利用藻類進行水體監測的方法
2023-07-13 21:36:16 2
專利名稱：利用藻類進行水體監測的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用藻類進行水體監測的方法，更具體地說，涉及一種通過觀測可進行光合作用的藻類如綠藻的光合作用來監測環境特別是水體環境的方法。
背景技術：
通常，利用魚類、貝類等生物對如河流等區域監測有害物洩漏事件的方法被稱為生物監測的方法。自從在70年代後期，德國利用魚類或水蚤等的方法測定在包括湖泊、河流的水系中是否有有毒物質侵入，包括紐西蘭、比利時、法國、瑞士、奧地利、英國等等許多國家開始研究生物監測系統。目前為止，針對那些適於測定水系是否有有毒物質侵入的不同水生物，進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監測水體是否汙染的方法。
至於在利用魚類進行的生物監測中，人們對魚類的行為模式，如浮遊、環境反射、聚群、散布以及遊動進行觀察分析。如果觀察的魚類出現異常行為模式，就預示水系的汙染，如水系中有有毒物質侵入。
然而，影響魚類行為模式的不僅包括有毒物質的環境因素，而且還有其他魚類健康狀況或其他本能要求等內在因素。因此，造成了這樣的問題由於魚類的行為模式與水汙染之間的因果聯繫的不緊密，常常出現測定的失誤。
進一步說，僅當汙染程度超出預定程度時，水汙染才會影響魚類的行為模式。由於在未達到預定程度的情況下，魚類的行為模式將不會發生變化，這就不可能測定是否存在水汙染。而且，即使水汙染超出極限程度，魚類也不會立即表現出異常行為模式，依據汙染的種類和程度，會有一定潛伏期的延遲，才會表現出異常。也就是說，魚類對水汙染的敏感度相對較小。
研究生物監測的一個主要課題就是提高這種因果聯繫和敏感度。
儘管水蚤表現出較強的這種因果聯繫和敏感度，但仍不夠充分。
最近有效的方法是利用發光微生物。
杜邦公司(E.I.Du Pont De Nemours and Company)的韓國10-0262681號、名稱為「監測環境汙染高敏感方法」的專利；歐聖肯(Seong-Keun Oh)的韓國10-0300445號、名稱為「利用發光微生物持續監測水系中有毒物質的方法和工具」的專利；歐聖肯(Seong-KeunOh)韓國10-0305218號名稱為「利用固定發光微生物自動測定水毒性的設備」的專利；韓國公開專利出版物(Korean Laid-Open PatentPublication)刊號2000-0024847記載的LG公司(LG Industrial SystemsCo.，Ltd.)的、名稱為「利用固定發光微生物和生物傳感工具測定有毒物質的方法」的文獻；韓國公開專利出版物刊號2001-0086342記載的百歐尼爾(Bioneer)公司的、名稱為「持續測試水毒性的設備」的文獻，以及其他專利文件都公開了利用發光微生物監測環境汙染的技術。
利用發光微生物的生物監測中，測定微生物發光程度的變化來預測環境汙染。然而，微生物發光程度的變化不僅僅取決於環境因素，而且由於各種內在因素也產生變化。也就是說，利用發光微生物的生物監測環境汙染也沒有緊密的因果聯繫。
發明內容
本發明的目的是提供一種對環境壓力具有緊密聯繫及高敏感度的環境監測方法。
本發明的目的還要提供利用藻類進行水監測的方法，藻類敏感於水系中的有毒物質的侵入，能夠將有毒物質的程度定量化並表示為數字量，還能夠實現實時監測水汙染的狀況，實現水汙染級別的定量分析，並可明顯減少水檢測的物力、人力需求。
影響光合作用的因素有光的強度、二氧化碳濃度以及溫度。也就是說，健康的光合作用的植物細胞的光合作用的總量僅受上述外部因素的影響，在排除細胞健康條件的情況下幾乎不受其他因素影響。
根據影響因素的不同，具體植物細胞光合作用數量的變化可以通過實驗提前獲取，而且如果細胞的數量足夠，則健康細胞存在的概率在正常分布下根據各自環境條件的不同有所下降。
也就是說，可以預計，在各自不同環境條件下，如果根據影響因素的變化給於補償，足量植物細胞光合作用的總量近似於一個恆定值。
同時，多細胞植物的健康條件隨環境因素的變化需要大量時間，相反，單細胞植物的健康條件和新陳代謝幾乎隨環境因素立即變化。
當考慮這些因素時，可以預期，利用足夠的單細胞植物光合作用的總量可以針對環境壓力實現緊密聯繫和高敏感性的環境監測系統。
本發明的另一目的，提供一種通過觀測光合作用藻類的光合作用總量的監測環境壓力的環境監測方法。
另外，考慮到每個能夠實現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個體所吸收。為個體吸收的能量，大部分用於光合作用；未用於光合作用的吸收的能量部分則轉化為熱能，向每個個體體外依次釋放，剩餘的能量轉化為光波向每個個體外部依次輻射。
為機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繫，根據物種的不同具有單一頻率。這種光波也被稱為螢光。
在發光微生物常規的發光中，光波在一定頻率範圍內，該範圍包括可見光；該發光可在沒有外界入射光的情況下自發產生，並向外界輻射。相反的，當入射光消失時，上文所述的螢光立即或持續較短時間後消失，並且通常具有一個超出可見光範圍的波長。
實驗發現，螢光的強度反比於光合作用的總量。也就是說，當個體完成光合作時，螢光強度變弱；反之，當由於新陳代謝和健康條件的異常，個體的光合作用的活動減弱時，螢光亮度變強。
因此，根據本發明環境監測方法，利用光合作用的藻類，通過測量螢光總量、觀測光合作用的總量，可以監測環境壓力。
本發明的環境監測方法可以用於水系中監測水體汙染。
這種監測水體汙染的方法包括以下步驟從需要監測水體汙染的水系中提取水體樣本的步驟；準備包含有光合作用藻類的液體反應物的步驟；準備包含液體反應物和水體樣本的混合液體的步驟；對液體反應物和混合液體進行光照的步驟；分別測量液體反應物和混合液體發出的螢光亮度的步驟；將從液體反應物中測定的和從混合液體中測定的螢光亮度進行比較的步驟；以及根據比較步驟中得到的比較結果估測水體汙染的程度的步驟。
本發明的另一方面，通過對這種被監測的水體汙染的估值，可以實現水系中監測水體汙染的方法。該方法還包括以下步驟預選水體汙染警告的參考值；比較基於估值步驟獲得的估計值與參考值；以及基於比較參考值和估計值所獲得的結果進行預警。
本方法更有效的方式還可以包括以下步驟將測量步驟所得的測量值轉換為數字值；以及在資料庫中存儲數字值的步驟。此時，在估計步驟中可以估計水汙染的程度，通過參考測量記錄中從相關水系獲得的、存儲於資料庫的採樣點數字值，來估計水汙染的程度。
進一步說，本方法還可以包括光照步驟中對液體反應物和混合液體中具有光合作用藻類的行為模式分別進行觀察的步驟。此時，在估值步驟中估值操作可以基於觀察步驟中光合作用藻類的行為模式來實現。
更適合的方式，本發明還包括在光照步驟中分別對液體反應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備上。此時，在觀察步驟中，可以通過輸出到成像設備的圖像觀察具有光合作用藻類的行為模式。
結合附圖、通過閱讀下文優選實施例的說明，將能更清楚地理解本發明上文所述特點以及其他特點、優點和其他方面。
如下圖1是根據本發明利用藻類實現水體監測方法的優選實施例的說明流程2為執行圖1所示方法中，完成光合作用的光照時，為了測定螢光亮度，而將液體反應物和由液體反應物和採樣液體構成的混合液體點滴到調色板上的示意圖。
具體實施例方式
本發明優選實施例是利用一種屬於綠藻的新月藻屬艾倫藻(closterium ehrenbergii)，在水系中監測水體汙染，圖1給出了根據本實施例描述的水體監測方法的流程示意圖。
如圖1所示，根據本實施例水體監測的方法包括準備參考值的步驟S00、採樣步驟S10、準備液體反應物的步驟S20、混合步驟S30、光照步驟S40、測量螢光數量的步驟S50、比較螢光總量的步驟S60、估計水體汙染程度的步驟S70、對比估計值的步驟S80以及預警步驟S90。
在準備參考值的步驟S00中，預定多個參考值。這些參考值表示水體汙染的程度；依據該值以及水系的使用情況和汙染物的種類，向管理員預警。
在採樣步驟S10中，需要從待監測水體汙染的水系中提取使用的水體樣本，而後將其存於蓄水池中。
在準備液體反應物的步驟S20中，準備好的新月藻屬艾倫藻培養液作為液體反應物用於監測水體汙染。此時新月藻屬艾倫藻數量在培養液中最好在適當濃度範圍內保持恆定。而且，如果提供了一種用於補償根據總數的變化的測量值的方法，計量新月藻屬艾倫藻數量的培養液可以代替恆定數量來使用。準備的培養液，如圖2所示，點滴到調色板10的兩個位置上。本實施例中，在調色板10的第一位值11大約點滴1ml的培養液，在調色板10的第二位置12大約點滴2ml的培養液作為液體反應物。
在混合步驟S30中，提取大約1ml水體作為樣品液體點滴到調色板10上已點滴液體反應物的第一位置11中，並與其混合。
在光照步驟S40中，用光照射調色板10上的液體反應物和混合液體用於實現新月藻屬艾倫藻的光合作用。
在測量螢光數量的步驟S50中，測量調色板10的第一位置11的混合液體發出的螢光數量以及測量調色板10的第二位置12的液體反應物發出的螢光數量。此時，利用可在市場上買到的螢光計測量螢光數量。
在比較螢光數量的步驟S60中，將從液體反應物測得的螢光數量與從混合液體中測得的螢光數量做比較。
在估計水體汙染程度的步驟S70中，根據在S60步驟中獲得的比較結果預估水體汙染程度。
同時，假設樣品水體中沒有新月藻屬艾倫藻，則根據本實施例依據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大約是第二位置12液體反應物中新月藻屬艾倫藻總數的一半。因此，在步驟S50中測量的螢光數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，則總數的比例以及因此得到螢光數量的比率將會增加。而且，如果從同一水系中提取的樣本預先測試並記錄結果，測試結果將反應在步驟S70的估計值上，這種總數的差異是肯定的。
在對比估計值的步驟S80中，步驟S70所得估計值與S00步驟中的參考值做比較。
在預警步驟S90中，根據對比參考值和估計值獲得的結果向水系管理員進行預警。
本實施例描述的實例中，含有新月藻屬艾倫藻的培養液用作液體反應物。然而，如果存在一種藻類培養液作為更適用的液體反應物能夠在水系中監測出更高概率的汙染物質，則該培養也可作為液體反應物使用。如果需要，兩個或更多藻類培養液的混合體也可以作為液體反應物。
此外，根據本實施例，本方法還可以包括數位化測量值的步驟S51、存儲測量值的步驟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。
在數位化測量值的步驟S51中，將在測量步驟中獲得的測量值轉化成數字值。轉化了的數字值，在存儲測量值的步驟S52中存儲到資料庫中。在這種方式下，估計水體汙染程度的步驟S70可以在考慮歷史記錄中的從相關水系採樣、存於資料庫中數字值的樣本的情況下，估計水體汙染程度。
在光照步驟S40中完成成像行為模式的步驟S41，對存在於液體反應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，根據觀察步驟中觀察光合作用藻類的行為模式，來完成估計步驟中估計值的預估。
在觀察行為模式的步驟S43中，通過顯微鏡、內診鏡或其他裝置分別直接觀察液體反應物和混合液體中的光合作用藻類的行為模式。由於本實施例中的新月藻屬艾倫藻具有比其他藻類更大的細胞，因此個體的行為模式也就便於觀察。
在步驟S50中獲得的測量值能定量的表達為依次存儲的數字值，因此在研究相關水質的分析工作中更加適用。
根據本實施例實現的水體監測系統，考慮到其操作步驟可以部分或全部由計算機控制自動完成。這種情況下，雖然可以利用程序實現測量值的數字分析、數字管理以及其他操作，然而細節描述也會被忽略。
根據本發明的方法，輸出步驟和圖像顯示步驟所述數據互鎖到一個輸出裝置中執行。因此，使用者即可以通過輸出步驟獲得水體汙染程度的定量數據，又可以通過成像輸出步驟得到圖像信息，甚至在例如實驗室的給定位置。因此可以多角度的監測水系中水體的汙染程度。進一步說，根據本發明方法，由於不需要耗時的物化方法來測定水系中水體的汙染，其優點在於，能夠實時測量和監控水體汙染。另外，由於依賴外界刺激通過藻類螢光的測量來完成水體汙染的定量分析，其另一優點在於，水汙染程度能精確表達成數字形式。而且，因為水質測量僅需簡單方便的步驟，從水系中提取樣本水體以及通過螢光計測量藻類螢光數量，其進一步的優點是，不再需要大量裝置和器械用於水質測量，因此節省大量水體監測所需的人力和物力。
雖然本發明已結合優選實施例給出了描述，但描述並不用於限定本發明，而是示意性的說明。顯而易見，本領域人員在未脫離本發明技術實質和範圍的情況下能夠實現各種修改、變化或調整的方法。因此，依附的權利要求的範圍也包括各種修改、變化或調整的方法。
權利要求
1.一種監測水體汙染的方法，包括以下步驟從待監測水體汙染的水系中提取樣本水體；準備包含光合作用藻類的液體反應物；準備液體反應物和樣本水體的混合液體；光照液體反應物和混合液體；分別測量液體反應物和混合液體所發出的螢光的數量；比較已測定的液體反應物和混合液體所發出螢光的數量；根據比較步驟中獲得的對比結果估計水體汙染的程度。
2.根據權利要求1所述方法，還包括以下步驟準備發出水體汙染警報的參考值；將估計步驟中獲得的估計值與參考值比較；根據比較參考值和估計值的結果發出警報。
3.根據權利要求1所述方法，還包括以下步驟將測量步驟得到的測量值轉化為數字值，在資料庫中存儲數字值；其中在估計步驟中，估計水體汙染程度是考慮樣本測定歷史記錄做出的，該歷史紀錄來源於存於資料庫中相關水系的數字值。
4.根據權利要求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物和混合液體中光合作用藻類的行為模式；其中根據觀察步驟中光合作用藻類的行為模式，在估計步驟中做出估計。
5.根據權利要求4所述方法，還包括以下步驟在光照步驟中分別對液體反應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.根據權利要求1-5中任一所述的方法，其特徵在於，根據汙染物的種類，光合作用的藻類至少包括兩種具有不同因果聯繫和敏感性的藻類
7.根據權利要求1-5中任一所述的方法，其特徵在於，光合作用的藻類包括新月藻屬艾倫藻。
全文摘要
本發明涉及一種利用藻類進行水體監測的方法，可以通過藻類特別是新月藻屬艾倫藻，監測河流的汙染程度。根據本發明利用藻類進行水體的監測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培養新月藻屬艾倫藻的培養液、分別測定加入培養液的原始水體和培養液中螢光的數量並且互相比較螢光數量，以及分析比較的螢光數量並定量得出水體汙染程度。因此，根據本發明，其優點在於，可以實時測定水體汙染。另外，由於可以定量分析水體汙染程度，另一優點在於，水體汙染程度可以精確表達為數字值。而且，進一步的優點在於，可以大量節省用於水體監測的相關人力物力。
文檔編號G01N21/78GK1615436SQ02827312
公開日2005年5月11日 申請日期2002年4月3日 優先權日2001年12月14日
發明者金尚吉 申請人:金尚吉