ПЛАВАЮЩЕЕ РАЗБОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА МИКРОФЛОРЫ ОТКРЫТЫХ ВОДОЕМОВ И СТОЧНЫХ ВОД

Плавающее разборное устройство для мониторинга микрофлоры открытых водоемов и сточных вод (далее устройство) относится к техническим устройствам для обеспечения микробиологического, эпидемиологического и экологического мониторинга микрофлоры открытых водоемов и сточных вод.
Уровни загрязнения открытых водоемов и сточных вод зависят от климатических сезонных колебаний погоды и сопутствующим ей метеорологическим проявлениям, в первую очередь, осадков, паводков, температуры окружающей среды, солнечной активности. Ливневые и паводковые воды содержат в десятки и сотни раз более высокие концентрации микроорганизмов в пересчете на единицу объема жидкости, в сравнении с таковыми при отсутствии метеорологической активности (Лептоспирозы людей и животных / Под ред. проф. В.В. Ананьина. -. - М.: «Медицина» - 1971. - 352 с.).
Предлагаемое устройство может быть использовано для механического улавливания микроорганизмов мембраной фильтра заборного устройства при принудительном прокачивании (аспирации) жидкости из открытых водоемов и сточных вод. После улавливания и адсорбции микроорганизмов на мембране, последнюю подвергают бактериологическому анализу с микроскопией мазков и посевом смыва с фильтра на питательные среды. В качестве фильтров использовали «Мембраны Владипор», МФА-А, №2, ТУ 6-05-1924-82, продукции Казанского производственного объединения «Тасма» с размером пор 0,35-0,50 µ. (мкм).
В специальной литературе известны различные фильтрующие устройства, используемые при исследовании воды в условиях лабораторий.
Известен фильтровальный аппарат Рублевской водопроводной станции, который состоит из двух частей. Верхняя часть представляет собой стеклянную воронку емкостью до 600 мл. На шейку воронки одето металлическое кольцо с двумя пазами (углублениями). Нижняя часть аппарата - металлический фильтровальный столик - имеет два выступа в форме части винтовой резьбы и керамическую пористую пластинку, на которую при фильтровании помещается мембранный фильтр (http://ru-ecology.info/term/39868/;
http://ru-ecology.info/static/pngbig/297405162.png).
Основными недостатками фильтровального аппарата Рублевской водопроводной станции является то, что он применяется при контроле водопроводной воды крупных населенных пунктов только в лабораторных условиях.
Приведенные недостатки, а также хрупкость стеклянной конструкции аппарата и его громоздкость являются препятствиями при использовании в качестве фильтрующего устройства для мониторинга микрофлоры открытых водоемов и сточных вод (Скворцов В.В., Киктенко В.С, Кучеренко В.Д. Выживаемость и индикация патогенных микробов во внешней среде. - М.: Медицина, 1966. - 360 с.).
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является аппарат Зейтца, в котором вода фильтруется через мембранный фильтр, располагаемый на металлической сетке в основании металлического стакана с приложением внешней энергии для ее фильтрования.
Основными недостатками фильтровального аппарата Зейтца является ограниченная возможность его применения - только в условиях лаборатории и затруднения, возникающие при исследовании больших объемов воды (>500 мл), а также хрупкость, громоздкость и абсолютная неприспособленность аппарата для применения в полевых условиях при мониторинге микрофлоры открытых водоемов, сточных вод и использования магноиммуносорбентов (Скворцов В.В., Киктенко В.С, Кучеренко В.Д. Выживаемость и индикация патогенных микробов во внешней среде. - М.: Медицина, 1966. - 360 с; Специфическая индикация патогенных биологичеких агентов. Практическое руководство. / Ред. Г.Г. Онищенко. М.: ЗАО "МП Гигиена", 2006. 288 с.).
Целью заявляемой полезной модели является увеличение эффективности улавливания микроорганизмов из открытых водоемов и сточных вод при проведении микробиологического, эпидемиологического и экологического мониторинга с минимизированным травматическим воздействием на микробов за счет щадящих условий отбора проб воды, концентрирования клеток на поверхности мембранного фильтра и/или их сорбции на поверхности магноиммуносорбентов (МИС).
Сущность технического решения полезной модели заключается в щадящем отборе проб воды с поверхности водоема, возможности задержки микроорганизмов на мембранном фильтре и/или их селекции на магноиммуносорбентах с возможностью регулирования глубины погружения функциональных узлов устройства (1-5 мм) при принудительном расходе жидкости.
Общая концепция конструирования основных узлов устройства заключается в возможности за счет инженерных решений изменять глубину погружения его водоотборной части, а функциональные особенности устройства, несмотря на некоторые конструктивные различия их узлов, направлены на достижение цели создания и обоснования технического решения полезной модели с возможностью использования, не только концентрации микроорганизмов на мембранном фильтре и прямого обора проб воды в емкость, но и современных методов селективной концентрации микроорганизмов на МИС.
Несмотря на разноплановый характер функционального обеспечения отбора проб при мониторинге микрофлоры открытых водоемов и сточных вод полифункциональность полезной модели обеспечивается за счет, входящих в состав устройства приспособлений.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет:
- концентрировать микроорганизмы на мембранном фильтре;
- селективно концентрировать микрофлору, ее антигены и ДНК на МИС;
- производить отбор проб жидкости в емкости.
Масса устройства для обеспечения каждой из вышеперечисленных функций с учутом использования различных приспособлений не превышает 80 г.
Устройство для концентрации микрофлоры на мембранном фильтре представляет собой плоский дисковый контейнер, корпус которого образуют дисковое основание со стержнем - «замок» и крышка в виде шайбы с 3-ми, равномерно размещенными по краю окружности фиксирующими стержнями. Дисковое основание и крышка герметично соединяются с помощью охватывающей герметизирующей эластичной резиновой манжеты, прижимающей мембранный фильтр, который отграничивает фильтровальную камеру от поверхности воды на глубине 1-5 мм за счет поплавков, регулирующих уровень погружения контейнера в воде, а для предотвращения нарушения целостности мембранного фильтра под последним установлена мелкая металлическая поддерживающая сетка в форме диска, кромка которого и центр, соответственно, опираются на внутренний выступ дискового основания и выступ канала с ввинчивающимся алюминиевым патрубком (М8×0,75) диаметром 8 мм с 4-мя дополнительными боковыми отверстиями диаметром 2 мм для отвода жидкости из контейнера, а выходящий из камеры фрагмент патрубка изогнут под прямым углом, и служит для подсоединения эластичной, гибкой силиконовой трубки и обеспечения расхода жидкости за счет перистальтического насоса или аспиратора.
Для оптимизации обеспечения функции устройства, из органического стекла толщиной 5 мм, изготовлена матрица в виде диска, боковая поверхность которого по окружности ограничена металлической полосой с выступающей на 2 мм режущей кромкой, а также выступающими на 2 мм над его поверхностью 4-мя металлическими патрубками с заостренными краями и размещенными конгруэнтно 3-м фиксирующим стержням и «замку» для вырезания мембранных фильтров требуемого размера из листовой заготовки типа «Мембрана Владипор» МФА-А №2 диаметром 293 мм ТУ 6-05-19248-2, производства «Тасма», Казань.
Для установки герметизирующей резиновой манжеты по окружности корпуса дискового контейнера из стальной полосы толщиной 6 мм и прута диаметром 4 мм изготовлены рукоятка с фиксированной к ней П-образной распорной «вилкой» с 2-мя параллельными стержнями длиной 70 мм, служащими для упрощения предварительной фиксации герметизирующей эластичной резиновой манжеты и ее установки на боковой поверхности плоского дискового контейнера.
Для хранения стерильных и использованных мембранных фильтров изготовлены модифицированные контейнеры с магнитными крышками. Контейнер состоит из прямоугольного основания с углубленным ложементом для фильтров и крышки. Основание и крышка фиксируются за счет ниобиевого магнита с размерами 3×3 мм и стальной полоски 5×10 мм, соответственно, закрепленными в основании и крышке.
Перед началом работы между основанием и крышкой дискового контейнера устройства устанавливают стальную поддерживающую сетку, поверх которой аккуратно размещают мембранный фильтр с отверстиями конгруэнтно направляющим стержням и «замку», герметизируют резиновой манжетой камеру устройства с помощью рукоятки с распорной вилкой, заводят со стороны днища устройства поплавковую платформу с 3-мя поплавками и легким поворотом по часовой стрелке, которую закрепляют пружинными клипсами к днищу устройства. Внутренний объем камеры дискового контейнера устройства через разъем отводящей силиконовой трубки полностью заполняют без образования пузырьков воздуха стерильным физиологическим раствором. Контейнер с поплавками помещают в емкость с водопроводной водой и путем перемещения поплавков относительно контейнера устанавливают горизонтальный уровень погружения поверхности мембранного фильтра на глубину 1÷5 мм от поверхности жидкости, ориентируясь по равномерности растекания воды по поверхности крышки и ее толщине, равной 3 мм. Разъем отводящего патрубка подсоединяют к побудителю расхода жидкости - аспирирующему каналу перистальтического насоса (или ручному аспиратору), который включают на 8-10 секунд для проверки герметичности системы и оценки скорости ее расхода из расчета 8-10 мл/сек, при минимальном уровне установки перистальтического насоса относительно поверхности воды 0,15-0,20 м для предотвращения отрицательного влияния гидравлического гравитационного потенциала жидкости на функцию насоса.
Устройство в виде плавающей платформы для селективной концентрации микрофлоры, ее антигенов и ДНК на МИС с регулируемой за счет 2-х поплавков относительно поверхности жидкости глубиной погружения выполнена из специальным образом обработанного пенопласта (оклеен бумагой и покрашен масляной краской) и имеет нишу для съемной поликанальной магнитной ловушки с цилиндрическими емкостями, заполненными специфическими МИС, удерживаемыми в замкнутом магнитном поле за счет постоянных ниобиевых магнитов, которые также фиксируют съемный щелевидный водозаборник на уровне поверхности воды при ее отборе в емкость.
Перед началом работы в цилиндрические емкости поликанальной магнитной ловушки вносят МИС и помещают ловушку в нишу плавающей платфомы, в которой за счет магнитного притяжения снизу устанавливают щелевидный водозаборник. Плавающую платформу с поплавками помещают в емкость с водопроводной водой, к патрубкам магнитной ловушки и/или щелевидного водозаборника подсоединяют отводящие жидкость каналы и аспиратором или перистальтическим насосом удаляют воздух. С помощью подвижных поплавков устанавливают глубину погружения платформы на уровне верхнего края цилиндрических емкостей при этом щель водозаборника располагается в воде на 2-3 мм ниже уровня воды. Разъемы отводящих патрубка подсоединяют к побудителю расхода жидкости - аспирирующему каналу микроперистальтического насоса (или ручному аспиратору), который включают на 8-10 секунд для проверки герметичности системы и оценки скорости ее расхода из расчета 1,0-2,0 мл/сек, при минимальном уровне установки микро- и перистальтического насосов относительно поверхности воды 0,15-0,20 м для предотвращения отрицательного влияния гидравлического гравитационного потенциала жидкости на функцию насоса.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели являются:
1. Наличие плавающего разборного дискового контейнера с мембранным фильтром на поплавковой платформе, позволяющей изменять уровень жидкости над поверхностью мембраны
2. Возможность установки устройства на поверхности водоема за счет подвижных кронштейнов с помощью радиоуправляемого плавающего средства или телескопического шеста.
3. Наличие на раме поплавковой платформы дискового контейнера 3-х поплавков и на плавающей платформе с поликанальной магнитной ловушкой и щелевым пробоотборником 2-х поплавков
4. Возможность изменения глубины погружения в пределах 1-5 мм в жидкость плавающей и поплавковой платформ, соответственно, за счет раздельного перемещения и фиксации каждого из 2-х или 3-х поплавков для погружения устройства в воде на требуемую глубину.
5. Наличие направляющих стержней и «замка» между дисковым основанием и крышкой фильтрующего устройства.
6. Обеспечение механической прочности мембраны фильтра за счет установки поддерживающей металлической сетки, опирающейся на кромку выреза по окружности основания и выступ патрубка отводящего жидкость канала в центре дискового основания.
7. Наличие в алюминиевом патрубке дополнительных боковых отверстий, открывающихся в камеру дискового контейнера для повышения эффективности расхода жидкости.
8. Обеспечение герметичности камеры дискового контейнера за счет плотного обжатия его основания и крышки эластичной резиновой манжетой, а каналы магнитной ловушки образованы плотно вставленными фрагментами силиконовых трубок в цилиндрические ниши ловушки.
9. Наличие в комплекте устройства матрицы в виде диска с режущими кромками для вырезания из мембранного листа фильтров требуемого размера с конгруэнтными отверстиями для направляющих стержней и «замка».
10. Наличие в комплекте устройства рукоятки в виде П-образной стальной распорной «вилки» с 2-мя параллельными стержнями длиной 70 мм, для фиксации герметизирующей эластичной резиновой манжеты на боковой поверхности дискового контейнера.
11. Наличие в комплекте устройства модифицированного контейнера с магнитной крышкой для хранения стерильных и/или использованных фильтров.
12. Наличие плавающей платформы со съемной поликанальной магнитной ловушкой с цилиндрическими емкостями, заполняемыми специфическими МИС, и съемным щелевым пробоотборником установленном на уровне повехности воды.
13. Наличие нишы в корпусе плавающей платформы для фиксированного размещения поликанальной магнитной ловушки с МИС и/или щелевого пробоотборного устройства.
14. Обеспечение расхода жидкости при использовании дискового контейнера и/или плавающей платформы с магнитной ловушкой и щелевым пробоотборником обеспечивается аспиратором (А.с. СССР №1217067, 1985).
15. Обеспечение расхода жидкости при использовании дискового контейнера и/или плавающей платформы с магнитной ловушкой и щелевым пробоотборником обеспечивается перистальтическими насосами радиоуправляемого плавающего средства (Патент РФ №133834. Опубл. 27.10.2013 Бюл. №30).
16. Обеспечение удерживания МИС в поликанальной магнитной ловушке в замкнутом магнитном поле за счет постоянных ниобиевых магнитов.
17. Обеспечение фиксации щелевого пробоотборника в составе плавающей платформы за счет постоянных ниобиевых магнитов.
18. Возможность разборки основных функциональных узлов дискового контейнера и плавающей платформы с поликанальной магнитной ловушкой и щелевым пробоотборником.
Изображения общего вида показаны на фото 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и эскизы схем заявляемой полезной модели и приспособлений для обеспечения ее функций на фиг. 1,2,3,4, 5, 6, 7, 8, 9.
Изображения общего вида на фото 1-7:
1. (общий вид). Устройство для концентрации микрофлоры на мембранном фильтре.
2. (общий вид). Матрица для вырезания мембранных фильтров требуемого размера из листовой заготовки типа «Мембрана Владипор»;
3. (общий вид). Рукоятка с фиксированной к ней П-образной распорной «вилкой»;
4. (общий вид). Модифицированный контейнер с магнитной крышкой;
5. (общий вид). Устройство для селективной концентрации микрофлоры, ее антигенов и ДНК на МИС;
6. (общий вид). Поликанальная магнитная ловушка;
7. (общий вид). Щелевой пробоотборник.
I. На фиг. 1 (вид сбоку) показана схема плавающего разборного фильтрующего устройства состоящего из плоского дискового контейнера 1, корпус которого образуют дисковое основание 2 со стержнем «замка» 3 и крышка в виде шайбы 4 с 3-мя, равномерно размещенными по краю окружности фиксирующими стержнями 5. Дисковое основание и крышка герметично соединяются с помощью охватывающей герметизирующей эластичной резиновой манжеты 6 и образуют камеру 7, крышка которой прижимает мембранный фильтр 8, отграничивающий фильтровальную камеру от поверхности воды на глубине 1-5 мм за счет поплавков 9, регулирующих уровень погружения контейнера в воде, а для предотвращения нарушения целостности мембранного фильтра под последним установлена мелкая металлическая поддерживающая сетка 10 в форме диска, кромка которого и центр, соответственно, опираются на внутренний выступ дискового основания 11 и в центре на выступ канала 12 с ввинчивающимся (М8×0,75) алюминиевым патрубком 13 с 4-мя дополнительными боковыми отверстиями 14 для отвода жидкости из камеры дискового контейнера, а выходящий из камеры фрагмент патрубка изогнут под прямым углом, и служит для подсоединения эластичной, гибкой силиконовой трубки 15 и обеспечения расхода жидкости за счет перистальтического насоса 16 или аспиратора 17. На крышке дискового контейнера установлен подвижный кронштейн 18 для установки устройства на поверхность воды с помощью телескопического шеста или рулевой радиоуправлемой машинки SD3770B, канал подключения которой настраивают по инструкции цифровой пропорциональной системы iVAX-9x со встроенной памятью.
На фиг. 2 (вид сверху) показана крышка 4 дискового контейнера, где из его основания стержень «замок» 3 входит в отверстие крышки 4 с 3-мя, равномерно размещенными по краю окружности фиксирующими стержнями 5. Эластичная резиновая манжета 6 сжимает мембранный фильтр 8, отграничивающий фильтровальную камеру 7 от поверхности воды на регулируемую глубину за счет поплавков 9, а подвижный кронштейн 18 фиксирован 3-мя тягами к крышке 4.
На фиг. 3 (вид сверху) показана металлическая рама 20 поплавковой платформы 19 с 3-мя фиксируемыми винтами 21 и перемещаемыми по стойкам 22 поплавками 9.
На фиг. 4 (вид сверху) представлена матрица 23 для вырезания мембранных фильтров 8 требуемого размера из листовой заготовки (см. фиг. 1) в виде диска, боковая поверхность которого по окружности ограничена металлической полосой 24 с режущей кромкой, и 4-мя металлическими патрубками 25 с заостренными краями и размещенными конгруэнтно «замку» 3 и 3-м фиксирующим стержням 5 (см. фиг. 1 и 2).
На фиг. 5 (вид) показана П-образная распорная «вилка» 26 с рукояткой 27 и 2-мя параллельными стержнями 28 для установки герметизирующей резиновой манжеты 6 по окружности корпуса дискового контейнера 1 (см. фиг. 1).
На фиг. 6 (вид сбоку) представлен прямоугольный пластмассовый модифицированный контейнер 29 с магнитной крышкой 32 с 2-мя ниобиевыми магнитами 33 для хранения стерильных и/или использованных мембранных фильтров с ложементом 30 в основании 31. На основании и крышке нанесены ребра жесткости 34.
II. На фиг. 7 (вид спереди) представлена плавающая платформа 1, выполненая из пенопласта, оклееного бумагой и покрашенного масляной краской, с регулируемой глубины погружения съемных функциональных элементов - разборной поликанальной магнитной ловушки 2 и щелевого пробоотборника 3 обеспечивается 2-мя дополнительными боковыми поплавками 4 с их регулирующими и фиксирующими относительно поверхности жидкости положением винтами 5, при этом верхний край силиконовых каналов в виде цилиндрических емкостей 6 с МИС 7 располагается на уровне ее поверхности, щель 8 пробоотборника устанавливается параллельно уровню жидкости, ниобиевые постоянные магниты 9, фиксирующиеся за счет магнитного поля на стальных муфтах 10, покрывают силиконовые цилиндрические емкости и образуют замкнутое магнитное поле, удерживающее МИС 7 и пробоотборник 3. В верхней части плавающей платформы установлен подвижный кронштейн 11 для установки устройства на поверхность воды с помощью телескопического шеста или рулевой радиоуправлемой машинки SD3770B, канал подключения которой настраивают по инструкции цифровой пропорциональной системы iVAX-9x со встроенной памятью.
На фиг. 8 (вид сверху) показана разборная поликанальная магноловушка 2, выполненная из органического стекла толщиной 10 мм в виде 2-х разъединяемых фрагментов 12 и 13, в пазах которых установлены фиксирующие стержни 14 и силиконовые цилиндрические емкости 6, охватываемые стальными муфтами 10 с постоянными ниобиевыми магнитами 8, а патрубок 15 объединяет каналы магнитной ловушки и обеспечивает селекцию и концентрацию антигенов на поверхности МИС 7.
На фиг. 9 (вид сверху) представлен щелевой пробоотборник 3, выполненный из луженой стальной жести в виде комбинированного уплощенного параллелепипеда, открывающегося спереди щелью 16, ограниченной направляющими плоскостями 17, установленными под углом 45 градусов относительно горизонтальной поверхности воды, а противоположная сторона трансформирована в четырехгранную призму с патрубком 18 для отбора жидкости в 1 л емкость.
Возможность применения плавающего, разборного устройства подтверждена конкретными примерами его использования. Пример 1. Практическое применения плавающего, разборного фильтрующего устройства проводилис соблюдением санитарных правил (СП 1.3.1285-03 «Безопасность работы с микроорганизмами I-II групп патогенности (опасности)». 2003. - 118 с.). После проверки герметичности камеры 7 дискового фильтрующего контейнера 1, установки уровня его погружения на 1-2 мм от поверхности воды за счет регулировки поплавков 9 на рамной платформе, оценки скорости расхода жидкости к патрубку отводящего канала для расхода жидкости подсоединяли перистальтический насос 17, смонтированный на борту плавающей радиомодели (Патент РФ №133834. Опубл. 27.10.2013 Бюл. №30), которая с помощью радиокоманд и управляемых ими электроприводов выдвигалась на поверхность водоема, опускали устройство на воду, включали перистальтический насос 17 в течение 10 минут концентрировали микрофлору на поверхности фильтра 8 при скорости расхода жидкости 12 мл/сек, что соответствовала общему расходу воды около 7,2 литра. Затем отсоединяли устройство, извлекали мембранный фильтр и помещали его в цилиндрический контейнер 24 для хранения.
Пример 2. Отличается от примера 1 тем, что к патрубку отводящего канала через резиновую силиконовую трубку для обеспечения расхода жидкости подсоединяли аспиратор (А. с. СССР №1217067, 1985), телескопическим шестом помещали устройство на поверхность воды, в течение 10 минут концентрировали микрофлору на поверхности мембранного фильтра за счет мышечной энергии, прикладываемой к аспиратору, при средней скорости расхода воды 8 мл/сек, что соответствовало общему расходу воды около 4,8 литра. Затем отсоединяли устройство, извлекали мембранный фильтр и помещали его в цилиндрический контейнер 24 для хранения.
Пример 3. Отличается от примера 2 тем, что к отводящему патрубку щелевого пробоотборника подсоединяли 1,0 литровую емкость для жидкости, из которой удаляли воздух аспиратором до ее наполнения.
Пример 4. Отличается от примера 1 тем, что к отводящему патрубку поликанальной магнитной ловушки на плавающей платформе подсоединяли микроперистальтический насос, со скоростью расхода жидкости 1 мл/сек в течение 1 часа.
Пример 5. Отличается от примера 1 тем, что к отводящим патрубкам щелевого водозаборника и поликанальной магнитной ловушки на плавающей платформе, соответственно, подсоединяли 1,0 литровую емкость для жидкости, из которой удаляли воздух перистальтическим насосом до наполнения емкости, и микроперистальтический насос со скоростью расхода жидкости 2 мл/сек в течение 1 часа.
Таким образом, заявляемое в качестве полезной модели техническое устройство «Плавающее разборное устройство для мониторинга микрофлоры открытых водоемов и сточных вод» практически осуществимо. Использование предлагаемой полезной модели позволяет в различных условиях и для различных целей оперативно отбирать и концентрировать материал, содержащий микрофлору, в емкости, на мембранные фильтры и/или магноиммуносорбенты. При этом микрофлора не подвергается интенсивному воздействию физико-химических факторов, а вследствие минимизированного гидромеханического действия микроорганизмы хорошо сохраняют жизнеспособность и пригодны для бактериологического исследования.