Содержание к диссертации
Введение
1. Возможность применения тест-реакции гальванотаксиса для экспресс-контроля токсичности водных сред 10
1.1. Актуальность контроля токсичности водных сред 10
1.2. Актуальность исследования гальванотаксиса 13
1.3. Модели гальванотаксиса 16
1.4. Особенности воздействия электрического поля на инфузорий 18
1.4.1. Методы исследования разности потенциалов и напряженности электрического поля 19
1.4.2. Характеристики среды, влияющие на распространение постоянного электрического поля 20
1.4.3. Эффекты, возникающие при взаимодействии электродов и среды 23
1.5. Характеристики биообъектов, которые могут обусловливать их движение под воздействием постоянного электрического поля 27
1.6. Модель движения инфузорий в электрическом поле 29
1.7. Воздействие ионов на живое 34
1.8. Особенности организации биотестового эксперимента 35
1.8.1. Общие принципы 35
1.8.2. Характеристика тест-организма 36
1.8.3. Характеристика тест-реакции 37
1.9. Методы исследования гальванотаксиса инфузорий 39
1.10. Обработка результатов измерений 41
1.11. Выводы 44
2. Разработка и исследование биотехнической биотестовой системы (БТС) 45
2.1. Обобщенная схема БТС 45
2.2. Блок формирования тест-реакции 47
2.2.1. Обоснование используемого диапазона величин электрических стимулов 47
2.2.2. Источники электрических стимулов 49
2.3. Исследование влияния биотехнических факторов на реакцию гальванотаксиса 51
2.3.1. Обоснование выбора материала электродов 51
2.3.2. Экспериментальное исследование материала электродов 53
2.3.3. Исследование влияния линии подготовки тест-объекта на реакцию гальванотаксиса 57
2.4. Телевизионная регистрация гальванотаксической реакции 60
2.4.1. Последовательность обработки изображения 60
2.4.2. Программа для преобразования оцифрованного изображения популяции инфузорий в кювете в график значений яркости 62
2.4.3. Апробация программы 63
2.4.4. Регистрация стадий гальванотаксиса по телевизионным снимкам.65
2.5. Моделирование характеристик электрического поля в кювете 67
2.5.1. Порядок моделирования поля в кювете с помощью программного пакета ELCUT 68
2.5.2. Модели с разной геометрией электродов 69
2.6. Выводы 72
3. Модели гальванотаксиса и измерительного преобразователя 73
3.1. Организация гальванотаксической тест-реакции 73
3.2. Модель измерительного преобразователя 75
3.3. Моделирование оптических характеристик частиц 77
3.4. Математическая модель первой стадии гальванотаксиса инфузорий.. 78
3.5. Математическая модель второй стадии гальванотаксиса 80
3.6. Исследование модели сигнала 83
3.6.1. Расчет оптических характеристик клеток инфузорий 83
3.6.2. Расчет модели сигнала при отсутствии разности потенциалов 84
3.6.3. Общий вид сигнала при подаче разности потенциалов 85
3.6.4. Исследование зависимости амплитуды модельного сигнала от напряжения 86
3.6.5. Зависимость амплитуды модельного сигнала от смещения фотоприемника относительно электродов 87
3.6.6. Моделирование формы импульса при разных концентрациях 88
3.6.7. Моделирование формы импульса при разных напряжениях 89
3.6.8. Исследование формы сигнала в зависимости от токсичности 90
3.6.9. Биологические факторы, влияющие на параметры сигнала 91
3.6.10. Технические факторы, влияющие на сигнал 92
3.6.11. Выводы 94
4. Экспериментальное исследование аппаратурных средств для регистрации гальванотаксиса 95
4.1. Исследование спектра пропускания тест-объекта 95
4.2. Экспериментальная установка для исследования гальванотаксиса 97
4.2.1. Структурная схема макета установки для измерения коэффициента пропускания взвеси инфузорий 97
4.2.2. Расчет величины коэффициента пропускания 98
4.2.3.Гальванотаксическая ячейка 100
4.2.4.Выбор источника и приемника излучения 100
4.2.5. Особенности гальванотаксических сигналов 104
4.3. Модернизация установки 108
4.3.1. Структурная схема 108
4.3.2. Гальванотаксическая ячейка 110
4.3.3. Блок формирования напряжения 110
4.3.4. Выбор источника и приемника излучения 112
4.4. Алгоритм проведения измерений 113
4.5. Метод определения токсичности 117
4.6. Характеристики гальванотаксических сигналов в контроле 118
4.6.1. Сигнал при отсутствии разности потенциалов 119
4.6.2. Исследование формы импульса при разных концентрациях 120
4.6.3. Исследование формы импульса при разных напряжениях 122
4.7. Характеристики гальванотаксических сигналов в токсичной среде... 123
4.7.1. Исследование формы сигнала в зависимости от токсичности 125
4.7.2. Определение коэффициента токсичности 127
4.8. Обсуждение результатов экспериментов 128
Заключение 129
Список литературы
- Особенности воздействия электрического поля на инфузорий
- Модель движения инфузорий в электрическом поле
- Исследование влияния биотехнических факторов на реакцию гальванотаксиса
- Моделирование оптических характеристик частиц
Введение к работе
Постоянное возрастание антропогенной нагрузки на окружающую среду, в том числе в виде увеличивающихся объемов и номенклатуры загрязняющих веществ, обуславливает повышение требований, предъявляемых к методам и средствам контроля качества природной среды. Одним из параметров качества окружающей среды является токсичность - основная характеристика вредности для живого.
Многообразные загрязняющие вещества, попадая в окружающую среду, могут претерпевать в ней различные превращения, усиливая или ослабляя при этом свое токсическое действие, которые невозможно выявить аналитическими методами. Это требует дополнения аналитических методов контроля биологическими.
Биологический контроль основан на единстве органического мира, что позволяет по количественно измеряемым параметрам тест-реакции лабораторных тест-организмов прогнозировать опасность вредных веществ на представителей других видов.
В соответствии с международными стандартами и российскими законами, необходимо несколько видов биотестов, так как различные реакции живого отражают воздействие различных вредных веществ.
Большой объем тестируемых проб предполагает переход к аппаратурным методам, которых на сегодняшний день очень мало.
Широкое распространение уже получили методы и средства контроля токсичности, основанные на использовании хемотаксиса (направленное перемещение под действием химических стимулов) инфузорий P. Caudatum. Это удобный для пользователя, хорошо изученный, безопасный тест-объект, отражающий реакцию важного звена пищевой цепи водоемов, что и определило выбор данного типа организмов в качестве тест-объекта для разработки нового метода контроля токсичности водных сред.
В последние годы внимание исследователей привлекла реакция гальванотаксиса, проявляющаяся в перемещении популяции организмов под действием электрического поля. Гальванотаксис инфузорий был открыт еще в
конце XIX в. Тем не менее, прежде он не применялся в качестве тест-реакции для обнаружения токсичности водных сред.
В этом случае управляемое электрическое воздействие открывает новые возможности и может существенно повысить экспрессность биотестирования, т.е. уменьшить время проведения анализов по сравнению существующими методами.
Применение гальванотаксиса инфузорий для контроля токсичности водных сред сдерживается отсутствием аппаратурных методов и средств контроля тест-реакции, а также недостаточным знанием особенности воздействия электрического поля на микроорганизмы и вредных веществ на реакцию гальванотаксиса.
Таким образом, актуальность проблемы, лежащей в основе данной диссертации, обусловлена необходимостью разработки нового экспрессного метода и средств регистрации популяционнои реакции гальванотаксиса инфузорий для контроля токсичности водных сред.
Целью диссертационной работы является - исследование закономерностей гальванотаксиса инфузорий для разработки экспресс метода и системы контроля токсичности водных сред.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Исследовать влияние технических и биологических факторов на реакцию гальванотаксиса.
Разработать математическую модель тест-реакции гальванотаксиса на токсичность водной среды.
3.Разработать инструментальный метод и макет устройства для контроля токсичности водных сред по реакции гальванотаксиса инфузорий.
Разработать систему контроля токсичности водных сред на основе регистрации тест-реакции гальванотаксиса.
Экспериментально выявить информативные характеристики гальванотаксиса, отражающие воздействие токсичных водных сред на тест-реакцию.
Объектами исследования данной работы являются метод и средства биотестирования с использованием организмов типа простейших, предназначенных для применения в области экологического мониторинга.
Предметом исследования является информационное,
инструментальное и методическое обеспечение системы, реализующее контроль токсичности водных сред по реакции гальванотаксиса инфузорий Р. Caudatum.
Методы исследования. При выполнении работы использовались методы биотехнологии, физические и математические методы моделирования, методы математической статистики, фотометрии взвесей частиц.
Новые научные результаты. В процессе выполнения исследований автором получены следующие научные результаты:
анализ основных закономерностей возникновения и протекания реакции гальванотаксиса показал, что для разработки метода и системы контроля токсичности водных сред необходимо учитывать режимы подготовки инфузорий P. Caudatum, материалы электродов и диапазон токов и напряжений, подаваемых на них;
разработана математическая модель тест-реакции гальванотаксиса, выявляющая ее информативные характеристики, и их зависимость от начальной концентрацией тест-объекта, разности потенциалов, показателей токсичности водной среды и параметров устройства контроля реакции;
разработан инструментальный метод оценки токсичности водных сред, основанный на применении гальванотаксиса в качестве тест-реакции с учетом основных закономерностей возникновения и протекания данной реакции гальванотаксиса, который позволяет экспрессно оценивать качество природных вод;
разработана система контроля тест-реакции гальванотаксиса, позволяющая исследовать ее аппаратурно-регистрируемые характеристики и их зависимость от наличия водной среде токсических веществ.
Практическую ценность работы представляют:
рекомендации по формированию биотехнической системы для контроля токсичности водных сред с использованием тест-реакции гальванотаксиса инфузорий;
макет устройства контроля для регистрации гальванотаксической реакции;
информативные показатели тест-реакции гальванотаксиса;
результаты экспериментальных исследований системы контроля гальванотаксиса.
Научные положения, выносимые на защиту:
При обосновании применения гальванотаксиса в качестве тест-реакции для экспресс контроля токсичности водных сред необходимо учитывать основные эффекты, возникающие при взаимодействии электродов, среды и микроорганизмов, диапазон токов и напряжений, материалы электродов и режимы подготовки тест-объекта;
Математическая модель, связывающая характеристики гальванотаксического слоя с начальной концентрацией инфузорий, разностью потенциалов, показателями токсичности водной среды и параметрами устройства контроля реакции, описывает формирование тест-реакции в безвредной и токсичной среде;
Экспресс метод для контроля токсичности водных сред по реакции гальванотаксиса инфузорий, основанный на различиях в поведении инфузорий P. Caudatum в токсичных и нетоксичных средах под действием электрического поля с устройством контроля тест-реакции турбидиметрического типа.
Достоверность результатов обеспечена использованием при их получении надежных и проверенных теоретических представлений и экспериментальных методов и технологий; численными расчетами, проведенными на основании полученных соотношений; оценками величин и характера вытекающих из них зависимостей с использованием надежных экспериментальных данных.
Внедрение результатов работы. Результаты теоретических и прикладных исследований, полученных в диссертационной работе, использовались при выполнении НИР ПМЧС-2 (БФ-67) «Разработка методов анализа и принципов построения технических средств для исследования свойств пространств объектов с целью предупреждения чрезвычайных ситуаций» per. № 01200403706 (глава Разработка критериев прогнозирования ЧС на основе данных ГВ, спектрального биотестового контроля), в ГБ НИР ФПБЭИза2004и2005гг.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях по Мягким вычислениям и измерениям - Санкт-Петербург, 2003, 2004, 2005, научно-практических конференциях «Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий» - Санкт-Петербург, 2003, 2004, 2005, на III и IV международных конгрессах "Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине", международной конференции "Региональная информатика" - Санкт-Петербург, 2004 и на Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического Университета (ЛЭТИ) 2004, 2005 и 2006 годов.
Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них - 3 статьи, 9 работ - в материалах международных и российских научно-технических конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 70 наименований, и одного приложения. Основная часть работы изложена на 136 страницах машинописного текста. Работа содержит 18 таблиц и 48 рисунков.
Особенности воздействия электрического поля на инфузорий
Несмотря на то, что гальванотаксис инфузорий был открыт биологами XIX в., исследован в 1920-е гг В.А. Догелем, многие аспекты данной реакции были исследованы недостаточно. Проблема исследования гальванотаксиса заключается в сложности выявления фактора постоянного электрического поля, от которого зависит возникновение и протекание реакции. Организмы могут реагировать на изменение величины тока, напряжения (разности потенциалов), напряженности электрического поля, изменение концентрации химических веществ за счет воздействия поля. Эта задача имеет как прикладное, так и фундаментальное значение, так как пока не ясно, какие параметры электрического поля стимулируют перемещение микроорганизмов.
Гальванотаксис возникает, когда в среду с живыми организмами вводятся электроды и на них подается постоянная разность потенциалов. В результате микроорганизмы перемещаются к одному из электродов. В данном параграфе будут кратко рассмотрены основные задачи, которые необходимо решить при исследовании гальванотаксиса: 1. Выбрать методы исследования характеристик постоянного электрического поля, вызывающие гальванотаксис; 2. Определить характеристики среды, которые влияют на распространение постоянного электрического поля; 3. Учесть эффекты, возникающие при взаимодействии электродов и среды; 4. Выявить характеристики биообъектов, которые могут обусловливать их движение под воздействием постоянного электрического поля; 5. Учесть эффекты, возникающие при взаимодействии электродов, среды и организмов.
Воздействие электрического поля на живые организмы могут вызывать различные эффекты в биологических системах. Механизмы таких воздействий до сих пор не выяснены. Наряду с накоплением экспериментальных данных разрабатываются теоретические подходы к проблеме воздействия электрического поля на биологические объекты.
Особенностью исследования гальванотаксиса является сложность задачи построения картины распределения характеристик постоянного электрического поля при разных формах электродов и кювет [49].
Для построения картины распределения программным способом используется метод конечных разностей (МКР) - дифференциал заменяется разностью между точками, называемыми узлами сетки, расположенными на расстоянии Ах, Ay Az. Сетка является дискретной моделью определения искомой величины.
В результате получим проекцию вектора напряженности на заданное направление. Для получения решения уравнения распределения потенциала необходимо учесть граничные условия, т.е. сформулировать краевую задачу. Наиболее часто основной предельной задачей является следующая: определить функцию ф (х, у) в области (D), если заданы ее значения на границе области (L).
Эта задача называется условием Дирихле: ф щ = f (т), где / (т) -заданная непрерывная функция на линии (L) и т - переменная точка этой линии. Алгоритм метода конечных разностей Метод конечных разностей (МКР) является старейшим методом решения краевых задач. Алгоритм МКР состоит из этапов традиционных для метода сеток: 1. Построение сетки в заданной области. В МКР используется сетка, задаваемая конечным множеством узлов. В узлах сетки определяются приближенные значения (ph искомой функции ф. Совокупность узловых значений (ф -называют сеточной функцией). 2. Замена дифференциального оператора Ц = дф/du в исходном дифференциальном уравнении разностным аналогом Lh, построенным по одной из схем, рассмотренных ниже. При этом непрерывная функция ф аппроксимируется сеточной функцией q h. 3. Если есть граничные условия второго и третьего рода, то для граничного узла с этим условием записывается соответствующая аппроксимация. 4. Решение полученной системы алгебраических уравнений.[31] Этот алгоритм лежит в основе ряда программ для расчета характеристик электрического поля - TOR, Field и др. Они позволяют получать визуальные картины распределения плотности тока, напряженности электрического поля, потенциала.
Применение компьютерного моделирования при изменении условий эксперимента позволяет исследовать особенности воздействия электрического поля на биологические объекты.
Модель движения инфузорий в электрическом поле
Предполагается, что в пределах единого двигательного мерцательного поля у инфузорий имеется два регуляторных механизма, обеспечивающих координацию биения ресничек. Они представляют собой противоположно направленные градиенты ритмической деятельности. Механизм реверсии, обеспечивающий попятное движение простейших, начинает функционировать только в тот период, когда клетка возбуждена, т.е. поверхностная мембрана ее сильно деполяризована. Механизм, обеспечивающий нормальное движение инфузорий, функционирует в период нормальной поляризации поверхностной мембраны, в период ее сильной деполяризации, а также во время гиперполяризации.
Распространение импульсов возбуждения вдоль клетки происходит с декрементом, поэтому могут возникать случаи, когда реверсия биения происходит не на поверхности тела простейшего, а в определенной части ее. Под влиянием электрического тока реверсия биения ресничек возникает на половине тела инфузории, обращенной к катоду, на анодной стороне они работают в прежнем направлении.
В обычных условиях парамеция плывет по прямой линии, вращаясь влево вокруг продольной оси тела. Если на пути ее движения оказывается зона с химическим раздражителем (повышенная концентрация КС1), инфузория, натолкнувшись на эту зону, переходит к попятному движению. Если парамецию прямо поместить в раствор химического раздражителя (0.02 М КС1), который действует на всю поверхность инфузории сразу, весь этот процесс значительно растягивается во времени, становится более доступным для изучения. В этом случае моментально возникает попятное движение простейшего, которое длится 25 - 30 секунд. Первоначально прямой путь движения постепенно становится спиралеобразным, с постоянно увеличивающимся диаметром спирали. Когда попятное движение прекращается, простейшее начинает двигаться на одном месте вокруг заднего конца тела по радиусу, равному длине простейшего. Это продолжается долго (до 90 сек.). Затем парамеция, двигаясь передним концом вперед, в течение 2-3 мин. совершает кругообразные движения вокруг какой-то точки, лежащей вне ее тела. Диаметр круга, который описывает при этом инфузория, постепенно увеличивается; парамеция переходит к движению вперед по спирали, витки которой лежат вначале очень густо, но постепенно растягиваются. В конце концов, парамеция начинает плавать почти нормально. Следовательно, в случае действия диффузного химического раздражителя попятное движение парамеции не сразу переходит в нормальное, как это наблюдается при реакции избегания, а осуществляя целый ряд других форм движения.
Таким образом, одновременно, но в различных частях тела простейшего работают оба регуляторных механизма. Реснички, расположенные в передней части тела, тянут инфузорию передним концом вперед и стремятся придать ей вращение влево вокруг продольной оси тела. Реснички задней части парамеции тянут инфузорию в противоположном направлении и придают ей вращение вокруг продольной оси тела вправо. Каждому соотношению величины этих зон соответствует изменение характера движения простейшего.
Возникновение почти всех известных форм движения парамеции, отличающихся от нормального и попятного, можно объяснить тем, что под влиянием какого-то раздражителя произошла диссоциация единого двигательного поля на два функционально различных двигательных поля неодинаковых размеров.
У парамеций, находящихся в поле постоянного тока, на конце тела, обращенном к катоду, возникает реверсия биения ресничек; на анодном конце наблюдается усиление нормальной деятельности ундулоподий. Если инфузория расположена к катоду не перпендикулярно, а под углом, зона реверсии расширяется на стороне, обращенной к катоду, и сужается на противоположной стороне. Это явление было описано Лудловым (Ludloff, 1895). Джан (Jahn, 1961) предложил интересную гипотезу, которая должна, по его мнению, объяснить этот феномен и другие явления, наблюдающиеся у инфузорий в ресничной системе под влиянием электрического тока. В полном согласии с современными электрофизиологическими данными (Стейси и др., 1959) Джан предлагает рассматривать клетку инфузории (например, парамеции) как ионный «кабельный» проводник. В самом деле, «сердцевина» (цитоплазма) простейшего обладает высокой проводимостью для электрического тока по сравнению с поверхностной мембраной клетки. Правда, электрический ток все же может проходить через мембрану, поскольку она имеет ничтожную толщину. Среду, в которой находится инфузория, Джан предлагает рассматривать как электролитический объемный проводник (Воронцов, 1961).
Концентрация солей в окружающем растворе ниже, чем в цитоплазме парамеции (Akita, 1941), поэтому проводимость среды для электрического тока ниже, чем проводимость клетки.
Джан предлагает рассматривать поведение инфузории в электрическом поле постоянного тока как поведение «кабельного» проводника, погруженного в объемный проводник. В этом случае при замыкании электрического тока будут наблюдаться следующие физико-химические явления. Положительные ионы в цитоплазме начнут двигаться в сторону катода, а отрицательные — в сторону анода.
Поляризация, вызываемая миграцией ионов (стрелки), которая изменяет величину мембранного потенциала клетки, где а-инфузория; б-нервное волокно, А-анод, К-катод.
Отрицательные ионы, находящиеся в среде, двигаясь от катода, будут накапливаться у того конца парамеции, который обращен к катоду, что вызовет деполяризацию мембраны в этой зоне. Положительные ионы среды, идущие к катоду, будут скапливаться на анодном конце простейшего, вызывая гиперполяризацию поверхностной мембраны. Аналогичные же изменения наблюдаются под анодом и катодом при раздражении нерва постоянным электрическим током. Поэтому Джан считает, что к инфузории, находящейся в поле электрического тока, применимы все те законы поляризации, которые установлены физиологическими исследованиями для нервного проводника.
Исследование влияния биотехнических факторов на реакцию гальванотаксиса
Перед проведением опытов с формированием гальванотаксических реакций было проведен анализ возможных электрохимических процессов в гальванотаксической ячейке. В виду того, что гальванотаксис проявляется в поле постоянных токов, она рассматривалась как модель электролизной установки (см. п. 2.2.1.)
При данном анализе учитывался химический состав безвредной для организмов культуральной среды, содержащей необходимые для жизни живого макроэлементы (см. п. 1.4.2.). Процессы окислительно-восстановительных реакций, которые протекают в ячейке, определяются не только составом электролита, но и материалом электродов.
Электроды для опыта должны удовлетворять следующим условиям: 1. биологическая пассивность, т.е. они не должны оказывать вредных воздействий на живое; 2. хорошая проводимость для электрического тока; 3. долговечность при использовании; 4. доступность для пользователя.
Данная задача при исследовании гальванотаксиса с целью создания биотестовой аппаратуры ставилась впервые, и поэтому необходимо было дополнять литературные сведения о проводящих материалах экспериментальными исследованиями.
В рамках диссертационной работы были изучены возможности применения следующих материалов электродов: 1. покрытое оловом железо - луженая жесть; 2. пищевая алюминиевая фольга; 3. никель; 4. золото.
Выбор луженой жести и алюминиевой фольги обусловлен ее невысокой стоимостью и широким применением в пищевой промышленности. Никеля -применением в качестве защитного покрытия для посуды, стеклографита и золота - их широким применением в химических экспериментах.
Одной из главных характеристик материалов электродов является стандартный потенциал и его отношения к потенциалу водорода.
При этом следует учитывать, что при электролизе водных растворов выделяются в раствор ионы металлов, потенциал которых не ниже потенциала цинка (см. п. 1.4.3.).
Позолоченные электроды характеризуются выходом ионов золота в раствор и возможными процессами коррозии железа после снятия защитной пленки золота.
Особенность луженой жести в том, олово с железом образует гальваническую пару. Железо при малейшем нарушении покрытия подвергается коррозии, посылая ионы в раствор. В месте повреждения луженое железо ржавеет гораздо быстрее, чем нелуженое. Поэтому перед и после эксперимента электроды контролировались на предмет возможного повреждения покрытия. Признаком нарушения также было незначительное пожелтение раствора вследствие коррозии железа.
Алюминиевая фольга характеризуется следующими особенностями: алюминий не выходит в раствор, но его проводимость меняется от нарушения оксидной пленки АЬОз, которой покрыта поверхность электрода. Эта пленка может разрушаться за счет процессов образования газов на электроде. Поэтому следовало стараться уменьшить выделение газов на электродах (продуктов электролиза).
Никель выходит в раствор и, кроме того, его ионы обладает свойством токсичности. Поэтому в ходе исследования ставилась задача выявления токсичного влияния никеля в течение процесса гальванотаксиса. Количество выделяемого в раствор никеля зависит от величины тока и времени гаьванотаксической реакции и определяется на основе второго закона Фарадея (см. п. 1.4.3.) [2, 13]
Первоначально без приборной регистрации реакции было проведено сравнение времени гальванотаксическои реакции при различных видах материала электродов.
Экспериментальная установка включала в себя: 1. генератор электрических стимулов, 2. два электрода, 3. специальную фотометрическую горизонтальную кювету,
Экспериментальные данные были получены следующим образом: В горизонтальную фотометрическую кювету (13x45x13) помещались два электрода, затем наливалась взвесь инфузорий. Концентрация микроорганизмов предварительно подсчитывалась. Поведение инфузорий через видеокамеру регистрировалось на компьютере. Объем взвеси исследуемых микроорганизмов - Змл; Концентрация инфузорий - 1000 ±200 клеток в 1 мл; В опытах использовалась культура через 4 дня после последнего кормления микроорганизмов; Электроды имеют плоскую форму размером 10x10 мм.
Были взяты электроды из белой жести и позолоченные, расположенные по торцам кюветы для, того чтобы избежать граничных явлений. Электроды имели плоскую форму. К электродам подключался источник электрических стимулов в режиме источника постоянного тока (см. п. 2.2.3).
В качестве критерия обнаружения эффекта было принято время, за которое почти все микроорганизмы перешли к катоду, а в 1/3 кюветы около анода наблюдается менее 1 % (единичные клетки) от общего числа клеток.
По результатам экспериментов, приведенных в таблице 3 было выявлено, что существует отрицательная корреляция между током и временем.
Моделирование оптических характеристик частиц
Перед исследованием воздействия токсикантов на гальванотаксис были проанализированы процессы, вызываемые постоянным электрическим полем в контрольной среде.
В качестве контрольной среды использовалась культуральная среда Лозины-Лозинского, так как данная среда является проводником второго рода - слабым электролитом, то прохождение тока через нее сопровождается выделением на электродах составных частей растворенного вещества — электролизом. В результате электролиза на электродах (катоде и аноде) выделяются соответствующие продукты восстановления и окисления, которые в зависимости от условий могут вступать в реакции с растворителем, материалом электрода и т. п., — так называемые вторичные процессы, которые также могут являться вредными факторами.
Для исследования тест-реакции с учетом приведенных выше факторов был проведен анализ возможных электрохимических процессов и спроектирована галъванотаксическая ячейка, которая описана в гл. 2
Процессы окислительно-восстановительных реакций, которые протекают в ячейке, определяются не только составом электролита, но и материалом электродов, так как он сильно влияет на выживаемость инфузорий в электрическом поле. Это можно объяснить выходом ионов в раствор и ответной реакцией микроорганизмов на появление токсических веществ.
Данная задача при исследовании гальванотаксиса с целью определения токсичности водных сред ставилась впервые и поэтому необходимо было дополнять литературные сведения, приведенные в п. 2.3.1 о проводящих материалах экспериментальными исследованиями.
Были изучены возможности применения следующих материалов электродов: 1. покрытое оловом железо - луженая жесть; 2. пищевая алюминиевая фольга; 3. никель.
Как показывают результаты проведенных исследований, при использовании нового метода и системы контроля токсичности водных сред по реакции гальванотаксиса инфузорий позволит повысить экспрессность биотестирования и отразить воздействие токсичных водных сред на тест-реакцию. Это позволяет рекомендовать данный метод для применения при контроле токсичности природных вод.
В результате проведенной работы можно сделать следующие выводы: - разработан новый метод определения токсичности водных сред по реакции гальванотаксиса; - получены воспроизводимые гальванотаксические сигналы; - определен порог чувствительности для модельного токсиканта C11SO4.
Проведенные эксперименты подтверждают разработанную математическую модель при условии, что у катода формируется экспоненциально распределенный по координате кюветы слой инфузорий. При этом график экспериментального сигнала близок к модельному.
Процесс формирования слоя инфузорий подчиняется определенным закономерностям. Результаты экспериментов показывают, что сигнал гальванотаксиса от взвесей инфузорий может быть сходным по форме, как при частично, так и полностью сформировавшемся слое у катода.
Сигнал от концентраций инфузорий, равномерно распределенных по кювете, является случайным процессом. Гальванотаксический сигнал - это сигнал синергетической природы, отражающий эффект самоорганизации живого при пропускании энергии через открытую систему.
На характеристики гальванотаксического процесса со временем начинают оказывать влияние не только упорядоченное движение слоя, но и колебательные процессы инфузорий вблизи электрода, что усложняет выявление действия токсического фактора. Амплитуда импульса наименее искажается данными факторами и поэтому она выбрана характеристикой, отражающей токсичность водных сред.
В качестве информативных параметров токсичности водных сред также возможно использование статистических характеристик гальванотаксического сигнала на фазе спада, параметры которого легко рассчитываются методами регрессионного анализа. Использование фазы подъема в качестве характеристики токсичности сдерживается влиянием процессов движения организмов возле катода.
Экспрессность контроля токсичности водных сред по реакции гальванотаксиса инфузорий может быть объяснена моментальным нарушением процессов в организме после появления в среде ионов загрязняющих веществ при одновременном действии на организмы физиологической нагрузки, создаваемой действием электрического поля. Данный эффект может быть рассмотрен, как аналогичный поведению функциональной системы с частичным нарушением функциональных связей при дополнительной нагрузке.
