《水質毒性魚菌合一在線預警監(jiān)測技術規(guī)范》（征求意見稿）編輯說明

《水質毒性魚菌合一在線預警監(jiān)測技術規(guī)范》

（征求意見稿）

編制說明

1

一、制定標準的背景、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。飲用水水源地保護工作不

僅事關人民群眾飲水安全和生命健康，也直接關系到區(qū)域經濟社會發(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，頒布了一系列法律

法規(guī)，投入了大量的人力、物力和財力；經過多年的努力，我國城鎮(zhèn)已基本實現(xiàn)

了公共供水全覆蓋，市政供水普及率達98.8%，農村地區(qū)飲用水也實現(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，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、太湖藍藻事件、廣西龍江河鎘污染

事件等直接導致居民飲用水停止供應，引起民眾恐慌，嚴重影響了人民的日常生

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

用水水源極易成為恐怖分子進行投毒破壞的目標，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急工作的重點之一。因此對飲用水水

源地水質監(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了水

質自動監(jiān)測設備，考慮到監(jiān)測的時效性，水質自動監(jiān)測指標主要為常規(guī)的監(jiān)測水

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

已經生產和使用的化學品數(shù)萬種，而大量化學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)境與健康風險，

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

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

度，特別是關系到群眾飲用水安全時，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于水質監(jiān)測與預警技術的政策規(guī)劃，強調

1

深化國家重大環(huán)境風險源動態(tài)監(jiān)測體系，強化重點流域或地表水和水環(huán)境加強生

物預警監(jiān)測。《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》關于環(huán)境

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

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

備及儀器設備，加大國產環(huán)保產品市場占有率，提高環(huán)保裝備技術水平”。2015

年國務院辦公廳印發(fā)《水污染防治行動計劃》（國辦發(fā)〔2015〕17號），強調地

方各級人民政府要制定和完善水污染事故處置應急公告預案，落實責任主體，明

確預警預報與響應程序、應急處置及保障措施等內容，依法及時公布預警信息；

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年國務院辦公廳以國辦

發(fā)〔2015〕56號公告《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網絡建設方案》同時明確規(guī)定：在重點流域

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)境安全保障應完善應急處置技術庫提高預警和應急處置能力；加強地表水水

生生物監(jiān)測能力建設、加強水質監(jiān)測預警工作，提升水質監(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

事件應急預案編制指南》中，水源地應急防控體系建設的主要內容和要求里明確

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

態(tài)指標異常，即水面出現(xiàn)大面積死魚或生物綜合毒性異常并經實驗室監(jiān)測后確認

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

適當增加監(jiān)控指標，可采用生物毒性綜合預警手段實現(xiàn)對重金屬、有機污染物等

有毒有害物質進行實時監(jiān)控。

因此，利用快速水污染事件響應技術，開展飲用水水源地水質情況實時監(jiān)測，

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

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

2

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

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

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

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

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

標是否偏離安全閾值，同時輔以一套事先制定的、能迅速應對突發(fā)性飲用水水質

污染，緩解和減緩飲用水水源不安全對國民經濟和社會可持續(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、經濟和生態(tài)災變，使人民生活

質量、國民經濟和社會發(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理化指標預警技術

一般來說，理化指標預警系統(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定化合物的

含量，但結果并不能直接反應水環(huán)境中化學物質對水生生物的影響，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

物質的毒性影響等。

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

案。在一些江河、湖泊重點流域和敏感水域已建立起水質監(jiān)測網絡和預警預報機

制。但目前這些系統(tǒng)主要是依靠常規(guī)水質五參數(shù)（pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、

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

污染事故預警時作用較小，很難對特定污染物起到預警作用。全國各地的主要飲

3

用水水源地、交界斷面大多建設了地表水水質自動監(jiān)測站。常規(guī)多參數(shù)作為預警

的輔助參考信息，主要用于對水質基本情況的了解。很多有害物質的變化與常規(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)保部工作人員來調查原因時，

附近的黃坦地表水自動監(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

國水系復雜，污染物類型繁多，而很多化學分析必須在已知目標污染物的情況下

才能進行測定，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、準確的監(jiān)測手段及時發(fā)現(xiàn)水污染事件并啟動相應的應急措施，才能最大限

度地減少對人民生命財產的損失。因此，建立和完善飲用水水源的水質安全預警

監(jiān)測系統(tǒng)，是保障預警機制有效運作的基礎。

1.3生物學法預警技術

生物學方法是把生物監(jiān)測技術與環(huán)境科學相結合的一種方法，包括生態(tài)學方

法、毒理學方法等，其不僅可以用來測定和評價單一化學物質對生物的影響，還

能直接用來測定工業(yè)廢水的毒性及多種化學物質的聯(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生的各種反應來測試水體

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、相互補償、協(xié)同進化，這一生物學規(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)同進化是水體污染生物

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

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

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

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

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

4

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

報的重要手段。

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

有以下特點和優(yōu)勢：

（1）環(huán)境質量和其它環(huán)境條件改變的強度是隨時間而變化的，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)

境質量變化的全貌，反映長期的污染效果，具有時效性和綜合性。

（2）某些受試生物對一些污染物非常敏感，它們能夠對一些精密儀器都測不

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

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

達數(shù)萬倍。

（3）生物監(jiān)測更具多功能性，因為一種生物可以對多種污染物產生反應而表

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、全面地評價水環(huán)境。

（4）數(shù)字化反應體系創(chuàng)建：將電子技術和計算機技術應用于生物監(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，而且更易實現(xiàn)連續(xù)、實時在線監(jiān)控，在水環(huán)境生物安全預警系統(tǒng)中具有

重要的作用。

生物監(jiān)測預警技術最早運用在歐洲。德國從1990年開始就將生物監(jiān)測預警技

術成功運用于多個河流，組建了萊茵河監(jiān)測網絡。目前已實現(xiàn)產品化的有德國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)光細菌毒性儀等。

5

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監(jiān)測系統(tǒng)，綜合了毒性測試、酶聯(lián)免疫等生物效

應檢測和化學監(jiān)測技術，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急性毒性檢測的標準方法。國內已有中國科學院

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)出不同物種的水質綜合

毒性分析產品，在一些重要水源地獲得實地應用。

水質生物毒性預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。

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

1.3.1發(fā)光細菌急性毒性監(jiān)測

發(fā)光細菌在生物監(jiān)測方面表現(xiàn)出反應快、成本低、重復性高和靈敏度強等優(yōu)

點，因此發(fā)光細菌試驗已被列為國際標準(ISO11348)和我國環(huán)境毒性監(jiān)測的標準

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

感性來設計試驗，當水質受到污染時，會對發(fā)光細菌的活性產生影響，細菌的呼

吸運動減弱后，其發(fā)光性能相應減弱，即發(fā)光細菌的發(fā)光能力與水質的污染程度

成負相關性。通過檢測發(fā)光細菌受影響的程度，來推斷水質的污染情況。目前，

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

廣泛的推廣應用。

發(fā)光細菌急性毒性測定水質污染具有快速、經濟、準確、靈敏的特點，同時

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

及重復性稍差；②對部分污染物如有機物的敏感性不夠，報警閾值較高。

1.3.2水溞在線監(jiān)測

一般認為，大型無脊椎動物對污染物的敏感性較魚強，而且它們在多種水體，

6

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

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

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

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

的有機磷農藥污染事件。受污染物刺激，水溞在初期的運動速率變快，而且旋轉

角度加大，運動的隨機性增強。但隨著時間延長受損水溞的游泳能力下降，根據(jù)

這種特征反應判斷污染事件。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

溞在水柱內單位時間產生的光斑量。光斑產生量下降表明水溞的位移能力下降，

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

運動速度，形成了“微型無需培養(yǎng)基即時生物測試”的概念，其研究結果投入實

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

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

行為。

水溞作為毒性測試的指示生物已經被國內外列為標準生物。雖然國內外學者

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

耗力。隨著計算機與軟件技術的發(fā)展，關于生物運動行為抑制的測量更加精確、

快速，利用水溞的行為變化進行生物綜合毒性測試可顯著提高測試靈敏度，縮短

測試時間。因此，利用水溞的行為變化作為指標評價有毒有害物質將成為未來研

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

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

變化進行監(jiān)測預警的測試方法容易產生誤報，行為解析的準確性有待提高。

1.3.3魚類在線監(jiān)測

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

7

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用。

（1）以魚類死亡為終點的監(jiān)測系統(tǒng)

水體受到嚴重的污染，導致魚在短期內因氧氣缺乏或神經及其他組織損傷等

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)出一種獨特的位移行為，即總是逆水游動，

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，側腺器官的

轉向趨性，鰭或腹部的接觸感覺器的轉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)測魚逆流活動的能力，如果魚不能

維持在上游的位置，則表明污染產生了危害。

（3）通過鰓的運動方式來監(jiān)測與預警水體污染

鰓的呼吸運動對污染物非常敏感，0.5小時內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內檢出，但對<l0%LC50濃度的污

染物不發(fā)生反應。在有污染物存在的情況下，鰓呼吸運動加快且無規(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)

魚類能夠憑借其強大的運動能力逃避不利環(huán)境，通過設計裝置，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，也與其所

在的不同環(huán)境相關，當有污染存在時，會影響到其脈沖頻率，魚體運動和弱電脈

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

8

（6）以游泳活動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，利用光電技術連續(xù)或半連續(xù)確定魚的

位置變化，通過比較魚的當前運動與歷史記錄，觀察魚的行為是否發(fā)生變化，從

而監(jiān)測環(huán)境污染。

隨著計算機技術、圖形識別技術、自動化控制技術的進步，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、預警時間明顯縮短。但該方法的缺點是行為解析的準確性有待提高，容易誤

報，目前在國外已有一定程度的推廣應用，在國內尚處于起步階段，存在廣闊的

應用和改進空間。

1.3.4藻類在線監(jiān)測

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

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

毒性評價中得到了廣泛的應用。藻類用于水質監(jiān)測評價已有幾十年的發(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年經濟合作與發(fā)展組織(OECD)提出“藻類生長抑制實驗方法”(AGIT，Alga

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

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

生物檢測手冊》，2004年歐盟公布了國際標準《水質－用單細胞藻進行淡水藻類

生長抑制性實驗(IS08692：2004)》，2008年我國發(fā)布了藻類毒性測試的國家標準

《化學品藻類生長抑制試驗》(GB/T21805—2008)。這些標準和規(guī)范在推動藻類用

于有毒有害物質評價方面發(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、細胞密度、吸光度、酶活性、蛋白質含量、重金

屬積累量等指標的變化，或以半數(shù)效應濃度(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、結果可靠性低，并且實驗無法區(qū)分

死活藻細胞的缺陷。國外學者嘗試用葉綠素熒光技術來檢測污染物，以測試藻類

的PSII最大光能轉化效率(Fv/Fm)、PSII實際光能轉化效率(Yield)、NPQ(非光化

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

的大小，具有快速、準確等優(yōu)點。國外自1990年以來，就陸續(xù)有人采用葉綠素熒

光技術對水中的農藥殘留進行檢測，并取得了較大進展。如Frense等以柵藻

(Scenesdesmussubspicatus)作為指示生物，采用葉綠素熒光技術在10min內對

阿特拉津的檢出限達到0.1μg/L。Nguyen-Ngoc等將藻細胞包埋在硅膠基質中，

用SpexFluorolog2檢測葉綠素熒光變化，其對敵草隆、百草枯和莠去津的檢出

限達到0.1μg/L，滿足歐盟飲用水標準要求，而且低于之前采用的懸浮藻液的檢

出限1μg/L。國內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+存在時其葉綠素熒光先上升再降低，當Zn2+濃度

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

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

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

迫時間的延長而加強，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)測結果的解讀帶來一定困難；再者，傳統(tǒng)的

藻類監(jiān)測耗時長，要求實驗人員具有較好的專業(yè)基礎；最后，藻類對除草劑、殺

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

1.3.5生物在線預警技術發(fā)展趨勢

目前國內的水質預警目前僅限于常規(guī)的理化指標，在實際工作中常規(guī)理化指

標系統(tǒng)對突發(fā)水質事件的預警成功率相對較低，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)指標并沒有顯著變化。而大部分生物預警設備都是單通

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

10

在預警時間、預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)的實驗室分析技術，往往耗時數(shù)日甚至數(shù)周。我國仍不具備統(tǒng)

一的生物毒性預警在線分析儀技術標準及配套的預警系統(tǒng)技術規(guī)范。在未來，開

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

環(huán)境毒性進行實時、全面的預警是目前的技術發(fā)展方向，是本項目的核心研究方

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

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

污染狀況，快速啟動預警機制，更能有效降低居民飲用水安全風險，后續(xù)可作為

普適性標準在全省乃至全國范圍推廣。

近年來，國內外學者通過采用發(fā)光細菌、大型溞、魚類和藻類等各種毒性測

試研究發(fā)現(xiàn)發(fā)光細菌急性作為受試生物對水質健康風險防控具有一定的普適性，

結合目前地表水飲用水水源地水質污染物以重金屬和有機污染物為主的特征，利

用青鳉魚對有機農藥敏感，發(fā)光細菌對重金屬敏感的特點，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)世界組織認可，20世紀80年代國際標準化組織（ISO）將其列

為毒性實驗受試物種。利用多層級生物（魚、菌）對有毒污染物敏感的特點，基

于標準模式生物生理響應與水體中的有機污染物、重金屬等有毒物質具有劑量效

應關系的毒理學機制，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），實現(xiàn)水質綜合毒性的在線生物預

警監(jiān)測，能夠拓展生物預警的監(jiān)測范圍，進一步全面有效的預警監(jiān)測水質突發(fā)污

染事故）。

目前國際上沒有一個統(tǒng)一評價標準，綜合《水質水樣對弧菌類光發(fā)射抑制影

響的測定(發(fā)光細菌試驗)》（ISO11348-3-2007）和魚法行為學水質指數(shù)算法，

研究典型污染物（有機物和重金屬）對費歇爾弧菌和魚的毒性響應關系曲線；考

11

察地表水飲用水水源地本底基質對毒性綜合響應規(guī)律及預警結果判定模型；實現(xiàn)

地表水飲用水水源地水質綜合毒性的在線預警監(jiān)測；結合地表水飲用水水源地實

際水質狀況，得出地表水飲用水水源地魚菌合一多層級生物預警閾值；進一步全

面有效的預警監(jiān)測水質突發(fā)污染事故。

1.4意義

隨著我國經濟和人口的快速發(fā)展，生活污水、工農業(yè)廢水大量排放水體，進

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，盡管相關水質標準規(guī)

定了水質常規(guī)理化指標的達標限值和排放標準，但水體中物質種類繁多，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

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)功能和人類健康構成威脅。

近年來，國內外學者通過采用發(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健康風險防控具有一定的普適性。因此，

有必要強化飲用水源地水質急性綜合監(jiān)控和健康風險評估，對保證飲用水源地的

生態(tài)環(huán)境安全具有重要的意義，也是未來水質目標采樣毒性指標管控和生物風險

評估的重要依據(jù)。

如果能在災害發(fā)生之前預警或是在災難發(fā)生最初采取應急措施，就能極

大地控制事態(tài)發(fā)展，減少損失?；谕话l(fā)事故和反恐應急的特點，針對整個

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

警體系，通過觀察、監(jiān)測，預警預測各種安全指標是否偏離安全閾值，同時

輔以一套事先制定的、能迅速應對突發(fā)性飲用水水質污染，緩解和減緩飲用

水水源不安全對國民經濟和社會可持續(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、經濟和生態(tài)災變，使人民生活質量、國民

經濟和社會發(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，有必要構建地表水飲用水水源地生物在線預警技術規(guī)范，填補了我國

目前地表水飲用水水源地生物毒性測試、評價與實時預警體系無標準方法的

空白，不僅能夠及時、全面地掌握集中式飲用水水源地水質污染狀況，快速

啟動預警機制，更能有效降低居民飲用水安全風險，后續(xù)可作為普適性標準

在全省乃至全國范圍推廣。

二、工作簡況

2.1任務來源

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

中式飲用水源地環(huán)境安全監(jiān)測評估及預警技術研究（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警技術規(guī)范。

2.2起草單位及主要起草人情況簡介及分工

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

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

表1本標準起草單位

序號單位名稱分工

1江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心總體負責，主持方案設計論證，總體關鍵技術研發(fā)及標準起草

2清華大學參與實驗方案設計、條件實驗論證和標準起草

3無錫中科水質環(huán)境技術有限公司參與條件實驗和標準起草

4中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心參與條件實驗和標準起草

表2本標準起草人員分工

序號姓名單位職務/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

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

13

江蘇省太湖水質監(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

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

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

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

7姜晟江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心高級工程師生態(tài)學

8周小紅清華大學副教授環(huán)境毒理

生物毒理學研發(fā)與集

9劉勇無錫中科水質環(huán)境技術有限公司總經理

成

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

2.3主要工作過程

（1）成立標準修訂編制組

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）資料收集和國內外文獻/標準研究

2018年12月-2019年2月，標準編制組成員開展相關資料和標準的調

查工作，包括國內外相關標準的調研，查閱環(huán)境因子對常見的生物急性毒性

的效應關系及國內外對生物毒性閾值的設定。在廣泛閱讀、認真研究相關資

料的基礎上，結合實際工作中遇到的問題和總結的相關經驗，確定以發(fā)光細

菌和魚作物受試生物，制訂了工作方案。

（3）方法研究、編寫標準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)光細菌法毒性監(jiān)測試驗

條件優(yōu)化，進行魚法在線生物預警監(jiān)測技術和設備的研究與驗證試驗，研究

魚法行為模式與水質特征分析。

2020年3月-2020年5月，開展在線發(fā)光細菌和魚法設備集成和水質指

標預警閾值研究。

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

多層級生物預警系統(tǒng)設備安裝和試運行。

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

規(guī)范》初稿和編制說明，并提交了江蘇省環(huán)境科學學會團體標準立項申請。

2022年6月30日江蘇省環(huán)境科學學會組織召開了團體標準《地表水飲

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

查了相關材料，聽取了起草單位的匯報，經質詢和討論，專家組一致認為本

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

水環(huán)境生物預警監(jiān)測的實際需求，同時也順應了國家關于水質預警、生物毒

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

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

立項審查會專家意見，修改標準題目，增加相關標準信息，以技術優(yōu)先，系

統(tǒng)輔助的框架，形成標準初稿。

2023年4月18日，江蘇省環(huán)境科學學會組織召開了團體標準初審會。

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

毒性魚菌合一在線預警監(jiān)測技術規(guī)范》（征求意見稿）。

15

三、標準編制原則和確定標準主要內容的依據(jù)

3.1標準編制原則

本標準依據(jù)《國家環(huán)境保護標準制修訂工作管理辦法》（國環(huán)規(guī)科技〔2017〕

1號）、《環(huán)境監(jiān)測分析方法標準制修訂技術導則》（HJ168-2010）和《國家環(huán)

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

國內外最新的標準方法和相關文獻研究成果為編制基礎。同時考慮到國內現(xiàn)有自

動監(jiān)測機構的運行水平、管理水平、經濟條件等實際情況，確保所編制標準能夠

在駱馬湖飲用水源地應用，逐步向江蘇省乃至全國推廣應用。標準制訂過程中主

要遵循以下原則：

（1）本標準力求與我國現(xiàn)行頒布現(xiàn)行相關監(jiān)測標準相匹配，滿足駱馬湖飲用

水源地相關生態(tài)環(huán)境保護管理標準和工作的要求。

（2）方法準確可靠，以ISO11348-3-2007標準為主要編制依據(jù)，同時參照

《水質發(fā)光菌急性毒性測試》（GB/15441-1995）方法對試驗條件參數(shù)進行研究

驗證，相關方法性能滿足生態(tài)環(huán)境監(jiān)測預警技術及管理要求。

（3）方法具有普遍適用性，易于推廣使用。

3.2標準制訂的技術路線

本標準編制的技術路線，結合標準的各程序步驟，從資料到標準建立，綜合

評價方法要素選擇和建立，按照圖1，進行具體項目和標準限值及評價方法的確定。

標準制訂以后預計在國內具有較好的推廣前景，所使用的儀器設備及器具均

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

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

性的培訓便可以開展飲用水源地水質急性毒性的監(jiān)測預警工作。

16

資料調研、收集與整理

技術方法的文獻國內外相關方法研究成水質急性毒性試驗應用情

調研果分析況調研

初步探索性試驗，開展實驗室條件

對發(fā)光菌急性毒性和魚法行為學試驗條件研究驗證

發(fā)光細菌法和魚法智能數(shù)據(jù)轉換算法研究

魚菌合一多層級生物預警閾值研究

魚菌合一多層級生物預警系統(tǒng)試運行

圖1標準編制技術路線圖

3.3確定標準主要內容的依據(jù)

3.3.1方法研究的目標

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警閾值，預警等級，質量保證

與質量控制，生物在線預警系統(tǒng)建設、驗收、運行和管理等方面的技術要求。

本文件適用于地表水飲用水水源地水質生物預警。

3.3.1.2本方法標準擬解決的重要問題

本方法測定的是水質的毒性綜合效應，測試目標為非單一物質，測定結果以

魚和發(fā)光細菌的綜合水質指數(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行

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

≥75。

3.3.2術語和定義

3.3.2.1魚法水質指數(shù)waterqualityindexbasedonfishes

魚法水質指數(shù)用來量化表征青鳉魚行為變化，并反映水質毒性變化情況。

本標準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度變化，以

期反映水質綜合毒性變化情況。魚法單元每分鐘對傳感器中受試魚行為強度進行

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準則模型、權重概率模型），分析判斷行為

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

其中f為水質狀態(tài)實時量化指數(shù)；vi為指定計算周期內的信號幅值；μ為前t

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

3.3.2.2發(fā)光細菌法水質指數(shù)waterqualityindexbasedonluminescent

bacteria

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

本標準基于魚法水質指數(shù)，結合水體基質中僅有溶解氧與發(fā)光菌抑制率有弱

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

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

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

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

18

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

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

指數(shù)預警閾值75，但不會超過100。

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

luminescentbacteria

根據(jù)綜合水質指數(shù)=魚法水質指數(shù)×weight1+菌法水質指數(shù)×weight2計算公

式，得到綜合水質指數(shù)。

本標準依據(jù)常規(guī)應用場景下，水體并無明顯的污染特征，故weight1和weight2

默認為0.5，但在有特征污染物的風險下，可適時調整相應權重。如有機物風險較

大時，可將weight1的權重調高。如重金屬風險較大時，可將weight2的權重調

高。使多層級系統(tǒng)更符合實際風險的有效預警和防控。

3.3.2.5生物預警系統(tǒng)biologicalearlywarningsystem

指完成地表水水質生物預警監(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)個單元組成的自動生物預警系統(tǒng)。

本標準依據(jù)《地表水自動監(jiān)測技術規(guī)范（試行）》（HJ915—2017）中地表

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

準中，生物預警系統(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

成的自動預警系統(tǒng)。

3.3.3總則

水質毒性魚菌合一在線預警是水質評價自動化系統(tǒng)的一個應用，其系統(tǒng)架構、

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技術符合地表水

19

自動監(jiān)測系統(tǒng)要求。魚菌合一多層級生物在線預警能為實時評估飲用水水源地水

質安全、應對突發(fā)性水污染事件等提供技術支撐。

依據(jù)《地表水自動監(jiān)測技術規(guī)范（試行）》（HJ915—2017）中“地表水水

質自動監(jiān)測系統(tǒng)建設”的總體要求“主要包括：站址選擇、站房建設、水站各單

元和數(shù)據(jù)平臺的建設?！薄緲藴手校倓t指水質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）：采用基于毒理學規(guī)范馴化養(yǎng)殖的標準

模式青鳉魚（真骨魚總目，青鳉科）作為受試魚類，但應用不同標準模式魚試驗

和運行條件需做相應的改變。

對受試魚的質量和體積進行記錄。整個測試及運行期間一般不喂食，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。由于其生物學背景研究非常充分，自從Denny對青鳉飼養(yǎng)管理與實

驗操作進行了規(guī)范化后（DennyJ.S..Guidelinesforthecultureof

fatheadminnowsforuseintoxicitytests.EnvironmentalResearch

Laboratory,DuluthMinn.,1987,Epa/600/3-87/001），青鳉作為實驗動物被

多數(shù)世界組織認可，并于20世紀80年代被國際標準化組織列為毒性實驗受試種

之一。21世紀初期美國環(huán)境保護局列為內分泌干擾效應受試魚類實驗動物之一。

由于其生物學背景研究非常充分，因此近幾十年來全世界大約有200多家研究機

構使用青鳉作為實驗動物進行研究。目前，青鳉魚的行為變化已經作為一個重要

指標已經被廣泛地應用到水質監(jiān)測中。

3.3.4.3發(fā)光細菌：費歇爾弧菌凍干粉或者明亮發(fā)光桿菌凍干粉。

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

20

3.3.4.4純水：蒸餾水或同等純度的水。

3.3.4.5鋅標準工作液：用毒物標準樣品及純水稀釋定容配制。本標準使用分

析純級以上的溴氰菊酯配制標準儲備液，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，配制時將30gNaCl固體溶

解于100mL的去離子水或由超純水機制備符合國家標準或行業(yè)標準的純水中。

3.3.5儀器和設備

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

控制單元、水質生物綜合毒性預警單元和遠程通信傳輸?shù)葐卧?/p>

依據(jù)《地表水自動監(jiān)測技術規(guī)范（試行）》（HJ-15-2017）系統(tǒng)建設單元，

本標準分信號采集單元、信號分析單元、控制單元、水質生物綜合毒性預警單元

和遠程通信傳輸?shù)?個主要單元。

3.3.5.1信號采集單元

應包括生物傳感器域和信號采集設備，信號采集內容應包括檢測時間、檢測

結果等，可根據(jù)需要增加電源故障、設備維護記錄、儀器運行狀態(tài)、常規(guī)水質參

數(shù)等數(shù)據(jù)采集。

本標準中根據(jù)受試物質信號傳輸特征，設置檢測時間和檢測結果，并在此基

礎上可增加相應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行實時分析的功能。

本標準根據(jù)項目研究檢測結果的輸出頻率進行實時的信號分析。

3.3.5.3控制單元

具有對儀器的執(zhí)行機構進行控制的功能。

3.3.5.4水質生物綜合毒性預警單元

具有比較測定值與閾值或識別波動值的功能及預警功能。

本標準根據(jù)研究的閾值與測定值比對與識別，構建水質毒性魚法和菌法預警

單元。針對水質預警現(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，并結合生物空白對

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

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

號檢測頻率以適應不同頻率魚類行為信號的采集、顯示和分析。為避免魚類個體

特征差異可能引起的誤判，設計4個魚類行為預警傳感器通道，同時采集各通道

的魚類行為信號進行平行和對照檢測。開展魚類行為預警傳感器信號采集和行為

信號處理電路低功耗抗干擾設計研究，實現(xiàn)即插即用，易于更換和維護。研制魚

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

號干擾。

3.3.5.5遠程通信傳輸單元

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

時，應采取網絡安全保護措施。

本標準中遠程通信傳輸根據(jù)目前通用的有線或無線方式設置。

3.3.6分析測試

3.3.6.1水質毒性魚法在線監(jiān)測方法

22

技術原理：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，通

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

實時獲得生物行為變化情況。

監(jiān)測指標：行為強度（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，生物行為完全表達為1，生物喪失行為能力則為0）、水質指

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

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

反映水質綜合毒性變化情況）、綜合毒性濃度；結合行為模式與水質特征之間的

關聯(lián)關系分析，采用魚法水質指數(shù)分析水質綜合毒性。

連接電源，按照水質毒性魚法在線監(jiān)測儀說明書規(guī)定的預熱時間運行，使各

部分功能及顯示記錄單元穩(wěn)定。

零點核查：儀器穩(wěn)定運行后，生物行為傳感器通入被測水樣，不放置標準青

鳉魚，啟動軟件，待設備穩(wěn)定運行10分鐘后，開啟設備對魚類行為采集模塊的零

點漂移核查功能。

標樣核查：儀器穩(wěn)定運行后，導入10TU三氯酚標準溶液進行測試并開始計

時，至設備報警時結束，并記錄報警時間及水質綜合毒性指數(shù)，水質狀態(tài)為水質

污染。水質指數(shù)≥75，報警響應時間＜0.2h。

響應時間：向生物傳感器通入試驗溶液，從開始接觸試驗溶液至系統(tǒng)報警所

需要的時間（min）。

受試魚更換頻率：受試魚類正常運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，需及時留樣，清洗傳感器并消毒，傳感器內魚全部更換。傳

感器內的青鳉魚不可再用于水質監(jiān)測。

平均無故障連續(xù)運行時間（MTBF）：采用實際水樣連續(xù)運行2個月，記錄總

運行時間（h）和故障次數(shù)（次），計算平均無故障連續(xù)運行時間（h）。

23

上述方法根據(jù)魚法在線生物預警監(jiān)測技術和設備研究，將受試魚的行為學變

化轉換為電信號輸出，結合受試魚應每1個月進行更換一次，如遇魚死亡，則即

可更換。

3.3.6.2水質毒性發(fā)光細菌在線監(jiān)測方法

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

毒性組分總濃度呈顯著負相關（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)測儀自動控制完成從水樣導入至結

果計算全過程，從而實現(xiàn)生物毒性監(jiān)測的自動化。

連接電源，按照水質毒性發(fā)光細菌法在線監(jiān)測儀說明書規(guī)定的預熱時間運行，

使各部分功能及顯示記錄單元穩(wěn)定。

零點核查：將反應時間設定為15min；導入去離子水或者蒸餾水，所測得結

果為零點核查結果

標樣核查：將反應時間設定為15min；導入鋅離子標準儲備液，使反應溶液

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

果為標樣核查結果。

重復性：生物毒性在線監(jiān)測儀運行穩(wěn)定后，通入質控標準溶液，記錄測量值，

使用同一濃度標準物質重復上述操作至少6次，按公式計算生物毒性在線監(jiān)測儀

的定量測量重復性。

..................（1）

式中：RSD——生物毒性在線監(jiān)測儀重復性，%；

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)光細菌貯存溫度和測量溫度。

待儀器運行穩(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，分別計算讀數(shù)相對設定值的偏差值，取絕對值最大的偏差作為溫度

控制誤差ΔT。

最小維護周期：待儀器穩(wěn)定運行后，儀器以4h為周期，對1mg/L鋅標準工

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

維護，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，記錄總運行時間

（小時）為最小維護周期。

實際水樣比對實驗：采集實際水樣樣品，待儀器穩(wěn)定運行后，使用儀器進行

測量，測量6次，記錄檢測結果。用實驗室GB/T15441測量3次，計算實際水樣

測量值與實驗室國標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

際水樣比對試驗誤差的判定值，計算方法如公式（2）所示：

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

式中：

A——水樣相對誤差絕對值的平均值；

Xi——水質在線自動監(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《水質水樣對費氏弧菌發(fā)光抑制作用的測定(發(fā)光細

菌試驗)》（國際標準）、《水質急性毒性的測定發(fā)光細菌法》（GB/T15441-1995）、

25

《污水生物毒性監(jiān)測技術規(guī)程發(fā)光細菌急性毒性測試-費歇爾弧菌法》（海環(huán)字

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

本標準對發(fā)光菌設備的零點核查、標樣核查、重復性等性能指標進行了規(guī)定。

3.3.7毒性預警閾值

3.3.7.1水質毒性魚法預警閾值

通過研究農藥、重金屬、工業(yè)化學品、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，探索各類型風險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系，在此基礎上構建一整套閾值模型和數(shù)據(jù)庫作為水質綜

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

染物與受試生物行為變化之間的關系，得出青鳉魚對不同污染物暴露下的的行為

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

露時間青鳉魚行為響應的水質綜合毒性大小。

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

為結合行為變化對水質狀況提供分析依據(jù)。

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

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

準，用于綜合毒性生物檢測分析。實驗采用污染物的48小時流水暴露，設置4-5組

暴露濃度梯度(0.1TU-10TU)。青鳉魚放入4小時后，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)的行為強度變化曲線，如下所示。結果表明受試生

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

鳉魚行為強度較低；暴露時間5h和25h行為強度變化的產生原因可能源于受試生

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

26

圖2對照組受試生物在48h內的綜合行為強度曲線

（2）三氯酚暴露下青鳉魚行為變化規(guī)律

三氯酚是化工生產中的重要原料，可用作殺菌劑、防腐劑、脫葉劑,在有機合

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

要的有機污染物之一，屬高毒物質。

圖30.05TU三氯酚暴露下青鳉魚行為反應

27

圖40.5TU三氯酚暴露下青鳉魚行為反應

圖51TU三氯酚暴露下青鳉魚行為反應

28

圖610TU三氯酚暴露下青鳉魚行為反應

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

系（綠線為加藥點）。設備在無毒狀態(tài)下運行4小時加入有毒污染物后，青鳉魚行

為在加藥之后出現(xiàn)明顯的行為刺激，高濃度組暴露實驗尤為明顯。

（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的Ca2+、Mg2+等無機離子濃度顯著下降，從而導致其重要

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曲線

29

圖82TU阿特拉津暴露下青鳉魚的行為響應曲線

圖93TU阿特拉津暴露下青鳉魚的行為響應曲線

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

應關系（綠線為加藥點）。青鳉魚行為變化主要以調整為主，并且其調整過程基

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

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

并未超過受試生物啟動行為調節(jié)機制的閾值，以通過行為調解對抗環(huán)境脅迫對自

30

己的損傷。

水質毒性魚法預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

時會產生的主動回避行為來進行水質綜合毒性的檢測。

圖10構建綜合毒性預警算法技術路線

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

在遭遇水污染時自發(fā)產生的回避行為響應。大量的實驗研究表明，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，水生生物產生短暫的興奮作用，達到一個行為變化臨界點后產生抑

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-反應關系，從獲取生物行為信號至最終毒

性大小的判斷計算，需要構建專屬的算法模型來完成，模型算法構建的技術路線

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，

當發(fā)現(xiàn)異常行為信號后能夠準確及時的解析判斷，并及時有效發(fā)出報警。

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

行為的量效關系研究的基礎上，深入開展生物綜合毒性基礎模型算法的優(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)計學模型、平均模

型算法的優(yōu)化到游程算法的研發(fā)，構建與優(yōu)化了水質毒性魚法預警單元基礎模型

算法。

為了構建水質毒性魚法預警單元基礎模型算法，在實驗過程中選擇行為變化

明顯的高濃度三氯酚為觀測目標，對多通道行為進行提取的同時，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)，在受毒后很短的時間內生物較

平時的正常行為有較為明顯的變化，這個變化符合如圖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：行為強度；橫坐標：暴露時間）

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

擇的一個時間段（實際采集數(shù)據(jù)為1分鐘1200個點），下毒點為13:09，該時間

段內生物行為變化如圖9中的第三個子圖所示，第四個子圖是我們認為報警的最

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

所對應的生物行為曲線。從圖中可以清晰地看出報警點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ǎζ溥M行

優(yōu)化完善，以適應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

行為進行有效解析，可以甄別生物鐘行為及降低誤報的可能性。算法主要包括：

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

特征的提??；特征信號的建模處理；報警點的選擇及毒性濃度的計算，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

生物個性的差異性會導致采集到的行為強度相差很大，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體差異的影響。

一臺設備在進行信號采集時，至少使用了9個生物個體，按照一分鐘來計數(shù)，平

行通道中的信號個數(shù)為1200，在短時間軸上，將每分鐘數(shù)據(jù)加和（等價于每個通

道中3個生物體的行為曲線融合）然后進行歸一化，按照此方法可以消除個體差

異而引起的行為突變。

②剔除設備或環(huán)境造成的異常信號

采集設備會受到50Hz工頻信號的影響，同時環(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，突然產生比方差大很多的數(shù)據(jù)。因為信號具有疊加

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，在算法構建的時候，加入了先驗知識，由3個平行通道的經驗數(shù)據(jù)，計算

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（游程算法可以調整報警間隔，默認值為1分鐘）的

時候，用一個參數(shù)來代表1200個數(shù)據(jù)點所表達的信息，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)為某個具體平行通道的經驗值，然后利用模式

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

信號的基礎上減去經驗值，根據(jù)高斯分布的假設，計算高斯分布的最大值點，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，對每一個平行通道的每一分鐘進行特征

提取并保留到計算隊列（該隊列默認存儲120個點，對于每分鐘計算一次，隊列

中總共保存了120分鐘的歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)長期的實驗結果分析，0.1TU濃度下的污

染物可以在2個小時內檢測到）中，算法按照每分鐘進行判斷。每個計算時刻到

來時，對整個隊列中的數(shù)據(jù)進行AFD平滑，然后根據(jù)閾值判斷規(guī)則，超過指定報

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

⑤報警警點的選擇及毒性濃度的計算

在模型的正確預測下，判定為水質污染，則將該時刻定為報警警點，并啟動

毒性濃度計算算法。

為了驗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

物的不同濃度進行了實驗驗證。為了能夠有效