способ определения влияния вредного воздействия на биообъекты

Формула изобретения

Способ определения влияния вредного воздействия на биообъекты, включающий измерение частоты вибраций биообъекта и оценку степени влияния вредного воздействия путем сравнения с калибровочной кривой, отличающийся тем, что после измерения частоты вибраций биообъекта на него дополнительно воздействуют переменным электрическим напряжением в диапазоне частот, близких к частоте вибраций биообъекта, увеличивают амплитуду дополнительного воздействия до возникновения эффекта синхронизации частоты вибраций биообъекта частотой дополнительного воздействия, при этом в качестве калибровочной кривой используют зависимость амплитуды переменного электрического воздействия от величины искомого (известного) вредного воздействия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области биологии и экологии, может быть использовано для биологического контроля степени влияния вредного воздействия на биообъекты.

Известен способ определения влияния вредного воздействия на биообъекты и оценки токсичности сточных вод путем регистрации у рыб электрокардиограммы и измерения RR-интервалов (см. а.с. N 1573376, МКИ G 01 N 33/18).

Недостатком способа является длительность проведения анализа.

Известен способ биологической оценки токсичности воды по изменению двигательной активности дафний в эталонной (нетоксичной) и контрольной (токсичной) средах (см. а.с. СССР N1413525, кл. G 01 M 33/18). Однако данный способ не дает достоверных данных о степени токсичности водной среды вследствие неоднозначности поведения дафний в зависимости от вида веществ и их концентрации, поскольку их двигательная активность может как увеличиваться, так и уменьшаться.

Известен способ определения влияния вредного воздействия на биообъекты и оценки токсичности сточных вод, основанный на изменении светового потока вследствие сокращения грудных ножек или сердца у дафний, которые вызывают изменение электрических характеристик фотодатчика (см. Колупаев Б.И., Андреев А. А., Самойленко Ю.К. Оптический метод регистрации сердечного ритма у дафний. - Гидробиологический журнал, т. XIII, вып. 3, 1977, с. 119-120).

Однако этот способ недостаточно точен.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является метод биотестирования, включающий измерение дыхания и сердечной деятельности у дафний под влиянием токсических веществ и оценку степени влияния вредного воздействия путем сравнения с калибровочной кривой. Через тело дафнии пропускают световой поток, который изменяется в результате сокращения сердца или движения грудных ножек. Регистрируют частоту дыхания и сердечных сокращений. Уменьшение или увеличение светового потока вызывает изменение силы тока на фотоприемнике, изменение электрических характеристик фотоприемника усиливается и регистрируется на электрокардиографе. За показатель токсичности принимается достоверное отклонение (P<0,05) ритма дыхания или сердцебиений от контроля (см. Колупаев Б. И. Методы биотестирования по изменению дыхания и сердечной деятельности у дафний. - Методы биотестирования вод, с. 103-104).

Однако данный способ недостаточно достоверен.

Задача изобретения заключается в повышении точности и достоверности за счет регулируемого воздействия на биообъект и измерения параметра, изменяющегося в более широком диапазоне.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения влияния вредного воздействия на биообъекты, включающем измерение частоты вибраций биообъекта и оценку степени влияния вредного воздействия путем сравнения с калибровочной кривой, после измерения частоты вибраций биообъекта на него дополнительно воздействуют переменным электрическим напряжением в диапазоне частот, близких к частоте вибраций биообъекта, увеличивают амплитуду дополнительного воздействия до возникновения эффекта синхронизации частоты вибраций биообъекта частотой дополнительного воздействия, при этом в качестве калибровочной кривой используют зависимость амплитуды переменного электрического воздействия от величины искомого (известного) вредного воздействия.

Оригинальность предлагаемого решения заключается в использовании эффекта синхронизации для изменения частоты биений сердца биообъекта.

По сравнению с известными предложенный способ позволяет повысить достоверность измерений для более широкого круга типов вредных воздействий, не прибегая к значительному увеличению числа длительных биологических испытаний. Подобная совокупность действий, влекущая возможность контролировать влияния вредного воздействия, не известна.

Предлагаемый способ поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена схема экспериментальной установки, где 1 - прибор ночного видения, 2 - источник питания, 3 - биообъект, 4 - канал для биообъекта, 5 - прозрачный столик, 6 -линза, 7 - полупроводниковый лазера, 8 - источник тока, 9 - фотодетектор, 10 - усилитель, 11 - аналого-цифровой преобразователь, 12 - компьютер, 13 - стакан, 14 - электроды;

на фиг. 2 - зависимость минимального значения амплитуды переменного напряжения U, прикладываемого к биообъекту, при котором возникал эффект синхронизации частоты биений сердца биообъекта частотой дополнительного воздействия, от концентрации вредного воздействия (фенола) N в водной среде (частота дополнительного воздействия 9 Гц);

на фиг. 3 - зависимость минимального значения амплитуды переменного напряжения U, прикладываемого к биообъекту, при котором возникал эффект синхронизации частоты биений сердца биообъекта частотой дополнительного воздействия, от частоты сердцебиений дафнии, подвергнутой ранее какому либо вредному воздействию (частота дополнительного воздействия 9 Гц).

Способ заключается в следующем.

Биообъект 3 (фиг. 1) помещают в водную среду и обездвиживают его путем помещения на прозрачную пластину 5 в камеру 4. В стакан 13 заливается водная среда обитания биообъекта, в которую опускаются электроды 14, соединенные с источником внешнего электрического поля. Оценивают частоту вибраций биообъекта (сердцебиения, дыхания и т.п.) либо путем визуального подсчета числа периодов движения контролируемой области в единицу времени, либо путем электронного подсчета периодических изменений оптического излучения. Для этого направляют в область сердца биообъекта 3 оптическое излучение от источника 7. Питание источника излучения 7 осуществляют от источника питания 8. С помощью линзы 6 добиваются точной фокусировки излучения. Суммируют прямое и отраженное от контролируемой области излучения и воздействуют им на источник излучения 7. Периодическое изменение интенсивности излучения источника регистрируют фотоприемником 9, продетектированный сигнал с которого через усилитель 10 и аналого-цифровой преобразователь 11 подают в компьютер 12. На биообъект дополнительно воздействуют переменным электрическим напряжением U в диапазоне частот, близких к частоте сердцебиения биообъекта. Увеличивают величину дополнительного воздействия U до возникновения эффекта синхронизации частоты биений сердца биообъекта частотой дополнительного воздействия. При этом в качестве калибровочной кривой используют зависимость величины тока или напряжения переменного поля, прикладываемого к биообъекту, от величины искомого (известного) вредного воздействия (фиг. 2).

Пример практической реализации способа.

В качестве биообъекта использовались пресноводные рачки дафнии (Daphnia magna Straus), культивируемые в стандартных лабораторных условиях, В экспериментах использовали особей, размерами 0,7-1,5 мм.

В качестве вредного воздействия использовали водный раствор фенола с концентрациями от 0,5 до 10 мг/л. Для контрольных измерений применялась вода, на которой дафнии культивировались. Одиночную дафнию из аквариумной культуры помещали в прозрачную камеру, ограничивающую движения рачка как целого. В качестве источника излучения использовали полупроводниковый лазер ИЛПН- 206 с длиной волны 1,3 мкм. Сигнал со встроенного фотоприемника усиливали усилителем У4-28 и подавали на вход аналого-цифрового преобразователя ЭВМ. По спектру регистрируемого сигнала определялась частота биений сердца дафнии, которая обычно варьируется в диапазоне 5 - 7 Гц для дафнии в контрольной среде.

Возникновение эффекта синхронизации частоты биений сердца биообъекта частотой дополнительного воздействия определялось на частотах 8-10 Гц. Выбор верхней границы частоты дополнительного воздействия определялся исчезновением эффекта синхронизации при частоте дополнительного воздействия значительно большей частоты сердцебиения биообъекта. Выбор нижней границы частоты дополнительного воздействия определялся способностью аппаратуры четко различать частоты дополнительного воздействия и сердцебиения биообъекта.

По калибровочной кривой определялась величина искомого вредного воздействия (концентрация фенола).

Нами также было установлено, что влияние на дафнию какого-либо другого вредного воздействия, например, другого типа токсиканта или механического воздействия, также можно оценивать описанным способом. Ранее была установлена (см. Колупаев Б.И., Андреев А.А., Самойленко Ю.К. Оптический метод регистрации сердечного ритма у дафний. - Гидробиологический журнал, т. XIII, вып. 3, 1977, с. 119-120) и подтверждена нами (Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Вагарин А.Ю., Скрипаль Ан.В., Потапов В.В., Шмакова Т.Т., Мосияш С.С. Лазерная автодинная интерферометрия динамических параметров биообъектов// Письма в ЖТФ. 1998. Т.24. Вып.5. С.39-43) связь изменения частоты сердцебиений дафнии от концентрации токсических факторов. Показано, что с ростом концентрации токсикантов частота сердцебиений дафнии уменьшалась. Нами были проведены измерения и построена зависимость амплитуды переменного электрического поля, напряжением U, прикладываемого к биообъекту, при котором возникал эффект синхронизации частоты биений сердца биообъекта частотой дополнительного воздействия, от частоты сердцебиений дафнии, подвергнутой ранее какому-либо вредному воздействию.

Таким образом, был показан общий характер оценки степени влияния вредного воздействия на биообъекты по описанному способу.