МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ ВАКУУМНЫЙ ПОРТАТИВНЫЙ ПРОБООТБОРНИК

Полезная модель относится к области микробиологии, в частности, к области экологической микробиологии в экстремальных условиях работы с микроорганизмами, и может использована в самых труднодоступных местах обитания для взятия микробиологических проб грунта, твердых и жидких природных и антропогенных субстратов, биопленок, поверхностных колоний, налетов, корок и наслоений, скоплений биологического материала в микротрещинах и структурных пространствах горных пород и искусственных материалов, следов растительного, животного и микробного мира, а также жизнедеятельности людей.
В условиях наблюдающегося ухудшения среды обитания человека проблема изучения экологического состояния этой среды особенно актуальна. Одним из действенных механизмов такого изучения является анализ состава микробиота, которая является одним из чувствительнейших индикаторов экологической ситуации.
Известны разные подходы к изучению микробиоты, основной проблемой которых является проблема изъятия микроорганизмов из труднодоступных мест обитания, а также из толщи природных субстратов, где проявляется наибольшая адаптация микроорганизмов к эктремальным условиям.
Известны разные конструкции устройств, предназначенных для этих целей.
Известно устройство для отбора проб из внешней среды [1], предназначенное для использования в микробиологической пищевой, химической промышленности, в медицине и сельском хозяйстве для определения концентрации вредных загрязнений, которые могут присутствовать в окружающем воздухе, в частности для отбора проб аэрозолей. Это устройство содержит корпус с выходным штуцером для подключения внешнего вакуумного насоса и заборный патрубок. Однако такое устройство имеет весьма ограниченную область применения, поскольку оно адаптировано лишь к отбору проб аэрозолей и не может быть использовано для отбора образцов твердых материалов, в которых в основном и концентрируются микроорганизмы, что особенно важно еще и при экстремальных условиях их нахождения.
Известно устройство для взятия микропроб с поверхности [2], предназначенное для биологических субстанций (тканей, жидкостей и др.), а также проб с открытых поверхностей. В основу его работы положено получение смывов с поверхностей с помощью физиологического раствора, поступающего на субстрат через специальный шприц, с последующим всасыванием пробы через пробоотборный шприц. Работа известного устройства осуществляется на основе микроэлектрической схемы, с помощью пробоотборного шприца и дополнительной щетки с возможностью вращения, приводимой в рабочее состояние электроприводом и используемой для улучшения возможностей отбора поверхностных проб. Однако, известное устройство также не дает возможности отбирать образцы твердых субстратов и получать материал не только с поверхности, но и из толщи субстрата, что, как уже отмечено, имеет большое значение для суждения о роли микробиоты в экосистемах. Кроме того, использование жидкостей для смывов существенно затрудняет отбор в труднодоступных условиях, усложняет процедуру стерилизации инструмента, а также сокращает период хранения образца.
Известно устройство широкого назначения для взятия проб микроорганизмов, различных загрязнений и газов, которое по своему назначению может считаться экологическим пробоотборником [3]. Устройство включает аккумуляторную батарею, воздушный насос, а также ряд приспособлений, включающие гибкие трубки с наконечниками, позволяющие собирать пробы пыли, химических загрязнений, бактериальную микрофлору с открытых поверхностей, а также газы и загрязнители воздушной среды. При этом пробы отбираются в специальные блоки или на фильтры, в зависимости от решаемых задач. Однако, известное устройство не позволяет отбирать пробы твердых субстратов на некоторой глубине от поверхности, где часто концентрируется деструктивная микробиота в природных и искусственных субстратах. Кроме того, система отбора проб достаточно сложна, а конструкция устройства достаточно громоздка, что не способствует оперативному отбору проб в полевых условиях и, в особенности, в экстремальных или близких к экстремальным условиях окружающей среды.
Известно устройство [4] для отбора микробиологических проб в медицинских целях, предназначенное для отбора бактериальных клеток непосредственно на фильтр и с поверхности твердых биологических субстратов, таких как тканей, биопленок, органов и др. субстанций. Известное устройство по решаемой технической задаче и достигаемому техническому результату является наиболее близким к заявляемой полезной модели и принято в качестве прототипа. Устройство содержит вакуумный насос, заборную трубку, а также систему фильтров, на которые отбираются пробы
Недостатком известного устройства является малые сроки хранения отобранной пробы, что приводит к недостоверным результатам анализа в случае ее длительного хранения, а это является непременным условием при отборе проб в труднодоступных, экстремальных и удаленных местах обитания микроорганизмов; недостаточно высокое качество конечных результатов с отобранной пробой за счет высокой вероятности ее загрязнения в процессе изъятия из устройства, а также трудоемкость процесса, требующего непременного смыва с поверхности фильтра заборного устройства. Еще одним существенным недостатком известного устройства является его громоздкость, не пригодность к полевым условиям работы в труднодоступных местах обитания, а также неудобство работы самого оператора, производящего отбор пробы. Кроме того, известное устройство имеет ограниченную область применения и ориентировано, преимущественно, на отбор проб в стационарных условиях, например, в медицинских учреждениях, тогда как в открытых экосистемах с меняющимися условиями среды его использование ограничено из-за сложностей с манипуляциями в процессе пробоотбора и стерилизации используемого оборудования.
Заявляемая полезная модель свободна от указанных недостатков. Техническим результатом заявляемой полезной модели является существенное повышение сроков жизнедеятельности отобранного микроорганизма в твердых породах, а также повышения качества конечных результатов исследования отобранной пробы, снижение трудоемкости отбора пробы, универсальность и оперативность за счет компактности и мобильности заявляемой полезной модели.
Указанный технический результат достигается тем, что в микробиологическом вакуумном портативном пробоотборнике, представляющем собой два блока, один из которых базовый, предназначенный для непосредственного отбора микробиологических проб, а второй вспомогательный, обеспечивающий непрерывную работу базового блока в труднодоступных и экстремальных условиях местообитания, представляющий собой компактное устройство с размещенными в нем портативным аккумулятором и системой вертикальных шахт для размещения рабочих элементов базового блока, пробирок Эппендорфа для отобранных проб, стерилизаторов, в соответствии с заявленной полезной моделью, базовый блок имеет пробоотборный ствол, который имеет пробоотводящий патрубок, на который крепится пробирка Эппендорфа для отбора пробы, внутри корпус базового блока снабжен миниатюрным вакуумным насосом с фильтром, внутри пробоотборного ствола размещена плавающая фреза с регулятором ее входа и выхода, базовый блок имеет устройством запуска электродвигателя вакуумного насоса и запуска фрезы, на корпусе базового блока расположено осветительное устройство для подсветки зоны отбора и выключатель осветительного устройства, а вспомогательный блок имеет портативный аккумулятор и содержит шахты для размещения пробирок Эппендорфа, термостерилизации пробоотборного ствола с пробоотводящим патрубком и жидкостной стерилизации вспомогательного инструментария, вспомогательный блок выполнен с возможностью закрепления непосредственно на снаряжении оператора, при этом базовый и вспомогательный блоки соединены электропроводами.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что базовый блок выполнен в виде пистолета в вертикальных шахтах вспомогательного блока в нерабочем режиме установлены устройство для отбора проб, дополнительные стерилизаторы, система проводов и инструментарий.
Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, что вспомогательный блок выполнен с возможностью закрепления непосредственно на снаряжении оператора.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется Фиг., на которой представлена ее схема.
Как видно из Фиг., микробиологический вакуумный портативный пробоотборник 1 содержит базовый блок 2, который имеет пробоотборный ствол 3, с пробоотводящим патрубком 4, на который крепится пробирка Эппендорфа 5 для отбора пробы, базовый блок снабжен миниатюрным вакуумным насосом с фильтром 6, внутри пробоотборного ствола 3 размещена плавающая фреза 7 с регулятором ее входа и выхода 8, базовый блок имеет устройством запуска электродвигателя вакуумного насоса 9 и запуска фрезы 10, на корпусе базового блока расположено осветительное устройство 11 для подсветки зоны отбора и выключатель 12 осветительного устройства, а вспомогательный блок 13 имеет портативный аккумулятор 14 и содержит шахты для размещения пробирок Эппендорфа 15, термостерилизации пробоотборного ствола с пробоотводящим патрубком 16 и жидкостной стерилизации вспомогательного инструментария 17, вспомогательный блок 13 выполнен с возможностью закрепления непосредственно на снаряжении оператора, при этом базовый и вспомогательный блоки соединены гибкими электропроводами 18.
На схеме (Фиг.) для упрощения описания заявленной полезной модели, продемонстрировавшей себя на практике чрезвычайно удобным, компактным и универсальным устройством, позволившим в считанные секунды оператору в экстремальных условиях ледниковых толщ, арктических перепадах температур и труднодоступных местах получать соскобы микроорганизмов из самых удаленных и труднодоступных расщелин, сохраняя при этом (и даже увеличивая срок их жизнедеятельности) за счет мобильной «мини-лаборатории», которая фактически так сконструирована, чтобы дает возможность непосредственно располагаться на снаряжении оператора, микробиологический вакуумный портативный пробоотборник обозначен 1, и он состоит из двух блоков 2 и 13
Работа заявленной полезной модели осуществляется следующим образом:
Для отбора пробы субстрата и для его последующего микробиологического анализа необходимо:
1. Перед началом работы следует выполнить автоматическую термостерилизацию пробоотборного ствола 3 с патрубком 4,
2. Насадить стерильную пробирку Эппендорфа 5 для отбора пробы на пробоотводящий патрубок 4 без касания горловины пробирки руками, сохраняя тем самым стерильность,
3. Поднести пробоотборный ствол 3 к месту отбора пробы,
4. Произвести разрыхление материала на задаваемую глубину путем включения и регулировки работы плавающей фрезы 7 внутри пробоотборного ствола 3 с одновременным засасыванием материала пробы в пробирку Эппендорфа 5,
5. Помещение пробирки в обойму (кассету), маркировка пробирки с пробой,
6. Двойная гидродинамическая промывка пробоотборного ствола 3 в спирте,
7. Установка пробоотборного ствола 3 с патрубком 4 в шахту термостерилизации 16 до момента последующего отбора новой пробы.
Как видно из позиций (1-7) работы полезной модели, можно сформулировать алгоритм микробиологического вакуумного портативного пробоотборника, который включает автоматическую термостерилизацию пробоотборного ствола 3, установку стерильной пробирки Эппендорфа 5 чашей вниз к боковому патрубку 4, одновременное разрыхление субстрата с применением плавающей фрезы 7, регулируемой устройством запуска фрезы 10 и засасывание материала пробы с помощью вакуумного насоса 9 в пробирку, помещение пробирки в кассетницу-шахту. Вспомогательный блок имеет прорези для возможности размещения на спецодежде оператора.
Вся процедура по отбору одной пробы составляет от нескольких секунд до нескольких минут, что требуется и что особенно важно при работе в экстремальных условиях и в труднодоступных местах обитания. При этом все необходимые операции могут выполняться одной рукой, что дает возможность оператора делать соскобы из самых труднодоступных мест.
Заявленная полезная модель была апробирована в полевых условиях в режиме реального времени во время участия сотрудников Санкт-Петербургского государственного университета в Российской Антарктической экспедиции. В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата заявляемой полезной модели - повышение скорости и эффективности отбора микробиологических проб из каменистых субстратов Антарктиды. За счет простоты манипуляций, удобства конструкции и сокращения времени отбора проб удалось осуществить отбор образцов с широкого круга природных и искусственных материалов, а также биологических объектов как с поверхности, так и из толщи изучаемых субстратов. Результаты были достигнуты благодаря одновременному разрыхлению и засасыванию материала пробы в пробирку Эппендорфа, а также автоматической термостерилизации пробоотборного зонда. К преимуществам заявленной полезной модели можно отнести универсальность (для отбора микропроб в широком диапазоне условий среды - от экстремальных условий высокоширотных регионов до объектов городской среды); возможность получения проб не только для микробиологического исследования, но и для анализа состава материалов, загрязнений и других целей; сокращение времени пробоотбора, т.к. все процедуры выполняются с учетом максимальной оптимизации операций (от момента стерилизации до взятия и помещения пробы в пробирку); малые габариты и масса; простота и удобство в эксплуатации.
Тестовые режимы работы устройства для отбора проб приведены в конкретных примерах.
Пример 1.
Отбор проб криптоэндолитного микробного сообщества осуществлен с использованием разрыхления материала пробы в диапазоне от 0 до 3 мм от торца пробоотборного ствола диаметром 5 мм. Разрыхление материала пробы с помощью регулируемой плавающей фрезы, а также засос материала пробы с помощью вакуумного насоса с давлением 50 кПа занимал от 1 до 5 минут. Пробы отобраны из поверхностных слоев гранита, кварца, базальта, гнейса. Последовательный отбор проб на глубине 1, 2 и 3 мм позволил выявить зоны концентрации литобионтных микроорганизмов. Преимущество метода проявилось в возможности исследователя непосредственно наблюдать процесс заполнения пробирки Эппендорфа материалом пробы и полностью управлять эти процессом.
Пример №2
Отбор проб бетонных конструкций в районах расположения российских полярных станций в зонах деструкции материалов с помощью данной модели позволил выяснить «стратификацию» биоповреждений, уточнить состав продуктов разрушения материала, оценить микрозональное распределение микроорганизмов в поверхностном слое материала.
Пример 3.
Отбор пробы легко отделяемых от субстрата поверхностных наслоений биологической и химической природы производился без предварительного разрыхления материала. Засасывание пробы с помощью вакуумного насоса производилось в темное время суток с использованием подсветки.
Все пробы, отобранные указанным способом, сохранились до окончания периода экспедиции без внешнего загрязнения и потери свойств материала. Последующие лабораторные анализы показали эффективность данного способа пробоотбора в части определения количественного и качественного содержания микроорганизмов, длительной сохранности биологических объектов и материала пробы.
Как показали результаты испытаний, проведенных во время экспедиции в высокоширотных регионах, а также последующие испытания в городских условиях, заявляемая полезная модель позволяет получать микробиологических пробы грунта, твердых и жидких природных и антропогенных субстратов, биопленок, поверхностных колоний, налетов, корок и наслоений, скоплений биологического материала в микротрещинах и структурных пространствах горных пород и искусственных материалов, следов растительного, животного и микробного мира, а также жизнедеятельности людей.
Список использованной литературы:
1. RU2299414 (авторское свидетельство «Персональный пробоотборник»)
2. RU2175122 (авторское свидетельство «Устройство для взятия микропроб на поверхности»)
3. US20100180699 (патент Portable contaminant sampling system)
4. EP-455904 (патент ЕС «Microbiology sampling device») (прототип)