隋宗斌，吳勇強(qiáng)

（1.青島佳明測控科技股份有限公司，山東青島 266000；2.青島科技大學(xué)，山東青島 266000）

大腸菌群來自人和其他溫血?jiǎng)游锏哪c道，通過糞便排出。大腸菌群在自然環(huán)境中的存活時(shí)間與病原菌最接近，其含量能較好地反映水體中腸道致病菌的含量，符合對水質(zhì)進(jìn)行糞便污染檢測指示菌的要求[1]。大腸菌群對消毒劑和水體中不良因素的抵抗力與病原菌相似，在實(shí)際工作中常以大腸菌群為指示生物來評價(jià)水的衛(wèi)生質(zhì)量。我國《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[2]、《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[3]《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[4]都把大腸菌群列為常規(guī)檢測項(xiàng)目。例如，《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中明確要求地表水V類水，糞大腸菌群不能高于40000個(gè)/L。

現(xiàn)階段，大腸菌群的檢測主要依靠多管發(fā)酵法和濾膜法進(jìn)行[5]。但隨著國家對水質(zhì)檢測標(biāo)準(zhǔn)和頻率的要求不斷提高以及國內(nèi)外檢測新技術(shù)發(fā)展的需求，實(shí)驗(yàn)室方法檢測時(shí)間周期長（24～48h），操作繁瑣，需要經(jīng)過稀釋-初發(fā)酵-平板分離-復(fù)驗(yàn)證-顯微鏡檢驗(yàn)等程序[6]，檢測干擾因素多，人工操作數(shù)據(jù)誤差大，不適用于大量樣品分析也不能對水質(zhì)的微生物狀況進(jìn)行快速評價(jià)。這些因素極大地制約了我國大腸菌群檢測技術(shù)的發(fā)展。

本方案通過自動化智能儀表進(jìn)行大腸菌群的在線精準(zhǔn)監(jiān)測。應(yīng)用于水質(zhì)自動站中，做到對大腸菌群檢測頻率高，數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確，操作簡單，必將極大地促進(jìn)大腸菌群作為指示生物來評價(jià)水體的衛(wèi)生質(zhì)量。

1 整體設(shè)計(jì)方案

在方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循監(jiān)測速度快、數(shù)據(jù)重現(xiàn)性高、無需驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、操作簡單、便于維護(hù)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享、滿足地表水自動監(jiān)測站技術(shù)要求的原則。

大腸菌群在線監(jiān)測采用酶-底物方法。大腸菌群在生長過程中產(chǎn)生特定的酶，可水解不同的底物生成有色物質(zhì)。本系統(tǒng)采用的培養(yǎng)基能夠與該種特定酶發(fā)生反應(yīng)生成有色化合物。通過連續(xù)的分光光度測定，依據(jù)待測水樣色度變化并與水中的大腸菌群數(shù)成一定關(guān)系，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型即可得出大腸菌群濃度。主要包括以下幾方面構(gòu)造：人機(jī)交互系統(tǒng)、供電與主控系統(tǒng)、培養(yǎng)與檢測裝置、管路系統(tǒng)，以及培養(yǎng)基分配裝置。其中，培養(yǎng)與檢測裝置、培養(yǎng)基分配裝置具有特殊性和設(shè)計(jì)難點(diǎn)，以下著重分析。

2 培養(yǎng)與檢測裝置設(shè)計(jì)

由于環(huán)境水體中大腸菌群含量較低，很難直接實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，本設(shè)計(jì)采取在線培養(yǎng)12 h、培養(yǎng)過程中連續(xù)監(jiān)測的方案解決上述問題。為了滿足地表水自動監(jiān)測站每4 h測量一次的技術(shù)要求，本設(shè)計(jì)采取6個(gè)培養(yǎng)檢測瓶并行工作解決上述問題。

培養(yǎng)與檢測裝置設(shè)計(jì)方案見圖1，箱體由設(shè)置的隔熱板分隔成6個(gè)培養(yǎng)檢測室，每個(gè)培養(yǎng)檢測室的內(nèi)壁都安裝有保溫層，每個(gè)培養(yǎng)檢測室內(nèi)都安裝有培養(yǎng)檢測裝置，包括固定架、培養(yǎng)檢測瓶、密封蓋、中套，其中，密封蓋包括上蓋和下蓋，培養(yǎng)檢測瓶的頂部和底部分別位于上蓋和下蓋設(shè)置的檢測槽中，培養(yǎng)檢測瓶的中部位于中套設(shè)置的內(nèi)槽中，上蓋、下蓋、中套都固定在固定架上，上蓋和下蓋上都安裝有光電檢測裝置，中套外壁上貼有加熱帶。

光電檢測裝置光源發(fā)出的光線通過透光口，穿過透明的培養(yǎng)檢測瓶，最后通過另一個(gè)透光口后，被接收器接收。通過培養(yǎng)檢測瓶中的內(nèi)容物影響穿過的光線，使光電檢測裝置檢測到培養(yǎng)檢測瓶中內(nèi)容物的情況，上蓋上的光電檢測裝置用于檢測液位，下蓋上的光電檢測裝置用于檢測液位菌群的數(shù)量，兩個(gè)光電檢測裝置與閥門以及為進(jìn)液管、出液管提供動力的泵聯(lián)合，使多參數(shù)微生物自動培養(yǎng)檢測裝置實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的自動化的連續(xù)的作業(yè)，提高了工作效率，無須人工參與和接觸，提高了安全系數(shù)。

3 培養(yǎng)基分配裝置設(shè)計(jì)

培養(yǎng)基應(yīng)在無菌實(shí)驗(yàn)室密封分裝，為防止雜菌污染，每瓶培養(yǎng)基只使用一次。培養(yǎng)基分配裝置設(shè)計(jì)方案見圖2，底座上安裝有旋轉(zhuǎn)置料裝置和升降送料裝置。旋轉(zhuǎn)置料裝置包括旋轉(zhuǎn)底座、轉(zhuǎn)盤，旋轉(zhuǎn)底座安裝在可旋轉(zhuǎn)的底座上，轉(zhuǎn)盤與旋轉(zhuǎn)底座同軸固接，轉(zhuǎn)盤上均勻設(shè)置有多個(gè)容納槽，容納槽內(nèi)裝有培養(yǎng)基瓶，容納槽都位于以轉(zhuǎn)盤軸心為圓心的同一圓周上。升降送料裝置包括升降支架、升降座和針頭，升降支架固定在底座上，升降座滑動安裝在升降支架上，針頭豎直安裝在升降座上，針頭頂端連接有送液管。升降支架位于轉(zhuǎn)盤的一側(cè)，針頭位于轉(zhuǎn)盤的容納槽上方。升降支架上安裝有絲杠和升降電機(jī)，底端連接針頭。

圖1 培養(yǎng)與檢測裝置設(shè)計(jì)方案

使用時(shí)，給培養(yǎng)基分配裝置通電。剛通電時(shí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)先工作，為轉(zhuǎn)盤尋找原點(diǎn)位置。然后升降電機(jī)工作，為升降座尋找原點(diǎn)位置。然后自動將培養(yǎng)基瓶裝入到轉(zhuǎn)盤容納槽中。升降電機(jī)驅(qū)動升降座下降，使針頭下端戳破培養(yǎng)基瓶瓶口的密封膜，伸入到瓶內(nèi)的培養(yǎng)基中，然后連接到送液管上的抽液泵將培養(yǎng)基瓶中的培養(yǎng)基抽出。

圖2 培養(yǎng)基分配裝置設(shè)計(jì)方案

4 研究結(jié)果

本方案針對大腸菌群在線監(jiān)測儀性能測試、對比實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)運(yùn)行狀況三部分進(jìn)行比對考核。選取遼寧省、河北省、浙江省、湖北省、云南省各一個(gè)水質(zhì)自動站安裝了本儀器。儀器調(diào)試正常、性能測試合格并完成現(xiàn)場培訓(xùn)后，進(jìn)入為期一個(gè)月的試運(yùn)行階段。在此階段，水質(zhì)自動站運(yùn)維單位進(jìn)行實(shí)際水樣的儀器測試與實(shí)驗(yàn)室國標(biāo)方法分析的對比試驗(yàn)，見表1。

表1 研究數(shù)據(jù)表的分析比較

5 結(jié)語

本方案通過自動化智能儀表進(jìn)行大腸菌群的在線精準(zhǔn)監(jiān)測。研究結(jié)果顯示，將此大腸菌群在線監(jiān)測儀應(yīng)用到水質(zhì)自動站中，可完全代替實(shí)驗(yàn)室手工檢測，保證實(shí)際水體中大腸菌群濃度準(zhǔn)確、快速檢出。但是，檢測過程中仍然需要對水樣中的大腸菌群進(jìn)行長達(dá)12 h培養(yǎng)，檢測時(shí)間需要進(jìn)一步的降低，以滿足實(shí)時(shí)檢測的需求。