СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR BIOLOGICAL MONITORING OF ENVIRONMENT AND SYSTEM FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к средствам экологического мониторинга окружающей среды с помощью дистанционного неинвазивного контроля в реальном масштабе времени функционального состояния животных, и преимущественно может быть использовано для автоматической оперативной оценки качества таких компонентов окружающей среды, как вода, донные отложения, воздух и почва.
Для дистанционного автоматического биологического мониторинга окружающей среды, осуществляемого в реальном масштабе времени, могут быть использованы различные виды тестируемых животных, выбор которых определяется средой их обитания. Так, например, виноградных улиток, ахатин, скорпионов и медведок можно использовать для оценивания качества воздуха и почвы, а рыб, крабов, речных раков, лангустов, омаров и обитающих в воде раковинных моллюсков, например устриц, мидий, различных видов унионид и брюхоногих моллюсков для оценивания качества воды и донных отложений.
При осуществлении биологического мониторинга окружающей среды тестируемых животных помещают в среду их обитания и с помощью датчиков измеряют те или иные параметры их физиологической активности, на основании анализа изменения которых судят о качестве окружающей среды.
Среди способов биологического мониторинга окружающей среды известен способ биологического мониторинга в реальном времени физико-химических параметров водной среды (ЕР 0730736, 1996, WO 95/14925, 1995), который включает размещение тропических рыб разновидности Apteronotus albifrons, обладающих физиологической способностью испускать электрические сигналы с частотой около 1000 Гц и используемых в качестве тестируемых животных, в перфорированных капсулах, которые установлены в емкости для проточной контролируемой воды, поддержание с помощью системы терморегулирования заданной температуры контролируемой воды с погрешностью, не превышающей 0,1°С, прием испускаемых рыбами электрических сигналов с помощью металлических электродов, размещенных в контролируемой воде внутри емкости, усиление этих электрических сигналов, преобразование их в цифровые коды, ввод цифровых кодов в компьютер, обработку цифровых кодов компьютером для определения параметров принятых электрических сигналов и принятие решения об экологической опасности при отклонении параметров принятых электрических сигналов от заданных значений.
Известен способ оценки качества воды (US 6393899, 2002) на основании дыхательной активности аборигенных пресноводных рыб, прежде всего обладающих значительными по размерам жаберными крышками форелевых или окуневых, который основан на регистрации и анализе в реальном масштабе времени сигналов движения их жаберных крышек. Данный известный способ предусматривает размещение рыб в экспозиционных камерах с контролируемой водой с установленными на каждой камере в контролируемой воде сверху и снизу двумя электродами, выполненными, например, из нержавеющей стали или графита, прием и преобразование с помощью указанных электродов физиологических сигналов, возникающих при движении жаберных крышек тестируемых рыб, в электрические сигналы движения жаберных крышек, передачу этих электрических сигналов по проводной линии связи, усиление и преобразование их в цифровые коды, ввод полученных цифровых кодов в компьютер, обработку цифровых кодов компьютером для определения частоты и глубины дыхания тестируемых рыб и принятие решения об экологической опасности при отклонении частоты и глубины дыхания тестируемых рыб от заданных значений с формированием сигнала тревоги и последующим отбором пробы контролируемой воды для осуществления химического анализа.
Известен также способ биологического мониторинга водной среды, который осуществлен в известной системе биологического мониторинга среды обитания животного (RU 77974 U1, 2008). Указанный способ включает установку на теле тестируемой рыбы датчика движения жаберных крышек, размещение тестируемой рыбы в контролируемой воде, регистрацию и анализ сигналов движения жаберных крышек рыбы, характеризующего ее дыхательную активность, и принятие решения о состоянии контролируемой водной среды на основании результатов этого анализа.
Последние два известных способа позволяют формировать и регистрировать сигналы движения жаберных крышек рыб, а также автоматически осуществлять принятие решения о снижении качества контролируемой водной среды на основании изменения параметров этого движения, которое обусловлено происходящим в организме рыб стрессом, связанным со снижением качества воды.
Известны способ биологического мониторинга водной среды, который осуществлен в известной аппаратуре для обнаружения загрязнения водной среды (FR 2713778, 1995), и способ биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков (RU 2361207, 2009). Указанные известные способы предусматривают использование в качестве тестируемых животных обитающих в воде двухстворчатых раковинных моллюсков, например мидий или устриц, и в общей для них части предусматривают размещение моллюсков с датчиками положения створок в контролируемой воде, формирование датчиками электрических сигналов положения створок, преобразование их в цифровые коды, ввод цифровых кодов в компьютер, сравнение компьютером введенных цифровых кодов с пороговым значением, соответствующим значению электрического сигнала при закрытых створках раковины моллюска, определение количества моллюсков, закрывших створки раковин, по результатам сравнения цифровых кодов с пороговым значением и принятие решения о загрязнении контролируемой воды при превышении количества моллюсков, закрывших створки раковин, порогового значения.
Указанные известные способы биологического мониторинга водной среды позволяют формировать и регистрировать сигналы положения створок раковин моллюсков, а также автоматически осуществлять принятие решения о снижении качества контролируемой водной среды в случае регистрации закрытия створок своих раковин несколькими из тестируемых моллюсков, что обусловлено происходящим в организмах моллюсков стрессом, связанным со снижением качества воды.
Известны способы биологического мониторинга окружающей среды (WO 2008/048141, 2008; ЕА 012479, 2009), а также способы, осуществляемые при функционировании известных систем биологического мониторинга окружающей среды (Depledge M.H., Andersen B.B. A computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates. - Comp. Biochem. Physiol., Vol.96A, 1990, No. 4, p.p.473-477; RU 52190 U1, 2006; RU 61431 U1, 2007). При осуществлении этих известных способов используют таких тестируемых животных, как речные раки, лангусты, крабы, устрицы, мидии, ампулярии или некоторые виды унионид. В общей для них части указанные способы предусматривают неинвазивную установку на теле тестируемого животного инфракрасного оптико-электронного датчика кардиологической активности, размещение тестируемого животного в контролируемой среде, формирование и анализ сигналов кардиологической активности тестируемого животного и принятие решения о состоянии контролируемой окружающей среды на основании результатов этого анализа.
Наиболее близким к настоящему способу биологического мониторинга окружающей среды является известный способ биологического мониторинга окружающей среды (RU 2308720, 2007), который включает размещение в контролируемой среде тестируемого животного с установленным на его теле инфракрасным оптико-электронным датчиком кардиологической активности, формирование электрического сигнала кардиологической активности тестируемого животного, усиление полученного электрического сигнала, его аналого-цифровое преобразование, ввод полученных цифровых кодов в компьютер, определение и запоминание с помощью компьютера выборки значений периода электрического сигнала заданного объема, определение с помощью компьютера статистической характеристики запомненной выборки, сравнение с помощью компьютера полученной статистической характеристики с установленным для нее пороговым значением и формирование сигнала экологической опасности на основании результата сравнения.
При этом в случае использования способа биологического мониторинга окружающей среды, являющегося ближайшим аналогом, для контроля качества воды тестируемых животных, например речных раков, унионид или бентосных беспозвоночных с жестким наружным покровом других видов, которые обитают в контролируемом водоеме, размещают в проточном аквариуме.
При использовании способа биологического мониторинга окружающей среды, являющегося ближайшим аналогом, для контроля качества воздуха тестируемых животных, например виноградных улиток, ахатин, скорпионов или медведок, размещают в камере для животного, через которую прокачивают контролируемый воздух.
Поскольку наличие в контролируемой среде загрязнений вызывает у тестируемых животных состояние стресса, переход в которое сопровождается существенным повышением частоты и снижением периода сердечных сокращений, такой контроль кардиологической активности тестируемых животных позволяет выявить факт наличия в контролируемой среде загрязнений.
Вместе с тем, заболевание тестируемых животных даже в условиях отсутствия загрязнений контролируемой среды приводит как к изменению параметров их кардиологической активности, регистрируемой при осуществлении ближайшего аналога (RU 2308720, 2007) и некоторых выше упомянутых аналогов (RU 52190 U1, 2006; RU 61431 U1, 2007; WO 2008/048141, 2008; ЕА 012479, 2009; Depledge M.H., Andersen В.В. A computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates. - Comp. Biochem. Physiol., Vol.96A, 1990, No.4, p.p.473-477), так и к изменению других видов физиологической активности, регистрация которых предусмотрена при осуществлении остальных рассмотренных выше аналогов (FR2713778, 1995; WO 95/14925, 1995; ЕР 0730736, 1996; US 6393899, 2002; RU 77974 U1, 2008; RU 2361207, 2009).
С одной стороны, при заболевании тестируемого животного такие изменения параметров физиологической активности приводят к снижению достоверности контроля окружающей среды, так как вызывают увеличение вероятности ложной тревоги и вероятности пропуска сигнала экологической опасности. С другой стороны, это вызывает необходимость замены тестируемых животных, осуществляемой заведомо более часто, чтобы предотвратить возможное использование заболевших животных, приводящее к снижению достоверности контроля окружающей среды, в результате чего повышаются сложность и стоимость эксплуатации систем, позволяющих осуществить как способ, являющийся ближайшим аналогом, так и все указанные выше способы-аналоги.
Среди систем биологического мониторинга окружающей среды известна аппаратура для биологического мониторинга в реальном масштабе времени физико-химических параметров водной среды (ЕР 0730736, 1996, WO 95/14925, 1995), для которой в качестве тестируемых животных используются тропические рыбы разновидности Apteronotus albifrons. Поскольку указанные рыбы обладают физиологической способностью испускать электрические сигналы с частотой около 1000 Гц, о физиологической активности этих тестируемых животных судят по изменению испускаемых ими электрических сигналов. Указанная известная аппаратура содержит емкость для проточной контролируемой воды, систему регулирования заданной температуры контролируемой воды с погрешностью, не превышающей 0,1°С, по меньшей мере, одну перфорированную капсулу для размещения тестируемой рыбы, установленную в емкости, размещенные в контролируемой воде внутри емкости металлические электроды, подключенный к электродам усилитель с аналого-цифровым преобразователем и подключенный к выходу аналого-цифрового преобразователя компьютер с монитором.
Известна система автоматического биологического мониторинга качества воды (US 6393899, 2002), которая основана на регистрации и анализе сигналов дыхательной активности рыб. Данная известная система содержит экспозиционные камеры с анализируемой водой для размещения рыб, установленные на каждой камере в анализируемой воде сверху и снизу два электрода, каждый из которых выполнен, например, из нержавеющей стали или графита для обеспечения устойчивости к коррозии и снабжен держателем электрода и герметичным штепсельным разъемом. Кроме того, указанная система содержит размещенные вне анализируемой воды последовательно соединенные усилитель, подключенный с помощью линии связи к электродам, аналого-цифровой преобразователь, контроллер, терминальную панель и осциллограф, подключенные к терминальной панели пробоотборник и сигнализатор тревоги, а также подключенные к контроллеру удаленный компьютер, удаленный монитор и анализатор качества воды с управляемым электромагнитным клапаном.
Известна система биологического мониторинга среды обитания животного (RU 77974 U1, 2008), которая основана на регистрации и анализе сигналов движения жаберных крышек рыб, характеризующего их дыхательную активность. Указанная известная система содержит датчик движения жаберной крышки, волоконно-оптическую линию связи, источник оптического излучения, приемник оптического излучения, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и компьютер.
Известны системы биологического мониторинга водной среды (FR 2713778, 1995; RU 2361207, 2009), предусматривающие использование в качестве тестируемых животных обитающих в воде двухстворчатых раковинных моллюсков, например мидий или устриц. При функционировании указанных известных систем используют регистрацию изменения положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков, которое характеризует их дыхательную и пищедобывательную активность. Упомянутые известные системы в общей для них части содержат датчик относительного движения створок раковины моллюска, линию передачи сигнала, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и компьютер.
Известна компьютеризированная система физиологического мониторинга водной среды CAPMON (Depledge M.H., Andersen B.B. A computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates. - Comp. Biochem. Physiol., Vol.96A, 1990, No.4, p.p.473-477), которая основана на неинвазивном формировании, регистрации и анализе сигналов кардиологической активности крабов. Данная известная компьютеризированная система физиологического мониторинга водной среды содержит восемь формирователей цифрового сигнала кардиологической активности, каждый из которых содержит последовательно соединенные датчик кардиологической активности, усилитель и аналого-цифровой преобразователь, компьютер с принтером и накопителем на жестком диске и мультиплексор, входы и выход которого подключены соответственно к выходам аналого-цифровых преобразователей, формирователей цифрового сигнала кардиологической активности и входу компьютера.
Известны системы биологического мониторинга окружающей среды (RU 52190 U1, 2006; RU 61431 U1, 2007; WO 2008/048141, 2008; ЕА 012479, 2009), при функционировании которых применяют таких тестируемых животных, как речные раки, лангусты, крабы, устрицы, мидии, ампулярии или некоторые виды унионид и регистрируют параметры кардиологической активности этих животных. Указанные известные системы в общей для них части содержат инфракрасные оптико-электронные датчики кардиологической активности, выполненные с возможностью установки на теле тестируемого животного, волоконно-оптические линии связи, усилители, аналого-цифровые преобразователи и компьютер.
Наиболее близкой к системе биологического мониторинга окружающей среды, являющейся предметом настоящего изобретения, следует считать систему биологического мониторинга окружающей среды (RU 2308720, 2007), при функционировании которой регистрируют параметры кардиологической активности тестируемых животных и используют для целей контроля воздушной среды виноградных улиток, ахатин, скорпионов или медведок, а для целей контроля водной среды и донных отложений используют речных раков, некоторые виды унионид, а также другие виды бентосных беспозвоночных с жестким наружным покровом. Указанная система биологического мониторинга окружающей среды содержит инфракрасные оптико-электронные датчики кардиологической активности, выполненные с возможностью неинвазивной установки на теле тестируемого животного, усилители, аналого-цифровые преобразователи и компьютер.
В случае использования известной системы биологического мониторинга окружающей среды, являющейся ближайшим аналогом, для контроля качества воды тестируемых животных, например речных раков, унионид или бентосных беспозвоночных с жестким наружным покровом других видов, которые обитают в контролируемом водоеме, размещают в проточном аквариуме.
При использовании системы биологического мониторинга окружающей среды, являющейся ближайшим аналогом, для контроля качества воздуха тестируемых животных, например виноградных улиток, ахатин, скорпионов или медведок, размещают в камере для животного, через которую прокачивают контролируемый воздух.
Датчики кардиологической активности, установленные на теле тестируемых животных, преобразуют сигналы кардиологической активности в электрические сигналы, которые после усиления по мощности преобразуются в цифровые коды, поступающие в компьютер. Компьютер в результате обработки поступивших цифровых кодов определяет статистические характеристики периода сердечных сокращений тестируемых животных и на основании сравнения их с установленными пороговыми значениями формирует сигнал о наличии или отсутствии в контролируемой среде опасных загрязнений.
Поскольку наличие в контролируемой среде загрязнений вызывает у тестируемых животных состояние стресса, переход в которое сопровождается существенным повышением частоты сердечных сокращений и снижением их периода, такой контроль кардиологической активности тестируемых животных позволяет выявить факт наличия в контролируемой среде загрязнений.
Вместе с тем, заболевание тестируемых животных даже в условиях отсутствия загрязнений контролируемой среды приводит как к изменению параметров их кардиологической активности, регистрируемой при функционировании ближайшего аналога (RU 2308720, 2007) и некоторых выше упомянутых аналогов (RU 52190 U1, 2006; RU 61431 U1, 2007; WO 2008/048141, 2008; ЕА 012479, 2009; Depledge M.H., Andersen В.В. A computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates. - Comp. Biochem. Physiol., Vol.96A, 1990, No.4, p.p.473-477), так и к изменению других видов физиологической активности, регистрация которых предусмотрена при использовании остальных рассмотренных выше аналогов (FR 2713778, 1995; WO 95/14925, 1995; ЕР 0730736, 1996; US 6393899, 2002; RU 77974 U1, 2008; RU 2361207, 2009).
С одной стороны, при заболевании тестируемого животного такие изменения параметров физиологической активности приводят к снижению достоверности контроля окружающей среды, так как вызывают увеличение вероятности ложной тревоги и вероятности пропуска сигнала экологической опасности. С другой стороны, это вызывает необходимость замены тестируемых животных, осуществляемой заведомо более часто, чтобы предотвратить возможное использование заболевших животных, в результате чего повышаются сложность и стоимость эксплуатации как системы, являющейся ближайшим аналогом, так и всех указанных выше аналогов.
Задачей настоящей группы изобретений явилось создание способа биологического мониторинга окружающей среды и системы для его осуществления, которые по сравнению с известными техническими решениями обеспечивают снижение вероятностей ложной тревоги и пропуска сигнала экологической опасности, а также упрощение эксплуатации и снижение стоимости эксплуатации системы биологического мониторинга окружающей среды.
Следовательно, технический результат, обеспечиваемый заявляемой группой изобретений, заключается в снижении вероятностей ложной тревоги и пропуска сигнала экологической опасности, а также в упрощении эксплуатации и в снижении стоимости эксплуатации системы биологического мониторинга окружающей среды.
Поставленные задачи решены, согласно настоящему изобретению, во-первых, тем, что способ биологического мониторинга окружающей среды, включающий, в соответствии с ближайшим аналогом, размещение тестируемого животного с датчиком его физиологической активности в контролируемой среде, формирование датчиком электрического сигнала физиологической активности тестируемого животного, усиление полученного электрического сигнала, аналого-цифровое преобразование его мгновенных значений, ввод их в компьютер и запоминание, определение с помощью компьютера выборки заданного объема значений параметра электрического сигнала, несущего информацию о физиологической активности тестируемого животного, определение компьютером, по меньшей мере, одной статистической характеристики полученной выборки, сравнение компьютером полученной статистической характеристики с установленным для нее пороговым значением и формирование сигнала экологической опасности на основании результата сравнения, отличается от ближайшего аналога тем, что после размещения тестируемого животного в контролируемой среде освещают тестируемое животное в соответствии с суточным циклом смены дня и ночи источником оптического излучения видимого диапазона длин волн, определяют компьютером путем обработки выборки значений параметра электрического сигнала и запоминают значения моментов времени изменений физиологической активности тестируемого животного в соответствии с суточным циклом смены дня и ночи, определяют компьютером модули разностей текущих и полученных ранее значений моментов времени изменений физиологической активности тестируемого животного и принимают решение о замене тестируемого животного при превышении, по меньшей мере, одним полученным модулем разности установленного порогового значения.
При этом дополнительно определяют компьютером путем обработки выборки значений параметра электрического сигнала и запоминают средние арифметические значения параметра электрического сигнала, полученные на интервалах времени между моментами времени изменений физиологической активности тестируемого животного в соответствии с суточным циклом смены дня и ночи, определяют компьютером модули разностей текущих и полученных ранее средних арифметических значений параметра электрического сигнала и принимают решение о замене тестируемого животного при превышении, по меньшей мере, одним полученным модулем разности установленного порогового значения.
Дополнительно определяют компьютером путем обработки выборки значений параметра электрического сигнала и запоминают наиболее вероятные значения параметра электрического сигнала, полученные на интервалах времени между моментами времени изменений физиологической активности тестируемого животного в соответствии с суточным циклом смены дня и ночи, определяют компьютером модули разностей текущих и полученных ранее наиболее вероятных значений параметра электрического сигнала и принимают решение о замене тестируемого животного при превышении, по меньшей мере, одним полученным модулем разности установленного порогового значения.
При освещении тестируемого животного в соответствии с суточным циклом смены дня и ночи управляют включением и выключением источника оптического излучения с помощью компьютера.
Для освещения тестируемого животного в соответствии с суточным циклом смены дня и ночи включают источник оптического излучения при восходе Солнца и выключают его при заходе Солнца, причем включение и выключение источника оптического излучения осуществляют с обеспечением освещенности тестируемого животного, изменяющейся в соответствии с изменением освещенности при восходе и заходе Солнца, соответственно.
В качестве датчика физиологической активности тестируемого животного используют датчик кардиологической активности, а в качестве параметра электрического сигнала, несущего информацию о физиологической активности тестируемого животного, используют период или частоту электрического сигнала.
В качестве датчика физиологической активности тестируемого животного используют датчик относительного положения створок раковин двухстворчатого раковинного моллюска, а в качестве параметра электрического сигнала, несущего информацию о физиологической активности тестируемого животного, используют мгновенное значение электрического сигнала.
В качестве датчика физиологической активности тестируемого животного используют датчик положения жаберной крышки относительно тела тестируемой рыбы, а в качестве параметра электрического сигнала, несущего информацию о физиологической активности тестируемого животного, используют амплитуду или период или частоту электрического сигнала.
Осуществление после размещения тестируемого животного в контролируемой среде освещения тестируемого животного в соответствии с суточным циклом смены дня и ночи источником оптического излучения видимого диапазона длин волн, определение компьютером путем обработки выборки значений параметра электрического сигнала, несущего информацию о физиологической активности тестируемого животного, значений моментов времени изменений физиологической активности тестируемого животного в соответствии с суточным циклом смены дня и ночи и запоминание этих значений, определение компьютером модулей разностей текущих и полученных ранее значений моментов времени изменений физиологической активности тестируемого животного и принятие решения о замене тестируемого животного при превышении, по меньшей мере, одним полученным модулем разности установленного порогового значения обеспечивает решение декларированных задач настоящего изобретения в связи со следующими обстоятельствами.
Известно, что физиологическая активность любых животных является зависимой от времени суток. Авторами настоящего изобретения экспериментально установлено, что, например, повышение локомоторной и пищедобывательной активности условно здоровых речных раков в ночное и сумеречное время сопровождается повышением частоты их сердечных сокращений в 3-4 раза по отношению к частоте сердечных сокращений в дневное время, в то время как у заболевших животных частота сердечных сокращений увеличивается в этом случае только в 1,5-2,0 раза. Например, экспериментально установлено, что повышение дыхательной и пищедобывательной активности условно здоровых мидий в сумеречное и ночное время суток проявляется в более широком раскрытии створок раковин этих двухстворчатых раковинных моллюсков, составляющем 6-7 мм, по сравнению со значением 3-4 мм, свойственным дневному времени суток. При этом у заболевших мидий разность указанных значений существенно уменьшается.
Следовательно, регистрация и анализ параметров физиологической активности тестируемых животных на достаточно длительном интервале времени позволяют не только судить о качестве их среды обитания, но и с учетом времени суток о функциональном состоянии их организма, позволяя оперативно выявлять заболевших тестируемых животных и принимать решение об их замене.
Вместе с тем, при контроле как качества воды и донных отложений, например, на водозаборных станциях водоподготовки, так и качества воздуха, например, на предприятиях по сжиганию отходов или на предприятиях топливно-энергетического комплекса соответственно аквариум или камеру с тестируемыми животными размещают в помещении станции мониторинга, где используется постоянно функционирующее дежурное освещение, не обеспечивающее соответствующего суточному циклу светового режима.
В связи с этим, осуществление после размещения тестируемого животного в аквариуме или камере с контролируемой средой освещения тестируемого животного в соответствии с суточным циклом смены дня и ночи источником видимого оптического излучения позволяет обеспечить для тестируемых животных искусственный световой режим, соответствующий их суточному циклу физиологической активности. В результате этого регистрация и анализ параметров физиологической активности тестируемых животных на достаточно длительном интервале времени обеспечивают возможность выявления заболевших тестируемых животных на основании определения тех животных, параметры физиологической активности которых становятся менее подверженными влиянию суточного цикла, и принятия решения о замене таких животных.
С одной стороны, своевременная замена заболевших тестируемых животных здоровыми животными обеспечивает снижение вероятности ложной тревоги и вероятности пропуска сигнала экологической опасности, обеспечивая повышение достоверности контроля окружающей среды. С другой стороны, в отличие от известных аналогов, при осуществлении которых для предотвращения возможного использования заболевших животных замена тестируемых животных осуществляется заведомо более часто, при осуществлении способа биологического мониторинга окружающей среды, являющегося предметом настоящего изобретения, необходимость замены тестируемого животного возникает только после выявления нарушения его функционального состояния, связанного с заболеванием, в результате чего снижаются сложность и стоимость эксплуатации системы биологического мониторинга окружающей среды.
Поставленные задачи решены, согласно настоящему изобретению, во-вторых, также тем, что система биологического мониторинга окружающей среды, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, компьютер, по меньшей мере, один датчик физиологической активности тестируемого животного, по меньшей мере, один усилитель, подключенный входом к датчику физиологической активности тестируемого животного, и, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь, подключенный входом к выходу усилителя, а выходом к компьютеру, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена осветителем, установленным с возможностью освещения тестируемого животного и подключенным к выходу компьютера с обеспечением возможности его включения и выключения, соответственно, при восходе и заходе Солнца.
При этом в качестве датчика физиологической активности тестируемого животного использован датчик кардиологической активности тестируемого животного.
В качестве датчика физиологической активности тестируемого животного использован датчик относительного положения створок раковин двухстворчатого раковинного моллюска.
В качестве датчика физиологической активности тестируемого животного использован датчик положения жаберной крышки относительно тела тестируемой рыбы.
Снабжение системы биологического мониторинга окружающей среды осветителем, установленным с возможностью освещения тестируемого животного и подключенным к выходу компьютера с обеспечением возможности его включения и выключения, соответственно, при восходе и заходе Солнца, обеспечивает решение декларированных задач настоящего изобретения в связи со следующими обстоятельствами.
Как отмечалось выше, физиологическая активность любых животных является зависимой от времени суток. Авторами настоящего изобретения экспериментально установлено, что, например, повышение локомоторной и пищедобывательной активности условно здоровых речных раков в ночное и сумеречное время сопровождается повышением частоты их сердечных сокращений в 3-4 раза по отношению к частоте сердечных сокращений в дневное время, в то время как у заболевших животных частота сердечных сокращений увеличивается в этом случае только в 1,5-2,0 раза. Например, экспериментально установлено, что повышение дыхательной и пищедобывательной активности условно здоровых мидий в сумеречное и ночное время суток проявляется в более широком раскрытии створок раковин этих двухстворчатых раковинных моллюсков, составляющем 6-7 мм, по сравнению со значением 3-4 мм, свойственным дневному времени суток. При этом у заболевших мидий разность указанных значений существенно уменьшается.
Следовательно, регистрация и анализ параметров физиологической активности тестируемых животных на достаточно длительном интервале времени позволяют не только судить о качестве их среды обитания, но и с учетом времени суток о функциональном состоянии их организма, позволяя оперативно выявлять заболевших тестируемых животных и принимать решение об их замене.
Вместе с тем, при контроле как качества воды и донных отложений, например, на водозаборных станциях водоподготовки, так и качества воздуха, например, на предприятиях по сжиганию отходов или на предприятиях топливно-энергетического комплекса соответственно аквариум или камеру с тестируемыми животными размещают в помещении станции мониторинга, где используется постоянно функционирующее дежурное освещение, не обеспечивающее соответствующего суточному циклу светового режима.
В связи с этим, снабжение системы биологического мониторинга окружающей среды осветителем, установленным с возможностью освещения тестируемого животного и подключенным к выходу компьютера с обеспечением возможности его включения и выключения, соответственно, при восходе и заходе Солнца, позволяет при ее функционировании обеспечить для тестируемых животных искусственный световой режим, соответствующий их суточному циклу физиологической активности. В результате этого регистрация и анализ параметров физиологической активности тестируемых животных на достаточно длительном интервале времени обеспечивают возможность выявления заболевших тестируемых животных на основании определения тех животных, параметры физиологической активности которых становятся менее подверженными влиянию суточного цикла, и принятия решения о замене таких животных.
Во-первых, своевременная замена заболевших тестируемых животных здоровыми животными обеспечивает снижение вероятности ложной тревоги и вероятности пропуска сигнала экологической опасности, обеспечивая повышение достоверности контроля окружающей среды. Во-вторых, в отличие от известных аналогов, при функционировании которых для предотвращения возможного использования заболевших животных замена тестируемых животных осуществляется заведомо более часто, при функционировании системы биологического мониторинга окружающей среды, являющейся предметом настоящего изобретения, необходимость замены тестируемого животного возникает только после выявления нарушения его функционального состояния, связанного с заболеванием, в результате чего снижаются сложность и стоимость эксплуатации системы биологического мониторинга окружающей среды.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированных выше задач настоящего изобретения благодаря наличию у способа биологического мониторинга окружающей среды и системы для его осуществления перечисленных выше отличительных признаков.
На фиг.1 показана структурная схема системы биологического мониторинга окружающей среды, позволяющей осуществить заявляемый способ биологического мониторинга окружающей среды, для случая, когда она используется для контроля качества воды, где 1 - датчик физиологической активности, 2 - усилитель, 3 - аналого-цифровой преобразователь, 4 - компьютер, 5 - осветитель, 6 - аквариум, 7 - впускной патрубок, 8 - выпускной патрубок и 9 - тестируемое животное.
На фиг.2 показан полученный экспериментально график изменения периода Т сердечных сокращений речного рака Astacus astacus L. от времени t в течение суток для случая, когда осветитель 5 включают в 8.00 и выключают в 20.00.
Поскольку для повышения достоверности контроля окружающей среды на практике используют несколько тестируемых животных (на чертежах не показано), система биологического мониторинга окружающей среды содержит, по меньшей мере, один датчик 1 физиологической активности (на практике - по числу используемых тестируемых животных), который выполнен с возможностью преобразования в электрический сигнал того или иного параметра физиологической активности тестируемого животного 9 и, например, с возможностью установки на теле тестируемого животного 9.
Например, для обеспечения возможности регистрации параметров кардиологической активности тестируемого животного 9 используют датчик кардиологической активности в качестве датчика 1 физиологической активности тестируемого животного, который может быть выполнен на основе источника инфракрасного оптического излучения и согласованного с ним по характеристикам спектральной чувствительности приемника оптического излучения (на чертежах не показаны) так, как это предусмотрено в конструкциях аналогов (RU 2308720, 2007; RU 52190 U1, 2006; RU 61431 U1, 2007; WO 2008/048141, 2008; ЕА 012479, 2009; Depledge М.Н., Andersen B.B. A computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates. - Comp. Biochem. Physiol., Vol.96A, 1990, No.4, p.p.473-477), рассмотренных выше.
Для обеспечения возможности регистрации параметров дыхательной активности рыб, используемых в качестве тестируемых животных 9, используют датчик положения жаберной крышки относительно тела тестируемой рыбы в качестве датчика 1 физиологической активности, который может быть размещен на теле тестируемой рыбы. Такой датчик может быть выполнен, например, на основе петли оптического волокна, торцы которого установлены с возможностью оптического контакта с согласованными по спектральным характеристикам источником оптического излучения и приемником оптического излучения (на чертежах не показаны), как это предусмотрено в конструкции рассмотренного выше аналога (RU 77974 U1, 2008).
Для обеспечения возможности регистрации положения створок двухстворчатых раковинных моллюсков, которое характеризует их дыхательную и пищедобывательную активность, используют датчик положения створок в качестве датчика 1 физиологической активности. Датчик положения створок двухстворчатых раковинных моллюсков, например, может быть выполнен, как это предусмотрено в рассмотренных аналогах, на основе датчика Холла или электромагнитного датчика (FR 2713778, 1995) или на основе выполненной с возможностью установки на створке раковины тестируемого моллюска петли оптического волокна, торцы которого установлены с возможностью оптического контакта с согласованными по спектральным характеристикам источником оптического излучения и приемником оптического излучения (RU 2361207, 2009).
Система биологического мониторинга окружающей среды содержит последовательно соединенные усилитель 2 и аналого-цифровой преобразователь 3, количество которых соответствует количеству используемых датчиков 1 физиологической активности, причем вход каждого усилителя 2 подключен к соответствующему датчику 1 физиологической активности. Система биологического мониторинга окружающей среды содержит компьютер 4, который может быть выполнен на основе персонального компьютера. К входам компьютера 4 подключены выходы аналого-цифровых преобразователей 3.
Система биологического мониторинга окружающей среды снабжена осветителем 5, который выполнен, например, на основе лампы накаливания или люминесцентной лампы и установлен с возможностью освещения тестируемого животного 9, например над аквариумом 6 для размещения тестируемого животного 9. Осветитель 5 подключен к выходу компьютера 4 и содержит встроенное в него коммутирующее устройство, выполненное с возможностью включения и выключения осветителя 5 по сигналам с компьютера 4. Компьютер 4 снабжен программным обеспечением, которое позволяет, как минимум, принимать, запоминать, сравнивать цифровые коды, выполнять арифметические операции с ними, осуществлять численное дифференцирование дискретных функций, формировать и запоминать выборки заданного объема, определять их статистические характеристики, как это предусмотрено в ближайшем аналоге (RU 2308720, 2007), а также задавать моменты времени включения и выключения осветителя, соответствующие времени соответственно восхода и захода Солнца с учетом годичного цикла смены дня и ночи и географической широты места расположения системы биологического мониторинга окружающей среды.
В случае использования системы биологического мониторинга окружающей среды для контроля качества воды на водозаборных станциях водоподготовки тестируемое животное 9 размещают (см. фиг.1) в проточном аквариуме 6, который может быть выполнен из стекла и снабжен выходным патрубком 8 и входным патрубком 7, подсоединенным к не показанному на чертеже водяному насосу. В этом случае в качестве тестируемых животных 9 используют, например, речных раков, мидий, рыб или некоторые виды унионид, которые обитают в контролируемом водоеме централизованного питьевого водоснабжения.
В случае использования системы биологического мониторинга окружающей среды для контроля качества воздуха, например, на предприятиях по сжиганию отходов или на предприятиях топливно-энергетического комплекса тестируемое животное 9 размещают в камере для животного, которая может быть выполнена герметичной из стекла и снабжена выходным патрубком и входным патрубком, подсоединенным к воздушному насосу (на чертежах не показаны). В этом случае в качестве тестируемых животных 9 используют, например, виноградных улиток, ахатин, скорпионов или медведок.
Система биологического мониторинга окружающей среды, являющаяся предметом настоящего изобретения и позволяющая осуществить заявляемый способ биологического мониторинга окружающей среды, работает следующим образом.
При функционировании системы контролируемая вода с использованием впускного и выпускного патрубков 7 и 8 прокачивается через аквариум 6, в котором размещено тестируемое животное 9. В течение всего времени функционирования системы по сигналам с компьютера 4 осветитель 5 включается при восходе Солнца и выключается при заходе Солнца в соответствии с суточным циклом смены дня и ночи. При наилучшем осуществлении настоящего изобретения осветитель 5 включается и выключается с обеспечением освещенности тестируемого животного 9, которая изменяется так же, как изменялась бы освещенность тестируемого животного 9, находящегося в естественной среде его обитания, при восходе и заходе Солнца, соответственно, с учетом годичного цикла смены дня и ночи и географической широты места расположения системы биологического мониторинга окружающей среды. В результате этого осветитель 5 освещает с указанной суточной цикличностью аквариум 6 с находящимся в нем тестируемым животным 9, обеспечивая ему имитацию суточного светового цикла.
Одновременно установленный на тестируемом животном 9 датчик 1 физиологической активности формирует электрический сигнал физиологической активности тестируемого животного 9, который в зависимости от конструкций датчиков 1 физиологической активности, рассмотренных выше, и особенностей их установки может быть сигналом кардиологической активности, сигналом положения жаберной крышки относительно тела тестируемой рыбы или сигналом относительного положения створок раковин двухстворчатого раковинного моллюска. После усиления по мощности усилителем 2 мгновенные значения напряжения сигнала физиологической активности преобразуются аналого-цифровым преобразователем 3 с заданной дискретностью по времени в цифровые коды, которые поступают в компьютер 4. Каждый поступивший цифровой код, соответствующий мгновенному значению напряжения электрического сигнала, компьютер 4 заносит в свое запоминающее устройство вместе со значением текущего времени, когда этот цифровой код поступил.
Дальнейшую работу системы биологического мониторинга окружающей среды подробно рассмотрим для случая регистрации сигнала кардиологической активности тестируемого животного 9.
После поступления заданного количества цифровых кодов, соответствующих мгновенным значениям напряжения электрического сигнала в дискретные моменты времени, компьютер 4 выполняет цифровую фильтрацию цифровых кодов, согласованную с формой и частотой полезного электрического сигнала, например, в соответствии с известным алгоритмом, рассмотренным в описании ближайшего аналога (RU 2308720, 2007). Полученные в результате цифровой фильтрации оценки цифровых кодов вместе со значениями моментов текущего времени, для которых они вычислены, компьютер 4 заносит в свое запоминающее устройство. На практике количество используемых при фильтрации цифровых кодов может составлять 9000-10000.
Затем компьютер 4 в соответствии с известными алгоритмами, например, рассмотренными в описании ближайшего аналога (RU 2308720, 2007), на основании полученных оценок цифровых кодов и значений моментов текущего времени, для которых они получены, вычисляет значения периода электрического сигнала, соответствующего периоду сердечных сокращений тестируемого животного 9. Множество вычисленных значений периода электрического сигнала, являющегося в данном случае параметром электрического сигнала, несущим информацию о физиологической активности (в данном случае кардиологической активности) тестируемого животного 9, компьютер 4 заносит в свое запоминающее устройство, в результате чего формируется выборка значений периода электрического сигнала заданного объема. На практике объем этой выборки может составлять от 30 до 1000.
Затем в соответствии с известными алгоритмами (RU 2308720, 2007) компьютер 19 вычисляет, по меньшей мере, одну статистическую характеристику полученной выборки периода электрического сигнала как параметра электрического сигнала, несущего информацию о физиологической активности тестируемого животного, в качестве которой, как и в ближайшем аналоге, могут быть использованы:
- выборочное среднее (среднее арифметическое) сформированной выборки значений периода электрического сигнала;
- выборочная дисперсия сформированной выборки значений периода электрического сигнала;
- среднее арифметическое модулей разности каждых двух соседних по времени получения выборочных значений периода электрического сигнала сформированной выборки значений периода электрического сигнала;
- произведение выборочного среднего на выборочную дисперсию периода электрического сигнала;
- произведение выборочного среднего на квадрат среднего арифметического модулей разности каждых двух соседних по времени получения выборочных значений периода электрического сигнала.
Для принятия решения о состоянии контролируемой окружающей среды, как и при осуществлении ближайшего аналога (RU 2308720, 2007), компьютер 4 вычисляет разность между полученным значением статистической характеристики периода электрического сигнала и ее эталонным значением, которое хранится в запоминающем устройстве компьютера 4 и было получено на этапе калибровки системы биологического мониторинга окружающей среды при регистрации сигнала сердечных сокращений этой же особи тестируемого животного 9, размещенной в окружающей среде высокого качества, и сравнивает эту разность с установленным для нее пороговым значением, хранящимся в запоминающем устройстве компьютера 4. Если полученная разность не превышает порогового значения, компьютер 4 не формирует сигнала экологической опасности.
По мнению авторов настоящего изобретения, наилучший технический результат достигается, когда, как и при осуществлении ближайшего аналога (RU 2308720, 2007), для принятия решения используется сравнение с пороговым значением произведения выборочного среднего на выборочную дисперсию периода электрического сигнала или произведения выборочного среднего на квадрат среднего арифметического модулей разности каждых двух соседних по времени получения выборочных значений периода электрического сигнала.
В случае внезапного повышения уровня содержания токсичных веществ ухудшение качества контролируемой окружающей среды может приводить к нарушению гомеостаза организма размещенного в ней условно здорового тестируемого животного 9. Это приводит к реакции стресса, на начальной стадии развития которого, то есть при реакции тревоги, для здоровых особей резко и весьма существенно уменьшаются как период сердечных сокращений тестируемого животного (например, у речных раков Astacus astacus L - в 2-3 раза), так и отклонение полученных значений периода сердечных сокращений от его выборочного среднего значения по сравнению со спокойным состоянием, в котором наблюдается достаточно широкий их разброс. Поэтому также существенно уменьшаются выборочное среднее и выборочная дисперсия выборки значений периода электрического сигнала, а также среднее арифметическое модулей разности каждых двух соседних по времени получения выборочных значений сформированной выборки значений периода электрического сигнала.
В этом случае, когда тестируемое животное 9 подверглось стрессу, вычисленная компьютером 4 разность между полученным значением статистической характеристики периода электрического сигнала и ее эталонным значением, которое хранится в запоминающем устройстве компьютера 4 и было получено при спокойном состоянии тестируемого животного 9, при ее сравнении превысит установленное для нее пороговое значение, хранящееся в запоминающем устройстве компьютера 4, и компьютер 4 сформирует сигнал экологической опасности.
Информация о возникновении экологической опасности отображается оператору системы биологического мониторинга окружающей среды на мониторе компьютера 4. Кроме того, оповещение об экологической опасности может осуществляться звуковым и световым сигнализатором экологической опасности, который подключен к компьютеру 4, но на чертежах не показан.
В случае формирования системой биологического мониторинга окружающей среды сигнала экологической опасности осуществляют отбор пробы контролируемой воды, воздуха, почвы или донных отложений для их последующего химического анализа, по результатам которого принимают окончательное решение о состоянии окружающей среды.
1
2
1
2
На протяжении всего процесса мониторинга окружающей среды для контроля функционального состояния тестируемого животного 9 и принятия решения о необходимости замены тестируемого животного 9 при нарушении его функционального состояния, связанном с заболеванием, компьютер 4 определяет для каждых суток осуществления мониторинга и запоминает значения моментов t и tвремени (см. фиг.2) изменений физиологической активности тестируемого животного 9 в соответствии с суточным циклом смены дня и ночи путем обработки выборки значений периода электрического сигнала, соответствующего периоду сердечных сокращений тестируемого животного 9. Например, это может быть осуществлено компьютером 4 посредством вычисления разностей между каждыми двумя соседними по времени получения выборочными значениями периода электрического сигнала, полученными за текущие сутки, и определения максимальных значений модулей этих разностей. Запомненные компьютером 4 моменты времени получения этих выборочных значений периода электрического сигнала соответствуют значениям моментов t и t времени (см. фиг.2) изменений физиологической активности тестируемого животного 9 в соответствии с суточным циклом смены дня и ночи.
1
2
По истечении каждых суток осуществления мониторинга компьютер 4 вычисляет разности между полученными за эти сутки значениями моментов t и tвремени изменений физиологической активности тестируемого животного 9 и хранящимися в его запоминающем устройстве средними арифметическими значениями этих моментов времени, вычисленными ранее на интервале времени мониторинга, предшествующем указанным текущим суткам. Если модули обеих указанных разностей не превышают установленного значения, компьютер 4 по результатам сравнения принимает решение об удовлетворительном состоянии тестируемого животного 9. Если модуль хотя бы одной из указанных разностей превысит установленное значение, это будет свидетельствовать об ухудшении функционального состояния данной особи тестируемого животного 9, связанном с его заболеванием. В этом случае компьютер 4 по результатам сравнения принимает решение о необходимости замены данной особи тестируемого животного 9 и отображает соответствующую информацию на экране своего монитора оператору системы.
1
2
При наилучшем осуществлении настоящего способа биологического мониторинга окружающей среды компьютер 4 путем обработки выборки значений параметра электрического сигнала, полученных за каждые текущие сутки, определяет и запоминает не только значения моментов t и t времени изменений физиологической активности тестируемого животного 9, но и средние арифметические значения, а также наиболее вероятные значения периода электрического сигнала, полученные на интервалах времени между моментами времени изменений физиологической активности тестируемого животного в соответствии с суточным циклом смены дня и ночи, то есть средние арифметические и наиболее вероятные значения периода электрического сигнала, соответствующие средним арифметическим и наиболее вероятным значениям периода сердечных сокращений тестируемого животного 9 как на интервале времени освещения его осветителем 5, так и на интервале отсутствия освещения. Затем компьютер 4 вычисляет модули разностей между полученными за данные текущие сутки средних арифметических и наиболее вероятных значений периода электрического сигнала для каждого из указанных временных интервалов (при освещении тестируемого животного 9 и при отсутствии его) и хранящимися в его запоминающем устройстве усредненными соответствующими значениями, полученными ранее на интервале времени мониторинга, предшествующем указанным текущим суткам.
Если модуль хотя бы одной из указанных разностей (для средних арифметических или наиболее вероятных значений на интервалах времени при освещении тестируемого животного 9 или при отсутствии его) превысит установленное значение, это также будет свидетельствовать об ухудшении функционального состояния данной особи тестируемого животного 9, связанном с его заболеванием. В этом случае компьютер 4 по результатам сравнения также отображает информацию о необходимости замены данной особи тестируемого животного 9 на экране своего монитора оператору системы.
Функционирование компьютера 4 в составе системы биологического мониторинга окружающей среды при регистрации не кардиологической активности, а других видов физиологической активности тестируемых животных 9 происходит с особенностями, которые понятны с учетом сведений, изложенных в описаниях рассмотренных выше аналогов.
Отличия заключаются в том, что при использовании в качестве тестируемых животных 9 двухстворчатых раковинных моллюсков и регистрации с целью мониторинга окружающей среды относительного положения створок их раковин, характеризующего их дыхательную и пищедобывательную активность, в качестве параметра электрического сигнала, несущего информацию о физиологической активности тестируемого животного 9, используют мгновенное значение электрического сигнала.
При использовании в качестве тестируемых животных 9 рыб и регистрации с целью мониторинга окружающей среды параметров относительного движения жаберных крышек относительно тела рыб, характеризующих их дыхательную активность, в качестве параметра электрического сигнала, несущего информацию о физиологической активности тестируемого животного 9, используют амплитуду или период (или частоту) электрического сигнала.
Таким образом, изобретение обеспечивает снижение вероятностей ложной тревоги и пропуска сигнала экологической опасности, а также упрощение эксплуатации и снижение стоимости эксплуатации системы биологического мониторинга окружающей среды.