Biologické systémy včasného
varování –
BIOTESTY PRO KONTINUÁLNÍ
DETEKCE TOXICITY
BM pro MU
2019
Dle pokročilosti designu testovacího
systému (Také 4 generace biotestů)
• 1. generace -klasické (standardní)
• 2. generace -mikrobiotesty
• 3. generace -biosenzory, biosondy a biomárkry
• 4. generace – on-line systémy s dálkovým
přenosem dat
Kontinuální on-line monitoring
❖Běžné sledování jakosti – vodohospodářský info portál – vegetační období
❖Účel sledování!
❖ kvantitativní (srážky, průtoky)
❖ kvalitativní (analyzátory, měřící sondy, vzorkovače)
❖ management krizových situací
❖ Zajištění kvalitních podkladů pro rozhodování – sledovat měřená data,
práce s daty, nastavení mezních hodnot, sms….
Porovnání vybraných technologií pro on-line monitoring
výhody a omezení
Senzor Výhody Omezení
YSI • Simultánní měření vodivosti,
teploty, kyslíku, zákalu,
chlorofylu, fykocyaninu,
hloubky, pH
• Okamžité měření s dobrou
citlivostí pro přírodní hladiny
• Ideální jako „early warning“
systém pro vodní květ
• Omezení měřených
parametrů
• Čištění senzorů
• biofilm
UV-VIS s:can
spectro:lyser
• Monitoring široké škály kapalin
• Měření parametrů včetně
CHSK, BSK, NO3, NO2, ozon,
zákal
• Zanášení průtočné cely
S:can Water
Quality
Monitoring
Station
• Pro odpadní, pitné i povrchové
vody
• Měření několika parametrů
• Kolorimetrická měření
nejsou příliš citlivá
• čištění
Měření:
•pH/ORP
•Vodivost
•Teplota
•Zákal
•Chlorofyl
•Fykocyanin
•Kyslík
YSI 6006 a telemetrická stanice
Výstup on-line monitoringu (zvýšené hodnoty zákalu v době
vypuštění aktivovaného kalu z ČOV)
Výstup on-line monitoringu (zvýšené hodnoty zákalu a chlorofylu po dešťové události)
Daphnia-toximeter
• speed measurements: average
speed/speed distribution
• behaviour observation:swimming
height
• fractional dimension:measurements
for turns and circling movements,
curviness
• growth observation:
• determination of daphnia
Real-time biomonitoring (RTB) for continuous FISH behavioural analysis.
A high-performance instrument for the detection of toxins in water.
• Continuous analysis of live video
images enables rapid determination of
the behaviour and health of the fish
speed (up to 20 fishes)
behaviour (height, turns, circular motion, etc.)
determination of size
no. of active
bbe Algae Toximeter
• PRŮTOČNÁ KULTIVACE – fluorescenční
kvantifikace BIOMASY řas
FluoroProbe
• Výrobce: bbe-Moldaenke, Kiel, Německo
• Fluorescenční sonda umožňující přímé stanovení množství fytoplanktonu ve
vodě
• Fykoplankton
Zelené řasy (chlorofyl a/b, karotenoidy)
Sinice (fykocyanin)
Rozsivky, obrněnky (fukoxanthin, peridinin)
Skrytěnky(fykoerythrin, chlorofyl a,c)
• Princip: měření fluorescenčních excitačních spekter pigmentů
charakteristických pro jednotlivé skupiny fytoplanktonu
• 5 LED diod (450, 525, 570, 590 a 610 nm) - každá skupina zanechá
charakteristický “otisk” svého spektra
Fluoro Probe
FluoroProbe - ukázka grafu
Detekce cyanobakterií
+
• Možnost on-line
sledování
• Detekce všech produktů
sinic
•
Problém s detekcí
extracelulárních toxinů
Detekce cyanobakterií a cyanotoxinů
Kombinace vhodně se doplňujících
přístupů a metodik
+
Detekce cyanobakterií a cyanotoxinů
Cyanobakterie
• Citlivý on-line fluorometr
pro selektivní detekci a
kvantifikaci sinic a řas
Cyanotoxiny
• Akutní biotest s korýši
založený na intenzitě
příjmu potravy
AOM: Algal Online Monitor
• 2 zdroje excitačního záření
(450, 590 nm)
• emisní detektor pro chl-a
(fotodioda s detekčním pásem
660-750nm)
• aktinické/saturační světlo (0 až
3,000 µmol(photonů)/m².s
• RYCHLÁ INDUKČNÍ
KŘIVKA
Fo, Fm, Fv/FM, OJIP, FixArea...
HODNOCENÍ
• množství biomasy sinic a řas
(chl-a, µg/L)
• fyziologický stav buněk
PRINCIP
• fluorescence chl-a
• rychlá indukční křivka chl-a
• kontinuální měření
• vysoká citlivost
• přenos dat přes GSM
• PSI, Photon System
Instruments, Brno
ALGAL ONLINE MONITOR
AOM – Algae Online Monitoring
FLUORESCENCE A FYTOPLANKTON
fluorescence chl-a a přídatných
pigmentů
potenciál pro rozlišení různých
spektrálních skupin fytoplanktonu
640 - 690590 - 630PhycocyaninCyanobacteria
640 - 690400 - 530ChlorophyllChlorophyta
EMISE (nm)
EXCITACE
(nm)
PIGMENTSKUPINA
Kvantifikace AKTIVITY řas
1] by the terms and
fluorescence
parameters of the
slow kinetics
2] by calculating definite integral
residual (complementary area)
from fast and slow kinetic records
of fluorescence
CÍL: OVĚŘENÍ AOM V TERÉNU
• Jundrov
• VN Mostiště
• VN Vír
• kontinuální měření
• přenos dat přes
GSM
KALIBRACE AOM
Raphidocelis subcapitata
Microcystis aeruginosa
Fblue= 624 415*R+25 305*S+86 976
Fambre= 155 296*S+74 589*R-250
132
výpočet kalibračních rovnic ze
soustavy rovnic
S = sinice
R = eukaryotické řasy
Kalibrace: RAPHIDOCELIS SUBCAPITATA
y = 74589x - 9273,5
R2
= 1
y = 624475x + 120729
R2
= 0,9997
0
10 000 000
20 000 000
30 000 000
40 000 000
50 000 000
60 000 000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FluoroProbe Chlorophyl-a (ug/L)
AOM-Fluorescence(r.u.)
Kalibrace: MICROCYSTIS AERUGINOSA
y = 155269x - 240859
R2
= 0,9825
y = 25305x - 33753
R2
= 0,9852
0
2 000 000
4 000 000
6 000 000
8 000 000
10 000 000
12 000 000
14 000 000
0 10 20 30 40 50 60 70 80
FluoroProbe Chlorophyl-a (ug/L)
AOM-Fluorescence(r.u.)
LIMIT DETEKCE A KVANTIFIKACE
• vychází z měření blanku, odvíjí se od
směrodatné odchylky
LIMIT VÝPOČET
MICROCYSTIS RAPHIDO
buňky
(počet)
chl-a
(µg/L)
buňky
(počet)
chl-a
(µg/L)
detekce 3 σ 200 0,020 25 0,015
kvantifikace 10 σ 650 0,070 80 0,050
ONLINE MĚŘENÍ – VN
Mostiště
AOM - vodárenská nádrž MOSTIŠTĚ, 16. - 18.9.2009
0
5
10
15
20
25
30
0:07
2:08
4:08
6:09
8:10
10:10
12:11
14:12
16:12
18:13
20:14
22:14
0:15
2:16
4:16
6:17
8:18
10:19
12:20
14:22
16:21
18:22
20:22
22:23
0:24
2:24
4:25
6:25
8:25
10:25
12:28
14:28
16:29
18:29
20:30
22:30
čas
chlorofyl-a(ug/mL)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
maxkvantovývýtěžek
fotochem.procesů
AOM sinice
AOM řasy
FPsinice
FPřasy
Fv/Fm_červená
16. září 2009 17. září 2009 18. září 2009
• dominanta: Staurastrum
• cirkadiální rytmus fytoplanktonu
• vysoký max. kvantový výtěžek fotochem. procesů řas (cca
0,7)
• nadhodnocení sinic způsobeno kalibrací
ONLINE MĚŘENÍ – VN Vír
AOM - vodárenská nádrž VÍR, 29.9., 7.10., 16.10. 2009
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
0:01
2:02
4:04
6:07
8:09
10:13
12:15
14:17
16:21
18:24
20:26
22:28
0:16
2:18
4:20
6:24
8:27
10:30
12:32
14:34
16:39
18:41
20:44
22:46
0:06
2:08
4:10
6:13
8:16
10:20
čas
chlorofyl-a(ug/mL)
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
maxkvantovývýtěžek
fotochem.procesů
AOM sinice
AOM řasy
Fv/Fm_červená
Fv/Fm_modrá
29. září 2009 07. říjen 2009 16. říjen 2009
• dominanta: Microcystis (kolonie)
• čerpání vody jen v určitém čase
• zachyceno klesání sinic (16.10.)
• nízký max. kvantový výtěžek fytoplanktonu
KORELACE AOM:
chl-a (FP), počet buněk (mikroskop)
Mostiště, POČET BUNĚK X AOM CHLOROFYL-A (ug/L), N=9
y = 0,0109x + 12,104
R2
= 0,6737
20
22
24
26
28
30
32
700 900 1 100 1 300 1 500 1 700 1 900
Počet buněk/mL
AOM(ugchl-a/L)
Mostiště, TOTAL CHLOROFYL-A (ug/L), N=9
y = 1,0727x + 4,7388
R2
= 0,6937
20
22
24
26
28
30
32
34
15 17 19 21 23 25
FluoroProbe
AOM
Sečteno…
• AOM provozuschopné v různých podmínkách, on-line
měření, dálkový export dat do laboratoře
• Kvantita biomasy, rozlišení sinic a řas, fyziologický stav
(indukovaná fluorescence chl-a)
• Interpretace Kautského křivky – zkušenosti
• Velmi nízké limity detekce/kvantifikace: early warning
system
Závěry
• systémy on-line monitoringu jsou
vyvíjeny
• Jsou komerčně dostupné
• Dávají mnoho dat….
• Nutná kontrola (extrapolace, ÚDRŽBA!!!)
• Sofistikovaná interpretace nutná
• Významně pomáhají hlídat havárie i
pochopit procesy v ekosystému