Устройство для автоматизированного измерения первичной продукции и деструкции органического вещества в водоеме скляночным кислородным методом

Устройство относится к оборудованию, предназначенному для проведения экологического мониторинга и научных исследований на водных объектах.
Известен аналог - комплект оборудования для определения первичной продукции и деструкции органического вещества в водоеме (Винберг Г.Г. Первичная продукция водоемов. Минск: Изд-во АН БССР, 1960. 329 с.). Комплект состоит из прозрачных и непрозрачных герметично закрывающихся сосудов (склянок), заполняемых исследуемой водой, а также - держателей, на которых сосуды укрепляются в водоеме. В прозрачных склянках происходит фотосинтетическое выделение кислорода, в темных - только его поглощение, так как нет света. По истечении времени экспозиции сосуды вынимают, фиксируют в них растворенный кислород и сменяют на новые, а в лаборатории определяют кислород методом Винклера. Деструкцию рассчитывают по разнице между начальным и конечным содержанием кислорода в темном сосуде, валовую продукцию - по разнице кислорода в светлом и темном сосудах. Метод прост и широко используется на водоемах мезотрофно-эвтрофного типа. Однако он достаточно трудоемок из-за необходимости ежедневной смены экспонируемых в водоеме сосудов и последующего определения растворенного  кислорода химическим методом Винклера в лаборатории.
Наиболее близкий аналог (Шинкар Г.Г., Хромов В.М., Семин В.А. Устройство для определения первичной продукции и деструкции органического вещества в водоемах и водотоках // Авторское свидетельство N1458758 19.01.1987) служит для автоматического определения  первичной продукции и деструкции органического вещества. Оно состоит из двух труб (прозрачной и непрозрачной), через которые постоянно с малой скоростью прокачивается анализируемая вода и - измерителей кислорода на входе в трубы (один) и на выходе (два), работающих в непрерывном режиме. По разнице начальной и конечной концентраций кислорода определяются искомые параметры. Недостатком устройства, препятствующим его использованию, является сложность и громоздкость - регистрирующая аппаратура и вспомогательное оборудование занимают целое помещение на берегу водоема; кроме того устройство очень требовательно к точности кислородных датчиков и к их настройке.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является автоматизация периодической смены воды в экспонируемых сосудах и периодическое измерение в них растворенного в воде кислорода с помощью автономных портативных регистраторов. В техническом отношении предлагаемое устройство является достаточно простым, отличается компактностью и автономностью, оно может легко переноситься с одного водоема на другой. Это достигается путем использования компактных автономных периодически включающихся регистраторов кислорода с оптическими датчиками, а также - организацией эпизодической работы насоса (всего 8-10 минут в сутки), что позволяет ему длительно работать от аккумуляторной батареи 12 В. Устройство дает возможность многократно, по сравнению с традиционным методом, снизить трудоемкость исследований и перевести наблюдения за экологическим состоянием водного объекта на качественно новый уровень - постоянного мониторинга.
На рисунке (фиг.1) представлена схема разработанной нами продукционной установки. Она состоит из двух сосудов (1) каплевидной формы (по 1 л) со стеклянными патрубками сверху и снизу; один сосуд прозрачный, другой - из темного стекла - свет в него не поступает. Верхние патрубки открыты,  нижние - соединены силиконовыми трубками с водяным насосом (4), работающим от аккумулятора (7) и связанным с ним электрическим проводом (5). Для предотвращения возвратного тока воды предусмотрены обратные клапаны (3). Насос (12 В, 0,5 А) включается с помощью таймера (6) на 1 мин, прокачивая около 6 л воды и осуществляя, таким образом, тройной водообмен в сосудах, располагающихся в водоеме на глубине 0,5 м. Затем на протяжении нескольких часов (зависит от задачи исследования), насос не работает, происходит экспозиция сосудов с водой. В течение этого времени регистраторы кислорода (2), вставленные с помощью резиновых манжет в отверстия сосудов (фиг.1), каждые 10-15 минут (интервал можно менять) измеряют в них содержание растворенного кислорода.
В устройстве используются регистраторы кислорода с оптическими датчиками, не нуждающимися в перемешивании водной массы и постоянной прокачке воды (например, HOBO U26-001 фирмы Оnset (Электронный ресурс http://www.onsetcomp.com/). Продолжительность работы насоса, время экспозиции, периодичность измерения кислорода - все эти параметры доступны для изменения.
Рама для крепления сосудов выполнена из нержавеющей проволоки; вместе с сосудами она опускается в водоем и подвешивается к бую; вес подвешиваемого устройства (вместе с сосудами, регистраторами и насосом) - около 2 кг.
После окончания работы данные измерений переносят из памяти оксиметра в компьютер и производят расчет первичной продукции и деструкции. При этом деструкция вычисляется как разность предыдущего и последующего измерения кислорода в тёмном сосуде; аналогичная разность кислорода в светлом сосуде представляет собой чистую первичную продукцию, а ее сумма с деструкцией - валовую продукцию.
На рисунке (фиг.2) приведён пример записи кислорода в темном сосуде, производившейся 28-29 июля 2016 г. в водах Можайского водохранилища на глубине 0,5 м. Обращает на себя внимание пилообразный ход кислорода, состоящий из отдельных 3-часовых периодов, соответствующих периодичности работы насоса.  В начале каждого периода (через 1 минуту после окончания работы насоса) днем наблюдается максимальное содержание кислорода в сосуде. Причиной этого является то, что в это время в него поступает свежая порция воды из водоёма, обогащенная кислородом в результате фотосинтеза. Затем содержание кислорода в темном сосуде снижается в ходе деструкции органического вещества. Через 2 часа 59 минут после начала экспозиции (каждого периода) снова включается насос и в течение 60 секунд прокачивается свежая вода из водоема (осуществляется тройной водообмен). Ещё через 1 минуту логгер производит измерение, которое снова оказывается максимальным, так как концентрация кислорода в водоеме днем всегда больше, чем в темном сосуде; измерения повторяются каждые 15 мин.
В ночное время ситуация изменяется - весь водоем становится аналогом темного сосуда - кислород в нем только потребляется и его содержание сравнимо с темным сосудом. Поэтому ночью (а также ранним утром и поздним вечером) мы не наблюдаем резкого увеличения кислорода в темном сосуде после прокачки через него свежих порций воды. Можно обратить внимание на то, что кислород уменьшается в темном сосуде не всегда строго постоянно, что связано, на наш взгляд, с неравномерностью распределения кислорода в сосуде по отношению к измерительному элементу датчика кислорода.