Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов лазерной индуцированной флуориметрии для создания аналитических комплексов по оперативному определению и прогнозированию состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения.

Номер контракта: 14.575.21.0063

Руководитель: Нагорный Иван Григорьевич

Должность: ведущий инженер

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
лазерная индуцированная флуориметрия, оценка качества воды, экологический индикатор, фитопланктон, ликвидация загрязнений

Цель проекта:
Исследование и разработка комплекса научно-технических решений, направленных на создание аналитических комплексов по оперативному определению и прогнозированию состояния окружающей среды для предотвращения и ликвидации ее загрязнения, основанного на анализе спектров индуцированной флуоресценции жидких сред

Основные планируемые результаты проекта:
1. Проведение патентных исследований (отчет) в области создания аналитических комплексов на основе метода индуцированной флуоресценции.
2. Выделение основные биооптических параметров однозначно описывающие процессы проходящие в водной экосистеме.
3. Результаты исследования кинетики флуоресценции растворенной органики, фитопланктона при наличии/отсутствии загрязнения.
4. Методика измерений обеспечивающая максимальную чувствительность и воспроизводимость измерений.
5. Выбор оптимальных временных параметров регистрации спектров и детектируемых аналитических длин волн при исследовании кинетики флуоресценции различных загрязнителей.
6. Определение базового приборного состава комплекса по оперативному определению и прогнозированию состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения, определение оптимального набора вспомогательных датчиков. Создание чертежей, оптических и электронных схем флуориметра, оптимально подходящего для решения поставленных задач
7. Макет малогабаритного мобильного комплекса для анализа жидких сред на основе методов индуцированной флуоресценции и программное обеспечения для автоматизации процесса измерений
8. Выработанные рекомендации для компаний из реального сектора экономики по реализации разработанных в результате выполнения проекта технических решений по конструированию аналитических комплексов по оперативному определению и прогнозированию состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом полученным в результате реализации проекта является автоматизированный мобильный приборный комплекс обеспечивающий при непрерывном измерении в водах естественных акваторий:
- идентификацию и определение содержания растворенных органических веществ естественного и антропогенного происхождения.
- определение состояния фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона в водах естественных акваторий (озера, реки, моря и т.п.) как экологического индикатора.

Исследование оптических свойств растворенных органических и неорганических веществ (РОНВ) и клеток фитопланктона в морской воде позволит проводить оперативные и дистанционные in-situ исследования параметров характеризующих эти вещества, и делать явными сопутствующие процессы на различных пространственных и временных масштабах (от микро- и мезо- масштабов до глобальных и климатических масштабов). Стоит отметить, что в настоящее время определение РОНВ в морской воде является трудоемкой задачей при использовании стандартных контактных методов, а размеры частиц таковы, что другие дистанционные подходы (например, акустические) не применимы. Клетки фитопланктона в свою очередь могут быть использованы, как экологический индикатор акваторий, что позволит проводить диагностику водной среды на ранних этапах значимого антропогенного воздействия.

В работе рассматриваются следующие виды РОНВ в морской воде:
- Органические вещества, являющиеся продуктами жизнедеятельности животных и растений в морской воде (автохтонная компонента). Составляют основную массу РОВ, находящихся в океане. Основной источник поступления – жизнедеятельность фитопланктона.
- Органические и неорганические вещества терригенного происхождения (аллохтонная компонента). В основном поступают в океан со стоками рек, подземными стоками и эоловыми выносами.
- Органические и неорганические вещества антропогенного происхождения. В основном, различные нефтепродукты, или сбросы сточных вод с судов или прибрежных поселений. Наблюдаются в районах активного судоходства, в портах, в районах нефтедобычи. Подавляющее количество органического углерода в океане находится в растворенной форме (по разным оценкам 90-98%). Растворенные органические вещества представляют собой очень сложные соединения, только 10-20% этих соединений можно представить в виде отдельных компонентов, остальные 80-90% – это сложные органические смеси, которые нельзя разложить по компонентам и представить в аналитической записи. В последнее десятилетие получили широкое развитие методы определения типов растворенных органических веществ из трехмерных спектров флуоресценции морской воды, где интенсивность флуоресценции зависит от двух переменных – длин волн испускаемого и возбуждающего излучений. О необходимости таких измерений говорилось еще в 80-х годах прошлого столетия [1], но развитие технологий позволило начать активные исследования в данной области лишь с середины 90-х [2, 3]. Из спектров возможно определение гуминовых и белковых соединений в морской воде, для которых характерны различные диапазоны возбуждающего и испускаемого излучения флуоресценции [4, 5]. Кроме этого возможно определить источники поступления растворенной органики в морскую воду и оценить стадии разложения органических веществ при совместном анализе с гидрологическими параметрами морской воды и параметрами, характеризующими работу фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона. [6-9]. Основными проблемами при исследовании трехмерных спектров флуоресценции РОНВ являются: наличие спектральных диапазонов однозначно не отнесенных к тому или иному типу РОНВ; методы, разделяющие сигналы различного происхождения, требуют улучшений [10,11]; необходимо повышение чувствительности в зеленой области спектра [8].

Выполнение проекта позволит отработать методики обработки трехмерных спектров флуоресценции морской воды, выделить спектральные особенности пространственно-временного распределения РОНВ различного типа в морской воде.
Решение представленной задачи важно при разработке методов и приборов оперативного анализа морской воды, основанных на флуориметрических измерениях, и необходимо для получения знаний о том какие компоненты морской воды дают вклад в регистрируемый сигнал при использовании различных пар длин волн возбуждающего и испускаемого излучений.
К недостаткам методов свето-индуцированной флуоресценции можно отнести зависимость регистрируемых сигналов от видового состава клеток фитопланктона, и их функционального состояния. С другой стороны, данный недостаток можно преобразовать в достоинство, если научиться выделять требуемые параметры фотосинтетической системы клеток фитопланктона из регистрируемых сигналов. Для этого необходимо подбирать оптимальные режимы возбуждения флуоресценции, заключающиеся в применении различных длительностей и длин волн индуцируемого излучения.

1. Карабашев Г.С. Флуоресценция в океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 200 с.
2. Coble P.G., Green S.A., Blough N.V., Gagosian R.B. Characterization of dissolved organic matter in the Black Sea by fluorescence spectroscopy // Nature. 1990. V. 348. P. 432-435;
3. Babichenko S., Kaitala S., Leeben A.,. Poryvkina L, Seppala J. Phytoplankton pigments and dissolved organic matter distribution in the Gulf of Riga. // Journal of Marine Systems. 1999. V. 23, № 1-3. P. 69-82.
4. Coble P.G. Characterization of marine and terrestrial DOM in seawater using excitation-emission matrix spectroscopy // Marine Chemistry. 1996. V. 51. P. 325-346.
5. Горшкова О.М., Пацаева С.В., Федосеева Е.В., Шубина Д.М., Южаков В.И. Флуоресценция растворенного органического вещества природной воды. Вода: Химия и экология. 2009. №11. С. 31-39.
6. Matthews B.J.H. Jones A.C., Theodorou N.K., Tudhope A.W. Excitation-emission-matrix fluorescence spectroscopy applied to humic acid bands in coral reefs // Marine Chemistry. 1996. V. 55, № 3-4. P. 317-332.
7. Parlanti E., Worz K., Geoffroy L., Lamotte M. Dissolved organic matter fluorescence spectroscopy as a tool to estimate biological activity in a coastal zone submitted to anthropogenic inputs // Organic Geochemistry. 2000. V. 31. P. 1756-1781.
8. Букин О.А., Голик С.С., Салюк П.А., Бауло Е.Н., Ластовская И.А. Изменение спектров лазерной индуцированной флуоресценции морской воды в процессе деградации растворенного органического вещества // Журнал Прикладной Спектроскопии. 2007. Т. 74, № 1. С. 103-107 4.
9. Букин О.А., Салюк П.А., Майор А.Ю., Павлов А.Н. Исследование процессов воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона методом лазерной индуцированной флуоресценции // Оптика атмосферы и океана. 2005. № 11. С. 871-878.
10. Tomasi G., Bro R. PARAFAC and missing values // Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. 2005. V. 75, № 2. P. 163-180.
11. Jiang F., Sen-Chun Lee F., Wang X., Dai D. The application of Excitation/Emission Matrix spectroscopy combined with multivariate analysis for the characterization and source identification of dissolved organic matter in seawater of Bohai Sea, China // Marine Chemistry. 2008. V. 110, № 1-2. P. 109-119.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Экологический мониторинг водных акваторий, контроль качества вод, поиск предвестников полезных ископаемых в водных средах, калибровка спутниковых измерений в оптическом диапазоне, оценка биопродуктивности акваторий, контроль развития аквакультуры, изучение климатообразующих процессов и изменений климата.

Необходимо отметить, что перспективы практического внедрения зависят от принятия экологических правовых норм, регулирующих допустимые значения параметров характеризующих антропогенное воздействие на водную среду.

Перечислим основные возможные области применения полученных результатов:
Обнаружение загрязнений водных сред на ранних стадиях позволит на порядки сократить расходы на ликвидацию последствий антропогенного воздействия. Районирование области загрязнения повысит эффективность работы по нейтрализации влияния вредных веществ, и даст возможность контролировать достаточность принятых мер.
Предварительный поиск предвестников полезных ископаемых значимо снизит стоимость проводимых работ.
Автоматическое проведение подспутниковых измерений существенно повысит точность спутниковых данных.
Непрерывные измерения параметров, характеризующих функционирование клеток фитопланктона и распространения растворенных органических веществ в морской воде, позволит перейти к решению принципиально новых задач в области взаимодействия климатообразующих факторов и изменения климата.

Текущие результаты проекта:
1. Измерены спектры флуоресценции проб морской воды, содержащей фитопланктон и растворенные органические вещества, при различных параметрах возбуждающего излучения: длина волны максимума интенсивности 240-540 нм, относительный разброс интенсивности 1-1000%, длительность импульсов от десятков наносекунд до сотен миллисекунд.
2. Разработан метод определения потенциальной эффективности фотосинтеза клеток фитопланктона, заключающийся в: использовании возбуждающего излучения в диапазоне длин волн 240-650 нм (минимум 7 каналов) для возбуждения флуоресценции различных типов растворенных органических веществ (РОВ) биологического, терригенного и антропогенного происхождений; использовании достаточно мощного оптического излучения в диапазоне значимого поглощения света клетками фитопланктона (350-600 нм, минимум 5 каналов) для измерения флуоресценции хлорофилла-а при различных длительностях возбуждения; учете сигналов флуоресценции РОВ при расчете сигналов флуоресценции хлорофилла-а; анализе соотношений между флуоресценцией хлорофилла-а при открытых и закрытых реакционных центрах клеток фитопланктона, при различных уровнях внешней освещенности и температуры проб морской воды; анализе соотношений между сигналами флуоресценции РОВ и хлорофилла-а при различных сочетаниях длин волн возбуждающего и испускаемого излучений.
3. Разработан алгоритм, реализующий метод определения потенциальной эффективности фотосинтеза клеток фитопланктона, позволяющий использовать: различные наборы длин волн возбуждающего и испускаемого излучений, различные схемы регистрации сигналов флуоресценции проб воды; оптимально подбирать оптические фильтры, необходимые для фильтрации упругого рассеяния возбуждающего излучения. Модельные расчеты для предполагаемого экспериментального образца флуориметра показали, что алгоритм позволит проводить измерения за 1-3 минуты в зависимости от количества используемых каналов и схем регистрации сигналов флуоресценции хлорофилла-а.

Новизна результатов проекта определяется одновременным измерением in-situ широкого перечня параметров, характеризующих состояние фитопланктонных сообществ, с возможностью разделения вкладов сигналов флуоресценции хлорофилла-а и растворенных органических веществ. Использование светодиодов дальнего УФ диапазона (240-350 нм) и многоканального фотоэлектронного умножителя позволят проводить оперативные измерения (1-3 мин) в натурных условиях. Аналогичных морских приборов, одновременно сочетающих в себе, все возможности разрабатываемого экспериментального образца не существует.