專利名稱:利用藻類進(jìn)行水體監(jiān)測(cè)的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種利用藻類進(jìn)行水體監(jiān)測(cè)的方法,更具體地說(shuō),涉及一種通過觀測(cè)可進(jìn)行光合作用的藻類如綠藻的光合作用來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境特別是水體環(huán)境的方法。
背景技術(shù):
通常,利用魚類、貝類等生物對(duì)如河流等區(qū)域監(jiān)測(cè)有害物泄漏事件的方法被稱為生物監(jiān)測(cè)的方法。自從在70年代后期,德國(guó)利用魚類或水蚤等的方法測(cè)定在包括湖泊、河流的水系中是否有有毒物質(zhì)侵入,包括新西蘭、比利時(shí)、法國(guó)、瑞士、奧地利、英國(guó)等等許多國(guó)家開始研究生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前為止,針對(duì)那些適于測(cè)定水系是否有有毒物質(zhì)侵入的不同水生物,進(jìn)行了各種不同的研究。也因此提出許多利用水生物的異常行為模式分析或生物特性來(lái)監(jiān)測(cè)水體是否污染的方法。
至于在利用魚類進(jìn)行的生物監(jiān)測(cè)中,人們對(duì)魚類的行為模式,如浮游、環(huán)境反射、聚群、散布以及游動(dòng)進(jìn)行觀察分析。如果觀察的魚類出現(xiàn)異常行為模式,就預(yù)示水系的污染,如水系中有有毒物質(zhì)侵入。
然而,影響魚類行為模式的不僅包括有毒物質(zhì)的環(huán)境因素,而且還有其他魚類健康狀況或其他本能要求等內(nèi)在因素。因此,造成了這樣的問題由于魚類的行為模式與水污染之間的因果聯(lián)系的不緊密,常常出現(xiàn)測(cè)定的失誤。
進(jìn)一步說(shuō),僅當(dāng)污染程度超出預(yù)定程度時(shí),水污染才會(huì)影響魚類的行為模式。由于在未達(dá)到預(yù)定程度的情況下,魚類的行為模式將不會(huì)發(fā)生變化,這就不可能測(cè)定是否存在水污染。而且,即使水污染超出極限程度,魚類也不會(huì)立即表現(xiàn)出異常行為模式,依據(jù)污染的種類和程度,會(huì)有一定潛伏期的延遲,才會(huì)表現(xiàn)出異常。也就是說(shuō),魚類對(duì)水污染的敏感度相對(duì)較小。
研究生物監(jiān)測(cè)的一個(gè)主要課題就是提高這種因果聯(lián)系和敏感度。
盡管水蚤表現(xiàn)出較強(qiáng)的這種因果聯(lián)系和敏感度,但仍不夠充分。
最近有效的方法是利用發(fā)光微生物。
杜邦公司(E.I.Du Pont De Nemours and Company)的韓國(guó)10-0262681號(hào)、名稱為“監(jiān)測(cè)環(huán)境污染高敏感方法”的專利;歐圣肯(Seong-Keun Oh)的韓國(guó)10-0300445號(hào)、名稱為“利用發(fā)光微生物持續(xù)監(jiān)測(cè)水系中有毒物質(zhì)的方法和工具”的專利;歐圣肯(Seong-KeunOh)韓國(guó)10-0305218號(hào)名稱為“利用固定發(fā)光微生物自動(dòng)測(cè)定水毒性的設(shè)備”的專利;韓國(guó)公開專利出版物(Korean Laid-Open PatentPublication)刊號(hào)2000-0024847記載的LG公司(LG Industrial SystemsCo.,Ltd.)的、名稱為“利用固定發(fā)光微生物和生物傳感工具測(cè)定有毒物質(zhì)的方法”的文獻(xiàn);韓國(guó)公開專利出版物刊號(hào)2001-0086342記載的百歐尼爾(Bioneer)公司的、名稱為“持續(xù)測(cè)試水毒性的設(shè)備”的文獻(xiàn),以及其他專利文件都公開了利用發(fā)光微生物監(jiān)測(cè)環(huán)境污染的技術(shù)。
利用發(fā)光微生物的生物監(jiān)測(cè)中,測(cè)定微生物發(fā)光程度的變化來(lái)預(yù)測(cè)環(huán)境污染。然而,微生物發(fā)光程度的變化不僅僅取決于環(huán)境因素,而且由于各種內(nèi)在因素也產(chǎn)生變化。也就是說(shuō),利用發(fā)光微生物的生物監(jiān)測(cè)環(huán)境污染也沒有緊密的因果聯(lián)系。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種對(duì)環(huán)境壓力具有緊密聯(lián)系及高敏感度的環(huán)境監(jiān)測(cè)方法。
本發(fā)明的目的還要提供利用藻類進(jìn)行水監(jiān)測(cè)的方法,藻類敏感于水系中的有毒物質(zhì)的侵入,能夠?qū)⒂卸疚镔|(zhì)的程度定量化并表示為數(shù)字量,還能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水污染的狀況,實(shí)現(xiàn)水污染級(jí)別的定量分析,并可明顯減少水檢測(cè)的物力、人力需求。
影響光合作用的因素有光的強(qiáng)度、二氧化碳濃度以及溫度。也就是說(shuō),健康的光合作用的植物細(xì)胞的光合作用的總量?jī)H受上述外部因素的影響,在排除細(xì)胞健康條件的情況下幾乎不受其他因素影響。
根據(jù)影響因素的不同,具體植物細(xì)胞光合作用數(shù)量的變化可以通過實(shí)驗(yàn)提前獲取,而且如果細(xì)胞的數(shù)量足夠,則健康細(xì)胞存在的概率在正常分布下根據(jù)各自環(huán)境條件的不同有所下降。
也就是說(shuō),可以預(yù)計(jì),在各自不同環(huán)境條件下,如果根據(jù)影響因素的變化給于補(bǔ)償,足量植物細(xì)胞光合作用的總量近似于一個(gè)恒定值。
同時(shí),多細(xì)胞植物的健康條件隨環(huán)境因素的變化需要大量時(shí)間,相反,單細(xì)胞植物的健康條件和新陳代謝幾乎隨環(huán)境因素立即變化。
當(dāng)考慮這些因素時(shí),可以預(yù)期,利用足夠的單細(xì)胞植物光合作用的總量可以針對(duì)環(huán)境壓力實(shí)現(xiàn)緊密聯(lián)系和高敏感性的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的,提供一種通過觀測(cè)光合作用藻類的光合作用總量的監(jiān)測(cè)環(huán)境壓力的環(huán)境監(jiān)測(cè)方法。
另外,考慮到每個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)光合作用的表面入射的光能量流,光能的一部分首先通過每個(gè)表面的反射作用作為反射光的能量向外輻射,僅存留的光能為每個(gè)個(gè)體所吸收。為個(gè)體吸收的能量,大部分用于光合作用;未用于光合作用的吸收的能量部分則轉(zhuǎn)化為熱能,向每個(gè)個(gè)體體外依次釋放,剩余的能量轉(zhuǎn)化為光波向每個(gè)個(gè)體外部依次輻射。
為機(jī)體吸收的向外部輻射的光波與入射光或反射光沒有任何聯(lián)系,根據(jù)物種的不同具有單一頻率。這種光波也被稱為熒光。
在發(fā)光微生物常規(guī)的發(fā)光中,光波在一定頻率范圍內(nèi),該范圍包括可見光;該發(fā)光可在沒有外界入射光的情況下自發(fā)產(chǎn)生,并向外界輻射。相反的,當(dāng)入射光消失時(shí),上文所述的熒光立即或持續(xù)較短時(shí)間后消失,并且通常具有一個(gè)超出可見光范圍的波長(zhǎng)。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),熒光的強(qiáng)度反比于光合作用的總量。也就是說(shuō),當(dāng)個(gè)體完成光合作時(shí),熒光強(qiáng)度變?nèi)?;反之,?dāng)由于新陳代謝和健康條件的異常,個(gè)體的光合作用的活動(dòng)減弱時(shí),熒光亮度變強(qiáng)。
因此,根據(jù)本發(fā)明環(huán)境監(jiān)測(cè)方法,利用光合作用的藻類,通過測(cè)量熒光總量、觀測(cè)光合作用的總量,可以監(jiān)測(cè)環(huán)境壓力。
本發(fā)明的環(huán)境監(jiān)測(cè)方法可以用于水系中監(jiān)測(cè)水體污染。
這種監(jiān)測(cè)水體污染的方法包括以下步驟從需要監(jiān)測(cè)水體污染的水系中提取水體樣本的步驟;準(zhǔn)備包含有光合作用藻類的液體反應(yīng)物的步驟;準(zhǔn)備包含液體反應(yīng)物和水體樣本的混合液體的步驟;對(duì)液體反應(yīng)物和混合液體進(jìn)行光照的步驟;分別測(cè)量液體反應(yīng)物和混合液體發(fā)出的熒光亮度的步驟;將從液體反應(yīng)物中測(cè)定的和從混合液體中測(cè)定的熒光亮度進(jìn)行比較的步驟;以及根據(jù)比較步驟中得到的比較結(jié)果估測(cè)水體污染的程度的步驟。
本發(fā)明的另一方面,通過對(duì)這種被監(jiān)測(cè)的水體污染的估值,可以實(shí)現(xiàn)水系中監(jiān)測(cè)水體污染的方法。該方法還包括以下步驟預(yù)選水體污染警告的參考值;比較基于估值步驟獲得的估計(jì)值與參考值;以及基于比較參考值和估計(jì)值所獲得的結(jié)果進(jìn)行預(yù)警。
本方法更有效的方式還可以包括以下步驟將測(cè)量步驟所得的測(cè)量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值;以及在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)數(shù)字值的步驟。此時(shí),在估計(jì)步驟中可以估計(jì)水污染的程度,通過參考測(cè)量記錄中從相關(guān)水系獲得的、存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)的采樣點(diǎn)數(shù)字值,來(lái)估計(jì)水污染的程度。
進(jìn)一步說(shuō),本方法還可以包括光照步驟中對(duì)液體反應(yīng)物和混合液體中具有光合作用藻類的行為模式分別進(jìn)行觀察的步驟。此時(shí),在估值步驟中估值操作可以基于觀察步驟中光合作用藻類的行為模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
更適合的方式,本發(fā)明還包括在光照步驟中分別對(duì)液體反應(yīng)物和混合液體中具有光合作用藻類的行為模式分別成像的成像步驟;以及將成像步驟中獲得的圖像輸出到顯示設(shè)備上。此時(shí),在觀察步驟中,可以通過輸出到成像設(shè)備的圖像觀察具有光合作用藻類的行為模式。
結(jié)合附圖、通過閱讀下文優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明,將能更清楚地理解本發(fā)明上文所述特點(diǎn)以及其他特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)和其他方面。
如下圖1是根據(jù)本發(fā)明利用藻類實(shí)現(xiàn)水體監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明流程2為執(zhí)行圖1所示方法中,完成光合作用的光照時(shí),為了測(cè)定熒光亮度,而將液體反應(yīng)物和由液體反應(yīng)物和采樣液體構(gòu)成的混合液體點(diǎn)滴到調(diào)色板上的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例是利用一種屬于綠藻的新月藻屬艾倫藻(closterium ehrenbergii),在水系中監(jiān)測(cè)水體污染,圖1給出了根據(jù)本實(shí)施例描述的水體監(jiān)測(cè)方法的流程示意圖。
如圖1所示,根據(jù)本實(shí)施例水體監(jiān)測(cè)的方法包括準(zhǔn)備參考值的步驟S00、采樣步驟S10、準(zhǔn)備液體反應(yīng)物的步驟S20、混合步驟S30、光照步驟S40、測(cè)量熒光數(shù)量的步驟S50、比較熒光總量的步驟S60、估計(jì)水體污染程度的步驟S70、對(duì)比估計(jì)值的步驟S80以及預(yù)警步驟S90。
在準(zhǔn)備參考值的步驟S00中,預(yù)定多個(gè)參考值。這些參考值表示水體污染的程度;依據(jù)該值以及水系的使用情況和污染物的種類,向管理員預(yù)警。
在采樣步驟S10中,需要從待監(jiān)測(cè)水體污染的水系中提取使用的水體樣本,而后將其存于蓄水池中。
在準(zhǔn)備液體反應(yīng)物的步驟S20中,準(zhǔn)備好的新月藻屬艾倫藻培養(yǎng)液作為液體反應(yīng)物用于監(jiān)測(cè)水體污染。此時(shí)新月藻屬艾倫藻數(shù)量在培養(yǎng)液中最好在適當(dāng)濃度范圍內(nèi)保持恒定。而且,如果提供了一種用于補(bǔ)償根據(jù)總數(shù)的變化的測(cè)量值的方法,計(jì)量新月藻屬艾倫藻數(shù)量的培養(yǎng)液可以代替恒定數(shù)量來(lái)使用。準(zhǔn)備的培養(yǎng)液,如圖2所示,點(diǎn)滴到調(diào)色板10的兩個(gè)位置上。本實(shí)施例中,在調(diào)色板10的第一位值11大約點(diǎn)滴1ml的培養(yǎng)液,在調(diào)色板10的第二位置12大約點(diǎn)滴2ml的培養(yǎng)液作為液體反應(yīng)物。
在混合步驟S30中,提取大約1ml水體作為樣品液體點(diǎn)滴到調(diào)色板10上已點(diǎn)滴液體反應(yīng)物的第一位置11中,并與其混合。
在光照步驟S40中,用光照射調(diào)色板10上的液體反應(yīng)物和混合液體用于實(shí)現(xiàn)新月藻屬艾倫藻的光合作用。
在測(cè)量熒光數(shù)量的步驟S50中,測(cè)量調(diào)色板10的第一位置11的混合液體發(fā)出的熒光數(shù)量以及測(cè)量調(diào)色板10的第二位置12的液體反應(yīng)物發(fā)出的熒光數(shù)量。此時(shí),利用可在市場(chǎng)上買到的熒光計(jì)測(cè)量熒光數(shù)量。
在比較熒光數(shù)量的步驟S60中,將從液體反應(yīng)物測(cè)得的熒光數(shù)量與從混合液體中測(cè)得的熒光數(shù)量做比較。
在估計(jì)水體污染程度的步驟S70中,根據(jù)在S60步驟中獲得的比較結(jié)果預(yù)估水體污染程度。
同時(shí),假設(shè)樣品水體中沒有新月藻屬艾倫藻,則根據(jù)本實(shí)施例依據(jù)一定混合比率通過混合獲得的處在第一位置11的混合液體中所含新月藻屬艾倫藻總數(shù)大約是第二位置12液體反應(yīng)物中新月藻屬艾倫藻總數(shù)的一半。因此,在步驟S50中測(cè)量的熒光數(shù)量也將是大約一半的程度。如果樣本水體中存在新月藻屬艾倫藻,則總數(shù)的比例以及因此得到熒光數(shù)量的比率將會(huì)增加。而且,如果從同一水系中提取的樣本預(yù)先測(cè)試并記錄結(jié)果,測(cè)試結(jié)果將反應(yīng)在步驟S70的估計(jì)值上,這種總數(shù)的差異是肯定的。
在對(duì)比估計(jì)值的步驟S80中,步驟S70所得估計(jì)值與S00步驟中的參考值做比較。
在預(yù)警步驟S90中,根據(jù)對(duì)比參考值和估計(jì)值獲得的結(jié)果向水系管理員進(jìn)行預(yù)警。
本實(shí)施例描述的實(shí)例中,含有新月藻屬艾倫藻的培養(yǎng)液用作液體反應(yīng)物。然而,如果存在一種藻類培養(yǎng)液作為更適用的液體反應(yīng)物能夠在水系中監(jiān)測(cè)出更高概率的污染物質(zhì),則該培養(yǎng)也可作為液體反應(yīng)物使用。如果需要,兩個(gè)或更多藻類培養(yǎng)液的混合體也可以作為液體反應(yīng)物。
此外,根據(jù)本實(shí)施例,本方法還可以包括數(shù)字化測(cè)量值的步驟S51、存儲(chǔ)測(cè)量值的步驟S52、成像行為模式的步驟S41、顯示圖像的步驟S42、以及觀察行為模式的步驟S43。
在數(shù)字化測(cè)量值的步驟S51中,將在測(cè)量步驟中獲得的測(cè)量值轉(zhuǎn)化成數(shù)字值。轉(zhuǎn)化了的數(shù)字值,在存儲(chǔ)測(cè)量值的步驟S52中存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。在這種方式下,估計(jì)水體污染程度的步驟S70可以在考慮歷史記錄中的從相關(guān)水系采樣、存于數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)字值的樣本的情況下,估計(jì)水體污染程度。
在光照步驟S40中完成成像行為模式的步驟S41,對(duì)存在于液體反應(yīng)物和混合液體中藻類光合作用的行為模式分別成像。在顯示成像的步驟S42中,S41所得的圖像輸出到顯示裝置。在觀察行為模式的步驟S43中,通過輸出到顯示裝置的圖像觀察光合作用藻類的行為模式。這種方式下,根據(jù)觀察步驟中觀察光合作用藻類的行為模式,來(lái)完成估計(jì)步驟中估計(jì)值的預(yù)估。
在觀察行為模式的步驟S43中,通過顯微鏡、內(nèi)診鏡或其他裝置分別直接觀察液體反應(yīng)物和混合液體中的光合作用藻類的行為模式。由于本實(shí)施例中的新月藻屬艾倫藻具有比其他藻類更大的細(xì)胞,因此個(gè)體的行為模式也就便于觀察。
在步驟S50中獲得的測(cè)量值能定量的表達(dá)為依次存儲(chǔ)的數(shù)字值,因此在研究相關(guān)水質(zhì)的分析工作中更加適用。
根據(jù)本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的水體監(jiān)測(cè)系統(tǒng),考慮到其操作步驟可以部分或全部由計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)完成。這種情況下,雖然可以利用程序?qū)崿F(xiàn)測(cè)量值的數(shù)字分析、數(shù)字管理以及其他操作,然而細(xì)節(jié)描述也會(huì)被忽略。
根據(jù)本發(fā)明的方法,輸出步驟和圖像顯示步驟所述數(shù)據(jù)互鎖到一個(gè)輸出裝置中執(zhí)行。因此,使用者即可以通過輸出步驟獲得水體污染程度的定量數(shù)據(jù),又可以通過成像輸出步驟得到圖像信息,甚至在例如實(shí)驗(yàn)室的給定位置。因此可以多角度的監(jiān)測(cè)水系中水體的污染程度。進(jìn)一步說(shuō),根據(jù)本發(fā)明方法,由于不需要耗時(shí)的物化方法來(lái)測(cè)定水系中水體的污染,其優(yōu)點(diǎn)在于,能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量和監(jiān)控水體污染。另外,由于依賴外界刺激通過藻類熒光的測(cè)量來(lái)完成水體污染的定量分析,其另一優(yōu)點(diǎn)在于,水污染程度能精確表達(dá)成數(shù)字形式。而且,因?yàn)樗|(zhì)測(cè)量?jī)H需簡(jiǎn)單方便的步驟,從水系中提取樣本水體以及通過熒光計(jì)測(cè)量藻類熒光數(shù)量,其進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是,不再需要大量裝置和器械用于水質(zhì)測(cè)量,因此節(jié)省大量水體監(jiān)測(cè)所需的人力和物力。
雖然本發(fā)明已結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例給出了描述,但描述并不用于限定本發(fā)明,而是示意性的說(shuō)明。顯而易見,本領(lǐng)域人員在未脫離本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)和范圍的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)各種修改、變化或調(diào)整的方法。因此,依附的權(quán)利要求的范圍也包括各種修改、變化或調(diào)整的方法。
權(quán)利要求
1.一種監(jiān)測(cè)水體污染的方法,包括以下步驟從待監(jiān)測(cè)水體污染的水系中提取樣本水體;準(zhǔn)備包含光合作用藻類的液體反應(yīng)物;準(zhǔn)備液體反應(yīng)物和樣本水體的混合液體;光照液體反應(yīng)物和混合液體;分別測(cè)量液體反應(yīng)物和混合液體所發(fā)出的熒光的數(shù)量;比較已測(cè)定的液體反應(yīng)物和混合液體所發(fā)出熒光的數(shù)量;根據(jù)比較步驟中獲得的對(duì)比結(jié)果估計(jì)水體污染的程度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法,還包括以下步驟準(zhǔn)備發(fā)出水體污染警報(bào)的參考值;將估計(jì)步驟中獲得的估計(jì)值與參考值比較;根據(jù)比較參考值和估計(jì)值的結(jié)果發(fā)出警報(bào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法,還包括以下步驟將測(cè)量步驟得到的測(cè)量值轉(zhuǎn)化為數(shù)字值,在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)數(shù)字值;其中在估計(jì)步驟中,估計(jì)水體污染程度是考慮樣本測(cè)定歷史記錄做出的,該歷史紀(jì)錄來(lái)源于存于數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)水系的數(shù)字值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法,還包括以下步驟在光照步驟中分別觀察液體反應(yīng)物和混合液體中光合作用藻類的行為模式;其中根據(jù)觀察步驟中光合作用藻類的行為模式,在估計(jì)步驟中做出估計(jì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述方法,還包括以下步驟在光照步驟中分別對(duì)液體反應(yīng)物和混合液體的光合作用藻類的行為模式成像;將在成像步驟中獲得的圖像輸出到顯示裝置中;其中在觀察步驟中,通過輸出到顯示裝置的圖像觀察光合作用藻類的行為模式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一所述的方法,其特征在于,根據(jù)污染物的種類,光合作用的藻類至少包括兩種具有不同因果聯(lián)系和敏感性的藻類
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一所述的方法,其特征在于,光合作用的藻類包括新月藻屬艾倫藻。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用藻類進(jìn)行水體監(jiān)測(cè)的方法,可以通過藻類特別是新月藻屬艾倫藻,監(jiān)測(cè)河流的污染程度。根據(jù)本發(fā)明利用藻類進(jìn)行水體的監(jiān)測(cè)方法包括以下步驟從水系中提取原始水體、在提取的原始水體中加入已經(jīng)培養(yǎng)新月藻屬艾倫藻的培養(yǎng)液、分別測(cè)定加入培養(yǎng)液的原始水體和培養(yǎng)液中熒光的數(shù)量并且互相比較熒光數(shù)量,以及分析比較的熒光數(shù)量并定量得出水體污染程度。因此,根據(jù)本發(fā)明,其優(yōu)點(diǎn)在于,可以實(shí)時(shí)測(cè)定水體污染。另外,由于可以定量分析水體污染程度,另一優(yōu)點(diǎn)在于,水體污染程度可以精確表達(dá)為數(shù)字值。而且,進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)在于,可以大量節(jié)省用于水體監(jiān)測(cè)的相關(guān)人力物力。
文檔編號(hào)G01N21/78GK1615436SQ02827312
公開日2005年5月11日 申請(qǐng)日期2002年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月14日
發(fā)明者金尚吉 申請(qǐng)人:金尚吉