魚類行為變化可檢驗(yàn)預(yù)警真實(shí)性,減少發(fā)生誤報(bào)警的狀況。凌睿[33]研究認(rèn)為,斑馬魚受到鎘、鉻、溴氰菊酯和敵敵畏的脅迫時(shí),對(duì)聲、光和電刺激的行為反應(yīng)強(qiáng)度會(huì)降低。韓小波等[34]在研究中選擇光照對(duì)斑馬魚進(jìn)行短暫刺激,驗(yàn)證了物理因子脅迫檢驗(yàn)報(bào)警真?zhèn)畏椒ǖ目尚行?。任宗明等[35]將電與視頻信號(hào)監(jiān)測方法相結(jié)合,在裝置內(nèi)壁設(shè)置兩組電極發(fā)射和接收電信號(hào),在電場監(jiān)測的基礎(chǔ)上,添加攝像頭幫助定位,再利用生物識(shí)別算法配套分析,這種電、視頻結(jié)合的方式保障了行為信號(hào)和結(jié)果的唯一性,降低單電場監(jiān)測時(shí)傳感器采集會(huì)出現(xiàn)的誤差,防止斑馬魚群在交叉游動(dòng)時(shí)個(gè)體采集錯(cuò)位的情況,提高了生物識(shí)別定位的精確度。

表3 不同視頻監(jiān)測維數(shù)追蹤魚類應(yīng)激反應(yīng)水質(zhì)在線監(jiān)測Table 3 Online monitoring of water quality in different video monitoring dimensions tracking fish stress response

3 基于魚類生理應(yīng)激反應(yīng)的水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警

3.1 魚類心電采集對(duì)魚類生理應(yīng)激反應(yīng)的研究

魚類生理應(yīng)激監(jiān)測水質(zhì)污染的方法,目前是從參照監(jiān)測動(dòng)物心電圖的方法發(fā)展到研究魚類心電對(duì)水環(huán)境的響應(yīng)。有研究采用重金屬和農(nóng)藥對(duì)斑馬魚進(jìn)行脅迫,使魚類心電產(chǎn)生變化,得出變化程度與暴露的重金屬和農(nóng)藥之間存在的效應(yīng)關(guān)系,可反映水體污染情況。斑馬魚長時(shí)間暴露在高濃度溴氰菊酯下,心率會(huì)變慢,但斑馬魚心電與行為變化相關(guān)性不強(qiáng),這是由于魚體內(nèi)受到生理機(jī)制的調(diào)節(jié),行為變化有一定的滯后性[36-38]。任宗明等[39]還發(fā)明保持魚類正常體位的在線心電采集裝置,兩邊用充滿水的海綿包裹魚體,再通過埋入魚體指定位置的導(dǎo)線,分別采集不同水質(zhì)下斑馬魚的心電,并實(shí)時(shí)傳入主機(jī)分析比對(duì),可得出環(huán)境污染對(duì)斑馬魚心電的影響。

3.2 生理生化指標(biāo)對(duì)魚類生理應(yīng)激反應(yīng)的研究

魚類行為水質(zhì)監(jiān)測可與生理生化指標(biāo)相結(jié)合,魚類受到外界環(huán)境脅迫后生理及內(nèi)分泌的變化,是導(dǎo)致魚類產(chǎn)生行為變化的內(nèi)在因素。研究發(fā)現(xiàn),乙酰膽堿酯酶(AChE)、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等[40]活性的變化,均可作為魚類行為應(yīng)激水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警的生理指標(biāo)。REN等[41]分析溴氰菊酯對(duì)斑馬魚肌肉中AChE活性的影響得出,斑馬魚肌肉中AChE活性的抑制會(huì)造成游泳行為紊亂。HAVERROTH等[42]研究銅對(duì)斑馬魚行為和生理生化指標(biāo)的影響得出,低濃度的銅抑制肌肉中AChE的活性,會(huì)嚴(yán)重影響斑馬魚的行為。

皮質(zhì)醇激素作為生理生化指示物,對(duì)魚類生理應(yīng)激反應(yīng)有明顯的表征作用[43]。生物體內(nèi)下丘腦-垂體-腎間腺軸可合成并分泌皮質(zhì)醇,是機(jī)體應(yīng)激反應(yīng)的一種表現(xiàn)[44]。研究表明,人為驚擾刺激[45]與水體重金屬Cu2+[46]脅迫等都會(huì)對(duì)皮質(zhì)醇水平產(chǎn)生影響。

4 結(jié) 語

水質(zhì)污染在線監(jiān)測預(yù)警技術(shù)中,不同的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)特點(diǎn)不同。電磁信號(hào)的實(shí)時(shí)性比視頻信號(hào)更強(qiáng),但布置在水中的電磁信號(hào)捕捉裝置會(huì)對(duì)魚類有一定的干擾,監(jiān)測結(jié)果會(huì)受到影響。視頻信號(hào)監(jiān)測方法中,魚群游動(dòng)軌跡可能會(huì)相互影響,數(shù)據(jù)采集也會(huì)受到影響,但在實(shí)際操作中這種方法更簡單方便,成本也低于電磁信號(hào)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。而基于魚類生理應(yīng)激(導(dǎo)致魚類產(chǎn)生行為變化的內(nèi)在因素)的監(jiān)測系統(tǒng),可探究魚類內(nèi)在機(jī)理的調(diào)節(jié)與魚類行為應(yīng)激的關(guān)系。

總體而言,魚類行為與生理應(yīng)激在水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究中,都能有效反應(yīng)水質(zhì)污染情況,通過總結(jié)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)裝置,今后可深入研究多種信號(hào)聯(lián)合監(jiān)測的方式。通過采集魚類行為異常變化,行為應(yīng)激反應(yīng)可實(shí)時(shí)反應(yīng)水體變化,實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測預(yù)警。生理應(yīng)激是導(dǎo)致魚類產(chǎn)生行為變化的內(nèi)在因素,但在魚類內(nèi)在機(jī)理探究中,如魚類內(nèi)在調(diào)節(jié)機(jī)制與行為應(yīng)激之間的關(guān)系,其他有關(guān)內(nèi)分泌變化的問題還有待解決?？傮w上,魚類應(yīng)激反應(yīng)的水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警技術(shù)有很大的應(yīng)用前景與發(fā)展?jié)摿?可為突發(fā)性水體污染預(yù)警提供更多的研究方向。