Биотестовая система для мониторинга воды в Таганрогском заливе
Аннотация
Была разработана биотестовая система, объединяющая в себе стандартные химико-аналитические методы и экспрессный биотестовый анализ. В состав системы была включена геоинформационная система, что позволяет реализовать комплексный подход по оценке и ранжированию всех видов источников загрязнения с учетом их взаимовлияния, а также выявить наиболее опасные загрязнители с позиций экологического нормирования.
Ключевые слова: биотестовая система, биотестовый анализ, геоинформационная система
Разработанная биотестовая система включает в себя три канала получения информации: по двум из них поступает информация о результатах химических и биотестового анализов, по третьему гидрологическая и географическая информация об исследуемом водном объекте (рис. 1).
Рисунок 1 – Структурная схема биотестовой системы
Процедура пробоотбора включает не только сам процесс отбора проб из створов, но и предварительную подготовку к отбору проб и выполнению анализа (химического или биологического), которая должна обеспечивать подготовку посуды, пробоотборников, мест хранения отобранных проб, а также подготовку рабочего места для обработки доставленных в лабораторию проб и исследования их на токсичность. Все процедуры предварительной подготовки должны исключить попадание токсичных, органических и каких-либо других веществ в исследуемую воду.
Блок биотестового анализа представлен тест-системой для экспрессного количественного определения токсичности воды с помощью люминесцентного бактериального теста (Биосенсор Эколюм-10).
После завершения биотестового и химического анализов, информация через блок ввода, который представлен оператором, поступает в блок управления и обработки данных. Данный блок связан с третьим каналом поступления информации, представленным геоинформационной системой. ГИС также является средством выдачи результатов исследования, в виде пространственной модели загрязнения.
Блок управления и обработки данных связан двунаправленной связью с базой данных, в которой хранится вся информация о проведенных исследованиях. Данные хранятся в такой базе в виде таблиц, строки (записи) которых состоят из наборов полей определенных типов. Связь системы с оператором происходит через интерфейсный блок.
Рассмотрим основные блоки разработанной биотестовой системы, а именно блок биотестового анализа, ГИС и блок управления и обработки данных.
Блок биотестового анализа представлен прибором экологического контроля для экспрессного количественного определения токсичности воды проб воды и водных вытяжек для медицинских, санитарно-гигиенических и экологических целей на основе биолюминесцентного анализа "Биотокс-10М".
Прибор предназначен для быстрого количественного контроля степени интегральной токсичности [1] В основу работы прибора положена новая технология экологического контроля с использованием высокочувствительных специализированных микробных сенсоров "Эколюм". Особенностью этих сенсоров является их способность изменять интенсивность спонтанной биолюминесценции при наличии в анализируемых пробах токсических веществ различной химической природы.
Определение токсичности воды проводится в соответствии с Методическими рекомендациями «Методика экспрессного определения токсичности воды с помощью люминесцентного бактериального теста «Эколюм», утвержденными Департаментом Госсанэпиднадзора Минздрава России 08.06.2000 г. МР№ 11-1/133-09, Свидетельство об аттестации методики выполнения измерений №223.1.01.17.37/2010 от 26.04.2010.
Люминесцентный бактериальный тест «Эколюм» - это биосенсоры на основе люминесцентных бактерий и препаратов бактериальной люциферазы. Измеряемым параметром является биолюминесценция в видимой области спектра. Это быстрый интегральный, чувствительный и объективный тест на загрязнение окружающей среды и токсичность образцов. Биосенсор интегрирует эффекты смесей токсикантов, обеспечивая общий индекс токсичности образца. Тем самым метод предпочтителен в качестве первичного теста и способен быстро ответить на вопрос: присутствуют или нет в среде токсические агенты в опасной для живого организма концентрации.
В качестве тест-объекта используются препараты лиофилизированныхлюминесцентных бактерий или ферментных препаратов бактериальнойлюциферазы. Методика основана на определении изменения интенсивности биолюминесценции биосенсора при воздействии химических веществ, присутствующих в анализируемой пробе, по сравнению с контролем. Люминесцентные бактерии оптимальным образом сочетают в себе различные типы чувствительных структур, ответственных за генерацию биоповреждений (клеточная мембрана, цепи метаболического обмена, генетический аппарат), с экспрессностью, объективным и количественным характером отклика целостной системы на интегральное воздействие токсикантов. Уменьшение интенсивности биолюминесценции пропорционально токсическому эффекту [2].
Включение в биотестовую систему ГИС позволит реализовать комплексный подход по оценке и ранжированию всех видов источников загрязнения с учетом их взаимовлияния, выявлению наиболее опасных загрязнителей с позиций экологического нормирования, в основе которого лежат нормативы предельно-допустимых вредных воздействий на природные объекты. А это, в свою очередь, будет способствовать выработке рекомендаций по поддержке принятия управляющих решений с целью организации рационального природопользования.
Гидрологическую и географическую информацию, такую как размещение постов экологического контроля, местоположение загрязнителей удобно представлять на карте, что определяет широкое использование ГИС-технологий, позволяющих также решать задачи пространственного анализа. Единая база природных и техногенных объектов обеспечивает возможность моделирования процессов техногенного воздействия с целью исследования сложившейся ситуации и выработки рекомендаций по рациональному природопользованию.
С помощью ГИС возможно анализировать и изучать следующие задачи:
- оценка качества водных объектов;
- анализ деятельности пользователей водных ресурсов;
- ранжирование водопользователей по степени воздействия;
- нормирование экологической нагрузки на водный объект с учетом бассейнового подхода;
- создание форм отчетности.
ГИС-интерфейс системы разработан с использованием MapInfoProfessional® 11.0. Пакет MapInfo специально спроектирован для обработки и анализа информации, имеющей адресную или пространственную привязку. Наличие большого числа утилит значительно расширяет функциональные возможности системы.
ГИС MapInfo - высокоэффективное средство для визуализации и анализа пространственных данных. Сферы применения ГИС MapInfo: бизнес и наука, образование и управление, социологические, демографические и политические исследования, промышленность и экология, транспорт и нефтегазовая индустрия, землепользование и кадастр, службы коммунального хозяйства и быстрого реагирования, армия и органы правопорядка, а также многие другие отрасли хозяйства [3].
В состав блока управления и обработки данных функций входит:
- обеспечение связи с базой данных, а именно хранение, извлечение и обновление данных о результатах химического и биологического анализов;
- обеспечения связи между базой данных и ГИС;
- обеспечение взаимодействия оператора с системой через пользовательский интерфейс;
- обеспечение корректной одновременной работы множества пользователей с совместно обрабатываемыми данными;
Блок управления и обработки данных представлен системой управления базами данных (СУБД) на основе программного продукта MicrosoftAccess, который позволяет хранить и обрабатывать данные, подготавливать отчеты, контролировать правильность данных на стадии их ввода, создавать формы для более удобной работы с данными (интерфейс). СУБД осуществляет взаимодействие между базой данных и пользователями системы, а также между базой данных и прикладными программами, реализующими определенные функции обработки данных, а именно геоинформационной системой MapInfo.
Разработанная биотестовая система характеризуется следующими возможностями:
- экспресс-измерение токсичности водной среды с использованием биотестовой аппаратуры;
- количественное измерение концентраций загрязняющих веществ с помощью химико-аналитических методов;
- накопление и хранение результатов проведенных исследований в базе данных с возможностью их последующего использования;
- пространственное моделирование загрязнения водного объекта;
- наблюдение за динамикой изменения концентраций загрязняющих веществ и показателей токсичности с возможностью прогнозирования состояния водного объекта.
При осуществлении контроля за состояние водной среды с помощью данной системы первым этапом предполагается проведение биотестового анализа, что позволяет сделать вывод об интегральной токсичности пробы. При обнаружении резкого изменения показателя токсичности по сравнению с предшествующим измерением, целесообразно произвести химический анализ исследуемой пробы для определения концентраций конкретных токсикантов. Такой порядок измерений повышает оперативность контроля и позволяет сократить временные, материальные и трудовые затраты.Накопление результатов всех измерений позволяет не только наблюдать динамику загрязнения водного объекта, но и осуществлять прогнозирование его состояния, что позволит предположить развитие ситуации на основании аналогичных ситуаций в прошлом.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг. (ГК П1205 от 04.06.2010 г.).
Литература
-
1.Черемных, Е.Г. Биотестирование, или биологическая оценка безопасности в настоящем и будущем / Е.Г. Черемных, Э.Г. Розанцев // Экология и промышленность России. – 2003. – № 10. – С. 44 – 46.
2.Основные характеристики прибора БиоЛаТ-3 // [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.biolat.ru/opr.html Дата доступа: 12.04.2012.
3.ГИС MapInfoProfessional®//[Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.esti-map.ru/Программное обеспечение/PBMapInfo/MapInfoProfessional/tabid/48/Default.aspx Дата доступа:24.04.1012.