Волоконно-оптические системы непрерывного биологического мониторинга

Система мониторинга окружающей среды является самым надежным и экономически эффективным способом получения объективной и достаточной информации

ХОЛОДКЕВИЧ С.В.
Санкт Петербургский научно исследовательский центр экологической безопасности РАН, Россия

Разведка, добыча и транспортировка газа и нефти являются источниками потенциальной опасности для экосистем территорий, на которых они производятся.

Уровень экологической опасности и экономических потерь при аварийных разливах природных углеводородов в значительной степени зависит от того, насколько быстро начинают приниматься управленческие решения по их ликвидации.

Именно поэтому проблема разработки и совершенствования методов и средств оперативного выявления и экспресс-оценки уровня опасности аварийного загрязнения для окружающей среды и человека имеет особую актуальность для предприятий нефтегазового комплекса (НТК).

Учитывая масштабы этих производств, любое промедление при аварии может резко увеличивать масштабы воздействия на окружающую природную среду.

Любые аварии, ЧС, связанные с загрязнением окружающей природной среды, необходимо рассматривать с точки зрения экологической опасности для обитающих на данной территории (или акватории) аборигенных животных, в том числе человека, Отечественный и зарубежный опыт показывает, что мониторинг компонентов окружающей среды (воздуха, почвы, поверхностных вод, донных отложений и т.п.) на основе автоматических станций непрерывного действия является самым надежным и экономически эффективным способом получения объективной и достаточной информации для подготовки и принятия обоснованных управленческих решений, направленных на минимизацию экологических рисков в случае природных и техногенных ЧС, в том числе террористических актов {Холодкевич.., 2001; Холодкевич... , 2002; Холодкевич..., 1999).

Современные технические устройства и системы мониторинга физико химических характеристик компонентов окружающей природной среды не дают возможности объективно определять степень опасности их изменений для живых организмов. Объективная оценка уровня опасности токсикологического загрязнения компонентов окружающей среды невозможна без использования биологических методов мониторинга, способных с учетом синергизма действующих факторов выявлять негативные для биоты изменения качества среды их обитания (Depledge...,1990; Depledge..., 1995; Основы..., 2004; Холодкевич..., 2006).

Причем для каждой конкретной территории принципиально важно использовать в качестве биоиндикаторов аборигенных представителей фауны, которые являются частью его экосистемы, Поэтому разработка, создание и совершенствование информационно-измерительных систем (ИИС), способных в реальном времени проводить оценку функционального состояния аборигенной биоты в районе действия предприятий нефте газового комплекса (НТК), является необходимым условием для создания объективных автоматизированных систем управления производством по критериям экологической безопасности, обеспечивающих, в том числе, наиболее эффективную информационную поддержку принятия управленческих решений, направленных на минимизацию экологических рисков в случае природных и техногенных ЧС.

Несмотря на актуальность проблемы в настоящее время во всем мире не существует таких серийно выпускаемых ИИС.

Тем не менее, в последнее десятилетие как в России, так и за рубежом интенсивно развиваются фундаментальные и прикладные исследования по созданию методов и технических средств автоматического контроля случайного или преднамеренного загрязнения компонентов окружающей среды в реальном времени, сочетающие при этом как аналитические, так и биоаналитические (основанные на мониторинге функционального состояния аборигенных животных) способы оценки их количественных характеристик (Depledge..., 1990; Depledge..., 1995; Основы..., 2004; Холодкевич..., 1999; Федотов..., 2000; Холодкевич..., 2006).

Как показывает отечественный и зарубежный опыт (Depledge..., 1995; Основы..., 2004; Холодкевич..., 2006), наиболее перспективными для развития этого направления являются методы, основанные на измерениях реакций физиологических и поведенческих биомаркеров. Наиболее развитыми из них к настоящему времени являются методы регистрации кардиоактивности беспозвоночных животных с жестким наружным покровом, например, раков, крабов, морских, пресноводных и сухопутных раковинных моллюсков. Наличие жесткого наружного скелета или покрова многих видов этих организмов, а также сравнительно легко переносимое ими индивидуальное содержание делают их удобными объектами для использования в автоматических технических системах биоиндикации.

В 1999 году в рамках этого направления в лаборатории экспериментальной экологии водных систем НИЦЭБ РАН был разработан оригинальный волоконно-оптический метод отведения кардиоактивности беспозвоночных, имеющих жесткий панцирь: Crustacea (Decapoda) и Mollusca. Метод позволяет непрерывно, в реальном времени проводить дистанционный (до сотен метров) неинвазивный контроль функционального состояния тест-организма. Диагностика функционального состояния животных-"мишеней" проводится с использованием адаптированного для беспозвоночных животных метода вариационной пульсометрии, который в середине прошлого века был разработан в космической медицине для оценки уровня здоровья космонавтов при отборе, предполетной подготовке и работе на орбите.

После соответствующей адаптации данный физиологический метод был положен в основу биоаналитического блока новой ИИС, предназначенной для непрерывного производственного биологического мониторинга качества компонентов окружающей среды (ПБМККОС) в реальном времени на основе анализа кардиоактивности малоподвижных животных, имеющих жесткий наружный панцирь. Миниатюрный (весом менее 2 г) волоконно-оптические датчик, прикрепляемый к внешней части панциря над областью расположения сердца животного, не мешает ему осуществлять все жизненно необходимые движения и функции, поэтому не приводят к стрессированию животного. В частности, в автоматических системах биомониторинга на основе отведения и анализа кардиоактивности раков эти животные без замены служили в течение года без заметного снижения функционального состояния.

При этом наличие датчика с волокном не мешало им осуществлять такой сложный и энергоемкий процесс как линька (после которой, естественно, датчик приходится переклеивать на новый панцирь). Поэтому данная биосенсорная система пригодна для практической реализации длительного, не менее года, биомониторинга состояния интересующего компонента окружающей среды и может использоваться, в частности, в качестве автоматической системы раннего биологического оповещения об изменении качества окружающей среды (Холодкевич..., 2006; Холодкевич..., 2005).

Можно ожидать, что особенно эффективны эти системы окажутся при их совместном использовании с автоматическими системами контроля физико-химических характеристик интересующего компонента окружающей среды. При внедрении данных информационно-измерительных систем ПБМККОС на конкретных предприятиях и производствах НТК необходимо решать ряд задач: определить для биотопов, на которых размещены данные предприятия НТК, наиболее подходящих панцирных животных-биоиндикаторов; подбирать или разрабатывать адаптированную для них волоконно-оптическую аппаратуру и программное обеспечение для обеспечения возможности дистанционного отведения и анализа их кардиоактивности in situ или в специальных условиях конкретных производств, в том числе с учетом климатических особенностей.

Область применения данных ИИС и масштаб их использования может быть достаточно велик. Так, учитывая, что длина волоконно оптического кабеля может составлять сотни метров и более, а также достаточно широкую распространенность беспозвоночных животных, имеющих панцирь, в различных биотопах системы ПБМККОС могут найти широкое применение в системах АСУТП предприятий НТК, расположенных как на суше, в море, так и на дне (до глубин в сотни метров) в качестве дистанционных автоматических систем раннего биологического оповещения об изменении качества компонентов окружающей среды в потенциально проблемных акваториях и участках суши (например, в районах базирования средств разведки, добычи и транспортировки нефти и газа).

Следует отметить, что в тех случаях, когда длины волоконно-оптического кабеля достаточно, чтобы электронно-оптическая система регистрации и анализа кардиоактивности находилась в нормальных комнатных условиях, не существует никакой разницы, в какой климатической зоне, в тропиках или за полярным кругом, на суше или глубоко на дне находится животное-биоиндикатор, так как волоконно-оптический кабель изготовлен из инертного-материала - кварцевого стекла, характеристики которого не зависят от температуры и среды (жидкость или газ), в которую оно помещено.

система производственного биологического мониторинга качества воды для мониторинга в реальном времени

Практическое внедрение данных систем на предприятиях началось относительно недавно. В 2005 г, по заказу ГУЛ «Водоканал» Санкт-Петербурга в лаборатории экспериментальной экологии СПб НИЦЭБ РАН была разработана система производственного биологического мониторинга качества воды (СПБМКВ) для мониторинга в реальном времени динамики изменения уровня токсичности воды источника водоснабжения Санкт-Петербурга - реки Невы, поступающей на водозаборы водопроводных станций (ВС) Санкт Петербурга.

В настоящее время 11 таких автоматических станций установлены и уже около 9 месяцев находятся в промышленной эксплуатации на всех 11 водозаборах ВС Санкт Петербурга, В качестве биомаркеров используются частота сердечных сокращений ЧСС, а также такая важнейшая характеристика вариационной пульсометрии, как стресс-индекс (Холодкевич..., 2006; Холодкевич..., 2005). Непрерывность и бесперебойность измерений этих физиологических биомаркеров обеспечивается с помощью специальной системы из шести проточных аквариумов, в каждом из которых содержится по одному взрослому самцу, Раки «несут дежурство» попарно (сигнал тревоги вырабатывается только при соответствующей стресс реакции одновременно у обоих животных): по трое суток через шесть.

Для устранения большинства причин срабатывания «ложных» сигналов токсикологической опасности воды источника водоснабжения - реки Невы, в состав СПБМКВ входит также автоматическая станция контроля ряда физико-химических характеристик воды АСНЭМ-2, а также датчики шума и вибрации. С их помощью выявляются практически все ситуации со стрессорными воздействиями на раков биоиндикаторов, связанные с не опасными для водоснабжения населения изменениями характеристик воды источника и производственного шума вблизи расположения проточных аквариумов с животными-биоиндикаторами. В этих случаях, несмотря на то, что раки в это время могут демонстрировать высокий уровень стресса, с помощью соответствующего алгоритма выработка «сигнала тревоги» блокируется как не соответствующая токсикологической опасности.

В настоящее время широкое внедрение обсуждаемых систем ПБМККОС, в том числе в Арктике, существенно сдерживается недостаточным объемом данных экотоксикологических и экофизиологических исследований, которые позволили бы в различных акваториях для различных глубин методологически обоснованно выбирать аборигенных бентосных беспозвоночных животных, пригодных для использования их в системах биомониторинга динамики изменения качества поверхностных вод и донных отложений в реальном времени по динамике изменения кардиоактивности этих отобранных тест организмов.

Это касается, в частности, необходимости знания циркадной активности, особенностей кардиоритмов отобранных животных в состояниях покоя и стресса, подбора специализированных физических стрессорных воздействий для возможности экспресс оценки функционального состояния животного биоиндикатора и «калибровки» этих животных по уровню стресс-реакций при этих воздействиях. Впоследствии такие «стандартизованные воздействия», после их всесторонней апробации, могут послужить основой для методических руководств по биоиндикации качества соответствующих компонентов окружающей среды этим методом.

Кроме того, в ряде случаев может потребоваться отдельная разработка адаптированных к особенностям строения панциря и кардиоритма отобранных животных-биоиндикаторов приборов и устройств для измерения и анализа их кардиоактивности в реальном времени как в природных условиях содержания (in situ), так и в искусственных условиях содержания на предприятиях НТК разного профиля, а также разработка соответствующих компьютерных программ для анализа вариабельности сердечного ритма каждого из отобранных видов животных в условиях покоя и стресса разного происхождения и автоматизированных рабочих мест (АРМ) для информационной подготовки принятия управленческих решений.

К настоящему времени в лабораторных условиях возможность наблюдения кардиоактивности беспозвоночных животных-биоиндикаторов нами опробована на 4 видах пресноводных раков, 1 виде крабов, 4 видах пресноводных двустворчатых и 2 видах брюхоногих моллюсков, 3 видах морских двустворчатых моллюсков и двух видах наземных улиток.

Литература
Холодкевич С.Д. Опорная сеть автоматических станций непрерывного экологического мониторинга качества воды в системе интегрированного управления водными ресурсами Санкт-Петербургского региона // Бюллетень Экологическая безопасность. 2001. № 1-2 (15-16). С.38-39.
Холодкевич С.Д. Основные требования к организации экологического мониторинга и технологического самоконтроля на предприятиях, переходящих на систему технологического нормирования // Бюллетень Экологическая безопасность. 2002. № 1-2 (15-16). С.44-49.
Холодкевич С.Д. Станция раннего оповещения служб водоснабжения о качестве воды реки Невы//Промышленный вестник. 1999. № 9 (34). С. 21-22.
Depledge M.H., Andersen В.В. A computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates. - Сотр. Biochem. Physiol. Vol. 96A. 1990. No. 4. p.p. 473-477.
Depledge MM., Aagaard A. and Gyorkos P. Assessment of trace metal toxicity using molecular, physiological and behavioural biomarkers //Marine Pollution Bulletin. 1995. V. 31, N 1-3, pp. 19-27
Основы экогеологии, биоиндикации и биотестирования водных экосистем Под ред, В.В.Куриленко, Учеб. пособие - СПб.: Изд-во С.-Петерб, ун-та, 2004. 448 с.
Холодкевич С.В., Шумилова Т.Т., Федотов В.Л., Сладкова С.Д. Экспресс-метод оценки функционального состояния речных раков как инструмент тестирования устойчивости экосистемы малых водоемов // Труды IV Всеросс. науч.-практ. конф, с междунар, участием "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности" (СПб, 16-18 июня 1999 г.). СПб., 1999. Т.З. С. 451.
Федотов В.П., Холодкевич С.В., Строчило A.T., Изучение сократительной активности сердца раков с помощью нового неинвазивного метода. // Журн. Эволюц. Биохим. и физиологии-2000. Т. 36, № 3, С.219-222.
Холодкевич С.В. Экологический мониторинг качества природных и сточных вод в реальном времени // Актуальные проблемы сохранения и восстановления биоресурсов морей и внутренних водоемов России: Сборник докладов пленарного заседания научного консультативного совета ФГУ «МИК» по комплексному использованию водных ресурсов и охране водных экосистем. - Мурманск: Изд во ПИНРО, 2006. С. 24-36.
Холодкевич С.В., Говердовская Л.Т., Иванов А.В., Корниенко Е.Л., Куракин A.T., Федотов В.Л., Датчик физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом и система биологического мониторинга окружающей среды на его основе // Патент на полезную модель № 52190 (приоритет от 03.11.2005 г.).

Материалы международной конференции "Нефть и газ арктического шельфа - 2006"