基于斑马鱼行为变化的水体突发汞污染生物预警技术研究

针对突发水污染事件难以准确预警的现状,通过模拟水体突发汞污染事件,开展了以生物鱼行为变化为基础的水质生物预警技术研究。以正常水体中斑马鱼的行为变化为基础,采用高速摄像跟踪技术,解析了突发汞污染(0.1mg/L)水体中斑马鱼游动行为(游动速度、高度、转弯次数、加速度)和通讯行为(平均距离、分散度)等行为指标的变化,结果表明:综合评价指标水质健康指数6h内无法预警,以游动高度作为水体突发汞污染事件的监测预警指标,可将预警时间缩短至3h。     

利用多物种净水监测仪在线监测水体抗生素药物及有机磷农药

通过多物种净水监测仪(Multispecies Freshwater Biomonitor,MFB)监测斑马鱼在抗生素药物(恩诺沙星、磺胺嘧啶)和有机磷农药(乐果、马拉磷硫)暴露下的行为强度变化,以验证其作为监测水体环境中抗生素类药物和有机磷农药生物指标的可行性.结果表明,恩诺沙星、磺胺嘧啶对斑马鱼没有急性毒性,乐果、马拉硫磷对斑马鱼的LC50-96值(96h半致死浓度)分别是61、5.4mg.L?1.斑马鱼对环境变化的行为反应快速且敏感,随着药物浓度的增加,斑马鱼行为变化的强度增大,反应时间缩短,且行为强度的变化符合环境压力模型(Stepwise Stress Model,SSM).斑马鱼行为的改变与一般急性毒性实验结果有相关性,可以作为对抗生素和有机磷农药污染水质早期预警的生物在线监测指标.     

摄入负载镉生物炭对斑马鱼的异常行为分析

为了评估生物炭对镉的固定能力,以负载镉生物炭为研究对象,构建大型水蚤(Daphnia magna)-斑马鱼(Zebrafish)的简单食物链,试验周期包括14 d的积累期和7 d的净化期.通过描述鱼群实验(Shoaling)、社会偏好实验(Social Preference)行为变化及斑马鱼中镉的富集量来评估负载镉生物炭的生物毒性.结果表明,在积累期摄入负载镉生物炭会显著抑制斑马鱼的运动能力,而摄入未负载镉生物炭对斑马鱼的活动无明显影响.摄入负载镉生物炭也导致群体偏好显著降低,表现为斑马鱼在社会区域内停留的时间变短,鱼群之间的距离增大.净化期中,斑马鱼的运动能力得到显著提升,同时表现出群聚性的特征.此外,斑马鱼肠道内的镉含量与其行为表现呈显著相关性.生物炭的固定作用和排泄导致不同剂量组斑马鱼肠道内的镉含量相近并缓解了镉在斑马鱼身体内的迁移.本研究揭示负载镉生物炭会破坏斑马鱼的社会行为,但生物炭的固定能力能缓解这种异常变化.     

头孢噻肟钠对斑马鱼SOD活性、MDA含量及DNA损伤的影响

研究了不同浓度头孢噻肟钠溶液暴露15 d对斑马鱼肌肉组织中超氧化物歧化酶(SOD)活性、丙二醛(MDA)和磷酸化组蛋白H2AX(γ-H2AX)含量的影响.结果表明,低浓度组(1、5 mg·L-1)暴露时,斑马鱼肌肉组织SOD活性呈现不规则变化;随着暴露浓度增加(25 mg·L-1),SOD活性在实验初期(3 d)被抑制,后期逐渐被诱导,并在12 d达到峰值;高浓度(125 mg·L-1)头孢噻肟钠显著抑制了鱼体内SOD活性,6 d时活性达到最小值.进一步测定了斑马鱼肌肉组织中MDA含量的变化,发现其与SOD活性呈负相关性,且在1 mg·L-1和125 mg·L-1暴露时尤为明显.在所选暴露浓度,斑马鱼肌肉中γ-H2AX含量均呈现先升高后降低的变化趋势.1、5、25 mg·L-1浓度组在6 d时达到峰值,125 mg·L-1浓度组在9 d时达到峰值.随着暴露时间的增加,γ-H2AX含量均降至空白水平,表明鱼体对产生的DNA损伤有自我修复功能.本研究表明,斑马鱼对头孢噻肟钠的氧化胁迫反应可能是导致其DNA损伤的重要机制之一.     

城市生活垃圾集装箱转运过程中污染物产生状况研究

以上海市某生活垃圾中转站垃圾集装箱为研究对象,分析了1 a不同季节中转站集装箱内垃圾二次污染物的产生和变化规律.结果表明,集装箱内产生的主要气体指标中,H2S的变化范围为0.3~10.3 mg·m-3;CH4的变化范围为0.02%~2.97%;NH3的变化范围为0.7~4.5 mg·m-3,浓度峰值都出现在夏季.产生的渗滤液水质指标中,pH值在5.4~6.3之间变化,呈现酸性;SS在9 120~32 475 mg·L-1之间变化,波动较大;有机物COD的变化范围为41 633~84 060 mg·L-1,BOD5在18 116~34 130 mg·L-1之间变化,呈现出冬季高于夏季的特点;氨氮和总磷的变化范围分别为537~1 222 mg·L-1和17.98~296 mg·L-1之间,季节变化不明显.极端温度特别是夏季高温对箱体内气体污染物的产生影响明显,警示夏季要谨防在高温暴露和过长的停留时间,以防止易燃易爆气体和其他污染物的大量产生.     

基于高频在线水质数据异常的突发污染预警

在高频水质自动监测背景下,建立了基于软测量和水质时间序列异常检测的水体突发污染预警预报技术.假定突发污染事故会引起典型自动监测水质参数变化,采用回归分析建立水质参数和在线高频监测水质参数间的线性关系进行软测量,采用人工神经网络预测短程水质变化,建立基于预测残差的异常判断最小阈值,最终通过有序监督聚类进行水质突变检测从而对突发污染事故进行预警.采用美国弗吉尼亚州的Potomac River流域在线监测数据进行算法验证和案例分析.分析受试者工作曲线(ROC)表明:该方法对2倍异常和3倍异常水平的检测准确率分别为62.7%和92.5%,且随着异常水平的增加准确率增加,通常突发污染事故中特定污染物浓度水平一般明显高于3倍,该方法具有较高的准确率.较其他突发污染水质预警技术,该技术有效缩短了平均检测时间,为流域污染预警预报和快速应急响应提供了新途径.     

跌水曝气生物接触氧化预处理太湖水的研究

生物预处理是当前给水处理去除水中氨氮和有机物的有效手段,有助于改善水的理化性质且利于后续常规工艺的运行.针对以太湖水质的特点,跌水曝气生物接触氧化预处理成为首选方法.通过对不同水力停留时间(HRT)运行效果的分析,提出了在低温季节最优的水力停留时间.污染物在生物接触氧化中的去除率随水力停留时间的增大而增大,而在HRT＜1.6 h范围内HRT的影响较为显著.     

铅胁迫对斑马鱼抗氧化酶活性的影响

研究Pb对斑马鱼抗氧化酶活性影响,探讨重金属Pb对斑马鱼毒理学效应.以斑马鱼为模式生物,采用半静态法对斑马鱼进行驯养和试验,测定不同浓度Pb对超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性影响.Pb暴露1d胁迫斑马鱼SOD为诱导效应,胁迫CAT为诱导-抑制效应,Pb暴露7d胁迫斑马鱼SOD为诱导效应,胁迫CAT为诱导-抑制效应,且暴露1d和暴露7d酶活性变化均显著.试验结果表明,Pb胁迨斑马鱼抗氧化系统酶活性变化显著,Pb毒性显著.结果为重金属污染对水生生物毒性机理研究提供参考.     

氟对斑马鱼甲状腺内分泌功能的干扰效应

为探究氟对斑马鱼甲状腺内分泌功能的干扰效应,本研究以雌性斑马鱼成鱼为研究对象,分别以不同浓度氟(0、20、 40、80 mg·L~(-1))暴露45 d和90 d,对斑马鱼的生长发育指数进行测定,用组织学方法对斑马鱼甲状腺组织结构进行显微观察,用酶联免疫吸附法检测血浆中T3和T4激素水平,并用实时荧光定量PCR方法检测HPT轴上内分泌相关基因的表达.结果显示,与对照组相比,氟暴露组雌性斑马鱼的生长发育指数随着暴露浓度和时间的增加而呈下降趋势(p0.05);甲状腺组织病变程度随着氟暴露浓度的增大和时间的延长而加重;氟暴露45 d时,T3和T4水平呈升高趋势,90 d时,T4水平呈下降趋势且在80 mg·L~(-1)组下降显著(p0.05);氟暴露45 d时,40 mg·L~(-1)组除crh处,其他mRNA表达均显著下降(p0.05),80 mg·L~(-1)组除tg、nis、ttr外其他mRNA表达均显著下降(p0.05);暴露90 d时tg、dio1、dio2的mRNA表达水平在40 mg·L~(-1)和80 mg·L~(-1)组显著上升(p0.05),ugt1ab mRNA表达在80 mg·L~(-1)组显著下降(p0.05).综上,氟可通过影响雌性斑马鱼的生长发育、甲状腺组织结构、激素水平及HPT轴上内分泌相关基因的表达,从而对其甲状腺内分泌功能产生一定程度的干扰,进而影响机体的生长发育.本研究结果对水环境中氟的生态毒性效应及风险评估提供了理论资料.     

基于流态化作用的吸附反应动力学和穿透特征

基于流态化作用的吸附反应动力学和穿透特征研究还鲜见报道.以苯酚为吸附质、活性炭为吸附剂,探讨了不同流态化紊流强度对基于流态化作用的吸附效率、吸附动力学特性、吸附反应穿透曲线和饱和吸附量的影响,并与相同条件的固定床吸附反应器进行了对比研究.结果表明,表观流速为8 mm·s-1和13 mm·s-1时,基于流态化和固定态的活性炭在5 min内的吸附效率均达到93%以上,吸附反应均符合经典二级动力学方程,且其相关系数大于0.999.穿透实验结果表明,表观流速为6 mm·s-1和8 mm·s-1时,基于流态化的活性炭对苯酚的吸附总量分别较固定态高8.77 mg·g-1和24.70 mg·g-1.可见,基于流态化吸附反应器与基于固定态吸附反应器相比,具有吸附反应效率高,吸附总量大的特征.     

nano-ZnO对斑马鱼鱼鳔发育毒性效应研究

根据鱼鳔发育的不同阶段,从受精后0 h(0 hours post fertilization, 0 hpf)开始对5个发育阶段(0 hpf～孵化前、0～120 hpf、0～168 hpf、孵化后～120 hpf、120～168 hpf)的斑马鱼进行nano-ZnO暴露实验,研究不同浓度的nano-ZnO对斑马鱼鱼鳔的影响.结果表明,nano-ZnO悬浮液中溶解的Zn~(2+)不是导致斑马鱼死亡和鱼鳔缺损的唯一或主要原因.nano-ZnO暴露浓度越高,斑马鱼的死亡率和鱼鳔缺损率越高,存在剂量-效应关系.15 mg·L~(-1) nano-ZnO可造成90%的斑马鱼鱼鳔缺损和死亡,10 mg·L~(-1) nano-ZnO可导致斑马鱼鱼鳔面积缩小70%.斑马鱼鱼鳔早期发育阶段(0～168 hpf)对nano-ZnO敏感度大小为:出芽阶段(0 hpf～孵化前)充气阶段(孵化后～120 hpf)充气完成阶段(120～168 hpf).斑马鱼鱼鳔的发育面积和发育时间也受nano-ZnO暴露染毒的影响而发生变化.斑马鱼死亡率和鱼鳔缺损率(鱼鳔发育)之间存在相关性(r=0.978,p0.01).这表明斑马鱼鱼鳔的发育缺损是造成斑马鱼胚胎死亡的主要原因之一,但nano-ZnO对斑马鱼鱼鳔的影响机理,尤其是对鱼鳔出芽阶段和充气阶段的致毒机理需要进一步研究.     

风浪扰动对太湖水体中砷在水相-悬浮物相之间分配的影响

在太湖冬季不同风速下(0.8、1.8、2.7、3.2、4.0 m·s-1)采集了不同深度(水深0.1、1.0和1.8 m,分别记为上、中和下层)的水样,测定了水体和悬浮物中的砷含量及水质参数,计算了砷在两相之间的分配系数,以期了解在太湖生物活动最低的阶段,风浪扰动作用对砷在水相和悬浮物相之间分配的影响.结果显示,随着风浪作用的加强,水体总砷含量有所增加,相应的悬浮物总砷含量及砷的分配系数降低,说明风浪作用可以降低悬浮物吸附砷的能力,以至于促进砷从悬浮物中的释放,进而使水体中的溶解态砷增加.相关性分析及变化趋势比较分析发现,砷分配系数的降低与在风浪扰动的影响下悬浮物浓度和溶解氧的增加,以及叶绿素a浓度的下降有关.不同风速下各参数的垂向分布变化显示,风浪扰动对中下层的砷分配系数以及中层的悬浮物砷含量影响较大;风速变大时,中层溶解态砷含量升高,上层与下层溶解态砷含量降低;而风浪扰动作用对水体总砷的分层变化影响不大.悬浮物浓度、砷浓度及分配系数均在3~4 m·s-1风速下发生变化,且呈现与之前不同的分层特征.4 m·s-1可能是一个临界风速,在4 m·s-1以上的风速下风浪占主导作用,而4 m·s-1以下是湖流与风浪共同作用的结果.     

通过多阶段暴露试验评价嘧菌酯对斑马鱼的急性毒性与发育毒性

嘧菌酯作为最畅销的甲氧丙烯酸酯类杀菌剂,是防治水稻病害的常用农药,其对水生生态环境的负面效应值得重视.为研究嘧菌酯对水生生物的危害,进行多阶段(成鱼、仔鱼、胚胎)斑马鱼毒性试验,分析了嘧菌酯对鱼类的急性毒性,同时,通过6 d胚胎发育试验,研究了嘧菌酯对鱼类早期发育阶段的影响.结果表明,斑马鱼3个生命阶段对嘧菌酯的敏感性(以96 h-LC50(致死中浓度)表示)顺序为:仔鱼(0.39 mg·L~(-1))胚胎(0.61 mg·L~(-1))成鱼(1.37 mg·L~(-1)).6 d胚胎发育试验结果发现,嘧菌酯可诱导斑马鱼胚胎出现一系列不良症状,包括孵化率下降、心率异常、生长抑制和心包水肿等.0.25 mg·L~(-1)的嘧菌酯可显著促进斑马鱼胚胎自主运动和心率,并能明显抑制孵化仔鱼的体长.0.6 mg·L~(-1)及更高浓度的嘧菌酯可明显抑制斑马鱼胚胎眼睛、体节、尾部和心脏的发育.研究显示,嘧菌酯对斑马鱼多个生命阶段均具有一定毒性,但对早期生命阶段毒性更强,因此,其对鱼类早期生命阶段的影响值得重视.     

富营养化水体中光学活性物质的垂向分布及其对遥感反射光谱的影响

富营养化水体中光学活性物质的垂向分布对水下光场分布具有重要影响,决定了水色参数定量遥感反演的精度.基于2011年8月和11月在太湖进行的垂直分层采样,分析了水体中光学活性物质含量的垂向分布特征,并探讨了其影响因素及其对水体遥感反射光谱的影响.结果表明,风速是影响富营养化水体中光学活性物质垂向分布的重要因子之一.风速较小(小于3.0 m·s~(-1))或无风时,表层叶绿素a浓度急剧增加,易形成水华;而风速大于5.0 m·s~(-1)时,水体发生垂直混合,底层叶绿素a浓度最大;其它风速条件下,叶绿素a浓度在某一水深处出现极大值.在风速小于5.0 m·s~(-1)的情况下,悬浮物浓度和有色溶解有机物(CDOM)的垂向分布相对均一;当风速超过5.0 m·s~(-1)时,底泥再悬浮过程对两者的贡献较大.在未发生藻华情况下,0~0.5 m水深范围内的叶绿素a浓度均值与波段比值的相关系数最大(r=0.86),对水体遥感反射比的影响较大;而表层悬浮物浓度对水体遥感反射比的影响最大,研究结论可为水色参数含量的精确估算提供方法论支持.     

基于EFDC模型的水乡城镇水网水动力优化调控研究

河流的水动力状态与整体水环境状况息息相关.本研究以同里古镇区水系为例,在数据稀缺,尤其是缺乏水质数据的基础上,通过研究区域实地考察、现场监测、文献调研等方式,确定了研究区域合理的生态流速范围.同时,建立了同里古镇区水系的EFDC水动力模型,并采用情景分析法,对古镇区水系8种不同的调水优化情景进行分析评价.结果表明,当进水泵站以0.42 m3·s~(-1),饮马桥同时以0.5 m3·s~(-1)的流量进水,大东溪桥和会川桥出流口各出流10%,外河闸口出流口出流80%,其余出流口不出流的情况下,同里古镇区水系整体水动力改善条件较好,且大部分河段流速维持在0.05~0.10 m·s~(-1)之间,在同里古镇水系合理的生态流速范围内.这一方案不仅能有效改善同里古镇水系整体水动力状态,且对水质状况的改善,对整体水环境的提升具有良好的促进作用.     

基于255 m气象塔天津地区污染天气高空风特征研究

基于2016年4月—2017年3月天津地区地面、255 m气象塔和风廓线监测数据,结合数值模拟,研究天津污染天气分析中高空风特征,以期进一步提高污染天气预报准确率.结果表明:高空风速和风向分析对污染天气趋势判断有重要作用,如冠层以上高度风速、300~1500 m风向对PM2.5污染程度的指示效果好于近地面同类数据;在选取高空风速指标时,应尽量避免边界层顶附近高度风速数据选取,如使用300 m和600 m风速和作为指标要好于300、600和900 m风速和作为指标.而其是否有利于污染扩散判断的临界阈值为10~15 m·s-1,小于10 m·s-1时水平扩散条件不利于污染物扩散,大于15 m·s-1时有利于污染物扩散.分析高空风向时,需要考虑输送高度和Ekman螺线的影响,与地面不同,300~1500 m高空风分析时,有利于出现污染天气的风向为西风、西南风和南风,而地面仅为南风和西南风;当1500 m高度呈现东风、偏东风和东南风时,天津地区受来自渤海的气流影响明显,污染气象条件有利于污染物扩散,空气质量以良好为主.     

麻黄碱在斑马鱼体内的器官特异性蓄积及毒代动力学

麻黄碱（ephedrine,EPH）是一种生物碱,用于减轻感冒、过敏性鼻炎、鼻炎及鼻窦炎引起的鼻充血症状,控制支气管哮喘等,同时还是制造毒品冰毒的原料.EPH已经在地表水中广泛检出,并可能对水生生物甚至生态系统产生不利影响.但目前,EPH在水生生物中的摄取、器官分配和毒代动力学过程还没有受到关注.本研究中将斑马鱼（Danio rerio）在半静态系统中暴露于EPH,研究斑马鱼的不同器官对EPH的吸收、蓄积以及EPH在斑马鱼体内的毒物代动力学.暴露浓度分别为0.01、1.00和100.00 μg·L^-1,暴露14 d后,在斑马鱼脑、肝、肠、卵巢及肌肉中均检测到EPH,高浓度组斑马鱼脑中EPH最高达到84.97 ng·g^-1;EPH的平均含量的相对大小遵循以下顺序：脑 > 卵巢 > 肝 >肠 > 肌肉.斑马鱼器官中的麻黄碱的摄取速率常数（K_u）为0.23~570.31 L·（kg·d）^-1,消除速率常数（K_e）为1.22~6.11 d^-1,半衰期为0.12~0.57 d.观察到的生物富集系数（BCF_o）和动力学来源的生物富集系数（BCF_k）范围分别为0.24~337.33 L·kg^-1和0.13~316.43 L·kg^-1,处于相同的水平.     

我国东南典型侵蚀区坡地磷素流失机制模拟研究

为了研究侵蚀区坡地坡面径流和壤中流磷素流失特征,以浙江省湖州市安吉县花岗岩风化母质上发育的红壤为研究对象进行人工模拟降雨试验.结果表明,坡面径流和壤中流中的总磷流失浓度、总磷流失量均随着降雨强度的增大而增大,随着降雨强度的增大产流初期坡面冲刷效应显现;坡面径流总磷流失量所占每场降雨总磷流失量百分比分布在51%~92%;坡面径流总磷流失浓度在整个过程中波动幅度很大;坡面径流中总磷流失浓度在坡度25°下最高,壤中流中的总磷流失浓度在坡度8°下最高;坡度8°下坡面TP流失量最大,坡面总磷流失量受坡面径流量和雨强影响极显著(p0.01);壤中流总磷流失量较小,受雨强影响极显著(p0.01);磷素流失以坡面径流流失为主,壤中流流失为辅,磷素主要以颗粒态通过坡面径流流失,以溶解态通过壤中流流失.