Результат интеллектуальной деятельности: ИНКУБАТОР И СПОСОБ ИНКУБАЦИИ ПРОБ ВОДЫ

Предлагаемое изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для инкубации проб воды при измерении первичной продукции и иных биологических параметров функционирования фитопланктона. Устройство может быть использовано для измерений в экспериментальной океанологии.

Для определения важнейшего экологического параметра водных экосистем - первичной продукции - необходимо выполнять экспериментальные работы с пробами воды, содержащими природный фитопланктон. Определение первичной продукции проводится с помощью двух основных методов - кислородного и радиоуглеродного. Оба эти метода основаны на выдерживании проб воды в условиях, приближенных к природным, в течение 4-6 часов, и определении изменений в пробе количества кислорода (кислородный метод) или изотопа углерода 14С (радиоуглеродный метод). При этом основными условиями (факторами среды) в данном случае являются уровень освещенности и температура воды.

В кислородном методе проба воды разливается в несколько прозрачных флаконов, в двух из которых определяют исходное содержание кислорода, а три флакона экспонируют при заданной температуре и освещенности (два «светлых» - при освещении и один «темный» - в темноте). После экспозиции во флаконах определяют содержание кислорода и по разности концентраций в «светлых» и «темных» флаконах рассчитывают величину первичной продукции в терминах выделившегося кислорода.

В радиоуглеродном методе проба воды разливается в три флакона, в которые добавляется известное количество изотопа углерода 14С (в виде NaH¹⁴CO₃). Флаконы экспонируют при заданной температуре и освещенности (два «светлых» - при освещении и один «темный» - в темноте). После экспозиции содержимое флаконов фильтруется через мембранный фильтр, задерживающий клетки фитопланктона с ассимилированным ¹⁴С в виде новосинтезированной биомассы. Затем определяется радиоактивность фитопланктона, собранного на фильтре. Величина первичной продукции (А) рассчитывается по формуле:

А=(r/R)·С,

где С - содержание в воде общей углекислоты (мкгС/л); r - радиоактивность, накопленная фитопланктоном за время экспозиции, определяемая по разности значений для «светлых» и «темных» флаконов; R - радиоактивность, внесенная в пробу.

Известен способ инкубирования проб воды, взятых с различных горизонтов и разбитых на подпробы, при фиксированной температуре с различными уровнями освещенности.

Он принят в качестве основного в международных экологических и мониторинговых программах и основан на инкубации проб воды при искусственном освещении в контролируемых температурных условиях [1].

Недостатком способа является набор допущений, который не учитывает влияние целого ряда факторов. Предполагается равномерность распределения фитопланктона в слое с малым градиентом температуры. Предполагается обусловленность малого градиента температуры перемешиванием водной толщи. Исходя из этих предположений берутся пробы с поверхности (глубина 2-3 метра) и из слоя хлорофильного максимума. В дальнейшем выполняется разделение пробы на подпробы и инкубирование при искусственном освещении с одинаковой температурой и различными уровнями освещенности, имитирующими различные глубины.

Данный набор предположений далеко не всегда соответствует реальным условиям [2]. Чаще всего выделяются несколько слоев с малым градиентом температуры. В определенные сезоны выделить такие слои не представляется возможным. Для получения более корректной информации о распределении первичной продукции по глубине необходимо каждую пробу инкубировать в точном соответствии с условиями в точке отбора пробы.

Существует длительная адаптация фитопланктона к условиям освещенности на различной глубине. Разбиение пробы с адаптацией фитопланктона к заданной глубине на подпробы с целью имитации вертикального распределения будет приводить к существенному искажению результатов измерений.

Гидрохимический состав воды также может различаться по глубине в пределах перемешиваемого слоя.

В условиях проведения комплексных экспедиционных исследований, при быстром переходе судна в район с другими условиями возникает необходимость инкубации большого количества проб при различных значениях температуры и освещенности. Хранение проб недопустимо в связи с быстрыми биохимическими изменениями при хранении пробы ограниченного объема.

В настоящее время для экспериментальных определений первичной продукции в полевых условиях (на судне) используются «палубные инкубаторы» с периодической или постоянной сменой забортной воды для поддержания природного уровня температуры и при естественном солнечном освещении [3, 4, 5].

Подобная система имеет ряд ограничений, обуславливающих невысокую точность и воспроизводимость получаемых результатов, что связано с изменчивостью световых условий в течение дня или нескольких дней, температуры забортной воды при сильном перемешивании или при движении судна. Кроме того, существуют ограничения по времени суток, т.к. инкубация проб возможна только в светлое время суток, что значительно снижает количество возможных определений за определенный период времени. Использование забортной воды поверхностного горизонта для терморегуляции инкубатора не позволяет получать достоверные результаты по первичной продукции для водных горизонтов ниже поверхностного слоя, где температура воды в большинстве случаев более низкая. Эти ограничения особенно актуальны при проведении морских экспедиционных исследований, спецификой которых является постоянное и достаточно быстрое перемещение судна на большие расстояния, т.е. быстрые и неконтролируемые изменения основных факторов среды (освещенность и температура).

Наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются лабораторные инкубаторы ISEC [1]. Инкубатор имеет единый источник освещения и единую систему охлаждения. Особенностью инкубатора является неравномерное световое поле. Неравномерность светового поля компенсируется вращением образцов. Воспроизведение световых условий различных глубин водной толщи в инкубаторе осуществляется с помощью единого для всех проб источника света. Различные уровни освещенности для отдельных проб устанавливаются с помощью нейтральных светофильтров с определенными дискретными градациями светопропускания, что не позволяет точно воспроизвести уровень освещенности на горизонтах отбора проб. Система охлаждения поддерживает единый уровень температуры для всего инкубатора. Это снижает возможность получения точных результатов определения первичной продукции.

Недостатком данного инкубатора также является наличие только режима охлаждения относительно температуры воздуха в лаборатории. Отсутствует возможность управляемого подогрева образцов, что существенно сужает воспроизводимый температурный диапазон и делает его зависимым от условий внешней среды.

Прототип задает единое значение температуры для всех проб. Это не позволяет одновременно инкубировать пробы из разных температурных слоев. Хранение проб недопустимо в связи с быстрыми биохимическими изменениями при хранении пробы ограниченного объема.

Целью предлагаемого изобретения является возможность осуществления индивидуальных условий инкубации каждого образца.

Поставленная цель в способе достигается тем, что одновременно выполняется инкубация с различными стабилизированными условиями по температуре и освещенности постоянным световым потоком, устанавливаемыми для каждой ячейки отдельно. Значения освещенности и температуры могут выбираться любыми из заданного диапазона величин.

Поставленная цель в устройстве достигается тем, что устройство состоит из массива свето- и теплоизолированных ячеек с раздельными установкой и стабилизацией температуры и освещенности индивидуальной системой управления (регулирования). Для снижения энергопотребления нагрев ячеек может осуществляться нагревателем в каждой ячейке, а охлаждение - единым потоком охлаждающей жидкости с дозируемой подачей в ячейку с помощью переключающего клапана.

Возможности реализации

Инкубатор проб воды состоит из массива свето- и теплоизолированных ячеек.

На чертеже - фиг. 1 показана конструкция ячейки по варианту 1 инкубатора. Она содержит теплоизолированный от внешнего корпуса стакан (1), в который помещается флакон с пробой (2). Стакан выполнен из хорошо проводящего тепло материала для создания равномерного поля температуры в пробе (предпочтительно из нержавеющей стали). Для обеспечения возможности проведения инкубирования при предельно малых освещенностях корпус и крышка ячейки выполнены из светонепроницаемого материала. В нижней части стакана располагаются светодиод (3), обеспечивающий необходимый уровень засветки образца, и устройство нагрева или охлаждения (элемент Пельтье) (4). В основании стакана располагается датчик температуры (5). Устройство управления ячейкой (6). Корпус (7) и крышка (8). Теплоизоляция (9). Отвод тепла от элемента Пельтье осуществляется с помощью радиатора (10). Для увеличения тепловой производительности осуществляется обдув радиатора потоком воздуха с помощью вентилятора (11).

Устройство функционирует следующим образом. Выдерживание проб производится в стандартных прозрачных емкостях, применяемых для инкубирования проб в процессе измерения первичной продукции.

Температура и освещенность при инкубировании задается устройством управления. Ячейка имеет индивидуальную систему стабилизации температуры и освещенности. Система стабилизации освещенности включает устройство управления и светодиод. Уровень освещенности пробы задается величиной постоянного тока, протекающего через светодиод. Интенсивность излучаемого света пропорциональна току накачки светодиода. Стабильность светового потока определяется стабильностью величины тока. Для формирования тока накачки светодиода в устройстве используется генератор тока, обеспечивающий стабильный ток через светодиод при изменении его параметров. Дополнительная стабилизация светового потока светодиода обеспечивается стабилизацией температуры светодиода путем крепления его к основанию термостабилизированного стакана.

Для нагрева, охлаждения и стабилизации температуры пробы используется элемент Пельтье, что позволяет осуществлять как нагрев, так и охлаждение образца относительно температуры окружающей среды. Стакан и верхняя часть элемента Пельтье изолируются от нижней стороны элемента Пельтье и внешнего корпуса прибора с помощью теплоизолирующего материала.

Система стабилизации температуры включает датчик температуры, устройство управления, исполнительный элемент - элемент Пельтье. Стабилизация температуры осуществляется следующим образом. Температура внутреннего стакана измеряется с помощью датчика температуры. Полученная величина сравнивается в устройстве управления с величиной температуры, которую необходимо поддерживать. По результатам сравнения формируется сигнал на элемент Пельтье, переводящий его в режим нагрева или охлаждения, что компенсирует отклонение температуры от заданной величины.

Объединение ячеек в многоячейковое устройство осуществляется параллельным подключением отдельных ячеек к общему источнику питания.

Ячейки с элементами Пельтье предполагается использовать для инкубаторов с малым количеством одновременно используемых ячеек, что связано с высоким потреблением энергии элементами Пельтье.

При необходимости выполнения измерений первичной продукции с одновременной экспозицией большого количества проб предпочтительно использовать инкубатор с жидкостной системой охлаждения.

Конструкция ячейки такого инкубатора (ячейка по варианту 2) представлена на фиг. 2. Ячейка по варианту 2 отличается от ячейки по варианту 1 системой стабилизации температуры. В ней отсутствует элемент Пельтье, радиатор и вентилятор. Для стабилизации температуры в ячейку по варианту 2 введен нагреватель (12), жидкостный радиатор (13) и управляемый электромагнитный клапан (14). Подача охлаждающей жидкости в ячейку осуществляется через разъем (15). Слив охлаждающей жидкости осуществляется через разъем (16).

Система стабилизации температуры ячейки по варианту 2 работает следующим образом.

Система стабилизации температуры образуется датчиком, системой управления, нагревателем, водяным радиатором и электромагнитным клапаном. Температура внутреннего стакана (температура пробы) измеряется датчиком температуры и сравнивается устройством управления с величиной температуры, которую необходимо поддерживать. В случае необходимости повышения температуры пробы выдается управляющий сигнал на нагреватель. В случае необходимости понижения температуры пробы выдается управляющий сигнал на электромагнитный клапан. Электромагнитный клапан открывается и пропускает поток охлаждающей жидкости в водяной радиатор, который охлаждает внутренний стакан и пробу. По достижении необходимой температуры система управления выключает электромагнитный клапан.

Объединение ячеек по варианту 2 в многоячейковое устройство осуществляется параллельным подключением отдельных ячеек к общему источнику питания и параллельным подключением отдельных ячеек к общей магистрали подачи и слива охлаждающей жидкости.

Многоячейковый инкубатор может быть сформирован из ячеек по варианту 1 или ячеек по варианту 2.

Пример реализации способа, подтверждающий возможность получения технического результата при осуществлении способа по п. 2.

Для определения скорости первичной продукции фитопланктона в Голубой бухте Черного моря (г. Геленджик, Южное отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН) применен инкубатор с 3 ячейками. Пробы воды с содержащимся в них природным фитопланктоном отбирают с разных горизонтов водной толщи стандартными методами с помощью батометров. При этом проводят одновременное измерение температуры и освещенности в точках пробоотбора. Пробы с добавкой известного количества изотопа ¹⁴С помещают в прозрачных флаконах в отдельные ячейки. В ячейках инкубатора задают необходимые условия температуры и освещенности, соответствующие условиям в точках отбора проб.

Температуру в ячейках инкубатора задают в диапазоне от +8°С (температура глубинных слоев моря) до +25°С (температура поверхностной воды). Для индивидуального освещения в каждой ячейке используют светодиоды, позволяющие плавно изменять освещенность в диапазоне от 0 до 1000 μmol m^-2 s^-1. После инкубирования в течение 3 часов пробы воды фильтруют, а в осадке на фильтре радиометрически определяют количество агрегированного в биомассу изотопа ¹⁴С.

Таким образом, путем введения в устройство элементов задания и стабилизации температуры и освещенности для каждой ячейки достигается возможность осуществления индивидуальных условий инкубации каждого образца. И как следствие, возможность получения прогноза состояний биоты для различных внешних условий.

Источники использованной информации

1. http://www.helcom.fi/groups/monas/CombineManual/AnnexesC/en_GB/annex5/#annex1 Description. Colijn F., G.W. Kraay, R.N.M. Duin, U. Tillman, M.J.W. Veldhuis. Design and tests of a novel P-I incubator to be used for measuring the phytoplankton primary production in ICES monitoring studies.

2. Океанология. Физика океана. T. 1 Гидрофизика океана. Μ.: «Наука». 1977.

3. Руководство по химическому анализу морских и пресных вод при экологическом мониторинге рыбохозяйственных водоемов и перспективных для промысла районов Мирового океана. - М.: Изд-во ВНИРО, 2003. 202 с.

4. Ведерников В.И., Гагарин В.И., Демидов А.Б., Буренков В.И., Стунжас П.А. Распределение первичной продукции и хлорофилла в субтропических и тропических водах Атлантического океана осенью 2002 г. Океанология, т. 47, №3, 2007, С. 418-431.

5. Бульон В.В. Первичная продукция и рыбопродуктивность водоемов: моделирование и прогноз // Биология внутренних вод. 2006. №1. С. 48-56.