СПОСОБ БИОИНДИКАЦИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АКВАТОРИИ ПОСРЕДСТВОМ МОНИТОРИНГА ПЛАНКТОНА Российский патент 2019 года по МПК G01N21/85 G03H1/00 

Изобретение относится к областям экологии и охраны окружающей среды и может быть использовано для мониторинга экологического состояния акваторий с помощью биоиндикаторов, например, планктона.

Для оценки воздействия вредных веществ на экологическое состояние акватории применяются различные методы, в том числе с использованием биологических тест-организмов. Биологические объекты реагируют на все виды загрязнений независимо от их природы. Эта реакция позволяет интегральным образом характеризовать среду обитания этих объектов [1-3].

Известные традиционные способы основаны на том, что для жизнедеятельности – роста, размножения и функционирования живых существ необходима среда строго определенного химического состава. При изменении этого состава, например, при исключении из питательной среды какого-либо компонента или введении дополнительного (определяемого) соединения, организм через какое-то время подает соответствующий ответный сигнал. Установление связи характера или интенсивности ответного сигнала организма, называемого индикаторным, с количеством введенного в среду или исключенного из среды компонента может быть использовано для индикации этих изменений [4]. Реакция организмов на изменения окружающей среды проявляется в изменении их поведения (поведенческой активности), в частности, скорости перемещения.

Эта методика требует стационарного проточного прибора и использует один вид специальных лабораторных организмов, выровненных по чувствительности к модельным токсикантам. Поэтому методика требует больших затрат времени на проведение биотестирования.

Известен способ исследования мелкомасштабной структуры и физиологического состояния морских планктонных группировок [5]. Способ состоит в том, что путем многократного зондирования информативного слоя приборами "САЛЬПА" и " ПЛАНКТОН -3", которые находятся в жесткой сцепке на одной раме, обеспечивается исследование мелкомасштабной пространственно-временной изменчивости биолюминесцентных и гидроакустических характеристик и физиологического состояния морских планктонных группировок.

Недостатком способа является кратковременность и дискретность исследований, так как на дрейфовых станциях для проведения измерений отводится незначительное время. Кроме того, не представляется возможным дифференцированно подходить к биоиндикации отдельных особей и семейств планктонной группировки.

В качестве ближайшего аналога выбран способ, описанный Дёминым В.В. и др. [6]: Наблюдение за поведением планктона осуществляют с помощью источника когерентного излучения. В среде обитания формируют изучаемый объем среды путем передачи в выбранном направлении коллимированного потока импульсного оптического излучения и осуществляют фотоэлектрическую регистрацию теневого изображения этого объема вместе с взвешенными в нем планктонными частицами в виде цифровой осевой голограммы Габора. Затем изображение объема восстанавливают из голограммы послойно путем вычисления дифракционного интеграла с обработкой информации в каждом сечении.

Задача, которая решалась при создании заявляемого изобретения, заключалась в разработке способа биоиндикации экологического состояния акватории посредством мониторинга поведенческой активности планктона в реальном времени и в среде обитания, без взятия и отбора проб и их последующей лабораторной обработки.

Заявляемый способ биоиндикации экологического состояния акватории посредством мониторинга планктона предусматривает наблюдение за поведением особей планктона в природной среде обитания. Способ включает передачу в выбранном направлении коллимированного потока импульсного оптического излучения и фотоэлектрическую регистрацию теневого изображения изучаемого объема с взвешенными планктонными частицами в виде цифровой осевой голограммы Габора этого объема. Затем изображение объема восстанавливают из голограммы послойно путем вычисления дифракционного интеграла с обработкой информации в каждом сечении.

Новым является то, что при передаче коллимированного потока импульсного оптического излучения используют два последовательных импульса лазера и регистрируют две цифровые голограммы Габора, при послойном восстановлении изображения объема с каждой из полученных голограмм определяют изменение координат выбранных особей планктона в соответствующем слое за время, прошедшее между регистрацией двух последовательных голограмм, и скорость перемещения этих выбранных особей, которую используют в качестве интегральной характеристики при оценке экологического состояния акватории. Выполняя эти действия на водоеме периодически, с достаточным промежутком времени, осуществляют мониторинговые наблюдения отклонений от естественного цикла изменения активности биоиндикаторов.

Для изучения среды обитания обычно используют неактиничное по отношению к планктону излучение. При регистрации голограмм можно дополнительно использовать актиничное освещение, привлекающее планктон в область изучаемого объема.

На фиг. 1 представлена схема регистрации цифровых голограмм Габора объема с взвешенными планктонными частицами.

На фиг. 2. – представлена диаграмма следования импульсов при регистрации поведенческой активности планктона.

На фиг. 3. Определение количества движения планктона по двум восстановленным цифровым голографическим изображениям: а, б, в - в кювете с чистой водой, количество движения 0.47 отн. ед.; г, д, е - после внесения в кювету загрязнителя, количество движения 0,32 отн. ед.

Схема регистрации цифровых голограмм (фиг. 1) содержит 1 – лазер, 2 – рассеивающая линза, 3 – коллимирующий и приемный объективы, 4 – CСD/CMOS-камера, 5 – компьютер. Схема может содержать лампу, например, зеленого света, освещающую исследуемый объем (на схеме не показана).

Свет от лазерного источника 1, расширенный с помощью отрицательной линзы 2, коллимируется объективом 3 таким образом, что образует пучок необходимого сечения. Пучок импульсного лазерного излучения проходит сквозь объём с исследуемыми частицами и приемный объектив 3. В результате формируется картина интерференции опорной (часть излучения, которая прошла мимо частиц) и предметной (часть излучения, рассеянная на частицах) волн. Камера 4 регистрирует эту интерференционную картину и передаёт её в память компьютера 5. Математическая обработка специальными вычислительными алгоритмами позволяет послойно восстановить изображение исследуемого объема и определить пространственное распределение частиц в исследуемом объеме и трехмерные координаты каждой частицы, определить размеры, форму, скорость и направление движения каждой частицы [7], а также провести их распознавание [8].

Лазерный источник может быть выполнен двух длинноволновым, посредством использования двух полупроводниковых лазеров с различной длиной волны и мультиплексного волокна.

На фиг. 2 представлен пример диаграммы следования импульсов такого лазерного источника, обеспечивающего чередование актиничного для планктона, например, зеленого л=0,55 мкм, освещения, для привлечения планктонных особей, и неактиничного по отношению к планктону освещения, например, инфракрасного л=0,7 мкм, для регистрации цифровых голограмм и последующего исследования планктонных частиц.

Запускающий триггер Str запускает импульс Green зеленого лазера длительностью . По истечении этого импульса начинается экспозиция ПЗС камеры. Спустя мкс от начала экспозиции последовательно запускается два импульса Red инфракрасного света длительностью мкс каждый, которые и формируют две голограммы исследуемого объема с одними и теми же частицами, но сместившимися за время между импульсами. Результаты восстановления голограмм и обработки данных представлены на Фиг. 3. В примере, проиллюстрированном изображениями Фиг. 3, это время составляло мкс, поэтому смещение планктонных частиц за время между импульсами невелико и не превосходит размера тела особи планктона.

В первой строке Фиг. 3 приведены данные по планктону, расположенному в чистой воде (Фиг. 3а и Фиг. 3б), во второй строке - в воду добавлялась капелька аммиака (Фиг. 3г и Фиг. 3д). В первом столбце (Фиг. 3а и Фиг. 3г) - изображения особей планктона, восстановленные с голограммы, зарегистрированной первым регистрирующим импульсом, во втором (Фиг. 3б и Фиг. 3д) - изображения этих же особей планктона, восстановленные с голограммы, зарегистрированной вторым регистрирующим импульсом спустя 1000 мкс. В третьем столбце - результат вычитания одного изображения из другого, который показывает сдвиг частиц между импульсами и позволяет оценить активность планктона для двух случаев среды обитания без загрязнителя (Фиг. 3в) и с загрязнителем (Фиг. 3е). Если по этому сдвигу определить, например, среднюю скорость движения, то ее изменение может служить мерой изменения поведенческой активности, т.е. реакции планктона на загрязнение. Средняя скорость планктона для чистой воды составила 0,47 относительных единиц, для загрязненной аммиаком воды - 0,32 относительных единиц. Таким образом, в результате воздействия аммиака реакция планктона проявилась в том, что подвижность уменьшилась на 25%.

Описанный реальный эксперимент показывает, что на основе мониторинга поведенческой реакции (подвижности) планктона в природной среде обитания, можно получить за определенный период времени достоверный результат о состоянии акватории.

Список использованных источников

1. Безматерных, Д. М. Зообентос как индикатор экологического состояния водных экосистем Западной Сибири: аналит. обзор / Гос. публич. науч.-техн. б-ка Сиб. отд-ния Рос. акад. наук, Ин-т вод. и экол. проблем. – Новосибирск, 2007. – 87

2. Абакумов, В. А. Контроль качества поверхностных вод по гидробиологическим показателям / В. А. Абакумов, Н. П. Бубнова. – М.: Гидрометеоиздат, 1979. – 5 с

3. Руководство по определению методом биотестирования токсичности вод, донных отложений, загрязняющих веществ и буровых растворов. (Утверждено министерством природных ресурсов РФ 27.04.2001 г.). - Москва: РЭФИА, НИА-Природа, 2002. - 117 с.

4. Биотестовый анализ – интегральный метод оценки качества объектов окружающей среды: учебно-методическое пособие / А.Г. Бубнов [и др.]; под общ. ред. В.И. Гриневича; ГОУ ВПО Иван. гос. хим.-технол. ун-т. - Иваново, 2007. - 112 с.

5. Способ исследования мелкомасштабной структуры и физиологического состояния морских планктоновых группировок, RU № 2549239, МПК A01K 61/00

6. Цифровая голография планктона / В.В.Демин, А.С.Ольшуков, Наумова Е.Ю., Мельник Н.Г. // Оптика атмосферы и океана. – 2008 – Т. 21 – № 12. – с. 1089-1095.

7. Методы обработки и извлечения информации из цифровых голограмм частиц и их практическое применение / В.В.Демин, Д.В.Каменев // Известия вузов. Радиофизика. – 2014 – Т.LVII - № 8-9. – с. 597-607.

8. Особенности процедуры распознавания планктонных частиц по изображениям, восстановленным с цифровых голограмм / В.В.Демин, Д.В.Каменев // Оптика атмосферы и океана. – 2013 – Т. 26 – № 10. – с. 897-903.

Изобретение относится к области экологии и охране окружающей среды и может быть использовано для наблюдения за экологическим состоянием акваторий с помощью биоиндикаторов, например планктона. В водной среде с взвешенными частицами передают в выбранном направлении коллимированный поток импульсного неактиничного оптического излучения, формируют исследуемый объем и осуществляют фотоэлектрическую регистрацию теневого изображения этого объема в виде цифровой осевой голограммы Габора. При этом используют два соседних импульса лазера и регистрируют две голограммы, которые характеризуют объем с некоторым временным сдвигом. Изображение объема восстанавливают с голограмм послойно цифровым путем. Обрабатывая информацию в каждом сечении, находят координаты особей планктона, изменения их координат за время, прошедшее между двумя экспозициями, и определяют подвижность биоиндикаторов, которую используют в качестве интегральной характеристики акватории. Периодически выполняя это действие, осуществляют мониторинговые наблюдения отклонений от естественного цикла изменения поведенческой активности биоиндикаторов и дают оценку экологического состояния акваторий. Изобретение позволяет отслеживать поведенческую активность планктона в реальном времени. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ биоиндикации экологического состояния акватории посредством мониторинга планктона, включающий передачу в выбранном направлении коллимированного потока импульсного оптического излучения и фотоэлектрическую регистрацию теневого изображения изучаемого объема с взвешенными планктонными частицами в виде цифровой осевой голограммы Габора, последующее восстановление из голограммы послойных изображений объема путем численной обработки информации в каждом сечении, отличающийся тем, что при передаче коллимированного потока импульсного оптического излучения используют два последовательных импульса лазера и регистрируют две цифровые голограммы Габора, при послойном восстановлении изображения объема с каждой из полученных голограмм определяют изменение координат выбранных особей планктона в соответствующем слое за время, прошедшее между регистрацией двух последовательных голограмм, и скорость перемещения этих выбранных особей, которую используют при оценке экологического состояния акватории в качестве интегральной характеристики поведенческой активности биоиндикаторов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно используют актиничное освещение, привлекающее планктон в область изучаемого объема.