СИСТЕМА ОПЕРАТИВНОГО БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА И ИНДИКАЦИИ
SYSTEM FOR RAPID BIOLOGICAL MONITORING AND INDICATION

Изобретение относится к области биологии (океанологии, гидробиологии), экологии и охране окружающей среды и предназначено для непрерывного биологического мониторинга и биологической оценки (индикации) качества как морских, так и пресных вод, включая питьевую и сточные воды в естественных или искусственных условиях в режиме реального времени.
Известны датчики физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом (патенты РФ на полезные модели №52190 от 03.11.05 г., №61431 от 25.08.06 г.), содержащие источник оптического (инфракрасного) излучения, и система биологического мониторинга окружающей среды, содержащая компьютер и вышеуказанные датчики для измерения физиологической активности водных животных, применяемая в настоящее время для измерения частоты и амплитуды сердечных сокращений пресноводных раков в контролируемых и лабораторных условиях. Датчики содержат источник оптического излучения, волоконно-оптическиий разветвитель, N корпусов с элементами установки на теле тестируемого беспозвоночного, N приемных оптических волокон и N приемников оптического излучения. Системы с их использованием содержат компьютер, N аналого-цифровых преобразователей и усилителей, и N датчиков. Системы с использованием волоконно-оптических датчиков сложны в изготовлении, неприменимы для реальных природных условий. Такие системы могут быть использованы только в искусственных, достаточно выровненных, специальных условиях. Заложенная в программу оценка состояния воды по одному физиологическому параметру ненадежна. Не определены возможности применения систем кардио-мониторов для оценки (индикации) токсичности воды (в том числе водопроводной) при низких (менее 50 ПДК) концентрациях различных токсичных веществ и диапазон реакций на нетоксичные вещества и раздражители.
omp.
Известна система физиологического мониторинга сердечных сокращений, потенциально пригодная для биомониторинга водной среды (Depledge M.H., Andersen В.В. A computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates. - С Biochem. PhysioL, Vol.96A, 1990, № 4, p.p.473-477), содержащая датчик регистрации сердечных сокращений крабов, приклеиваемый на карапаксе краба, содержащий светодиод, фоторезистор, аппаратуру для усиления и обработки электрического сигнала, соединенный с компьютером, имеющим соответствующую программу. Данной системе присущи все недостатки описанной выше системы. Кроме того, использование данной системы приводит как к ошибкам из-за стресса испытуемого животного (краба, рака) вследствие ограничения его естественных движений в аквариуме, а также из-за прикрепления оптоволокна и достаточно значительного веса датчика, так и к ухудшению состояния и частой гибели (замене) животного, что повышает стоимость и усложняет эксплуатацию системы, крайне затрудняет ее использование в природных условиях.
Наиболее близкой является биологическая система оповещения, разработанная в Нидерландах и производимая под торговой маркой Musselmonitor (originally in Dutch Mosselmonitor: De Zwart, D., K.J.M. Kramer & H.A. Jenner (1995), Practical experiences with the biological early warning system 'Mosselmonitor', Environ. Toxicol. Water Qual. 10: 237-247), применяемая во многих странах мира для контроля пресных и, изредка, прибрежных морских вод, а также в водопроводе Будапешта, Венгрия, для контроля качества хлорированной питьевой воды путем мониторинга степени раскрытия раковин двустворчатых моллюсков. Musselmonitor (мюссельмонитор) представляет собой коробчатый корпус, в котором размещены несколько моллюсков (например, 8 экз. дрейссены, Dreissena polymorpha), на обе створки каждой особи приклеено по электромагнитному датчику, строго навстречу друг другу, чтобы производить измерение расстояния между двумя створками раковин, которое пропорционально изменениям магнитного поля створок. Сигналы от датчиков поступают в компьютер и с помощью специального программного обеспечения анализируются и визуализируются в виде графиков. При достижении порогового значения определенных параметров (величина открытия створок, продолжительность времени закрытия и открытия в минуту или др.), определяемого экспертом, генерируется сигнальное сообщение о том, какое отклонение параметра вызвало тревогу. До настоящего времени система использовалась только в ограниченных условиях, достаточно выровненных (таких, как питьевая вода; отводы речных вод и стоков по специальным лоткам-желобам) и спокойных (в тихих прибрежных местах, на специальных станциях). Недостатками системы Musselmonitor, как и других известных «систем раннего предупреждения» (early warning systems, включая указанные выше) в отношении применения в реальных природных условиях, являются: пороги срабатывания устанавливаются пользователем-экспертом, их определение требует значительного опыта, а также времени на калибровку шкалы. При этом не учитывается природная изменчивость поведенческих или других регистрируемых реакций в естественной среде, в то время как пороговые значения в разных местах и в разных условиях одного места могут сильно отличаться (например, по сезонам). В результате, естественно-природные изменения факторов среды могут приводить к таким же изменениям параметров (вызывая стресс), как и антропогенные (токсические) воздействия, что неизбежно провоцирует генерацию сигналов ложной тревоги; система становится экологически неадекватной.
Задачей заявляемой системы является развитие и совершенствование системы для осуществления способа биологического мониторинга и оперативной биоиндикации по патенту №2357243 и заявке на выдачу патента №2009112433 от 03.04.2009 г.
Техническим результатом системы оперативного биомониторинга и индикации (системы ОБИ) является обеспечение непрерывного измерения текущих колебаний функциональной активности организмов-биосенсоров как в искусственных, так и в любых природных условиях, и выявление степени их отклонений от нормы в целях повышения точности и достоверности индикации экологически опасных изменений окружающей среды, в первую очередь, токсического загрязнения. Техническим результатом системы является также обеспечение непрерывной индикации экологического качества вод в местах освоения нефтегазовых и иных месторождений (буровые платформы), транспортировки-перегрузки углеводородов и других полезных ископаемых или веществ (терминалы), а также в местах сброса сточных вод.
Технический результат достигается тем, что система состоит из измерительно-регистрирующего, аналитического и сигнального блоков, измерительно-регистрирующий блок представляет собой n средств измерений реакций водных организмов-индикаторов, где n=2, 3, 4, для двух или более аквариумов с находящимися в них организмами-индикаторами, в которые постоянно или циклично из аквариума-распределителя поступает вода, закачиваемая насосом с тестируемого подводного горизонта водного объекта или из водопровода, система или ее измерительно-регистрирующий блок размещены на стационарных плавучих или на гидротехнических сооружениях, или на станциях водоснабжения, параметры функциональных характеристик организмов-индикаторов вычисляются по сигналам средств измерений, поступающих в аналитический блок, представляющий собой программно-аппаратное устройство, включающее компьютер с программным обеспечением, содержащим базу данных параметров состояния функциональных характеристик различных организмов-индикаторов в норме, выполненную с возможностью ее постоянного пополнения и редактирования, значения измеренных параметров обрабатываются компьютером непрерывно в режиме реального времени, индивидуально для каждой особи организма-индикатора, при превышении степени отклонения их средних значений от нормы автоматически включается сигнальный блок и производится генерация сигнала тревоги трех ступеней - при отклонении от нормы по одному параметру, по трем параметрам и по всем параметрам.
В качестве средств измерений могут быть использованы датчики Холла, плетизмографы, тензометры, волоконно-оптические датчики, стационарные видеокамеры и/или веб-камеры наружного и/или подводного видеонаблюдения за поведением водных организмов. Измерительно-регистрирующий блок может быть размещен на плавучих или на стационарных плавучих, или на гидротехнических сооружениях, или на станциях водоснабжения, а аналитический и сигнальный блоки могут быть размещены в береговом комплексе.
Выполнение системы ОБИ из трех отдельных блоков - измерительно-регистрирующего (ИРБ), аналитического (АБ) и сигнального (СБ), обеспечивает разнообразие (многовариантность) конструктивного исполнения системы с возможностью размещения всей системы или ее части (ИРБ) на различных стационарных, гидротехнических или иных сооружениях, а также на станциях водоснабжения для выявления любых изменений окружающей среды, индикации не только токсических воздействий и определения влияния на окружающую среду какого-либо загрязнения, но и отклонений параметров от статистической нормы в чистых естественных условиях, под влиянием природных факторов.
Выполнение измерительно-регистрирующего блока в виде n средств измерений реакций водных организмов-индикаторов для двух или более аквариумов с находящимися в них организмами-индикаторами, в которые постоянно или циклично из аквариума-распределителя поступает вода, закачиваемая насосом с тестируемого подводного горизонта водного объекта или из водопровода, размещенного на стационарных плавучих или гидротехнических сооружениях, или на станциях водоснабжения, обеспечивает возможность непрерывного измерения текущих колебаний функциональной активности организмов-биосенсоров как в искусственных, так и в любых природных условиях, повышение точности и достоверности биоиндикации, а также многовариантность конструктивного исполнения системы ОБИ за счет использования различных средств измерений в зависимости от поставленных целей, задач и возможностей, в том числе обеспечение непрерывной индикации качества вод в местах освоения нефтегазовых и иных месторождений (буровые платформы), а также транспортировки-перегрузки углеводородов и других полезных ископаемых или веществ в море (терминалы).
Выполнение аналитического блока в виде программно-аппаратного устройства, включающего компьютер с соответствующим программным обеспечением и содержащего базу данных параметров состояния функциональных характеристик различных организмов-индикаторов в норме, с непрерывной обработкой значений измеренных параметров в режиме реального времени, индивидуально для каждой особи организма-индикатора, обеспечивает возможность выявления степени отклонений функциональной активности организмов-биосенсоров от нормы в целях немедленной и достоверной индикации экологически опасных изменений окружающей среды, в первую очередь, токсического загрязнения, а также повышает точность и достоверность биоиндикации.
Анализ выявленных при поиске источников информации показал, что заявляемая совокупность существенных признаков неизвестна из уровня техники, что подтверждает соответствие заявленного решения критерию «новизна».
Поскольку заявляемая совокупность существенных признаков позволяет получить новый технический результат, отличный от того, что обеспечивают известные способы, можно утверждать, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется с помощью схем, на которых представлены: на фиг.1 - общая блок-схема заявляемой системы ОБИ; на фиг.2 - схема системы ОБИ с размещением всех трех блоков на стационарных плавучих или гидротехнических сооружениях, или на станциях водоснабжения; на фиг.3 - схема системы ОБИ с размещением ИРБ на стационарных плавучих или гидротехнических сооружениях, или на станциях водоснабжения, АБ и СБ - в удаленном от ИРБ месте.
Система оперативной биоиндикации состоит (см. фиг.1) из измерительно-регистрирующего 1 (ИРБ1), аналитического 2 (АБ2) и сигнального 3 (СБЗ) блоков. Сигнальный блок СБЗ может являться частью аналитического блока АБ2 и представлять собой встроенное в него световое, звуковое или иное сигнальное устройство или блок (на схеме не показано). АБ2 представляет собой программно-аппаратное устройство, включающее компьютер с соответствующим программным обеспечением. В качестве компьютера может быть использован как современный ПК с соответствующими возможностями, так и специализированный компьютер с многопроцессорной архитектурой, позволяющий принимать одновременно несколько потоков данных и выполнять параллельно несколько фрагментов одной задачи. ИРБ1 представляет собой несколько - n средств измерений, в качестве которых могут быть использованы, например, датчики Холла, мюссельмонитор, плетизмографы или другие волоконно-оптические датчики и иные подобные устройства, или разработанный автором тензометр (на схеме не показаны). ИРБ1 может содержать также стационарные видео-камеры и/или веб-камеры подводного видеонаблюдения за поведением водных организмов. ИРБ1 может быть размещен вместе с АБ2 и СБЗ или отдельно от них.
Система ОБИ может размещаться на стационарных плавучих или гидротехнических сооружениях, например, на стационарных портовых, нефтяных или иных терминалах, или на буровых платформах, или на водосбросных, причальных сооружениях, или на дебаркадерах, или на станциях водоснабжения, имеющих источник переменного тока для питания всех блоков и устройств системы, и передатчик данных. Возможны различные варианты исполнения системы в зависимости от мест размещения ее блоков ИРБ1, АБ2 и СБЗ. Ниже приведены конкретные (не исчерпывающие объем правовой охраны) примеры вариантов выполнения системы по заявляемому изобретению.
В основном варианте исполнения системы она состоит (см. фиг.2) из ИРБ1, АБ2 и СБЗ, размещенных на стационарных плавучих или гидротехнических сооружениях, например, на стационарных портовых и/или нефтяных, или иных терминалах, или на буровых платформах, или на водосбросных, причальных сооружениях, или на дебаркадерах, или на станциях водоснабжения. ИРБ1 состоит из n - 4, 5, 6 (в данном случае) средств измерений для двух или более (трех, например), аквариумов 6, 7, 8 с находящимися в них водными организмами-индикаторами (биосенсорами), в которые постоянно или циклично (с установленным интервалом) поступает вода с тестируемого подводного горизонта (с выбранной глубины). Вода закачивается насосом 9 в аквариум-распределитель 10, чем обеспечивается равномерность ее поступления в аквариумы 6, 7, 8 с животными-индикаторами, в которых, при необходимости, может достигаться термостатирование (подогрев или охлаждение воды) и/или добавка культуры водорослей для кормления животных-сестонофагов. Непрерывная запись поведенческих реакций двустворчатых моллюсков (мидия, модиолус, гребешок, кардиум, дрейссена, беззубка и др. - в зависимости от условий) в каждом аквариуме 6, 7, 8 производится ИРБ1 с помощью таких средств измерений, например, как датчики Холла 4, 5 и тензометр 6. ИРБ1 может содержать также плетизмографы, т.е. волоконно-оптические датчики физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом, работающие на основе ИК-излучения и производящие запись сердечных сокращений животных-биосенсоров.
В следующем варианте выполнения системы ОБИ стационарная система может дополнительно включать подводное видеонаблюдение за поведением животных (мидии, модиолуса, мии, гребешка, кардиума, голотурии, краба, беззубки и др. гидробионтов) с помощью стационарных видео-камер и/или веб-камер 11 (web-camera); их оптические сигналы в АБ2 преобразуются в цифровые и затем производится их дальнейшая обработка.
Информация со всех приборов ИРБ1 и/или камер 11 поступает в аналитический блок АБ2, включающий компьютер с соответствующим программным обеспечением, содержащим пополняемую базу данных параметров состояния функциональных характеристик различных организмов-индикаторов в норме. Программа выявления и генерации отклонений измеряемых параметров выполнена с возможностью изменения ее настроек в процессе эксплуатации. При превышении пороговых показателей информация передается в СБЗ, который представляет собой блок оповещения о ненормальных (опасных, патологичных) изменениях измеряемых параметров по нескольким ступеням тревоги, с формированием и передачей сигналов тревоги в режиме он-лайн.
Первая ступень тревоги - сигнал «предупреждение» - возникает при отклонении от нормы по одному параметру, второй - «опасность» - при отклонении от нормы по 3 и более параметрам, третий - «тревога», - при отклонении от нормы по всем параметрам и статистическим критериям у всех особей. Сигналы передаются в цифровом формате, уровень тревоги определяется программой, дублируется графически на мониторе, в случае опасности (тревоги определенного уровня) генерируются световые и звуковые сигналы.
Сигналы с АБ2 непрерывно или по выбранным критериям (при достижении пороговых значений параметра 1 функции) могут передаваться по Интернет/Интранет или спутниковой связи (с помощью соответствующего передатчика) в центр 12 сбора информации и принятия решений.
В определенных случаях (следующий вариант выполнения системы) на стационарной платформе может находиться только ИРБ1 (см. фиг.3), а АБ2 и СБЗ могут быть размещены в другой точке (например, на береговом комплексе или в центре 12 сбора информации), сигналы от ИРБ1 при этом передаются для обработки в АБ2 и СБ2 дистанционно.
Такая система ОБИ представляется наиболее эффективной в отношении акваторий нефтяных платформ, терминалов и других стационарных плавучих или гидротехнических сооружений вдоль береговой полосы, а также на станциях водоснабжения; при этом достоверность и точность биоиндикации возрастают, наилучшее качество результатов достигается при наименьших затратах.
3
Впервые система биологического мониторинга с биоиндикацией с закачиванием воды в аквариум-распределитель или резервуар 13 (см. фиг. 4) и распределением ее по аквариумам 14, 15, 16 с находящимися в них водными животными 17 применялась в Дальних Зеленцах (Баренцево море) в 1990-е годы. Вода поступала непосредственно из подповерхностного слоя губы Дальняя Зеленецкая. Стационарный насос 18 закачивал воду круглосуточно с 15 минутным интервалом. Отключение/включение насоса 18 производилось поплавковым реле по наполнению/опорожнению аквариума-распределителя 13 от установленного уровня. Поступление воды в рабочие аквариумы 14, 15, 16 происходило самотеком, так как резервуар-распределитель 13 находился на 5 м выше уровня аквариумов. Вода из аквариумов 14, 15, 16 вытекала по резиновым трубкам 19 в специальный коллектор 20, выводящий воду наружу (в море). Экологический мониторинг качества воды осуществлялся по поведенческим реакциям мидий 17 с использованием механических актографов-самописцев 21, 22, 23 для получения суточных и недельных записей (актограмм). Мониторинг за изменениями поведения мидий осуществлялся полуавтоматически, оператором. В рабочее время частота наблюдений за самописцем была ежечасной, анализ записей за ночное время производился утром. Таким образом, частота (дискретность) биомониторинга составляла 1 раз/час и 1 раз в 12 час, что оказалось вполне достаточно для достоверного экологического контроля качества воды в условиях обычно чистой губы Дальняя Зеленецкая. Общая продолжительность такого биосенсорного экологического мониторинга протекающей через аквариумы морской воды составила более 2 лет непрерывных записей на 50 экз. моллюсков. Это была первая попытка проведения непрерывного биомониторинга с оперативной биоиндикацией. Дальнейшая отработка данной системы была прервана и возобновилась в 2005-2008 гг. в полевых экспедициях на Баренцевом море в Дальних Зеленцах и Гаджиево (Сайда-губа) с использованием погружного насоса типа «Ручеек». В качестве резервуара в Дальних Зеленцах использовалась открытая пластиковая ванна на 2 м, из которой вода самотеком поступала в небольшие аквариумы объемом по 10 л, расположенные ниже по склону берега. Насос включался на несколько часов в сутки в дни экспериментов (летом).
Во Вьетнаме в 2010 г. данная система применялась в аквариальных условиях, в том числе для биотестирования воды и грунтов. Резервуаром служил (см. фиг. 5) 300 л аквариум-распределитель (резервуар) 24, в который насосом 25 периодически закачивалась вода. Резервуар 24 был расположен на 1 м выше аквариумов 26, 27 с водными животными-биосенсорами 28. Из аквариума-распределителя 24 вода самотеком поступала в 20 л аквариумы 26, 27 с аэрацией, а из них вытекала по трубкам 29 в бак 30. Вода была привозная, поэтому скорость протока в аквариумах была ограничена (зажимами) до 50-100 мл/мин. Здесь применялась электронная система регистрации поведения моллюсков, включающая ИРБ 31 с усилителем и АЦП 32 и датчиками 33, 34 тензометра, АБ (компьютер 35) и СБ 36, представляющий собой встроенный в компьютер 35 световой блок. Датчики 33,34 соединялись с верхними створками тестируемых моллюсков 28. Сигналы датчиков поступали на вход компьютера 35, оснащенного специализированным программным обеспечением, содержащим базу данных параметров состояния функциональных характеристик различных организмов-индикаторов в норме. Значения измеренных параметров обрабатывались компьютером 35 непрерывно в режиме реального времени. Текущие отклонения от нормы индицировались на мониторе красным цветом - происходило изменение цвета тех частей кривой колебаний УРС (из черного цвет становился красным), которые выходили за рамки нормального варьирования параметров.
В Кольском заливе в марте 2011 г. (г. Полярный) испытана аналогичная система оперативного биомониторинга и индикации, включающая ИРБ 37 (см. фиг.6), АБ 38 и СБ 39. Управление и мониторинг ИРБ 37 осуществлялся в режиме реального времени с удаленного компьютера 38, находящегося в Мурманске в здании ММБИ. ИРБ 37 представляет собой два датчика 40, 41, соединенных с усилителем и АЦП 42. Оцифрованные сигналы с датчиков 40, 41 поступали в компьютер 38 посредством Интернет (с использованием мобильного модема). Параллельно осуществлялась непрерывная запись океанологических параметров при помощи СТД-зонда 43, которая также отслеживалась в Мурманске. Вода из моря закачивалась насосом 47 в аквариум-распределитель 48, а из него в аквариумы 44, 45 с моллюсками 46. Из аквариумов 44, 45 вода вытекала наружу в море в стороне от места закачки. В дальнейшем работа по практическому осуществлению заявленного изобретения с отработкой различных вариантов исполнения данной системы будет продолжена.
Возможно осуществление изобретения в следующем варианте исполнения системы. Система состоит из ИРБ 50, размещенного на стационарном гидротехническом сооружении, например, на пирсе или на нефтяном терминале, и АБ 51 и СБ 52, размещенных в центре сбора информации 53, находящегося, например, в здании ММБИ. Закачивание воды в аквариум-распределитель 54 (см. фиг. 7) и распределение ее по аквариумам 55, 56, 57 с находящимися в них водными животными 58 осуществляется насосом 59 с тестируемого подводного горизонта. ИРБ 50 состоит из электромагнитного датчика 60, датчиков 61, 62 тензометра, соединенных с усилителем и АЦП 63, и видео-камеры 64 подводного видеонаблюдения за поведением водных организмов, находящихся непосредственно в воде в природных условиях. Вода из аквариумов 55-57 сливается обратно в море в стороне от места закачки. АБ 51 представляет собой компьютер со специальным программным обеспечением. СБ 52 представляет собой встроенное в компьютер 46 цветовое или звуковое сигнальное устройство.
В отличие от других систем биоиндикации заявляемая система ОБИ направлена на выявление любых изменений окружающей среды, на индикацию не только токсических воздействий и определение влияния на окружающую среду какого-либо загрязнения, но и отклонений параметров от статистической нормы как в чистых естественных условиях, под влиянием природных факторов, так и в искусственных, например, на станциях водоснабжения.