基于斑马鱼行为变化的水质预警研究

【摘要】：在水环境整体质量下降的同时，各地频繁发生的突发性水污染事件更是给人们正常的生活和生产带来了巨大风险。利用快速、实时的监测手段在水质突发污染初期及时做出预警尤为重要。本研究以斑马鱼群体行为变化为基础，采用视频追踪技术记录鱼群的运动行为规律，实现模拟水体突发性污染事故的在线监测和预警，并结合类似仪器在使用中存在的误报警率高、稳定性差等问题进行研究，为基于鱼类行为变化的水质预警更好的应用提供参考和依据。 在确定水质监测设备的最佳运行环境和监测条件的基础上，研究典型重金属（Cd2+、Cr6+、Hg2+和Cu2+）和农药（敌敌畏、乐果、溴氰菊酯和氯氰菊酯）突发暴露下斑马鱼行为变化规律。结果表明，斑马鱼在0.1TU（Toxic Unit）暴露下即表现出反应明显的行为反应。各项行为指标的变化具有一定的时序和层次性，即行为强度过度活跃和鱼群集群是第一反应，随着暴露时间的增长，行为强度不断下降，鱼群失去原有通讯和群体性的同时，运动高度和分形维数才开始发生变化。 行为强度的变化根据暴露浓度的不同可分为三种情况：（1）0.01TU，无调节；（2）0.01~1TU，刚接触到污染物时行为强度急剧增大，维持一定时间以后开始下降，最终稳定在暴露前或者低于暴露前水平；（3）2TU，行为强度直接下降。除有明显颜色和气味的污染物（如Cr6+和乐果）暴露外，其他污染物暴露下斑马鱼过度活跃的持续时间（T1），高度开始变化时间（T2）和浓度呈显著的对数相关，且随着暴露浓度的增大，T1和T2的时间差距越来越小。 在几种典型农药暴露下，斑马鱼通过调节脑部乙酰胆碱酯酶（AChE）活性而对神经系统的作用与其刺激暴露导致行为强度的变化存在良好的线性关系（p0.01，r2=0.7103），而重金属暴露下并没有（p0.05，r2=0.0646）。抗氧化防御酶（CAT和GSH）活性和脂质化水平（MDA）在不同组织的1h附近达到最大值，而同一毒性浓度的行为强度开始下降的时间基本在50~80min，基本发生在同一时段。说明斑马鱼体内能量利用分配机制发生着改变，同时也证明能量更多的从运动行为转化到组织细胞响应的解毒过程中。 正常斑马鱼对光照刺激有明显的惊恐反应，但受污染物毒性作用影响神经或组织损伤的斑马鱼对光照刺激的惊恐反应则明显减弱。利用光照刺激的这一特性，建议以500lx的光照强度，在2min刺激时长下，以速度均值差低于10mm/s，转次均值差低于3n./10s作为验证毒性反应为真的条件。 综合以上，本研究中所监测的个体行为指标（速度、转次和高度）和群体行为指标（平均距离、分散度和分形维数）可有效反应斑马鱼的行为响应过程，在掌握斑马鱼行为变化规律的基础上建立的水质预警模型可实现水质预警和污染水平评估。进一步讨论斑马鱼的行为反应与鱼内在调节机制的关系，为利用鱼类的行为反应进行水质监测预警的可靠性及可行性提供毒性基础及内在依据。并首次提出利用光照刺激反应进行毒性行为真假检验，降低设备误报警率。与传统的以个体鱼和单一行为反应为监测对象的方式相比，以斑马鱼鱼群为基础的水质在线预警系统能够获得更加全面、有效的信息。