Речные раки теперь считаются датчиками измерительной системы

В реестр утвержденных типов средств измерений Федерального фонда по обеспечению единства измерений впервые внесена измерительная система, предназначенная для работы с живыми «датчиками».

Названный фонд содержит все нормативно-правовые акты, относящиеся к единству измерений, в том числе международные договоры Российской Федерации, базы данных Росстандарта, сведения об аттестованных методиках (методах) измерений, перечень измерений, относящихся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, и другие важнейшие документы, включая реестр утвержденных типов средств измерений.

Заказчиком работ по преобразованию аппаратуры, используемой на предприятиях ГУП «Водоканал» Санкт-Петербурга в качестве индикатора загрязнения воды, в измерительную систему и последующему утверждению ее типа в качестве средства измерений выступил разработчик и изготовитель исходной аппаратуры — научно-инновационный центр «Экоконтур».

Исполнителем работ стала проблемная лаборатория метрологического обеспечения компьютеризированных датчиков и информационно-измерительных систем Государственного научного центра ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» (Росстандарт).

О ходе работ рассказывают сотрудники лаборатории — руководитель Роальд Тайманов и ведущий инженер Игорь Дружинин:

Р. Т.: Экологические проблемы, как известно, являются одними из наиболее острых в XXI веке. И среди них одна из самых явных — загрязнение воды. Понятно, что требуется определять факт загрязнения воды, его степень. То есть брать воду, проводить оценку ее чистоты, спустя какое-то время делать это вновь. Но между первым и вторым тестом может произойти загрязнение. И крайне важно сделать так, чтобы чистота воды в месте ее сбора для передачи потребителям контролировалась непрерывно. На одной из конференций, где я выступал с докладом о возможностях контроля метрологической надежности средств измерений, к нам подошел руководитель лаборатории биоэлектронных методов геоэкологического мониторинга Санкт-Петербургского научно-исследовательского центра экологической безопасности Российской академии наук — обособленного подразделения Санкт-Петербургского Федерального исследовательского центра Российской академии наук (СПб ФИЦ РАН) доктор технических наук Сергей Викторович Холодкевич и изложил проблему, с которой он и его коллеги столкнулись.

Для контроля допустимого уровня общей токсичности воды поверхностных источников централизованного питьевого водоснабжения, поступающей на водозаборы водопроводных станций для приготовления питьевой воды, довольно давно в качестве индикаторов используют пресноводных животных — например, рыб и моллюсков. С 2006 года на предприятиях ГУП «Водоканал» этой цели служат речные раки. Загрязнение воды сказывается на их поведении и физиологии, отражающейся на кардиоритме раков. Казалось бы, по их реакции загрязнение можно легко выявлять. Однако существует масса других факторов, которые влияют на поведение животных. И определение физиологической особенности, обусловленной ухудшением экологии, вызывает серьезные затруднения. На эту тему в последние годы опубликовано немало научных работ в России и за рубежом.

Ситуация сложилась следующая: смотрите, пожалуйста, на поведение раков, но результаты наблюдения ни к чему не обязывают. Требовать расширения практики петербургского ГУП «Водоканал», допустим, на всю страну нет оснований. Потому что эта «аппаратура» не внесена в Федеральный фонд в качестве средства измерений.

Сергей Викторович спросил, можем ли мы обеспечить метрологически надежное заключение, что выявленная посредством измерений определенная поведенческая и физиологическая реакция живых существ вызвана именно загрязнением воды, а не чем-то другим.

Наша лаборатория взялась за решение этой задачи, что было некоторой авантюрой: ранее проблемами экологии мы не занимались. На самом деле любая серьезная научная работа содержит элемент авантюры, поскольку нет гарантии, что она будет сделана при запланированных затратах в ожидаемые сроки.

Нам удалось преобразовать исходную аппаратуру в измерительную систему, утвердить ее в качестве типа средства измерений с наименованием «БиоАргус» и внести в реестр Федерального фонда по обеспечению единства измерений.

— Как складывалась работа?

— В исходной аппаратуре было сформировано две группы раков, каждая из которых включает три или четыре особи. Соответственно, в ней имеется две группы каналов, содержащих измерительные преобразователи, подключенные к определенным ракам. В каждом канале измеряется частота сердечных сокращений рака.

Разделение раков на две группы обусловлено тем, что их жизнедеятельность существенно зависит от освещенности среды: днем они спят, а ночью активны. Следовательно, в аквариумы с проточной водой, в которых должны находиться разные группы раков, свет подается поочередно, что обеспечивает круглосуточную активность раков, подключенных к аппаратуре.

Как было сказано выше, трудности здесь обусловлены требованием достоверного выделения в заданном диапазоне значений той физиологической характеристики живого организма, которая эффективно реагирует на опасные изменения чистоты воды. Эти трудности вызваны тем, что на значение выделяемой величины, как правило, накладываются помехи, связанные с реализацией жизненных функций живого организма: поиском еды, линькой, обеспечением продолжения рода, заболеваниями и т. д.

А одновременное повышение частоты сердечных сокращений у всех раков в группе обязывает обратить на него внимание.

Первоначальная концепция исследований, предложенная нашими коллегами из лаборатории биоэлектронных методов геоэкологического мониторинга СПб ФИЦ РАН С. В. Холодкевичем и В. А. Любимцевым, была значительно переработана. Были внесены изменения в программное обеспечение и технические характеристики системы, в нормирование погрешности, практически полностью переработана техническая документация. Реализован метрологический самоконтроль измерительных каналов системы, что предполагает автоматическую проверку метрологической исправности каждого из них в процессе эксплуатации.

— Как это функционирует?

И.Д.: Частоту сердечных сокращений раков измеряют неинвазивно следующим образом: на панцире каждой особи устанавливается оптоволоконная система, которая выделяет сигналы с измеряемой частотой. Поступающие сигналы обрабатываются процессором со специальным программным обеспечением. Такое решение стало возможно только сейчас. Сравнительно недавно, когда не было оптоволоконных средств измерений, это было невозможно. Развитие технологий способствует расширению спектра решаемых задач.

Р.Т.: Работа эта выполнялась нашей лабораторией, но мы привлекали к ней коллег из других подразделений нашего института, когда, скажем, требовалась аппаратура, которой у нас не было. Это сильное и важное качество ВНИИМ: здесь легче, чем в любой узкоспециализированной организации, решать такого рода задачи, что объясняется многодисциплинарной структурой нашего института. Несмотря на возможность такого подхода, работа продолжалась около пяти лет, что обусловлено ее «пионерским характером» в области метрологии.

В результате мы получили систему, которую корректно назвать средством измерений. По сути, это первая измерительная система, в основе которой — восприятие живыми существами некоего эпизодического воздействия на среду. Понятно, что это крайне актуально.

Включение типа данного средства измерений в Федеральный фонд по обеспечению единства измерений означает, что это средство теперь можно применять на законных основаниях на городских коммунальных предприятиях водоснабжения и водоотведения. Результаты измерений, полученные от него, могут служить объективным показателем допустимого качества воды, поступающей на водопроводные станции от поверхностных источников централизованного питьевого водоснабжения, а также качества биологически очищенных сточных вод, сбрасываемых в акватории-приемники на предприятиях водоснабжения и водоотведения.

Это средство измерений можно использовать как в России, так и за рубежом. В отличие от импортозамещения, о котором столько говорится в последнее время, такая продукция обладает ощутимым экспортным потенциалом.

Работа, на наш взгляд, открывает принципиально новые перспективы в метрологии, что поможет в том числе привлечь в метрологию молодых ученых, которых интересует новое и необычное.

Сергей Князев, ВНИИ метрологии им. Д. И. Менделеева