Пристрій для експериментальних досліджень розподілу і міграцій гідробіонтів в градієнтних водних розчинах

Реферат: Винахід належить до пристрою для експериментальних досліджень розподілу і міграцій гідробіонтів в градієнтних водних розчинах. У пристрої, що включає експериментальну трубчасту камеру і резервуари, протилежні кінці експериментальної камери з'єднують з відповідними резервуарами, наповненими водними розчинами, які відрізняться за властивостями, причому резервуари встановлюють з можливістю регулювання висоти відносно експериментальної камери, яку додатково забезпечують розподіленою системою стоків, що включає зливні отвори та вставлені в них і виведені на однаковий рівень по висоті капіляри рівного діаметра, з'єднані із зливним резервуаром, розташованим над експериментальною камерою. UA 104936 C2 (12) UA 104936 C2 UA 104936 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі експериментальної гідробіології і може бути використаний для наукових експериментальних досліджень у сфері біології та екології гідробіонтів, точніше - для вивчення організмів, що мешкають в градієнтних середовищах: перехідних зонах між відмінними за властивостями місцеперебуваннями (біотопами). В даний час залишаються недостатньо дослідженими, але при цьому зберігають свою актуальність питання розподілу гідробіонтів в малорозмірних біотопах з різким переходом від одних фізико-хімічних умов до протилежних. Прикладами можуть служити зони переходу від нормоксіі через гіпоксію до аноксії: редокс-хемоклін стратифікованих водних мас, межа розділу середовищ "придонний шар води - верхній шар донних осадів", мікробні мати газових сипів та ін. Декілька іншим, але не менш важливим прикладом є межі між прозорими та забрудненими каламутними водами, що містять тонкодисперсні суспензії і мають, відповідно, малу різницю в щільності зваженої речовини і дисперсійного середовища, невисоку швидкість седиментації суспензій. Дослідження гідробіонтів у їх нативному стані в подібних місцеперебуваннях мають ряд технічних складнощів і обмежень, тому альтернативним підходом є проведення експериментів, при яких необхідні градієнтні параметри середовища моделюються штучно. Задачею даного винаходу є відтворення в експериментальних умовах аналогів градієнтних середовищ, притаманних більшості природних і штучних водоймищ (резервуарів). Відомо проточний пристрій (див. Белокопытин Ю.С., Ракицкая Л.В. Гидродинамическая труба для изучения энергетики плывущих рыб // Энергетические аспекты роста и обмена водных животных. - Киев, 1972. - С. 19-20), призначений для вивчення енергетичних і гідродинамічних показників риб при їх активному плаванні. Пристрій складається із замкнутої труби, двигуна, гребного гвинта, експериментальної камери, ілюмінатора для спостереження, кранів, а також патрубків для відбору води при необхідності проведення аналізів і вимірювань. Підбором частоти обертів двигуна регулюється швидкість руху води в системі. Описаний пристрій дозволяє оновлювати експериментальну середу, проте відсутня можливість створення просторових градієнтів фізико-хімічних параметрів, а спостереження за біотою відбувається не у всьому обсязі проточною труби, а тільки в малому просторі експериментальної камери з ілюмінатором. Інший аналог - пристрій, що складається з декількох резервуарів, камер, з'єднувальних трубок, повітряного компресора і перистальтичних насосів (див. Dubilier N., Giere О. and Grieshaber M.K. Concomitant Effects of Sulfide and Hypoxia on the Aerobic Metabolism of the Marine Oligochaete Itcbificoides benedii // The Journal of Experimental Zoology. - 1994. - 269. - P. 287-297). Потік аноксичної морської води, отриманої барботацією азотом, змішується в спеціальній камері з водою, збагаченою сірководнем. Варіюючи швидкість даних потоків, отримують морську воду з необхідним вмістом сірководню. Далі, цей розчин надходить в експериментальну проточну камеру, де він аерується з використанням компресора і перемішується за допомогою магнітних мішалок. Через компресор подається або повітря, або чистий азот. Регулюючи подачу цих газів, домагаються того, що в експериментальному середовищі накопичується розчинений кисень необхідної концентрації, або, навпаки, він повністю елімінується. Основним недоліком описаної проточної установки є неможливість створення в експериментальній камері просторових градієнтів. Навіть при відсутності перемішування можливі мікроградіенти середовища досить складно підтримувати тривалий час через обмежені розміри та невідповідну конфігурацію експериментальної камери. В основу винаходу Пристрою для експериментальних досліджень розподілу і міграцій гідробіонтів в градієнтних водних розчинах поставлена задача створення і підтримки просторових неоднорідностей властивостей водних розчинів і водних тонкодисперсних суспензій для вивчення рухових і міграційних реакцій гідробіонтів, як відгук на різнобічно діючі фактори. Рішення зазначеної задачі досягається тим, що протилежні кінці трубчастої експериментальної камери з'єднуються з резервуарами, наповненими водними розчинами що відрізняються один від одного за властивостями; випробувальна труба обладнана розподіленою системою стоків, яка складається з зливних отворів і вставлених до них пробок з капілярами рівного діаметру, виведеними на однаковий рівень по висоті. Пропонований винахід пояснюється кресленнями. На Фіг. 1 - Принципова схема експериментальної установки; Фіг. 2 - Система саморегулювання швидкості потоків розчинів; Фіг. 3 - Результати градієнтного експерименту. Установка складається (див. Фіг. 1) з експериментальної циліндричної камери 1, підвідних трубок 2, резервуарів 4 з водними розчинами, фільтрів 5, капілярних редукторів 6, затискачів 7. Камера 1 забезпечена системою стоків, яка включає отвори стоків 3 з встановленими до них пробок 8, з'єднаних з капілярами 9 за допомогою гнучких шлангів 10 із зливним резервуаром 11. 1 UA 104936 C2 5 10 15 20 25 30 Перед початком експерименту циліндрична камера 1 заповнюється водним розчином, аналогічним природному середовищу існування досліджуваних гідробіонтів. Організми, реакцію яких потрібно простежити, поміщаються у камеру 1 в необхідній кількості. Потім, для формування фізико-хімічного градієнта, в камеру 1 з резервуарів 4 вводять два протиспрямованих різнорідних потоків водних розчинів, наприклад нормоксичний та гіпоксичний або воду з високим вмістом сірководню і без нього. Зустрічаючись і перемішуючись в центрі камери 1, потоки формують градієнтне середовище. Такий стан підтримують в динамічній рівновазі завдяки двом процесам: з одного боку - перемішування і дифузії, а з іншого, рівномірного спаду рідин по всій довжині камери через систему стоків. Для вирівнювання між собою величин потоків через зливні отвори 3 (див. Фіг. 1) у кожному каналі 3 встановлені капіляри 9. Капіляри мають рівний діаметр і довжину, що дозволяє демпфувати гідродинамічний тиск. Додатково, з капілярів експериментальне середовище виводиться в зливний резервуар 11, який має циліндричну форму і розташований горизонтально. Це, в свою чергу, також сприяє вирівнюванню гідростатичного тиску на виході з системи. Саме така конструкція стоків, що виведена вище рівня камери 1, створює в ній тиск, що перевищує атмосферний і гарантує неможливість надходження кисню з повітрям всередину пристрою. Якщо розглянути експериментальну камеру в цілому, як єдину гідродинамічну систему (див. Фіг. 2), в яку через два входи (кожен площею S0 ) подається експериментальний розчин зі швидкістю V0 і з якої тече розчин зі швидкістю VS через 7 рівних стоків (кожен площею Ss ), то для такої системи можна записати рівняння нерозривної течії рідини (1). Аналогічно, якщо розглядати камеру (див. Фіг. 2) в перерізі А (два входи і п'ять стоків), то рівняння нерозривності матиме вид (2). Для перерізів Б і В також можна скласти відповідні рівняння (3 і 4). Розділивши попарно рівняння (1-4) отримуємо вирази (5 і 6) залежності швидкості течії рідини в кожній секції камери від швидкості вхідного потоку. Виготовлений і апробований прототип має 7 стоків, хоча за таким же принципом установка може бути виготовлена з більшою або меншою кількістю стоків в залежності від поставлених завдань дослідження. Таким чином, чим ближче досліджувана ділянка камери до її центру, тим повільніше рухається первинний розчин її всередині і, відповідно, вільніше відбувається дифузія із зустрічним потоком розчину-антагоністу. А чим далі від центру, тим цей процес більш ускладнений за рахунок більшої швидкості течії зустрічного розчину. 2  S0  v 0  7  Ss  v s (1) 2  S0  v1  5  Ss  v s (2) 2  S0  v 2  3  Ss  v s (3) 2  S0  v 3  1 Ss  v s (4) 2  S0  v 0 (5) 2  S0  v1  7  Ss  v s v 5  v0 7  0   v1  7 5  Ss  v s v1 5 v2  40 (6) v3  35 3  v0 7 1 v 0 7 (7) Регулювання швидкості зустрічних потоків рідини виконується, наприклад, за рахунок зміни висоти h (див. Фіг. 1) між рівнями рідин в трубі 11 і резервуарах 4. Також, це можливо при зміні пропускної здатності редукторів, за які використовуються капіляри 6. Налаштування всіх параметрів пристрою дозволяє проводити довготривалі експерименти в напівавтоматичному режимі, без постійного коригування. Після необхідної експозиції досліджуваних гідробіонтів в градієнтному середовищі проводиться аналіз відгуку даних організмів. Критерієм оптимальних умов проживання досліджуваних об'єктів є їх міграція і скупчення в певних ділянках експериментальної камери 1. У разі вивчення організмів малих розмірів їх відбір з камери 1 для кількісного обліку може бути проведений через отвори 3, наприклад, за допомогою шприца. При дослідженнях великих 2 UA 104936 C2 5 10 15 20 25 організмів, використання прозорого матеріалу в конструкції камери 1 дозволяє спостерігати їх переміщення візуально безпосередньо під час експерименту. Пристрій апробовано на прикладі щільної культури інфузорій роду Euplotes. Перед початком експерименту камеру 1 заповнювали нормоксічною морською водою з вмістом кисню 5 мг/л, вводили і рівномірно розподіляли суспензію інфузорій (2 мл культурального середовища). Далі, по трубках 6 з резервуарів 4 в камеру 1 з її протилежних кінців подавали розчини з вмістом кисню, відповідно, 0.5 та 6.7 мг/л. Швидкість подачі розчинів становила 2 л/год. Через 2 години після початку експерименту проводили вимір вмісту розчиненого кисню в експериментальному середовищі. Після спливу 3 годин від початку експерименту через отвори 3 робили відбір рівних об'ємів середовища, в яких підраховували чисельність активних інфузорій. Ця серія експериментів показала, що кінцевий розподіл інфузорій у випробувальній камері має добре визначений максимум, який просторово відповідає місцю знаходження вод з концентрацією кисню 0.60-0.63 мг/л (Фіг. 3). В експерименті, результати якого представлені на Фіг. 3, в випробувальній камері-трубі створювався градієнт концентрації розчиненого кисню від 0.57 мг/л на одному її кінці до 2.7 мг/л - на протилежній стороні. В інших випадках діапазон вмісту кисню підтримувався на інших рівнях, відповідно до завдань дослідження. В цілому, кисневі оптимуми інфузорій Euplotes були вивчені в діапазоні концентрації цього розчиненого газу від 0.5 до 6.0 мг/л, що відповідає еколого-фізіологічному переходу від критично гострої гіпоксії до нормоксіі. Спостереження за градієнтом кисню у випробувальній камері показали, що він залишався просторово стабільним протягом усього експерименту. При цьому важливо відзначити, що конструкція камери дозволяє створювати і підтримувати незмінними в часі досить протяжні ділянки з гіпоксічними умовами середовища. Це особливо важливо при дослідженнях фауни Чорного моря, яка містить не тільки найбільшу сірководневу зону Світового океану, але й унікальний субоксидний шар - перехідну зону між кисневої та аноксичної водними масами. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 Пристрій для експериментальних досліджень розподілу і міграцій гідробіонтів в градієнтних водних розчинах, що включає експериментальну трубчасту камеру і резервуари, який відрізняється тим, що протилежні кінці експериментальної камери з'єднані з відповідними резервуарами, наповненими водними розчинами, які відрізняться за властивостями, причому резервуари встановлені з можливістю регулювання висоти відносно експериментальної камери, яка додатково забезпечена розподіленою системою стоків, що включає зливні отвори та вставлені в них і виведені на однаковий рівень по висоті капіляри рівного діаметра, з'єднані із зливним резервуаром, розташованим над експериментальною камерою. 3 UA 104936 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4