Биофизический подход

Биофизические методы контроля качества среды всегда осно­ваны на инструментальном определении нарушений биохимиче­ских и биофизических процессов тест-организмов. Одни из них регистрируют изменения функций мембранных структур клеток, другие оценивают показатели электропроводности тканей, тре­тьи — способность генерировать электрические потенциалы и т.д.

Для контроля состояния важнейших функциональных систем организмов наибольшее распространение получили люминесцент­ные и флуориметрические методы. Они обладают высокой чув­ствительностью, позволяют проводить количественные измерения в режиме реального времени, а в ряде случаев и автоматизировать процесс измерения. Люминесцентные и флуориметрические ме­тоды в ряде случаев дают возможность не только экспрессно те­стировать качество среды, но и проводить, например, детальный анализ состояния фитопланктонного сообщества, а также про­гнозировать его развитие. Высокая скорость измерения позволяет анализировать получаемую информацию непосредственно по ходу экспедиционных работ и вносить коррективы в планы исследования. Представленная методология и комплексное использование поменометрической и флуорометрической аппаратуры могут дать информацию о пространственно-временной изменчивости био­физических и физиологических процессов, определяющих нор­мальное функционирование биосистем, а также могут служить составной частью системы экологического мониторинга. Особо следует отметить перспективы использования данных флуорометрического анализа фитоценоза локальных территорий (как опорных точек) в сочетании со спутниковой информацией о цветно­сти и аэрокосмического контроля среды.

Приборы для оценки фотосинтетической активности фототрофов в лабораторных и полевых условиях.Приведем краткое опи­сание приборных комплексов, разработанных коллективом сотруд­ников кафедры биофизики биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова. Компактный погружной импульсный флуориметр позволяет проводить зондирование параметров флуорес­ценции с одновременной регистрацией температуры и подвод­ной освещенности на всех глубинах фотического слоя, где осве­щенность достаточна для протекания реакций фотосинтеза (от О до 200 м). Прибор состоит из погружаемого зонда (9 кг, 25 см диаметром), бортового блока питания, соединенного с зондом, и с IBM-совместимым компьютером, который управляет процес­сом измерений по алгоритму, задаваемому пользователем. При­бор питается от сети 220 В или от аккумулятора 12 В. Регистриру­ющая часть зонда состоит из термометра, датчика подводной ос­вещенности, фото-приемника (фотоумножителя), усилителя сиг­налов, аналого-цифрового преобразователя, интерфейса связи с компьютером и двух независимых импульсных источников све­та с длительностью вспышек 0,01 мс (спектральная область 400-480 нм).

Использование в зонде датчика подводной освещенности по­зволяет по измерению флуоресценции и осве­щенности оценивать фотосинтетическую продукцию. Измерение всех параметров производится автоматически, а результаты выво­дятся на экран компьютера в реальном масштабе времени в виде графиков, отражающих вертикальный профиль температуры, под­водной освещенности, концентрации и активности водорослей при погружении флуориметра.

Глубина погружения зонда определяется глубиной фотическо­го слоя (обычно несколько десятков метров). Скорость погруже­ния, как правило, составляет 30 — 50 см-с. Математическая об­работка данных ведется в автоматическом режиме с использова­нием стандартных процедур в программе Statistica.

Подобные зонды могут быть рекомендованы для изучения ди­намики токсичности водоемов, а также для быстрой оценки реак­ций природных популяций фитопланктона на различные антропогенные и природные воздействия в акваториях со сложным гид­рологическим режимом.

Приборы для оценки биолюминесценции.Существует несколь­ко фирм (в основном зарубежных), выпускающих люминометры, программное обеспечение к ним и биосенсоры. В России наиболь­шее распространение получила тест-система «Эколюм», разрабо­танная в лаборатории антибиотиков кафедры микробиологии био­логического факультета МГУ под руководством доктора биологи­ческих наук В. С.Данилова. Мониторинг окружающей среды с при­менением биосенсора «Эколюм» и соответствующей аппаратуры ориентирован на использование реактивов и сервисных приспо­соблений отечественного производства. Основным преимуществом метода являются быстродействие (время анализа одной пробы 1 — 5 мин) и хорошая воспроизводимость результатов (погрешность метода не более 5 %). Тест-система «Эколюм» — это комплект спе­циальных реагентов (биосенсоров), изготавливаемых на основе культивируемых в лабораторных условиях морских гетеротрофных люминесцентных бактерий в комплексе со специально разрабо­танными для этой системы люменометрами. Люменометр скоммутирован с компьютером и обеспечен специальной программой, позволяющей вести статистическую обработку измерений в не­прерывном режиме, выводить получаемые результаты на дисплей компьютера или на печать и сохранять их.

Принцип работы люменометра «Биотоке» основан на регист­рации слабых световых потоков биосенсора «Эколюм» с помо­щью фотоэлектронного фотоумножителя, работающего в режиме счета анодных импульсов. Биосенсор «Эколюм» представляет собой лиофилизированные культуры люминесцентных бактерий, содержащиеся в среде инертных газов в специальных стеклянных флаконах.

Портативный прибор «Биотоке-10» может в автоматическом режиме осуществлять определение интенсивности биолюминес­ценции тест-объекта, индекса токсичности пробы, усредненной величины индекса токсичности, вычисление стандартного откло­нения показателя токсичности, исследование динамики процесса взаимодействия токсикантов с тест-объектом, компьютерную об­работку данных, а наличие звукового сигнала говорит о превы­шении пробой допустимого уровня токсичности.

Тест-система «Эколюм» может с успехом применяться при эк­спрессном контроле за отходами и сбросами промышленных пред­приятий; контроле технологических процессов в режиме реально­го времени; постоянном мониторинге питьевой воды, водоемов, почв и воздуха на содержание токсических веществ; определении уровня токсичности новой продукции; контроле за токсическим эффектом фармацевтических материалов и лекарственных веществ; контроле качества и безопасности продуктов питания; оценке профвредности рабочих мест на предприятиях. «Эколюм» облада­ет хорошей чувствительностью к разнообразным химическим со­единениям, характерным для промышленных сбросов, загрязне­ний почвы, воды, воздуха (тяжелые металлы, фенолы, формаль­дегид, пестициды).