Оперативный биомониторинг на основе биосенсоров - современная технология контроля экологической безопасности

Технология существующего ныне традиционного биомониторинга основана на пробоотборе и насчитывает более 100 лет

On-line biosensor monitoring - environmental safety technology state-of the-art

A.V. Gudimov, senior Scientist of MMBI, KSC RAS
Since 1988 а new approach to the biomonitoring of the water quality is developed in MMBI as a biosensor technology. Studies of mollusk's activity in the natural conditions indicate that monitoring behavior is a biosensor and a promising tool for immediate detecting environmental changes and aquatic pollutants in the real time.
This emerging biomonitoring system based on the biosensor technology is unique on-line and removed biomonitoring systems which possess the advantage to call the alarm signal within 15-20 min after the toxic effect appeared.
Nowadays MMBI approaches the final stages of research on the biosensor monitoring technology obtaining some patents in the field and establishing international cooperation within the project supported by the French company "Total". The objective for the project is to test the biosensor monitoring system in the coastal area of the Barents Sea.

А.В. Гудимов, ведущий научный сотрудник ММБИ, КБН

Технология существующего ныне традиционного биомониторинга основана на пробоотборе и насчитывает более 100 лет. Традиционный биомониторинг обладает огромной инертностью: запаздывание измеряемых биологических показателей к времени изменения экологической ситуации достигает от нескольких месяцев до 7-10 лет; кроме того, его достоверность низка, результаты неоднозначны.

Это не умаляет значения биомониторинга для фундаментальных исследований, но делает его совершенно непригодным в качестве стандартного экологического биомониторинга: наличие антропогенного влияния обнаруживается post factum, со значительным отставанием от момента его возникновения, т.е. тогда, когда изменения биологических сообществ уже произошли, а они могут быть значительны и необратимы, особенно при действии токсикантов.

Поэтому существующая система биомониторинга не способна (и никогда не была способна) обеспечить эффективный экологический контроль и защиту экосистем от антропогенной деградации. В результате доминирования традиционного биомониторинга, какой-либо оперативный контроль экологической безопасности водной среды до сих пор отсутствует.

С другой стороны, химический мониторинг (даже всех известных веществ), имеющий наименьшую инертность (но тоже основанный на пробоотборе), не определяет токсичности среды. Токсичность - есть характеристика биологическая, определяемая экспериментально.

Единственный выход из сложившейся ситуации заключается в разработке и скорейшем внедрении нового подхода к биомониторингу, - системы непрерывного мониторинга и оперативной биоиндикации.

В разработку таких систем вовлечены несколько стран, среди них: Голландия, Германия, Франция, Венгрия, Польша, Норвегия, Россия, США.

Ядром системы оперативного экологического биомониторинга, технически основанного на удаленном автоматическом биомониторинге в реальном времени (он-лайн), является технология биосенсорного обнаружения токсичности/опасности загрязнения, которая находится еще в начальной стадии зарубежных разработок.

Разрабатываемая в ММБИ КНЦ РАН технология оперативного мониторинга и биоиндикации основана на распознавании биологически опасных изменений среды по функциональным реакциям организмов-биосенсоров, регистрируемых в реальном времени, т.е. непрерывно.

В технологии он-лайн биомониторинга водной среды в качестве организмов-биосенсоров сегодня используются, преимущественно, донные беспозвоночные, в первую очередь, двустворчатые моллюски-фильтраторы. В течение 20 лет в ММБИ прошли испытания как биосенсоры и объекты биотестирования разных видов загрязнения такие моллюски-мониторы, как мидия, модиолус, гребешок, кардиум, мия и другие (РИС).

Установлено, что некоторые реакции организма, прежде всего, поведенческие, очень чутки к изменениям условий среды и интегрируют суммарное влияние всех факторов. Вычисление параметров активности (поведения и/или сердечных сокращений) моллюсков производится на основе непрерывной регистрации их активности в виде аналоговых и цифровых записей (актограмм/кардиограмм), самописцем и/или компьютером. Сигнал оповещения (тревоги 3х степеней) генерируется в случае возникновения значительных изменений в поведении и работе сердца организмов-биосенсоров. Результирующая оценка состояния среды по полученным сигналам осуществляется автоматически, либо полуавтоматически (оператором-экспертом) в режиме реального времени.

Непрерывная регистрация и анализ параметров активности животных позволяет достоверно и с высокой оперативностью (от 15 мин до 3 час) установить степень опасности экологических изменений среды, вызванных природными или антропогенными воздействиями.

Разработаны пилотная установка, приборная база и программное обеспечение. Установка испытана в двух вариантах: автономном и стационарном. Автономный вариант предназначен для биомониторинга и контроля качества вод прибрежной зоны морей (РИС..). Для экологического контроля качества воды в определенном месте (например, в месте поступления загрязнения от стоков, работы нефтяной платформы или терминала) установку можно закреплять к носителю или размещать на платформе/терминале, обеспечивая ее стационарность. Разработанные конструкция и технология могут считаться базисными для прототипов других установок или устройств, обеспечивающих непрерывный биомониторинг и оперативную биоиндикацию водной среды. На основе экспериментальной модели будет разработан прототип для серийного образца с компьютерной регистрацией и передачей данных по Интернет, радио- или спутниковой связи, исследуется использование других видов животных морских и пресных вод для биомониторинга и биоиндикации в различных природных условиях.

По системе оперативного биосенсорного мониторинга на основе биоиндикации получено 5 патентов на изобретения в 2009-2012 гг.

Патенты стали результатом многолетних экспериментальных и полевых исследований (с 1985 г.), найденных оригинальных технических решений и создания первой в мире технологии оперативного экологического биомониторинга и биоиндикации. Все разработки и изобретения испытаны в экспериментах и на практике в течение 20 лет, а технология протестирована в природных условиях Кольского залива в течение двух лет.

В 2012 г. исследования в этом направлении получат в ММБИ новый импульс, т.к. вступил в силу договор о проведении совместных российско-норвежско-французских пилотных испытаний технологии и разработанных оригинальных устройств (установок) биосенсорного мониторинга, поддерживаемый французской компанией TOTAL. Комплекс подходов, методов и конструкций установки является принципиально новым, до последнего времени не имевшим аналогов в мировой практике. В отличие от применяемых методов биомониторинга и оценки качества вод, использующих отдельные химические показатели и биологические пробы, данная технология позволяет проводить непрерывный биологический мониторинг и индикацию качества водной среды непосредственно в природных условиях, причем, практически без задержки, немедленно.

Таким образом, технология оперативного (он-лайн) биомониторинга и биоиндикации позволяет в режиме реального времени с максимальной оперативностью выявлять уровень фактической (а не относительно-оценочной или экспериментально-теоретической) благоприятности природных условий и, соответственно, безопасности среды для живых организмов в любой момент времени.