АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ОПЕРАТИВНОГО БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА И ИНДИКАЦИИ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области биологии (океанологии, гидробиологии), экологии и охране окружающей среды и предназначена для непрерывного биологического мониторинга и биологической оценки (индикации) качества прибрежных морских и пресных вод, включая места сброса сточных вод в естественных условиях в режиме реального времени.
Известны системы биологического мониторинга окружающей среды, содержащие компьютеры и 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.). Они содержат компьютер, N аналого-цифровых преобразователей и усилителей и N датчиков и применяются в настоящее время для измерения частоты и амплитуды сердечных сокращений пресноводных раков в контролируемых и лабораторных условиях. Такие системы могут быть использованы только в искусственных, достаточно выровненных, специальных условиях. 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.
Известна 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 путем мониторинга степени раскрытия раковин двустворчатых моллюсков. Musselmonitor (массельмонитор) 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. В результате система становится экологически неадекватной.
Заявляемая система, как и известные, содержит измерительные приборы для непрерывной регистрации поведенческих и/или физиологических реакций водных организмов, соединенные с компьютером и сигнальным устройством. Другой вариант системы содержит измерительные приборы для непрерывной регистрации поведенческих и/или физиологических реакций водных организмов.
Задачей заявляемой системы является развитие и совершенствование системы для осуществления способа биологического мониторинга и оперативной биоиндикации по патенту РФ на изобретение №2357243 от 19.10.2007 г. и патенту РФ на изобретение №2395082 от 03.04.2009 г.
Техническим результатом автономной системы оперативного биомониторинга и индикации (автономной системы ОБИ) является обеспечение непрерывного измерения текущих колебаний функциональной активности организмов-биосенсоров в природных условиях и выявление степени их отклонений от нормы в целях повышения быстроты и достоверности индикации экологически опасных изменений окружающей среды.
Технический результат при выполнении системы по первому независимому пункту формулы достигается тем, что источник питания размещен на плавучем сооружении или на берегу, измерительно-регистрирующий блок установлен на плавучем сооружении или в герметичном боксе под водой на определенной глубине или на дне и представляет собой n средств измерений реакций водных организмов-индикаторов, где n=2, 3, 4…, компьютер и сигнальное устройство размещены на плавучем сооружении или в береговом комплексе, сигналы средств измерений поступают в компьютер с соответствующим 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 сигнальное устройство и производится генерация сигнала тревоги трех ступеней - при отклонении от нормы по одному параметру, по трем параметрам и по всем параметрам у всех организмов-индикаторов.
Система может быть дополнительно оснащена передатчиком сигналов. В качестве плавучих сооружений могут быть использованы заякоренный плот, плавающая платформа, плавучий бакен, судно. В качестве средств измерений могут быть использованы датчики Холла, плетизмографы, тензометры, волоконно-оптические датчики, стационарные видео-камеры и веб-камеры наружного и/или подводного видеонаблюдения за поведением водных организмов. При размещении измерительно-регистрирующего блока на плавучем сооружении водные организмы-индикаторы могут быть размещены на дне или на специальном основании, установленном на определенной глубине.
Технический результат при выполнении системы по второму независимому пункту формулы (6 п. ф-лы) достигается тем, что в качестве измерительно-регистрирующих приборов используются два и более размещенных на плавучем сооружении и/или на берегу прибора, каждый из которых представляет собой актограф-самописец, состоящий из корпуса и регистрирующей части, один конец рычага регистрирующей части соединен гибкой связью со створкой водного организма - моллюска, а второй с пером регистрирующей части самописца, при этом моллюск находится в воде в сетном вольере или садке, защищающем его от механических воздействий и рыб. В качестве плавучих сооружений могут быть использованы заякоренный плот или плавающая платформа.
Полезная модель поясняется с помощью схем, на которых представлены: на фиг.1 - схема автономной системы ОБИ по 1 пункту формулы с размещением компьютера и сигнального устройства на плавучем сооружении; на фиг.2 - схема системы ОБИ по 1 пункту формулы с размещением ИРБ на плавучей платформе, а компьютера и сигнального устройства в береговом комплексе, на фиг.3 - схема автономной системы ОБИ по 6 независимому пункту формулы, на фиг.4 - схема механического актографа-самописца.
Автономная система ОБИ по 1 независимому пункту формулы содержит (см. фиг.1) источник питания 1, размещенный на плавучем сооружении 2 или на берегу (не показано, при размещении источника питания на берегу к плавучему средству 2 протянут кабель электропитания), предназначенный для питания измерительно-регистрирующего блока 3 (ИРБ), а также компьютера 4 и сигнального устройства 5, если они тоже размещены на плавучем сооружении 2. При размещении системы ОБИ на судне питание элементов системы осуществляется от судового источника электроэнергии. Сигнальное устройство 5 может являться частью компьютера 4 и представлять собой встроенное в него световое, звуковое или иное сигнальное устройство или блок. Компьютер 4 содержит соответствующее специально разработанное для использования в заявляемой системе программное обеспечение, содержащее базу данных параметров состояния функциональных характеристик различных организмов-индикаторов в норме. Программа выполнена с возможностью ее постоянного обновления и редактирования, в том числе и базы данных. 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. ИРБ 3 представляет собой несколько - n средств измерений, где n=2, 3, 4…, в зависимости от целей и задач конкретной системы. В качестве средств измерений могут быть использованы, например, датчики Холла, мюссельмонитор, плетизмографы или другие волоконно-оптические датчики и иные подобные устройства, или разработанный автором тензометр. ИРБ 2 может содержать также стационарные видео-камеры и/или веб-камеры подводного видеонаблюдения за поведением водных организмов. На фиг.1 показан ИРБ 3, включающий в качестве средств измерений датчики Холла 6, 7, тензометр 8, размещенные в герметичном боксе 9, и видео-камеру 10, установленную на дне. Герметичный бокс 9 установлен под водой на необходимой (заданной) глубине или на дне (в виде самостоятельного зонда или в составе океанологического автоматического зонда). Сигналы средств измерений 6, 7, 8, 10 поступают в компьютер 4, который производит вычисление параметров функциональных характеристик организмов-индикаторов, значения измеренных параметров обрабатываются компьютером 4 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 у всех организмов-индикаторов.
Система может дополнительно содержать передатчик сигналов 11, предназначенный для передачи данных в какой-либо удаленный центр сбора информации 12.
При размещении компьютера 4 и сигнального устройства 5 в береговом комплексе 13 (см. фиг.2), передача данных к ним от ИРБ 3 может осуществляться по кабелю или посредством передатчика сигналов 11.
В качестве плавучих сооружений 2 могут быть использованы, например, заякоренный плот, плавающая платформа, плавучий бакен, судно, пирс, понтон, баржа, паром и т.д.
Плот или плавучая платформа 2 (см. фиг.3), например, может быть заякоренным у берега или у причала, или у понтона, с протянутым к нему кабелем электропитания. При размещении измерительно-регистрирующего блока 3 на плавучем сооружении 2 водные организмы-индикаторы 14, 15 могут быть размещены на дне или на специальном основании 16, установленом на определенной глубине.
Автономная система по второму независимому пункту формулы, при отсутствии электропитания (см. фиг.4), может быть выполнена с ИРБ, представляющем собой механический актограф-самописец. Актограф (регистратор движений) представляет собой модифицированный гидрометеорологический самописец (регистрирующий самопишущий прибор, например, барограф или термограф), у которого изменена рычажная система. Он может быть установлен на плавающей платформе или на берегу. Актограф-самописец содержит открывающийся корпус 17 и регистрирующую часть, включающую стрелку с пером 18, рычаг 19 и барабан с часовым механизмом 20. Один конец рычага 19 прикреплен гибкой связью 21 (лавсановой или капроновой нитью) к створке водного организма - моллюска 22, на втором его конце находится перо 18 регистрирующей части, заполненное специальными чернилами. Сам моллюск 22 находится в воде в сетном вольере или садке 23, защищающем его от механических воздействий и рыб. При размещении актографа-самописца на плавающей платформе (на данной схеме не показано) моллюск 22 может быть второй створкой приклеен к специальному основанию 24, прикрепленному к платформе 2 на определенной (необходимой) глубине.
Запись движений створок осуществляется пером 18 самописца 16 на бумажной ленте (актограмме), надетой на вращающийся барабан 20 с суточным или недельным ходом (оборотом). Усилие от движения створки моллюска 22 передается на перо 18 - происходит запись на ленте. Ленту меняют раз в сутки (при суточном актографе) или раз в неделю (при недельном ходе). Моллюск 22 всегда находится в воде в пространстве, защищенном сеткой 23 (делью) от механических воздействий и рыб. Актограф находится во влагозащищенном боксе (на чертеже не показан) и закреплен на берегу, плоту, пирсе или иной плавающей платформе. Автономная система по второму пункту формулы работает в полуавтоматическом режиме, значительные изменения в поведении оцениваются экспертом на месте, менее значимые - после компьютерной обработки данных, вводимых вручную или с помощью считывающего устройства.
Экспериментальные образцы автономной системы ОБИ прошли тестовые испытания в лабораторных и полевых условиях в течение 2005-2010 гг.
Заявляемая автономная система ОБИ (варианты) обеспечивает выявление любых изменений окружающей среды широкого временного масштаба (от нескольких минут до нескольких месяцев), индикацию как токсических воздействий и определение влияния на биоту какого-либо загрязнения или воздействия, так и выявление отклонений параметров от природной статистической нормы в чистых естественных условиях, под влиянием природных факторов.