Билет 1
1. В чем суть количественного экологического мониторинга?
Мониторинг окружающей среды (экологический мониторинг) — система наблюдения, оценки и прогнозирования состояния окружающей человека природной среды. Конечная цель экологического мониторинга — оптимизация отношений человека с природой, экологическая ориентация хозяйственной деятельности.
Экологический мониторинг включает три основных направления деятельности:
-наблюдения за факторами воздействия и состоянием среды;
-оценку фактического состояния среды;
-прогноз состояния окружающей природной среды и оценку прогнозируемого состояния.
Основная цель мониторинга - максимально раннее предупреждение нежелательных последствий антропогенного воздействия.
Задачи мониторинга довольно широки. Необходимо не просто и не только наблюдать за изменениями в биосфере, но научиться предсказывать, прогнозировать нежелательные последствия вмешательства человека в установившееся природное равновесие. Помимо наблюдения задачами мониторинга являются также оценка состояния среды и прогнозирование ее изменений.
Количественная оценка экологического мониторинга
Основная задача экологических исследований состоит в накоплении, систематизации и анализе информации о количественном характере взаимоотношений между живыми организмами и средой их обитания с целью получения следующих результатов:
1. оценка качества изучаемых экосистем
2. выявление причин наблюдаемых и вероятных структурно-функциональных изменений биотических компонентов и адресная индикация источников и факторов негативного внешнего воздействия
3. прогноз устойчивости экосистем и допустимости изменений и нагрузок на среду в целом
Количественные характеристики воздействия
пространственные масштабы (локальные, региональные, глобальные);
единичность и множественность;
сила воздействия и степень их опасности (интенсивность факторов и эффектов; характеристики типа "доза - эффект", пороговость; допустимость по нормативным экологическим и санитарно-гигиеническим критериям; степень риска и т.п.)
2. "Микросистемы полного анализа" и "лаборатория на чипе".
Лаборатория на чипе
Лаборатория на чипе иначе микросистемы полного анализа (англ. lab-on-a-chip или micro total analysis systems сокр., LOC; µTAS) — миниатюрный прибор, позволяющий осуществлять один или несколько многостадийных (био) химических процессов на одном чипе площадью от нескольких мм2 до нескольких см2 и использующий микро- или наноскопические количества образцов для пробоподготовки и проведения реакций.
Для создания «лабораторий на чипе» (lab-on-a-chip, LOC) используются технологии фотолитографии, микро- и нанофлюидики), прецизионного конструирования, наносенсорики и др., применяемые в микроэлектромеханических системах (МЭМС). LOC отличаются от обычных биомикрочипов, выполняющих, как правило, одну реакцию (например, гибридизацию нуклеиновых кислот) возможностью осуществлять последовательные химические превращения исходных образцов, включая стадии разделения, концентрирования, смешивания промежуточных продуктов, перемещения их в различные реакционные микрокамеры и считывания конечных результатов.
Основные преимущества LOC заключаются в простоте их использования, высокой скорости проведения анализа, малом количестве образцов и реагентов, необходимых для получения результата, а также хорошей воспроизводимости результатов благодаря использованию стандартных технологий и автоматизированного оборудования в ходе изготовления и применения. В перспективе LOC смогут выполнять исследования, проводимые в настоящее время в специализированных лабораториях на дорогостоящем оборудовании, например, диагностику онкологических и инфекционных заболеваний непосредственно у постели больного или экспресс-анализ загрязнения окружающей среды в полевых условиях. Также существует перспектива будущего применения лабораторий на чипе в качестве микрореакторов в синтетической химии
3. Светящиеся бактерии в экологическом мониторинге.
Биолюминесцентные тесты
Имеющиеся интегральные биотесты с использованием живых организмов (парамеций, водорослей, дафний, рыб и т.д.) имеют ряд недостатков (трудоемкость, плохая воспроизводимость результатов, длительность анализа, трудности количественной оценки). Биотесты на светящихся бактериях дают количественную меру токсичности и часто превосходят известные биотесты по быстродействию, точности, чувствительности и простоте, позволяют контролировать одновременно значительное число токсикантов. Природные морские и наземные светящиеся бактерии, а также трансгенные штаммы микроорганизмов с клонированными в них lux-генами используются при изготовлении биолюминесцентных биотестов для оценки загрязнения природных водных источников, промышленных стоков и почв.
В основе этих методов лежит изменение интенсивности люминесценции биопрепаратов после воздействия того или иного анализируемого вещества. Концентрацию анализируемого вещества определяют, измеряя параметры излучения. Исходя из современных требований, предъявляемых к оценке токсичности веществ биолюминесцентным способом, можно определить общепризнанные в токсикологии параметры.
Такими параметрами являются:
· эффективная концентрация (ЭК50) - концентрация вещества, которая подавляет функцию люминесценции на 50%;
· пороговая концентрация (ЛК0) или уровень биологически безопасного разведения (УББР) - концентрация (разведение) исследуемого вещества, при достижении которой уровень свечения исследуемых растворов равен интенсивности свечения в контрольных кюветах.
Зад. Самосборка нанороботов и устройства адресной доставки лекарств.
Самосборка нанороботов
Нанороботы — роботы, размером сопоставимые с молекулой (менее 10 нм), обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ.
Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами.
Самосборка - это термин для описания процессов, в результате которых неорганизованные системы благодаря специфическому, местному взаимодействию компонентов систем приходят к упорядоченному состоянию. Самосборка бывает:
· статической
· динамической
В случае статической самосборки организующаяся система приближается к состоянию равновесия, уменьшая свою свободную энергию. В случае же динамической самосборки более корректным является использование термина "самоорганизация".
Самоорганизация (СО) в классических терминах может быть описана как спонтанная и обратимая организация молекулярных единиц в упорядоченную структуру с помощью нековалентных взаимодействий. Спонтанность означает, что взаимодействия, ответственные за образование самособранной системы, проявляются в локальных масштабах, другими словами, наноструктура строит саму себя. Самособранный монослой (ССМ) представляет собой упорядоченный слой амфифильных молекул, у которых один конец, или "головная группа" проявляют специфическое сродство к подложке монослоя.
Билет 2
1. Назовите основные методы количественной биологии и экологии.
Основные количественные методы экологии
Методическая основа современной экологии составляет сочетание системного подхода, натурных наблюдений, эксперимента и моделирования.
Количественные методы – измерения, расчеты, математический анализ.
1.Методы регистрации и оценки состояния среды - являются необходимой частью любого экологического исследования. Метеорологические наблюдения, определения показателей качества природной воды, определение состояния почв, измерения освещенности, радиационного фона, напряженности физических полей, определение химической и бактериологической загрязненности среды. К этой группе методов относятся мониторинг – периодическое или непрерывное слежение за качеством окружающей среды. При этом используются современные методы физико-химического анализа, биоиндикация (использование для контроля состояния среды организмов, особо чувствительных к изменениям среды и к появлению в ней вредных примесей), дистанционного зондирования, телеметрии и компьютерной обработки данных.
2.Методы количественного учета организмов - оценки биомассы и продуктивности растений и животных лежат в основе изучения природных сообществ. Для этого применяются подсчеты особей на контрольных площадках. В объёмах воды или почвы, маршрутные учеты, отлов и мечение животных, наблюдения за их перемещениями с помощью телеметрии и другие средства вплоть до аэрокосмической регистрации, численности стад, скоплений рыб, густоты древостоя, состояния посевов и урожайности полей. 3.Методы имитационного моделирования - основные на применении современной вычислительной техники. Все большее значение приобретают такие новые компьютерные методы, как применение технологии нейронных сетей и аппарата теории нечётких множеств. Быстро совершенствуются приёмы глобального моделирования, доведенные до моделей, основных на проблемно – прогнозном подходе. Они позволяют рассматривать варианты сценариев и строить обоснованные прогнозы глобального развития. 4.Методы прикладной экологии быстро развиваются. С её помощью можно осуществлять:
Создание геоинформационных систем и банков экологической информации, относящихся к различным регионам, территориям, ландшафтам, агросистемам, промышленным центрам, городам;
Комплексный эколого – экономический анализ состояния территорий для целей экологической диагностики и оздоровления экологической обстановки;
Проводить инженерно – экологические изыскания. Необходимые для оптимального размещения, проектирования, строительства и реконструкции гражданских и хозяйственных объектов;
Проводить экологически ориентированное проектирование хозяйственных и гражданских объектов, основанное на принципах и расчетах экологического соответствия;
Снижать коэффициенты вредного действия производственных комплексов, процессов, устройств и изделий
5.Метод исследования влияния факторов среды на жизнедеятельность организмов – наиболее разнообразная группа методов экологии. В лабораторных условиях регистрируется воздействие контролируемого фактора, функции растений и животных. Этим путем устанавливаются оптимальные или граничные условия существования. Так определяются критические или летальны дозы химических и других агентов, по которым рассчитывают предельно допустимые концентрации и воздействия, лежащие в основе экологического нормирования. Экология смыкается с физиологией, биохимией, токсикологией.
Эта экспериментальная техника и методы используются при определении устойчивости экосистем и изучении адаптаций – приспособлений растений, животных и человека к различным условиям среды. 6.Методы изучения взаимоотношений между организмами в сообществах – часть системной экологии. Натурные наблюдения и лабораторные исследования пищевых отношений, пищевого поведения с применением метода «меток» радиоактивными изотопами.
Можно определить, какое количество органического вещества переходит от одного звена пищевой цепи к другому: от растений – к травоядным, от них – к хищникам.
7.Экспериментальная методика создания и исследования искусственных сообществ и экосистем, т.е. лабораторное натурное моделирование взаимодействий организмов друг с другом и с окружающей средой.
Создают искусственные, частично замкнутые самоподдерживающиеся многовидовые системы. 8.Кибернетические исследования и методы математического моделирования используют для управления и прогнозирования. Существуют близкие к реальным процессам математические модели техногенных эмиссий, распространения загрязнителей в атмосфере, самоочищения реки; экологических процессов.
2. Биочипы. Получение гибридизационных микро и наночипов.
Биочип - это микроматрица различных соединений, главным образом биополимеров,
иммобилизованных на поверхности стекла, в микрокаплях геля, в микрокапиллярах и т.п. Эффективность биочипов обусловлена возможностью параллельного проведения огромного количества специфических реакций и взаимодействий молекул биополимеров, таких как ДНК, белки, полисахариды и др. Биочип позволяет получить огромное количество биологической информации. На пластине биочипа наносится до нескольких тысяч различных микротестов (биологические макромолекул - ДНК, белков, ферментов), способных избирательно связывать вещества, содержащиеся в анализируемом растворе. Обычно технология биочипа основана на принципе высоко специфического взаимодействия нуклеиновых оснований. В ходе реакции происходит взаимодействие комплементарных цепей ДНК: одна из них (ДНК-проба) с известной последовательностью нуклеотидов зафиксирована на подложке, а другая одноцепочечная ДНК-мишень (зонд), меченная флуоресцентной меткой, вносится в ДНК-чип. На рис. 6.3.1 показан принцип действия ячейки ДНК или олигонуклеотидного биочипа, основанный на комплементарных взаимодействиях основания аденина (А) с тимином (Т) или/и гуанина (G) с цитозином (С) в двух нитях ДНК. Если последовательность оснований в одной нити ДНК (или олигонуклеотида) полностью комплементарна последовательности другой нити, то образуется стабильная двухнитчатая спираль - дуплекс. Однако присутствие в дуплексе даже одной неправильной пары, например G-G, предотвращает образование дуплекса. Если иммобилизовать в одном из элементов микрочипа специфическую одноцепочечную ДНК или, положим, олигонуклеотид (пробу) содержащий 20 оснований, то при добавлении к микрочипу меченных флуоресцентными красителями фрагментов ДНК, например генома человека, будет происходить их высокоспецифичное взаимодействие. Заданный олигонуклеотидный элемент биочипа специфически свяжет только одну комплементарную последовательность из 420≈1.09H1012 всех возможных последовательностей этой длины в ДНК. В результате флуоресцентное свечение наблюдается только на этом комплементарном элементе биочипа. Таким образом, один элемент биочипа производит одну выборку примерно из множества возможных вариантов.
Билет 3
1. Современные технологии экологического мониторинга. Привести содержательные примеры.
Методы экологического мониторинга
В зависимости от точности результатов, которые необходимо получить при проведении мониторинга по тому или иному компоненту, явлению, процессу, от среды, в которой проходят исследования, доступных финансовых и других средств, используют различные методы мониторинга.
Основные методы:
1.Аэрокосмические
2.Наземные
1.Аэрокосмические методы
Аэрокосмические (дистанционные) методы экологического мониторинга. Аэрокосмический метод — система наблюдения при помощи самолетных, аэростатных средств, спутников и спутниковых систем.
1.1.Космический экологический мониторинг
Как известно, антропогенное воздействие на окружающую среду приводит к возникновению масштабных трудноразрешимых противоречий между интересами развития производства и сохранением природы, поскольку в результате интенсивного использования природных ресурсов происходит разрушение природных систем и интенсивное загрязнение среды.
Еще в Стокгольме на Первой Международной конференции ООН по оценке состояния природной среды в 1972 г. было признано, что экологическое состояние природной среды в промышленных странах стало угрожать не только здоровью населения, но и самому существованию человечества. Решение этих проблем, возникающих в связи с катастрофическим ухудшением окружающей природной среды, занимает сейчас центральное место при выработке стратегии экологически устойчивого социально-экономического развития промышленно развитых стран, в том числе и России. В последние годы в круг фундаментальных исследований проблем экологии территории России широко вовлечены космические методы контроля состояния экосистем.
Появление глобальной компьютерной сети Интернет и разработка передовых информационных технологий открыли новый этап развития космического экологического мониторинга. Особенностью нового этапа является широкое использование телекоммуникационной инфраструктуры, а также гипертекстовых и интерактивных информационных технологий, которые чрезвычайно перспективны в дистанционном мониторинге состояния окружающей среды. Актуальной является также проблема интегрирования национальных информационных ресурсов по окружающей среде, создание региональных баз данных и расширение электронных коллекций по результатам космического экологического мониторинга.
Развитие технологий наблюдения из космоса, создание инфраструктур спутникового экологического мониторинга регионов России наряду с разработкой экологической системы контроля в реальном масштабе времени призваны сыграть ключевую роль в обеспечении безопасности окружающей среды и устойчивого развития экономики России.
В связи с этим создаются Центры космического мониторинга (ЦКМ), которые осуществляют оперативный контроль состояния окружающей среды и природных ресурсов (например, Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск), создают многоуровневые информационные системы пространственно-временного мониторинга состояния окружающей среды, включающие технические и программные средства сбора, обработки, анализа и хранения спутниковой информации.
1.2.Спутниковый экологический мониторинг
Во всем мире исследования Земли из космоса приобретают всеобъемлющий характер. Наиболее информативным методом для решения задач дистанционного исследования поверхности Земли из космоса является использование и тематический анализ изображений, полученных приборными комплексами различных частотных диапазонов, установленных на космических аппаратах.
Целый ряд спутников, оснащенных приборами дистанционного зондирования (радиолокаторами, скаттерометрами, радиометрами и оптической техникой), выведены на орбиту специально для получения разносторонней геофизической информации, необходимой для оценки состояния окружающей среды и для природо-ресурсных исследований.
Дистанционные методы делят на активные и пассивные.
При использовании активных методов спутник посылает на Землю сигнал собственного источника энергии (лазера, радиолокационного передатчика), регистрирует его отражение. Радиолокация позволяет «видеть» Землю сквозь облака.
Чаще используются пассивные методы, когда регистрируется отраженная поверхностью энергия Солнца либо тепловое излучение Земли.
1.3.Компьютерные методы обработки спутниковых данных
Целью обработки данных дистанционного зондирования (ДЗ) является получение снимков или изображений с требуемыми радиометрическими и геометрическими характеристиками. Рассмотрим основные этапы обработки данных.
В общем случае обработка данных дистанционного зондирования включает три этапа:
1. предварительная обработка — прием спутниковых данных, запись их на магнитный носитель, декодировка и корректировка, преобразование данных непосредственно в изображение или космический снимок или в форматы, удобные для последующих видов обработки;
2. первичная обработка — исправление искажений, вызванных нестабильностью работы космического аппарата и датчика, а также географическая привязка изображения с наложением на него сетки координат, изменение масштаба изображения и представление изображения в необходимой географической проекции (геокодирование);
3. вторичная (тематическая) обработка — цифровой анализ с применением статистических методов обработки, визуальное дешифрирование и интерпретация в интерактивном или полностью автоматизированном режиме. Первый и второй этапы обработки в настоящее время могут быть выполнены на борту космического аппарата.
2.Наземные методы экологического мониторинга
Физико-химические методы
-Качественные методы. Позволяют определить, какое вещество находится в испытуемой пробе.
-Количественные методы.
-Гравиметрический метод. Суть метода состоит в определении массы и процентного содержания какого-либо элемента, иона или химического соединения, находящегося в испытуемой пробе.
-Титриметрический (объемный) метод. В этом виде анализа взвешивание заменяется измерением объемов, как определяемого вещества, так и реагента, используемого при данном определении.
Методы титриметрического анализа разделяют на 4 группы:
а) методы кислотно-основного титрования;
б) методы осаждения;
в) методы окисления-восстановления;
г) методы комплексообразования.
-Колориметрические методы. Колориметрия — один из наиболее простых методов абсорбционного анализа. Он основан на изменении оттенков цвета исследуемого раствора в зависимости от концентрации. Колориметрические методы можно разделить на визуальную колориметрию и фотоколориметрию.
-Экспресс-методы. К экспресс методам относятся инструментальные методы, позволяющие определить загрязнения за короткий период времени. Эти методы широко применяются для определения радиационного фона, в системе мониторинга воздушной и водной среды.
-Потенциометрические методы основаны на изменении потенциала электрода в зависимости от физико-химических процессов, протекающих в растворе. Их разделяют на:
а) прямую потенциометрию (ионометрию);
б) потенциометрическое титрование.
Биоиндикационные методы экологического мониторинга. Биоиндикация — метод, который позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов-биоиндикаторов. Биоиндикаторы — организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Условия, определяемые с помощью биоиндикаторов, называются объектами биоиндикации
2. Твердофазная, жидкостная и микрофлюидная экстракция. Приведите не-сколько примеров.
Твердофазная экстракция
Твердофазная экстракция (ТФЭ )— разделение твердофазных смесей с использованием твердых сорбентов. В аналититческой химии используется для пробоподготовки.
Целевое вещество для анализа (аналит) сорбируется из матрицы и вымывается растворителями (экстрагируется). ТФЭ сокращает время пробоподготовки, уменьшает расход растворителей и поднимает точность анализа.
Основные цели ТФЭ:
очистка пробы от нежелательных примесей,
концентирование компонентов пробы,
перевод компонентов пробы на другую матрицу.
Основные методы ТФЭ:
одностадийная очистка, когда все нежелательные компоненты пробы собираются на сорбенте, а аналит собирается
двухстадийная очистка и концентрирование, когда проба наносится на патрон вместе с нежелательнимы примесями, а потом с помощью более сильного элюента смывается аналит. Все нежелательные примеси остаются на сорбенте.
трехстадийная очистка и концентрирование: на первом этапе все компоненты наносятся на патрон, на втором смываются легкие нежелательные компоненты, на третьем смывается аналит. Все тяжелые нежелательные примеси остаются на сорбенте