СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ И ДВУХКАНАЛЬНАЯ БИОСЕНСОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК G01N33/18 

Способ контроля качества воды и двухканальная биосенсорная установка для его осуществления относятся к области охраны окружающей среды, в частности к способам и средствам автоматизированного биомониторинга водной среды.

Известен способ биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых моллюсков и система для осуществления данного способа. Биологический мониторинг основан на закреплении на створках раковины моллюсков датчиков положения створок, размещении моллюсков с датчиками в контролируемой воде, формировании и пропускании оптического излучения по оптическим волокнам линии передачи. Далее способ предусматривает преобразование оптического излучения, прошедшего по оптическим волокнам, в электрические сигналы приемниками оптического излучения, установленными с возможностью оптического контакта с выходными торцами оптических волокон, преобразование их в цифровые коды, ввод цифровых кодов в компьютер, сравнение компьютером цифровых кодов с пороговым значением, соответствующим значению электрического сигнала при закрытых створках раковины, определение количества моллюсков, закрывших створки раковин. А контроль качества тестируемой воды осуществляют по количеству цифровых кодов, не превысивших пороговое значение. При этом решение о загрязнении контролируемой воды принимают при превышении количеством моллюсков, закрывших створки раковин, порогового значения (RU 2361207, 10.07.2009).

Однако в данном случае не определяется причина, вызвавшая изменения в поведенческих и физиологических реакциях водных организмов, а именно внешними физическими факторами или качеством тестируемой воды.

Известен также способ оперативной биоиндикации (патент RU 2395092, опубл. 20.07.2010), предусматривающий проведение непрерывной регистрации поведенческих и/или физиологических реакций водных организмов в природных условиях с помощью измерительных приборов, соединенных с самописцем или компьютером и сигнальным устройством, осуществляется по результатам комплексных изменений функциональных характеристик организмов-индикаторов, значения измеренных параметров обрабатываются компьютером в режиме реального времени индивидуально для каждой особи организма-индикатора с последующим осреднением и интегрированием результатов, оценка изменений производится по измерениям не менее трех основных параметров поведенческих и/или физиологических реакций организмов-индикаторов и частоты их колебаний, на основании сравнения текущего состояния организма-индикатора с его состоянием в норме и анализа интегрированных результатов измерений автоматически производится генерация сигнала тревоги, оповещающего об изменении условий водной среды и степени отклонения их от нормы, биоиндикация проводится не менее чем по двум видам организмов-индикаторов для одного и/или более биотопов, причем в качестве биотопов используются разные водные слои или массы.

Однако данный способ не определяет причину, вызвавшую реакцию живых организмов, а только надежно фиксирует сам факт поведенческой реакции.

Известен также «СПОСОБ МОНИТОРИНГА КАЧЕСТВА ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ» (патент RU 2570375, опубл. 09.01.2015).

Способ включает проведение мониторинга качества воды путем автоматической дистанционной непрерывной регистрации в реальном масштабе времени поведенческих и/или физиологических реакций водных тест-объектов, находящихся в аквариумах, через которые пропускают тестируемую воду стабилизированной температуры, а контроль качества воды проводят по изменениям состояния тест-объектов, при этом осуществляют автоматическое перенаправление тестируемой воды через три и более аквариумов, с находящимися в них водными тест-объектами, при этом подаваемый поток тестируемой воды в каждый момент времени проходит только через один аквариум, а в других -циркуляцию воды осуществляют внутри аквариумов без подачи внешней воды, причем период перенаправления потока тестируемой воды из одного аквариума в другой равен времени, достаточному для оценки поведенческих и/или физиологических реакций водных тест-объектов, смены большей части циркулируемой в аквариуме воды при скорости потока воды, обеспечивающей поддержание в ней стабильной среды для жизнеобеспечения водных тест-объектов, а контроль качества тестируемой воды проводят путем сравнения между собой результатов состояния поведенческих и физиологических реакций водных тест-объектов в моменты времени прохождения протоков тестовой воды в аквариумах. Система содержит аквариумы с водными тест-объектами, блок водоподготовки и подачи тестируемой воды, сливные трубы, блок контроля и регистрации поведенческих и/или физиологических реакций тест-объектов и блок индикации, при этом дополнительно она содержит электроуправляемые вентили по числу аквариумов, блок управления вентилями и таймер, для генерации тестовых интервалов, соединенный с блоком управления вентилями, с блоком контроля и регистрации поведенческих и/или физиологических реакций тест-объектов и блоком индикации, а блок водоподготовки и подачи тестируемой воды через электроуправляемые вентили соединен посредством труб с аквариумами и сливными трубами.

Недостатком данного способа и средства биомониторинга является то, что используемое в нем многочисленное оборудование занимает целую комнату, т.е. требует значительной площади для оборудования, а также затрат времени и энергии на водоподготовку.

Проблема, не решенная ранее в используемых способах биомониторинга, заключается в сложности интерпретации поведенческих и физиологических реакций живых организмов, используемых в качестве тест-объектов. Живые организмы, используемые в качестве сенсоров, реагируют не только на химический состав воды, но и на множество факторов окружающей среды, влияние которых трудно исключить.

Задачей заявляемых способа контроля качества воды и двухканальной биосенсорной установки для его осуществления является оперативное выявление изменения химического состава водной среды.

Техническим результатом заявленных способа и средства для его осуществления является оперативное выявление изменения химического состава водной среды.

Для решения поставленной задачи способ контроля качества воды, включает автоматическую непрерывную регистрацию в реальном масштабе времени реакций водных тест-объектов, пропускание контролируемой воды через резервуары с тест-объектами, сравнение реакций групп тест-объектов между собой, оценку полученных результатов, при этом автоматическую непрерывную регистрацию в реальном масштабе времени реакций водных тест-объектов и пропускание контролируемой воды через резервуары с тест-объектами осуществляют посредством двухканальной биосенсорной установки, погружаемой в водоем также для обеспечения равенства влияния по времени физических параметров и разности влияния по времени химического состава контролируемой воды на тест-объекты в резервуарах, причем пропускание контролируемой воды осуществляют непрерывно, а поток контролируемой воды проходит в каждый момент времени через оба резервуара с тест-объектами, при этом, благодаря разности длин каналов установки контролируемая вода поступает в первый и второй резервуары с разницей на интервал времени, необходимый для возникновения реакции тест-объектов на изменения химического состава контролируемой воды, а сравнение реакций групп тест-объектов между собой проводят по одновременно поступившим на компьютер численным характеристикам двигательной активности тест-объектов обоих резервуаров двухканальной биосенсорной установки путем вычисления разницы их параметров в заданном интервале времени, равном разнице времени поступления контролируемой воды в первый и второй резервуар, и, при вычислении минимальной разницы параметров двигательной активности тест-объектов в обоих резервуарах делают вывод о неизмененном химическом составе контролируемой воды, а при вычислении максимальной разницы параметров численных характеристик двигательной активности тест-объектов в обоих резервуарах делают вывод об измененном химическом составе контролируемой воды.

Для решения поставленной задачи двухканальная биосенсорная установка включает в себя последовательно соединенные между собой и закрепленные на раме фильтр, насос с электромотором, делитель потока, обеспечивающий поступление одинакового количества воды в два канала одинакового диаметра, но имеющих разную длину для обеспечения задержки попадания контролируемой воды на интервал времени, необходимый для возникновения реакции тест-объектов на изменения химического состава контролируемой воды, при этом один из каналов соединен с одним резервуаром, а второй - с другим резервуаром, причем резервуары одинаковые и снабжены дренирующими отверстиями, распределенными равномерно, общая площадь которых для каждого резервуара на 4-6% меньше площади сечения соединенного с ним канала, а в каждом резервуаре размещено одинаковое количество, качество, вид тест-объектов и одинаковые приборы для регистрации их реакции на изменение условий водной среды.

Конструкция средства, обеспечивающего осуществление способа, поясняется фигурой. На фигуре представлено схематическое изображение двухканальной биосенсорной установки.

Двухканальная биосенсорная установка для контроля качества воды включает в себя входной фильтр 1, насос 2, электромотор 3, делитель потока 4, короткий канал 5, длинный канал 6, первый прибор 7 для регистрации реакции водных тест-объектов, дренажные отверстия 8, водные тест-объекты 9, первый резервуар 10. второй прибор 11 для регистрации реакции водных тест-объектов, второй резервуар 12.

Двухканальная биосенсорная установка работает следующим образом.

Работа двухканальной биосенсорной установки начинается после погружения ее в воду, где все ее составные части, в частности каналы 5 и 6, и резервуары 10 и 12, свободно омываются водой из водоема, что обеспечивает равенство физических параметров контролируемой воды. Контролируемая вода из водоема с помощью насоса 2 с электромотором 3 через фильтр 1, предотвращающий засорение каналов 5 и 6 установки крупными органическими и неорганическими примесями, подается в два канала 5 и 6 разной длины, но одинакового диаметра, чем обеспечивается равенство скорости потоков контролируемой воды в каналах 5 и 6 и ее дренажа в резервуарах 8 и 10. Работой делителя потока 4 обеспечивается одинаковое количество воды, направляемое в оба канала 5 и 6, а из каналов 5 и 6 - в резервуары 10 и 12. В обоих резервуарах 10 и 12 имеется множество отверстий 8 небольшого диаметра, распределенных равномерно, общая площадь отверстий на 4-6% меньше площади сечения водовода. Через эти отверстия 8 избыток воды выводится обратно в водоем, создается постоянный подпор воды из резервуаров 10 и 12 наружу, что исключает поступление забортной воды внутрь резервуаров 10 и 12. В качестве каналов 5 и 6 используются гибкие трубки одинакового диаметра (в пределах 10-15 мм). Первый канал 5 - «не задержанного воздействия», короткий (диапазон длины в пределах 0,5-1 м), из него контролируемая вода поступает в первый резервуар 10. Второй капал 6 «задержанного воздействия» устроен аналогично первому, но вода поступает во второй резервуар 12 через более длинную (диапазон длины в пределах 50-100 м) гибкую трубку, свернутую в катушку. Скорость поступления воды выбирается в пределах 0,8-1,2 м/мин. Диаметр, разница длин каналов и скорость поступления воды выбираются такие, при которых слои воды не перемешиваются и выходят из канала 6 в резервуар 12 в той же последовательности, как в него поступали. Выбор данных параметров в пределах указанных диапазонов зависит также от выбранного вида водных тест-объектов и его срока реакции на изменение химического состава воды, на его потребности в скорости притока свежей воды. С одинаковых приборов 7 и 11 для регистрации реакции двух одинаковых групп (по 8 экз. в резервуаре) одинаковых водных тест-объектов 9 в одинаковых резервуарах 10 и 12 на качество контролируемой воды полученные численные характеристики двух групп тест-объектов 9 поступают одновременно на компьютер. Группа тест-объектов 9 из первого резервуара 10, получающая воду раньше, реагирует на ее химический состав раньше в пределах заданного интервала времени, и, если химический состав контролируемой воды не изменился, или имеют место физические воздействия (шум, свет, температура), или физиологические воздействия, разница реакций тест-объектов резервуара 10 и тест-объектов резервуара 12 в заданном интервале времени наблюдается минимальная, если изменился - разница реакций тест-объектов резервуара 10 и тест-объектов резервуара 12 в заданном интервале времени наблюдается максимальная.

Экспериментальный образец предложенной установки успешно выделяет реакции живых организмов на изменение качества воды при условии, когда время прохождения исследуемой воды через прибор соизмеримо со временем нарастания или спада концентрации токсических веществ. Длинный канал экспериментального образца имеет длину 100 метров, внутренний диаметр пластиковой трубки 10 миллиметров, объем длинного канала составляет 8,0 литров. Время прокачки воды по длинному каналу составляет 10 минут, что вполне достаточно для проявления реакции на токсическое воздействие. Скорость прокачки обусловлена физиологическими потребностями живых организмов в притоке свежей воды. В нашем случае используется 16 двустворчатых моллюсков перловицы Unio pictorum, по 8 экз. в каждом резервуаре, им непрерывно поступает 0,8 литра воды в минуту, внутренний объем каждого резервуара составляет 2,4 литра, при этом вода обновляется в течение 3х минут. Электрическая мощность, потребляемая экспериментальным образцом прибора, составляет 3,5 Ватта, вес конструкции менее 25 кг и объем 0,5 м³.

Таким образом, способ контроля качества воды и двухканальная биосенсорная установка для его осуществления обеспечивают оперативное выявление изменения химического состава водной среды.

Использование: для контроля качества воды. Сущность изобретения заключается в том, что автоматическую непрерывную регистрацию в реальном масштабе времени реакций водных тест-объектов и пропускание контролируемой воды через резервуары с тест-объектами осуществляют посредством двухканальной биосенсорной установки, погружаемой в водоем, причем пропускание непрерывное, а поток контролируемой воды проходит в каждый момент времени через оба резервуара с тест-объектами в одинаковых физических условиях, при этом благодаря разности длин каналов установки контролируемая вода поступает в первый и второй резервуары с разницей на интервал времени, необходимый для возникновения реакции тест-объектов на изменения химического состава контролируемой воды, а сравнение реакций групп тест-объектов между собой проводят путем вычисления разницы их параметров в интервале времени, равном разнице времени поступления контролируемой воды в первый и второй резервуар, и при вычислении минимальной разницы параметров численных характеристик двигательной активности тест-объектов в обоих резервуарах делают вывод о неизмененном химическом составе контролируемой воды, а при вычислении максимальной разницы делают вывод об измененном химическом составе контролируемой воды. Двухканальная биосенсорная установка включает в себя фильтр, насос с электромотором, делитель потока, два канала одинакового диаметра, но разной длины, при этом один из каналов соединен с одним, а второй - с другим резервуаром из двух одинаковых резервуаров, снабженных дренирующими отверстиями, распределенными равномерно, общая площадь которых для каждого резервуара на 4-6% меньше площади сечения канала, кроме этого в каждом резервуаре размещены одинаковые тест-объекты и приборы для регистрации их реакции на изменение условий водной среды. Технический результат: обеспечение возможности оперативного выявления изменения химического состава водной среды. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля качества воды, включающий автоматическую непрерывную регистрацию в реальном масштабе времени реакций водных тест-объектов, пропускание контролируемой воды через резервуары с тест-объектами, сравнение реакций групп тест-объектов между собой, оценку полученных результатов, отличающийся тем, что автоматическую непрерывную регистрацию в реальном масштабе времени реакций водных тест-объектов и пропускание контролируемой воды через резервуары с тест-объектами осуществляют посредством двухканальной биосенсорной установки, погружаемой в водоем для обеспечения равенства влияния по времени физических параметров и разности влияния по времени химического состава контролируемой воды на тест-объекты в резервуарах, причем пропускание контролируемой воды осуществляют непрерывно, а поток контролируемой воды проходит в каждый момент времени через оба резервуара с тест-объектами, при этом благодаря разности длин каналов установки контролируемая вода поступает в первый и второй резервуары с разницей на интервал времени, необходимый для возникновения реакции тест-объектов на изменения химического состава контролируемой воды, а сравнение реакций групп тест-объектов между собой проводят по одновременно поступившим на компьютер численным характеристикам двигательной активности тест-объектов обоих резервуаров двухканальной биосенсорной установки путем вычисления разницы их параметров в заданном интервале времени, равном разнице времени поступления контролируемой воды в первый и второй резервуар, и при вычислении минимальной разницы параметров численных характеристик двигательной активности тест-объектов в обоих резервуарах делают вывод о неизмененном химическом составе контролируемой воды, а при вычислении максимальной разницы параметров численных характеристик двигательной активности тест-объектов в обоих резервуарах делают вывод об измененном химическом составе контролируемой воды.

2. Двухканальная биосенсорная установка включает в себя последовательно соединенные между собой и закрепленные на раме фильтр, насос с электромотором, делитель потока, обеспечивающий поступление одинакового количества воды в два канала одинакового диаметра, но имеющих разную длину для обеспечения задержки попадания контролируемой воды на заданный интервал времени, необходимый для возникновения реакции тест-объектов на изменения химического состава контролируемой воды, один из каналов соединен с одним резервуаром, а второй - с другим резервуаром, причем резервуары одинаковые и снабжены дренирующими отверстиями, распределенными равномерно, общая площадь которых для каждого резервуара на 4-6% меньше площади сечения соединенного с ним канала, кроме этого в каждом резервуаре размещено одинаковое количество, качество, вид тест-объектов и одинаковые приборы для регистрации их реакции на изменение условий водной среды.