УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ СРЕД

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для анализа материалов особыми способами, в частности, к определению степени загрязнения компонентов природной среды (атмосферного воздуха, воды поверхностных водоемов, почвы) методом биотестирования и может использоваться для экспресс биотестирования токсичности, в частности природных и сточных вод, на различных тест-объектах.
Известно устройство для биотестирования, включающее источник света, светофильтр, фотоумножитель, блок питания фотоумножителя, фосфороскоп, синхронный двигатель, усилитель постоянного тока, самописец. (Васильев И.Р. Мародин Д.Н. Венедиктов П.С. Методы биотестирования природных вод по замедленной флюоресценции микроводорослей. Методы биотестирования вод. Сб. научн. трудов / Под ред. А.Н.Крайнюковой. - Черноголовка, 1988. С.33-26).
Недостатком известного устройства является возможность применения его только для одного и, к тому же неоптимального, тест-объекта оценки состояния компонента природной среды.
Известно устройство для измерения индекса токсичности почв, почвогрунтов, вод и отходов по изменению подвижности половых клеток млекопитающих in vitro на базе анализатора изображения АТ-05, включающего рабочие сосуды с контролируемым объектом, блок подготовки проб, оптико-механический блок, содержащий источник света, объектив и фотоприемник, блок системный (электронный блок персонального компьютера), монитор, принтер, клавиатура, мышь. Программное обеспечение анализатора изображений осуществляет цифровой анализ микроскопических видеоизображений суспензии половых клеток с размерами в диапазоне от 2 мкм до 100 мкм. (Еськов А.П., Тимофеев М.А., Каюмов Р.И., Терехова В.А. Методика выполнения измерений индекса токсичности почв, почвогрунтов, вод и отходов по изменению подвижности половых клеток млекопитающих in vitro. - М.: МГУ, 2009)
Недостатком известного устройства является громоздкость и высокая энергоемкость устройства, осложняющая его мобильное оперативное применение. Недостатком известного устройства является также односторонность (однобокость) используемого тест-объекта и, как следствие, недостаточная объективность получаемых результатов оценки качества компонента природной среды.
Этот недостаток является присущим всем известным устройствам: они предназначены для определения только какой-нибудь одной характеристики на одном тест-объекте и, как следствие, неполной оценки качества компонентов природной среды.
В тоже время известно, что необходимая объективность оценки качества компонента природной среды достигается при использовании не менее двух независимых тест-объектов различных классов. Такими тест-объектами являются инфузории, и половые клетки млекопитающих со следующими положительными характеристиками:
Инфузории:
1. Относится к простейшим одноклеточным организмам.
2. Играют важную роль в природе. Являются пищей для других организмов; следовательно, их гибель в природных условиях может привести к исчезновению некоторых видов животных и рыб.
3. Обладают высокой чувствительностью к загрязнителям окружающей среды (одноклеточные организмы).
4. Широкое распространение инфузории туфельки в пресных водоемах.
5. Методическая простота определения токсичности.
Половые клетки млекопитающих:
1. Половые клетки обладают наиболее высокой чувствительностью к загрязнителям окружающей среды.
2. Возможность оценки негативного воздействия природных сред на млекопитающих и человека.
3. Методическая простота определения токсичности.
Кроме того, предпочтительным является оперативное проведение биотестов в условиях максимально приближенных к оцениваемому объекту так как проведение тестов в лабораторных условиях приводит к накоплению погрешности из за изменения качества объекта во времени.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение мобильности устройства при одновременном расширении ассортимента обрабатываемых тест-объектов путем обеспечения возможности биотестирования природных сред, как минимум, двумя различными независимыми биотестами, в числе которых водные одноклеточные (инфузории) и половые клетки млекопитающих для повышения объективности оценки качества компонентов природной среды и оперативности получения данных.
Поставленная задача решается следующим образом.
В состав предлагаемого устройства входят (см. фиг.): источник света (1) (галогенная лампа накаливания), светофильтры (2), каретка (3) с не менее чем тремя гнездами для рабочих сосудов с контролируемым объектом (фотометрических кювет, капилляров) (4), совмещающая функции оптико-механического блока и блока подготовки проб, представляющего собой сухой термостат, поддерживающий температуру в диапазоне от 30°С до 50°С; объектив (5), фотоприемник (цифровая фото-видеокамера) (6), портативный персональный компьютер (7) (например ноутбук или нетбук), снабженный монитором и устройствами ввода текстовой и координатной информации, блок (8) управления приводом и температурным режимом каретки. Электропитание заявляемой полезной модели осуществляется от встраиваемого аккумулятора или бортовой сети автомобиля 12 В.
Схема предлагаемого устройства представлена на фигуре.
Оптико-электронная схема устройства позволяет осуществлять цифровой анализ микроскопических видеоизображений с размерами в диапазоне от 2 мкм до 400 мкм
Указанная конструкция предлагаемой полезной модели позволяет определять подвижность половых клеток млекопитающих, имеющих габариты от 5 мкм до 65-75 мкм, и измерять изменения локальной концентрации инфузорий туфелька, имеющих габариты от 40-100 мкм до 100-350 мкм, а также определять характеристики других тест-объектов, имеющих похожие габариты и поведение.
Создание единого оптико-электронного тракта (источник света - светофильтр - гнездо для фотометрической кюветы - объектив - фотоприемник - компьютер), обеспечивающего последовательно-параллельный анализ, как минимум двух различных тест-объектов, упрощает конструкцию и делает устройство портативным, существенно повышая его мобильность.
Очень часто требуется быстро и достоверно произвести оценку качества природных сред. Такие ситуации могут возникнуть, например, при авариях на химических заводах. В случаях подобных чрезвычайных ситуаций важно в кратчайшие сроки объективно оценить экологическую обстановку в районе опасного промышленного объекта и принять адекватные меры.
Предлагаемое устройство позволяет проводить измерения в полевых условиях в максимальной близости от объекта оценки.
Работа полезной модели в основном варианте осуществляется следующим образом:
1. Определение подвижности половых клеток млекопитающих для экспресс оценки острой токсичности сточных вод и растворов.
Включают устройство. Задают блоку управления необходимую температуру гнезд каретки (например 40±1°С).
Контрольный (5%-ный глюкозо-цитратный буфер в дистиллированной воде) и испытываемый растворы помещают в пробирки с притертыми пробками и ставят в соответствующие гнезда каретки (3). В пробирки с контрольным и испытываемым растворами вносят равные количества маточной суспензии половых клеток быка, тщательно перемешивают и выдерживают при заданной температуре 2-3 мин (рабочие растворы). Рабочие растворы переливают в фотометрические кюветы (капилляры) (4) и помещают в соответствующие гнезда каретки, входящие в оптический тракт измерительного блока анализатора изображения. Блоком управления приводом перемещают по заданной программе каретку поочередно вводя в оптический тракт кюветы с контрольным и испытываемым растворами.
Луч света проходит через светофильтры, фотометрические кюветы и через объектив попадает в фотоприемник, в качестве которого может использоваться цифровая фотокамера подключенная к компьютеру. Цифровым анализом микроскопических видеоизображений по заданной программе компьютер определяет подвижность половых клеток в каждой фотометрической кювете (капилляре). Измерение автоматически производится через заданные промежутки времени. Непрерывно идет сопоставление подвижности суспензии половых клеток в капиллярах, содержащих контрольный и испытываемый растворы. Когда для всех капилляров подвижность половых клеток снижается на 95% от начального значения (через 2,5-3 часа), накопление данных прекращается; автоматически рассчитывается индекс токсичности испытуемого раствора, представляющий отношение средневзвешенных значений времени подвижности половых клеток в опытных и контрольных капиллярах с растворами, соответственно. Полученные результаты выводятся на монитор.
2. Определение совокупного положения (концентрации) инфузорий в выбранной (обычно в верхней) части измерительной кюветы для экспресс-оценки токсичности сточных вод и растворов по хемотоксической реакции инфузорий.
Определение токсичности различных сред в предлагаемом устройстве базируется на измерении изменения локальной концентрации инфузорий и основано на специфической реакции инфузории-туфельки, на присутствие опасного химического вещества. Все инфузории стремятся переместиться в чистую среду и выплывают туда за 15-20 мин. Наличие в анализируемой среде токсичных компонентов замедляет их движение пропорционально концентрации вредных веществ.
В нижнюю часть вертикальной фотометрической кюветы помещается взвесь инфузорий, а сверху наслаивается испытуемый раствор - испытательная проба. В другую такую же кювету поверх взвеси инфузорий наслаивают культуральный раствор - контрольная проба. Рабочие кюветы помещают в соответствующие гнезда каретки, входящие в оптический тракт анализатора изображения. Блоком управления привода перемещают по заданной программе каретку поочередно вводя в оптический тракт кюветы с контрольным и испытываемым растворами. Луч света проходит через светофильтры, фотометрические кюветы и через объектив попадает в фотоприемник, в качестве которого может использоваться цифровая фотокамера подключенная к компьютеру. Световой поток проходя через светофильтр и рабочие кюветы формирует на фотоприемнике изображение инфузорий. Анализатор изображений оценивает положение и изменение положения инфузорий в кювете во времени. Динамика этих изменений регистрируется и преобразуется в количественный критерий оценки опасности среды - индекс токсичности.
Относительное уменьшение вышедших в верхнюю часть испытательной кюветы инфузорий по сравнению с контрольной и определяет индекс токсичности описываемый выражением:
Т=(Сконтр-Сопыт)/Сконтр,
где Сконтр и Сопыт - концентрации (в условных единицах) инфузорий в "контрольной" и "испытательной" кюветах соответственно. Полученные результаты непрерывно и по завершению анализа (прекращению изменений концентраций инфузорий - обычно 30-60 минут) выводятся на монитор.
Наряду с основными (инфузории туфелька и половые клетки млекопитающих), полезная модель позволяет проводить дополнительную оценку состояния компонента природной среды и по другим тест-объектам (например молодые цериодафнии). Портативность предлагаемой полезной модели резко повышает мобильность устройства и позволяет проводить экспрессные измерения непосредственно на месте событий, требующих быстрой оценки ситуации.