способ биотестирования токсичности водной среды

Формула изобретения

Способ биотестирования токсичности водной среды путем сравнения изменений параметра вибрации контролируемой области биологического тест-объекта в процессе оптического облучения при помещении объекта в контрольную и анализируемую водные среды, отличающийся тем, что перед помещением в водную среду предотвращают движение тест-объекта как целого, оценивают период движения контролируемой области тест-объекта и определяют диапазон изменения основной частоты вибрации контролируемой области, формируют прямое и отраженное от исследуемой области объекта отражение, суммируют их и воздействуют им на источник излучения, регистрируют периодические изменения интенсивности излучения источника, выделяют из спектра зарегистрированного сигнала гармонику с максимальной амплитудой в заданном диапазоне изменений частоты вибраций, после чего определяют точное значение основной частоты вибраций, выделяют из спектра гармоники с максимальной амплитудой вблизи частот, кратных основной частоте вибраций, и по их набору судят о контрольных значениях формы движений контролируемой области тест-объекта, сравнивают со значением формы движений в токсичной водной среде и по отклонению формы вибраций от контрольных значений судят о степени токсичности водной среды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области биологии и экологии, может быть использовано для биологического контроля токсичности водных сред.

Известен способ биотестирования токсичности сточных вод путем регистрации у рыб электрокардиограммы и измерения RR-интервалов (см. а.с. N 1573376, кл. G 01 N 33/18). Недостатком способа является длительность проведения анализа.

Известен способ оценки токсичности различных веществ сточных и природных вод по изменению формы клетки водоросли (см. а.с. СССР N 866470, кл. G 01 N 33/18). Недостатком является ограниченный диапазон контролируемых концентраций токсиканта, достаточно длительный процесс проведения анализа (более 15 мин) и его субъективность.

Известен способ биологической оценки токсичности воды по изменению двигательной активности дафний в эталонной (нетоксичной) и контрольной (токсичной) средах (см. а.с. СССР N 1413525, кл. G 01 N 33/18). Однако данный способ не дает достоверных данных о степени токсичности водной среды вследствие неоднозначности поведения дафний в зависимости от вида веществ и их концентрации, поскольку их двигательная активность может как увеличиваться, так и уменьшаться.

Известен способ для биологического контроля токсичности сточных вод, основанный на изменении светового потока вследствие сокращения грудных ножек или сердца у дафний, которые вызывают изменение электрических характеристик фотодатчика (см. Колупаев Б. И., Андреев А.А., Самойленко Ю.К. Оптический метод регистрации сердечного ритма у дафний. - Гидробиологический журнал, т. XIII, вып. 3, 1977, с. 119 - 120). Однако способ недостаточно информативен.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является метод биотестирования по изменению дыхания и сердечной деятельности у дафний под влиянием токсических веществ. Через тело дафнии пропускают световой поток, который изменяется в результате сокращения сердца или движения грудных ножек. Регистрируют частоту дыхания и сердечных сокращения. Уменьшение или увеличение светового потока вызывает изменение силы тока на фотоприемнике, изменение электрических характеристик фотоприемника усиливается и регистрируется на электрокардиографе. За показатель токсичности принимается достоверное отклонение (P<0,05) ритма дыхания или сердцебиений от контроля (см. Колупаев Б.И. Методы биотестирования по изменению дыхания и сердечной деятельности у дафний. - Методы биотестирования вод, с. 103 - 104). Однако способ не достаточно достоверен.

Задача настоящего способа заключается в повышении достоверности (информативности) за счет большего числа исследуемых параметров.

Поставленная задача достигается тем, что в способе биотестирования токсичности водной среды путем сравнения изменений параметра вибрации контролируемой области биологического тест-объекта в процессе оптического облучения при помещении объекта в контрольную и анализируемую водные среды перед помещением в водную среду предотвращают движение тест-объекта как целого, оценивают период движения контролируемой области тест-объекта и определяют диапазон изменения основной частоты вибрации контролируемой области, формируют прямое и отраженное от исследуемой области объекта отражение, суммируют их и воздействуют им на источник излучения, регистрируют периодические изменения интенсивности излучения источника, выделяют из спектра зарегистрированного сигнала гармонику с максимальной амплитудой в заданном диапазоне изменений частоты вибраций, после чего определяют точное значение основной частоты вибраций, выделяют из спектра гармоники с максимальной амплитудой вблизи частот, кратных основной частоте вибраций, и по их набору судят о контрольных значениях формы движений контролируемой области тест-объекта, сравнивают со значениями формы движений в токсичной водной среде и по отклонению формы вибраций от контрольных значений судят о степени токсичности водной среды.

Предлагаемый способ поясняется чертежами:

фиг. 1 - схема экспериментальной установки, где 1 - прибор ночного видения, 2 - источник питания, 3 - канал для биообъекта, 4 - биообъект, 5 - прозрачный столик, 6 - линза, 7 - полупроводниковый лазер, 8 - источник тока, 9 - фотодетектор, 10 - усилитель, 11 - аналого-цифровой преобразователь, 12 - компьютер;

фиг. 2 - результаты измерений и обработки сигнала при отсутствии токсикантов в водной среде:

a - зависимость мгновенных значений нормированного продетектированного сигнала U от времени t; б - спектр продетектированного сигнала, нормированный на амплитуду гармоники S_n с максимальным значением. Частота сердцебиения составляет 410 уд/мин; в - зависимость мгновенных значений величины смещения сердца дафнии A от времени t;

фиг. 3 - результаты измерений и обработки сигнала при наличии фенола в водной среде (концентрация 5 мг/л):

a - зависимость мгновенных значений нормированного продетектированного сигнала U от времени t; б - спектр продетектированного сигнала, нормированный на амплитуду гармоники S_n с максимальным значением. Частота сердцебиения составляет 328 уд/мин; в - зависимость мгновенных значений величины смещения сердца дафнии A от времени t;

фиг. 4 - зависимость амплитуды биений A сердца дафнии от концентрации фенола N в водной среде.

Способ заключается в следующем:

тест-объект 3 помещают в водную среду и обездвиживают его путем помещения на прозрачную пластину 5 в камеру 4. Оценивают период движения контролируемой области тест-объекта, например, путем визуального подсчета числа периодов движения контролируемой области в единицу времени, и определяют диапазон изменения основной частоты вибраций. Направляют на контролируемую область тест-объекта 3 оптическое излучение от источника 7. Питание источника излучения 7 осуществляют от источника питания 8. С помощью линзы 6 добиваются точной фокусировки излучения. Суммируют прямое и отраженное от контролируемой области излучения и воздействуют им на источник излучения 7. Периодическое изменение интенсивности излучения источника (фиг. 2a) регистрируют фотоприемником 9, продетектированный сигнал с которого через усилитель 10 и аналого-цифровой преобразователь 11 подают в компьютер 12. Проводят обработку зарегистрированного сигнала так, что получают спектр зарегистрированного сигнала (фиг. 2б), выделяют из спектра сигнала гармонику с максимальной амплитудой в заданном диапазоне изменений частоты вибраций, по которой определяют контрольное значение основной частоты вибраций, выделяют из спектра гармоники с максимальной амплитудой вблизи частот, кратных основной частоте вибраций, и по их набору судят о контрольных значениях формы движений контролируемой области тест-объекта, помещают тест-объект в токсичную водную среду и определяют отклонение формы вибраций от контрольных значений, по величине отклонения судят о степени токсичности водной среды.

Пример практической реализации способа.

В качестве тест-объекта использовались пресноводные рачки дафнии (Daphnia magna Straus), культивируемые в стандартных лабораторных условиях. В экспериментах использовали особей двухсуточного возраста, размерами 1,0 мм.

В качестве токсического фактора использовали водный раствор фенола с концентрациями от 1,2 до 10 мг/л. Для контрольных измерений применялась вода, на которой дафнии культивировались.

Одиночную дафнию из аквариумной культуры помещали в прозрачную камеру, ограничивающую движения рачка как целого. С помощью оптического микроскопа "Биолам" фиксировали частоту биений сердца дафнии в контрольной среде, которая обычно варьируется в диапазоне 400 - 500 уд/мин (ударов в минуту).

В качестве источника излучения использовали полупроводниковый лазер ИЛПН-206 с длиной волны 1,3 мм. Сигнал со встроенного фотоприемника усиливали усилителем У4-28 и подавали на вход аналого-цифрового преобразователя ЭВМ.

На фиг. 2а, 3а приведены зависимости мгновенных значений величины продетектированного сигнала от времени при отсутствии токсикантов и наличии фенола в водной среде. На фиг. 2б, 3б представлены результаты расчета спектра продетектированного сигнала. Частота сердцебиения дафнии определяется основной частотой гармоники вычисленного спектра, а амплитуда колебаний - по набору спектральных гармоник [Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Вагарин В.А., Васильев М.Р. Оптические гомодинные методы измерений // Зарубежная радиоэлектроника. 1995. N 6, с. 43 - 48]. На фиг. 2в, 3в приведены рассчитанные по результатам измерений зависимости мгновенных значений величины смещения сердца дафнии от времени при отсутствии и наличии фенола в водной среде. Как следует из фиг. 3, амплитуда биений сердца дафнии уменьшилась от значения 0,4 мкм в отсутствии токсикантов в водной среде до значения 0,2 мкм при наличии фенола в водной среде.

Амплитуда биений сердца дафнии регистрировалась после пятиминутной адаптации. На фиг. 4 приведена зарегистрированная в опытах зависимость амплитуды биений сердца дафнии от концентрации фенола в водной среде. Полученная зависимость была использована в качестве калибровочной кривой при проведении контроля степени токсичности водной среды.