CC BY
37
13. Овезгельдыев, А.О. Синтез и идентификация моделей многофакторного оценивания и оптимизации / А. О. Овезгельдыев, Э. Г. Петров, К. Э. Петров. - К.: Наук. думка, 2002. 164 с.
Сведения об авторе Сергей Васильевич Шевченко
канд. техн. наук, проф. каф. Программной инженерии и информационных технологий управления Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт» Украина, Харьков
Эл. почта: s.v.shevchenko55@gmail.com
Information about author
Sergey Vasilijevitch Shevchenko
PhD in technical science, professor of department ofprogram engineering and information technologies of management
National technical university "Kharkiv Polytechnical Institute " Ukraine, Kharkiv
E-mail: s.v.shevchenko55@gmail.com
УДК 581.192.546 Я.В. Саванина1, Е.Л. Барский1, И.А. Фомина2, Е.С. Лобакова1
ГРНТИ 34.27.49 Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова
2Департамент Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Центральному федеральному округу
ФИТОПЛАНКТОН В: БИОМОНИТОРИНГЕ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ВОЗМОЖНОСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ ИССЛЕДОВАНИЙ.
В статье предлагается ряд подходов к биомониторингу природных водоемов и водотоков с использованием фитопланктонных организмов. Анализируются преимущества и недостатки стандартных и интегральных тест-параметров с точки зрения чувствительности и возможности автоматизации исследований.
Ключевые слова: водная токсикология, биоиндикация, биотестирование, микроводоросли, циа-нобактерии, иммобилизованные культуры, показатель АР, pH, Eh, статистический анализ
Ya.V. Savanina1, E.L. Barsky1, I.A. Fomina2, E.S. Lobakova1
1M.V. Lomonosov Moscow State University 2The Department of the Federal service for supervision in the field of environmental management in the Central Federal district
BIOMONITORING OF POLLUTION OF THE AQUATIC ENVIRONMENT WITH THE USE OF PHYTOPLANKTON: POSSIBILITY OF AUTOMATION RESEARCH.
The article proposes a number of approaches to biomonitoring of natural reservoirs and watercourses using phytoplankton organisms. The advantages and disadvantages of standard and integrated test parameters are analyzed in terms of sensitivity and the possibility of automating research.
Keywords: aquatic toxicology, bioindication, biotesting, microalgae, cyanobacteria, immobilized cultures, index AP, pH, Eh, statistical analysis.
Введение
В последние десятилетия в системе мониторинга поверхностных пресных вод помимо норм ПДК часто используют понятие биологического контроля. Основными его направлениями являются: 1) биоиндикация - выявление последствий уже состоявшегося загрязнения водного объекта по функциональным и морфологическим показателям его обитателей или по видовым характеристикам сообщества и 2) биотестирование - оценка качества окружающей среды по реакциям или поддающимся учету характеристикам организмов, находящихся в этой среде, обычно - в кратковременных испытаниях [1, 2].
Материалы и методы
В качестве тест-объектов использовали культуры:: 1) свободноживущей одноклеточной циа-нобактерии 8упесЬососст sp. PCC 6301 (далее в тексте 8упесЬососст 6301); 2) нитчатой гетеро-
Информационные технологии в науке, образовании и управлении цистообразующей цианобактерии Anabaena variabilis ATCC 29413; 3) зеленой микроводоросли Desmodesmus sp. штамм 3Dp86E-1, полученных из музея кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. Истощение культур и последующие токсикологические эксперименты проводили, как описано [3, 4]. Для поддержания однородности популяций инокулят брали из пересеваемой культуры.
Для оценки влияния уровня загрязнений на физиологические показатели тест-культур исследовались пробы природных поверхностных вод (включая водотоки). Выбор точек отбора проб (на основании экспериментальных данных предоставленных МГУП «Мосводоканал») был определен заведомо разной степенью загрязнения водотока, связанной с наличием (или отсутствием) загрязняющих стоков сельскохозяйственных и промышленных предприятий и с разной скоростью протока воды. Отбор проб в природных водоемах производили в соответствии с общепринятыми методами [3,5].
В лабораторных экспериментах использовали пластиковые бутыли объемом 0,5 и 1,5 л.
В полевых условиях мешки из диализной мембраны в защитных пластиковых чехлах с отверстиями для водообмена погружали в водоем; для «контрольных» культур в лаборатории соблюдались максимально приближенные условия по температуре и освещенности.
Основными измеряемыми параметрами при оценке состояния клеток цианобактерии-биоиндикатора служили величина разности дихроичных отношений полос поглощения белков целых клеток цианобактерий и их внешних структур (показатель АР) при использовании метода спектроскопии внутреннего отражения в ИК диапазоне в поляризованном свете, а также электрохимические параметры среды культивирования, рН и Eh. [3,6].
Статистический анализ проводился в 2 этапа. На первом этапе проверялась гипотеза о нормальности распределения результатов измерений для каждой из выборок. Если распределение исходных данных было отлично от нормального, использовались методы дисперсионного анализа (Analysis of Variance, ANOVA) и непараметрические критерии Kruskal-WalHs test, Brown-Mood test. За величину статистической значимости принимали я=0,05 [4, 7].
Обсуждение результатов
Фитопланктонные организмы в настоящее время широко используются для оценки состояния водных систем. В наших экспериментах при сравнении двух подходов к биомониторингу:: биотестирования с использованием диализных культур цианобактерий и биоиндикации с использованием автохтонного фитопланктонного сообщества исследуемых водоемов [4] лучшие результаты показали методики биотестирования. Выявляемый с помощью биоиндикации [4, 8] эффект является итоговой характеристикой токсикологических свойств водной среды конкретного загрязняемого водоема за некоторый промежуток времени и не дает ее оценки на момент исследования. А в холодное время года системы биологической индикации вообще не могут быть применены.
Тест-объект выступает в роли прибора, выявляющего интегральный биологический эффект комплекса неблагоприятных экологических факторов, в том числе и химической природы. К числу преимуществ биотестирования относятся оперативность и чувствительность. [1,2]. Обнаруженный при биотестировании эффект однозначно сигнализирует о присутствии вредоносного фактора, но отсутствие эффекта еще не гарантирует безвредности пробы. Кроме того, применяемые в практической работе методы токсикологического контроля, из-за их кратковременности, не позволяют оценивать более поздние эффекты загрязнения.
Как нам представляется, предлагаемые в данной статье методические подходы позволят снизить влияние указанных особенностей осложняющих правильность оценки качества вод в природных водоемах.
Для стандартизации физиологических откликов целесообразно использовать однородные популяции, чаще всего используются альгологически чистые культуры одноклеточных зеленых водорослей; также используются и цианобактерии [8,9].
Основным тест-организмом в наших экспериментах служила цианобактерия Synechococcus sp. РСС 6301. Критериями отбора служили особенности ее морфологического строения (мелкие одиночные овальные клетки), высокая скорость размножения и чувствительность к неблагоприятным факторам среды [3, 4].
Физиологическое состояние отдельно взятой однородной популяции микроводорослей или цианобактерий можно охарактеризовать по набору стандартных измеряемых параметров, чувствительных к условиям культивирования, так называемых PAAP (provisional algal assay procedure) [9]. PAAP микроводорослей включают: число и объем клеток, биомассу, содержание хлорофилла, активность фотосинтеза с оценкой по сумме ответа всех показателей. Это требует значительного времени, снижает точность и воспроизводимость анализа и не позволяет использовать его для непосредственного построения автоматизированных устройств контроля.
Идеальных тест-параметров как и идеальных тест-организмов не существует, но можно подобрать наиболее чувствительные и специфические для решения конкретных задач. В наших экспериментах определены интегральные параметры (рН, Eh, АР) позволяющие охарактеризовать состояние тест-культуры в загрязненной водной среде. Выбранные показатели существенно зависят от загрязнений водной среды и практически не зависят от таких факторов, как количество клеток тест-культуры и объем исследуемой среды (в лабораторных условиях) [3, 4].
В качестве стандартизованного варианта тест-культуры для токсикологических исследований нами предлагается диализная культура при переходе в стационарную фазу. В данном интервале при отсутствии стрессовых воздействий рост культуры и зависимые от роста и фотосинтеза динамические параметры среды культивирования за период измерений (2-5 сут) практически не изменяются, а клетки сохраняют чувствительность к внешним воздействиям и физиологическую активность [3, 4].
Одним из важных условий контроля загрязнения природного водоема, тем более - водотока in situ является иммобилизация клеток тест-культуры в или на носителе. В условиях диализного (диффузионного) культивирования клетки тест-культуры отделены от внешнего объема среды мембраной с размерами пор, пропускающих соединения с определенной молекулярной массой. Диализная мембрана не препятствует выведению низкомолекулярных продуктов метаболизма и поступлению нового субстрата из «внешней среды». В относительно небольшом объеме диализного мешка накапливается высокой плотности популяция «физиологически молодых», чувствительных к внешним воздействиям клеток. Культуру в диализном мешке легко перемещать из одной среды в другую, при этом клетки в диализном мешке остаются в стерильных условиях, что позволяет использовать при токсикологических исследованиях и нестерильную посуду любого объема [10]. Особенности метода максимально проявляются при высоком соотношении поверхности и объема диализной мембраны: наиболее подходящая форма диализного мешка - удлиненный цилиндр, полностью погруженный во «внешний» объем. Главное условие - соотношение внутреннего объема (содержащего клетки тест культуры) к внешнему (анализируемая проба) не менее 1:10. Обычно используемый нами в токсикологических экспериментах объем внешней среды составлял 200-500 мл. Влияния на результат изменения объема до 2 л в лабораторных условиях не обнаружено. [3, 4]. На минимальных средах это позволяет обеспечивать истощение клеточных резервов для увеличения чувствительности культур при одновременном удалении продуктов автоингибирова-ния. Кроме того, возможно изучать изменения тест-параметров культур в любых загрязненных средах, включая естественные водоемы [4, 10], а также изучать воздействие повреждающих факторов в различных сочетаниях.
Методика с использованием диализной аксеничной культуры цианобактерий может быть применима не только в биотестировании, но и в биоиндикации с использованием автохтонного фитопланктонного сообщества исследуемого водоема. Пробы фитопланктона, нарастающего во внешнем объеме диализной культуры, близки по видовому составу микроорганизмов к исследованному фитопланктону из мест отбора проб, но заметно отличаются по соотношению групп микроводорослей. Преобладает «легкая» фракция - клетки, которые осаждаются при 6 тыс. g. Увеличение в сообществе доли мелких клеток с высокой скоростью роста делает его более чувствительных к внешним воздействиям [8].
При выборе методик биологического контроля (тест-параметров) следует учитыватьи возможность приборного анализа биологических данных (принцип инструментальности). Такой характеристикой могут быть, например, показатели размерной структуры фитопланктонных сообществ, поскольку определение размеров клеток может быть полностью автоматизировано в режи-
Информационные технологии в науке, образовании и управлении ме реального времени [8, 11]. Ещё более перспективен показатель эффективности фотосинтеза, основанный на инструментальном измерении замедленной люминесценции [12]. Показатели флуоресценции и/или скорость выделения кислорода можно считать более объективным показателем, чем количество клеток, так как подсчеты живых и мертвых клеток в отобранных пробах показывают, что клетка теряет свою жизнеспособность раньше, чем структурную целостность. [12, 13].
Для получения объективной информации желательным условием является неинвазивность, т. е. получение информации о физиологическом состоянии живого объекта без его разрушения. Такие показатели можно рассматривать в качестве "градусника", с помощью которого можно оценить состояние исследуемого объекта как «благополучное» или «с существенными изменениями» (вызванными внешними воздействиями). В дальнейшем с помощью дополнительных исследований можно уточнить конкретную причину «неблагополучия».
К числу наименее инвазивных методов относятся оптические. Оптические методы (включая спектральные) используются, в частности, при оценке роста культур микроорганизмов, включая фотосинтезирующие, по оптической плотности культур, при оценке содержания пигментов (хлорофилл, каротиноиды) [8, 13].
Состояние клеток можно определять количественно по пространственной ориентации белковых молекул (упорядоченность), измеряемой в поляризованном свете ( спектроскопия внутреннего отражения в ИК-диапазоне). Мы обозначили ее как дихроичные отношения (Р). Измеряемый в поляризованном свете показатель АР (разность дихроичных отношений полос поглощения белков клеток фототрофных микроорганизмов и их внешних структур) отражает происходящие при стрессовых воздействиях перестройки клеточных структур. Экспериментально продемонстрирована возможность использования при оценке уровня загрязнения водных объектов показателя АР фототрофных микроорганизмов, которые отличаются по размерам, строению клетки, организации внешних структур, физиологии, в том числе и для клеток микроводорослей из естественных сообществ исследуемого водоема [3. 4] .
К числу ограничений метода можно отнести необходимость максимального удаления воды для измерений в ИК-диапазоне. Т.е. тест-культуру необходимо извлекать, концентрировать и подсушивать. Это затрудняет как измерения полисахаридной составляющей клеточных структур и эк-зометаболитов (важная характеристика для фитопланктонных организмов), так и возможность автоматических измерений характеристик популяции непосредственно в изучаемом водоеме.
Такие электрохимические показатели как величина рН и окислительно-восстановительный потенциал (Е^ среды культивирования являются важнейшими интегральными параметрами, характеризующими состояние культур цианобактерий, т.к. характер изменений этих параметров зависит от метаболической активности: ингибирование роста, фотосинтетической активности и снижение содержания хлорофилла всегда сопровождается значительными изменениями величины Е^ и в ряде случаев рН среды. При росте клетки поглощают протоны, защелачивая среду (на 2-3 ед). Окислительно-восстановительный потенциал (Е^ среды культивирования отражает соотношение окисленных и восстановленных соединений и существенно зависит от концентрации выделенных в среду тиоловых соединений. Высокий уровень тиоловых соединений в составе клеточных метаболитов приводит к снижению редокс-потенциала среды (на 100- 150 ед.) и может свидетельствовать об активной клеточной пролиферации.
Нами была продемонстрирована возможность использования этих показателей для оценки состояния культур цианобактерий и микроводорослей при токсическом воздействии, связанном с окислительным стрессом (тяжелые металлы и некоторые другие ксенобиотики) [3, 6]. Поскольку известны соотношения величин рН и Е)1 для внутреннего и внешнего объемов, процесс измерений в лабораторных условиях можно автоматизировать, причем электроды при этом будут контактировать исключительно с внешней средой, не затрагивая клетки. В речном протоке использование измерений рН и Е)1 затруднено, так как неограниченный внешний объем (проток) влияет даже на относительно стабильные условия в диализном мешке: из общего полисахаридного слоя, опосредующего контакт клеток с внешней средой, вымываются как буферные, так и тиоловые соединения.
Использование методов статистического анализа и синтеза при анализе полученных данных позволяет уменьшить влияние на результат эксперимента тех или иных неоднородностей условий, при которых проводятся отдельные наблюдения, а также определить минимальное количество
проб, позволяющее получить достоверный результат. При статистическом анализе экспериментальных данных показано, что величины pH и Eh среды культивирования, а также АР (измеренные в ИК-спектроскопии структурные характеристики клеток) существенно зависят от загрязнений водной среды.
Влияние факторов, определяющих долю токсиканта, приходящегося на клетку ( начальная концентрация клеток тест-культуры, длительность инкубации и объем исследуемой среды) в пределах, заданных условиями эксперимента, статистически не значимо [3,7].
Литература
1. Филенко О.Ф., Михеева И.В. 2007. Основы водной токсикологии. - М.: Колос. 144 с.
2. Строительные Нормы и Правила / https://files.stroyinf.ru/Data1 (дата обращения 27.11.2019). Руководство по определению методом биотестирования токсичности вод, донных отложений, загрязняющих веществ и буровых растворов. 2002.
3. Фомина И.А., Саванина Я.В., Барский Е.Л., Панченко Л.А. Лобакова Е.С. Метод ИК-спектроскопии внутреннего отражения клеток цианобактерий и их внешних структур для оценки уровня загрязнения водотоков // Проблемы региональной экологии. 2016. № 6. С.18-22.
4. Саванина Я.В., Барский Е.Л., Фомина И.А., Лобакова Е.С. Биотестирование с использованием спектроскопии внутреннего отражения и биоиндикация // Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии: Материалы XXV Международн. конференции. - М.: ООО «Новые информационные технологии», 2017. С. 105-114.
5. Шлычкова В.В., Брызгало В.А., Хоружая Т.А., Назарова А.А. Организация и проведение режимных наблюдений за загрязнением поверхностных вод суши на сети Роскомгидромета: Методические указания. Охрана природы. Гидросфера. РД 52.24.309-92. - СПб.: Гидрометеоиздат. 1992. 67 с.
6. Лебедева А.Ф., Саванина Я.В., Барский Е.Л. Изменения редокс-потенциала и содержания углеводов в среде при периодическом и диализном культивировании цианобактерии Anacystis nidulans и бактерии Pseudomonas diminuta // Вестник Московского университета. Серия 16: Биология. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002. № 2. С. 24-29.
7.Мятлев В.Д., Панченко Л.А., Ризниченко Г.Ю., Терехин А.Т. Теория вероятностей и математическая статистика. Математические модели: Университетский учебник. - М.: Академия, 2009. 315 с.
8. Заядан Б.К., Маторин Д.Н. Биомониторинг водных экосистем на основе микроводорослей. - М.: Альтекс, 2015. 252 с.
9. .Shubert L.E. 1984. Algae as ecological indicators // Academic press. - London, P. 213-237.
10. Саванина Я.В., Лебедева А.Ф., Барский Е.Л.. Гусев М.В. Диализное культивирование цианобактерий // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. Биология, 2008. № 2. С. 16-25.
11. freepatent.ru>patents/2131925 (дата обращения 27.11.2019).
12. Маторин Д.Н., Горячев С.Н., Протопопов Ф.Ф., Иванов М.В., Пономарев В.Ю., Венедиктов П.С. О возможности использования флуоресценции хлорофилла для оценки токсического действия фенолов на зеленые водоросли // Естественные и технические науки. - М.: Спутник+. 2015. Т. 89. № 11. С. 148-150.
13.Чеканов К.А., Соловченко А.Е. Возможности и ограничения недеструктивного оптического мониторинга культур одноклеточных зеленых водорослей при сбалансированном росте // Физиология растений, - М.: Наука, 2015. Т. 62. № 2. С. 291-300.
Сведения об авторах
Янина Вячеславовна Саванина
канд. биол. наук, науч. сотр. МГУ им. М.В. Ломоносова Росссия, Москва Эл. почта: v.savanin@gmail.com
Information about authors
Yanina Viatcheslavovna Savanina
PhD, research fellow
M.V. LomonosovMoscow State University
Russia, Moscow
E-mail: v.savanin@gmail.com
Евгений Львович Барский
канд. биол. наук, вед. науч. сотр. МГУ им. М.В. Ломоносова Росссия, Москва Эл. почта: gene_b@mail.ru
Ирина Алексеевна Фомина
канд. биол. наук
Департамент Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Центральному федеральному округу Росссия, Москва
Эл. почта: irinafomina.net@mail.ru
Елена Сергеевна Лобакова
канд. биол. наук, проф. МГУ им. М.В. Ломоносова Росссия, Москва
Эл. почта: elena.lobakova@gmail.com
Eugenij Livovitch Barsky
PhD, leading researcher M.V. Lomonosov Moscow State University Russia, Moscow E-mail: gene_b@mail.ru
Irina Alecseevna Fomina
PhD
Department of the Federal service for supervision of natural resources in the Central Federal district Russia, Moscow
E-mail: irinafomina.net@mail.ru
Elena Sergeevna Lobakova
DS, prof.
M.V. Lomonosov Moscow State University Russia, Moscow
E-mail: elena.lobakova@gmail. com
УДК 004.4 А.А. Воронина, О.А. Шабалина, А.В. Катаев
ГРНТИ 20.19.00 Волгоградский Государственный Технический Университет
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВОВЛЕЧЕННОСТИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ ИНТЕРАКТИВНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ*
Вовлеченность пользователей является одной из ключевых показателей качества приложений. В работе рассмотрены понятия, атрибуты и аспекты вовлеченности с точки зрения пользователей приложений, проведен анализ существующих методов оценки вовлеченности и предложена классификация методов. Предложенная классификация предназначена для разработчиков интерактивных приложений для выбора методов оценки вовлеченности, позволяющих управлять качеством приложения на всех этапах его разработки.
Ключевые слова: вовлеченность, оценка вовлеченности, атрибут вовлеченности, метод оценки вовлеченности, адаптация к вовлеченности.
A.A. Voronina, O.A. Shabalina, A.V. Kataev
Volgograd State Technical University
METHODS FOR ASSASSING ENGAGEMENT OF USERS OF INTERACTIVE APPLICATIONS
User engagement is one of the key indicators of application quality. The paper considers the concepts, attributes and aspects of the user's engagement, analyzes existing methods for assessing engagement and present a classification of methods. Suggested classification may be useful to developers of interactive applications for choosing a method for assessing engagement, which allows to control the quality of the application at all stages of its development
Keywords: engagement, engagement assessment, engagement attribute, engagement assessment method, adaptation to engagement.
Введение
Вовлеченность пользователей (engagement) - это один из ключевых показателей качества приложений, особенно в категориях продуктов, изначально предназначенных для развлечения. Разработка методов анализа и оценка вовлеченности - это одно из активно развивающихся направлений исследований в сфере разработки программного обеспечения. Однако оценка вовлеченности - это неоднозначная и нетривиальная задача. Методы оценки вовлеченности, предлагаемые в различных публикациях, различаются наборами данных, которые используются на анализ вовлечен-
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-07-01308а
