Методологические основы построения системы диагностических показателей для природно-технических систем

by

В.С. Лебединская, В.О. Смирнова

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения», РФ, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 67, лит. А

E-mail: varya.lebedinskaya@mail.ru

УДК  574.64:57.087.1                  

DOI: 10.33075/2220-5861-2026-2-32-40

EDN: https://elibrary.ru/rjjinl

Реферат:

Актуальность работы обусловлена необходимостью повышения объективности, оперативности и воспроизводимости биотестирования природных и сточных вод с использованием тест-объекта Daphnia magna. Существующий стандартизованный метод (ГОСТ Р 56236-2014), основанный на дискретном визуальном учёте иммобилизации дафний в течение 96 часов, характеризуется субъективностью оператора (коэффициент вариации 15–25%), потерей информации о сублетальных поведенческих реакциях и низкой оперативностью, что не позволяет своевременно реагировать на аварийные загрязнения. В работе обоснован переход от дискретного наблюдения к непрерывному автоматизированному анализу видеопотока, позволяющему регистрировать кинематические, траекторные, пространственные и физиологические диагностические показатели, включая частоту сердечных сокращений. Предложенные методологические принципы и система количественных показателей создают основу для создания портативного прибора биотестирования, обеспечивающего раннее обнаружение токсического эффекта (единицы минут вместо 96 часов) при высокой воспроизводимости (коэффициент вариации менее 7%). Для перспективного развития методологии предлагается: создание действующего прототипа прибора с оптическим каналом для регистрации частоты сердечных сокращений; расширение модели на многопараметрический анализ (одновременное использование поведенческих и физиологических показателей); разработка классификатора типов токсикантов на основе паттернов изменения fHR и кинематических параметров.

Ключевые слова: биотестирование, Daphnia magna, природно-техническая система, диагностические показатели, морфо-кинематические признаки, автоматизация контроля, скорость движения, частота смены направления, извилистость траектории, видеотрекинг

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Tkaczyk A. Daphnia magna model in the toxicity assessment of pharmaceuticals: A review / A. Tkaczyk, A. Bownik, M. Kowalczyk // Science of The Total Environment. 2021. V. 763. 143038 p. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.143038.
  2. Bownik A. Procaine penicillin alters swimming behaviour and physiological parameters of Daphnia magna / A. Bownik, M. Kowalczyk, J. Bańczerowski // Environmental Science and Pollution Research. 2019. V. 26. №. 18. P. 18662–18673. DOI: 10.1007/s11356-019-05255-2.
  3. Qin F. Toxicity response and swimming speed regularity in Daphnia magna after short-term exposure to diuron / F. Qin, N. Zhao, G. Yin [et al] // Toxics. 2025. V. 13. No. 5. P. 395. DOI: 10.3390/toxics13050395.
  4. Bownik A., Pawlik-Skowrońska B. Early indicators of behavioral and physiological disturbances in Daphnia magna (Cladocera) induced by cyanobacterial neurotoxin anatoxin-a // Science of The Total Environment. 2019. V. 695. 133913 p. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.133913.
  5. Krylov V.V. Non-invasive recording of heartbeats in Danio rerio and Daphnia magna to assess the toxicity of imidacloprid and glyphosate / V.V. Krylov, T.F. Lukyanov, V.I. Korzhevina // Comparative Biochemistry and Physiology Part C: Toxicology & Pharmacology. 2025. V. 287. 110075 p. DOI: 10.1016/j.cbpc.2024.110075.
  6. Kwon I.H. Real‑time heart rate monitoring system for cardiotoxicity assessment of Daphnia magna using high‑speed digital holographic microscopy / I.H. Kwon, I.Y. Kim, M.B. Heo // Science of The Total Environment. 2021. V. 780. 146405 p. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.146405.
  7. Олькова А.С., Медведева Е.В. Обработка видеоизображений Daphnia magna Straus (Cladocera, Crustacea) как основа автоматизированных методов биотестирования // Поволжский экологический журнал. 2023. № 3. С. 301–313. DOI:10.35885/1684-7318-2023-3-301-313.
  8. Kim J. New machine learning‑based automatic high‑throughput video tracking system for assessing water toxicity using Daphnia magna locomotory responses / J. Kim, H. Yuk, B. Choi // Scientific Reports. 2023. V. 13. No. 1. DOI: 10.1038/s41598-023-27554-y.
  9. Santoso F. Cardiovascular performance measurement in water fleas by utilizing high‑speed videography and ImageJ software and its application for pesticide toxicity assessment / F. Santoso, V.V. Krylov, A.L. Castillo // Animals. 2020. V. 10. No. 9. 1587 p. DOI: 10.3390/ani10091587.
  10. Bedrossiantz J. Heart rate and behavioral responses in three phylogenetically distant aquatic model organisms exposed to environmental concentrations of carbaryl and fenitrothion / J. Bedrossiantz, M. Faria, E. Prats [et al] // Science of The Total Environment. 2023. V. 865. 161268 p. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2022.161268.
  11. Смирнова В.О. Биотестовая система контроля качества воды при электрообработке: Дисс. канд. техн. наук (спец. 05.11.13). Санкт-Петербург: СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2012. 110 с.
  12. ПНД Ф Т 14.1:2:4.16-09. Методика определения токсичности питьевых, природных и сточных вод, водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов по изменению относительного показателя замедленной флуоресценции (ОПЗФ) культуры водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer). Москва. 2009. 45 с.
  13. ГОСТ Р 57166-2016. Вода. Определение токсичности по выживаемости пресноводных инфузорий Paramecium caudatum Ehrenberg. Введ. 2018-01-01. Москва: Стандартинформ. 2016. III. 16 с.
  14. ГОСТ Р 56236-2014. Вода. Определение токсичности по выживаемости пресноводных ракообразных Daphnia magna Straus. Введ. 2016-01-01. Москва: Стандартинформ. 2015. 44 с.
  15. ФР.1.39.2007.03222. Биологические методы контроля. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний. Москва: Акварос. 2007. 45 с.
  16. МР № ЦОС ПВ Р 005-95. Методические рекомендации по применению методов биотестирования для оценки качества воды в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения. Москва. 1995.

Loading