賈憲章，賈寶柱,2，許媛媛,2

（1．廣東海洋大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，廣東 湛江 524002；2．南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(湛江)，廣東 湛江 524002）

為了保證船舶安全航行，通常使用海水作為壓載物，稱(chēng)為壓載水，壓載水中包含大量的藻類(lèi)等可生存生物和大腸桿菌、腸球菌等微生物。在運(yùn)到目的港口后，需把壓載水排放后裝貨。這樣就會(huì)將其他海域的生物隨著壓載水排放進(jìn)入新的海域，造成生物入侵。船舶壓載水已經(jīng)被全球環(huán)境基金組織確定為世界海洋的四大威脅之一。

為應(yīng)對(duì)由壓載水排放所引起的外來(lái)生物入侵性問(wèn)題，在2004年2月9日～13日外交大會(huì)上，國(guó)際海事組織通過(guò)了《船壓載水及沉積物控制和管理國(guó)際公約》，以下簡(jiǎn)稱(chēng)《壓載水公約》)。其中規(guī)定“通過(guò)控制、管理船舶壓載水及沉積物達(dá)到防止、減少并最終消除有害水生生物及病原體的傳播”。我國(guó)既是港口大國(guó)，又是造船大國(guó)，隨著壓載水生效日期的確定，壓載水準(zhǔn)確檢測(cè)和排放控制的方法具有重要意義。

1 研究現(xiàn)狀綜述

壓載水處理結(jié)果是否符合公約要求，需要通過(guò)檢測(cè)生物存活量來(lái)衡量。傳統(tǒng)的生物檢測(cè)方法是培養(yǎng)計(jì)數(shù)法，該方法廣泛應(yīng)用在水生生物數(shù)量、種群研究等方面，但是耗時(shí)較長(zhǎng)，需要耗費(fèi)大量資源。隨著各種生物檢測(cè)技術(shù)不斷地發(fā)展，出現(xiàn)了一些新型的檢測(cè)方法。

流式細(xì)胞術(shù)法可以完成對(duì)單細(xì)胞或生物粒子在功能水平上的定量分析及分選，監(jiān)測(cè)成本高且設(shè)備初投入大，不適合用于壓載水的實(shí)際檢測(cè)。而使用三磷酸腺苷激發(fā)熒光霉素的氧化反應(yīng)進(jìn)而生成D－熒光素，通過(guò)測(cè)定熒光強(qiáng)度也可推算出檢測(cè)樣品中活性生物的活體個(gè)數(shù)。但考慮到海水中成分復(fù)雜對(duì)熒光素發(fā)光的散射作用會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)度檢測(cè)精度降低，影響估算活體數(shù)量的準(zhǔn)確性，且熒光霉素與三磷酸腺苷反應(yīng)的程度對(duì)該方法的檢測(cè)精度影響也較大。熒光染色法是使用適合的熒光染色劑對(duì)所檢測(cè)樣品進(jìn)行染色，再通過(guò)顯微鏡檢測(cè)。熒光素 FDA和CMFDA 均可作為熒光染色劑對(duì)壓載水樣品進(jìn)行染色。利用熒光染色劑對(duì)活體浮游生物信號(hào)明顯的特性，可以有效地區(qū)分活細(xì)胞和死細(xì)胞。但是此方法會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間以及對(duì)相關(guān)檢測(cè)人員的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)要求較高。光學(xué)成像法是利用水下成像系統(tǒng)對(duì)水中浮游生物進(jìn)行圖像記錄，再通過(guò)圖像處理算法以及浮游生物的體外特征，進(jìn)行生物的智能識(shí)別和分類(lèi)。此類(lèi)方法想要在壓載水檢測(cè)中發(fā)揮良好效用需要滿(mǎn)足高分辨率和高智能化圖像處理算法，硬件與技術(shù)成本過(guò)高。

2 一種壓載水智能監(jiān)測(cè)方法

針對(duì)現(xiàn)階段已有技術(shù)存在的缺陷，考慮到通過(guò)電檢測(cè)微孔道的微生物會(huì)造成檢測(cè)孔道中電阻變化，本文利用溶液電阻法檢測(cè)電阻抗的變化脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)菌類(lèi)檢測(cè)計(jì)數(shù)，同時(shí)配合使用葉綠素?zé)晒夥▉?lái)測(cè)定光激發(fā)的藻類(lèi)細(xì)胞中的葉綠素所產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度，以此來(lái)計(jì)算待檢測(cè)壓載水中的藻類(lèi)生物數(shù)量。通過(guò)微流控技術(shù)，利用熒光法和感應(yīng)法檢測(cè)壓載水中藻類(lèi)、菌類(lèi)濃度信息，并基于所獲得的檢測(cè)信息控制壓載水排放，從而實(shí)現(xiàn)壓載水的監(jiān)測(cè)。

2.1 壓載水智能監(jiān)測(cè)方法概述

壓載水智能監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，包括從壓載水排出管路中提取適量樣品的取樣單元；對(duì)樣品進(jìn)行取樣檢測(cè)并輸出對(duì)應(yīng)檢測(cè)信號(hào)的檢測(cè)單元；接收檢測(cè)信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)處理，輸出相應(yīng)控制命令的分析單元；基于接收到的控制命令控制壓載水排出管路中壓載水流向的執(zhí)行單元和存儲(chǔ)樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示的存儲(chǔ)顯示單元。上述單元按照?qǐng)D1所示的連接形式組成了壓載水智能排放系統(tǒng)的主體框架。

圖1 壓載水智能監(jiān)控系統(tǒng)圖

2.2 壓載水智能監(jiān)測(cè)方法詳述

2．2．1 取樣單元設(shè)計(jì)

取樣單元與壓載水排出管路相連通，在壓載水排出管路中提取適量樣品并輸送至檢測(cè)單元，取樣單元包括：與壓載水排出管路或稱(chēng)為壓載水總管相連通的旁通管路，且在所述旁通管路入口上設(shè)置有能夠?qū)α魅肱酝ü苈返臉悠愤M(jìn)行過(guò)濾的濾器；以及與所述旁通管路相連通的微泵，該微泵能夠提取過(guò)濾后的樣品通過(guò)樣品流道輸送至檢測(cè)單元。所述濾器的濾網(wǎng)的濾孔孔徑應(yīng)當(dāng)小于所述檢測(cè)單元樣品流道橫向尺寸，以濾除檢測(cè)單元無(wú)法處理的大顆粒進(jìn)而保證通過(guò)的樣品中的藻類(lèi)和菌類(lèi)尺寸不會(huì)堵塞檢測(cè)單元通道，且濾器內(nèi)部安裝有智能檢測(cè)濾器是否臟堵的壓差傳感器，該壓差傳感器用于智能測(cè)量濾器兩側(cè)壓差，當(dāng)壓差達(dá)到一定值后，說(shuō)明濾器堵塞嚴(yán)重需更換濾器，優(yōu)選的所述壓差傳感器信號(hào)可以傳遞給存儲(chǔ)顯示單元，以發(fā)出報(bào)警或顯示警告標(biāo)識(shí)，提醒使用人員更換濾器。

圖2 取樣單位結(jié)構(gòu)原理圖

2．2．2 檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

檢測(cè)單元與取樣單元相連接，對(duì)取樣單元送來(lái)的樣品進(jìn)行取樣檢測(cè)并輸出對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括用于藻類(lèi)檢測(cè)的熒光檢測(cè)傳感器和用于菌類(lèi)檢測(cè)的感應(yīng)式傳感器，由于《2004年控制和管理船舶壓載水和沉積物國(guó)際公約》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為《壓載水公約》)要求藻類(lèi)檢測(cè)不需要區(qū)分種類(lèi)，而菌類(lèi)檢測(cè)需要區(qū)分種類(lèi)，因此設(shè)置一個(gè)用于藻類(lèi)檢測(cè)的熒光檢測(cè)傳感器和三個(gè)用于菌類(lèi)檢測(cè)的感應(yīng)式傳感器，3 個(gè)感應(yīng)式傳感器分別用于檢測(cè)大腸桿菌、腸球菌道、有毒霍亂弧菌數(shù)據(jù)即所述樣品經(jīng)樣品流道進(jìn)入檢測(cè)單元的四個(gè)檢測(cè)傳感器。如圖3所示，為保證檢測(cè)效果。熒光檢測(cè)傳感器中的熒光檢測(cè)光源、第一小孔光闌、第一濾光片、供樣品流通的熒光檢測(cè)微流控芯片、第二濾光片、第二小孔光闌以及光電接收器的中心位于同一條垂直線(xiàn)上。熒光檢測(cè)光源(采用激光器)發(fā)射光信號(hào)照射樣品。若樣品中存在藻類(lèi),則藻類(lèi)的熒光素激發(fā)出熒光即樣品在流經(jīng)第一樣品流道上檢測(cè)區(qū)時(shí)，藻類(lèi)細(xì)胞中的熒光物質(zhì)受激發(fā)會(huì)發(fā)出熒光照射到光電探測(cè)器或稱(chēng)為光電接收器上，使其產(chǎn)生相應(yīng)電信號(hào)并傳送給分析單元。

圖3 熒光檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)圖

菌類(lèi)檢測(cè)感應(yīng)式傳感器基于微流控技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)通過(guò)一張芯片實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速自動(dòng)檢測(cè)壓載水中的藻類(lèi)，使其在壓載水檢測(cè)領(lǐng)域成為熱點(diǎn)。微流控芯片技術(shù)可以把成千上萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)個(gè)生命信息集成到一個(gè)很小的芯片上，在微米級(jí)的結(jié)構(gòu)通道中完成生物化學(xué)處理和結(jié)合，該技術(shù)可以認(rèn)為是集成于一張芯片上的小型生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。微流控基片包括凹刻有第二樣品流道的PDMS 芯片層、檢測(cè)電極上方的PDMS 涂層以及用于捕獲樣品中大腸桿菌、腸球菌或有毒霍亂弧菌等菌類(lèi)抗原的抗體吸附層。當(dāng)含有菌類(lèi)抗原的船舶壓載水水樣流經(jīng)抗體吸附層時(shí)，抗體會(huì)與抗原相結(jié)合，生成抗原-抗體復(fù)合體，從而會(huì)改變PDMS 涂層表面的電勢(shì)，在該過(guò)程中的這種電勢(shì)變化所產(chǎn)生的電信號(hào)，由PDMS 涂層下方的檢測(cè)銅電極檢測(cè)，由于檢測(cè)銅電極探查到的電勢(shì)變化與水樣中菌類(lèi)抗原濃度成正比從而實(shí)現(xiàn)船舶壓載水水樣中菌類(lèi)抗原濃度的檢測(cè)。

圖4 菌類(lèi)檢測(cè)感應(yīng)式傳感器縱向截面圖

2．2．3 分析單元設(shè)計(jì)

分析單元用于對(duì)接收到的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理并輸出相應(yīng)的控制命令。通過(guò)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，獲得該信號(hào)相對(duì)應(yīng)的藻類(lèi)或菌類(lèi)濃度數(shù)據(jù)，微處理器依據(jù)上述電信號(hào)獲得相應(yīng)的藻類(lèi)和菌類(lèi)的濃度信息，參考《壓載水公約》所設(shè)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，分別設(shè)置與藻類(lèi)以及每一種待檢菌類(lèi)類(lèi)型相匹配的濃度閾值，若所獲藻類(lèi)和菌類(lèi)濃度滿(mǎn)足《壓載水公約》的排放標(biāo)準(zhǔn)，則輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)使壓載水排放入海的指令，否則輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)使壓載水回流至壓載水艙指令。

2.3 壓載水檢測(cè)排放流程

壓載水智能排放流程如圖5所示，首先，通過(guò)取樣單元與壓載水排出管路相連通，自壓載水排出管路中提取適量樣品并輸送至檢測(cè)單元。其次，通過(guò)檢測(cè)單元對(duì)樣品進(jìn)行取樣檢測(cè)并輸出對(duì)成的檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)分析單元對(duì)接收到的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理并輸出相應(yīng)的控制命令（控制命令1：壓載水檢測(cè)結(jié)果不達(dá)標(biāo)，關(guān)閉壓載水排放管路；控制命令2：壓載水檢驗(yàn)結(jié)果達(dá)標(biāo)，進(jìn)行壓載水排放和數(shù)據(jù)監(jiān)控）。接收控制命令的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制壓載水排出管路上的三通閥來(lái)改變壓載水的流向，同時(shí)存儲(chǔ)樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示。

圖5 壓載水智能檢測(cè)排放流程圖

3 結(jié)論

壓載水管理屬于港口國(guó)控制的重要內(nèi)容，但壓載水的高效快速檢測(cè)始終是行業(yè)難題。船舶壓載水的智能監(jiān)測(cè)，能實(shí)現(xiàn)船舶壓載水現(xiàn)場(chǎng)高效快速的自動(dòng)檢測(cè)，從而使船舶壓載水的排放更加安全合理。船舶壓載水的智能檢測(cè)技術(shù)將加快綠色船舶的建設(shè)，降低外來(lái)生物以壓載水為媒介對(duì)我國(guó)海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的惡劣影響，保護(hù)港口海域生態(tài)系統(tǒng)的安全。