АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ БИОСЕНСОРНЫЙ КОМПЛЕКС РАННЕГО ОПОВЕЩЕНИЯ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВОДНОЙ СРЕДЫ
AUTOMATED BIOSENSOR EARLY WARNING COMPLEX FOR ENVIRONMENTAL MONITORING OF AN AQUATIC ENVIRONMENT

Изобретение относится к области биологии (океанологии, гидробиологии), экологии и охране окружающей среды и предназначено для непрерывного биологического мониторинга и биологической оценки (индикации) качества как морских, так и пресных вод в районах пляжей, включая питьевую и сточные воды в естественных условиях в режиме реального времени.
Известны датчики физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом (патенты РФ на полезные модели №52190 от 03.11.05 г., №61431 от 25.08.06 г.), содержащие источник оптического (инфракрасного) излучения, и система биологического мониторинга окружающей среды, содержащая компьютер и вышеуказанные датчики для измерения физиологической активности водных животных, применяемая в настоящее время для измерения частоты и амплитуды сердечных сокращений пресноводных раков в контролируемых и лабораторных условиях, датчики содержат источник оптического излучения, волоконно-оптический разветвитель, n корпусов с элементами установки на теле тестируемого беспозвоночного, n приемных оптических волокон и n приемников оптического излучения, системы с их использованием содержат компьютер, n аналого-цифровых преобразователей и усилителей, и n датчиков, системы с использованием волоконно-оптических датчиков сложны в изготовлении, неприменимы для реальных природных условий, такие системы могут быть использованы только в искусственных, достаточно выровненных, специальных условиях, заложенная в программу оценка состояния воды по одному физиологическому параметру ненадежна, не определены возможности применения систем кардиомониторов для оценки (индикации) токсичности воды (в том числе водопроводной) при низких (менее 50 ПДК) концентрациях различных токсичных веществ и диапазон реакций на нетоксичные вещества и раздражители.
Известна система физиологического мониторинга сердечных сокращений, потенциально пригодная для биомониторинга водной среды [Depledge М. Н. и др. A computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates // Comparative Biochemistry and Physiology--Part A: Physiology. 1990. Vol. 96. No 4. P. 473-477], содержащая датчик регистрации сердечных сокращений крабов, приклеиваемый на карапаксе краба, содержащий светодиод, фоторезистор, аппаратуру для усиления и обработки электрического сигнала, соединенный с компьютером, имеющим соответствующую программу. Данной системе присущи все недостатки описанной выше системы. Кроме того, использование данной системы приводит как к ошибкам из-за стресса испытуемого животного (краба, рака) вследствие ограничения его естественных движений в аквариуме, а также из-за прикрепления оптоволокна и достаточно значительного веса датчика, так и к ухудшению состояния и частой гибели (замене) животного, что повышает стоимость и усложняет эксплуатацию системы, крайне затрудняет ее использование в природных условиях.
Известна биологическая система оповещения (патенты WO 9514925, FR 2712984, ЕР 0730736 от 01.06.1995), разработанная в Нидерландах и производимая под торговой маркой Mosselmonitor [de Zvvart D.. Kramer K. J. M., Jenner H. A. Practical experiences with the biological early warning system "mosselmonitor" // Environmental Toxicology and Water Quality. 1995. Vol. 10. No. 4. P. 237-247], применяемая во многих странах мира для контроля пресных и, изредка, прибрежных морских вод, а также в водопроводе Будапешта (Венгрия) для контроля качества хлорированной питьевой воды путем мониторинга степени раскрытия раковин двустворчатых моллюсков. Mosselmonitor 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, чтобы производить измерение расстояния между двумя створками раковин, которое пропорционально изменениям магнитного поля. Сигналы от датчиков поступают в компьютер, где с помощью специального программного обеспечения анализируются и визуализируются в виде графиков. При достижении порогового значения определенных параметров (величина открытия створок, продолжительность времени закрытия и открытия в минуту или др.), определяемого экспертом, генерируется сигнальное сообщение о том, какое отклонение параметра вызвало тревогу. До настоящего времени система использовалась только в ограниченных условиях, Недостатки данных методов в том, что они могут быть использованы только для ограниченных условий, достаточно выровненных (таких, как питьевая вода) и спокойных (в тихих прибрежных местах), в реальных природных условиях они не могут применяться, так как не учитывают природной изменчивости поведенческих или других регистрируемых реакций.
Наиболее близким является способ оперативной биоиндикации (патент RU 2395082).
Изобретение относится к области экологии и охране окружающей среды, включая индикацию загрязнения природных вод в режиме реального времени. Способ предусматривает 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, причем биоиндикация 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. Достигаются повышение надежности, оперативности и достоверности
Недостатками биологической системы оповещения, как и других известных «систем раннего предупреждения» (early warning systems), включая указанные выше, в отношении применения в реальных природных условиях, являются пороги срабатывания, вызванные различными воздействующими внешними мешающими факторами, такими как изменение температуры, солености (электропроводность), освещенности, волнения, течения и шумы, влияющие на поведенческие и/или физиологические реакции водных организмов. В результате, естественно-природные изменения факторов среды могут приводить к таким же изменениям параметров (вызывая стресс) как и антропогенные (токсические) воздействия, что неизбежно провоцирует генерацию сигналов ложной тревоги; система становится экологически неадекватной.
На практике установлено, что мидии (например, P. Bernhardus и М. Edulis) реагируют на вибрацию, и их спектральная чувствительность лежит в диапазоне 5-410 Гц. Полная методология изложена в [Roberts L. et al. Sensitivity of the mussel Mytilus edulis to substrate-borne vibration in relation to anthropogenically generated noise // Marine Ecology Progress Series. 2015. Vol. 538. P. 185-195.; Roberts L. et al. Sensitivity of Pagurus bernhardus (L.) to substrate-borne vibration and anthropogenic noise // Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 2016. Vol. 474. P. 185-194]. В этот спектральный диапазон могут входить шумы проходящих кораблей, забивка свай в морское дно, удары волн о береговые сооружения или о сам буй и ряд других воздействий. Обнаружено, что мидии способны реагировать даже на незначительные периодические колебания факторов среды: например, температуры - на 0,1°С (зимой), солености - на 0,2%о.
Задачей патента автоматизированного биосенсорного комплекса раннего оповещения для экологического мониторинга водной среды является оперативное выявление воздействий внешних мешающих факторов, влияющих на поведенческие и/или физиологические реакции водных организмов, и устранение генерации сигналов ложной тревоги.
Техническим результатом автоматизированного биосенсорного комплекса раннего оповещения для экологического мониторинга водной среды является обеспечение непрерывного измерения текущих колебаний функциональной активности организмов-биосенсоров как в искусственных, так и в любых природных условиях с контролем и фильтрацией воздействий внешних мешающих факторов таких как температура, соленость (электропроводность), освещенность, волнение, течение и шумы, влияющие на поведенческие и/или физиологические реакции водных организмов, и выявление степени их отклонений от нормы, в целях повышения точности и достоверности индикации экологически опасных изменений окружающей среды, в первую очередь, токсического загрязнения.
Техническим результатом автоматизированного биосенсорного комплекса раннего оповещения является также обеспечение непрерывной индикации экологического качества морских и речных вод в местах расположения пляжей, а также в местах сброса сточных вод.
Техническим результатом является повышение оперативности и достоверности оценки изменений окружающей среды, повышение надежности способа и исключение ошибок типа «ложной тревоги».
Технический результат достигается тем, что автоматизированный биосенсорный комплекс раннего оповещения для экологического мониторинга водной среды содержит
- измерительные приборы для непрерывной регистрации поведенческих и/или физиологических реакций водных организмов, состоящий из блока колонии мидий соединенного с многоканальным измерителем активности мидий, имеющим узлы крепления мидий и датчики фиксации с преобразователем раскрытия створок мидий в код,
- блока телеметрии имеющего контроллер формирователя измерительного кадра и узлы передачи данных и преобразования напряжения подсоединенного к аккумуляторной батареи и соединенные с блоком электроники, имеющим световой сигнальный огонь и коммуникатор сотовой связи, расположенные в поверхностном буе, и подключенного к антенне сотовой связи,
- передачу полученной информации по сети GSM и сервер на береговой аппаратно-программный блок фиксации аварийных ситуаций, имеющий аналитический и сигнальный блок, содержащие параметры функциональных характеристик организмов-индикаторов, которые вычисляются по сигналам средств измерений, поступающих в аналитический блок,
- выполнение аналитического блока в виде программно-аппаратного устройства, включающего компьютер с программным обеспечением, содержащим базу данных параметров состояния функциональных характеристик различных организмов-индикаторов в норме, выполненную с возможностью ее постоянного пополнения и редактирования, значения измеренных параметров обрабатываются компьютером непрерывно в режиме реального времени, индивидуально для каждой особи организма-индикатора, при превышении степени отклонения их средних значений от нормы автоматически включается сигнальный блок и производится генерация сигнала тревоги,
- в измерительный блок дополнительно установлены малоинерционные каналы температуры, электропроводности, гидростатического давления (глубины), освещенности, волнения, инерциальная навигационная система, а так же вибродатчик, аналоговая или цифровая информация с которых поступает в береговой аппаратно-программный блок фиксации аварийных ситуаций, где обрабатывается с по- мощью специализированной программы вероятностного анализа экологической безопасности с формированием по нескольким ступеням тревоги и передачей сигналов тревоги, что позволяет контролировать и отфильтровывать воздействие внешних мешающих факторов таких, как изменение температуры, солености (электропроводность), освещенности, волнения, течения и шумы, влияющих на поведенческие и/или физиологические реакции водных организмов.
Анализ выявленных при поиске источников информации показал, что заявляемая совокупность существенных признаков неизвестна из уровня техники, что подтверждает соответствие заявленного решения критерию «новизна».
Поскольку заявляемая совокупность существенных признаков позволяет по- лучить новый технический результат, отличный от того, что обеспечивают известные способы, можно утверждать, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 изображен общий вид возможного исполнения заявляемого авто- матизированного биосенсорного комплекса раннего оповещения для экологического мониторинга водной среды. Представленный комплекс состоит из поверхностного буя 19, в котором размещены блок электроники связи 20. В верхней части буя размещен сигнальный огонь 22. В нижней части буя находится герморазьем, к которому через коуш присоединен кабель-трос 28, по которому информация с блока колоний мидий (БКС) 1 поступает в блок электроники связи 20. Внутри БКМ 1 находится аккумуляторная батарея 18. БКМ 1 через вертлюг подсоединен к якорной цепи 29, которая закреплена на грузовом якоре 30, установленном на морском дне.
Изобретение поясняется с помощью структурно-функциональной схемы автоматизированного биосенсорного комплекса (АБКЭМ), представленной на фиг.2, где изображены: 1 - блок колонии мидий (БКМ); 2 - многоканальный (16к) измеритель активности мидий (МИАМ); 3 - узлы крепления мидий (УКМ), входит в состав МИАМ; 4 - датчик фиксации раскрытия створок мидий (ДФРСМ), входит в состав МИАМ; 5 - преобразователь раскрытия створок мидий в код (ПРСМК), входит в состав МИАМ; 6 - блок измерительных каналов (БИК); 7 - канал измерения температуры (КИТ), входит в состав БИК; 8 - канал измерения освещенности (КИО), входит в состав БИК; 9 - канал измерения гидростатического давления (КИГД), входит в состав БИК; 10 - канал измерения электропроводности (КИЭ), входит в состав БИК; 11 - канал измерения волнения (КИВ), входит в состав БИК; 12 - канал инерциальной навигационной системы (КИНС), входит в состав БИК; 13 - канал измерения вибрации (КИВ), входит в состав БИК; 14 - блок телеметрии (БТ); 15 - контроллер формирователя измерительного кадра (КФИД), входит в состав БТ; 16 - узел передачи данных (УПД), входит в состав БТ; 17 - узел преобразования напряжения (УПН), входит в состав БТ; 18 - аккумуляторная батарея (АБ), входит в состав БТ; 19 - поверхностный буй (ПБ); 20 - блок электроники связи (БЭС); 21 - коммуникатор сотовой связи (КСС), входит в состав БЭС; 22 - световой сигнальный огонь (ССО), входит в состав БЭС; 23 - аккумуляторная батарея ССО (АБ ССО), входит в состав БЭС; 24 - антенны сотовой связи (АСС), входит в состав БЭС; 25 - береговой аппаратно-программный блок фиксации аварийных ситуаций (БАПК); 26 - персональный компьютер (ПК); 27 - информационная панель (ИП); 28 - кабель-трос; 29 - цепь якорная; 30 - якорь.
Работает комплекс АБКЭМ следующим образом. Информация о состоянии морской воды, которая окружает блок 1 и выражается в величине раскрытия створок мидий, анализируется 16-канальным измерителем мидий 2, где с помощью уз- лов крепления 3 фиксируются 16 мидий, датчики фиксации раскрытия створок мидий 4 являются датчиками Холла, информация с которых через преобразователь раскрытия створок мидий 5 поступает в блок измерительных каналов 6, куда одно- временно поступает информация с малоинерционного канала измерения темпера- туры 7 о изменении состоянии температуры морской воды, величина светового потока, попадающая на мидии, определяется каналом измерения освещенности 8, глубина нахождения подводного модуля регистрируется каналом измерения давления 9, соленость морской воды определяется каналом измерения электропроводности воды 10, канал измерения волнения 11 построен на базе акселерометра, инерциальная навигационная система 12 выдает информацию о скорости и направлении течения, уровень шумов в широком диапазоне частот определяет канал измерения вибрации 13, вся аналого-цифровая информация с измерителей поступает в блок телеметрии 14, где контроллером 15 формируется измерительный кадр, который поступает на узел передачи данных 16, все электронные узлы запитаны от преобразователя напряжения 17, на который поступает напряжение от аккумуляторной батареи 18, вся измеренная информация поступает в поверхностный буй 19 в блок электронной связи 20, непосредственно на коммутатор сотовой связи 21, здесь же находится световой сигнальный огонь 22, который запитывается от аккумуляторной батареи 23 и информационный сигнал через антенну сотовой связи 24 подается в береговой аппаратно-программный блок фиксации аварийных ситуаций 25, в котором находится ПК 26 и информационная панель 27, передача информации и осуществление электропитания осуществляется через кабель-трос 28, который является грузонесущим, удержание в заданной точке биосенсорного комплекса осуществляется с помощью якорной цепи 29, которая прикреплена к якорю 30.
Береговой аппаратно-программный блок фиксации аварийных ситуаций 25, включающий компьютер 26 с соответствующим программным обеспечением в качестве компьютера может быть использован как современный ПК с соответствующими возможностями, так и специализированный компьютер с многопроцессорной архитектурой, позволяющий принимать одновременно несколько потоков данных и выполнять параллельно несколько фрагментов одной задачи и содержащий пополняемую базу данных параметров состояния функциональных характеристик двухстворчатых моллюсков, программу выявления и генерации отклонений измеряемых параметров, выполненную с возможностью изменения ее настроек в процессе эксплуатации при превышении пороговых показателей, полученных с мидий, одновременно анализируется информация, поступающая с блока 6 БИК со всех измерительных каналов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и обрабатывается с помощью специализированной программы вероятностного анализа экологической безопасности с формированием по нескольким ступеням тревоги и передачей сигналов тревоги в режиме он-лайн с отображением на информационной панели 27.
В отличие от других систем биоиндикации, заявляемый автоматизированный биосенсорный комплекс раннего оповещения для экологического мониторинга водной среды направлен на повышение надежности и исключение ошибок типа «ложной тревоги» при выявлении и индикации токсических веществ, находящихся в морских и речных водах, при наличии внешних мешающих факторов таких, как изменение температуры, солености (электропроводность), освещенности, волнения, течения и шумы, которые влияют на поведенческие и/или физиологические реакции водных организмов.