СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА МОРСКОЙ ВОДЫ НА ОСНОВЕ РЕГИСТРАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ СТВОРОК РАКОВИН МИДИЙ Российский патент 2024 года по МПК G01N33/18 

Изобретение относится к области биологии (океанологии, гидробиологии), экологии и охраны окружающей среды и предназначено для непрерывного биологического мониторинга и биологической оценки (индикации) качества морских вод в районах пляжей в естественных условиях в режиме реального времени.

Существующие технические устройства и системы на основе датчиков измерения физико-химических характеристик поверхностных вод предусмотрены только для мониторинга конкретных характеристик воды, но не позволяют следить за другими вредными воздействиями (ВВ) на воду, которые могут неожиданно оказаться на критическом уровне. Кроме того, они не дают возможности объективно определять степень опасности этих изменений для гидробионтов. Поэтому результаты измерений только физико-химических характеристик природных вод, как правило, недостаточны для оценки степени влияния этих воздействий на функциональное состояние биоты и оценки, таким образом, состояния водных экосистем. Последнее невозможно без использования тех или иных биологических методов экологического мониторинга, способных в интегрированном виде, с учетом синергизма действующих факторов, выявлять и прогнозировать любые негативные изменения качества воды. Причем для каждой конкретной акватории принципиально важно использовать в качестве биоиндикаторов аборигенных представителей фауны, обеспечивая тем самым «экологическое соответствие» состояния биоты состоянию экосистемы (Dcpledge М.Н., Aagaard A., Gyorkos P. Assessment of trace metal toxicity using molecular, physiological and behavioral biomarkers // Marine Pollution Bulletin. 1995. Vol. 31, No. 1-3. P. 19-27; Bamber S.D., Depledge M.H. Evolution of changes in the adaptive physiology of shore crabs (Carcinas naenas) as an indicator of pollution in estuarine environments // Marine Biol. 1997. Vol. 129, No. 4. P. 667-672: Холодкевич С.В. Биоэлектронный мониторинг уровня токсичности природных и сточных вод в реальном времени // Экологическая химия. 2007. №16 (4). С. 223-232). Именно это является существенным отличием методов биоиндикации от методов биотестирования, которые по определению ГОСТ 27065-86 (ГОСТ 27065-86. Качество вод. Термины и определения) используют подготовленные в лаборатории тест-организмы, как правило, приспособленные к обитанию в специфической водной среде, созданной в лабораторных условиях, с небольшим диапазоном изменения физико-химических характеристик. Только организмы, обитающие в исследуемой акватории, могут выполнять функцию экологической «мишени» и использоваться в качестве тест-организмов, обеспечивающих наиболее объективную интегральную оценку опасности изменений качества поверхностных вод и донных отложений в результате загрязнения. Однако в подавляющем большинстве случаев тест-организмы служат лишь оперативными сигнализаторами возникновения экологически опасного уровня загрязнения воды. Определение вида (типа) ВВ в настоящее время производится исключительно методами и техническими средствами физико-химического анализа характеристик воды.

Известна биологическая система оповещения, разработанная в Нидерландах и производимая под торговой маркой Musselmonitor (originally in Dutch Mosselmonitor: De Zwart D., K.J.M. Kramer & H.A.Tenner (1995), Practical experiences with the biological early warning system 'Mosselmonitor'. Emviron. Toxicol. Water Qual. 10: 237-247), применяемая во многих странах мира в основном для контроля пресных и иногда прибрежных морских вод, а также в водопроводе Будапешта (Венгрия), для контроля качества хлорированной питьевой воды путем мониторинга степени раскрытия раковин двустворчатых моллюсков. Musselmonitor (мюссельмонитор) представляет собой коробчатый корпус, в котором размещены несколько моллюсков (например, 8 экз. дрейссены Dreissena polymorpha), на обе створки каждой особи приклеено по электромагнитному датчику, строго навстречу друг другу. Технические недостатки системы следующие: система крепления (приклеивания) датчиков и проводов громоздка и ненадежна, тяжела для нормальной работы моллюсков, уязвима для динамического воздействия течений и волн из-за выступающих относительно крупных датчиков и проводов; такие провода и датчики легко подвержены быстрому биообрастанию (нитчатые водоросли, гидроиды, молодь моллюсков и др. видов), влияющему на работу системы и не учитывающему при выделении сигнала тревоги, а также после прикрепления каждого датчика необходима их калибровка для перевода из шкалы напряжения тока в расстояние между створками (в мм). Смещение частей датчика относительно друг друга (магнита относительно датчика Холла) даже на 1 мм существенно искажает регистрацию, т.к. 3-4 мм нередко является полной амплитудой движения створок. Вопрос корректировки не предложен в данном изобретении и преподносится как неустранимая ошибка.

Наиболее близким по технической сущности к способу биологического мониторинга морской воды на основе регистрации положения створок раковин мидий, являющемуся предметом настоящего изобретения, следует считать способ биологического мониторинга водной среды, который осуществлен в известной аппаратуре для обнаружения загрязнения водной среды (FR 2713778, 1995) и предусматривает использование в качестве тестируемых животных, обитающих в воде двухстворчатых раковинных моллюсков, например, мидий или устриц. Данный известный способ включает закрепление нескольких двухстворчатых раковинных моллюсков с помощью клея нижней створкой раковины на расположенном горизонтально основании так, чтобы верхняя створка раковины каждого моллюска упиралась в упругую пластину, прикрепленную к основанию параллельно его поверхности и снабженную размещенным на ее конце магнитом или металлической пластинкой, размещение моллюсков в контролируемой воде, формирование электрического сигнала положения створок раковины каждого моллюска с помощью датчика Холла или индуктивного датчика, установленных на основании и находящихся во взаимодействии соответственно с магнитом или металлической пластинкой, передачу полученных электрических сигналов с использованием радиоканала, прием их, преобразование в цифровые коды и ввод в компьютер, сравнение компьютером введенных цифровых кодов с пороговым значением, соответствующим значению электрического сигнала при закрытых створках раковины моллюска, определение количества моллюсков, закрывших створки раковин, по количеству цифровых кодов, превысивших пороговое значение, и принятие решения о загрязнении контролируемой воды при превышении количеством моллюсков, закрывших створки раковин, порогового значения.

Данный известный способ биологического мониторинга водной среды позволяет формировать и регистрировать сигналы положения створок раковины моллюсков, а также автоматически осуществлять принятие решения о снижении качества контролируемой водной среды в случае регистрации закрытия створок своих раковин несколькими из тестируемых моллюсков, что обусловлено происходящим в организмах моллюсков стрессом, связанным со снижением качества воды. Использование при осуществлении данного известного способа датчика Холла или индуктивного датчика для формирования сигнала положения створок раковины моллюска препятствует возникновению нестабильности этого электрического сигнала и сопровождающего его шума при значительной электропроводности контролируемой водной среды. По сравнению с рассмотренным выше аналогом это упрощает последующую обработку сформированного электрического сигнала и снижает вероятность ошибочного принятия решения о состоянии контролируемой воды. По этой же причине изменение электропроводности контролируемой воды не оказывает влияния на амплитуду электрического сигнала положения створок раковины моллюска, что способствует надежной его регистрации и снижает вероятность ошибочного принятия решения о качестве контролируемой воды. Кроме того, это не вызывает необходимости при обработке электрического сигнала использовать алгоритмическую компенсацию изменения его амплитуды, вызванного изменением электропроводности воды. По сравнению с рассмотренным выше аналогом это упрощает конструкцию и снижает стоимость аппаратуры для обнаружения загрязнения водной среды, а также упрощает ее эксплуатацию, поскольку не требует ее периодической калибровки в то же время, недостаточно высокая достоверность контроля состояния водной среды, сложность и высокая стоимость эксплуатации аппаратуры, а также весьма существенные значения массы и габаритов датчика положения створок раковины моллюска не позволяют исключить градуировку величины раскрытия створок мидий, решается согласно настоящему изобретению на стадии изготовления и регулировки биосенсорной системы, а также контролировать и определять ложные срабатывания при неполном открытии или закрытии створок отдельных мидий при воздействии на них точечных раздражителей, включая обрастание и влияние белковых ничей (биссуса).

Поставленная задача решается тем, что в способе биологического мониторинга морской воды на основе регистрации положения створок раковин мидий, включающем закрепление на створках раковины каждой мидии датчика положения створок, размещение мидий с датчиками положения створок в контролируемой воде, формирование датчиками электрических сигналов положения створок, преобразование их в цифровые коды, новым является то, что при воздействии на мидий раздражителей, используют зарегистрированные датчиками положения створок данные, полученные в пределах временного интервала реакции мидий, величину которого определяют между одновременным групповым началом движения створок мидий, в виде монотонно убывающей функции и остановкой их движения после интервала времени, не выходящего за границы интервала временного распределения, полученного для мидий, обитающих в исследуемой акватории, при этом неинформативными считают данные, выходящие за пределы этого интервала.

Для реализации и проверки предлагаемого способа исследования проводились в лабораторных условиях с использованием разработанной экспериментальной установки, где в качестве раздражителей совместно с загрязнителями использовался источник виброакустического сигнала.

Основные условия экспериментов

Черноморские мидии размером от 3 до 5 см собраны в районе Севастополя на глубине 3-5 м; черноморская вода в объеме 20 л заливалась в аквариум, где размещалась колония мидий.

Общие физические параметры окружающей среды во время опытов с мидиями:

- температура воздуха: 24-27°С;

- температура воды в емкостях: 22,9-24,3°С, что позволило выявить и сократить время проведения эксперимента и исключить промывку установки от загрязнителей.

На фиг. 1 представлена структурно-функциональная схема экспериментальной установки.

Экспериментальная установка состоит из:

- формирователя интервалов времени 1;

- источника виброакустического сигнала 2;

- аквариума с морской водой 3;

- системой жизнеобеспечения 4;

- блока колонии мидий 5;

- первичного преобразователя виброускорений 6;

- устройства обработки и передачи данных виброускорений 7;

- измерителя активности мидий 8;

- ПЭВМ 9.

Работает разработанная экспериментальная установка следующим образом. Формирователь интервалов времени 1 с периодом в 30 минут создает ворота для включения источника виброакустического сигнала 2 длительностью на 2 минуты. В источнике виброакустического сигнала генерируется электрический сигнал определенной частоты, который через усилитель мощности подается на электроакустический преобразователь, с которого через стенку аквариума с морской водой 3, оснащенного системой жизнеобеспечения 4, производящую подачу воздуха и циркуляцию воды в аквариуме, виброакустический сигнал распространяется в воде и воздействует одновременно на блок колонии мидий 5 и на первичный преобразователь виброускорений 6. в котором сигнал оцифровывается и поступает на устройство обработки и передачи данных виброускорений 7, а информация с блока колонии мидий 5 поступает на измеритель активности мидий 8. Данные об активности мидий и виброускорений одновременно поступают в ПЭВМ 9, где производится их обработка.

Анализ представленных сигналов на графиках (фиг. 2-4) в таком виде затруднителен, а порой даже невозможен, так как анализируется амплитуда закрытия створок мидий, которая зависит от начальной градуировки, проводимой перед исследованием эксперимента. Изменчивость амплитуды раскрытия створок мидий зависит от биологических особенностей самих особей, которые реагируют на кормовую базу, содержания кислорода в воде, включая обрастание и влияния белковых нитей (биссуса). Для исключения вышеперечисленных факторов понадобился новый подход к результатам обработки и анализа. Был разработан метод, позволяющий исключить градуировку величины раскрытия створок мидий на стадии изготовления и настройки биосенсорной системы, а также контролировать и определять ложные срабатывания или неполное открытие створок отдельных мидии при воздействии на них точечных раздражителей. Суть разработанного метода заключалась в том, что после воздействия на колонию мидий различных раздражителей анализу подвергалось время одновременного закрытия створок всех мидий, зарегистрированное датчиком движения створок в виде монотонно убывающей функции, вернее величина временного интервала, которая определялась между началом движения створок мидий и остановкой движения или их полного закрытия.

В результате анализа с использованием методики определения временных интервалов были построены зависимости времени закрытия створок мидий при различных частотах, которые представлены на фиг. 5. Вначале для анализа и построения графиков (фиг. 5) были взяты данные без их осреднения, полученные после воздействия первых импульсов вибросигналов на мидии и их отклик. Как следует из графиков, время закрытия всех мидий не превышает 10 с. Исключение составила мидия №5, хотя в дальнейшем время закрытия восстановилось до 10 с. Не вдаваясь в биологические аспекты, которые не являются целью исследования данной работы, можно только предположить, что мидия подверглась обрастанию или влиянию белковых нитей (биссуса), которые после воздействия нижних виброчастот оборвались.

Используя полученные данные, представленные на фиг. 5, выполним осреднение времени перехода створок всех мидий в закрытое состояние в каждом диапазоне частот

где z - среднее время перехода створок в закрытое состояние;

N - количество закрытий створок.

Результаты осреднения представлены на графике (фиг. 6), из которого следует, что в среднем для всех мидий в указанном диапазоне частот существует реакция закрытия створок и максимальное значение средней величины перехода в закрытое состояние не превышает 2.5 с. Для оценки степени влияния вибросигнала в области частот ниже 20 Гц выполним аппроксимацию ряда данных, представленного на графике (фиг. 6), в интервале от 20 до 100 Гц, полиномом второй степени и экстраполируем значения для частот ниже 20 Гц. Найденная зависимость времени перехода в закрытое состояние от частоты вибросигнала имеет вид:

z=0.0001ƒ²+0.0008ƒ+1.4801,

где z - время перехода створок в закрытое состояние;

ƒ- частота вибросигнала.

Данная операция выполнялась в связи с тем, что электродинамический преобразователь не воспроизводит сигнал частотой ниже 20 Гц. Частоту ниже 20 Гц возбуждали движением водной поверхности в аквариуме, сигнал успешно фиксировался первичным преобразователем виброускорений.

Полученная реперная точка от возмущения воды не выходила за рамки интерполяционной кривой (фиг. 7). Этот результат подтверждает, что мидии реагируют на инфразвуковые вибрации в диапазоне доли Герца.

Для дальнейшего анализа результатов измерений были рассчитаны и построены гистограммы для всех мидий, но для каждой частоты в отдельности и обобщенная гистограмма для всех мидий и частот. Расчетные значения для построения гистограммы были получены после проведения сортировки числовой выборки и получения минимального и максимального значений времени закрытия створок мидий. Определен размах вариации и найдено оптимальное количество интервалов закрытия створок мидий и длина интервалов:

R=χ_max - χ_min,

где χ_max - максимальное значение времени закрытия створки;

χ_min - минимальное значение времени закрытия створки;

R - размах вариации.

Оптимальное количество интервалов:

k=1+3,22 ⋅ log(n)₁₀ - формула Стерджесса,

где n - длина выборки.

Длина интервала

где k - количество интервалов.

По расчетным значениям всех перечисленных выше параметров строим гистограмму, которая представлена на фиг. 8.

Представленная столбчатая гистограмма выборки (фиг. 8) является распределением с перекосом вправо и длинным правым хвостом. Правостороннее распределение имеет большую концентрацию значений данных о времени закрытия створок мидий с левой стороны и меньшую концентрацию с правой стороны, при этом среднее значение выше, чем медиана набора данных. Такая гистограмма подтверждает, что обработаны все данные измерений, а биологическая природа процесса закрытия мидий не может быть меньше 0.8 с.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет исключить градуировку величины раскрытия створок мидий на стадии изготовления и регулировки биосенсорной системы, а также контролировать и определять ложные срабатывания при частичном открытии или закрытии створок отдельных мидий при воздействии на них точечных раздражителей, включая обрастание и влияние белковых нитей (биссуса).

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для мониторинга и оценки качества морских вод. Способ включает закрепление на створках раковины каждой мидии датчика положения створок, размещение мидий с датчиками положения створок в контролируемой воде, формирование датчиками электрических сигналов положения створок, преобразование их в цифровые коды. При воздействии на мидий раздражителей используют зарегистрированные датчиками положения створок данные, полученные в пределах временного интервала реакции мидий, величину которого определяют между одновременным групповым началом движения створок мидий, в виде монотонно убывающей функции и остановкой их движения после интервала времени, не выходящего за границы интервала временного распределения, полученного для мидий, обитающих в исследуемой акватории. Неинформативными считают данные, выходящие за пределы этого интервала. Изобретение позволяет исключить градуировку величины раскрытия створок мидий на стадии изготовления и регулировки биосенсорной системы, а также контролировать и определять ложные срабатывания при частичном открытии или закрытии створок отдельных мидий при воздействии на них точечных раздражителей, включая обрастание и влияние белковых нитей. 8 ил.

Способ биологического мониторинга морской воды на основе регистрации положения створок раковин мидий, включающий закрепление на створках раковины каждой мидии датчика положения створок, размещение мидий с датчиками положения створок в контролируемой воде, формирование датчиками электрических сигналов положения створок, преобразование их в цифровые коды, отличающийся тем, что при воздействии на мидий раздражителей используют зарегистрированные датчиками положения створок данные, полученные в пределах временного интервала реакции мидий, величину которого определяют между одновременным групповым началом движения створок мидий, в виде монотонно убывающей функции и остановкой их движения после интервала времени, не выходящего за границы интервала временного распределения, полученного для мидий, обитающих в исследуемой акватории, при этом неинформативными считают данные, выходящие за пределы этого интервала.