Раки «работают» в Водоканале с декабря 2005 года.

Улитки - новые «сотрудники» Водоканала

Австралийские краснопалые раки работают на ЮЗОС

Раки «работают» в Водоканале с декабря 2005 года.

Системы биомониторинга качества воды есть на всех водопроводных станциях города и ближайших пригородов. Их главная задача - следить за уровнем токсичности источника питьевого водоснабжения Санкт-Петербурга - невской воды. Некоторые представители аборигенных узкопалых раков, обитающих в Неве и Невской губе, живут в аквариумах на каждом водозаборе петербургского Водоканала.
Зачем нужны раки
Вода из Невы, прежде чем попасть на очистные сооружения и стать водопроводной, контролируется, помимо лабораторий, и такими «сотрудниками». Технологам необходимо знать, не поступает ли на очистные сооружения вода, загрязненная такими токсическими веществами и в таких концентрациях, которые не могут быть удалены из воды с помощью имеющихся технологий и оборудования. Существующие физико-химические методы анализа по экономическим причинам могут обеспечивать контроль только ограниченного числа загрязняющих воду веществ и требуют времени, а технологам важно получить сигнал о поступлении на водозабор подобной воды как можно раньше. Оперативно, в реальном времени, «сообщить» об опасности могут только живые водные организмы, в частности, раки, которые очень чувствительны к загрязнениям среды их обитания.

Как они работают
К панцирю рака, сидящего в аквариуме, приклеивается волоконно-оптический датчик, который позволяет незаметно для животного в течение длительного времени регистрировать его сердцебиение. На экран компьютера диспетчера смены непрерывно выводятся уже обработанные результаты показателей сердечного ритма и стресс-индекса раков в виде системы «светофор»: красный, желтый или зеленый световые сигналы. Нормальный сердечный ритм ничем не обеспокоенного рака (соответствующий зеленому сигналу), колеблется, в зависимости от температуры воды от 30 до 60 ударов в минуту, а стресс-индекс обычно близок к нулю. В случае опасности частота сердечных сокращений резко повышается не менее чем на 50%, а стресс-индекс возрастает до нескольких тысяч. При попадании в воду токсичных веществ раки реагируют в течение 1,5-2 минут (это время с учетом обработки данных). Их кардиоритм учащается, приборы дают сигнал тревоги (красный сигнал на мониторе диспетчера смены), по которому автоматически отбираются пробы воды для последующего подробного лабораторного анализа воды химическими и биологическими методами, и оповещаются все службы водопроводной станции. К счастью, за все время работы раков в Водоканале нештатных ситуаций не возникало, а столь «высокие стрессовые показатели» специалисты Санкт-Петербургского научно-исследовательского центра экологической безопасности Российской академии наук, разработавшие этот метод биомониторинга качества воды, получают только при еженедельных профилактических тест-обследованиях раков.

Особые требования
Кроме станции биомониторинга, на Главной водопроводной станции есть еще и ферма, основная задача которой – разведение своих, адаптированных к производственному шуму и людям раков. Так животные с рождения привыкают к общению с людьми, природным колебаниям качества невской воды, шуму насосов станции. Раки реагируют и на раздражители, не связанные с загрязнением воды – например на шум включаемого оборудования. Чтобы отсечь ложные срабатывания системы (ложные с точки зрения токсикологической опасности воды), ученые создали специальную аналитическую станцию, которая измеряет ряд характеристик воды - щелочность, температуру, мутность, а также снабжена датчиками шума и вибрации. Если аппаратура зарегистрирует вибрацию, то сигнал опасности в диспетчерскую не поступит, потому что датчики фиксируют момент, когда учащение сердцебиения рака совпадает с шумовым эффектом, и отсекают его, как не связанного с токсикологической опасностью. На службу в Водоканал принимают самых обычных раков. Это достаточно хорошо изученные животные с точки зрения физиологии и токсикологии. Однако для того, чтобы попасть на службу в Водоканал, раки проходят тщательное биохимическое и физиологическое обследование здоровья. Работают только самцы в возрасте 3-5 лет,три дня через шесть. Срок их службы составляет примерно год. Дело в том, что по своей физиологии раки должны зимовать, впадая в этот холодный период в состояние «спячки», а лишение их того, что придумано природой, естественно, ослабляет животное. А к дежурству допускаются только здоровые особи в хорошем функциональном состоянии.

В конце 2010 года система биомониторинга с использованием раков была усовершенствована. Если раньше на рабочую смену «выходили» по два рака, то теперь их – шесть. Однако модернизация системы биомониторинга заключается не только в количественных изменениях. С момента запуска биомониторинга у ученых из Санкт-Петербургского научно-исследовательского центра экологической безопасности РАН появились новые разработки. И в 2010 году эти разработки Водоканал внедрил на водопроводных станциях. Модернизация системы биомониторинга включает новые алгоритмы обработки сигналов. Все это вместе – более совершенная система обработки данных, увеличение числа дежурящих раков – повышает надежность биомониторинга, дает новые возможности для оперативного управления системой водоподготовки.

Дополнительный контроль
Для получения более точной реакции на изменения качества воды наряду с раками работают рыбки. Видеокамера постоянно фиксирует их движение. Если рыбкам станет плохо, они перестанут двигаться и всплывут вверх брюшком или опустятся на дно. А если в это время забеспокоятся и раки, то специалисты начнут действовать. Такое дублирование только на пользу человеку. Ученые говорят, что неплохо бы доукомплектовать существующие станции биомониторинга системой «маслс-монитор» (от английского mussel – двустворчатый морской моллюск мидия). Речные двустворчатые моллюски – тоже очень хорошие индикаторы качества воды, в которой они живут. В неблагоприятных условиях кроме увеличения кардиоритма они захлопывают створки своих раковин.

Посмотреть ролик о биомониторинге

Улитки - новые «сотрудники» Водоканала

На Юго-Западных очистных сооружениях с начала 2011 года приступили к работе гигантские африканские улитки (брюхоногие моллюски Ahatina). Это новая биоэлектронная система биомониторинга, внедренная Водоканалом.

Зачем нужны улитки?

Задача улиток - «следить» за состоянием воздуха в районе завода по сжиганию осадка сточных вод на Юго-Западных очистных сооружениях (ЮЗОС). Улитки дышат воздухом с примесью дыма, выходящего из трубы завода. К их раковинам прикреплены оптоволоконные датчики сердцебиения и поведения (двигательной активности), благодаря которым с помощью специального программного обеспечения система в автоматическом режиме оценивает функциональное состояние животных, то есть их «самочувствие».

Система очистки дыма на заводе по сжиганию осадка (ЗСО) на Юго-Западных очистных сооружениях - самая современная. Она полностью удовлетворяет требованиям российских нормативных документов, а также Директиве Европейской комиссии, которая регламентирует условия сжигания и требования к выбросам загрязняющих веществ в атмосферный воздух от установок сжигания отходов. За продуктами горения на ЗСО следит специальный аналитический блок. Предусмотрена многократная система защиты, и в случае чрезвычайной ситуации залповый выброс обязательно зафиксирует современная аппаратура.

Однако в воздухе в мизерных дозах могут находиться соединения – продукты сжигания. На каждый из них делать специальные датчики нерентабельно, к тому же концентрация соединений настолько низкая, что не всякий прибор способен их уловить. Для контроля хронической токсичности воздуха ученые Санкт-Петербургского научно-исследовательского центра экологической безопасности РАН предложили использовать моллюсков. В качестве интегрирующего индикатора на все, что имеет универсальную токсичность по отношению к животным, на работу «пригласили» улиток, которые имеют легкие и, как и люди дышат воздухом. К тому же у них есть раковина, к которой можно прикреплять датчики, не влияя на процесс их жизнедеятельности. Большой плюс заключается и в том, что эти животные в меру подвижны.

В течение первого года эксплуатации системы специалисты будут наблюдать за шестью улитками – пока три из них действительно получают воздух, смешанный с тем, который выходит из трубы завода, а еще три дышат обычным. Это нужно для того, чтобы сравнить поведение и показатели сердцебиения улиток из двух групп.

В чем отличие от системы биомониторинга качества невской воды с помощью речных раков?

Раки реагируют на резкое изменение условий в среде обитания, а созданная на основе улиток система непрерывного контроля степени загрязненности воздуха на границе санитарно-защитной зоны завода может реагировать не только на резкие и значительные изменения, происходящие в воздухе. Она также может контролировать накопление возможного негативного влияния на здоровье «индикаторной» группы моллюсков, связанного с хроническим токсическим воздействием загрязняющих веществ, выбрасываемых с дымовыми газами, - даже при относительно низких концентрациях таких веществ. То есть постепенное накопление вредных веществ в организме животных от того, что они дышат загрязненным воздухом, скажется на самочувствии улиток. Отличительная особенность данной системы контроля - возможность выявления так называемых синергических эффектов, при которых суммарное негативное влияние загрязнителей на здоровье биологических существ может значительно превышать сумму негативного воздействия отдельных загрязняющих веществ. Система контроля лишь физико-химических характеристик воздушной среды этот эффект учитывать не в состоянии.

Как устроено «рабочее место» улитки?

Улитка сидит на мячике, который плавает на поверхности воды. К раковине животного прикреплены датчики, фиксирующие сердцебиение и двигательную активность. Перед мячиком установлена кормушка, в которой пища появляется примерно раз в неделю. Кормят улиток листьями салата, огурцами, иногда дают лакомство – арбуз. Все улитки находятся в открытой емкости (коробке), куда подается смесь воздуха и очищенного дыма ЗСО. Важно заметить, что улитки не живут непосредственно в трубе, где дышат ее «выхлопами» - для них дым разбавляется от 1000 до 10 000 раз чистым воздухом. Так достигается примерно та концентрация, которая имеет место на границе санитарно-защитной зоны завода.

Разработанная учеными Санкт-Петербургского научно-исследовательского центра экологической безопасности РАН (НИЦЭБ РАН) биоэлектронная система в автоматическом режиме следит за функциональным состоянием улиток, главным образом - за режимом сердцебиения и подвижностью в рамках суточного цикла. Наблюдение за сердцебиением ведется при помощи фотоплетизмограммы, т.е. оптическим способом наблюдается динамика рассеяния света, которая меняется в такт с биением сердца. Наблюдение за подвижностью заключается и в изучении текущей подвижности, и в создании специальных условий. В определенное время суток на один-три часа отключается режим увлажнения и включаются вентиляторы, которые прогоняют через систему сухой воздух. Животные очень не любят режим обсыхания - они прячутся в раковину. Система фиксирует изменение частоты сердечных сокращений (ЧСС), чтобы установить, насколько животное способно изменить ЧСС от максимума до минимума. У улиток во время режима «проветривания» следят за ЧСС и механикой опускания и поднимания раковины. Если со временем все улитки станут хуже себя чувствовать – а это будет понятно по измерениям (иные показатели ЧСС и двигательной активности) – система в автоматическом режиме обнаружит это, после чего специалисты станут выяснять причины.

Благоприятные условия для работы

Сотрудникам НИЦЭБ РАН и ООО «НИЦ «ЭКОКОНТУР» (г. Санкт-Петербург) пришлось постараться, чтобы создать улиткам максимально благоприятные условия. Во-первых, было важно так закрепить датчик на раковине, чтобы улитки не ощущали никакого давления и дискомфорта. Созданный механизм крепления напоминает механизм дверной петли – отклонение влево–вправо жестко фиксируется, а вертикальных усилий, которые удерживают раковину, нет никаких. Во-вторых, благодаря мячику нет сопротивления качению, и улитка может ползти. Еще одно из важных условий существования улитки в природе, которое пришлось обеспечить ученым здесь, – это интенсивное увлажнение. Пока увлажняют животных по системе капельницы – вода капает на них сверху.

 Австралийские краснопалые раки работают на ЮЗОС

Новые «сотрудники» появились на Юго-Западных очистных сооружениях (ЮЗОС) петербургского Водоканала летом 2011 года. Шесть австралийских краснопалых раков Red Claw Cherax quadricarinatus (или красноклешневых раков) живут в аквариумах, через которые проходит очищенная сточная вода. По самочувствию и сердцебиению животных ученые и технологи следят за качеством очищенной на ЮЗОС воды перед тем, как ее выпустить в Невскую губу.

Биоэлектронная система контроля токсикологической безопасности очищенных сточных вод, сбрасываемых ЮЗОС - новая разработка петербургских ученых. Петербургский Водоканал давно сотрудничает с Санкт-Петербургским Научно-исследовательским центром экологической безопасности РАН.

Если качество воды ухудшится, чувствительный рак это ощутит сразу – ученые заметят не только изменения в его поведении, но и получат сигнал от специального оптоволоконного датчика, прикрепленного к панцирю. Датчик в режиме реального времени снимает показания сердечной активности животного. Если одновременно у всех шести раков сердечный ритм резко повысится в 1,5-2 раза, загорится красный сигнал системы «светофор» в диспетчерской. При этом технологи очистных сооружений будут действовать по специальному регламенту – выяснять и устранять причины происшествия.

Качество очистки сточных вод ежедневно проверяют специальные приборы и лаборатория. Однако благодаря биоэлектронной системе контроля с помощью реакций животных можно учитывать синергизм одновременного воздействия многих факторов, которые влияют на воду – среду обитания раков. Например, один прибор измеряет содержание в сточной воде количество фосфатов, другой прибор фиксирует количество нитратов. Но только организм животного-биоиндикатора одновременно оценивает совокупность всех качественных характеристик воды, в которой он живет.

Качество невской воды на водопроводных станциях «оценивают» другие раки – узкопалые. Оптимальная температура воды для этих раков не должна превышать 22-23оС. Так как летом температура сточной воды может достигать 26-30 оС, то для использования биоиндикаторов качества очищенных сточных вод на ЮЗОС необходимо было подобрать более теплолюбивый вид раков. С учетом ряда особенностей был выбран краснопалый рак Red Claw Cherax quadricarinatus (красноклешневый рак). Этот вид устойчив к температурному диапазону от 18 до 31оС. Экстремальные температурные границы выживания достаточно широки: от 10 до 36 оС. Краснопалый рак родом из рек северо-запада и севера тропической Австралии. Его отличительная черта – сине-зеленоватая окраска с желтыми пестринами, типичная для тропических видов. Примечательным признаком самцов является находящееся на нижней поверхности заметно красное пятно. Средняя длина самцов - 18 см, самок - 15 см. Живут они 4-5 лет, достигая в дикой природе в длину 40 см и веса 650 г. Половозрелости достигают за 7 месяцев при весе 110-120 г.

На работу в Водоканал приняты самцы австралийского красноклешневого рака – ученые утверждают, что они более уравновешены по сравнению с самками. Для кормления раков 2 раза в неделю используют мотыля, корма для креветок и некоторые пресноводные макрофиты.

Стоит заметить, что работа у австралийских раков – сезонная. Когда температура сточной воды понижается, их сменяют аборигенные для средней полосы России узкопалые раки – те, для которых прохладная вода – наиболее привычная среда обитания.