Био-электронный датчик чистоты

Автоматические системы биомониторинга, главным звеном которых раки, были разработаны в лаборатории экспериментальной экологии водных систем НИЦЭБ РАН и установлены на всех девяти станциях водозабора в 2005 году. Тремя годами ранее, в 2002, прототип такой системы проходил экспериментальную апробацию на городской станции биологической очистки сточных вод - Северной Станции Аэрации, чтобы контролировать изменение качества очищенной сточной воды, сбрасываемой в Невскую губу.

Организмы, которых выбрали в качестве биоиндикаторов, выполняют функцию экологической "мишени" и оперативно сигнализируют об опасности загрязнения воды. У животных непрерывно измеряют пульс, и резко возросшая частота сердечных сокращений говорит о том, что с водой произошли какие-то резкие негативные изменения.

"Если мы используем живой организм в качестве индикатора, мы можем доверять ему, если только он здоров. У нас здесь, можно сказать, поликлиника для животных. Чтобы обеспечивать правильный контроль, из поступающих к нам раков мы должны выбирать только здоровых", - говорит заведующий лабораторией биоэлектронных методов геоэкологического мониторинга Сергей Викторович Холодкевич.
Ученый рассказывает, что алгоритмы оценки здоровья животных по кардиоритмам взяты из успешных практик космической медицины. Эти же методы используют при отборе космонавтов, их подготовке и работе на орбите. Ученые НИЦЭБ РАН адаптировали их к беспозвоночным животным и успешно применяют на практике.

Аборигенных узкопалых раков, поступающих в лабораторию, вылавливают не в Ленинградской области, а в одном и том же озере на Алтае.
"Дело в том, что в Ладожском озере они не живут, в Ленинградской области их обитает мизерное количество, а на Алтае существует их устойчивая популяция", - поясняет ведущий ученый лаборатории Василий Алексеевич Любимцев.
Ученые берут трехлетних половозрелых раков, которые уже медленнее растут и частота сердечных сокращений у них, соответственно, снижается.

"Как только они приезжают к нам, мы их нумеруем и сажаем в лотки с убежищами. Они сидят там две недели, это время, достаточное для быстрой акклимации (акклиматизации в лабораторных условиях). Здесь и температура другая, и еда, и состав воды", - рассказывает ведущий ученый лаборатории Светлана Владимировна Сладкова.
На пятнадцатый день всех, кто активен, пережил акклимацию и кого не покалечили соседи-канибаллы (могут и лапу откусить, не задумываясь), начинают обследовать, а все данные заносят в специальную "карточку".
Первым делом ученые определяют вес рака, он кстати тоже зависит от возраста. Разброс в граммах получается небольшой: от 28 до 35.

После этого у раков берут гемолимфу, чтобы определить в ней содержание белка. Высокая концентрация белка говорит о том, что рак в скором времени планирует полинять: сбросить старый панцирь, увеличиться в размерах и через три дня нарастить новую "корку".
Такие раки для службы в Водоканале не подходят, на них нельзя закрепить датчики, а пульс во время линьки у них сильно увеличивается, поэтому и цифры они будут показывать "ложные". С такими "сотрудниками" будет много возни, поэтому их отсаживают в отдельный лоток и дают спокойно сбросить панцирь.
Здесь важно, чтобы лоток был именно индивидуальным, иначе "мягкое" животное могут съесть его собратья, без злого умысла - просто повинуясь инстинкту.
Если же показатель гемолимфы низкий - это признак того, что рак ослаблен и, возможно, скоро умрет. Пока что причины этого явления ученые назвать не могут. Для дальнейшей работы отбираются членистоногие со средними показателями белка.

Затем на панцирь ракам наклеивают крепления для датчиков, туда вставляется волоконно-оптический датчик, состоящий из двух волокон толщиной около 1 мм. По одному из них идет свет от прибора, он проходит сквозь покровы рака, несколько рассеиваясь. У раков нет сосудов, по которым удобно мерить пульс, но, как и у человека, сердце сокращается и расстояние от его поверхности до панциря меняется. Получается, что свет попадает на маленькое (размером в несколько миллиметров) плоское сердце рака, рассеивается сердцем, через второе оптическое волокно промодулированный биением сердца свет поступает на фотоприемник. На выходе получается фотоплетизмограмма, которую затем и анализируют по специальному алгоритму.

Раков рассаживают по четырнадцати индивидуальным аквариумам, чтобы они случайно друг друга не съели, не покалечили и не порвали тонкие оптические волокна. В течение следующей недели с ними проводят несколько специально разработанных тестов, по результатам которых отбираются "сотрудники" для Водоканала.

"Попав в ярко освещенный индивидуальный аквариум, раки привыкают к этому несколько суток. Мы наблюдаем за ними три дня и смотрим, какая частота сердечных сокращений (ЧСС) у каждого из них в начальный момент стресса - это контрольная величина, равная обычно 100-120 ударам в минуту. Одни из них успокаиваются быстрее, другие медленнее. Кто не успевает за несколько дней "прийти в себя", считается аномальным. Мы кладем его в другой лоток и через какое-то время с новой партией подключаем к датчикам", - рассказывает Василий Алексеевич.

После трех суток тех животных, которые успели "сбросить" ЧСС до нормальных показателей, подвергают двум тестам. Тест номер один - подвешивание. Рака вытаскивают из воды и подвешивают за оптическое волокно. Как только животное теряет опору под ногами, оно испытывает стресс, начинает шевелить конечностями, что приводит к усилению сердцебиения. "Если то, до чего поднялась ЧСС близко к тому, что он давал, когда мы его только посадили, это нормально", - объясняет Василий Алексеевич.

Второй тест нужен, чтобы проверить, не произошло ли что-то с усиками раков, на которых находятся хемосенсоры. Для этого в лоток впрыскивают раствор поваренной соли. При нормальной реакции ЧСС поднимается примерно до ста ударов в минуту. Это важный тест, который помогает ученым понять, как животные будут реагировать на резкое изменение состава воды.

"Если токсичность воды будет подниматься медленно, тут сложнее. У кого-то устойчивость высокая, у кого-то нет. Кто-то умрет завтра, а кто-то через несколько часов. Поэтому реализованный на водозаборах мониторинг предназначен для выявления в реальном времени случаев опасного загрязнения воды в результате аварий, экологической преступности или терроризма, когда реагировать необходимо мгновенно", - подчеркивает Василий Алексеевич.

Кроме того, ученые обращают внимание и на циркадианные ритмы раков. Это колебания частоты сердечных сокращений днем и ночью. Поскольку рак - ночное животное, он активно ведет себя в темное время суток. Соответственно ночью ЧСС у него не 40, а 80-90. Если на суточной диаграмме эти колебания заметны, то с раком все в порядке – он здоров.

Все данные, полученные за неделю исследований, заносятся в "карточку". Если все показатели у рака в норме, он может отправляться на "службу". С первого раза успешно проходит все испытания лишь треть раков. Кстати, работают на водопроводных станциях исключительно раки-сангвиники. Они довольно быстро возбуждаются и достаточно скоро приходят в себя, в отличие от "истеричных" холериков или слишком спокойных флегматиков.

В соседней комнате-тропиках в индивидуальных аквариумах содержатся австралийские краснопалые раки. "Когда-то давно этих раков нам привезли из московского института ВНИИРО. Теперь мы их сами выращиваем: покупать "австралийцев" дорого, да и в продаже их практически не найти", - рассказывает Василий Алексеевич.

"Иностранцы" нужны для летней работы на Юго-Западных очистных сооружениях (ЮЗОС). Дело в том, что наши аборигенные раки способны жить в воде температурой не выше 22-23 градусов Цельсия. Невская вода не бывает теплее 18 градусов, зимой она прохладнее, но для животных это нормально. На ЮЗОС происходит очистка сточных вод. Биологически очищенная вода даже в лютые морозы не остывает ниже 15 градусов Цельсия, а летом может нагреваться до температур даже выше +30. Поэтому аборигенные раки могут работать на ЮЗОС только полгода, на весенне-летний сезон их заменяют австралийцы.

К сожалению, ученым в лабораторных условиях удается выращивать только теплолюбивых иностранцев. Для раков-аборигенов нужно искусственно моделировать времена года, а зимой они должны впадать в спячку. Однако в лаборатории раки почему-то этого не делают, хотя температуру в помещении и могут понижать до нужного уровня. Поэтому основных "сотрудников" водопроводных станций приходится время от времени покупать.

Системы биомониторинга установлены на всех городских и ближайших пригородных водопроводных станциях.
Помимо раков за качеством воды следят с помощью лабораторных анализов, но это требует времени и больших денежных средств.
Если в Неву попадут высокотоксические вещества, животные могут просигнализировать о такой опасности всего через полторы-две минуты (это время, за которое обрабатываются результаты пульсометрии).
На каждой водопроводной станции службу несут по шесть узкопалых раков. Их рабочее место - индивидуальный аквариум, от их панцирей, словно "рога" у троллейбусов, тянутся волоконно-оптические датчики. Результаты измерения пульса выводятся на монитор в виде цифр и диаграмм по системе "светофор".
При нормальном самочувствии рака на экране горит зеленый сигнал, если в воду попадут токсические вещества, сердце животного начнет биться чаще, так называемый стресс-индекс резко возрастет, и загорится красный свет.
Общий сигнал тревоги появляется только тогда, когда стресс случается практически одновременно у не менее чем четырех-пяти из шести раков. В этот момент автоматически в специальные емкости отбираются пробы воды для тщательного лабораторного химического и биологического анализов, и все службы станции оповещаются о нештатной ситуации.

Трудятся раки на водопроводных станциях по одному году, после чего их отправляют "на пенсию". Скромный срок службы объясняется тем, что аборигенным узкопалым по физиологии необходимо зимой впадать в спячку. Если этого не происходит, животное ослабевает и данные его пульсометрии перестают соответствовать норме. Вторая причина кроется в мягкости невской воды. Ракам необходимо накапливать кальций для линьки, а в нашей воде его недостаточно. Иногда узкопалые даже гибнут при очередной линьке, из-за того что не смогли накопить нужный запас кальция и остались "мягкими".