Метод и средства контроля токсичности водных сред по тест-реакции динамики гальванотаксиса инфузорий P. Caudatum тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Казанцева, Анна Геннадьевна

• Казанцева, Анна Геннадьевна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Казанцева, Анна Геннадьевна

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К РАЗРАБОТКЕ МИКРОБИОТЕСТА НА ОСНОВЕ РАЛЬВАНОТАКСИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ ИНФУЗОРИЙ.

1.1 Особенности биологического контроля в экотоксикологии.

1.1.1 Этапы развития экотоксикологии.

1.1.2 Методы экотоксикологии.

1.1.3 Биоиндикация.

1.1.4 Биотестирование.

1.2 Биотехнологические микробиотесты.

1.2.1 Преимущества.

1.2.2 Аппаратурные методы.

1.2.3 Микробиотест как биотехническая система.

1.3 Аспекты применения тест-реакции гальванотаксиса инфузорий Paramecium Caudatum для разработки аппаратурного микробиотеста.

1.3.1 Гальванотаксическая реакция инфузорий P.Caudatum.

1.3.2 Математические модели тест-реакции.

1.3.3 Биотехническая система для исследования гальванотаксиса.

1.3.4 Измерительные преобразователи устройства контроля тест-реакции гальванотаксиса.

1.4 Принципы оценки результатов биотестирования.

1.4.1 Принципы построения зависимости в токсикологии.

1.4.2 Явление стресса.

1.4.3 Индексы токсичности.

1.5 Выводы по главе.

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГАЛЬВ АНОТАКСИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ.

2.1 Моделирование этапов реакции.

2.1.1 Моделирование первого этапа.

2.1.2 Второй этап реакции.

2.2 Моделирования оптических характеристик сигнала.

2.3 Алгоритм программы моделирования динамики гальванотаксиса.

2.4 Исследование модели динамики гальванотаксиса.

2.4.1 Исследование математической модели одиночных гальванотаксических импульсов.

2.4.2 Исследование параметров модели, влияющих на форму импульса.

2.4.3 Исследование модели импульсной гальванотаксической последовательности.

2.5 Выводы по главе.

3 СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЛЬВАНОТАКСИСА ПРИ ОДНОКРАТНОМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИИ ПОЛЯРНОСТИ.

3.1 Спектрофотометрическое исследование взвеси клеток.

3.2 Спектрофотометрические исследования гальванотаксической реакции Р.СаиёаШш.

3.2.1 Исследования процесса гальванотаксиса в разных зонах кюветы.

3.3 Исследование статистической значимости математической модели.

3.3.1 Исследование адекватности математической модели с однократным переключением полярности в разных зонах кюветы в чистой среде.

3.3.2 Исследование адекватности математической модели с однократным переключением полярности в приэлектродных зонах кюветы в токсичной среде.

3.4 Исследование влияния биологических и технических факторов на гальванотаксический сигнал тест-реакции.

3.5 Исследование реакции гальванотаксиса при добавлении модельного токсиканта при однократном переключении полярности.

3.6 Гальванотаксический сигнал с многократным переключением полярности в протяженной кювете.

3.7 Исследование случайной составляющей сигнала.

3.8 Выводы по главе.

4 БИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДА КОНТРОЛЯ ТОКСИЧНОСТИ ВОДНЫХ СРЕД ПО РЕАКЦИИ ДИНАМИКИ ГАЛЬВАНОТАКСИСА.

4.1 Концепция биотехнической системы.

4.1.1 Концепция тест-реакции.

4.1.2 Концепция средств контроля тест-реакции.

4.1.3 Структура биотехнической системы.

4.2 Организация подготовительных этапов эксперимента.

4.2.1 Методология проведения эксперимента.

4.2.2 Линия подготовки тест-организма.

4.2.3 Линия подготовки пробы.

4.2.4 Линия подготовки принадлежностей и материалов.

4.3 Гальвальванотаксическая ячейка.

4.3.1 Электроды.

4.3.2 Кюветный модуль для тест-реакции.

4.4 Источник электрических стимулов.

4.4.1 Функции источника электрических стимулов.

4.4.2 Генератор сигналов специальной формы.

4.4.3 Специализированный генератор импульсов.

4.5 Устройство контроля реакции.

4.5.1 Метрологические характеристики.

4.5.2 Обоснование условий оптического контроля.

4.6 Метрологические аспекты измерения тест-реакции.

4.6.1 Виды погрешностей измерений, их учет и минимизация.

4.6.2 Идентификация зоны оптического контроля.

4.6.3 Изменение проходящего потока.

4.6.4 Влияние размера апертуры.

4.6.5 Определение величины сигнал-фон.

4.7 Выводы по главе.

5 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕСТ-РЕАКЦИИ ДИНАМИКИ ГАЛЬВАНОТАКСИСА В ПОЛЕ ПЕРЕМЕННОЙ ПОЛЯРНОСТИ.

5.1 Исследование адаптации инфузории P.Caudatum к химическим веществам при культивировании.

5.2 Особенности динамики гальванотаксического сигнала.

5.2.1 Динамика гальванотаксического сигнала в безвредной среде.

5.2.2 Исследование установившейся фазы сигнала.

5.3 Исследование сигналов при разной концентрации клеток в кювете

5.3.1 Сравнение данных эксперимента и результатов математического моделирования.

5.3.2 Обоснование диапазона рабочей концентрации.

5.4 Исследование переходной фазы сигнала.

5.5 Разработка метода контроля токсичности водных сред на основе динамики гальванотаксиса в поле переменной полярности.

5.6 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод и средства контроля токсичности водных сред по тест-реакции динамики гальванотаксиса инфузорий P. Caudatum»

Многообразные загрязняющие вещества, попадая в окружающую среду, могут претерпевать в ней различные изменения, усиливая при этом свое токсическое действие. Это приводит к необходимости разработки комплексных, интегральных методов контроля качества объектов окружающей среды. Эти задачи решает экотоксикология, одним из основных методов которой является биотестирование - технология, при которой лабораторно выращенные организмы, биологические системы или биологические процессы (тест-объекты) используют для измерения эффектов (тест-реакций), вызванных химическим воздействием.

По мере повышения уровня организации живого усложняется идентификация воздействия вредного фактора и увеличивается время проявления вызванного им эффекта. Биотестирование на уровне популяций микроорганизмов позволяет существенно сократить время выявления эффекта и оценить степень вредности для определенных форм живого, и создать предпосылки для разработки аппаратурных методов. В настоящее время большинство подобной аппаратуры ориентировано на использование в качестве тест-объекта штаммов бактерий, тогда как главным требованием международных стандартов в области биотестирования является применение организмов нескольких филогенетических уровней и тест-реакций.

К перспективным популяционным реакциям, которая уже апробирована, как тест-реакция токсичности водных сред, относится гальванотаксис инфузорий Р.СаиёаШт, проявляющийся в перемещении микроорганизмов под действием внешнего управляющего электрического поля. Поле переменной полярности дает новые возможности применения динамики гальванотаксиса для исследования особенностей влияния токсиканта на популяцию.

Целью диссертационной работы является разработка метода и средств контроля токсичности водных сред по тест-реакции динамики гальванотаксиса инфузорий Р.СаёаШт.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель, отражающую пространственно-временную динамику оптических характеристик взвеси инфузорий при протекании гальванотаксиса в чистой и токсичной средах.

2. Разработать биотехническую систему контроля токсичности водных сред, с применением в качестве тест-реакции динамики гальванотаксиса.

3. Разработать метод и систему регистрации динамики гальванотаксиче-ской тест-реакции в поле переменной полярности.

4. Разработать аппаратный метод контроля токсичности водных сред, позволяющий получить функциональную зависимость и количественный критерий, отражающие токсичность среды и особенности воздействия токсиканта на тест-объект.

Объектами исследования является система биотестирования токсичности водных сред.

Предметом исследования является информационное, методическое, метрологическое и аппаратное обеспечение системы биотестирования.

Методы исследования Исследование базируется на методах математического описания процессов популяционного движения микроорганизмов рекуррентными последовательностями, методах построения биотехнических систем, методами исследования биологических сигналов, методами фотометрии и исследования случайных процессов и сигналов.

Новые научные результаты:

1. Рекуррентная математическая модель, одновременно учитывающая пространственно-временную динамику распределения клеток по объему кюветы, количество переключений полярности, этологические особенности микроорганизмов и характеристики их светорассеяния, позволяющая прогнозировать и описывать фазы реакции.

2. Обобщенная структура биотехнической системы, позволяющая проводить контроль токсичности водных сред по реакции динамики гальванотаксиса инфузорий.

3. Метод и средства регистрации, позволяющие получить новый сигнал динамики гальванотаксиса по показателю кинетики оптической плотности взвеси, образующий импульсную последовательность.

4. Метод контроля токсичности водных сред с применением тест-реакции динамики гальванотаксиса инфузорий.

Практическая ценность работы:

1. Обоснована последовательность метода контроля токсичности водных сред на основе оптического контроля тест-реакции в приэлектродной зоне кюветы, обеспечивающего выделение сигнала на фоне помех и его идентификацию.

2. Разработан макет экспериментального блока формирования новой гальванотаксической тест - реакции на основе мультивибратора и метод ее регистрации в виде импульсной последовательности с помощью стандартного фотометрического прибора.

3. Обоснованы информативные признаки токсичности на основе анализа огибающей амплитуд импульсов.

4. Предложенный индекс токсичности позволил выявить различия влияния соединений тяжелых металлов на микроорганизмы при тест-реакции и получить статистически воспроизводимые численные значения, соответствующие их ПДК.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод биотестирования с использованием динамики гальванотаксиса в качестве тест-реакции позволяет, на основе измерения кинетики оптической плотности взвеси клеток, получать показатели токсичности водных сред.

2. Система формирования и регистрации гальванотаксического сигнала, обоснованная с помощью рекуррентной математической модели, позволяет получить импульсную последовательность как процесс перехода к установившемуся состоянию, характеризующему количество жизнеспособных микроорганизмов в популяции.

Достоверность результатов обеспечена использованием при их получении надежных и проверенных теоретических представлений и экспериментальных методов и технологий; численными расчетами, проведенными на основании полученных соотношений; статистическими оценками величин и характера вытекающих из них зависимостей с использованием надежных экспериментальных данных.

Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в НИР БЭС-100 «Разработка теоретических основ построения биотехнических систем оценки и управления состоянием человека и окружающей среды», 20092010 гг.; НИР БЭС-112 «Теоретические и физические исследования измерительных процессов в системах био- и техногенного происхождения», 20092010 гг.; МРИ-БЭС-105 «Теоретические основы построения телемедицинских систем профилактики здоровья учащихся региона» 2009-2010 гг.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях по Мягким вычислениям и измерениям (БСМ) - Санкт-Петербург 2005, 2006, 2007 гг., на международном конгрессе «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» - 2006 г., на Всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий» - Санкт-Петербург 2004, 2005, 2006 гг., на Всероссийской конференции «Региональная информатика» -Санкт-Петербург 2008 г., на Всероссийских конференциях «Медицинские информационные системы (МИС)» - Таганрог 2009, 2010 гг., на Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического Университета (ЛЭ-ТИ) 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 гг.

Публикации по работе. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 18 научных работах, из них - 7 статей, среди которых 5 опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 11 работ — в материалах международных, всероссийских и межвузовских научно-практических конференциях.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Казанцева, Анна Геннадьевна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Разработана новая тест-реакция динамики гальванотаксиса инфузорий в поле переменной полярности как элемент БТС контроля токсичности водных сред.

2. Предложены рекуррентные математические модели для описания пространственно-временного процесса гальванотаксиса инфузорий при однократном и многократном переключении полярности электродов и исследована их статистическая значимость.

3. Разработан метод и средства формирования и регистрации тест-реакции с помощью гальванотаксической ячейки, генератора импульсов прямоугольной формы и кюветного модуля для спектрофотометра, измеряющего кинетику оптической плотности взвеси инфузорий.

4. Разработан метод контроля токсичности водных сред, позволяющий получить новый вид индекса токсичности, оцениваемого не только значениями, но и функцией, вид которой может отражать характер воздействия токсиканта на тест-организм. Получена высокая корреляционная зависимость между значениями индексов токсичности для соединений тяжелых металлов и их ПДК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Казанцева, Анна Геннадьевна, 2010 год

1. Алипов, А.Н. Медицинские лабораторные фотометрические приборы и комплексы. Текст.: монография / А.Н.Алипов, J1.M. Муравник, Н.Л. Ронжина и др. СПб.: Реноме, 2010. - 504 с.

2. Астафьев, Г.Б. Клеточные автоматы Текст.: учеб. — метод. пособие / Г.Б. Астафьев, A.A. Короновский, А.Е. Храмов// Саратов, 2003 г. - 24 с.

3. Ахутин, В. М. Биотехнические системы: Теория и проектирование. Текст.: учеб. пособие / В.М. Ахутин, А.П. Немирко, Е.П. Попечителев. Л.: Изд-во ЛГУ, 1981.-220 с.

4. Белов, A.A. Прибор «Биотоке К» для экспресс-оценки экологической обстановки Текст. / A.A. Белов, B.C. Данилов , Зубков Б.В.//Датчики и системы М., 2007 г. - Вып. 9 - С. 27-31.

5. Беркович, С.Я. Клеточные автоматы как модель реальности: поиски представлений физических и информационных процессов Текст.: монография / С.Я. Брекович М: Изд-во МГУ, 1993. - 427 с.

6. Бубнов А.Г. Биотестовый анализ — интегральный метод оценки объектов окружающей среды Текст.: учебн. пособие / А.Г. Бубнов, С.А. Буймова, A.A. Гущин и др.// Иваново, 2007 112 с.

7. Бурдун, Г.Д. Основы метрологии Текст.: учебник для вузов / Г.Д. Бурдун, Б.Н. Марков. М: Издательство стандартов, 1975. - 336 с.

8. Вентцель, Е. С. Исследование операций: задачи, принципы, методология Текст.: монография / Е. С. Вентцель. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1980.—208 с.

9. Вентцель, Е.С. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения Текст.: учеб. пособие / Е. С. Вентцель, Л. А. Овчаров. М.: Высшая школа, 2007. - 496 с.

10. Ганшин, В.М., Комплексные системы мониторинга токсикологической и экологической безопасности Текст. / В.М. Ганшин, A.B. Чебышев, A.B. Фесенко//Специальная техника М., 1998 г. - Вып. 45 - С. 2- 10

11. Градштейн, И.С. Таблицы интегралов сумм, рядов и произведений Текст.: справочник / И.С. Градштейн, И.М. Рыжик // М.: Из-во «Наука», 1971 г. - С. 1108

12. Евгеньев, М.И. Тест-методы и экология. Текст. /М.И. Ев-геньев// Соросовский образовательный журнал. 1999. - № 11. - С. 29 -34

13. Захаров, И. С. Биотехнические методы охраны окружающей среды Текст.: учеб. пособие / И.С. Захаров, A.B. Пожаров. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2001. - 80 с.

14. Захаров, И.С. Биотехнологические системы контроля окружающей среды Текст.: учеб. пособие / И.С. Захаров, A.C. Ковалевская, A.B. Завгородний СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. - 80 с.

15. Захаров, И.С. Исследование оптических свойств взвеси инфузорий Текст. / И.С. Захаров, А.Г. Казанцева.// Изв. СПбГЭТУ «ЛЭ-ТИ» (Известия государственного электротехнического университета). — СПб., 2010. Вып.1. - С. 55 - 62.

16. Захаров, И.С. Проектирование узлов аппаратуры медико-экологического назначения с оптическими измерительными преобразователями Текст.: учеб. Пособие / И.С. Захаров, A.B. Баштанов. -СПб. Изд-во СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2004. 74 с.

17. Захаров, И.С. Рекуррентная модель тест-реакции гальванотаксиса инфузорий Текст. / И.С. Захаров, А.Г. Казанцева.// Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия государственного электротехнического университета). СПб., 2009. - Вып.5. - С. 63 - 66.

18. Казанцева, А.Г. Изучение информативных параметров адаптации микроорганизмов, используемых при биомониторинге Текст. / А.Г. Казанцева // Материалы всерос. конф. «Информационные технологии в экологии», 22 24 октября 2008 г. - СПб., 2008. - С. 273.

19. Казанцева, А.Г. Система для измерения концентрации инфузорий Текст. / А.Г. Казанцева // Материалы междунар. конф. «БСМ2007: Мягкие вычисления и измерения », 25 27 июня 2007 г. — СПб., 2007. -Т.2. - С. 192.

20. Ковалевская, А. С. Метод и средства контроля токсичности водных сред по реакции гальванотаксиса инфузорий Текст.: ав-тореф. канд. техн. наук A.C. Ковалевская. С.- Петербург: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», - 2006.- 16 с.

21. Короновский, A.A. Феноменологическая модель электронного потока с виртуальным катодом Текст. / A.A. Короновский, А.Е .Храмов, В.Г. Анфиногентов // Известия РАН. Сер. Физическая. -М.,1999 г. - Т.63 - N 12. С. 2355-2362.

22. Малинецкий, Г.Г. Моделирование движения толпы при помощи клеточных автоматов Текст. / Г.Г. Малинецкий, М.Е. Степанцев // Известия ВУЗов. Сер. Прикладная нелинейная динамика М.,1997. - Т. 5. - С. 75-79.

23. Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» СПб., 2010 г. - С. 14 - 20.

24. Мейзда, Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений Текст.: учебник для вузов / Ф. Мейзда М: Мир, 1990. -535 с.

25. Мелехова, О.П. Биологический контроль окружающей среды. Биоиндикация и биотестирование Текст.: учебн. пособие / О.П. Мелехова, Е.И. Сапульцева и др. // М.: Издательский центр «Академия», 2010 г. 288 с.

26. Пожаров, A.B. Биотехнические методы оздоровления окружающей среды: Методические указания к циклу лабораторно-практических занятий Текст.: учеб. пособие / А. В. Пожаров, И. С. Захаров, Т. В. Суворова и др. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2005. - 40 с.

27. Попечителев Е. П. Электрофизиологическая и фотометрическая медицинская техника Текст.: учеб. пособие / Е. П. Попечителев, Н. А. Кореневский М: ФГУП «Издательство «Высшая школа», 2001.- 470 с.

28. Рангайян, P.M. Анализ биомедицинских сигналов. Практический подход. Текст.: учеб. пособие / P.M. Рангайян, А.П. Немирко.- М.: ФИЗМАТЛИТ. 2007. 440 с.

29. Реквизиты стандартов ISO 6341:1989 Текст. // Международный Центр Качества (http://stroyinf.ru/cgi-bin/mck/alldoc.cgi7i— 43277)

30. Руководство по определению методом биотестирования токсичности вод, донных отложений, загрязняющих веществ и буровых растворов. Текст. // М.: РЭФИА, НИА - Природа, 2002. - 118 с.

31. Селье, Г. От мечты к открытию Текст.: монография / Г. Селье // М.:1987 г.-368 с.

32. Терехова, В.А. Технологии биотестирования в оценке эко-токсичности отходов Текст. / В.А. Терехова //Экология производства -М., 2009 г. Вып. 1 - С. 48-52

33. Технические характеристики прибора Xenometric Текст. // Linkedin Comparation nittp://[e-mail])

34. Технические характеристики прибора Биотоке™ Текст. // ООО «НЕРА-С» (http://www.biotox.ru)

35. Хоровиц, П. Искусство схемотехники Текст.: монография / П. Хоровиц, У. Хилл. М.: «Мир» , 2003. - 704 с.

36. Экологический контроль: проблемы и решения. Прибор «Биотокс-10» Текст. / Сертификат Государственного комитета Российской Федерации по стандартизации и метрологии (Госстандарт России), № 9842 //Специальная техника М., 2001 г. - Вып. 4 - С. 10-12.

37. Chopard, B. Cellular automata model for heat conduction in a fluid Текст. / Chopard В., Droz M.// Physics Letters A. 1988. Vol. 126. - N 8/9. - PP. 476-480.

38. Clavin, P. Simulatoin of free boundaries in flow system by lattice-gas models Текст. / Clavin P., Lallemand P., Pomeau Y., Searby G.// Journal of Fluid Mechanics. 1988. Vol. 188. - PP. 437-464.

39. Csahyk, Z. Lattice gas model for collective biological motion Текст. / Csahyk Z., Vicsek T.Physical // Review A. 1995. Vol. 52. - N 5. -PP. 5297-5303.

40. Environmemntal bio-detection products inc. Toxi-Chromotest Текст. //Environmental Technology Verification Report, EPA, Battelle Columbus, Ohio 43201, June 2006.