Автоматизированный программно-аппаратный комплекс для культивации диатомий в микромасштабе

Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Rivera, J. E. M. Regularizing Properties and Propagations of Singularities for Thermoelastic Plates / Jaime E. Munoz Rivera, Luci Harue Fatori // Math. Meth. Appl. Sci. - 1998. - V.21. - P. 797821.

2. Новацкий, В. Динамические задачи термоупругости / В. Новацкий. - М.: Мир, 1970.

3. Купрадзе, В. Д. Трехмерные задачи математической теории упругости и термоупругости / В. Д. Купрадзе, Т. Г. Гегелия, М. О. Башелей-швили, Т. В. Бурчуладзе. - М.: Наука, 1976.

4. Фалалеев, М. В. Фундаментальные оператор-функции сингулярных дифференциальных операторов в банаховых пространствах / М. В. Фалалеев // Сиб. мат. журн. - 2000. -Т.41, №5. - С. 1167-1182.

5. Sidorov, N. Lyapunov-Schmidt Methods in Nonlinear Analysis and Applications / N. Sidorov, B. Loginov, A. Sinitsyn and M. Falaleev. - Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2002.

6. Владимиров, В. С. Обобщенные функции в математической физике. - М.: Наука, 1979.

7. Орлов, С. С. Классические и обобщенные решения вырожденного дифференциально-операторного уравнения третьего порядка в банаховых пространствах / С. С.Орлов // Вестник Бурятского государственного университета. Математика и информатика. - 2008. - Вып. 9. -С. 84-90.

8. Вайнберг, М. М. Теория ветвления решений нелинейных уравнений / М. М. Вайнберг, В. А. Треногин. - М.: Наука, 1969.

9. Орлов С.С. Классические решения вырожденного дифференциально-операторного уравнения третьего порядка в банаховых пространствах / С. С. Орлов // Известия Иркутского государственного университета. Серия «Математика». - 2007 - Т.1, №1. - С. 205-211.

10. Логинов, Б. В. Обобщенная жорданова структура в теории ветвления / Б. В. Логинов, Ю. Б. Русак // Прямые и обратные задачи для дифференциальных уравнений в частных производных и их приложения. - Ташкент: ФАН, 1978. - С.133-148.

УДК 62.53.001+004.4242 И.А. Асламов,

научный сотрудник Лимнологического института СО РАН (г. Иркутск),

тел. 8(3952)423299, ilya_aslamov@bk.ru

М.М. Макаров,

научный сотрудник Лимнологического института СО РАН. (г. Иркутск),

тел. 8(3952)423299, mmmsoft@fromru.com

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ КУЛЬТИВАЦИИ ДИАТОМИЙ В МИКРОМАСШТАБЕ

I.A. Aslamov, M.M. Makarov

THE AUTOMATED HARDWARE-SOFTWARE COMPLEX FOR DIATOMS CULTIVATION IN THE MICROSCALE

Аннотация. Для исследования физических факторов, влияющих на рост и размножение диатомовых водорослей, разработана комплексная методика культивирования одноклеточных водорослей, включающая инкубатор для культивирования микроводорослей с автоматическим регулированием температуры и освещения и про-

грамму экспрессного автоматического подсчета клеток по фотографиям ячеек планшета. Выполнена верификация разработанной методики с ручным подсчетом клеток. Приведены результаты исследований с использованием разработанного комплекса.

иркутским государственный университет путей сообщения

Ключевые слова: управление температурой, ПИ-регулятор, широтно-импульсная модуляция, инкубатор, диатомовые, культивирование.

Abstract: A comprehensive method of cultivation of unicellular algae was developed to investigate the physical factors affecting the growth and reproduction of diatoms. Technique includes a small desktop incubator for cells cultivation with automatic temperature and lighting control and the program of automatic cell counting from photographs of wells in the plate. The verification of the developed technique with manual cells calculation was made. Results of researches with help of the developed complex are given.

Keywords: temperature control, PI-regulator, pulse-width modulation, incubator, diatoms, cultivation.

Роль в природе и практическое значение диатомовых водорослей очень велики. В альгоф-лоре морей и океанов они составляют до 80 % и более систематического состава водорослей, создают 50 % всей органической массы океана и почти 1/4 глобальной продукции живого вещества Земли. Для выделения белков, полиненасыщенных жирных кислот и генов необходимо огромное количество водорослей (для выделения одного грамма белка следует переработать до 10 тонн водорослей). Чтобы выращивать такие объемы диа-томей, важно знать оптимальные физические (температура, освещенность) и химические условия для их размножения, поэтому для большей точности и экономичности актуальным является создание тест-систем в микромасштабе.

Для исследования физических факторов, влияющих на рост и размножение диатомовых водорослей, разработана комплексная методика культивирования диатомовых водорослей, включающая инкубатор для культивирования микроорганизмов с автоматическим регулированием температуры и освещения, конструкция которого защищена патентом РФ № 82457 RU, а также программу экспрессного автоматического подсчета клеток по фотографиям ячеек планшета.

Блок-схема устройства разработанного инкубатора представлена на рис. 1. Инкубатор состоит из термо- и свето-стабилизированной камеры и блока управления. Устройство работает под управлением микроконтроллера PIC18F4550 фирмы Microchip. Для охлаждения используются элементы Пельтье. Температура измеряется цифровыми термодатчиками DS18B20 фирмы Dallas

Semiconductors, работающими по протоколу Microlan. Освещение реализовано на шести белых сверхъярких светодиодах серии LUXEON Star (LXHL-MWEC), позволяющих плавно изменять освещенность в камере в диапазоне от 0 до 45 цшоЬш" •s- . Необходимая освещенность задается путем изменения коэффициента заполнения ши-ротно-импульсной модуляции от 0 до 1023. Для получения непрерывной освещенности широтно-импульсная модуляция сглаживается на конденсаторе большой емкости. В качестве часов реального времени для реализации суточных циклов освещения применена микросхема DS1302 с резервным источником питания и термокомпенсированным кварцевым генератором DS32KHZ. Для настройки и управления инкубатором применена пленочная клавиатура из девяти кнопок. Информация отображается на жидкокристаллическом дисплее фирмы Data Vision, управляемом по параллельному порту. Имеется возможность подключения персонального компьютера через USB или COM порты.

Охлаждаемая камера объемом 2 литра рассчитана на два 96-луночных микропланшета для культивирования. Диапазон температуры в планшете может задаваться от 0 до +20 оС.

Термостабилизированная камера

Рис. 1. Блок-схема устройства

Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы

Абсолютная точность поддержания заданной температуры составляет ±0,5 оС. Роль теплового насоса играют два элемента Пельтье, расположенные с двух противоположных сторон охлаждающей камеры. Для обеспечения хорошей теплопроводности внутренняя поверхность камеры собрана из дюралевых пластин толщиной 5 мм. Для рассеяния тепла, выделяемого с элементов Пельтье в окружающую среду, используются обдуваемые вентиляторами радиаторы. Для обеспечения хорошего теплового контакта все соприкасающиеся элементы теплопередающего каскада зашлифованы и обработаны термопастой. В качестве теплоизолятора был использован пенопласт толщиной 2 см, проложенный со всех сторон охлаждаемой камеры. В целях минимизации теплового излучения светодиоды выведены в отдельную камеру, расположенную в крышке инкубатора, изолированную стеклопакетом. Два микровентилятора обеспечивают непрерывный проток воздуха через камеру со светодиодами. Внешний вид инкубатора приведен на рис. 2.

Блок управления вынесен в отдельный корпус и независим от ПК. Вся настройка инкубатора производится через клавиатуру. Текущее состояние устройства индицируется на жидкокристаллическом дисплее. При помощи программы на ПК можно оперативно получать информацию о состоянии инкубатора, а также изменять параметры работы. Выход на температурный режим составляет не более 30 минут.

Для изучения влияния режимов освещения на рост диатомовых водорослей было создано дополнительное устройство (рис. 3), позволяющее создавать индивидуальные условия освещенности в каждом ряде 96-луночного планшета для культивирования.

Рис. 2. Внешний вид инкубатора: 1 - светодиоды, 2 - дюралевые пластины, 3 - радиаторы, 4 - охлаждаемая камера, 5 - блок управления

Рис. 3. Устройство для проведения экспериментов с освещением

Устройство состоит из светодиодной матрицы с микропроцессорным управлением, устанавливаемой над микропланшетом из черного пластика, с прозрачными крышкой и дном (Whatman, New Jersey, U.S.A.). Разработанное устройство позволяет исследовать как влияние импульсного света (с периодами от 10 мкс), так и влияние различных длин светового времени суток на рост и размножение микроводорослей. В устройстве реализовано автоматическое включение и выключение освещения для моделирования времени суток.

Для поддержания нужной температуры в камере применяется двухкаскадная система программных ПИ-регуляторов. Мощность охлаждения при таком подходе управляется плавно при помощи широтно-импульсной модуляции (ШИМ) Частота ШИМ составляла 40 кГц, разрядность -10 бит (1024 градации). Эксперименты показали, что регулирование температуры в термостате напрямую мощностью охлаждения элементов Пель-тье имеет значительное запаздывание и, как следствие, только «раскачивает» систему. Поэтому было решено разбить систему на два зависимых ПИ-регулятора, первый из которых управляет температурой охлаждающих пластин, а второй уже непосредственно мощностью охлаждения. Получившаяся двухкаскадная система показала наилучшие результаты. Пример охлаждения и поддержания стабильной температуры +6 оС при таком алгоритме регулирования приведен на рис. 4.

иркутским государственный университет путей сообщения

I ' 1 I

10:00 10:30 11:00

Время

Рис. 4. Охлаждение планшета при управлении двухкаскадной системой зависимых ПИ-регуляторов

Изначально в инкубаторе работало освещение, а в момент времени 11:00 было произведено его отключение, при этом видно, что температура воды в лунке понизилась примерно на один градус при постоянной температуре датчика терморегулирования. Более высокая температура воды лунки в момент освещения обусловлена прогревом за счет инфракрасного излучения от светодиодов. Из графика видно, что на поддержание заданной температуры терморегулирования после выключения света понадобилась уже чуть более высокая температура охлаждающих пластин и, как следствие, меньшая мощность охлаждения (коэффициент К).

Из рис. 4 видно, что колебания температуры по датчику терморегулятора при установившемся процессе не превышает ±0,06 оС, а при переходных процессах ±0,2 оС.

Обычно биологи подсчитывают численность клеток вручную, наблюдая в окуляр микроскопа. На эту процедуру уходит много времени, а самое главное, нарушаются условия эксперимента, так как планшет за время подсчета нагревается. Поэтому для автоматизированного контроля за ростом численности диатомовых водорослей была разработана методика подсчета по фотографиям ячеек планшета. Методика включает в себя три главных пункта:

1. Фотографирование на микроскопе Zeiss при помощи программы «ВидеоТест».

2. Пакетная обработка в Photoshop.

3. Автоматический подсчет в среде Image

Pro.

Фотографирование ячеек производили фотокамерой Pixera Penguin 600CL, стыкованной с микроскопом Axiovert 200, используя программу VideoTest-Razmer 5.0 (videotest). Фотографии сохраняли в формате tiff с глубиной каналов 16 бит и разрешением 2776^2074. Обработку фотографий выполняли в программе Photoshop (Adobe System Incorporated), подсчет клеток диатомей произво-

дили в среде Image Pro Plus (The Proven Solution™). В этом случае на одну фотографию умещается ровно одна ячейка планшета. Наличие мениска в ячейке обусловливало значительное различие в освещенности центральной части лунки и ее периферии, что не давало возможности сфотографировать ячейку целиком при одном экспонировании (рис. 5). Поэтому для каждой лунки делали две фотографии при разных выдержках: 200 мкс для центра ячейки и 5 мс для края.

На фотографии периферии лунки диатомеи выделялись в инвертированном, белом, цвете, поэтому перед обработкой эти фотографии дополнительно инвертировались (рис. 5, Б).

Рис. 5. Сектора фотографии лунки: А - центр лунки, Б - инвертированный край лунки

Предварительная обработка в Photoshop изображений заключалась в применении фильтра «High pass» и перевода фотографий в режим «Grayscale».

Для автоматического подсчета количества клеток были написаны макросы на языке Basic в среде Image Pro. Для каждой ячейки обрабатывались обе фотографии и результаты подсчетов складывались. На рис. 6 приведена обработанная фотография, подсчитанная компьютером, диато-меи выделены на ней черным цветом.

Рис. 6. Подсчитанная компьютером фотография ячейки

Для верификации разработанной методики автоматического подсчета провели серию экспериментов, включающих подсчет клеток вручную (рис. 7).

Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы

[ подсчет,

Рис. 7. Сопоставление двух методов подсчета

По оси абсцисс отложены данные ручного подсчета, а по оси ординат данные, полученные программой. Видно, что программа не досчитывает, во-первых, диатомеи из кольца, данных о котором нет ни в фотографии центра, ни края лунки. Во-вторых, автоматический подсчет не «видит» пересекающиеся группы клеток.

Методом наименьших квадратов по данным автоматического подсчета Х для определения численности клеток У была подобрана с коэффициентом детерминации 0,99 линейная зависимость: У = 0,862529117-Х - 7,226046076.

Коэффициент при X, меньший единицы, подтверждает, что программа не досчитывает группы клеток.

По обратной зависимости: X = 1,159297747 •У + 8,377741613098 были рассчитаны численности клеток и вычислены относительные отклонения (рис. 8).

Рис. 9. Средние кривые роста диатомовых

Культура 1 была взята из примерно таких же условий, и количество клеток в ней увеличивалось по экспоненциальному закону, согласно теории. Культура 2 была взята из более теплых условий и в первое время испытывала шок, проходя акклиматизацию (пунктирная кривая на рис. 9).

По динамике численности культуры было рассчитано количество делений в сутки (R) по формуле:

R = (lg Nt - lg N0 )/(t lg 2), где N0 - количество клеток в начале опыта; t - время опыта, сут.; Nt - количество клеток в момент времени t. Результаты расчетов приведены на рис. 10.

Тот факт, что на третий день эксперимента в обеих культурах установилась одинаковая скорость прироста, свидетельствует о постоянстве условий в инкубаторе. Полученные данные хорошо согласуются с опубликованными [1].

Рис. 8. Сопоставление ручного и автоматического методов подсчета клеток

Видно, что автоматический метод подсчета хорошо согласуется с ручным подсчетом в диапазоне концентраций от 80 до 1000 клеток/ячейку. В этом диапазоне относительная ошибка измерения не превышает по модулю 10 %.

В разработанном термостате был исследован рост диатомеи 8упеёга асш в стандартной среде при температуре +13 оС и освещенности 1200 лк. Результаты эксперимента приведены на рис. 9.

Рис. 10. Число делений в сутки

Доминантные диатомовые водоросли в озере Байкал растут в основном при температурах ниже +4 0С [2]. Изучение их в лабораторных условиях, использованием доступных на данный момент инкубаторов, или охлаждаемыхе комнат требует значительного места и достаточно дорого. Разработанный инкубатор хорошо подошел для решения подобных задач. В нем при помощи устройства освещения было исследовано влияние длительности светового времени суток на размеры диатомо-

иркутским государственный университет путей сообщения

вой водоросли Aulacosiera baicalensis. Результаты эксперимента приведены на рис. 11.

Рис. 11. Распределение длин клеток в зависимости от продолжительности светового времени суток

В результате эксперимента нами было установлено, что уменьшение длины дня ведет к удлинению клеток. Это совпадает с полевыми экспериментами, проведенными в течение марта - мая 1997 года, во время которых было обнаружено, что в течение исследуемого временного интервала также происходит удлинение клеток [3]. Явление объясняется тем, что из-за развития весенней температурной конвекции в это время увеличивается мощность перемешанного слоя, а следовательно, уменьшается время пребывания клеток в фотиче-ской зоне, что ведет к сокращению фактической длительности времени освещения клеток в течение суток.

Таким образом, разработанный программно-аппаратурный комплекс позволяет выращивать

диатомовые водоросли в лабораторных условиях, моделирующих всесезонные изменения реальных климатических условий вод Байкала. Инкубатор обеспечивает возможность оперативного визуального наблюдения за ростом клеток на протяжении всего эксперимента, с постоянным контролем температурного режима. Разработанная методика автоматического подсчета клеток по фотографиям значительно сокращает время пребывания планшета вне инкубатора и позволяет обрабатывать полученные фотографии уже после эксперимента.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Richardson, T.L. Temperature, growth, and seasonal succession of phytoplankton in Lake Baikal, Siberia [Text] / T.L. Richardson, C.E. Gibson, S.I. Heaney // Freshwater Biology. - 2000. - Vol. 44. - P.431-440.

2. Bidoshvili, Ye.D. The change in the length of colonies of the planktonic diatom Aulacoseira baicalensis in various stages of the annual cycle in Lake Baikal [Text] / Ye.D. Bidoshvili, N.A.Bondarenko, M.V. Sakirko, I.V. Khanayev, Ye.V. Likhoshway // Hydrobiology. - 2007. - V. 43. - P. 79-86.

3. Aslamov, Ilya A. Investigation of morphological change of Aulacoseira baicalensis using a small desktop incubator controlling light and temperature [Text] /Ilya A. Aslamov, Jewson, David H. // European Journal of Phycology. - 2009. - V. 3(44). - P. 377- 380.

УДК 681.05.11

А.Л. Истомин,

к.т.н., доцент, проректор по учебной работе АГТА (г. Ангарск), тел. 8(3955) 678845, e-mail: istomin@agta.irmail.ru

Н.Н. Сумарокова,

преподаватель Ангарского промышленно-экономическиого техникума (г. Ангарск),

тел. 8(3955) 614462, e-mail: sumarokova.nn@gmail.com

ОПТИМИЗАЦИЯ ПЛАНА ПРИЁМА СТУДЕНТОВ _НА ПЕРВЫЙ КУРС_

A.L. Istomin, N.N. Sumarokova

STUDENTS ACCEPTING TO THE FIRST YEAR OF EDUCATION PLAN OPTIMIZATION

Аннотация. Приведена постановка задачи об оптимизации плана приёма студентов на первый курс. Выявлен критерий оптимальности плана приема студентов в вуз и разработана детер-

минированная математическая модель, на основе которой сформулирована и решена в виде задачи линейного программирования задача нахождения оптимального плана приема студентов в вуз. Раз-