《水質(zhì)毒性魚菌合一在線預(yù)警監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（征求意見稿）編輯說明

《水質(zhì)毒性魚菌合一在線預(yù)警監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》

（征求意見稿）

編制說明

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一、制定標(biāo)準(zhǔn)的背景、目的和意義

1.1背景

水是生命的源泉，飲用水安全是人類生存的根本。飲用水水源地保護(hù)工作不

僅事關(guān)人民群眾飲水安全和生命健康，也直接關(guān)系到區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的和諧與

穩(wěn)定。2000年起，國家高度重視飲用水水源地生態(tài)環(huán)境保護(hù)，頒布了一系列法律

法規(guī)，投入了大量的人力、物力和財(cái)力；經(jīng)過多年的努力，我國城鎮(zhèn)已基本實(shí)現(xiàn)

了公共供水全覆蓋，市政供水普及率達(dá)98.8%，農(nóng)村地區(qū)飲用水也實(shí)現(xiàn)了全面覆蓋，

有些城市還建立了備用飲用水水源地，供水可滿足人們生活和社會發(fā)展的用水需

求。然而，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2014年至今全國共發(fā)生突發(fā)環(huán)境事件2000起左右，其

中水污染事件約占60%；比如松花江污染事件、太湖藍(lán)藻事件、廣西龍江河鎘污染

事件等直接導(dǎo)致居民飲用水停止供應(yīng)，引起民眾恐慌，嚴(yán)重影響了人民的日常生

活和社會安定。另外，近年來國際國內(nèi)反恐應(yīng)急形勢日趨嚴(yán)峻，人口聚集區(qū)的飲

用水水源極易成為恐怖分子進(jìn)行投毒破壞的目標(biāo)，必將引起社會性恐慌和危害，

近日公安部已將我國飲用水安全作為反恐應(yīng)急工作的重點(diǎn)之一。因此對飲用水水

源地水質(zhì)監(jiān)測和監(jiān)管顯得愈發(fā)重要。目前我國重要的飲用水水源地基本建設(shè)了水

質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備，考慮到監(jiān)測的時(shí)效性，水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測指標(biāo)主要為常規(guī)的監(jiān)測水

質(zhì)理化指標(biāo)，如氨氮、總磷和總氮等。隨著化學(xué)品的種類、數(shù)量不斷增加，我國

已經(jīng)生產(chǎn)和使用的化學(xué)品數(shù)萬種，而大量化學(xué)品具有明顯的生物毒性、環(huán)境持久

性和生物積累性，在環(huán)境中即使?jié)舛容^低，也可能具有顯著的環(huán)境與健康風(fēng)險(xiǎn)，

其危害具有潛在性和隱蔽性。很難通過常規(guī)的理化指標(biāo)來監(jiān)測飲用水水源地水體

中有害物質(zhì)。然而如果檢測時(shí)效過長，或者根據(jù)一些理化指標(biāo)無法判斷其嚴(yán)重程

度，特別是關(guān)系到群眾飲用水安全時(shí)，加上污染物往往不確定，給政府管理部門

帶來了極大的挑戰(zhàn)。

近年來，我國相繼出臺了一系列關(guān)于水質(zhì)監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)的政策規(guī)劃，強(qiáng)調(diào)

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深化國家重大環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源動(dòng)態(tài)監(jiān)測體系，強(qiáng)化重點(diǎn)流域或地表水和水環(huán)境加強(qiáng)生

物預(yù)警監(jiān)測。《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》關(guān)于環(huán)境

的發(fā)展思路中要求：“開發(fā)飲用水安全保障技術(shù)以及生態(tài)和環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)，

大幅度提高改善環(huán)境質(zhì)量的科技支撐能力，重點(diǎn)研究適合我國國情的重大環(huán)保裝

備及儀器設(shè)備，加大國產(chǎn)環(huán)保產(chǎn)品市場占有率，提高環(huán)保裝備技術(shù)水平”。2015

年國務(wù)院辦公廳印發(fā)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（國辦發(fā)〔2015〕17號），強(qiáng)調(diào)地

方各級人民政府要制定和完善水污染事故處置應(yīng)急公告預(yù)案，落實(shí)責(zé)任主體，明

確預(yù)警預(yù)報(bào)與響應(yīng)程序、應(yīng)急處置及保障措施等內(nèi)容，依法及時(shí)公布預(yù)警信息；

提升水源水生生物監(jiān)測，全力保障水生態(tài)環(huán)境安全。2015年國務(wù)院辦公廳以國辦

發(fā)〔2015〕56號公告《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》同時(shí)明確規(guī)定：在重點(diǎn)流域

開展生物毒性監(jiān)測。2017年原環(huán)保部、發(fā)改委、水利部聯(lián)合印發(fā)《重點(diǎn)流域水污

染防治規(guī)劃（2016-2020年）》（環(huán)水體〔2017〕142號）公告規(guī)定了飲用水水源

地環(huán)境安全保障應(yīng)完善應(yīng)急處置技術(shù)庫提高預(yù)警和應(yīng)急處置能力；加強(qiáng)地表水水

生生物監(jiān)測能力建設(shè)、加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警工作，提升水質(zhì)監(jiān)測信息化水平。中華

人民共和國生態(tài)環(huán)境部2018年第1號公告《集中式地表水飲用水水源地突發(fā)環(huán)境

事件應(yīng)急預(yù)案編制指南》中，水源地應(yīng)急防控體系建設(shè)的主要內(nèi)容和要求里明確

規(guī)定：應(yīng)急處置啟動(dòng)條件之一為通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，水源保護(hù)區(qū)或其上游連接水體生

態(tài)指標(biāo)異常，即水面出現(xiàn)大面積死魚或生物綜合毒性異常并經(jīng)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測后確認(rèn)

的；并在此基礎(chǔ)上明確在連接水體和取水口的應(yīng)急防控里可根據(jù)流域污染特征，

適當(dāng)增加監(jiān)控指標(biāo)，可采用生物毒性綜合預(yù)警手段實(shí)現(xiàn)對重金屬、有機(jī)污染物等

有毒有害物質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

因此，利用快速水污染事件響應(yīng)技術(shù)，開展飲用水水源地水質(zhì)情況實(shí)時(shí)監(jiān)測，

是解決當(dāng)前飲用水水源地保護(hù)困境的基本保障。在飲用水源監(jiān)測中引入水環(huán)境綜

合毒性生物預(yù)警與監(jiān)測技術(shù)，即利用有毒物質(zhì)污染應(yīng)激下生物體的死亡、行為響

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應(yīng)和生理生化改變來識別毒物的方法。用“毒性”代替“毒物”監(jiān)測是一個(gè)最佳

解決方案，也是代表國際前沿的新技術(shù)和新方法。如果能在災(zāi)害發(fā)生之前預(yù)警或

是在災(zāi)難發(fā)生最初采取應(yīng)急措施，就能極大地控制事態(tài)發(fā)展，減少損失?；谕?/p>

發(fā)事故和反恐應(yīng)急的特點(diǎn)，針對整個(gè)區(qū)域飲用水水源周邊環(huán)境，建立區(qū)域飲用水

水質(zhì)安全多層級生物在線監(jiān)測預(yù)警體系，通過觀察、監(jiān)測，預(yù)警預(yù)測各種安全指

標(biāo)是否偏離安全閾值，同時(shí)輔以一套事先制定的、能迅速應(yīng)對突發(fā)性飲用水水質(zhì)

污染，緩解和減緩飲用水水源不安全對國民經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展造成的沖擊與

影響，避免發(fā)生由于飲用水不安全引起大的政治、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)災(zāi)變，使人民生活

質(zhì)量、國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展、水生態(tài)系統(tǒng)不受破壞或受影響最小是十分必要和緊

迫的。

1.2理化指標(biāo)預(yù)警技術(shù)

一般來說，理化指標(biāo)預(yù)警系統(tǒng)，通過定性、定量方法，能夠直接分析測定水

環(huán)境中有毒有害物質(zhì)及其濃度，這一類監(jiān)測方法有針對性，且較快速，可監(jiān)測確

定水環(huán)境中污染物種類及含量，實(shí)現(xiàn)在線的量化監(jiān)測，但是理化分析方法只能檢

測特定條件下水環(huán)境中污染的類別和含量等，而且一個(gè)方法不能覆蓋所有類別的

污染物，通常分析周期較長；一些在線的監(jiān)測儀器可以快速分析出預(yù)定化合物的

含量，但結(jié)果并不能直接反應(yīng)水環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)對水生生物的影響，尤其是多種

化合物的聯(lián)合作用以及外界環(huán)境（溫度、pH、溶解氧、酸堿度、硬度等）對化學(xué)

物質(zhì)的毒性影響等。

為了應(yīng)對突發(fā)的水環(huán)境污染事故，各級政府相繼建立了突發(fā)供水事件應(yīng)急預(yù)

案。在一些江河、湖泊重點(diǎn)流域和敏感水域已建立起水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和預(yù)警預(yù)報(bào)機(jī)

制。但目前這些系統(tǒng)主要是依靠常規(guī)水質(zhì)五參數(shù)（pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、

氨氮、總磷）進(jìn)行檢測和分析，雖然能夠準(zhǔn)確檢出參數(shù)的含量，但在應(yīng)對水環(huán)境

污染事故預(yù)警時(shí)作用較小，很難對特定污染物起到預(yù)警作用。全國各地的主要飲

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用水水源地、交界斷面大多建設(shè)了地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站。常規(guī)多參數(shù)作為預(yù)警

的輔助參考信息，主要用于對水質(zhì)基本情況的了解。很多有害物質(zhì)的變化與常規(guī)

參數(shù)的變化并不完全同步，有些沒有變化，有些變化不明顯。2007年，浙江永嘉

縣黃坦發(fā)生鉬礦尾礦因暴雨沖擊而污染水源事件，環(huán)保部工作人員來調(diào)查原因時(shí)，

附近的黃坦地表水自動(dòng)監(jiān)測站儀器顯示的常規(guī)多參數(shù)并沒有明顯異常。另外，我

國水系復(fù)雜，污染物類型繁多，而很多化學(xué)分析必須在已知目標(biāo)污染物的情況下

才能進(jìn)行測定，因而，對突發(fā)性污染事故不能做出快速的判斷。只有通過快速、

科學(xué)、準(zhǔn)確的監(jiān)測手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)水污染事件并啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急措施，才能最大限

度地減少對人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。因此，建立和完善飲用水水源的水質(zhì)安全預(yù)警

監(jiān)測系統(tǒng)，是保障預(yù)警機(jī)制有效運(yùn)作的基礎(chǔ)。

1.3生物學(xué)法預(yù)警技術(shù)

生物學(xué)方法是把生物監(jiān)測技術(shù)與環(huán)境科學(xué)相結(jié)合的一種方法，包括生態(tài)學(xué)方

法、毒理學(xué)方法等，其不僅可以用來測定和評價(jià)單一化學(xué)物質(zhì)對生物的影響，還

能直接用來測定工業(yè)廢水的毒性及多種化學(xué)物質(zhì)的聯(lián)合毒性。該方法是利用水生

生物在一定的水環(huán)境條件下，受水體污染物的影響而產(chǎn)生的各種反應(yīng)來測試水體

的污染狀況。

生物及其生存環(huán)境是統(tǒng)一的整體，環(huán)境創(chuàng)造了生物，生物又不斷地改變著環(huán)

境，兩者相互依存、相互補(bǔ)償、協(xié)同進(jìn)化，這一生物學(xué)規(guī)律對于水生生物及水體

環(huán)境也不例外。水生生物與其水體環(huán)境的這種統(tǒng)一性和協(xié)同進(jìn)化是水體污染生物

監(jiān)測的生物學(xué)基礎(chǔ)，而水生生物適應(yīng)的相對性及其對污染物質(zhì)或毒物的各種反應(yīng)

則是水體污染生物監(jiān)測的基本原理。其研究結(jié)果不僅能直接判斷水體中污染物對

水生生物的潛在影響、實(shí)際毒性，而且還能由此對水環(huán)境的質(zhì)量作出評價(jià)。除此

之外，在積累大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，還能為各種水體污染物或毒物的排放標(biāo)準(zhǔn)選擇、

污水處理方法及流程、區(qū)域環(huán)境容量和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的制訂提出依據(jù)。目前，生物檢

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測不僅己成為對水體污染進(jìn)行監(jiān)測和評價(jià)的重要手段，也可作為水體污染預(yù)警預(yù)

報(bào)的重要手段。

與目前常用的水質(zhì)污染的理化自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)相比，生物在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具

有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢：

（1）環(huán)境質(zhì)量和其它環(huán)境條件改變的強(qiáng)度是隨時(shí)間而變化的，理化監(jiān)測只能

代表取樣期間的污染情況，而生活于一定區(qū)域內(nèi)的生物，卻可以將長期的污染狀

況反映出來。因此，長期連續(xù)的生物監(jiān)測比理化監(jiān)測的定期取樣觀測更能反映環(huán)

境質(zhì)量變化的全貌，反映長期的污染效果，具有時(shí)效性和綜合性。

（2）某些受試生物對一些污染物非常敏感，它們能夠?qū)σ恍┚軆x器都測不

到的微量污染物產(chǎn)生反應(yīng)，并表現(xiàn)出相應(yīng)的受害癥狀。另外，通過食物鏈可以把

環(huán)境中的微量有毒物質(zhì)予以富集，當(dāng)?shù)竭_(dá)該食物鏈末梢時(shí)，可將污染物濃度提高

達(dá)數(shù)萬倍。

（3）生物監(jiān)測更具多功能性，因?yàn)橐环N生物可以對多種污染物產(chǎn)生反應(yīng)而表

現(xiàn)出不同癥狀。理化監(jiān)測只能檢測特定條件下水環(huán)境中污染的類別和含量等，而

生物監(jiān)測可以反映出多種污染物在自然條件下對生物的綜合影響，從而可以更加

客觀、全面地評價(jià)水環(huán)境。

（4）數(shù)字化反應(yīng)體系創(chuàng)建：將電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于生物監(jiān)測，可以

形成數(shù)字化、智能化的信息發(fā)生系統(tǒng)。同理化分析相比，不需要特殊分析試劑，

成本低，而且更易實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，在水環(huán)境生物安全預(yù)警系統(tǒng)中具有

重要的作用。

生物監(jiān)測預(yù)警技術(shù)最早運(yùn)用在歐洲。德國從1990年開始就將生物監(jiān)測預(yù)警技

術(shù)成功運(yùn)用于多個(gè)河流，組建了萊茵河監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的有德國BBE

Moldaenke公司的蚤類毒性儀、藻類毒性儀、魚類毒性儀，荷蘭MicroLAN公司的

發(fā)光細(xì)菌毒性儀等。

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2002年以來，美國開展了針對惡意投毒和事故性飲用水污染監(jiān)測系統(tǒng)的研究，

逐步形成了一套完整的三級水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，綜合了毒性測試、酶聯(lián)免疫等生物效

應(yīng)檢測和化學(xué)監(jiān)測技術(shù)，能快速鑒別和分析污染物的特性。

我國研究人員利用發(fā)光細(xì)菌方法研究了工業(yè)廢水、河流、海水等樣品的毒性，

1995年我國將這種方法列為水質(zhì)急性毒性檢測的標(biāo)準(zhǔn)方法。國內(nèi)已有中國科學(xué)院

生態(tài)環(huán)境研究中心、聚光科技、力合科技等公司陸續(xù)開發(fā)出不同物種的水質(zhì)綜合

毒性分析產(chǎn)品，在一些重要水源地獲得實(shí)地應(yīng)用。

水質(zhì)生物毒性預(yù)警檢測是讓指示生物曝露在被測水樣中，根據(jù)觀察到指示生

物的反應(yīng)生理特征改變、行為異常、死亡，而做出的水樣對指示生物影響的評價(jià)。

目前常見的生物毒性監(jiān)測指示物有發(fā)光細(xì)菌、魚類、水溞、藻類等。

1.3.1發(fā)光細(xì)菌急性毒性監(jiān)測

發(fā)光細(xì)菌在生物監(jiān)測方面表現(xiàn)出反應(yīng)快、成本低、重復(fù)性高和靈敏度強(qiáng)等優(yōu)

點(diǎn)，因此發(fā)光細(xì)菌試驗(yàn)已被列為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11348)和我國環(huán)境毒性監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)

方法(GB/T15441—1995)。其原理是利用發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光特性對水體污染程度的敏

感性來設(shè)計(jì)試驗(yàn)，當(dāng)水質(zhì)受到污染時(shí)，會對發(fā)光細(xì)菌的活性產(chǎn)生影響，細(xì)菌的呼

吸運(yùn)動(dòng)減弱后，其發(fā)光性能相應(yīng)減弱，即發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光能力與水質(zhì)的污染程度

成負(fù)相關(guān)性。通過檢測發(fā)光細(xì)菌受影響的程度，來推斷水質(zhì)的污染情況。目前，

荷蘭、美國、以色列、中國等國家都研制出了發(fā)光細(xì)菌毒性測試儀器，并得到了

廣泛的推廣應(yīng)用。

發(fā)光細(xì)菌急性毒性測定水質(zhì)污染具有快速、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確、靈敏的特點(diǎn)，同時(shí)

也存在以下問題：①室內(nèi)測試需要精確控制測試時(shí)間與環(huán)境條件，測試的穩(wěn)定性

及重復(fù)性稍差；②對部分污染物如有機(jī)物的敏感性不夠，報(bào)警閾值較高。

1.3.2水溞在線監(jiān)測

一般認(rèn)為，大型無脊椎動(dòng)物對污染物的敏感性較魚強(qiáng)，而且它們在多種水體，

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尤其在流水中廣泛分布，采集方便，同時(shí)生活周期足以記錄環(huán)境質(zhì)量。群落異質(zhì)

性強(qiáng)，總是存在對污染物發(fā)生反應(yīng)的生物類群，因而較多研究集中在開發(fā)無脊椎

動(dòng)物早期警報(bào)系統(tǒng)，水溞(Daphnia)是最常用的無脊椎動(dòng)物。據(jù)仁宗明等研究表明，

大型蚤的行為對有機(jī)磷農(nóng)藥有很好的敏感性，其行為強(qiáng)度的變化可以指示突發(fā)性

的有機(jī)磷農(nóng)藥污染事件。受污染物刺激，水溞在初期的運(yùn)動(dòng)速率變快，而且旋轉(zhuǎn)

角度加大，運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性增強(qiáng)。但隨著時(shí)間延長受損水溞的游泳能力下降，根據(jù)

這種特征反應(yīng)判斷污染事件。污染情況下水溞的位移能力會改變，有些在線監(jiān)測

系統(tǒng)通過設(shè)垂直管，水由上而下流入，將光源和檢測器沿管壁相對安裝。檢測水

溞在水柱內(nèi)單位時(shí)間產(chǎn)生的光斑量。光斑產(chǎn)生量下降表明水溞的位移能力下降，

可以監(jiān)測水質(zhì)的污染狀況。1991年，比利時(shí)學(xué)者采用高速攝像系統(tǒng)，測定水溞的

運(yùn)動(dòng)速度，形成了“微型無需培養(yǎng)基即時(shí)生物測試”的概念，其研究結(jié)果投入實(shí)

用并被稱為微型生物即時(shí)毒性測試儀，1991年投入商業(yè)化使用，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于

世界各國。穩(wěn)定光源下，水溞產(chǎn)生接近或游離反應(yīng)，分別定義為正趨光或負(fù)趨光

行為。

水溞作為毒性測試的指示生物已經(jīng)被國內(nèi)外列為標(biāo)準(zhǔn)生物。雖然國內(nèi)外學(xué)者

進(jìn)行了大量研究，但傳統(tǒng)的蚤類毒性測試多以半死亡為判斷終點(diǎn)，人工判斷耗時(shí)

耗力。隨著計(jì)算機(jī)與軟件技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于生物運(yùn)動(dòng)行為抑制的測量更加精確、

快速，利用水溞的行為變化進(jìn)行生物綜合毒性測試可顯著提高測試靈敏度，縮短

測試時(shí)間。因此，利用水溞的行為變化作為指標(biāo)評價(jià)有毒有害物質(zhì)將成為未來研

究的熱點(diǎn)之一。目前該技術(shù)主要存在以下問題：①傳統(tǒng)方法以半死亡來判斷測試

終點(diǎn)，耗時(shí)耗力，專業(yè)性較強(qiáng)，難以滿足野外快速監(jiān)測預(yù)警的需求。②利用行為

變化進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警的測試方法容易產(chǎn)生誤報(bào)，行為解析的準(zhǔn)確性有待提高。

1.3.3魚類在線監(jiān)測

魚類生物監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的使用始于l929年，Belding根據(jù)魚的呼吸變化指示

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有毒環(huán)境；后來，魚的游泳行為、正趨流性、選擇行為等相繼得到應(yīng)用。

（1）以魚類死亡為終點(diǎn)的監(jiān)測系統(tǒng)

水體受到嚴(yán)重的污染，導(dǎo)致魚在短期內(nèi)因氧氣缺乏或神經(jīng)及其他組織損傷等

原因死亡，死亡現(xiàn)象的發(fā)生表明水質(zhì)急劇惡化。

（2）以魚類的正趨流性為監(jiān)測對象的在線監(jiān)測系統(tǒng)

很多生活在流水環(huán)境中的魚都表現(xiàn)出一種獨(dú)特的位移行為，即總是逆水游動(dòng)，

定義為正趨流性。魚有溯流而上的趨流性，是由于視覺的固有趨性，側(cè)腺器官的

轉(zhuǎn)向趨性，鰭或腹部的接觸感覺器的轉(zhuǎn)向趨性等三種因素所控制。水體污染物可

使魚的正趨流能力被破壞，通過特定的儀器監(jiān)測魚逆流活動(dòng)的能力，如果魚不能

維持在上游的位置，則表明污染產(chǎn)生了危害。

（3）通過鰓的運(yùn)動(dòng)方式來監(jiān)測與預(yù)警水體污染

鰓的呼吸運(yùn)動(dòng)對污染物非常敏感，0.5小時(shí)內(nèi)可檢出接近半致死濃度的污染物，

亞致死濃度(20%－50%LC50)的污染物也可在24h內(nèi)檢出，但對<l0%LC50濃度的污

染物不發(fā)生反應(yīng)。在有污染物存在的情況下，鰓呼吸運(yùn)動(dòng)加快且無規(guī)律。將監(jiān)測

電極直接安裝在魚鰓上，監(jiān)視當(dāng)前呼吸頻率，通過數(shù)據(jù)分析并與正常的呼吸頻率

比較，如果出現(xiàn)明顯差異則表明發(fā)生了污染。

（4）以魚類的回避行為為監(jiān)測對象的在線監(jiān)測系統(tǒng)

魚類能夠憑借其強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)能力逃避不利環(huán)境，通過設(shè)計(jì)裝置，觀察魚在不

同濃度下的停留情況，假若都表現(xiàn)出逃避的行為，大多數(shù)魚集中在潔凈水一端，

則表明受試水遭受了污染。

（5）弱電脈沖在線監(jiān)測系統(tǒng)

有許多科的魚能夠周期性地發(fā)出弱電脈沖，脈沖頻率與種類有關(guān)，也與其所

在的不同環(huán)境相關(guān)，當(dāng)有污染存在時(shí)，會影響到其脈沖頻率，魚體運(yùn)動(dòng)和弱電脈

沖頻率就會發(fā)生變化，通過監(jiān)測這種變化可以預(yù)警環(huán)境的污染情況。

8

（6）以游泳活動(dòng)為對象的在線攝像監(jiān)測系統(tǒng)

污染物能夠提高或降低魚的游泳能力，利用光電技術(shù)連續(xù)或半連續(xù)確定魚的

位置變化，通過比較魚的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)與歷史記錄，觀察魚的行為是否發(fā)生變化，從

而監(jiān)測環(huán)境污染。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形識別技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)的進(jìn)步，開始逐漸利用魚

類行為的變化來測試水體的綜合毒性，并由此研發(fā)了一系列儀器，如新加坡叡克

公司研發(fā)的魚類毒性儀、德國BBE研發(fā)的魚類毒性儀等等，使測試敏感度明顯提

高、預(yù)警時(shí)間明顯縮短。但該方法的缺點(diǎn)是行為解析的準(zhǔn)確性有待提高，容易誤

報(bào)，目前在國外已有一定程度的推廣應(yīng)用，在國內(nèi)尚處于起步階段，存在廣闊的

應(yīng)用和改進(jìn)空間。

1.3.4藻類在線監(jiān)測

藻類是水生生態(tài)系統(tǒng)的主要初級生產(chǎn)者，藻類的種類、群落組成及生物量與

水環(huán)境密切相關(guān)，目前已成為評價(jià)水體的重要指標(biāo)，在水環(huán)境的監(jiān)測、化合物的

毒性評價(jià)中得到了廣泛的應(yīng)用。藻類用于水質(zhì)監(jiān)測評價(jià)已有幾十年的發(fā)展歷程。

1967年美國最早提出“暫行藻類測試程序”，而后修改成為藻類測試玻璃瓶法。

1981年經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)提出“藻類生長抑制實(shí)驗(yàn)方法”(AGIT，Alga

GrowthInhibitionTest)，建議采用單細(xì)胞藻類作為受試藻種進(jìn)行毒性測試，目

前已成為最常用的一種評價(jià)方法。1993年，中國國家環(huán)境保護(hù)總局編寫了《水生

生物檢測手冊》，2004年歐盟公布了國際標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì)－用單細(xì)胞藻進(jìn)行淡水藻類

生長抑制性實(shí)驗(yàn)(IS08692：2004)》，2008年我國發(fā)布了藻類毒性測試的國家標(biāo)準(zhǔn)

《化學(xué)品藻類生長抑制試驗(yàn)》(GB/T21805—2008)。這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范在推動(dòng)藻類用

于有毒有害物質(zhì)評價(jià)方面發(fā)揮了重要作用。傳統(tǒng)的藻類毒性測試是利用藻種在毒

物的脅迫下，其光合色素含量、細(xì)胞密度、吸光度、酶活性、蛋白質(zhì)含量、重金

屬積累量等指標(biāo)的變化，或以半數(shù)效應(yīng)濃度(EC50)和半致死濃度(LC50)來表示藻

9

種的敏感程度。上述方法存在測量周期較長、結(jié)果可靠性低，并且實(shí)驗(yàn)無法區(qū)分

死活藻細(xì)胞的缺陷。國外學(xué)者嘗試用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)來檢測污染物，以測試藻類

的PSII最大光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)、PSII實(shí)際光能轉(zhuǎn)化效率(Yield)、NPQ(非光化

學(xué)猝滅)、PSII潛在活性(Fv/Fo)、qP(光化學(xué)猝滅)等指標(biāo)的變化表示污染物毒性

的大小，具有快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。國外自1990年以來，就陸續(xù)有人采用葉綠素?zé)?/p>

光技術(shù)對水中的農(nóng)藥殘留進(jìn)行檢測，并取得了較大進(jìn)展。如Frense等以柵藻

(Scenesdesmussubspicatus)作為指示生物，采用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)在10min內(nèi)對

阿特拉津的檢出限達(dá)到0.1μg/L。Nguyen-Ngoc等將藻細(xì)胞包埋在硅膠基質(zhì)中，

用SpexFluorolog2檢測葉綠素?zé)晒庾兓?，其對敵草隆、百草枯和莠去津的檢出

限達(dá)到0.1μg/L，滿足歐盟飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求，而且低于之前采用的懸浮藻液的檢

出限1μg/L。國內(nèi)在這方面的研究工作起步較晚，王山杉觀察到固氮魚腥藻

(Ana-baenaazoticaLey)在Zn2+存在時(shí)其葉綠素?zé)晒庀壬仙俳档?，?dāng)Zn2+濃度

為1.0mg/L時(shí)，F(xiàn)v/Fm值最高，隨著Zn2+濃度的升高，F(xiàn)v/Fm值降低。

藻類用于水質(zhì)監(jiān)測與毒性評價(jià)也同樣存在著不少缺陷。首先，由于藻類本身

有較強(qiáng)的適應(yīng)性及變異性，對外部環(huán)境有較強(qiáng)的忍耐力，而且這種忍耐力隨著脅

迫時(shí)間的延長而加強(qiáng)，因而降低了測試的靈敏性和專一性；其次，藻類的生理狀

態(tài)受到諸多因子的綜合影響，這給監(jiān)測結(jié)果的解讀帶來一定困難；再者，傳統(tǒng)的

藻類監(jiān)測耗時(shí)長，要求實(shí)驗(yàn)人員具有較好的專業(yè)基礎(chǔ)；最后，藻類對除草劑、殺

蟲劑類物質(zhì)比較敏感，而對大多數(shù)重金屬、有機(jī)物等污染物的敏感度不高。

1.3.5生物在線預(yù)警技術(shù)發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)的水質(zhì)預(yù)警目前僅限于常規(guī)的理化指標(biāo)，在實(shí)際工作中常規(guī)理化指

標(biāo)系統(tǒng)對突發(fā)水質(zhì)事件的預(yù)警成功率相對較低，遇到如廣東北江鎘污染事件、太

湖藻類爆發(fā)等事件，常規(guī)指標(biāo)并沒有顯著變化。而大部分生物預(yù)警設(shè)備都是單通

道的，不可避免出現(xiàn)誤報(bào)漏報(bào)問題；利用單一指示生物進(jìn)行生物綜合毒性測試，

10

在預(yù)警時(shí)間、預(yù)警范圍及閾值方面各有優(yōu)劣，難以高效、客觀、全面地檢測各類

污染物，依賴傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室分析技術(shù)，往往耗時(shí)數(shù)日甚至數(shù)周。我國仍不具備統(tǒng)

一的生物毒性預(yù)警在線分析儀技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及配套的預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范。在未來，開

發(fā)具有多通道多物種的綜合毒性預(yù)警技術(shù)，同步利用特征污染物監(jiān)測信息，對水

環(huán)境毒性進(jìn)行實(shí)時(shí)、全面的預(yù)警是目前的技術(shù)發(fā)展方向，是本項(xiàng)目的核心研究方

向，對于水環(huán)境保護(hù)和污染事件預(yù)警溯源具有重要意義。因此，有必要構(gòu)建飲用

水水源地生物預(yù)警技術(shù)規(guī)范，不僅能夠及時(shí)、全面地掌握集中式飲用水源地水質(zhì)

污染狀況，快速啟動(dòng)預(yù)警機(jī)制，更能有效降低居民飲用水安全風(fēng)險(xiǎn)，后續(xù)可作為

普適性標(biāo)準(zhǔn)在全省乃至全國范圍推廣。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過采用發(fā)光細(xì)菌、大型溞、魚類和藻類等各種毒性測

試研究發(fā)現(xiàn)發(fā)光細(xì)菌急性作為受試生物對水質(zhì)健康風(fēng)險(xiǎn)防控具有一定的普適性，

結(jié)合目前地表水飲用水水源地水質(zhì)污染物以重金屬和有機(jī)污染物為主的特征，利

用青鳉魚對有機(jī)農(nóng)藥敏感，發(fā)光細(xì)菌對重金屬敏感的特點(diǎn)，加上青鳉魚在食物鏈

中處于重要的地位，是一種重要的生物種群，分布廣泛，遺傳穩(wěn)定。青鳉魚作物

受試生物已被多數(shù)世界組織認(rèn)可，20世紀(jì)80年代國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）將其列

為毒性實(shí)驗(yàn)受試物種。利用多層級生物（魚、菌）對有毒污染物敏感的特點(diǎn)，基

于標(biāo)準(zhǔn)模式生物生理響應(yīng)與水體中的有機(jī)污染物、重金屬等有毒物質(zhì)具有劑量效

應(yīng)關(guān)系的毒理學(xué)機(jī)制，將模式魚與發(fā)光菌作為多層級模式生物，通過生物傳感器

監(jiān)測生物生理變化（行為變化、發(fā)光量變化），實(shí)現(xiàn)水質(zhì)綜合毒性的在線生物預(yù)

警監(jiān)測，能夠拓展生物預(yù)警的監(jiān)測范圍，進(jìn)一步全面有效的預(yù)警監(jiān)測水質(zhì)突發(fā)污

染事故）。

目前國際上沒有一個(gè)統(tǒng)一評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，綜合《水質(zhì)水樣對弧菌類光發(fā)射抑制影

響的測定(發(fā)光細(xì)菌試驗(yàn))》（ISO11348-3-2007）和魚法行為學(xué)水質(zhì)指數(shù)算法，

研究典型污染物（有機(jī)物和重金屬）對費(fèi)歇爾弧菌和魚的毒性響應(yīng)關(guān)系曲線；考

11

察地表水飲用水水源地本底基質(zhì)對毒性綜合響應(yīng)規(guī)律及預(yù)警結(jié)果判定模型；實(shí)現(xiàn)

地表水飲用水水源地水質(zhì)綜合毒性的在線預(yù)警監(jiān)測；結(jié)合地表水飲用水水源地實(shí)

際水質(zhì)狀況，得出地表水飲用水水源地魚菌合一多層級生物預(yù)警閾值；進(jìn)一步全

面有效的預(yù)警監(jiān)測水質(zhì)突發(fā)污染事故。

1.4意義

隨著我國經(jīng)濟(jì)和人口的快速發(fā)展，生活污水、工農(nóng)業(yè)廢水大量排放水體，進(jìn)

入環(huán)境中污染物呈現(xiàn)種類多樣，數(shù)量頻發(fā)急劇增加的趨勢，盡管相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)

定了水質(zhì)常規(guī)理化指標(biāo)的達(dá)標(biāo)限值和排放標(biāo)準(zhǔn)，但水體中物質(zhì)種類繁多，加上新

型化合物不斷出現(xiàn)，都可能對水生生物乃至人類健康具有潛在的威脅，這些物質(zhì)

在水環(huán)境中通過生物作用，使得水體的綜合毒性表現(xiàn)越來越明顯，從生物多樣性

的下降到物種的滅絕，無不對生態(tài)系統(tǒng)功能和人類健康構(gòu)成威脅。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過采用發(fā)光菌、大型溞、魚類和藻類等各種毒性測試

研究發(fā)現(xiàn)發(fā)光菌急性作為受試生物對水質(zhì)健康風(fēng)險(xiǎn)防控具有一定的普適性。因此，

有必要強(qiáng)化飲用水源地水質(zhì)急性綜合監(jiān)控和健康風(fēng)險(xiǎn)評估，對保證飲用水源地的

生態(tài)環(huán)境安全具有重要的意義，也是未來水質(zhì)目標(biāo)采樣毒性指標(biāo)管控和生物風(fēng)險(xiǎn)

評估的重要依據(jù)。

如果能在災(zāi)害發(fā)生之前預(yù)警或是在災(zāi)難發(fā)生最初采取應(yīng)急措施，就能極

大地控制事態(tài)發(fā)展，減少損失。基于突發(fā)事故和反恐應(yīng)急的特點(diǎn)，針對整個(gè)

區(qū)域飲用水水源周邊環(huán)境，建立區(qū)域飲用水水質(zhì)安全多層級生物在線監(jiān)測預(yù)

警體系，通過觀察、監(jiān)測，預(yù)警預(yù)測各種安全指標(biāo)是否偏離安全閾值，同時(shí)

輔以一套事先制定的、能迅速應(yīng)對突發(fā)性飲用水水質(zhì)污染，緩解和減緩飲用

水水源不安全對國民經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展造成的沖擊與影響，避免發(fā)生由

于飲用水安全問題引起大的政治、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)災(zāi)變，使人民生活質(zhì)量、國民

經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展、水生態(tài)系統(tǒng)不受破壞或受影響最小是十分必要和緊迫的。

12

因此，有必要構(gòu)建地表水飲用水水源地生物在線預(yù)警技術(shù)規(guī)范，填補(bǔ)了我國

目前地表水飲用水水源地生物毒性測試、評價(jià)與實(shí)時(shí)預(yù)警體系無標(biāo)準(zhǔn)方法的

空白，不僅能夠及時(shí)、全面地掌握集中式飲用水水源地水質(zhì)污染狀況，快速

啟動(dòng)預(yù)警機(jī)制，更能有效降低居民飲用水安全風(fēng)險(xiǎn)，后續(xù)可作為普適性標(biāo)準(zhǔn)

在全省乃至全國范圍推廣。

二、工作簡況

2.1任務(wù)來源

2018年12月，江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心承擔(dān)了江蘇省環(huán)?？蒲姓n題項(xiàng)目“集

中式飲用水源地環(huán)境安全監(jiān)測評估及預(yù)警技術(shù)研究（2018002）”，根據(jù)課

題合同要求制定并發(fā)布飲用水水源地生物預(yù)警技術(shù)規(guī)范。

2.2起草單位及主要起草人情況簡介及分工

本規(guī)范的承擔(dān)單位為江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，參加單位為清華大學(xué)、無錫

中科水質(zhì)有限公司、中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心（表1和表2）。

表1本標(biāo)準(zhǔn)起草單位

序號單位名稱分工

1江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心總體負(fù)責(zé)，主持方案設(shè)計(jì)論證，總體關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及標(biāo)準(zhǔn)起草

2清華大學(xué)參與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、條件實(shí)驗(yàn)論證和標(biāo)準(zhǔn)起草

3無錫中科水質(zhì)環(huán)境技術(shù)有限公司參與條件實(shí)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)起草

4中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心參與條件實(shí)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)起草

表2本標(biāo)準(zhǔn)起草人員分工

序號姓名單位職務(wù)/職稱研究方向

1李娣江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心正高級工程師水環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)

2單陽江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心中心主任環(huán)境管理

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江蘇省太湖水質(zhì)監(jiān)測中心站/江蘇省站長/中心黨委副書

3胡冠九水環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)

環(huán)境監(jiān)測中心記、正高級工程師

4高占啟江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心高級工程師水環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)

5畢鳳稚江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心工程師水環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)

6王薈江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心正高級工程師水環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)

7姜晟江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心高級工程師生態(tài)學(xué)

8周小紅清華大學(xué)副教授環(huán)境毒理

生物毒理學(xué)研發(fā)與集

9劉勇無錫中科水質(zhì)環(huán)境技術(shù)有限公司總經(jīng)理

成

10饒凱鋒中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心教授生態(tài)學(xué)

2.3主要工作過程

（1）成立標(biāo)準(zhǔn)修訂編制組

2018年12月，江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心根據(jù)合同要求，成立技術(shù)規(guī)范編制

組（以下簡稱“編制組”），成員以多年從事環(huán)境監(jiān)測及環(huán)境科研工作的高

級工程師為主。

（2）資料收集和國內(nèi)外文獻(xiàn)/標(biāo)準(zhǔn)研究

2018年12月-2019年2月，標(biāo)準(zhǔn)編制組成員開展相關(guān)資料和標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)

查工作，包括國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)研，查閱環(huán)境因子對常見的生物急性毒性

的效應(yīng)關(guān)系及國內(nèi)外對生物毒性閾值的設(shè)定。在廣泛閱讀、認(rèn)真研究相關(guān)資

料的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工作中遇到的問題和總結(jié)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，確定以發(fā)光細(xì)

菌和魚作物受試生物，制訂了工作方案。

（3）方法研究、編寫標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿和編制說明

14

2019年3月-2020年2月，開展飲用水水源地發(fā)光細(xì)菌法毒性監(jiān)測試驗(yàn)

條件優(yōu)化，進(jìn)行魚法在線生物預(yù)警監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備的研究與驗(yàn)證試驗(yàn)，研究

魚法行為模式與水質(zhì)特征分析。

2020年3月-2020年5月，開展在線發(fā)光細(xì)菌和魚法設(shè)備集成和水質(zhì)指

標(biāo)預(yù)警閾值研究。

2020年6月-2020年12月，在典型地表水飲用水水源地開展魚菌合一

多層級生物預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備安裝和試運(yùn)行。

2021年1月-2022年5月，編寫《水質(zhì)毒性魚菌合一在線預(yù)警監(jiān)測技術(shù)

規(guī)范》初稿和編制說明，并提交了江蘇省環(huán)境科學(xué)學(xué)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)申請。

2022年6月30日江蘇省環(huán)境科學(xué)學(xué)會組織召開了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《地表水飲

用水水源地魚菌合一多層級生物在線預(yù)警技術(shù)規(guī)范》立項(xiàng)審查會。專家組審

查了相關(guān)材料，聽取了起草單位的匯報(bào)，經(jīng)質(zhì)詢和討論，專家組一致認(rèn)為本

文件提供的地表水綜合毒性魚菌生物預(yù)警在線監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，符合當(dāng)前地表

水環(huán)境生物預(yù)警監(jiān)測的實(shí)際需求，同時(shí)也順應(yīng)了國家關(guān)于水質(zhì)預(yù)警、生物毒

性監(jiān)測等政策要求。專家組一致同意立項(xiàng)。江蘇省環(huán)境科學(xué)學(xué)會于2022年

7月8日批準(zhǔn)立項(xiàng)（蘇環(huán)學(xué)[2022]31號)。2022年7月-2023年4月，根據(jù)

立項(xiàng)審查會專家意見，修改標(biāo)準(zhǔn)題目，增加相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)信息，以技術(shù)優(yōu)先，系

統(tǒng)輔助的框架，形成標(biāo)準(zhǔn)初稿。

2023年4月18日，江蘇省環(huán)境科學(xué)學(xué)會組織召開了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)初審會。

2023年4月18日-2023年5月，根據(jù)初審會專家意見修改形成《水質(zhì)

毒性魚菌合一在線預(yù)警監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（征求意見稿）。

15

三、標(biāo)準(zhǔn)編制原則和確定標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的依據(jù)

3.1標(biāo)準(zhǔn)編制原則

本標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作管理辦法》（國環(huán)規(guī)科技〔2017〕

1號）、《環(huán)境監(jiān)測分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》（HJ168-2010）和《國家環(huán)

境污染物監(jiān)測方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作暫行要求》（環(huán)科函〔2009〕10號）要求，以

國內(nèi)外最新的標(biāo)準(zhǔn)方法和相關(guān)文獻(xiàn)研究成果為編制基礎(chǔ)。同時(shí)考慮到國內(nèi)現(xiàn)有自

動(dòng)監(jiān)測機(jī)構(gòu)的運(yùn)行水平、管理水平、經(jīng)濟(jì)條件等實(shí)際情況，確保所編制標(biāo)準(zhǔn)能夠

在駱馬湖飲用水源地應(yīng)用，逐步向江蘇省乃至全國推廣應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)制訂過程中主

要遵循以下原則：

（1）本標(biāo)準(zhǔn)力求與我國現(xiàn)行頒布現(xiàn)行相關(guān)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)相匹配，滿足駱馬湖飲用

水源地相關(guān)生態(tài)環(huán)境保護(hù)管理標(biāo)準(zhǔn)和工作的要求。

（2）方法準(zhǔn)確可靠，以ISO11348-3-2007標(biāo)準(zhǔn)為主要編制依據(jù)，同時(shí)參照

《水質(zhì)發(fā)光菌急性毒性測試》（GB/15441-1995）方法對試驗(yàn)條件參數(shù)進(jìn)行研究

驗(yàn)證，相關(guān)方法性能滿足生態(tài)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警技術(shù)及管理要求。

（3）方法具有普遍適用性，易于推廣使用。

3.2標(biāo)準(zhǔn)制訂的技術(shù)路線

本標(biāo)準(zhǔn)編制的技術(shù)路線，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的各程序步驟，從資料到標(biāo)準(zhǔn)建立，綜合

評價(jià)方法要素選擇和建立，按照圖1，進(jìn)行具體項(xiàng)目和標(biāo)準(zhǔn)限值及評價(jià)方法的確定。

標(biāo)準(zhǔn)制訂以后預(yù)計(jì)在國內(nèi)具有較好的推廣前景，所使用的儀器設(shè)備及器具均

為成熟的在線監(jiān)測設(shè)備，本試驗(yàn)中專用的發(fā)光菌在線監(jiān)測設(shè)備或魚在線監(jiān)測設(shè)備

可以根據(jù)具體要求直接購買或定制，在試驗(yàn)操作等技術(shù)環(huán)節(jié)方面，只要進(jìn)行針對

性的培訓(xùn)便可以開展飲用水源地水質(zhì)急性毒性的監(jiān)測預(yù)警工作。

16

資料調(diào)研、收集與整理

技術(shù)方法的文獻(xiàn)國內(nèi)外相關(guān)方法研究成水質(zhì)急性毒性試驗(yàn)應(yīng)用情

調(diào)研果分析況調(diào)研

初步探索性試驗(yàn)，開展實(shí)驗(yàn)室條件

對發(fā)光菌急性毒性和魚法行為學(xué)試驗(yàn)條件研究驗(yàn)證

發(fā)光細(xì)菌法和魚法智能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法研究

魚菌合一多層級生物預(yù)警閾值研究

魚菌合一多層級生物預(yù)警系統(tǒng)試運(yùn)行

圖1標(biāo)準(zhǔn)編制技術(shù)路線圖

3.3確定標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的依據(jù)

3.3.1方法研究的目標(biāo)

3.3.1.1本方法適用范圍

本文件規(guī)定了地表水飲用水水源地生物在線預(yù)警閾值，預(yù)警等級，質(zhì)量保證

與質(zhì)量控制，生物在線預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)、驗(yàn)收、運(yùn)行和管理等方面的技術(shù)要求。

本文件適用于地表水飲用水水源地水質(zhì)生物預(yù)警。

3.3.1.2本方法標(biāo)準(zhǔn)擬解決的重要問題

本方法測定的是水質(zhì)的毒性綜合效應(yīng)，測試目標(biāo)為非單一物質(zhì)，測定結(jié)果以

魚和發(fā)光細(xì)菌的綜合水質(zhì)指數(shù)來表征受試水樣的毒性。

17

本方法的性能也適宜用有效性來衡量，以陰性對照水樣和陽性對照水樣進(jìn)行

質(zhì)量控制，對照陰性水樣水質(zhì)綜合指數(shù)（<75，>0），陽性對照水樣水質(zhì)綜合指數(shù)

≥75。

3.3.2術(shù)語和定義

3.3.2.1魚法水質(zhì)指數(shù)waterqualityindexbasedonfishes

魚法水質(zhì)指數(shù)用來量化表征青鳉魚行為變化，并反映水質(zhì)毒性變化情況。

本標(biāo)準(zhǔn)通過模型算法綜合表征青鳉魚行為傳感器中受試魚行為強(qiáng)度變化，以

期反映水質(zhì)綜合毒性變化情況。魚法單元每分鐘對傳感器中受試魚行為強(qiáng)度進(jìn)行

判斷一次，并采集模式魚傳感器行為信號，將行為信號輸入到算法模型中（用到

的模型有環(huán)境脅迫閾值模型、3sigma準(zhǔn)則模型、權(quán)重概率模型），分析判斷行為

信號中異常數(shù)據(jù)的幅度值和數(shù)量，并輸出魚法水質(zhì)指數(shù)。

其中f為水質(zhì)狀態(tài)實(shí)時(shí)量化指數(shù)；vi為指定計(jì)算周期內(nèi)的信號幅值；μ為前t

分鐘內(nèi)的均值；σ為前t分鐘內(nèi)的方差；N為計(jì)算周期，比如以一分鐘為例，則N=1200。

3.3.2.2發(fā)光細(xì)菌法水質(zhì)指數(shù)waterqualityindexbasedonluminescent

bacteria

發(fā)光細(xì)菌法用來量化表征發(fā)光細(xì)菌相對發(fā)光率，并反映水質(zhì)毒性變化情況。

本標(biāo)準(zhǔn)基于魚法水質(zhì)指數(shù)，結(jié)合水體基質(zhì)中僅有溶解氧與發(fā)光菌抑制率有弱

的相關(guān)性，其他基質(zhì)參數(shù)于發(fā)光菌抑制率幾乎沒有相關(guān)性，且各位點(diǎn)水樣大部分

發(fā)光菌抑制率在30%以下，考慮到《水質(zhì)水樣對費(fèi)氏弧菌發(fā)光抑制作用的測定（發(fā)

光細(xì)菌試驗(yàn)）》（ISO11348-3-2007）中明確急性毒性最低無觀察效應(yīng)相對抑光

率為20%，將相對發(fā)光率為80%-140%之間的值對應(yīng)量化到0-75之間。

18

將相對發(fā)光度0-80或140-220之間的值對應(yīng)量化到75-100之間：

水質(zhì)安全的情況下，量化水質(zhì)指數(shù)會較小，水質(zhì)污染狀態(tài)的時(shí)候會超出水質(zhì)

指數(shù)預(yù)警閾值75，但不會超過100。

3.3.2.3魚菌合一綜合水質(zhì)指數(shù)waterqualityindexbasedonfishesand

luminescentbacteria

根據(jù)綜合水質(zhì)指數(shù)=魚法水質(zhì)指數(shù)×weight1+菌法水質(zhì)指數(shù)×weight2計(jì)算公

式，得到綜合水質(zhì)指數(shù)。

本標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)常規(guī)應(yīng)用場景下，水體并無明顯的污染特征，故weight1和weight2

默認(rèn)為0.5，但在有特征污染物的風(fēng)險(xiǎn)下，可適時(shí)調(diào)整相應(yīng)權(quán)重。如有機(jī)物風(fēng)險(xiǎn)較

大時(shí)，可將weight1的權(quán)重調(diào)高。如重金屬風(fēng)險(xiǎn)較大時(shí)，可將weight2的權(quán)重調(diào)

高。使多層級系統(tǒng)更符合實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)的有效預(yù)警和防控。

3.3.2.5生物預(yù)警系統(tǒng)biologicalearlywarningsystem

指完成地表水水質(zhì)生物預(yù)警監(jiān)測，一般由站房、采配水、控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?/p>

全部或數(shù)個(gè)單元組成的自動(dòng)生物預(yù)警系統(tǒng)。

本標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《地表水自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ915—2017）中地表

水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的定義“由水站和數(shù)據(jù)平臺組成的自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)”——本標(biāo)

準(zhǔn)中，生物預(yù)警系統(tǒng)指魚法和菌法兩種方法集成后的采水、控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冉M

成的自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)。

3.3.3總則

水質(zhì)毒性魚菌合一在線預(yù)警是水質(zhì)評價(jià)自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用，其系統(tǒng)架構(gòu)、

采配水單元、控制單元、檢測單元、數(shù)據(jù)采集和傳輸單元和相關(guān)技術(shù)符合地表水

19

自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)要求。魚菌合一多層級生物在線預(yù)警能為實(shí)時(shí)評估飲用水水源地水

質(zhì)安全、應(yīng)對突發(fā)性水污染事件等提供技術(shù)支撐。

依據(jù)《地表水自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ915—2017）中“地表水水

質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)”的總體要求“主要包括：站址選擇、站房建設(shè)、水站各單

元和數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)。”——本標(biāo)準(zhǔn)中，總則指水質(zhì)毒性魚菌合一在線系統(tǒng)的總

體要求。

3.3.4試劑和材料

3.3.4.1青鳉魚（Oryziaslatipes）：采用基于毒理學(xué)規(guī)范馴化養(yǎng)殖的標(biāo)準(zhǔn)

模式青鳉魚（真骨魚總目，青鳉科）作為受試魚類，但應(yīng)用不同標(biāo)準(zhǔn)模式魚試驗(yàn)

和運(yùn)行條件需做相應(yīng)的改變。

對受試魚的質(zhì)量和體積進(jìn)行記錄。整個(gè)測試及運(yùn)行期間一般不喂食，如有需

要可采取間歇式定期喂食方式。

青鳉魚隸屬鳉科，個(gè)體小，全長2.5～5.0cm，可以耐受低溶氧和較寬的水溫

和鹽度范圍。由于其生物學(xué)背景研究非常充分，自從Denny對青鳉飼養(yǎng)管理與實(shí)

驗(yàn)操作進(jìn)行了規(guī)范化后（DennyJ.S..Guidelinesforthecultureof

fatheadminnowsforuseintoxicitytests.EnvironmentalResearch

Laboratory,DuluthMinn.,1987,Epa/600/3-87/001），青鳉作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物被

多數(shù)世界組織認(rèn)可，并于20世紀(jì)80年代被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織列為毒性實(shí)驗(yàn)受試種

之一。21世紀(jì)初期美國環(huán)境保護(hù)局列為內(nèi)分泌干擾效應(yīng)受試魚類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物之一。

由于其生物學(xué)背景研究非常充分，因此近幾十年來全世界大約有200多家研究機(jī)

構(gòu)使用青鳉作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行研究。目前，青鳉魚的行為變化已經(jīng)作為一個(gè)重要

指標(biāo)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到水質(zhì)監(jiān)測中。

3.3.4.3發(fā)光細(xì)菌：費(fèi)歇爾弧菌凍干粉或者明亮發(fā)光桿菌凍干粉。

依據(jù)《水質(zhì)急性毒性的測定發(fā)光細(xì)菌法》（GB/T15441-1995）。

20

3.3.4.4純水：蒸餾水或同等純度的水。

3.3.4.5鋅標(biāo)準(zhǔn)工作液：用毒物標(biāo)準(zhǔn)樣品及純水稀釋定容配制。本標(biāo)準(zhǔn)使用分

析純級以上的溴氰菊酯配制標(biāo)準(zhǔn)儲備液，配制方法按GB/T13267中的規(guī)定。

七水硫酸鋅母液（ρ=1000mg/L）：用萬分之一分析天平準(zhǔn)確稱取密封保存

良好的七水硫酸鋅4.4154g移入1000ml容量瓶，定容至刻度，置于2～5℃冰

箱備用，保存期6個(gè)月。

七水硫酸鋅使用液（ρ=2mg/L）：移取2ml七水硫酸鋅母液（6.4.1）于1000

ml容量瓶，定容至刻度。

3.3.4.6氯化鈉溶液：30%（M/V）的NaCl溶液，配制時(shí)將30gNaCl固體溶

解于100mL的去離子水或由超純水機(jī)制備符合國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的純水中。

3.3.5儀器和設(shè)備

魚菌合一多層級生物在線預(yù)警監(jiān)測儀應(yīng)包括信號采集單元、信號分析單元、

控制單元、水質(zhì)生物綜合毒性預(yù)警單元和遠(yuǎn)程通信傳輸?shù)葐卧?/p>

依據(jù)《地表水自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ-15-2017）系統(tǒng)建設(shè)單元，

本標(biāo)準(zhǔn)分信號采集單元、信號分析單元、控制單元、水質(zhì)生物綜合毒性預(yù)警單元

和遠(yuǎn)程通信傳輸?shù)?個(gè)主要單元。

3.3.5.1信號采集單元

應(yīng)包括生物傳感器域和信號采集設(shè)備，信號采集內(nèi)容應(yīng)包括檢測時(shí)間、檢測

結(jié)果等，可根據(jù)需要增加電源故障、設(shè)備維護(hù)記錄、儀器運(yùn)行狀態(tài)、常規(guī)水質(zhì)參

數(shù)等數(shù)據(jù)采集。

本標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)受試物質(zhì)信號傳輸特征，設(shè)置檢測時(shí)間和檢測結(jié)果，并在此基

礎(chǔ)上可增加相應(yīng)的功能信號集成采集。

3.3.5.2信號分析單元

21

具有對采集到的信號進(jìn)行實(shí)時(shí)分析的功能。

本標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)項(xiàng)目研究檢測結(jié)果的輸出頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號分析。

3.3.5.3控制單元

具有對儀器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制的功能。

3.3.5.4水質(zhì)生物綜合毒性預(yù)警單元

具有比較測定值與閾值或識別波動(dòng)值的功能及預(yù)警功能。

本標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)研究的閾值與測定值比對與識別，構(gòu)建水質(zhì)毒性魚法和菌法預(yù)警

單元。針對水質(zhì)預(yù)警現(xiàn)場情況下魚類行為信號采集的特殊性，研發(fā)生物行為預(yù)警

傳感器，使其水環(huán)境條件下能檢測魚類微弱行為的連續(xù)信號，并結(jié)合生物空白對

照排除水環(huán)境物理干擾，精準(zhǔn)提取到的魚類行為實(shí)時(shí)信號，為算法模型解析的準(zhǔn)

確度提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。研究特征污染物暴露時(shí)采集頻率對特征反應(yīng)的影響，優(yōu)化信

號檢測頻率以適應(yīng)不同頻率魚類行為信號的采集、顯示和分析。為避免魚類個(gè)體

特征差異可能引起的誤判，設(shè)計(jì)4個(gè)魚類行為預(yù)警傳感器通道，同時(shí)采集各通道

的魚類行為信號進(jìn)行平行和對照檢測。開展魚類行為預(yù)警傳感器信號采集和行為

信號處理電路低功耗抗干擾設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)即插即用，易于更換和維護(hù)。研制魚

類行為信號采集獲取模塊的自保護(hù)裝置，以抑制自然環(huán)境或人為因素而產(chǎn)生的信

號干擾。

3.3.5.5遠(yuǎn)程通信傳輸單元

數(shù)據(jù)傳輸可采用有線或無線方式，宜采用VPN專網(wǎng)傳輸。在公共網(wǎng)絡(luò)上傳輸

時(shí)，應(yīng)采取網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)措施。

本標(biāo)準(zhǔn)中遠(yuǎn)程通信傳輸根據(jù)目前通用的有線或無線方式設(shè)置。

3.3.6分析測試

3.3.6.1水質(zhì)毒性魚法在線監(jiān)測方法

22

技術(shù)原理：以受試魚類作為指示生物，利用電信號傳感和模式識別技術(shù)，通

過水生生物在傳感器電場中游動(dòng)改變傳感器電流信號，結(jié)合信號處理技術(shù)，連續(xù)

實(shí)時(shí)獲得生物行為變化情況。

監(jiān)測指標(biāo)：行為強(qiáng)度（用來量化表征生物行為傳感器法中的生物行為，取值

0-1。正常情況下，生物行為完全表達(dá)為1，生物喪失行為能力則為0）、水質(zhì)指

數(shù)（用來量化表征生物行為傳感器法中的模式生物行為，由每個(gè)行為傳感器及3

個(gè)以上平行行為傳感器中受試魚行為強(qiáng)度變化和變化趨勢組成，以水質(zhì)指數(shù)表征

反映水質(zhì)綜合毒性變化情況）、綜合毒性濃度；結(jié)合行為模式與水質(zhì)特征之間的

關(guān)聯(lián)關(guān)系分析，采用魚法水質(zhì)指數(shù)分析水質(zhì)綜合毒性。

連接電源，按照水質(zhì)毒性魚法在線監(jiān)測儀說明書規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間運(yùn)行，使各

部分功能及顯示記錄單元穩(wěn)定。

零點(diǎn)核查：儀器穩(wěn)定運(yùn)行后，生物行為傳感器通入被測水樣，不放置標(biāo)準(zhǔn)青

鳉魚，啟動(dòng)軟件，待設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行10分鐘后，開啟設(shè)備對魚類行為采集模塊的零

點(diǎn)漂移核查功能。

標(biāo)樣核查：儀器穩(wěn)定運(yùn)行后，導(dǎo)入10TU三氯酚標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測試并開始計(jì)

時(shí)，至設(shè)備報(bào)警時(shí)結(jié)束，并記錄報(bào)警時(shí)間及水質(zhì)綜合毒性指數(shù)，水質(zhì)狀態(tài)為水質(zhì)

污染。水質(zhì)指數(shù)≥75，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間＜0.2h。

響應(yīng)時(shí)間：向生物傳感器通入試驗(yàn)溶液，從開始接觸試驗(yàn)溶液至系統(tǒng)報(bào)警所

需要的時(shí)間（min）。

受試魚更換頻率：受試魚類正常運(yùn)行情況下更換的頻率。如生物傳感器中有

青鳉魚非正常死亡，需及時(shí)留樣，清洗傳感器并消毒，傳感器內(nèi)魚全部更換。傳

感器內(nèi)的青鳉魚不可再用于水質(zhì)監(jiān)測。

平均無故障連續(xù)運(yùn)行時(shí)間（MTBF）：采用實(shí)際水樣連續(xù)運(yùn)行2個(gè)月，記錄總

運(yùn)行時(shí)間（h）和故障次數(shù)（次），計(jì)算平均無故障連續(xù)運(yùn)行時(shí)間（h）。

23

上述方法根據(jù)魚法在線生物預(yù)警監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備研究，將受試魚的行為學(xué)變

化轉(zhuǎn)換為電信號輸出，結(jié)合受試魚應(yīng)每1個(gè)月進(jìn)行更換一次，如遇魚死亡，則即

可更換。

3.3.6.2水質(zhì)毒性發(fā)光細(xì)菌在線監(jiān)測方法

檢測原理：發(fā)光細(xì)菌毒性測試方法的原理：基于發(fā)光細(xì)菌相對發(fā)光度與水樣

毒性組分總濃度呈顯著負(fù)相關(guān)（P≤0.05），因而可通過儀器待測樣品的相對發(fā)光

度，以此表示其毒性水平。上述步驟由在線監(jiān)測儀自動(dòng)控制完成從水樣導(dǎo)入至結(jié)

果計(jì)算全過程，從而實(shí)現(xiàn)生物毒性監(jiān)測的自動(dòng)化。

連接電源，按照水質(zhì)毒性發(fā)光細(xì)菌法在線監(jiān)測儀說明書規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間運(yùn)行，

使各部分功能及顯示記錄單元穩(wěn)定。

零點(diǎn)核查：將反應(yīng)時(shí)間設(shè)定為15min；導(dǎo)入去離子水或者蒸餾水，所測得結(jié)

果為零點(diǎn)核查結(jié)果

標(biāo)樣核查：將反應(yīng)時(shí)間設(shè)定為15min；導(dǎo)入鋅離子標(biāo)準(zhǔn)儲備液，使反應(yīng)溶液

中鋅離子（Zn2+）最終濃度達(dá)到2.2mg/L，該濃度下的鋅離子（Zn2+）溶液測試結(jié)

果為標(biāo)樣核查結(jié)果。

重復(fù)性：生物毒性在線監(jiān)測儀運(yùn)行穩(wěn)定后，通入質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)溶液，記錄測量值，

使用同一濃度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)重復(fù)上述操作至少6次，按公式計(jì)算生物毒性在線監(jiān)測儀

的定量測量重復(fù)性。

..................（1）

式中：RSD——生物毒性在線監(jiān)測儀重復(fù)性，%；

Ci——量程校正液第i次測量值，%；

——量程校正液測量平均值，%；

i——記錄數(shù)據(jù)的序號（i=1-n）；

24

n——測量次數(shù)（n≥6）。

溫度控制誤差：用溫度測量裝置分別測量儀器發(fā)光細(xì)菌貯存溫度和測量溫度。

待儀器運(yùn)行穩(wěn)定后，每隔10min測量其溫度1次，共測量6次，依次記錄讀數(shù)T1，

T2……，T6，分別計(jì)算讀數(shù)相對設(shè)定值的偏差值，取絕對值最大的偏差作為溫度

控制誤差ΔT。

最小維護(hù)周期：待儀器穩(wěn)定運(yùn)行后，儀器以4h為周期，對1mg/L鋅標(biāo)準(zhǔn)工

作液進(jìn)行連續(xù)測量，從測量開始計(jì)時(shí)，測量過程中不對儀器進(jìn)行任何形式的人工

維護(hù)，直到儀器連續(xù)3次檢測數(shù)據(jù)平均值超過允許靈敏度范圍，記錄總運(yùn)行時(shí)間

（小時(shí)）為最小維護(hù)周期。

實(shí)際水樣比對實(shí)驗(yàn)：采集實(shí)際水樣樣品，待儀器穩(wěn)定運(yùn)行后，使用儀器進(jìn)行

測量，測量6次，記錄檢測結(jié)果。用實(shí)驗(yàn)室GB/T15441測量3次，計(jì)算實(shí)際水樣

測量值與實(shí)驗(yàn)室國標(biāo)方法測量值的平均值之間誤差絕對值的平均值，作為儀器實(shí)

際水樣比對試驗(yàn)誤差的判定值，計(jì)算方法如公式（2）所示：

.....................................（2）

式中：

A——水樣相對誤差絕對值的平均值；

Xi——水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測儀測量水樣第i次的測量值；

B——手工方法測量水樣的平均值，測量次數(shù)為3次；

n——測量所得數(shù)據(jù)總數(shù)，n=6；

i——測量次數(shù)。

依據(jù)ISO11348-3-2007《水質(zhì)水樣對費(fèi)氏弧菌發(fā)光抑制作用的測定(發(fā)光細(xì)

菌試驗(yàn))》（國際標(biāo)準(zhǔn)）、《水質(zhì)急性毒性的測定發(fā)光細(xì)菌法》（GB/T15441-1995）、

25

《污水生物毒性監(jiān)測技術(shù)規(guī)程發(fā)光細(xì)菌急性毒性測試-費(fèi)歇爾弧菌法》（海環(huán)字

〔2015〕29號）、《生物毒性水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測儀技術(shù)要求》（DB44/T1946-2016），

本標(biāo)準(zhǔn)對發(fā)光菌設(shè)備的零點(diǎn)核查、標(biāo)樣核查、重復(fù)性等性能指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定。

3.3.7毒性預(yù)警閾值

3.3.7.1水質(zhì)毒性魚法預(yù)警閾值

通過研究農(nóng)藥、重金屬、工業(yè)化學(xué)品、新型污染物等不同類型有毒污染物的

暴露下模式青鳉魚變化規(guī)律，探索各類型風(fēng)險(xiǎn)有毒污染物在不同濃度暴露下毒性

濃度與青鳉魚的量效關(guān)系，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建一整套閾值模型和數(shù)據(jù)庫作為水質(zhì)綜

合毒性檢測數(shù)據(jù)庫。對采集到的青鳉魚信號進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，分別研究不同類型污

染物與受試生物行為變化之間的關(guān)系，得出青鳉魚對不同污染物暴露下的的行為

響應(yīng)的變化規(guī)律和環(huán)境脅迫域模型、不同濃度下青鳉魚行為響應(yīng)時(shí)間以及不同暴

露時(shí)間青鳉魚行為響應(yīng)的水質(zhì)綜合毒性大小。

在生物行為在線監(jiān)測和分析基礎(chǔ)上，構(gòu)建青鳉魚行為變化的逐級脅迫閾模型，

為結(jié)合行為變化對水質(zhì)狀況提供分析依據(jù)。

以污染物對青鳉魚的急性毒性48小時(shí)半數(shù)致死劑量(48h-LC50)作為實(shí)驗(yàn)中污

染物的毒性單位(TU)。TU可作為不同濃度污染物導(dǎo)致環(huán)境脅迫的基本毒性評估標(biāo)

準(zhǔn)，用于綜合毒性生物檢測分析。實(shí)驗(yàn)采用污染物的48小時(shí)流水暴露，設(shè)置4-5組

暴露濃度梯度(0.1TU-10TU)。青鳉魚放入4小時(shí)后，加入有毒污染物提取青鳉魚在

有毒污染物暴露過程中的行為響應(yīng)數(shù)據(jù)。

（1）空白情況下青鳉魚行為變化規(guī)律

對照組受試生物(青鳉魚)的行為強(qiáng)度變化曲線，如下所示。結(jié)果表明受試生

物(青鳉魚)的行為強(qiáng)度變化與光照周期相關(guān)：暴露時(shí)間15h和40h為黑暗階段，青

鳉魚行為強(qiáng)度較低；暴露時(shí)間5h和25h行為強(qiáng)度變化的產(chǎn)生原因可能源于受試生

物行為變化的內(nèi)在節(jié)律，即生物鐘現(xiàn)象(biologicalclock)。

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圖2對照組受試生物在48h內(nèi)的綜合行為強(qiáng)度曲線

（2）三氯酚暴露下青鳉魚行為變化規(guī)律

三氯酚是化工生產(chǎn)中的重要原料，可用作殺菌劑、防腐劑、脫葉劑,在有機(jī)合

成、造紙和印染行業(yè)中得到使用廣泛，酚類化合物為細(xì)胞原漿毒物，是環(huán)境中主

要的有機(jī)污染物之一，屬高毒物質(zhì)。

圖30.05TU三氯酚暴露下青鳉魚行為反應(yīng)

27

圖40.5TU三氯酚暴露下青鳉魚行為反應(yīng)

圖51TU三氯酚暴露下青鳉魚行為反應(yīng)

28

圖610TU三氯酚暴露下青鳉魚行為反應(yīng)

如圖3-圖6所示，青鳉魚行為強(qiáng)度變化與三氯酚之間表現(xiàn)出明顯劑量－效應(yīng)關(guān)

系（綠線為加藥點(diǎn)）。設(shè)備在無毒狀態(tài)下運(yùn)行4小時(shí)加入有毒污染物后，青鳉魚行

為在加藥之后出現(xiàn)明顯的行為刺激，高濃度組暴露實(shí)驗(yàn)尤為明顯。

（3）除草劑暴露下青鳉魚行為變化規(guī)律

阿特拉津會使魚體內(nèi)的Ca2+、Mg2+等無機(jī)離子濃度顯著下降，從而導(dǎo)致其重要

的生理功能發(fā)生紊亂。

圖71TU阿特拉津暴露下青鳉魚的行為響應(yīng)曲線

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圖82TU阿特拉津暴露下青鳉魚的行為響應(yīng)曲線

圖93TU阿特拉津暴露下青鳉魚的行為響應(yīng)曲線

如圖6-圖9所示，青鳉魚行為強(qiáng)度變化與除草劑之間表現(xiàn)出明顯的劑量－效

應(yīng)關(guān)系（綠線為加藥點(diǎn)）。青鳉魚行為變化主要以調(diào)整為主，并且其調(diào)整過程基

本符合對照組內(nèi)青鳉魚的行為過程，具有明顯內(nèi)在節(jié)律性。這個(gè)濃度組出現(xiàn)行為

調(diào)解過程的原因可能是低濃度的環(huán)境污染物導(dǎo)致細(xì)胞和器官損傷形成環(huán)境脅迫是

并未超過受試生物啟動(dòng)行為調(diào)節(jié)機(jī)制的閾值，以通過行為調(diào)解對抗環(huán)境脅迫對自

30

己的損傷。

水質(zhì)毒性魚法預(yù)警單元采用青鳉魚作為指示生物。采用生物體遭遇有毒物質(zhì)

時(shí)會產(chǎn)生的主動(dòng)回避行為來進(jìn)行水質(zhì)綜合毒性的檢測。

圖10構(gòu)建綜合毒性預(yù)警算法技術(shù)路線

通過連續(xù)的低壓高頻電信號和敏感的生物行為傳感器能夠連續(xù)監(jiān)測到青鳉魚

在遭遇水污染時(shí)自發(fā)產(chǎn)生的回避行為響應(yīng)。大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，不管是低濃度

或高濃度污染物，還是單一抑或混合污染物，都符合環(huán)境脅迫閾值模型。主要表

現(xiàn)在受毒后，水生生物產(chǎn)生短暫的興奮作用，達(dá)到一個(gè)行為變化臨界點(diǎn)后產(chǎn)生抑

制作用，低濃度污染物可能還會出現(xiàn)掙扎死亡的情況。也就是說水生生物的行為

變化與水體污染物之間存在良好地劑量-反應(yīng)關(guān)系，從獲取生物行為信號至最終毒

性大小的判斷計(jì)算，需要構(gòu)建專屬的算法模型來完成，模型算法構(gòu)建的技術(shù)路線

如圖10所示。該模型及模型中的特征算法主要檢測異常行為信號的變化和響應(yīng)，

當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常行為信號后能夠準(zhǔn)確及時(shí)的解析判斷，并及時(shí)有效發(fā)出報(bào)警。

在指示生物選擇馴化、行為信號采集提取和不同類型有毒污染物濃度與生物

行為的量效關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，深入開展生物綜合毒性基礎(chǔ)模型算法的優(yōu)化和專

屬游程算法的研發(fā)，從EMD信號處理、行為小波分析、傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)模型、平均模

型算法的優(yōu)化到游程算法的研發(fā)，構(gòu)建與優(yōu)化了水質(zhì)毒性魚法預(yù)警單元基礎(chǔ)模型

算法。

為了構(gòu)建水質(zhì)毒性魚法預(yù)警單元基礎(chǔ)模型算法，在實(shí)驗(yàn)過程中選擇行為變化

明顯的高濃度三氯酚為觀測目標(biāo)，對多通道行為進(jìn)行提取的同時(shí)，目測生物在受

31

毒后的行為變化，如圖123所示。通過觀察發(fā)現(xiàn)，在受毒后很短的時(shí)間內(nèi)生物較

平時(shí)的正常行為有較為明顯的變化，這個(gè)變化符合如圖122中提出的環(huán)境脅迫閾

值模型。

圖11受毒前后生物行為的變化（縱坐標(biāo)：行為強(qiáng)度；橫坐標(biāo)：暴露時(shí)間）

根據(jù)圖11，使用10TU的三氯酚作為有毒物污染物，其中第101分鐘為隨機(jī)選

擇的一個(gè)時(shí)間段（實(shí)際采集數(shù)據(jù)為1分鐘1200個(gè)點(diǎn)），下毒點(diǎn)為13:09，該時(shí)間

段內(nèi)生物行為變化如圖9中的第三個(gè)子圖所示，第四個(gè)子圖是我們認(rèn)為報(bào)警的最

佳點(diǎn)（通常認(rèn)為是異常行為發(fā)生后，上升沿并且行為變化超過正常統(tǒng)計(jì)量的3σ）

所對應(yīng)的生物行為曲線。從圖中可以清晰地看出報(bào)警點(diǎn)的行為曲線中不管是振幅

還是頻率與正常行為都有顯著的差別?；谠撃Ｐ筒捎昧擞纬趟惴?，并對其進(jìn)行

優(yōu)化完善，以適應(yīng)不同污染物及同種污染物不同濃度的情況。游程算法對生物的

行為進(jìn)行有效解析，可以甄別生物鐘行為及降低誤報(bào)的可能性。算法主要包括：

同化不同生物體造成的行為信號的差異；剔除設(shè)備或環(huán)境造成的異常信號；游程

特征的提取；特征信號的建模處理；報(bào)警點(diǎn)的選擇及毒性濃度的計(jì)算，具體的算

法流程如圖12所示。

32

圖12魚法綜合毒性檢測游程算法流程

①同化不同生物體造成的行為信號的差異

生物個(gè)性的差異性會導(dǎo)致采集到的行為強(qiáng)度相差很大，甚至完全不同。這會

給算法分析帶來極大的困難，因此，在建立模型之出需要消除個(gè)體差異的影響。

一臺設(shè)備在進(jìn)行信號采集時(shí)，至少使用了9個(gè)生物個(gè)體，按照一分鐘來計(jì)數(shù)，平

行通道中的信號個(gè)數(shù)為1200，在短時(shí)間軸上，將每分鐘數(shù)據(jù)加和（等價(jià)于每個(gè)通

道中3個(gè)生物體的行為曲線融合）然后進(jìn)行歸一化，按照此方法可以消除個(gè)體差

異而引起的行為突變。

②剔除設(shè)備或環(huán)境造成的異常信號

采集設(shè)備會受到50Hz工頻信號的影響，同時(shí)環(huán)境對信號的采集也有很大的影

響，主要表現(xiàn)在正常行為下，突然產(chǎn)生比方差大很多的數(shù)據(jù)。因?yàn)樾盘柧哂携B加

性，所以算法收集到的信號中往往混有噪聲信號，去除這些噪聲信號是必要的。

為此，在算法構(gòu)建的時(shí)候，加入了先驗(yàn)知識，由3個(gè)平行通道的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算

出正常行為下的數(shù)據(jù)參數(shù)，根據(jù)該參數(shù)判定是否有異常信號產(chǎn)生，如果有異常信

號，則利用信號的加性原理給予去除，為后續(xù)的特征提取提供有效地保障。

33

③游程特征的提取

在以1分鐘為判斷單元（游程算法可以調(diào)整報(bào)警間隔，默認(rèn)值為1分鐘）的

時(shí)候，用一個(gè)參數(shù)來代表1200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所表達(dá)的信息，即將數(shù)據(jù)從1200維降到1

維，并且這1維數(shù)據(jù)不丟失行為變化的重要特征，這就是對游程特征的提取。具

體的方法為：指定前n分鐘的數(shù)據(jù)為某個(gè)具體平行通道的經(jīng)驗(yàn)值，然后利用模式

識別的方法對1分鐘的1200個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析獲得其綜合行為信號，在該綜合行為

信號的基礎(chǔ)上減去經(jīng)驗(yàn)值，根據(jù)高斯分布的假設(shè)，計(jì)算高斯分布的最大值點(diǎn)，保

留該值作為游程的特征。

④特征信號的建模處理

在連續(xù)分析中，使用上述中的方法，對每一個(gè)平行通道的每一分鐘進(jìn)行特征

提取并保留到計(jì)算隊(duì)列（該隊(duì)列默認(rèn)存儲120個(gè)點(diǎn)，對于每分鐘計(jì)算一次，隊(duì)列

中總共保存了120分鐘的歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)長期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，0.1TU濃度下的污

染物可以在2個(gè)小時(shí)內(nèi)檢測到）中，算法按照每分鐘進(jìn)行判斷。每個(gè)計(jì)算時(shí)刻到

來時(shí)，對整個(gè)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)進(jìn)行AFD平滑，然后根據(jù)閾值判斷規(guī)則，超過指定報(bào)

警閾值的便認(rèn)為是有污染事件發(fā)生，否則認(rèn)為處于水質(zhì)安全狀態(tài)。

⑤報(bào)警警點(diǎn)的選擇及毒性濃度的計(jì)算

在模型的正確預(yù)測下，判定為水質(zhì)污染，則將該時(shí)刻定為報(bào)警警點(diǎn)，并啟動(dòng)

毒性濃度計(jì)算算法。

為了驗(yàn)證游程算法的有效性，分別對三氯酚、氯化鉻、阿特拉津這三種污染

物的不同濃度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了能夠有效