Наш телефон:

+7 921 323 46 00
+7 911 227 39 48
+7 921 357 65 07

Системы и технологии раннего биологического оповещения общей токсичности воды

1_1.jpgОдной из актуальных проблем обеспечения экологической безопасности сооружений водопроводных станций (ВС) и водоснабжения населения является создание, развитие, совершенствование методов и средств обеспечения достаточной полноты и достоверности информации о динамике изменения состояния воды водоемов и водотоков, являющихся источниками централизованного водоснабжения, которые испытывают постоянную антропогенную нагрузку, и в которых велика опасность возникновения техногенных аварий и чрезвычайных ситуаций (ЧС). Вопросы разработки новых методов и средств предупреждения (профилактики), выявления и ликвидации последствий ЧС не только техногенного, но и природного происхождения относятся к приоритетным. Это особенно важно для оценок в реальном времени уровня токсичности воды источников централизованного питьевого водоснабжения.

Характерными чертами ЧС являются внешняя неожиданность их возникновения с последующим быстрым развитием негативных процессов, ведущих к значительному экономическому и/или экологическому ущербу. При этом для снижения уровня последующих материальных затрат на компенсацию ущерба существует принципиальная необходимость максимально быстрого принятия организационно-управленческих решений в условиях неопределенности ситуации, сложности прогнозирования дальнейшего хода событий.

Именно поэтому в интересах решения практических задач обеспечения экологической безопасности водозаборов ВС от воздействия техногенных аварий, ЧС и их последствий важное место занимают разработка и внедрение методов и технических средств по их раннему выявлению.

В частности, в подавляющем большинстве случаев раннее, своевременное выявление ЧС оказывается не только необходимым, но и достаточным для полной ликвидации или сведения к минимуму влияния последствий ЧС на жизнь или здоровье людей путем временного переключения систем жизнеобеспечения населения на резервные ресурсы.

Практика показывает, что экологический мониторинг на основе автоматических станций непрерывного действия является самым надежным способом получения объективной и достаточной информации о динамике изменения состояния качества воды источника для подготовки и  принятия обоснованных управленческих решений. Одним из необходимых условий успеха практической реализации системы управления водоподготовки по критериям экологической безопасности является организация на сооружениях первых подъемов ВС (до поступления воды на очистные сооружения ВС) непрерывного аналитического и биоаналитического контроля природных и сточных вод в реальном времени с помощью специализированных автоматических станций. Это позволяет обеспечивать информационную поддержку принятия управленческих решений, направленных на минимизацию экологических рисков эксплуатации сооружений ВС и водоснабжения населения, в том числе в случае природных и техногенных ЧС.

Число и перечень измеряемых характеристик обычно определяются целевым назначением, спецификой качества контролируемой воды, а также экономическими возможностями. В большинстве случаев наиболее эффективным и информационно достаточным при экономической доступности оказывается ограничение системы контроля непрерывными измерениями очень небольшого числа неселективных, интегральных показателей качества воды. Как показывает отечественный и зарубежный опыт, знание динамики изменения таких интегральных характеристик воды, как характеризующее ее «цветность» содержание растворенного органического вещества (РОВ), мутность (содержание взвешенных веществ), химическое потребление кислорода (ХПК), рН, окислительно-восстановительный потенциал Eh, концентрация кислорода, удельная электропроводность, температура, как правило, оказывается достаточным для подготовки и обоснования принятия управленческих решений по обеспечению экологической безопасности не только населения, но и водных экосистем.

Внедрение на предприятиях-водопользователеях относительно недорогих средств автоматического производственного мониторинга и самоконтроля не только экономически выгодно (резко снижает трудозатраты), но и резко повышает экологическую безопасность населения, например, за счет непрерывной, в реальном времени, подготовки информации о динамике изменения качества воды источника, необходимой для принятия управленческих решений в нештатных ситуациях. Как показывает практика, диапазон изменений качества поверхностных вод, обусловленный только природными факторами, может быть  достаточно широким по величине и стохастическим по времени. Существующие технические устройства и системы на основе датчиков измерения физико-химических характеристик поверхностных вод предусмотрены только для мониторинга конкретных характеристик воды, но не позволяют следить за другими вредными воздействиями (ВВ) на воду, которые могут неожиданно оказаться на опасном уровне.

Кроме того, они не дают возможности объективно определять степень опасности этих изменений для живых организмов, в том числе человека. Именно поэтому результаты измерений только физико-химических характеристик природных вод, как правило, недостаточны для оценки уровня опасности этих воздействий для обеспечения безопасности водоснабжения населения. Объективная оценка уровня опасности токсикологического загрязнения воды невозможна без использования на водозаборах ВС тех или иных биологических методов производственного мониторинга источника, способных в интегрированном виде, с учетом синергизма действующих факторов, выявлять и прогнозировать любые негативные изменения качества воды. Причем для каждого конкретного источника принципиально важно использовать в качестве биоиндикаторов аборигенных представителей фауны, которые являются частью его экосистемы. Это является существенным отличием методов биоиндикации от методов биотестирования, в которых по определению (ГОСТ 27065-86) используются подготовленные в лаборатории тест-организмы, как правило, приспособленные к обитанию в поддерживаемой специфической водной среде с небольшим диапазоном изменения ее физико-химических характеристик. Именно поэтому только аборигенные организмы, выбранные в качестве биоиндикаторов, могут выполнять функцию экологической «мишени» для наиболее объективной интегральной оценки опасности изменений качества поверхностных вод в результате их загрязнения. Однако в подавляющем большинстве случаев они могут использоваться лишь в качестве оперативных сигнализаторов возникновения экологически опасного уровня загрязнения воды. При подготовке же принятия решений о виде (типе) ВВ альтернативы использованию для этих целей методов и технических средств физико-химического анализа характеристик воды в настоящее время не существует.

Существенный интерес для развития биологических методов контроля качества поверхностных вод представляет направление, основанное на использовании для измерения в реальном времени реакций биоты физиологических и поведенческих экотоксикологических биомаркеров. Экотоксикологический биомаркер – это биохимическое, клеточное, физиологическое или поведенческое изменение, которое может быть измерено в тканях или в образцах жидкостей организма, или на уровне целого организма, которое обеспечивает доказательство подверженности воздействию и/или действию одного или большего числа химических загрязняющих веществ и/или физических факторов.

Наиболее развитыми из таких методов к настоящему времени являются методы, основанные на отведении кардиоактивности бентосных беспозвоночных с жестким наружным покровом, например, раков, крабов, раковинных моллюсков. Малоподвижный образ жизни этих бентосных организмов делает их удобным объектом для инструментальных систем биоиндикации. Следует подчеркнуть, что в каждой конкретной акватории, в качестве вида-“мишени” могут выступать различные представители бентосных сообществ.

С учетом вышеизложенного в лаборатории экспериментальной экологии водных систем НИЦЭБ РАН был разработан волоконно-оптический метод отведения кардиоактивности бентосных беспозвоночных (ББ), имеющих жесткий панцирь: Crustacea (Decapoda) и Mollusca, который позволяет непрерывно, в реальном времени проводить дистанционный (до сотен метров) неинвазивный контроль функционального состояния ББ. При этом диагностика функционального состояния животных-"мишеней" проводится с использованием адаптированного для беспозвоночных животных метода вариационной пульсометрии (ВП). Блок-схема установки для регистрации кардиоактивности ББ, а также основные этапы математической обработки выборки кардиоритмов (обычно не менее 100) для получения характеристик ВП представлены на рис 1.

Сущность метода ВП заключается в изучении закона распределения кардиоинтервалов (КИ – временных интервалов между двумя соседними циклами кардиоритма), как случайных величин в исследуемом ряду их значений. При этом строится вариационная кривая (гистограмма), отражающая вероятностное распределение КИ в анализируемой выборке кардиоритмов. По гистограмме математическими методами вычисляют числовые характеристики и индексы ВП. Математический смысл вычисляемых  характеристик и индексов заключается в том, что они отражают особенности формы гистограммы. Физиологическая интерпретация вышеуказанных характеристик и индексов ВП пока известна только применительно к сердечному ритму человека.

Метод ВП был разработан и довольно успешно применяется в космической медицине для оценок адаптивных возможностей организма, «уровня здоровья» условно здоровых людей – космонавтов, и динамики изменения их функционального состояния при тестировании в периоды отбора, предполетной подготовки и работы на орбите. В медицинской практике этот метод хорошо зарекомендовал себя, как метод донозологической (т.е. «до болезни») диагностики условно здоровых людей, то есть метод, позволяющий выявлять вредные для организма уровни внешнего воздействия еще на самых ранних стадиях, стадиях возникновения риска заболевания. Это позволило разработать систему «Светофор» (см. рис. 2), которая хорошо зарекомендовала себя при ее использовании для диагностики состояния условно здоровых людей. В то же время, как показала медицинская практика, для людей со сниженными адаптивными возможностями организма (в результате той или иной болезни) метод ВП далеко не всегда позволяет получать достоверные результаты диагностики реакций организма на стрессорные факторы воздействия. Данный недостаток метода связан, по-видимому, с тем, что наличие у человека тех или иных болезней является постоянным источником собственного, внутреннего стрессового воздействия на общее состояние его организма, на фоне которого выявлять объективный уровень значимости интересующего источника стрессового воздействия на функциональное состояние организма оказывается уже затруднительным.

Анализ имеющихся в открытой литературе данных и результаты экофизиологических экспериментов с ББ позволил установить, что применение метода ВП при анализе кардиоактивности аборигенных ББ является достаточно эффективным средством для решения важных производственных задач, связанных с необходимостью обнаружения в реальном времени в воде источника опасных для живых организмов, в том числе человека, уровней ее химического загрязнения по количественным оценкам функционального состояния аборигенных животных.

В соответствии с разработанным в НИЦЭБ РАН оригинальным волоконно-оптическим методом изучения кардиоактивности ББ, информация о состоянии организма выводится к расположенной вне воды регистрирующей системе (рис. 3) с помощью тонкого оптического волокна, которое практически не мешает жизнедеятельности наблюдаемого животного-биоиндикатора – аборигенного речного рака (рис. 4). Данный физиологический метод был положен в основу биоаналитического блока новой информационно-измерительной системы, предназначенной для непрерывного производственного биомониторинга качества воды источника  в реальном времени на основе анализа кардиоактивности речного рака. В биоаналитический блок входит также система, основанная на анализе в реальном времени поведенческих реакций аборигенных рыб.

   
Рис_1Рис. 1. Блок-схема отведения и регистрации кардиоактивности рака.
На схеме представлены основные этапы математической обработки выборки кардиоритмов (обычно не менее 100) для получения характеристик ВП: средняя величина кардиоинтервалов КИср, среднее квадратичное отклонение СКО, вариационный размах ВАР и стресс-индекс СИ.

 

Рис. 2. Схема диагностики функционального состояния организма "Светофор".

Донозологическая
диагностика

Степень напряжения
регуляторных систем

Цветовые сигналы
об уровне опасности

Физиологическая норма

Оптимальный уровень.
Нормальный уровень.
Умеренное функциональное
напряжение.

зеленый

Донозологические
состояния (возникновение условий риска заболевания)

Выраженное функциональное
напряжение.
Резко выраженное функциональное напряжение.
Перенапряжение регуляторных
механизмов.

желтый

Преморбидное состояние (возникновение первых симптомов болезни)

Резко выраженное перенапряжение регуляторных механизмов.

красный

Срыв адаптации (состояние болезни)

Истощение регуляторных систем.
Резко выраженное истощение
регуляторных систем.
Срыв механизмов регуляции.

 

Рис_3

Рис. 3. Схематическое изображение одного из вариантов системы мониторинга качества воды акватории, содержащей биосенсорный модуль на основе отведения и анализа кардиоактивности аборигенного животного, где 1 – площадка для размещения контейнера 2 с системами регистрации, анализа и передачи данных, 3 – сетчатая клетка для животного, 4 – щель для оптических волокон, 5 – передающее оптическое волокно, 6 – приемное оптическое волокно, 7 – тестируемое животное.

 

 

Рис_4   Рис. 4.   Речной рак с укрепленным на внешней части карапакса волоконно-оптическим датчиком.

 

 

 

 

 

 

 

 Назначение и состав биоаналитического блока Системы производственного биологического мониторинга качества воды «БиоАргус-W»

 Разработанная аквариумная биосенсорная информационно-измерительная система предназначена для обеспечения технической возможности обнаружения в реальном времени в воде источника, поступающей на сооружения первых подъемов водопроводных станций, уровней загрязнения воды высокотоксичными веществами, дневная норма потребления которой опасна для жизни человека. В качестве ключевого показателя используется вариабельность сердечного ритма речных раков: частота сердечных сокращений (ЧСС), среднеквадратичное отклонение (СКО) распределения кардиоинтервалов по длительности и стресс-индекс (СИ).

Для проведения этих измерений используется разработанный в лаборатории экспериментальной экологии водных систем НИЦЭБ РАН волоконно-оптический метод регистрации кардиоактивности бентосных беспозвоночных. Непрерывность и бесперебойность измерений этих физиологических биомаркеров обеспечивается с помощью специальных проточных аквариумных систем, содержащих по три пары раков. Время полной сменяемости воды в каждом аквариуме должно быть сравнимо или несколько меньше аналогичного времени полной сменяемости воды в сооружении первого подъема соответствующей водопроводной станции. Схема установки для комплексного биомониторинга токсичности воды источника водоснабжения представлена на рис. 5.

 
             Рис_5 Рис 5. Схема «БиоАргус-W».
Установка включает в себя: аквариумы 1 и 2 – для содержания раков, кардиоритм которых анализируется в реальном времени; аквариумы 3, 4, 5 и 6 – для содержания раков, используемых в качестве «дублеров» раков в аквариумах 1 и 2; аквариум 7– для содержания аборигенных рыб (в данном варианте не используется).

Животные в аквариумах 3 – 7 выполняют функцию дополнительных тест-объектов, визуальное наблюдение за которыми необходимо производить при инструментальном обнаружении токсичности воды с помощью животных, находящихся в аквариумах 1 и 2.

 
Рис_6

 

 

Рис 6. Схематическое изображение стеллажа с тремя полками, на которых расположены: 1- приемно-рапределяющая емкость с протекающей через нее водой источника; 2 – компьютер; 3- аквариум с рыбками; 4 – 6 аквариумов с раками(в данном варианте не используется); 5 – АЦП; 6 – волоконно-оптический фотоплетизмограф.

 Для любой системы биомониторинга, основанной на использовании  физиологических биомаркеров, значимыми факторами с точки зрения реакции, выбранной для индикации изменения качества воды, будут не только изменения токсичности воды до уровней, опасных для жизни гидробионтов, но и все достаточно быстрые и значительные изменения любых физико-химических характеристик воды, существенных для обеспечения нормального функционирования их отдельных органов и организма в целом. К таким факторам для выбранных биосенсоров (рыбы и речные раки) в первую очередь следует отнести: температуру воды (определяет общую интенсивность всех процессов), общее содержание солей (определяет состояние всех клеточных мембран и процессы ионного обмена через них), активность водородных ионов (рН), содержание отдельных анионов и катионов. Некоторые из них влияют на обменные процессы  у используемых гидробионтов непосредственно (типа хлорид-ионов), а другие, как, например, ион аммония, могут нести «информационный» характер, косвенно свидетельствуя об изменении биологической продуктивности воды,  и могут использоваться гидробионтами, например, речными раками при поиске пищи.

Для учета влияния возможных резких изменений такого рода «природных» факторов, в качестве причины проявления реакции тревоги (начальной стадии стресса) у биосенсоров, используемых в составе биоаналитического блока, оказывается существенно важной и необходимой параллельная (в реальном масштабе времени) непрерывная регистрация хотя бы основных физико-химических  характеристик именно той воды, которая  поступает в аквариумы биоаналитического блока. Обработка данных измерений этих интегральных характеристик (температура воды, рН, электропроводность, количество взвешенных частиц, цветность, содержание хлорид- , нитрат- и аммонийных ионов) должна обрабатываться  в реальном масштабе времени и совместно с данными по кардиоактивности раков. Только в этом случае оказывается принципиально возможным отделить «ложные» срабатывания системы биоаналитического контроля, связанные с реакцией речного рака именно на резкие изменения указанных выше интегральных характеристик воды, а не на проявления нового, внезапно возникшего в анализируемой воде химического вещества, оказывающего сильное воздействие на те или иные жизненно важные системы тест-организма (признаки наличия в воде значительного уровня содержания высокотоксичного вещества).

 Вышеописанные системы установлены и работают, начиная с 2005 года на всех 11 водозаборных сооружениях водопроводных станций Санкт-Петербурга, а с 2010 года также на водозаборных сооружениях водопроводной станции МУП «Водоканал» г. Хабаровска.

Двустворчатые морские как биосенсоры экологического состояния водных акваторий

 Кроме того, для достоверной оценки экологического состояния водных акваторий широко используют автоматизированные биоэлектронные системы ранней диагностики и предупреждения угроз экологической безопасности, где в качестве биосенсоров используются аборигенные раковинные моллюски, на створки которых помимо миниатюрных датчиков кардиоактивности устанавливаются также датчики движения створок.

Моллюски Рис. 1. Погружной модуль с сенсорами измерения кардиоактивности (1) и движения створок (2) мидий.

 

 

 В настоящее время не вызывает сомнений, что двустворчатые морские моллюски являются удобным объектом для исследований влияний различных абиотических факторов окружающей среды (в частности, изменений температуры и загрязнения водной среды различными поллютантами и т.д.) на живые организмы, их системы, органы и ткани. Кроме того, благодаря высокой плотности поселений и относительно крупным размерам, двустворчатые моллюски являются ведущим компонентом естественного биофильтра и, следовательно, могут рассматриваться как ключевой вид экосистемы, в которой они обитают.

Разработанные системы одновременной регистрации функциональных характеристик двустворчатых моллюсков (ЧСС) и их двигательной активности (величины раскрытия створок - ВРС) позволяют получать в природных условиях in situ данные об общем метаболизме организма и особенностях дыхательной активности в условиях наличия в воде загрязняющих веществ. Кроме того существует возможность оценки интегральных ответов целостного организма на стресс-факторы, вследствие изменения качества окружающей среды. Сочетанное использование полученных таким образом характеристик состояния гидробионтов и их биохимических и цитологических биомаркеров может позволить перейти на принципиально новый уровень оценки состояния здоровья популяций ключевых видов экосистем, и в итоге к интегральной оценке состояния здоровья изучаемых экосистем в целом.

Реклама в интернет. Создание сайта Мегагруп
2012 © ООО "НИЦ "ЭКОКОНТУР"