Способ определения скорости потребления кислорода Советский патент 1985 года по МПК A01K61/00 G01N33/18 

3. Устройство для определения скорости потребления кислорода водными организмами, включающее изолированну от атмосферы термостатированную емкость для водньк организмов с каналами для ввода и вывода воды и.средства для.измерения количества растворенного в воде кислорода, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения, оно снабжено газометрической камерой и . клапаном для исключения диффузии газов, газометрическая камера представляет собой вертикальную трубку с расположенной внутри нее каплей жидкости, образующей двойной мениск, и установлена в верхней части емкости, а клапан размещен- под ее нижним концом, выполнен из пористого материала, пропитанного жидкостью, способной образовывать на поверхнос.ти воды мономолекулярную пленку, . и имеет отверстие для сообщения емкости с полостью трубки, при этом последняя имеет поперечное сужение для ограничения движения двойного , а средство для измерения количества растворенного в воде кислорода состоит из регистрирующего блока и подключенных к нему датчиков кислорода, установленных соответственно на каналах ввода и вывода и в трубке на участке между ее сужением и нижним концом.

4.Устройство по п.З, отличающееся тем, что емкость снабжена приспособлением-для отделения газовых пузырьков от удерживающих их поверхностей, представляющим собой мешалку .

5.Устройство по п.З, о.т л и чающееся тем, что пористый материал клапана пропитан жидкими углеводородами, а жидкость, размещенная в трубке представляет собой декан

1. Способ определения скорости потребления кислорода водными организмами в изолированных от атмосферы проточньп термоста тированных емкостях, включающий измерение концентраций растворенного кислорода в воде, подаваемой в емкость и отводимой из нее, удаление газовых пузырьков и последующее определение скорости потребления кислорода водными организмами по разности измеренных значений концентраций кислорода в подаваемой и отводимой воде, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, удаление газовых пузырьков, вьщелившихся из воды, осуществляют одновременно с измерением концентрации растворенного кислорода в подаваемой и отводимой воде путем отведения их через.пленку, обеспечивающую проникновение газовых пузьфьков из водной среды сл в газообразную и исключающую диффузию газов, .отведенные газовые пузырьки изолируют от атмосферы, g измеряют количество кислорода, выделившегося с газовыми пузырьками, и по измеренному количеству кислорода определяют скорость вьщеления кислорода из воды с газовыми О) пузьфьками, затем определенное по разности измеренных, значений кон ел ел центраций растворенного кислорода в подаваемой и отводимой воде значение скорости потребления кислорода корректируют на значение скорости выделения кислорода из воды с газовыми пузьфьками, а о скорости потребления кислорода водными организмами судят по полученному скорректированному значению. 2. Способ ПОП.1, отличающийся тем, что в процессе измерений находящиеся в емкости газовые пузьфьки отделяют от удерживающих их поверхностей путем перемешивания .

1

Изобретение относится к анализу физиологического состояния водных организмов, а именно к способам опредепения потребления ими кислорода и к устройствам аналогичного назначения, и может быть использовано для изучения обмена водных организмов, например, при оценке токсичности водной среды биологическим методом.

Одним из наиболее информативных показателей физиологического состояния водных организмов является скорость потребления ими кислорода. Физиологически процесс потребления кис лорода связан с процессом дыхания, поэтому по СКОРОСТИ потребления .кислорода можно судить о скорости . дыхания.

Известен способ определения скорости дыхания водных организмов, основанный на измерении разница концентраций растворенного кислорода в воде, подаваемой в резервуар с размещенными в нем водными организмами,-и в воде, выводимой из резервуара, при

этом резервуар с водой изолирован от атмосферы l1 3

Этот способ позволяет- довольно точно определить скорость потребления кислорода водными организмами с высоким уровнем обмена в течение, небольших промежутков времени. Однако при определении скорости потребления кислорода организмами- с низким уровнем обмена или в течение длительных промежутков времени (30 мин и более) в резервуаре может происходить самопроизвольное вьщеление га зов или воды, что снижает точность определения скорости дыхания.

Наиболее близким-к предлагаемому по технической сущности к достигаемому эффекту является способ определения скорости потребления кислорода водными организмами в изолированных от атмосферы проточных термостатированных емкостях, включающий измерение концентраций растворенного кислороДа в воде, подаваемой в емкость и отводимой от нее, удаление газовых пузырьков и последующее определение

31

скорости кислорода водными организмами по разности измеренных значенш концентраций кислорода в подаваемой и отводимой воде. При осуществлении этого способа удаление газовых пузырьков производят перед началом измерений током подаваемой в емкость

f Т воды L JЭтот способ прост в исполнении и не требует сложного оборудования,

однако при длительных измерениях возможно вьщеление из воды, подаваемой в емкость, газов, что снижает точность получаемых результатов.

Известно устройство для определе- кия скорости потребления кислорода водными организмами, включающее емкость с каналами для ввода и вывода воды 2.

Данное устройство не позволяет определить скорость потребления кислорода водными организмами в условиях протока воды через емкость.

Известно также устройство для оценки токсичности жидкости по измерению скорости вьщеления кислорода живыми организмами-водорослями, включающее разделенную диализной мембраной на две камеры емкоеtb с каналами для ввода и вывода воды и кислородный дйтчик, соединенньвЧ с регистрирующим блоком СЗ J.

Данное устройство обладает высоко точностью. Однако оно предназначено для изучения вьщеления кислорода водорослями в процессе их фотосинтеза на свету и не может быть использовано для определения скорости дыхания других водных организмов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для определения скорости потребления кислорода водными орг-анизмами, включающее изолированную от атмосферы тер- мостатированную емкость для водных организмов с каналами для ввода и вывода воды и средства для измерения количества растворенного в воде кис порода А.

Недостатком этого устройства является низкая точность, обусловленная тем, что оно не позволяет определить полньй баланс кислорода, потребленного водными организмами из воды,проходящей через емкость.

Цель изобретения - повышение точности определения.

754

Для достижения поставленной цели согласно способу определения скорости потребления кислорода водными организмами в изолированных от атмосферы проточных термостатированных емкостях, включающему измерение концентраций растворенного кислорода в воде, подаваемой в емкость и отводимой из нее, удаление газовых пузырьков и последующее определение скорости потребления кислорода водными организмами по разности измеренных значений концентраций растворенного кислорода в подаваемой и отводимой воде, удаление вьщеливпгахся из воды газовых пузырьков осуществляют одновременно с измерением концентрации растворенного кислорода в подаваемой и отводимой воде путем отведения их через пленку, обеспечивающую проникновение газовых пузырьков из водной среды в газообразную и исключающую диффузиюгазов, отведенные газовые пузырьки изолируют от атмосферы, измеряют количество.кислорода, вьщелившегося с газовыми пузырьками, и по измеренному количеству кислорода определяют скорость вьщеления кислорода из воды с газовыми пузырьками, затем определенное по разности измеренных значений концентраций растворенного кислорода в подаваемой и отводимой воде значение qKoрости потребления кислорода водными организмами.корректируют на значение скорости вьщеления кислорода из воды с газовыми пузырьками, а о скорости потребления кислорода водными организмами судят по полученному скорректированному значению.

Кроме того, целесообразно в процессе измерений находящиеся в емкости газовые пузырьки отделять от удерживающих их поверхностей .путем перемешивания.

Для достижения поставленной цели устройство для определения скорости потребления кислорода водными организмами, включающее изолированную от атмосферы термостатированную емкость для водных организмов с каналами для ввода и вывода воды и средства для измерения количества растворенного в воде кислорода, отличается тем, что снабжено газометрической камерой и клапаном для исключения диффузии газов, газометрическая камера представляет собой вертикальную трубку с расположенной внутри нее каплей жидкости, образующей двойной мениск, и установлена в верхней части емкости, а клапан размещен под ее нижним концом, выполнен из пористого материала, пропитанного жидкостью, способной образовывать на поверхности воды мономолекулярную пленку, и имеет отверстие для сообщения емкости с полостью трубки, при этом последняя имеет поперечное сужениедля ограничения движения двойного мениска, а средство для измерения количества растворенного в воде кислорода состоит из регистрирующего блока и подключенных к нему датчиков кислорода, установленных соответственно на каналах ввода и вывода воды и в трубке на участке между ее сужением и нижним концом.

Кроме того, целесообразно емкость снабдить приспособлением для отделения газовых пузырьков от удерживающих их поверхностей, представляющим собой мешалку, для пропитывания пористого материала клапана использовать жидкие углеводороды, а в трубке разместить каплю декана для образования двойного мениска.

Способ определения скорости потребления кислорода водными организмами осуществляют следующим образом.

В проточную термостатированную

емкость помещают водные организмы, например, дафний, подаютв нее дехлорированную водопроводную воду и непрерывно регистрируют концентрацию растворенного кислорода в воде, подаваемой в. емк;рсть, и в воде, отводийой из нее.

Одновременно удаляют из воды выделившиеся газовые пузырьки, которые отводят через пленку, обес печивающую проникновение газовых пузырьков из водной среды в газообразную и исключающую диффузию газов.

Отведенные пузырьки изолируют от атмосферы и определяют количество выделившегося с ними кислорода.

Общее количество кислорода, выделившегося из воды в емкости в течение любого отрезка времени, определяется формулой

. (1)

где М - -количество кислорода, выделившегося из воды в емкости с газовыми пузырьками, 5 мг;

С - концентрация кислорода в

газах, вьщелившихся из воды в емкости в виде газовых пузырьков, мг/л;

10 У - объем вьщелившихся газов, л. Полньй баланс кислорода, потребленного водными организмами из воды, проходящей через емкость в течение любого отрезка времени, расf5 считывается по формуле

Н ()-- WT-M (2)

где Т

-время измерения, ч; . Н

-количество кислорода,,потребленное водными организ20 мами за любой отрезок времени, мг; С - концентрация кислорода в

подаваемой воде, мг/л; Cj- концентрация кислорода-в от25 водимой воде, мг/л;

W - скорость протока воды через

емкость, л;

М - количество кислорода, выделившегося из воды в емкос30 ти с газовыми пузырьками,МП Таким образом, учитывается полный баланс кислорода, потребленногр водными организмами из воды, проходящей через емкость, что обеспечивает повьш1ение точности определения.

Определение скорости вьщеления кислорода из воды с газовыми пузырьками обеспечивает повышение точ- ; ности определения так как значение скорости потребления кислорода водными организмами корректируют на значение скорости вьщеления кислорода из воды с газовь ми пузырьками . Это позволяет учесть истинное значение скорости потребления кислорода водными организмами и исключить ршибку, связанную с неконтролируемым процессом выделения кислорода из воды с газовыми пузырьками. Выделение из воды в составе газовых пузырьков кислорода приводит к боль шей разности концентраций зтого газа, подаваемой в емкость и отводимой из нее, по сравнению с разностью, вызванной потреблением кислорода водными организмами. Разовые пузырьки, вьщелившиеся из воды в проточной емкости, могут в зависимости от различных трудноучитываемы факторов снова растворяться, что приводит к значительному разбросу получаемых результатов измерений скорости потребления кислорода водными организмами. Таким образом, отведение из воды газовых пузырьков способствует также повышению воспроизводимости результатов определе ния . Отведение газовых пузырьков, выделяющихся из воды через пленку, обеспечивающую проникновение газовых пузырьков из водной среды в газообразную и исключающую диффузию газа, обеспечивает повьшение точности определения, так как наличие тонкой пленки не препятствует свободному проникновению газов, агрегированных в пузырьки, но в то же время исключает выход из воды газов, растворенных в ней, т.е. представленных в ней в виде отдельных молекул. Наличие пленки делает невозможным обратное проникновение отведенных газов в воду, находящу. юся в емкости, что также ведут к повьшению точности определения. Отведение газовых пузырьков, изоляция их от атмосферы и измерение количества кислорода, вьщелившегося из воды с газовыми пузырьками, обеспечивает возможность определения количества кислорода,, которые не было потреблено водными организмами, В процессе измерения производят отделение находящихся.в емкости газовых пузырьков от удерживающих. их поверхностей путем перемешивания, что обеспечивает необходимый технологический режим определения, I поскольку вьщеляющиеся из воды газо вые пузьфьки удерживаются на внутренних поверхностях емкости силами молекулярного сцепления, а перемешивание нарушает удерживание, и газовые пузырьки,.отрываясь от поверх ностей, мигрируют вверх и проходят через пленку. Таким образом, перемешивание позволяет .точно измерить количество кислорода, вьзделяющегося из воды с газовыми пузырьками, что в конечном счете, ведет к повьппению точности определения скорости потреб ния кислорода водными организмами. i Пример. Определяют скорость потребления кислорода половозрелыми партеногенетическими самками Daphnia magna str, полученными из лабораторной культуры. Дафний в количестве 50 экз. помещают в проточную емкость, термостатированную с помощью ультратермостата при , В емкость подают дехлорированную водопроводную воду и непрерывно регистрируют концентрацию растворенного кислорода в воде, подаваемой в емкость, и воде, отводимой из нее. Регистрируют также концентрацию кислорода в изолированном объеме, куда через пленку отводят выделившиеся из воды пузырьки газа. Регистрацию проводят с помощью датчиков кислорода, которые предварительно калибруют в мг/л кислорода. Значение концентраций кислорода регистрируют на 4-канальном самопишущем потенциометре типа КСП-А. Удаление вьщеляющихся газовых пузырьков с внутренних поверхностей емкости проводят путем перемешивания воды в емкости с помощью магнитной мешалки,.-Скорость перемешивания 8,7 об/мин. В процессе измерений по.цдерживают постоянную скорость протока воды через емкость. Скорость протока периодически контролируют с помощью мерного цилиндра и секундомера. Параллельно производят определение скорости потребления кислорода дафниями по способу-прототипу. После измерений дафний взвешивают и рассчитьгоают скорость потребления кислорода, на единицу веса. Полученные результаты приведены в таблице. Как следует из приведенных в таблице.данных, коэффициенты вариаций С, характеризующие точность определения любых величин (в данном случае точность определения скорости потребления кислорода водными организмами) , по предлагаемому способу колеблются в интервале 10,5-12,5%, a по известноь1у способу - 48,6 б2,6%, т.е. точность определения скорости потреблениякислорода вод ными организмами по предлагаемому способу повьш1ается в 4-6 раз. Представленные данные показывают, что средние величины скорости потребления кислорода, определенные ПО известному способу выше величин, определенных по предлагаемому спо. 9 собу в 1,5-2,3 раза. Такое несоответствие, объясняется тем, что по из вестному способу скорость потребления кислорода определяется по разности измеренных концентраций растворенного кислорода в подаваемой и отводимой воде, в результате чего скорость потребления кислорода получается завьппенной, так как не учитьшается скорость вьзделения кислорода из воды с газовыми пузырьками. Таким образом, предлагаемьй способ повышает не только точность но и достоверность полученных результатов. Это особенно важно при иЬпользовании изобретения для биоло гического контроля токсичности сточных вод. Повьшение в этом случа точности и достоверности результатов определения позволяет, с одной стороны, обнаруживать наличие в вод токсических веществ при более низких концентрациях, чем по известному спо бу, а с другой стороны, снизить вероя ность ложных выводов о токсичности воды за счет повьшения достоверности результатов определения скорости потребления кислорода водными организмами. Данные таблицы показьгоают, что предлагаемый способ определения повышает воспроизводимость результато так как средние величины, характери скорость потребления кислорода дафниями за 2,4 и б ч, отличаются всего на 9,6% (min 259, max 284)j тогда как средние величины, определенные по известному способу отличаются на 41,5% (min 433, мак 613), На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство, общий вид. Устройство для определения скорости потребления кислорода вод ными организмами содержит изолированную от атмосферы проточнзпо термостатированную емкость 1, кислородные датчики 2,3 и 4, регистриру щий блок 5. В емкости 1 размещена мешалка 6 с приводом 7, расположен ным вне ёмкости 1, В канале 8 ввода воды размещен кислородньй датчи 2, а в канале 9 вьтода воды - кислородный датчик 3. К верхней части емкости 1 герме тично прикреплена газометрическая камера, выполненная в виде трубки 7510 10, под нижним концом которой размещен клапан 11, имеющий сквозное отверстие, сэединяющее полость емкости 1 с полостью трубки 10. Клапан выполнен из пористого материала с удельным весом меньше 1 и пропитан жидкостью, способной образовывать на поверхности воды мономолекулярные газонепроницаемые пленки, например жидкими углеводородами. Пленка исключает диффузию газов из емкости 1 в полость трубки 10 и обратно и, в то же время, не препятствует переходу газовых пузырьков из воды, находящейся в емкости 1 в полость трубки 10. Клапан 11 размещен с возможностью его перемещения в вертикальном направлении. Это. обеспечивает его нормальное функционирование в случае незначительныхколебаний уровня воды в емкости 1. Внутренняя полость трубки 10 имеет поперечное сужение 12 для ограничения движения двойного мениска 13 жидкости, например декана. На наружной поверхности стенок трубки 10 нанесены тарировочные деления 14. Трубка 10 изготовлена из стекла. В трубке 10 между сужением 12 и ее нижним концом размещен кислородньй датчик 4, который электрически соединен с регистрирующим блоком 5, В качестве регистрирующего блока используют многоканальные самопишущие потенциометры, например потенциометры КСП-4. В емкости 1 размещена мешалка 6, которая связана со своим приводом 7. Мешалка 6 представляет собой стержень из намагничивающегося материала, покрытый снаружи водоизолирзтощнм материалом. В качестве привода 7 используется низкооборотньй (от 2 до 10 об/мин) электродвигатель с закрепленным на его валу постоянным магнитом. В емкости 1 размещены водные организмы 15, например дафнии, гаммарусы и т.д. Устройство для определения скорости потреблениякислорода водными организмами работает следующим образом.. Через канал 8 ввода подают воду в емкость 1 до заполнения ее примерно на 0,5 полного объема. Затем с помощью пипетки в полость трубки 10 вводят каплю жидкости, например де.кана. Жидкость образует в поперечном сужении 12 полости трубки 10 двои11ной подвижный мениск 13, изолирующи от атмосферы часть полости трубки 1 вт поперечного сужения 12 до ее нижне го конца. Включают в электросеть регистрирующий блок 5.. Вводят в емкость 1 водные организмы 15 и вновь подают воду в емкость 1 через канал 8 ввода. Устанавливают необходимую скорость протока воды через емкость Уровень воды в емкости 1 поддержи- вают таким, образом, чтобы клапан 11 находился в. постоянном контакте с п верхностью воды. В этом случае на поверхности воды образуется мономол кулярная пленка, которая исключает диффузию газов из газомётрической камеры в воду и обратно.. По положению двойного мениска 13 в полости трубки 10 определяют объем газов, находящихся в полости этой трубки в первоначальный момент измерения скорости потребления кислорода водными организмами. Дополнительный датчик 4 растворенного кислорода фи сирует концентрацию кислорода в полости трубки 10 в первоначальный мо мент измерений. Измерение объема га ,зов, находящихся в полости трубки 10 в первоначальный момент измерения скорости потребления кислорода, и измерение кислорода в полости трубки 10 необходимо для дальнейшег расчета общего количества кислорода, выделившегося из воды с газовыми пузырьками по формуле (1). Концентрация растворенного кисло рода в подаваемой в емкость 1 и отводимой из нее воде непрерьшно регистрируется на диаграммной ленте регистрирующего блока 5 с помощью соединенных с блоком кислородных датчиков 2 и 3. Газовые пузырьки, образующиеся в воде, проходящей через емкость 1, отделяются от удержи вающих их поверхностей, например стенок емкости, посредством перемешивания воды мешалкой 6. Под действием выталкивающей силы газовые пузырьки движутся в верхнюю часть емкости 1. Достигнув пленки, образу щейся на поверхностей воды при сопри косновении ее с клапаном 11, пузырь ки разрьшают пленку, и газы,.содерж щиеся в пузырьках, попадают в полос трубки 10, Контур разрыва пленки самопроизвольно ликвидируется за счет действия сил поверхностного на тяжения. При попадании пузырьков в 512 полость трубки 10 двойной подвижный мениск 13 поднимается в верхнем направлении. По положению мениска 1 3 по ртношению к тарировочным делениям 14 определяют объем выделившихся из воды газов V за любой промежуток времени измерения, Таким образом, устройство позволяет измерить объем вьщелквшихся из воды газов, концентрацию кислорода в выделившихся -газах, а также концентрацию растворенного кислорода-.в подаваемой в емкость воде и воде, отводимой из емкости. Измерив перечисленные величины, скорость потребления кислорода водными организмами определяют по формуле (2) с учетом времени измерения. Размещение под нижним концом трубки клапана, имеющего отверстие для соединения емкости с полостью трубки и выполненного из пористого материала, пропитанного жидкостью, способной образовывать на поверхности воды мономолекулярную пленку, например жидкими углеводородами, позволяет отводить из воды только те газы, которые выделяются в виде пузьфьков. Растворенные газы, находящиеся в воде в равновесных с нею концентрациях, не могут диффундировать через пленку, образующуюся на поверхности воды при соприкосновении ее с клапаном. Газы, отведенные в газометрическ5по камеру, также нё могут диффундировать обратно в воду, что также способствует повьштение точности определения. Наличие в полости трубки 10 поперечного сужения для ограничения движения подвижного двойного мениска жидкости, например декана, позволяет обеспечить нормальное функционирование дополнительного кислородного датчика. Использование изобретения в качестве биосигнализатора токсичности сточных вод позволит осуществлять оперативный биологический контроль токсичности и, таким образом, исключить непреднамеренные случаи сброса высокотоксичных сточных вод в .водные объекты. Предлагаемый способ и устройство просты в осуществлении, изготовлении и в обслуживании. Они могут быть использованы работниками бассейновых водных инспекций, санитарных органов, а также непосредственно на водоочистных сооружениях промьпцленных предприятий для оперативног контроля токсичности сбрасываемых сточных вод. 16957514 Предполагаемый экономический эффект от внедрения изобретения на одном условном предприятии соотавляет 35,17 тыс. руб. 5 в год.

/4 -

до9а

f/

0