Устройство для комплексной оценки качества природных сред
Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для анализа материалов особыми способами, в частности, к ретроспективному определению степени загрязнения компонентов природной среды (атмосферного воздуха, воды поверхностных водоемов, почвы) методом биотестирования и может использоваться для комплексного экспресс биотестирования токсичности, в частности природных и сточных вод, на различных тест-объектах.
Использование трех независимых и, в совокупности охватывающих весь биологический спектр жизни на Земле, тест-объектов: бактерии, простейшие (инфузории), высшие (половые клетки млекопитающих) - обеспечивает комплексность оценки качества компонентов природной среды и, как следствие, максимальную объективность получаемых результатов.
Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для анализа материалов особыми способами, в частности, к ретроспективному определению степени загрязнения компонентов природной среды (атмосферного воздуха, воды поверхностных водоемов, почвы) методом биотестирования и может использоваться для комплексного экспресс биотестирования токсичности, в частности природных и сточных вод, на различных тест-объектах.
Известно устройство для биотестирования, включающее источник света, светофильтр, фотоумножитель, блок питания фотоумножителя, фосфороскоп, синхронный двигатель, усилитель постоянного тока, самописец. (Васильев И.Р., Мародин Д.Н., Венедиктов П.С.Методы биотестирования природных вод по замедленной флюоресценции микроводорослей. Методы биотестирования вод. Сб. научн. трудов/Под ред. А.Н. Крайнюковой.- Черноголовка, 1988. С.33-26).
Недостатком известного устройства является возможность применения его только для одного и, к тому же неоптимального, тест - объекта оценки состояния компонента природной среды.
Известно устройство для измерения индекса токсичности почв, почвогрунтов, вод и отходов по изменению подвижности половых клеток млекопитающих in vitro на базе анализатора изображения АТ-05, включающего рабочие сосуды с контролируемым объектом, блок подготовки проб, оптико-механический блок, содержащий источник света, объектив и фотоприемник, блок системный (электронный блок персонального компьютера), монитор, принтер, клавиатура, мышь. Программное обеспечение анализатора изображений осуществляет цифровой анализ микроскопических видеоизображений суспензии половых клеток с размерами в диапазоне от 2 мкм до 100 мкм. (Еськов А.П., Тимофеев М.А., Каюмов Р.И., Терехова В.А. Методика выполнения измерений индекса токсичности почв, почвогрунтов, вод и отходов по изменению подвижности половых клеток млекопитающих in vitro. - М.: МГУ, 2009)
Недостатком известного устройства является односторонность (однобокость) используемого тест-объекта и, как следствие, недостаточная объективность получаемых результатов оценки качества компонента природной среды.
Этот недостаток является присущим всем известным устройствам: они предназначены для определения только какой-нибудь одной характеристики одного тест-объекта и, как следствие, односторонней оценки качества компонентов природной среды.
В тоже время известно, что максимальная объективность оценки качества компонента природной среды достигается при использовании не менее трех независимых тест-объектов различных классов. Такими тест-объектами являются бактерии, простейшие организмы (инфузории) и активные клетки высших (половые клетки млекопитающих), обладающие следующими положительными особенностями и характеристиками:
Бактерии:
1. Широко распространены во всех природных экосистемах.
2. Играют важную роль в природе (симбиоз, азотфиксация, трофические цепи, процессы биодеградации и др.).
3. Обладают высокой чувствительностью к загрязнителям окружающей среды (одноклеточные организмы).
Инфузории:
1. Относится к простейшим одноклеточным организмам.
2. Играют важную роль в природе. Являются пищей для других организмов; следовательно, их гибель в природных условиях может привести к исчезновению некоторых видов животных и рыб.
3. Обладают высокой чувствительностью к загрязнителям окружающей среды (одноклеточные организмы).
4. Широкое распространение инфузории туфельки в пресных водоемах.
Половые клетки млекопитающих:
1. Половые клетки обладают наиболее высокой чувствительностью к загрязнителям окружающей среды.
2. Возможность оценки негативного воздействия природных сред на млекопитающих и человека.
Задачей полезной модели является: расширение ассортимента обрабатываемых тест-объектов путем обеспечения возможности комплексного биотестирования природных сред, как минимум, тремя различными независимыми биотестами, в числе которых бактерии, водные простейшие организмы (инфузории) и активные клетки высших (половые клетки млекопитающих) для повышения объективности оценки качества компонентов природной среды и оперативности получения данных.
Поставленная задача решается следующим образом.
В устройство, работающее как анализатор изображений (токсичности) и содержащее блок подготовки проб, измерительные кюветы, оптико- механический и электронный блоки, осуществляющие регистрацию временной зависимости подвижности суспензии половых клеток млекопитающих, вводят дополнительные блоки: блок импульсного фотометра, осуществляющего регистрацию концентрации инфузорий, и блок люменометра, осуществляющего измерение интенсивности биолюминесценции бактерий и все рабочие блоки подключают к одному электронному блоку.
В качестве блоков, осуществляющих регистрацию временной зависимости подвижности суспензии половых клеток млекопитающих может использоваться, например, стандартный анализатор изображений (токсичности) марки АТ-05.
В качестве блока импульсного фотометра, осуществляющего регистрацию концентрации инфузорий может использоваться, например, импульсный фотометр «Биотестер-2» по ТУ 401-51-005-91.
В качестве блока люменометра, осуществляющего измерение интенсивности биолюминесценции бактерий, может использоваться, например, прибор экологического контроля «Биотокс-10М».
В качестве электронного блока может использоваться, например, ноутбук или нетбук.
Схема одного из вариантов предлагаемого устройства представлена на фигуре, где:
1 - блок электропитания 220 В или 12 В,
2 - оптико- механический блок и блок подготовки проб анализатора изображений,
3 - блок импульсного фотометра,
4 - блок люменометра,
5, 6, 7 - кюветные модули,
8, 9, 10 - табло результатов блока,
11 - компьютер.
Работа полезной модели осуществляется следующим образом:
Включают в электрическую сеть блок питания (1). Переключателями задают необходимые режимы работы блоков (2, 3, 4).
Анализируемый и контрольный образцы жидкости наливают в измерительные кюветы, которые вставляют в соответствующие гнезда всех кюветных модулей (5, 6, 7).
Фотоприемники улавливают световые импульсы, прошедшие через измерительные кюветы и передают соответствующие сигналы на внутренние блоки обработки, которые, в свою очередь, передают их в компьютер. Соответственно по блокам:
Оптико- механический блок и блок подготовки проб анализатора изображений (2):
- Луч света проходит через светофильтры, измерительные кюветы (5) и через объектив попадает в фотоприемник а, в качестве которого может использоваться цифровая фотокамера подключенная к компьютеру. Цифровым анализом микроскопических видеоизображений по заданной программе компьютер определяет подвижность половых клеток в каждой измерительной кювете (капилляре). Измерение автоматически производится через заданные промежутки времени. Непрерывно идет сопоставление подвижности суспензии половых клеток в капиллярах, содержащих контрольный и испытываемый растворы. Когда для всех капилляров подвижность половых клеток снижается на 95% от начального значения (через 2,5 - 3 часа), накопление данных прекращается; автоматически рассчитывается индекс токсичности испытуемого раствора, представляющий отношение средневзвешенных значений времени подвижности половых клеток в опытных и контрольных капиллярах с растворами, соответственно. Полученные результаты выводятся на дисплей (8) и монитор компьютера (11).
Блок импульсного фотометра (3):
- Луч света проходит через светофильтры, измерительные кюветы (6) и через объектив попадает в фотоприемникB, в качестве которого может использоваться цифровая фотокамера подключенная к компьютеру. Световой поток проходя через светофильтр и рабочие кюветы формирует на фотоприемникеB изображение инфузорий. Анализатор изображений, укомплектованный портативным персональным компьютером, оценивает положение и изменение положения инфузорий в кювете во времени. Динамика этих изменений регистрируется и преобразуется в количественный критерий оценки опасности среды - индекс токсичности.
Относительное уменьшение вышедших в верхнюю часть испытательной кюветы инфузорий по сравнению с контрольной и определяет индекс токсичности описываемый выражением:
Т=(Cконтр - Cопыт) / С контр,
где Cконтр и Cопыт - концентрации (в условных единицах) инфузорий в "контрольной" и "испытательной" кюветах соответственно.
Блок люменометра (4):
- Оценка интегральной токсичности водных сред данным устройством осуществляется сравнением изменения во времени интенсивности натуральной биолюминисценции в видимой области спектра морской бактерии Vibrio fischeri или генно - инженерных штаммов бактерий (например биосенсор «Эколюм» по ТУ 6-09-20-236-93) в испытательной пробе с контрольной пробой.
Слабые световые потоки спонтанной биолюминесценции специализированных бактерий регистрируются фотоприемникомc, в качестве которого может использоваться фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), работающий в режиме счета анодных импульсов. Сигнал с ФЭУ поступает на блок обработки в виде последовательности усиленных импульсов. Информация об интенсивности биолюминесцентного сигнала выводится на дисплей (10) блока (4) и монитор компьютера (11).
Данные со всех трех рабочих блоков поступают в компьютер и подвергаются совокупной обработке по специализированной программе для получения полного объективного заключения о качестве оцениваемого компонента окружающей среды.
Полученные результаты непрерывно выводятся на монитор и по завершению анализа - на принтер.
При этом достигается следующий положительный эффект:
1. Комплексность оценки качества компонентов природной среды и, как следствие, максимальная объективность получаемых результатов.
2. Оперативность получения результатов (необходимое общее время работы устройства не превышает 3-х часов) обусловленное практически одновременным проведением испытаний по всем трем тест-объектам.
1. Устройство комплексной оценки качества природных сред, содержащее блок подготовки проб, измерительные кюветы, оптико-механический и электронный блоки, осуществляющие регистрацию временной зависимости подвижности суспензии половых клеток млекопитающих, отличающееся тем, что в него введены блок импульсного фотометра, осуществляющего регистрацию концентрации инфузорий, и блок люменометра, осуществляющего измерение интенсивности биолюминесценции бактерий, и все три рабочих блока соединены с одним электронным блоком.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блоком импульсного фотометра, осуществляющего регистрацию концентрации инфузорий, может являться прибор «Биотестер-2».
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блоком люменометра, осуществляющего измерение интенсивности биолюминесценции бактерий, может являться прибор «Биотокс-10М».
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок подготовки проб и оптико-механический блок, осуществляющий регистрацию временной зависимости подвижности суспензии половых клеток млекопитающих, могут являться блоками анализатора изображений, токсичности АТ-05.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электронным блоком является портативный персональный компьютер типа ноутбук или нетбук.
