Спосіб дистанційного дослідження гострої токсичності водного середовища

1. Спосіб дистанційного дослідження гострої токсичності водного середовища, що включає вміщення у досліджуване водне середовище контейнера з тестовим біооб'єктом та дистанційний U 2 (19) 1 3 Поряд з хімічними методами визначення токсичних речовин у природних об'єктах розроблено ряд способів біологічної оцінки забруднення різних середовищ. Відомий експрес-спосіб оцінки якості вод, забруднених промисловими, сільськогосподарськими та побутовими токсикантами та їх сумішшю , що використовується при екологічній експертизі, картуванні та моніторингу природних та ґрунтових вод. Спосіб оснований на оцінці виникаючих у досліджуваній воді змін поведінкових реакцій молюсків. В якості тест-об'єктів використовують спеціально виведених шляхом близькоспорідненого схрещення в стандартних «екологічно чистих» лабораторних умовах молюсків "Ampulla gigas" [3]. Спосіб є дуже трудомістким, потребує великої кількості тест-організмів, многократно повторювальних вимірювань і трудомісткої статистичної обробки. Відомий спосіб біологічного моніторингу є спосіб біотестування води на забруднення полютантами, заснований на визначенні фіто токсичності середовища. Оцінку проводять за кількістю загиблих клітин листеців ряски після забарвлення фарбою [4]. Недоліками зазначеного способу є низька репрезентативність одержаних результатів, зв'язана з використанням низькоорганізованих живих організмів , неможливість проведення оцінки екологічної ситуації в відносно крупному регіоні. Відомі способи дослідження стану (зокрема токсичності) водного середовища, які ґрунтуються на фіксації реакції живих тест-об'єктів, приміром: фіксації на протязі певного часу спостережень, змін характеру пігментації шкіри на спині в популяціях безхвостих амфібій, асиметрії форми та розмірів пігментованих плям, схожих морфологічних ознак риб тощо [5]. Недоліком цих способів є те, що вони або взагалі не дозволяють здійснювати дистанційну діагностику токсичності на великих акваторіях, або створюють для того досить великі складнощі. Найближчим аналогом є спосіб дослідження стану навколишнього середовища [6], що включає вміщення у досліджуване водне середовище контейнера з тестовим біооб'єктом та дістанційний аналіз змін спектральних параметрів світла, зумовлених змінами стану тестового біооб'єкту. При виконанні зазначеного способу після вміщення і заповнення контейнера водою з досліджуваного середовища контейнер герметично зачиняють і ведуть спостереження за спектральними параметрами світла, яке відбивається від вміщеного або виконаного як єдине ціле з контейнером відбивача, таким чином. Світло проходить через шар водного розчину вітального барвника метиленового синього у внутрішньому об'ємі контейнера. За відсутності протягом доби зникнення синього кольору діагностують наявність у досліджуваному водному середовищі токсичних речовин. Недоліком даного способу є те, що він може давати помилкові результати за умов, коли при вміщені контейнера до водного середовища буде порушено герметичність контейнера, внаслідок чого синій колір метиленового синього, під дією атмосферного та розчиненого у воді кисню, буде 63109 4 наявний завжди - без зв'язку з наявністю або відсутністю гострої токсичності. Помилки можливі також, якщо наявний у водному середовищі токсикант за своєю хімічною природою є сильним відновником. Відновлювана дія токсиканта буде сильніша за окислювальну дію розчиненого у воді кисню, тож зміна синього кольору контейнера на білий буде наявна і у токсичному середовищі. В корисній моделі, що пропонується, ставиться задача створення можливості діагностування гострої токсичності водного середовища без забезпечення герметичності контейнера, а також і за умов, коли наявний у водному середовищі токсикант за своєю хімічною природою є сильним відновником. Для вирішення поставленої задачі у способі обраному за найближчий аналог [6], що включає вміщення у досліджуване водне середовище контейнера з тестовим біооб'єктом та дістанційний аналіз змін спектральних параметрів світла, зумовлених змінами стану тестового біооб'єкту, згідно корисної моделі, при готуванні тестового біооб'єкту до контейнера спочатку вміщують суміш дріжджів з цукром, а після вміщення у досліджуване водне середовище контейнер заповнюють водою з того ж водного середовища, а потім протягом 72 годин ведуть спостереження за спектральними параметрами поверхні води навколо зазначеного контейнера, фіксуючи, зумовлені появою піни, зміни спектральних параметрів поверхні води, за наявності або відсутності таких змін діагностують, відповідно, відсутність або наявність гостро токсичних речовин у водному середовищі. З метою покращання умов оцінки спектральних параметрів поверхні води до суміші дріжджів з цукром рекомендовано додавати барвник та інгредієнти, що сприяють створенню і довгому збереженню піни. В основі запропонованого способу лежить властивість живих клітин дріжджів підсилено виділяти вуглекислий газ у вигляді бульбашок в процесі їх життєдіяльності , що супроводжується процесом бродіння та позначується створенням значної піни. В присутності гостро токсичних речовин клітини дріжджів гинуть, отже ознаки життєдіяльності не виявляють, завдяки чому відбувається однозначне тестування наявності гострої токсичності досліджуваного водного середовища. Спосіб, що заявляється, здійснюють таким чином. Будь-яким відомим засобом (наприклад - за допомогою безпілотних літальних апаратів) вміщують у досліджуване водне середовище контейнери з сумішшю дріжджів, цукру, барвника і інгредієнтів, що сприяють створенню і довгому збереженню піни, і ведуть спостереження за спектральними параметрами поверхні води біля контейнера. При відсутності у водному середовищі гостро токсичних речовин живі дріжджі, виділяючи внаслідок своєї життєдіяльності бульбашки вуглекислого газу, створюють піну, яка змінює спектральні параметри поверхні води. Цей ефект не спостерігається для мертвої біомаси дріжджів (зокрема - вбитих токсинами, що їх містить досліджуване водне середовище). Тому, якщо за ре 5 63109 зультатами спостережень за спектральними параметрами поверхні води протягом 72 годин не буде зафіксована наявність зумовлених появою піни змін спектральних параметрів водної поверхні навколо контейнера, діагностують наявність у досліджуваному водному середовищі токсичних речовин, здатних бути причиною гострої токсичності, а за наявності таких змін діагностують відсутність гострої токсичності у досліджуваному водному середовищі. Можливість за допомогою запропонованого способу дистанційно діагностувати гостру токсичність водного середовища підтверджується наведеними нижче прикладом його здійснення в умовах акваріумного лабораторного дослідження у січні 2011 року. Статистична достовірність ефектів, що спостерігалися у лабораторному дослідженні, оцінювалася за точним методом Фішера [7] для якісних ефектів. Йдеться про, зумовлений появою піни, якісний ефект зміни спектральних параметрів води на поверхні гостро токсичної, або ж - нетоксичної води у акваріумах. Можливість дистанційного визначення цього ефекту підтверджена аналізом результатів цифрового фотографування поверхні води у акваріумах, яке здійснювали у ході лабораторного дослідження. Приклад здійснення. Досліджуване водне середовище імітувалося пластиковими акваріумами, місткістю 7,5 л, заповненими дехлорованою водою з Харківського водогону. У експерименті до води додавався формалін, до створення його 10-ти відсоткової концентрації. Контрольне водне середовище імітувалося аналогічно, але без додавання формаліну. Температура води в акваріумах під час експериментів коливалася від 18 до 21 С. В контрольні (номери 1-7) та експериментальні (номери 8-14) акваріуми вміщу 6 валися циліндричні пластикові контейнери, внутрішнім діаметром 20 мм, висотою 100 мм. Попередньо в контейнери вміщували по 15 г суміші сухих дріжджів (Saccharomyces cerevisiae), цукру, харчового барвника (жовтогарячого) та інгредієнтів, що сприяють створенню і стійкості піни. Зразу після вміщення контейнерів в акваріуми і через 24 години після того, візуально і за допомогою цифрового фотографування, фіксували колір поверхні води у акваріумах. Цифрове фотографування здійснювали фотокамерою "Canon" з подальшою комп'ютерною обробкою зображень за допомогою програмного пакету Matlab (модуль Image Processing Toolbox). Було проведено два рази (зразу після вміщення контейнерів в акваріуми і через 24 години по тому) по сім таких спостережень - у кожному з контрольних (без токсиканта) та експериментальних (у середовищі з 10-ти відсотковою концентрацією формаліну) акваріумах. Візуально поява (визначеного жовтогарячим харчовим барвником) червоного відтінку поверхні води була зафіксована лише у всіх контрольних варіантах - вперше через 6 годин після вміщення контейнерів в акваріуми. Для об'єктивізації результатів такого спостереження на початку досліджень і через 24 години після вміщення контейнерів в акваріуми провадили також цифрову фотографію, з виміром R, G, В параметрів. Наявність чи відсутність червоного відтінку води визначали відношенням значення Rпараметра зображення на цифровій фотографії до значень В-параметра (R/B). Різниця у результатах цифрового фотографування у експериментальному (з додаванням токсиканту) і контрольному (без додавання токсиканту) варіантах презентована у табл. 1 і табл. 2. Таблиця 1 Результати цифрового фотографування поверхні води у контролі (без додавання формальдегіду). Номер акваріума R G В R/B 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 14 18 18 18 16 17 18 67 61 65 69 76 64 62 18 20 20 20 19 20 20 150 152 150 151 149 150 148 16 16 16 17 16 17 16 8 5 4 5 2 6 6 0,87 1,12 1,12 1,05 1,0 1,0 1,12 8,37 12,2 16,25 13,8 38,0 10,7 10,3 На початку лабораторних акваріумних досліджень відношення R/B в усіх семи контрольних акваріумах не перевищує 1,5 - чому відповідає Час, що пройшов з початку лабораторних досліджень, години 0 0 0 0 0 0 0 24 24 24 24 24 24 24 білий , без помітного червоного відтінку, колір поверхні води. Через 24 години після початку лабораторних акваріумних досліджень відношення R/B в усіх 7 63109 семи контрольних акваріумах перевищує 8, себто значно більше 1,5 - чому відповідає помітний че 8 рвонястий відтінок у кольорі поверхні води. Таблиця 2. Результати цифрового фотографування поверхні води у експерименті (з додаванням формальдегіду до створення гостро токсичної десятивідсоткової концентрації). Номер акваріума R G В R/B 8 9 10 11 12 13 14 8 9 10 11 12 13 14 33 33 32 33 33 34 29 62 62 67 61 59 58 61 30 31 29 31 29 31 27 59 60 62 59 58 56 60 26 27 25 27 25 27 23 48 49 50 48 47 47 51 1,27 1,22 1,28 1,22 1,28 1,26 1,26 1,30 1,26 1,34 1,27 1,26 1,23 1,20 На початку лабораторних акваріумних досліджень відношення R/B в усіх семи експериментальних акваріумах не перевищує 1,5 - чому відповідає білий , без помітного червоного відтінку, колір поверхні води. Через 24 години після початку лабораторних акваріумних досліджень відношення R/B в усіх семи експериментальних акваріумах також не перевищує 1,5 - чому відповідає практично такий же як на початку білий, без помітного червоного відтінку, колір поверхні води. Незважаючи на малий розмір вибірок, точний метод Фішера для якісних ефектів [3] дозволяє визначити у контролі, у порівнянні з експериментом, статистично достовірну (р