Мобильная установка для определения в режиме удаленного доступа влияния штаммов черноморских альговирусов и вирусного лизиса представителей фитопланктона на оптико-физические свойства морской воды
MOBILE UNIT FOR DETERMINING THE INFLUENCE OF STRAINS OF BLACK SEA ALGAL VIRUSES AND VIRAL LYSIS OF PHYTOPLANKTON SPECIES ON THE OPTICAL AND PHYSICAL PROPERTIES OF SEAWATER IN THE REMOTE ACCESS MODE

Изобретение относится к специальному оборудованию, предназначенному для демонстрационно-практического изучения процессов изменения оптико-физических свойств морской воды (показатель ослабления света, флуоресценция, электропроводность и др.) под влиянием черноморских микробиологических составляющих - штаммов альговирусов и вирусного лизиса представителей фитопланктона, и может быть использовано для определения влияния широкого круга других микробиологических составляющих (бактерий, микроводорослей и вирусов) на свойства воды из любого другого естественного водоема.
В предшествующем уровне техники аналогов заявленного изобретения не обнаружено.
Решаемая изобретением техническая проблема заключается в создании устройства, обеспечивающего получение новых научных знаний - знаний об изменении в динамике свойств воды Черного моря в условиях «цветения» фитопланктона. Ранее это явление не изучалось. Черное море - древнейший водоем на Земле, поэтому новые знания об экологии и биологии его микробиологической составляющей (вирусы, бактерии, микроводоросли) являются актуальными на любом этапе современности. Согласно изобретению, создается модель этого явления (как без влияния вирусного лизиса, так и при его влиянии) - создаются искусственные идеальные условия для эксперимента в условиях лаборатории (микрокосма), а не в условиях макрокосма (в море). Это обусловливает технический результат изобретения - возможность с высокой степенью достоверности выявлять вклад, вносимый черноморской микробиологической, в том числе вирусологической, составляющей в изменения оптико-физических свойств воды, что повышает точность гидрологических и экологических исследований акваторий.
Согласно изобретению процесс изучения динамики изменения свойств воды осуществляется в режиме удаленного доступа и может проводиться непрерывно и вне зависимости от климатического сезона. Процесс сопровождается контролем таких параметров, как освещенность поверхностей, температура жидкости и температура окружающей среды, при этом осуществляется непрерывная фото- и видеофиксация данных измерений одновременно в контрольной (без вирусологической составляющей) и опытовой емкостях. Возможность осуществления измерений в on-line режиме непрерывно и внесезонно, а также объективная (в автоматическом режиме) фиксация данных в процессе измерений - это дополнительные технические результаты изобретения.
В созданной изобретением лаборатории, вместо стационарных измерителей, могут также применяться переносные малогабаритные цифровые измерители - приборы, предназначенные для экспедиционных исследований, что придает лаборатории свойства мобильности, значительно удешевляет конструкцию и расширяет спектр применения экспедиционного оборудования. Это - дополнительные технические результаты изобретения.
Лаконичность конструкции заявленного устройства обеспечивает надежность его работы, придает устройству свойства универсальности, так как оно может быть использовано для изучения влияния на свойства воды широкого круга микробиологических составляющих, при этом транспортировка и развертывание лаборатории не представляют особых сложностей, и под помещение этой лаборатории могут быть легко переоборудованы каюта научно-исследовательского суда, помещение на морской платформе или береговое. Надежность и универсальность устройства - это также дополнительные технические результаты изобретения.
Отличительной особенностью изобретения является использование в качестве биологических составляющих черноморских культур микроводорослей и новых для науки штаммов черноморских альговирусов, некоторые из которых могут быть патогенными для людей [Stepanova О.A., Solovyova Y.V., Solovyov А.V. Results of algae viruses search in human clinical material // Ukrainica Bioorganica Acta. 2011. №2. P. 53-56].
Изобретение позволяет расширить научные представления о влиянии на вирусы внешних факторов и их влиянии на природу. Полученные новые знания могут использоваться для решения актуальных задач, связанных с ролью морских вирусов, с их значением в экологии гидросферы, в том числе Черного моря, со значением вирусного лизиса представителей черноморского фитопланктона на изменение физики моря. Изобретение имеет не только научное, но и прикладное значение в стратегическом направлении, поскольку физика моря важна при решении многих стратегических задач (создание приборов и боевого вооружения, зависящих от характеристик водной среды).
Изобретение обеспечивает сбор данных измерений, их оперативную передачу по беспроводному каналу пользователю (исследователю) и представление этих данных в реальном масштабе времени. Данные могут быть получены в виде цифровых значений и графиков, что делает результаты исследований более наглядными.
В уровне техники не обнаружено средство, содержащее совокупность признаков, которая была бы идентична совокупности существенных признаков заявленного изобретения, поэтому изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Сами по себе существенные признаки заявленного изобретения в технике известны. Например, известна установка для культивирования низших фототрофов [патент RU на полезную модель №150345, C12N 1/12, опубл. 10.02.2015 Бюл. №4], которая включает в себя фотобиореакторы, систему освещения и установочную площадку для культивирования низших фототрофов. Эта установка не может быть использована для изучения влияния микробиоты, в частности альговирусов и вирусного лизиса, на оптические свойства жидкости, но такие ее признаки, как система освещения и размещенные на установочной площадке емкости, сходны с существенными признаками заявленного изобретения (но именно сходны, а не идентичны, так как в этой установке используется совершенно иное средство освещения, а емкости не имеют назначения «для контроля» и «для опыта»).
Известно также стационарное устройство для изучения контакта вирусов и их одноклеточных хозяев, представленное в работе «Фундаментальные изменения в рассеянии света, связанные с заражением бактериофага морскими бактериями» [Fundamental changes in light scattering associated with infection of marine bacteria by bacteriophage / W.M. Balch, M. Jr. Vaughn, J.F. Novotny [et al.] // Limnol. Oceanogr. 2002. N 47. P. 1554-1561.]. В этой работе описано оборудование и методика по проведению экспериментов по изучению влияния бактериофагов и вирусного лизиса (с использованием Psuedomonas perfectomarina) на оптические свойства жидкости. Здесь эксперименты проводятся в условиях мезокосма (мезокосм - это открытая экспериментальная система), и это принципиально отличает этот источник известности от заявленного изобретения. Это оборудование не может быть использовано для решения задачи заявленного изобретения, но оно содержит сходные с изобретением признаки, которые широко применяются в этой области техники - средство освещения и емкости «для контроля» и «для опыта». Однако здесь используется совсем иное, чем в изобретении, средство освещения (естественное), и емкости выполнены в виде 100-литровых снабженных пробоотборными трубками пластиковых мешков, из которых периодически для измерений, подсчетов и анализов отбирают однолитровые аликвоты. То есть, это оборудование исключает возможность непрерывных, и on-line, исследований изменения характеристик сред в этих емкостях, и это тоже принципиально.
Что касается соответствия заявленного изобретения «изобретательскому уровню», то в технике не известно влияние существенных признаков заявленного изобретения на достижение технических результатов этого изобретения. Именно из описания заявленного изобретения (несмотря на его кажущуюся простоту), а не из известных в предшествующем уровне технике решений, становится ясна причинно-следственная связь существенных признаков изобретения и его технических результатов. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Заявленная мобильная установка для определения, в режиме удаленного доступа, влияния штаммов черноморских альговирусов и вирусного лизиса представителей фитопланктона на оптико-физические свойства морской воды содержит следующие существенные признаки:
- расположенная в помещении установочная площадка;
- на установочной площадке размещена п-образная стенка заданной высоты;
- внутри стенки размещены две соприкасающиеся идентичные емкости заданных размеров, одна из которых предназначена «для контроля», а другая - «для опыта»;
- емкости выполнены из прозрачного пищевого пластика и заполнены морской водой;
- емкости снабжены идентичными градуировочными шкалами;
- емкости закрыты быстросъемными выполненными из прозрачного пищевого пластика крышками, снабженными клапанами для естественного воздухообмена;
- внутренний контур стенки и поверхность установочной площадки, на которой размещены емкости, имеют отражающее свет и тепло покрытие;
- на заданном расстоянии от емкостей равноудаленно от них и перед их фронтальными поверхностями установлен автоматически регулируемый источник искусственного дневного освещения заданной мощности;
- цифровой измеритель освещенности, содержащий по крайней мере четыре чувствительных элемента, установленных на уровне центральной части емкостей на их фронтальных и на задних поверхностях;
- комплект малогабаритных цифровых измерителей заданных оптико-физических свойств воды, расположенных на уровне центральной части емкостей;
- этот комплект измерителей оптико-физических свойств воды имеет эквивалентные варианты исполнения - или в виде пар идентичных заданных измерителей, у которых измерители в каждой паре установлены в каждую из емкостей, или в виде одиночных заданных измерителей, выполненных с возможностью попеременной установки в каждую из емкостей;
- цифровой измеритель температуры окружающей среды,
- оборудование для перемешивания содержимого в каждой из емкостей;
- оборудование для механической фильтрации и для пастеризации воды;
- две камеры фото- и видеоаппаратуры;
- одна камера фото- и видеоаппаратуры установлена ниже источника освещения на уровне центральной части емкостей и равноудалено от них, и ее объектив направлен на фронтальные поверхности емкостей;
- другая камера фото- и видеоаппаратуры установлена выше емкостей и в плане - в центре между ними, и ее объектив направлен вертикально вниз;
- персональный компьютер, оснащенный Bluetooth или другим беспроводным каналом передачи данных, подключенный непосредственно или дистанционно к источнику освещения, измерителям оптико-физических свойств воды, к оборудованию для перемешивания содержимого в емкостях и к камерам фото- и видеоаппаратуры;
- помещение выполнено с возможностью исключения в нем иного освещения, и имеет заданные значения влажности и температуры.
Сущность изобретения и характеристика его существенных признаков, а также соответствие изобретения условию «промышленная применимость», поясняются со ссылками на иллюстрацию, на которой изображен конкретный пример реализации изобретения.
В состав установки входят: расположенная в помещении установочная площадка 1, на которой размещена п-образная (или с-образная, что эквивалентно) стенка 2 заданной высоты.
Внутри этой стенки размещены две соприкасающиеся (в смысле максимально приближенные друг к другу, рядом расположенные) идентичные емкости 3 и 4 в виде полиэтиленовых сосудов заданных размеров из прозрачного пищевого пластика.
Емкости 3, 4 заполнены исследуемой морской водой. Одна из емкостей (3) предназначена «для контроля» (культуры микроводоросли), а другая (4) -«для опыта» (культура в контакте с вирусами). На лицевых гранях емкостей нанесены идентичные градуировочные шкалы (на иллюстрации не показаны), отображающие объем заполнения емкостей, в литрах.
Каждая из емкостей 3, 4 закрыта быстросъемной выполненной из прозрачного пищевого пластика крышкой 5, снабженной клапаном 6 для естественного воздухообмена.
Стенка 2 имеет высоту, сопоставимую с высотой емкостей 3, 4 (их высоты, например, равны). Внутренний контур стенки 2 (т.е. обращенная к емкостям 3, 4 поверхность стенки, по всей ее высоте) и поверхность установочной площадки 1, на которой размещены емкости (т.е. поверхность площадки 1 внутри этой стенки 2) имеют отражающее свет и тепло покрытие (т.е. эти поверхности соответствующе окрашены или покрыты материалом). Стенка 2 может иметь различные эквивалентные варианты ее исполнения - она может быть выполнена как в виде жесткого элемента, так и в виде укрывного материала, охватывающего (с-образно) емкости 3, 4.
На заданном расстоянии от емкостей 3 и 4, равноудаленно от них и перед их фронтальными поверхностями, размещен на штативе (штатив на иллюстрации изображен, но позицией не обозначен) искусственный источник 7 освещения заданной мощности, по характеристикам близкий к дневному свету, автоматически регулируемый для обеспечения оптимальных условий развития исследуемых культур.
Установка содержит цифровой измеритель 8 освещенности (люксометр), содержащий, по крайней мере, четыре чувствительных элемента, которые установлены на уровне центральной части емкостей 3 и 4, на их фронтальных и на задних (относительно источника 7 освещения) поверхностях, (т.е. на каждой, фронтальной или задней, поверхности каждой из емкостей 3, 4 установлено не менее чем по одному чувствительному элементу).
Установка содержит комплект (набор, блок) малогабаритных цифровых измерителей 9 заданных оптико-физических свойств морской воды, которые располагаются на уровне центральной части контрольной 3 и опытовой 4 емкостей (т.е. именно здесь размещается оптическая база оптических измерителей). Объем (габариты) емкостей 3, 4 задаются исходя из условия достаточности для размещения в них оптической базы. Этот комплект малогабаритных цифровых измерителей 9 может быть выполнен в альтернативных вариантах. Согласно первому варианту исполнения (именно он представлен на иллюстрации) в этот комплект входят пары заданных измерителей - в данном случае два измерителя температуры и два измерителя солености (комплект может включать и другие пары измерителей, в зависмости от поставленных задач). В каждой такой паре измерители идентичны и установлены, соответственно, в емкость 3 и в емкость 4. Согласно второму варианту исполнения в этот комплект входят одиночные измерители заданных оптико-физических свойств воды (например, измеритель температуры и измеритель солености), которые выполнены с возможностью установки каждого из этих измерителей попеременно в каждую из емкостей. Комплект малогабаритных цифровых измерителей 9 может быть выполнен и в другом альтернативном варианте - согласно которому в него входят как пары измерителей, так и одиночные измерители.
Установка содержит цифровой измеритель температуры окружающей среды, а также оснащена оборудованием для фильтрации воды от механических примесей и для ее пастеризации (на иллюстрации все эти элементы устройства не изображены и позицией не обозначены) и оборудованием 10 для перемешивания содержимого в каждой из емкостей, причем постоянного и без нанесения механического вреда изучаемой среде с микроорганизмами, - в данном примере для этого используются погружные помпы для аквариума.
Установка содержит две камеры 11,12 фото- и видеоаппаратуры. Одна из них (11) установлена ниже источника 7 освещения на уровне центральной части емкостей 3, 4, и равноудалено от них (она установлена на штативе источника 7 освещения), и объектив этой камеры направлен горизонтально на фронтальные поверхности емкостей. Другая камера (12) установлена выше емкостей 3, 4 (в данном случае она установлена на штативе, закрепленном на потолке помещения) и в плане - в центре между емкостями, и ее объектив направлен вертикально вниз (т.е. объектив этой камеры на «виде сверху» проецируется в точку, которая равноудалена от центров емкостей 3, 4 и лежит на их общей оси).
Источник освещения 7, измерители 9 оптико-физических свойств морской воды, оборудование для перемешивания содержимого в емкостях и камеры 11, 12 фото- и видеоаппаратуры подключены непосредственно или дистанционно к лабораторному персональному компьютеру 13, который оснащен Bluetooth или другим беспроводным каналом передачи данных. С ПК 13 ведется управление мощностью освещения, частотой перемешивания содержимого в емкостях, частотой опроса и записи данных с измерителей, процессом фото- видеофиксации. Т.е., запись и визуализация всех данных происходит на ПК 13, а в случае использования дистанционных приборов передача данных происходит по беспроводному каналу или другим способом, предусмотренным разработчиком оборудования.
Используемое помещение исключает проникновение в него иного освещения, кроме как штатное освещение от источника 7, и имеет внутри заданные значения влажности и температуры. Это необходимо для создания идеальных экспериментальных условий, для исключения внешних посторонних световых шумов, для создания оптимальных условий для роста культур. Для этого помещение снабжено оборудованием для контроля климата, в нем дверь и окна (если имеются) уплотнены и надежно защищают от проникновения постороннего света (например, они закрыты плотными не пропускающими свет шторами), и его стены выкрашены в черный цвет.
Для осуществления цитометрического анализа установка оснащается оборудованием для отбора и хранения проб.
Заявленная мобильная установка для определения, в режиме удаленного доступа, влияния штаммов черноморских альговирусов и вирусного лизиса представителей фитопланктона на оптико-физические свойства морской воды функционирует следующим образом.
Морскую воду, отобранную из естественного водоема, подвергают фильтрации (через ватно-марлевый фильтр) и пастеризации (путем нагрева до 70°С) и охлаждают до температуры окружающей среды. Охлажденную пастеризованную морскую воду в равном объеме заливают в контрольную 3 и опытовую 4 емкости.
Запускается система 10 постоянного перемешивая содержимого в емкостях.
В каждую из емкостей заливают равное количество аквакультуры микроводоросли.
Далее в опытовую емкость 4 заливают суспензию альговируса (или любую другую, способную привести к изменению оптических и электрических свойств жидкости). В контрольную емкость 3 в идентичном объеме суспензии альговируса заливают пастеризованную морскую воду (близкую по физическим свойствам суспензии альговируса). Вместо пастеризованной воды может быть использована суспензия альговируса, предварительно подвергшаяся вирусной дезактивации, например путем пастеризации или воздействия УФ.
С начала процесса заполнения системы морской водой происходит непрерывная запись оптических показателей (оптическими приборами), солености, освещенности, температуры и фото- и видеоматериалов (запись визуальных изменений, происходящих в сосудах) с частотой, заданной пользователем через интерфейс компьютера 13.
При необходимости - для цитометрического анализа - оператор раз в сутки производит отбор проб аликвоты из емкостей.
В емкостях размещены идентичные оптические сенсоры, причем в зависимости от исследуемых параметров (флуоресценция, прозрачность) сенсоры могут быть заменены, или могут производиться синхронные измерения нескольких оптических параметров.
Использование переносных малогабаритных оптических приборов, предназначенных для экспедиционных исследований, является преимуществом установки. В случае автономного исполнения приборов, и при наличии возможности подключения по Bluetooth каналу, данные передаются по Bluetooth каналу. В случае автономного исполнения и записи данных в свой накопитель данных, данные, получаемые с автономных измерителей, синхронизированы по времени с данными, получаемыми с других измерителей.
В случае применения одного оптического прибора измерения проводят попеременно в «контроле» и «опыте», в зависимости от скорости изменения оптических параметров, заметных на фото- и видеоаппаратуре и при визуальном осмотре, к примеру, для альгологических культур (изолятов из Черного моря) достаточно одного измерения в сутки.
В случае использования только одного погружного измерителя (оптического, солености и т.п.) измерения проводят первоначально в контроле (чтобы исключить воздействие микробиоты опыта на контроль). При этом интервал времени между началом измерения в «опыте» и окончанием измерения в «контроле» не должен превышать 10 минут.
Перед каждым измерением оптическую базу прибора следует протереть мягкой тканью, а после измерений промыть дистиллированной водой.
После измерения в «опыте» в случае применения одного прибора оптическую базу следует промыть пресной водой и выдержать в обеззараживающем растворе не менее часа, к примеру, для дезактивации черноморских альговирусов подходит воздействие пресной водой в течение часа.
После процесса обеззараживания измеритель следует высушить, для ускорения процесса сушки можно использовать мягкую ткань.
Таким образом, созданная лабораторная установка обеспечивает непрерывную запись изменения всех исследуемых (необходимых) оптических параметров, в том числе и сопутствующих физических изменений и условий для изучения влияния микробиологической составляющей на физические (абиотические) свойства морской воды.
Данный результат интеллектуальной деятельности создан в рамках выполнения темы государственного задания №0827-2019-0002 «Развитие методов оперативной океанологии на основе междисциплинарных исследований процессов формирования и эволюции морской среды и математического моделирования с привлечением данных дистанционных и контактных измерений» (шифр «Оперативная океанология»).