Автореферат диссертации на соискание ученой степени
| Вид материала | Автореферат диссертации |
- Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 378.33kb.
- Автореферат диссертации на соискание учёной степени, 846.35kb.
- Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 267.76kb.
- Акинфиев Сергей Николаевич автореферат диссертации, 1335.17kb.
- L. в экосистемах баренцева моря >03. 02. 04 зоология 03. 02. 08 экология Автореферат, 302.63kb.
- Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 645.65kb.
- Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 678.39kb.
- Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 331.91kb.
- Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 298.92kb.
- Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 500.38kb.
На правах рукописи
КРАСНОВ
Валерий Анатольевич
Разработка информационных основ экспресс-диагностики качества факторов окружающей природной среды
030016 Экология (биологические науки)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Астрахань 2007
Работа выполнена в Астраханском государственном техническом университете
Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор, Якубов Шамас Абдрахманович.
Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор
Алыков Нариман Мирзаевич
доктор биологических наук, профессор
Сокольский Аркадий Федорович
Ведущая организация: Астраханская государственная медицинская академия им. А.В. Луначарского
Защита состоится 23 мая 2007 г. на заседании диссертационного совета Д 212.009.02 при Астраханском государственном университете по адресу: 414000, г. Астрахань, пл. Шаумяна, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГУ по адресу:
414000, г. Астрахань, пл. Шаумяна, 1
Автореферат разослан: «23» апреля 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета М.И. Пироговский
Актуальность проблемы. На рубеже двух тысячелетий сложившаяся напряженная эколого-генетическая обстановка вызывает ухудшение здоровья населения. Одной из первопричин при этом является нарушение переноса электронов к кислороду в процессе дыхания. В связи с этим, в качестве основного направления государственной политики в области экологической безопасности является получение достоверной информации о состоянии окружающей среды и совершенствование информационной системы управления природоохранной деятельности и охраны здоровья людей (Ленинджер А., 1985; Алтуфьев, Якубов, 1991, 2005; Якубов, 1995, 2000, 2005).
К настоящему времени только в водной среде выявлено более 5 млн. химических веществ, большинство из которых обладает мутагенным, канцерогенным и тератогенным эффектом. Более 150 тыс. из них это высокомолекулярные (60 тыс. и более D) поллютанты, вызывающие образование антител («причина») и необратимые нарушения процессов иммунитета («следствие»). При этом одним из основных механизмов защиты факторов окружающей природной среды и живых форм от загрязнений в настоящее время является их ПДК (предельно допустимые концентрации). На данный момент ПДК разработано только для 1600 химических веществ, и это без учета эффекта синергизма. Всё это свидетельствует о катастрофическом положении в экологии, медицине, пищевой биотехнологии и т.д., что требует скорейшего разрешения проблем защиты факторов окружающей природной среды, особенно тех, которые связаны со здоровьем людей, от отрицательных биотических и абиотических воздействий (Семенов и др., 1999, 2001; Лукьяненко и др., 2000, 2002; Алыков и др., 2004а, 2004б, 2004в; Сердюков и др., 1996, 1997; Ахиянц И.Л., 2003; Александрова М.А., 2004; Сокольский и др., 2004, 2005; Якубов и др., 1999, 2004, 2005; Алтуфьев и др., 1996, 2005).
Без скорейшей разработки и практического внедрения как информационных основ, так и самих экспресс-методов диагностики качества факторов окружающей природной среды, поставить тщательный и прочный заслон росту загрязнений водной среды, напитков, продуктов питания, и другой продукции химическими веществами-мутагенами крайне маловероятно и практически бесперспективно.
Целью нашей работы является разработка информационных основ функциональной, термодинамической методологии экспресс-диагностики качества факторов окружающей природной среды на нанотехнологическом уровне (уровне взаимодействия электронов) проб-образцов водной среды.
Задачи:
1. Экспериментально установить время релаксации спин-спинового (Т2), спин-решеточного (Т1) и их средних значений [(Т2+Т1)/2] взаимодействия электронов проб-образцов дистиллированной, природной (р. Волга, р. Казанка) и водопроводной (г. Астрахань, г. Казань) воды, «чистой» и с добавлением серы («А» - образец серы с газоконденсатного комплекса (условно чистая), «В» - образец серы, со станции Астрахань-II).
2. Проанализировать в экспериментальных условиях с помощью метода «ЯМР-релаксации» и метода «Мёллер-5» прямую и обратную калибровочную зависимость между временем релаксации Т2 и Т1 (сек-1) взаимодействия электронов проб-образцов воды и уровнем мутагенной активности загрязнений (%) данных проб-образцов.
3. Рассчитать экономическую эффективность практического внедрения молекулярно-генетического метода экспресс-диагностики качества водной среды на базе применения стационарного автоматизированного прибора «ЯМР-релаксации», сконструированного в Казанском государственном университете им. В.И. Ульянова-Ленина.
4. Обосновать эколого-генетическую целесообразность скорейшего внедрения в практику экологии, медицины, рДНК-биотехнологий, нефте-газового комплекса и т.д. функциональной, термодинамической методологии экспресс-диагностики качества на молекулярно-генетическом уровне на базе применения трех разновидностей приборов, позволяющих фиксировать время релаксации спин-спинового, спин-эхо и спин-решеточного взаимодействия электронов проб-образцов. Данные приборы работают по принципу импульсного когерентного ЯМР-спектрометра:
a. Специально сконструированного стационарного прибора в лаборатории «Ядерно-магнитного резонанса» Казанского государственного университета им. В.И. Ульянова-Ленина;
b. Стационарного, автоматизированного, серийного прибора ЯМР-релаксометра Minispec mq фирмы «Bruker Optic GmbH» (Германия);
c. Портативных переносных приборов «ЯМР-релаксации», работающих с учетом спин-эха электронов проб-образцов воды, при анализе их на выявление времени релаксации спин-спинового взаимодействия электронов.
5. Результаты экспериментальной оценки эффективности внедрения накопителя (активированный уголь), в качестве методического приема сбора исходного материала для измерения времени релаксации взаимодействия электронов проб-образцов (сек-1) и уровнем мутагенной активности загрязнений данных исходных проб-образцов (%).
Научная новизна. Новизна проведенных исследований связана с тем, что нами впервые разработан и применен скрининг метод выявления проб-образцов, содержащих загрязняющие вещества, обладающих эффектами мутагенеза трех порогов-уровней, основанных на показателях времени релаксации продольного (Т2) и поперечного (T1) взаимодействия электронов, имеющие три уровня воздействия: 1) условно допустимый, 2) условно обратимый, 3) условно необратимый. Данные разработки способствуют установлению надежного заслона против отрицательных антропогенных воздействий на окружающую природную среду, а следовательно, и на среду обитания человека.
Теоретическая ценность работы связана с тем, что разработан показатель функционального подхода к решению проблемы экспресс-диагностики эколого-генетической оценке в конкретно заданном регионе-водоеме и т.д. и качества продукции на молекулярно-генетическом уровне, уровне взаимодействия электронов (протонов) активного растворителя всего живого - воды.
Практическая ценность. Данная работа позволила выявить и научно-практически обосновать три порога мутагенности и средний показатель времени релаксации взаимодействия электронов проб-образцов, как спин-спинового, так и спин-решеточного взаимодействия, который не должен быть ниже 2,0 сек-1.
С помощью специально сконструированного прибора «ЯМР-релаксации», работающего по принципу импульсного когерентного ЯМР-спектрометра в свою блок-схему импульсный Фурье-накопитель импульсов, впервые нами выявлены показатели порогового времени релаксации взаимодействия электронов (протонов) проб-образцов воды для косвенной оценки уровня мутагенности их загрязнений, а именно:
1) 2,5÷2,0, сек-1, - первый порог (условно допустимый);
2) 2,0÷1,5, сек-1, - второй порог (условно обратимый);
3) 1,0÷0,5, сек-1, – третий порог (необратимый).
При этом третий порог, как и первые два условно, связан с нарушением процессов жизнедеятельности имеющий необратимый характер, ведущий к летальному исходу.
Кроме того, как практическая, так и теоретическая ценность данной работы связана с тем, что перспективностью внедрения основ информационных технологий (серия «биочипов») экспресс-диагностики качества на молекулярно-генетическом, т.е. наноуровне, в экологии, медицине и пищевой биотехнологии на базе предопределяющего факта о том, что в точке бифуркации при наличии диссипативных структур (прецессия, нутация и т.д.) поведения систем и подсистем при экспресс-диагностике качества, «разветвляется» и становится неоднозначным, поэтому без разработки и внедрения новейших информационных технологий принятие эффективного управленческого решения малоперспективно.
Разработанная калибровочная модель зависимости между двумя методами анализа качества, определяемого значениями уровня мутагенной активности (косвенный подход – через метод «ЯМР-релаксации» и прямой подход – через метод «Меллер-5») делает возможным широкомасштабное практическое применение инструментальных, физико-химических методов определения качества факторов окружающей природной среды, снимая ограничения, связанные с применением метода «Мёллер-5», основой которого служат живые тест-объекты. Это делает практически невозможным определение уровня мутагенной активности таких проб (факторов) как морская (солёная) вода, нефте- и газопродуктов, спирта, ликеро-водочной продукции и т.д.
Время проведения анализа проб-образцов на мутагенность методом «ЯМР-релаксации» сокращается в сотни раз (в среднем 1 час вместо 1 месяца) по сравнению с методом «Мёллер-5», а экономическая эффективность исчисляется в стоимостной форме в несколько миллионов рублей в год (средняя стоимость анализа одной пробы на мутагенность равна 500 долл. США).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Установить экспериментально-опытным путем средние значения времени релаксации спин-спинового (Т2) и спин-решеточного (Т1) взаимодействия электронов проб-образцов водной среды: дистиллированной, а также природной и водопроводной из гг. Астрахани и Казани, в которых содержались образцы серы (1:1000) из двух мест отбора: «А» - Аксарайск и «В» - Астрахань-II по формуле: [(Т2+Т1)/2], (сек-1) или (мсек-1). Проанализировать результаты анализа средних значений времени релаксации электронов проб-образцов трех марок пива «Красный Восток», «Балтика №3» и «Толстяк» с различными сроками хранения: 1 и 4 дня.
2. Промоделировать результаты экспериментальных данных прямой и обратной зависимости между временем релаксации взаимодействия электронов, полученных с помощью стандартизированного стационарного прибора ЯМР-релаксации, сконструированного в Казанском государственном университете и уровнем мутагенной активности (%) проанализированных проб-образцов, полученных с помощью метода «Мёллер-5» (метод учета частоты рецессивных летальных мутаций, сцепленных с половой Х-хромосомой).
3. Дать сравнительную экономическую оценку двух методов (прямого – «Мёллер-5» и косвенного – «ЯМР-релаксации») определение уровня мутагенной активности загрязнений факторов окружающей природной среды.
4. Обосновать эколого-экономическую целесообразность скорейшего внедрения информационных основ функциональной, термодинамической методологии экспресс-диагностики качества с использованием приборов, работающих по принципу импульсного когерентного ЯМР-спектрометра.
5. Рассмотреть возможность использования информационной технологии функциональной, термодинамической методологии экспресс-диагностики качества как основы Инновационно-Образовательной Программы, разработанной в АГТУ, в основе которой лежит применение современных физико-химических и молекулярно-генетических приборов исследования (в частности ЯМР-релаксометр Миниспек эм-кью).
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях: профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета (2003-2006 гг); I научно-практической конференции молодых ученых «Комплексные исследования биологических ресурсов южных морей и рек» (Астрахань, 2004); I Международной научно-практической конференции «Проблемы сохранения экосистемы Каспия в условиях освоения нефтегазовых месторождений» (Астрахань, 16-18 февраля 2005 г); VII Международной научной конференции «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря» (Астрахань, 13-14 октября 2004 г); VIII Международной научной конференции «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря» (Астрахань, 11-12 октября 2005 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, обзора литературы, описания материала и методов, 5 глав, содержащих описание результатов и обсуждения собственных исследований, заключения, выводов и научно-практических рекомендаций. Общий объем диссертации 180 страниц, 37 таблиц, 15 рисунков. Список литературы включает 250 источников, из них 193 иностранных.
Содержание работы
Глава I. Обзор литературы.
В данной главе приводится краткая физико-географическая характеристика мест исследования: Астраханская область и республика Татарстан; рассмотрены возможности применения системного анализа к информационным технологиям управления качеством воды; приведен анализ химических мутагенов водной среды, опасных для человека (как вещества, вызывающие необратимые изменения на молекулярно-генетическом уровне). На рисунке 1 приведена схема функционально зависимых блоков проведенных исследований 2000-2006 гг. Схема состоит из шести блоков: блок №1 характеризует обзор литературных источников о современном состоянии информационных технологий функциональной, термодинамической методологии экспресс-диагностики качества факторов окружающей природной среды на наноуровне; блок №2 указывает на выбор оптимально-приемлемых методов информационных, биометрических, а также общепринятых эколого-генетических исследований по оценке качества факторов окружающей природной среды; блоки №3 и №4 отражают сбор первичной (исходной) информации о времени релаксации спин-спинового и спин-решеточного взаимодействия электронов (метод «ЯМР-релаксации») и сравнение метода ЯМР-релаксации и метода «Мёллер-5»; блок №5 отражает обоснование экономической эффективности практического внедрения метода экспресс-диагностики качества на базе применения прибора «ЯМР-релаксации» (релаксометров); блок №6 показывает описание моделирования «прямой» и «обратной» калибровочной зависимости между методом «ЯМР-релаксации» и методом «Мёллер-5».
Внедрение функциональной, термодинамической методологии экспресс-диагностики качества факторов окружающей природной среды позволит минимизировать воздействие отрицательных антропогенных факторов на окружающую природную среду, включая рациональное природопользование, и здоровье населения.
Рис. 1. Схема функционально зависимых блоков проведенных исследований 2000-2006 гг
Глава II. Материалы и методы исследований
Исходным материалом для исследований являются образцы-проб воды: дистиллированной, водопроводной и природной из разных мест отбора, а именно вода водопроводная из г. Астрахани и вода водопроводная из г. Казани; вода природная из р. Волга (г. Астрахань), вода природная из р. Казанка (г. Казань). А также образцы серы двух типов: 1 - образец серы с газоконденсатного комплекса (п. Аксарайский, Астраханская область) далее обозначается литерой «А», 2 - образец серы, собранной вдоль ж/д полотна станции Астрахань-II далее обозначается литерой «В».
При проведении экспериментальных, эколого-генетических исследований по разработке и внедрению информационных основ методов экспресс-диагностики качества факторов окружающей природной среды, в первую очередь водной, и их обработке были использованы следующие методы:
1) Информационные (серия «биочипов», т.е. носителей информации о границах колебания изменчивости гомеостаза живых систем, при действии на них мутагенов);
2) Общепринятый, генетический метод «Мёллер-5»;
3) Инструментальный, физико-химический метод «ЯМР-релаксации»;
4) Общепринятая формула биометрической обработки, включая расчеты критериев достоверности различий между опытными вариантами и контролем – это критерий Стьюдента (t) и критерий Хи-квадрат по Фишеру;
5) Математическое моделирование с помощью линейных и полиномиальных уравнений.
Экспериментально полученные значения времени релаксации исследуемых проб-образцов отражены в таблице 1. Общее число экспериментально изученных проб составило 3958+1562=5520 (рис. 1).
Таблица 1
Исходные экспериментальные данные анализа времени релаксации взаимодействия электронов проб-образцов методом «ЯМР-релаксации», полученные на стационарном приборе ЯМР-релаксации (Казанский государственный университет, лаборатория «ЯМР», (зав. лабораторией д.х.н., профессор Захаров А.В. и зам. зав. лабораторией, к.х.н., доцент Штырлин В.Г.) (2003-2006 гг)
| Объект | T2, мc | T1, мc |
| «Балтика» | 2262.02±34.63 | 2421.08±41.11 |
| «Кр Восток » | 1997.97±8.40 | 2483.98±53.38 |
| «Толстяк» | 2247.30±35.97 | 2451.68±44.01 |
| «Дистил» | 2453.08±110.62 | 2711.57±20.32 |
| «Дистил S(А)» | 2216.28±32.29 | 2368.64±51.25 |
| «Дистил S(В)» | 2069.68±38.18 | 2577.05±30.05 |
| «Казанка» | 1614.58±12.44 | 2347.48±21.01 |
| «Казанка S(А)» | 1611.16±31.46 | 2346.97±31.28 |
| «Казанка S(В)» | 1630.75±25.75 | 2308.50±20.63 |
| «Природная» | 2347.71±10.42 | 2882.81±53.44 |
| «Природная S(А)» | 2485.44±103.88 | 2674.93±45.27 |
| «Природная S(В)» | 2480.03±73.52 | 2883.55±55.51 |
| «Водопровод К» | 2202.59±38.92 | 2859.66±15.94 |
| «Водопровод-К-S(А)» | 2087.10±30.48 | 2671.04±47.78 |
| «Водопровод-К-S(В)» | 2210.09±96.35 | 2788.00±27.43 |
| «Водопровод-Ac» | 2234.31±54.64 | 2608.06±31.33 |
| «Водопровод-Ac-S(А)» | 2315.84±70.32 | 2704.70±49.61 |
| «Водопровод-Ac-S(B)» | 2351.30±58.33 | 2538.14±50.72 |
| «Балтика» (на 4 день) | 2202.29±32.35 | 2543.34±22.19 |
| «Кр Восток» (на 4 день) | 2030.90±23.14 | 2307.47±34.66 |
| «Толстяк» (на 4 день) | 2294.73±45.60 | 2411.72±29.52 |
Условные обозначения, приведенные в таблице 1:
| «Ас» – г. Астрахань; |
| «К» – г. Казань; |
| «Дистил» - вода дистиллированная; |
| «Природная» - проба воды р. Волга, г. Астрахань |
| «Казанка» - проба воды р. Казанка, г. Казань |
| «S(А)» – проба серы с газоконденсатного комплекса («чистая») |
| «S(В)» – проба серы, собранная вдоль ж/д полотна станции Астрахань-II. |
| «Балтика» - пиво «Балтика №3»; |
| «Кр Восток» - пиво «Красный Восток»; |
| «Толстяк» - пиво «Толстяк. Крепкое» |