鱼类行为法水质生物毒性监测仪性能测评研究

李 震,廖 伟,孙 锋

(深圳市水务科技有限公司，广东 深圳 518030)

0 引言

随着工业的迅猛发展，水环境污染与水资源短缺问题受到人们广泛关注。突发性水污染事件直接威胁到人民群众的饮用水安全，给人们生活造成影响。再生水回用技术可以在一定程度上缓解水资源短缺。同时，再生水水质安全问题也受到关注。为了保障水质安全，人们基于电化学法、光学法、生物法等开发了一系列水质在线监测技术[1-4]。其中，生物法可以直观地反映水体中各种污染物质对生物种群的综合毒性，近年来得到广泛应用[5]。根据受试生物种类的不同，目前主要的生物在线监测技术可以分为：鱼类行为法、发光细菌法、微生物燃料电池法、藻类法、水蚤法等[6-10]。以鱼类行为法为基础的水质监测预警系统具有稳定性好、可靠性高、续航能力强、管理方便、运行费用低等优点，是水体污染物在线监测的有效技术手段[11]。根据监测原理的不同，基于鱼类行为法的水质在线监测仪器可主要分为图像解析法和传感器法两类[12-13]。图像解析法采用图像识别处理技术，通过监测鱼类行为模式及其变化反映水质状况；传感器法采用电信号传感技术，通过监测鱼类行为强度及其变化反映水质状况。图像解析法基于计算机摄像跟踪技术，可以通过对受试鱼类群体行为的变化进行实时分析，获得全面、有效的水质信息，及时预警水质突变事件[14]。深圳水务集团采用图像解析法研制出水质生物毒性监测仪(RTB)，以斑马鱼作为标准化指示生物，实现水质在线监测，提高水质安全保障能力[15]。目前，虽然在国家标准GB/T13267-1991《水质物质对淡水鱼(斑马鱼)急性毒性测定方法》中介绍了生物毒性分析方法，但是属于方法标准，而对于鱼类行为法水质生物毒性监测仪性能测评方面的研究及报道较少[16]。因此，有必要开展鱼类行为法水质生物毒性监测仪的测评方法研究，以便提升完善仪器性能指标的规范性。

本文以基于图像解析法的水质生物毒性监测仪为例，探讨仪器性能的测评方法。为了尽可能全面评价仪器性能，将主要指标归纳为检测性能类、数据质量类以及运行维护类，并进行了测试分析。

1 监测原理及系统结构

1.1 鱼类行为法水质监测原理

鱼类对水质状况的变化十分敏感。在正常无污染物的水体中，鱼类的运动行为具有一定的规律，其运动速度、运动范围、运动高度、转弯次数等参数处于一定范围之内。当水体受到污染时，鱼类的运动行为将会发生变化。图像解析法可以对鱼类运动行为进行识别分析。利用计算机图像跟踪处理和识别技术，实时监测鱼类运动轨迹，利用运动行为解析软件包分析鱼类的个体行为参数以及群体行为参数，并通过大量实验，建立起鱼类运动行为模式与水质污染物毒性之间的效应关系，进而实现对水质生物毒性的监测。鱼类的个体行为参数一般包括速度、高度、转弯次数；群体行为参数一般包括平均距离、分散度、分形维数、活鱼数目。

1.2 监测仪系统结构

基于上述监测原理，为了实现水质在线监测，除了需要设计鱼类运动行为识别分析模块之外，还需要综合考虑水样采集、自动控制、数据传输等功能模块的设计。水质生物毒性监测仪包括水样预处理模块、图像采集模块、运动行为识别分析模块、水质预警模块、电气及自动控制模块、远程通信模块等。仪器的系统结构见图1所示。水样预处理模块包括过滤、除氯、温度控制等装置，可保障监测结果不受水体浊度、余氯、温度变化等因素的干扰。图像采集模块用于对鱼类活动区域进行监测，并将采集到的图像实时传输到运动行为识别分析模块进行处理，解析出受试鱼类的个体行为参数及群体行为参数，计算出水质综合毒性指数。当水质综合毒性指数超出设定的阈值时，将会联合水质预警模块发出预警信息，及时通知用户进行处理。电气及自动控制模块负责仪器整机的供电以及对仪器执行机构的控制。远程通信模块可采用有线或无线数据传输方式，实时传输水质监测数据，实现远程在线监测。

2 测评方法

为了尽可能全面地对基于鱼类行为法的水质生物毒性监测仪进行测试评价，将其主要指标分为三类：检测性能类、数据质量类和运行维护类。其中，检测性能类指标用于评价水质生物毒性在线监测仪对水质状况的反映能力，主要包括灵敏度、响应时间；数据质量类指标用于评价水质生物毒性在线监测仪监测结果的可靠性，主要包括稳定性、误报率、监测数据丢失率；运行维护类指标用于评价水质生物毒性监测仪在实际应用过程中的连续工作能力以及环境适应能力，主要包括温度控制误差、受试生物更换周期、平均无故障连续运行时间。

2.1 检测性能类指标及测试方法

1)响应时间。鱼类行为的变化与水中污染物的剂量以及作用时间相关。水质生物毒性监测仪对水质状况的判断需要基于足够的生物行为数据解析。将受试鱼类从开始接触试验溶液到监测仪发出水质报警所需要的时间定义为响应时间。

2)灵敏度。该指标用于表征水质生物毒性监测仪在一定的监测周期内产生报警信号所对应的污染物浓度。监测仪对污染物毒性的灵敏度与毒性效应浓度(Ceti)和系统响应时间相关。在监测仪运行过程中，待受试鱼类适应环境且行为稳定后，向监测仪鱼类活动区域注入一定毒性单位的标准溶液并开始计时，至监测仪报警时所经过的时间为响应时间，所使用的标准溶液浓度即为该响应时间所对应的毒性检测灵敏度。标准溶液浓度采用毒性效应浓度(Ceti)来表征。毒性效应浓度(Ceti)将不同污染物的质量浓度(Dρi)与该污染物对受试鱼类48小时半数致死剂量(LC50-48)的比值作为毒性单位(TU)，以进行归一化分析，便于不同污染物之间的比较。毒性效应浓度(Ceti)的计算公式为：

(1)

2.2 数据质量类指标及测试方法

1)稳定性。稳定性反映监测仪保持其计量特性随时间恒定的能力。在实际测量中，对于同一待测水样，监测仪在一定时间范围内多次测量时得到的监测数据可能存在波动，用标准差反映该组监测数据的离散程度，从而表征监测数据的稳定性。

2)误报率。在一定条件下，如果监测仪在水质状况良好的情况下出现误判，将会触发水质报警。误报率是指在一定时间范围内，出现水质误报警数据条数占该时间段内获取的所有监测数据总条数的百分比。误报率可以反映监测仪监测数据的可靠性。在实际测量中，可以用无毒性的水样进行测试，统计误报警数据条数，从而计算误报率。

3)监测数据丢失率。监测仪的监测数据是按时间顺序进行收集的。监测数据的丢失可能由两个因素导致。(1)在某段时间内，没有任何数据收集记录而导致数据中断；(2)收集到的数据存在部分缺失，即有数据收集记录，但是数据只有时间点，没有数值或数值为空。因此，监测数据丢失率定义为在一段时间内，未收集到的数据条数与有数据缺失的数据条数之和占该段时间内应获取的所有数据条数的百分比。其中，未收集到的数据条数可以利用数据收集频率与收集中断时间计算得出。监测数据丢失率能够反映监测仪监测结果的可靠性以及远程通信传输的可靠性。

2.3 运行维护类指标及测试方法

1)温度控制误差。监测仪采用恒温装置控制进入鱼类行为监测区域的水样温度，当进水温度高于或低于设定值时，恒温装置会自动工作，最终达到设定温度T0。每隔10 min测量鱼类行为监测区域中的水样温度1次，共测量6次，记录读数T1,T2,……,T6,分别计算读数相对设定值T0的偏差值，将绝对值最大的偏差定义为温度控制误差ΔT。温度偏差值的计算公式为：

ΔTi=Ti-T0

(2)

其中：ΔTi为第i次测量的温度偏差，Ti为第i次测量的温度值。温度控制误差可以反映监测仪在运行过程中对水环境的适应能力。

2)受试生物更换周期。为确保监测仪长时间正常运行，受试鱼类应定期更换。该指标直接影响监测仪的维护周期。如果在预定的更换周期内出现受试鱼类非正常死亡，应及时留取水样，充分清洗监测仪流路系统，并更换全部受试鱼类。

3)平均无故障连续运行时间。该指标为监测仪在测试期间每相邻两次故障之间的平均工作时间。在测试时，采用实际水样，监测仪连续运行至少2个月，记录总运行时间和故障次数，总运行时间和故障次数的比值即为平均无故障连续运行时间。平均无故障连续运行时间可以衡量监测仪的可靠性。

3 指标测试与结果分析

3.1 试验条件

测试采用深圳水务集团自主研发的水质生物毒性监测仪(RTB)，选取鱼龄3～4个月、体长3～5 cm的斑马鱼作为受试鱼类，其驯养和选用条件应符合GB/T13267的规定，在测试及运行期间一般不喂食。关于被测水体，应满足以下要求：浊度：≤15 NTU；溶解氧饱和度：≥60%；余氯：≤0.05 mg/L；水温：(15～40) ℃。在检测性能类指标的测试中，使用分析纯级以上的溴氰菊酯配置标准储备液。

3.2 检测性能类指标

在监测仪运行时，待斑马鱼适应环境并且行为稳定后，向鱼类活动区域注入一定毒性单位的溴氰菊酯溶液，记录至系统报警时所经过的时间。进行多次试验，以获得不同浓度溴氰菊酯溶液所对应的报警时间。试验结果为：注入0.1 TU的溴氰菊酯溶液后，报警时间为12 h；注入1.0 TU的溴氰菊酯溶液后，报警时间为60 min；注入10 TU的溴氰菊酯溶液后，报警时间为6 min。由此可知，监测仪响应时间12 h时，灵敏度为0.1 TU；监测仪响应时间60 min时，灵敏度为1 TU；监测仪响应时间6 min时，灵敏度为10 TU。监测仪的灵敏度与响应时间相关。监测仪具有较高的灵敏性，能够及时对进入水体的污染物做出响应。

3.3 数据质量类指标

使用监测仪对同一实际水样进行监测，设定每隔5 min读取一次监测结果，并通过远程通信模块上传到服务器进行统计分析。图2为监测仪连续运行一天的监测数据曲线。监测结果表明，监测仪运行稳定，该时间段内监测到的综合毒性指数的平均值为78.96，标准差为4.12。综合毒性指数处于60至100之间表明水质正常，在该时间段内未出现水质误报警，即误报警个数为0，误报率为0。上传到服务器的监测数据完整，在一天之内共有288个监测数据，不存在数据中断或数据缺失。即在该时间段内的监测数据丢失率为0。这表明监测仪具有良好的稳定性和可靠性。

图2 监测仪运行一天的监测数据曲线

3.4 运行维护类指标

试验中，设定仪器控制温度为25 ℃，当仪器运行稳定后，每隔10 min用温度测量装置测量鱼类行为监测区域中的水温1次。试验结果如图3所示。水温的最大偏差值为0.9 ℃，故温度控制误差为0.9 ℃，表明监测仪对水环境的适应能力良好。

图3 监测仪温度控制试验结果

在监测仪实际运行时，斑马鱼每隔15天更换一次，即受试生物更换周期为15天。监测仪连续运行2个月，无故障发生，即平均无故障连续运行时间为1 440 h。监测仪具有较高的可靠性，维护周期可以设定为两周一次，进行更换受试鱼类、流路清洗以及其它检查工作。

4 结束语

基于鱼类行为图像解析法的水质生物毒性监测仪能够对水质的综合状况做出及时反映，对突发污染事件进行预警，可以广泛应用于对原水、再生水等的监测，有效保障水质安全。目前对于该种类型水质监测仪性能测评的研究报道较少。本文从检测性能、数据质量和运行维护3个方面对监测仪的性能进行了综合评价。具体介绍了各项评价指标的测试方法，并进行了试验测试。文中总结的评价指标可表征监测仪对水质状况的反映能力、监测数据的可靠性以及在实际应用中的表现情况，对于其它类型的水质生物毒性监测仪的性能测评也具有参考意义。