Устройство фотоэлектрохимическое для оценки токсичности жидкости

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (»>957104

Союэ Советсиик

Социапистичесиин

Республик (61) Дополнительное к авт. свяд-ву(22)Заявлено 20.06. 80 (2!) 2944524/18-25 (5 I ) M. Кл.

G 0l N 33/ l8 с присоединением заявки М

Р>еударстеенный камнтет

СССР во делан нзобретеннй и открытки (23) Приоритет (53) УДК628.314 (088. 8) Опубликовано 07. 09. 82 ° Бюллетень:№ 33

Дата опубликования описания 07- 09. 82

В. P. Лоэанский, В. И. Иацкивский, Д. В. Савенко, И. 3. Журбенко, А. Г,;В. Й; -Веселовский- .

>

Ф

- i

Г 1

Всесоюзный научно-исследовательский ин титуФ - -... . .. "., по охране вод (Л": „. f".:.:-:-!

> (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (4) УСТРОЙСТВО ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ

ТОКСИЧНОСТИ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к устройствам для анализа воды методом биологической индикации, точнее к фотоэлектрохимическим устройствам, и может быть использовано для контроля

5 токсичности сточных и других видов вод.

Известно устройство для исследования интенсивности фотосинтеза и дыхания водорослей, содержащее электрохимический датчик растворенного кислсг рода, герметично соединенный с камерой, имеющей светопроницаемое окно и отверстие для ввода суспензии водорослей и добавок, магнитную мешалку, термостатирующую рубашку, термометр, источник света «11..

Недостатками этого устройства являются большая динамическая ошибка, низкая надежность и невозмо>нность 20 автоматизации измерений, а также необходимость эначительнога времени для анализа, что связано с большим объемом. камеры, возмо>нным загрязнением светопроницаемого окна, содержанием в исследуемой жидкости микроорганиз,мов, влиянием механических примесей в исследуемой жидкости, которая чаще всего бывает водой, на процесс когиэетрации растворенного кислорода в л камере с жидкостью.

Наиболее близким по технической сущности является фотоэлектрохимическое устройство для оценки токсичности жидкости, корпус которого име" ет полость с электрохимическии датчиком растворенного кислорода, включающий электролит и соединенные с усилителем анод и катоды, при этом полость. газопроницаемой пленкой отделена от инкубационной камеры, последняя диализной мембраной отделена от камеры контролируемой жидкости, причем инкубационная каиера разделена свето- и газонепроницаеиой перегородкой на части равного объема, каждой иэ которых соответствует один из катодов и каждая часть этой каме

3 957104 4 ры снабжена каналом ввода культуры магнитом, который через реле времени фотосинтезирующих микроорганизмов. подключен к первому выходу блока УпОдна из частей инкубационной ка- равления, диафрагма блока осветителя меры изнутри со стороны диалиэной посредством сельсина подсоединена к мембраны дополнительно ограничена 5 второму выходу блока управления, а прозрачной газопроницаемой пленкой, последний подключен к выходу компанепроницаемой для жидкой фазы ° Это ратора, вход которого соединен с выпозволяет проводить оценку токсич- ходами усилителя. ности автоматически путем давления, При этом диализная мембрана Устаактивностей фотосинтеза контроль - эта 16 новлена под углом (75-85 градусов ) лон. Устройство обладает высокой точ- к измерительной плоскости катодов с ностью, просто в изготовлении и не возможностью ее съема.. требует высококвалифицированного. Пер- Введение излучателей ультразвука сонала для обслуживания (21. обеспечивает перемешивание культуры .Недостатками известного устройст- $ водорослей в каждой из частей инкува. являются контроль только прозрач- бационной камеры, что повышает точных сточных вод, относительная дли- ность и воспроизводимость результательность анализа, обусловленная тов измерений, непрерывную очистку медленным транспортом токсичных ве- газопроницаемой мембраны от возможществ через диалиэную мембрану, низ- 20 .ного загрязнения, например обраская воспроизводимость результатов, . тания бактериальной пленкой и кульсвязанная с загрязнением оптического турой микроорганизмов. Последнее усокна. коряет лрохождение химических веИзмерительная схема устройства ществ через диализную мембрану. не позволяет также проводить, оценку И токсичности жидкостей при ойтималь- Кроме того, ультразвук действует ном, с точки зрения точности. опре- на культуру микроорганизмов. Дейстделения, соотношении интенсивности фо- вие ультразвука на клетки проявляеттосинтеза и дыхания микроорганизмов,. ся в том, что мембрана клетки, так

5О называемая цитоплазматическая мембЦелью изобретения является повы" рана, набухает и становится рыхлой, шение точности экспрессности и вос" при этом она становится более пронипроизводимости анализа. цаемой для химических веществ, а это

Цель достигается тем, что фото- влечет за собой увеличение чувствиэлектрохимическое устройство)для оцен тельности водорослей к химическому ки токсичности жидкости, корпус которо воздействию..

„35

ro имеет полость с электрохимичес-. ким датчиком растворенного кислоро-:. Введение блока осветителя с оптида, включающую электролит и соединен-: ческим затвором, .рассеивающей линные с усилителем анод и катоды и от" зой,, диафраГмой, фокусирующей линделенную газопроницаемой пленкой от зай, источником света, сельсином и инкубационной камеры, последняя от- электромагнитом позволяет сформйроделена диализной мембраной от камеры вать рассеянный свет переменной инконтролируемой жидкости, причем ин- .:, -. тенсивности, передаваемый по светокубационная камера разделена свето-,.=...;. :водам непосредственно в инкубациони газонепроницаемой перегородкой на : ную камеру. Этйм исключается сопричасти равного объема, каждой из ко- .: косновение анализируемой среды:.с. опторых соответствует один из катодов тическими окнами устройства. и канал ввода культуры фотосинтези-. : .Связь выходного сигнала электрорующих микроорганизмов, снабжено ге- химйческого.датчика через ..посредство нератором ультразвука, излучатели ко- компаратора, блока управления и реле, SO торого введены в каждую часть инку= . времени с блоком осветителя позвобационной камеры, блоком осветителя. ляет измерять интенсивность фотосинсо светодиодами, компаратором, блоком.:, теза.и дыхания микроорганизмов в опуправления и реле времени, причем.:.. : тииальном с точки зрения точности из$S один из торцов световодов.введен в каж": $ мерения, режиме. При этом в качестдуа часть инкубационной камеры, дру- ве -информативного параметра испольгой перекрыт световым затвором бло- зуется величина освещения инкубац оню ка осветителя, соединенным с электро- ной камеры.

9571

То, что диализная мембрана установлена под углом к измерительной плоскости катодов с возможностью съема, обеспечивает предотвращение накапливания пузырьков .воздуха на ди- 5 ализной мембране со стороны камеры контролируемой жидкости и засорения взвешенныии частичками. Воздух и пена с частичками скапливаются в верхней части контролируемой камеры и уходят из нее через канал вывода жидкости.

На фиг. 1 представлена структур=, ная схема устройства для оценки токсичности жидкости; на фиг. 2 - общий 15 вид корпуса с блоком осветителя (блок электроники и насосы с культиватором не показаны 1 в разрезе по каналам ввода и вывода контролируемой жидкости; на фиг. 3 - общий вид корпу- 20 са в разрезе по оси световодов, введенных в инкубационную камеру.; на фиг. 4 — разрез А- А на фиг.2; на фиг. 5 — разрез Б-Б на фиг.2; на фиг. 6 — разрез В-В на фиг.2; íà 25 фиг. 7 - переходные процессы для. водорослей хлорелла при включении и выключении света при разных интенсивностях облучающего света; на фиг.8-световая зависимость активности фото-ЗО синтеза хлореллы; на фиг. 7 - зави-. симость активности фотосинтеза от концентрации клеток водорослей хлорелла; на фиг. 10 - температурная зависимость фотосинтеза и дыхания; на фиг. 11 - переходные процессы (c ультразвуком и без ультразвука) для водорослей хлорелла; на фиг. 12зависимость интенсивности света (случай, когда фотосинтез равен удвоенному дыханию ) от концентрации меди.

Устройство фотоэлектрохимическое для оценки токсичности жидкости состоит иэ корпуса 1, который имеет полость 2 с электрохимическим датчиком

3 растворенного кислорода, включающим электролит 4 и соединенные с усилителем 5 анод 6 и катоды 7 и 8. Полость 2 газопроницаемой пленкой 9 отделена от инкубационной камеры 10, последняя диализной мембраной 11 отделена от камеры контролируемой жидкости 12. При этом инкубационная камера 10 перегородкой 13, выполненной свето- и газонепроницаемой, разделеS5

wa на части 14 и 15, имеющие одинаковый объем, каждой из которых соответствует соответственно катод 7 и 8,и каждая часть 14 и 15 снабжена канала04 6 ми 16 и 17 ввода культуры фотосинтеэирующих микроорганизмов. В каждую часть 14 и 15 инкубационной камеры 10 введены соответственно торцы световодов 18 и 19, которые соединяют инкубационную камеру 10 и блок 20 осветителя. Торцы световодов 18 и 19 в блоке 20 осветителя перекрыты световым затвором 21, соединенным с электромагнитом 22, который через реле 23 времени подключен к первому выходу блока 24 управления. Диафрагма

25 посредством сельсина 26 подсоединена к второму выходу блока 24 управления. Вход блока 24 управления подключен к выходу компаратора 27, вход которого соединен с выходом усилителя 5. Блок 20 осветителя включает рассеивающую линзу 28, расположенную между. оптическим затвором 21 и диафрагмой 25,и фокусирующую линзу 29, расположенную между диафрагмой 25 и источником 30 света, который находится в фокусе фокусирующей линзы 29 ,,(фиг. 1 и 2 ). Питание 31 источника 30 ,света находится в блоке 32 электро ники, в котором помимо усилителя 5, реле 23 времени, блока 24 управления и компаратора 27 находится генератор

33 ультразвука, соединенный с излучателем 34 ультразвука.

Излучатель 34 ультразвука направленного действия установлен в инкубационной камере 10 так, что он охвати. вает все ее части 14 и 15, при этом ось диаграммы направленности параллельна осям каналов 16 и 17 ввода культуры. и комплементарна торцам

I световодов 18 и 19, введенных в части 14 и 15 инкубационной камеру 10 через боковые ее поверхности (фиг.3). с

1(анал 35 ввода жидкости снабжен насосом 36 прокачки контролируемой жидкости. Трубка 37, подводящая культуру фотосинтезируащих микроорганизмов к инкубационной камере 10, снабжена насосом 38 подачи культуры от культиватора 39. Трубка 37 соединена с каналами 16 и 17 ввода культуры, а насосы соединены с третьим выходом блока 24 управления. !

<анал 35 ввода жидкости (фиг.2) подсоединен к камере 12 контролируемой жидкости в придонной части, а канал 40 ввода жидкости подсоединен к камере 12 контролируемой жидкости в верхней части.

В качестве диализной мембраны 11 используют сетку с ячейками 1 - 5 мкмр

7 95710 которая установлена (фиг. 2 ) под у глом 75-85в к плоскости катодов 7 и 8 с возможностью съема. Диализная мембрана 11 установлена в рамке 41.

Анод 6 выполнен единый (фиг.1 и 2) в виде намотки иэ серебряной проволоки на стержне 42, в торце которого вмонтированы катоды 7 и 8. из плати-. новой проволоки диаметром 0,08-0,2 мм.

Нижняя часть стержня 42 притерта к !О внутренней поверхности полости 2 корпуса 1.

Объем инкубационной камеры 10 выбирают в пределах 15-50 мм.

На фиг. 4 показано возможное реше- м ние связи диафрагмы 25 с валом сельсина 26.

На фиг. 5 показано возможное решение перекрытия торцов световодов 18 и 19 в блоке 20 осветителя оптическим 20 затвором 21.

На фиг; 6 показано возможное решение укрепления диализной мембраны 11 в рамке 41.

Оценка токсичности жидкости npepha 23 гаемым устройством осуществляется следующим образом.

При включении блока 32 электроники включается насос 38 подачи культуры, в качестве которой использовались од- у© ноклеточные водоросли хлорелла. Культура подается из культиватора 39 по трубке 37 через каналы 16 и 17 ввода культуры в части 14 и 15 инкубационной камеры 10. Так как объем инкуба" ционной камеры 10 порядка 30 мм, то через 10 с произойдет достаточное уплотнение культуры водорослей в час-тях 14 и 15 инкубационной камеры 10.

Плотность культуры,. необходимая для 4 работы устройства, составляет 180500 млн. клеток на 1 см (фиг.9). При этом питательная среда проходит через диалиэную мембрану 11, так как рамка 41 полностью перекрывает нижнюю часть инкубационной камеры 10 (фиг.6 ).

После этого включается насос 36 прокачки жидкости, который работает

20 с и генератор 33 ультразвука, при этом установлена частота 30 Гц. За это время возможные пузырьки воздуо ха контролируемой жидкости полностью отделяются от диализной мембраны !1 со стороны камеры 12 контролируемой жидкости. Химические вещества, соИ держащиеся в жидкости, проникают через диализную мембрану 11 внутрь инкубационной камеры 10 и воздействуют

4 8 на клетки водорослей в течение 1020 мин.

Ультразвук обеспечивает хорошее перемешивание культуры в инкубационной камере 10, активный транспорт токсиканта через диализную мембрану 11, а также повышает чувствительность клеток водорослей к химическому воздействию на них. Так как интенсивность ультразвука не более

10 мк Вт на 1 смЗ,. то клетки не повреждаются от ультразвукового воздействия.

Через 15 мин включается источник

30 света в блоке 20 осветителя и свет передается световодом, например световодом 18,в часть. 14 инкубационной камеры 10, в которой "запускается" фотосинтез водорослей, при этом происходит повышение растворенного кислорода. Через 12 мин в этой части

14 концентрация растворенного кислорода достигает некоторого стационарного уровня, равного в случае максимального освещения без ультразвука

16,5 мгО/л, а с ультразвуком стационарный уровень равен 40 (фиг.11).

На. фиг. 7 представлены характерные переходные процессы для водорослей хлорелла при включении и выключении света, при этом измерялась величина растворенного кислорода (1 облучающий свет, равный 5200 люкс, 2"3200 люкс, 3-2700 люкс, 4-400 люкс - беэ ультразвука). Поэтому в части

15 инкубационной камеры 10 величина растворенного кислорода равна нулю, так как в ней происходит процесс дыхания водорослей, т.е. водоросли потребляют и исчерпывают весь растворенный кислород (камера затемнена ).

После этого оптический затвор 21 с помощью электромагнита 22, который управляется через реле 23 времени блоком 24 управления, переключает свет на другой световод 19. Такое пе1 реключение обеспечивает начало фотоо синтеза в части 15 и процесса дыхания в части 14 инкубационной камеры 10. При этом с помощью..электрохимического датчика 3 растворенного кислорода в компараторе 27 формируется сигналы, пропорциональные скоростям процессов фотосинтеза и дыхания, а на его выходе - сигнал рассогласования этих скоростей (положительный - в случае, если фото-. синтез больше удвоенного дыхания, отрицательный - наоборот). Этот сиг957104 нал рассогласования поступает на вход блока 24 управления, который управляет сельсином 26. Сельсин 26, вал которого будет вращаться в ту или иную сторону в зависимости от знака сигнала рассогласования, будет закрывать или открывать оптическое окно диафрагмы 25 до тех пор, пока не будет выполнено условие: фотосинтез равен удвоенному дыханию 10 водорослей. Значение оптического окна диафрагмы 25 при этом фиксируется и носит информативный характер. Величина интенсивности света, падающе" . го на торцы световодов, изменяется 15 в пределах 200-8000 люкс. Это позволяет значительно менять активность фотосинтеза в широком диапазоне. На фиг. 8 показана световая зависимость активности фотосинтеза хло- щ реллы.

Переключение света с одного световода на другой осуществляется авто" матически через 100 с, а получаемые значения величины освещенности усред 25 няются. Это уменьшает возможную ошибку в измерениях за счет многократной оценки.

Так как исследуемая жидкость может иметь различную температуру, то необходимо этот факт учитывать. Хотя электрохимический датчик 3 растворенного кислорода автоматически термоскомпенсирован за счет того, что он имеет один общий анод 6 для всех катодов (в конкретном случае есть два катода 7 и 8 ), тем не менее необходимо термостабилизировать исследуемую жидкость. Это связано с тем, что температурный оптимум фотосинте-. за и дыхания имеет вид (фиг.10), на которой представлены температурные зависимости фотосинтеза - 1 и дыхания 2. Можно не стабилизировать температуру, но тогда необходимо вводить поправочный коэффициент, рассчитанный из этих графиков, что на практике довольно сложно (температурные зависимости снимались беэ ультразвука

Введение в устройство излучателя

34 ультразвука существенно повышает чувствительность. На фиг. 1.1 показаны переходные процессы для водорослей хлореллы при включении и выключении света с ультразвуком - 2 ., без ультразвука - 1 (частота ультразвука рав5 на 30 кГц).

Если в контролируемой жидкости находится какое-либо химическое вещест10 во, то клетки будут реагировать на них, при этом у них будет изменяться фотосинтез или дыхание, в зависимости от конкретного действия химических веществ на клетку. Так на фиг. 12 показана зависимость интенсивности света (отн.ед.) при условии что фотосинтез равен удвоенному дыха" нию от концентрации меди (ультразвук включен ). Видно, что в основном медь поражает фотосинтетический аппарат клетки.Иэ графика можно сделать вывод, что чувствительность устройства высокая. Она удовлетворяет требованиям, предъявляемым службами контроля Госводинспекции. В данном случае в качестве контроля служила дехлорированная водопроводная вода.

Для оценки относительной токсичности жидкости необходимо проводить анализ сначала на эталонной жидкости, например на питательной среде или дехлорированной водопроводной воде, а затем на исследуемой жидкости. Такой анализ займет,не более одного часа, что вполне удовлетворяет требованиям экспрессности проведения контроля.

После проведения анализа источник

30 света, ультразвуковой генератор

33 и блок 32 электроники выключаются.

Насосм 36 прокачивается промывочная жидкость (спирт, дистиллированная вода). При этом рамка 41 с диалиэной мембраной 11 выдвигается так, что между инкубационной камерой 10 и камерой 12 контролируемой жидкости нет границы раздела. После промывки все возвращается в- исходное положение и устройство готово к следующему циклу работы..

Предлагаемое устройство просто в изготовлении и не требует высококвалифицированного обслуживающего персонала. Оно может быть использовано в гидрохимических и гидробиологических лабораториях органов Госводинспекции, а также в лабораториях контроля состава сточных вод промышленных предприятий и автоматических- станциях контроля состава сточных вод.

Формула изобретения

1. Устройство фотоэлектрохимическое для оценки токсичности жидкости, корпус которого имеет полость с электрохимическим датчиком растворенного

11 95 кислорода,, включающую электролит и соединенные с усилителем анод и катоды, и отделенную газопроницаемой пленкой от инкубационной камеры, последняя отделена диализной мембраной от камеры контролируемой жидкости, причем инкубационнная камера разделена свето- и газонепроницаемой перегородкой на части равного обьема, каждой, из которых соответствует один из катодов и канал ввода культуры фотосинтезирующих микроорганизмов, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, экспрессности и воспроизводимости анализа, оно снабжено генератором ультразвука, излучатели которого введены в каждую часть инкубационной камеры, блоком осветителя со световодами, компаратором, блоком управления и реле времени, причем один иэ торцов световодов введен в каждую часть инкубационной камеры, другой перекрыт световым затвором блока осветителя

7104 12 соединенным с электромагнитом, который через реле времени подключен к первему выходу блока-управления, диафрагма-блока осветителя посредством сельсина подсоединена к второму выходу блока управления, а последний подключен к выходу компаратора, вход которого соединен с выходами усилителя.

10 2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что диалиэная мембрана установлена под углом к измерительной плоскости катодов.!

5 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Финаков Г. 3., Брант А. Б. . Применение амперометрического метода для исследования влияния света на уо кислородный обмен водных растений.

Деп. 11 2684 АН СССР. Ин-т биологической физики, г. Пушкино, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР

1г" 840738, кл. G 01 и 33/18, 1979.

957164

Составитель И. Клешнина .

Редактор О. Половка Техред M.Надь Корректор И.Коста т

Заказ 6589/32 Тираж 887 Подписное

6НИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )К-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4