Разработка метода и средств контроля пространственно-временного распределения оптических характеристик взвеси инфузорий для биотестирования водных сред

Ухудшающаяся экологическая обстановка требует постоянного контроля токсичности природной среды. Биотестирование согласно российским и международным стандартам наряду с аналитическими физико-химическими методами является важным инструментом для выявления токсичности различных сред: питьевой, сточной, технологической воды, отходов, вытяжек почвы. В качестве чувствительного к токсичным факторам биообъекта широкое распространение получили инфузории. Имеется ряд тест-реакций для контроля токсичности водных сред с применением инфузорий, среди которых можно выделить: летальность (смертность), хемотаксис (уход из опасной зоны), гальванотаксис (перемещение под действием электрического тока жизнеспособных клеток). Из этих реакций каждая имеет свою специфику, позволяющую выявлять различные вредные воздействия. Большой объём исследуемых проб диктует необходимость использования надёжной биотестовой аппаратуры.

Отечественными и зарубежными исследователями давно ведутся работы по изучению влияния токсичности на статические и динамические характеристики популяций микроорганизмов. Достигнутые результаты позволили на основе исследованных тест-реакций разработать специфичную аппаратуру для контроля токсичности водных сред, на основе локального контроля статической характеристики концентрации популяции с помощью одного фотоприёмника. Создание аппаратуры, гибко подстраивающейся под условия проведения тест-реакции, позволит контролировать известные тест-реакции с улучшенной воспроизводимостью, вводить новые исследования характера действия токсиканта, что может упростить поиск источника вредного воздействия.

Потенциально возможность решения задачи построения необходимой для биотестирования аппаратуры дают существующие линейки фотоприёмников. Существенным препятствием на пути создания такой техники является отсутствие методов выделения специфического сигнала и модели, связывающей параметры популяции и оптически измеряемые величины.

Решение этой проблемы открывает дополнительные возможности исследования статических и динамических параметров популяции микроорганизмов, что позволит получать информативные параметры тест-реакции принципиально нового типа.

Цель диссертационной работы — на основе оптического контроля взвеси инфузорий разработать метод и средства получения характеристик популяции для биотестирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель, устанавливающую связь между свойствами популяции инфузорий и параметрами пространственно-временного распределения оптических характеристик их взвеси.

2. Разработать метод и средства контроля пространственно-временного распределения оптических характеристик взвеси инфузорий для исследования тест-реакций.

3. Разработать программные средства для определения информативных параметров взвеси инфузорий.

4. Разработать макет экспериментальной установки и апробировать предложенные метод и средства определения параметров распределения концентрации и динамики популяции при контроле биотестовых реакций.

Объектами исследования данной работы являются метод и средство фотометрического контроля популяционных реакций инфузорий на базе линейки фотоприёмников, предназначенные для расширения возможностей биотестирования водных сред.

Предметом исследования является инструментальное, методическое и программно-алгоритмическое обеспечения системы, реализующей контроль статических и динамических характеристик популяции микроорганизмов.

Методы исследования базируются на элементах теории фотометрии взвесей частиц, случайных процессов и сигналов, практическом применении вейвлет-анализа и достижений современных информационных технологий.

Новые научные результаты:

1. разработана математическая модель измерительного преобразователя, одновременно учитывающая такие параметры взвеси подвижных вытянутых объектов как их средняя длина, концентрация, скорость, частота смены и преимущественное направление движения;

2. разработан метод расчёта параметра средней скорости движения вытянутых объектов по оптическим характеристикам взвеси;

3. установлена аппроксимирующая функция для сигнала от единнчной клетки и обоснован метод его выделения;

4. получены экспериментальные зависимости между параметрами концентрации, вязкости среды и информативными параметрами импульсных сигналов, отражающих пространственно-временное распределение оптических характеристик взвеси инфузорий.

Практическая ценность работы: возможность разработки биотестовой аппаратуры, для исследования популяционных реакций инфузорий: хемотаксиса, гальванотаксиса, летальности.

2. оперативный контроль и наглядное представление изменений параметров популяции инфузорий при биотестировании водных сред.

3. создание аппаратно-программного комплекса с возможностью подстройки программного обеспечения для контроля тест-объектов и реакций;

4. возможность комплексного биотестирования водных сред по нескольким тест-реакциям с повышенной чувствительностью и экспрессностью.

Положения, выносимые на защиту:

1. математическая модель измерительного преобразователя связывает параметры популяции инфузорий со статистическими характеристиками сигнала, обусловленного пространственно-временным распределением экстинкции их взвеси;

2. метод контроля пространственно-временного распределения оптических характеристик взвеси инфузорий, основанный на расчёте параметров импульсного процесса, позволяет определять характеристики структуры и динамики популяции;

3.система аппаратурного контроля, разработанная на базе метода измерения распределения экстинкции взвеси, позволяет исследовать параметры концентрации и движения инфузорий в биотестовых популяционных реакциях.

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

Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в НИР «Разработка концепции и теоретических основ новых информационных технологий повышения качества и безопасности жизнедеятельности человека», проводимый по целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2006;2008 годы)» и практикум инновационного курса «Биотехнические основы оздоровления окружающей среды».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции по Мягким вычислениям и измерениям — Санкт-Петербург 2007 г., на XII Всероссийской конференции Санкт-Петербургского Политехнического университета по проблемам науки и высшей школыСанкт-Петербург 2008 г. и на Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического Университета (ЛЭТИ) 2007, 2008 г. г.

Публикации по работе. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 10 научных работах, из них — 4 статьи, среди которых 2 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 6 работ — в материалах международных, всероссийских и межвузовских научно-практических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 76 наименований, и одного приложения. Основная часть работы изложена на 131 странице машинописного текста. Работа содержит 11 таблиц и 43 рисунка.

4.5. Выводы по главе.

Создан макет экспериментальной установки на основе разработанной модели. На основе сформированной биотехнической системы проведена апробация экспериментального макета при исследовании взвесей инфузорий и биотестовых реакций.

Экспериментально подтверждён пуассоновский характер распределения количества проекций на участке ЛФП.

Экспериментально получены, подтверждающие теоретические, зависимости среднего числа проекций инфузорий на ДФП от их концентрации.

Экспериментально получены, подтверждающие теоретические, линейные зависимости среднего и дисперсии случайного импульсного процесса пространственно-временного распределения экстинкции взвеси от концентрации инфузорий.

Впервые получены данные о распределении концентрации при процессе биотехнологической очистки.

Впервые получена картина отражающая процесс изменения концентрации клеток при воздействии высокой концентрации токсиканта.

Экспериментально показана информативность параметра импульсного процесса Р, отражающего скорость движения инфузорий, для биотестирования.

Впервые получены графики распределения концентрации инфузорий при биотестовой реакции хемотаксиса, которые позволяют улучшить воспроизводимость контроля тест-реакций благодаря учёту структуры популяции.

Впервые получен графики импульсного процесса, отражающего реакцию гальванотаксиса инфузорий при перемещении от верхнего электрода к нижнему. Это позволяет учитывать изменение количества гальваночувствительных клеток, скорости движения инфузорий под действием токсиканта.

В перспективе разработанные методы и средства могут быть применены в работе с микробиологическимрг объектами соизмеримыми с простейшими в области охраны среды, микробиологии, фармакологии и медицине.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

1. Разработана математическая модель, устанавливающая связь между свойствами популяции инфузорий и параметрами пространственно-временного распределения экстинкции взвеси микроорганизмов.

2. Разработан метод и средства контроля пространственно-временного распределения экстинкции взвеси инфузорий для биотестирования.

3. Разработаны программные средства для определения распределения концентрации клеток по высоте кюветы и расчёта параметра их средней скорости движения.

4. На основе разработанных методов создан макет экспериментальной установки и проведены исследования, подтвердившие основные зависимости модели, что открывает новые возможности повышения чувствительности и экспрессности биотестовых реакций и комплексного биотестирования водных сред.