CC BY
19
Optimization of the distributed calculations in systems parallel data processing
Shevchenko S.V. PhD in Technological Sciences, professor of department of program engineering and information technologies of management National technical university "Kharkiv Polytechnical Institute"
Questions of increase in efficiency of parallel data processing at the solution of a stream of independent tasks taking into account existence and a condition of computing resources are considered. Versions of decisions are based on use of results of optimization with criterion of the minimum of expenses of resources compared with decisions on criterion of the minimum of losses of time in the course of the decision and expectation.
Keywords: parallel processing, topology, devices, tasks, mathematical model, optimization, criteria.
УДК 579.
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЗАИМОДЕИСТВИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ С НЕФТЬЮ
Янина Вячеславовна Саванина, канд. биол. наук, науч. сотр.
E-mail: v.savanin@gmail.com Евгений Львович Барский, канд. биол. наук, вед. науч. сотр. E-mail: gene_b@mail.ru Галина Александровна Дольникова, науч. сотр. Елена Сергеевна Лобакова, д-р биол. наук, проф.
E-mail: elena.lobakova@gmail.com Биологический факультет Московского государственного университета
имени М.В. Ломоносова 119899, Москва, Ленинские горы, д.1, корп.12
Рассматривается возможность контроля взаимодействия микроорганизмов с нефтью с использованием метода спектроскопии внутреннего отражения в режиме тонкой пленки и массивного образца. Проведено сравнение химического и спектрального метода анализа остаточного содержания нефти. Представлены сравнительные характеристики нефтяных загрязнений окружающей среды для различных сообществ микроорганизмов.
Ключевые слова: нефтяное загрязнение, микробиологическая утилизация углеводородов, ассоциации микроорганизмов, водная токсикология, биотестирование, спектроскопия внутреннего отражения
В связи с возрастающей антропогенной нагрузкой на природные экосистемы необходима разработка методов оперативного токсикологического контроля водной среды с
неопределенным или сложным составом, включая загрязнения продуктами нефтедобычи. Для токсикологической характеристики водной среды вблизи источников загрязнения могут использоваться методы биотестирования. Активность отдельно взятой однородной популяции микроорганизмов, находящейся в загрязняемой среде, можно охарактеризовать с помощью ИК-спектроскопии внутрен-
него отражения. Другим вариантом использования микроорганизмов может быть очистка вод после нефтедобычи. Методы ИК-спектроскопии позволяют оценить эффективность утилизации нефти.
Материалы и методы. В работе использовались четыре ассоциации нефтеразрушающих микроорганизмов, выделенные из различных мест обитаний, а также чистая культура почвенной бактерии Micrococcus sp. №7. Культуры выращивали в круглых колбах объемом 100 мл на глюкозо-пептонной среде 1% объемом 50 мл в качалочной культуре. В модельных системах в культу-ральную жидкость вносили нефть, дизельное топливо, гептан и ксилол.
При оценке физиологического состояния культуры метод СВО, описанный в [1], дополнен измерениями величины Eh среды культивирования. Eh определяли с помощью электрометра фирмы Cole-Parmer при перемешивании пробы на магнитной мешалке с использованием Pt-электрода, а в качестве электрода сравнения - Ag/AgCl [2]. Количество клеток исследуемых культур дополнительно контролировали нефелометрически на спектрофотометре фирмы Hitachi (Япония), модель U-2000 при 538 нм. [1].
Спектроскопию полного внутреннего отражения в ИК-
диапазоне [3] использовали для оценки эффективности утилизации нефти в режиме «тонкой плёнки» (когда d превышает толщину образца). В зависимости от эффективности окисления нефти микроорганизмами в среде остается разное ее количество. Остаток нефти и нефтепродуктов в среде, переводили в гексан и удаляли из среды. При этом использовали эквивалентное количество среды и гексана, что позволило получить сравнимые результаты для различных сообществ микроорганизмов и определить наиболее эффективное из них.
Пробу в гексане в объеме 0,1 мл наносили на ИЭ, изготовленный из материала КО-2. Гексан испаряется и на ИЭ остается пленка нефти, толщина которой пропорциональна ее количеству.
Для расчета эффективных толщин «тонких пленок» в случае перпендикулярной и параллельной компонент плоскополяризованного света можно воспользоваться следующими выражениями:
¿эф^ = 4 d П21 cos9 / (1 - П31)2,
бэфм = 4 d П21 cose [(1 + n324)sin2e - П312] / (1 - П312)[(1 + n312)sin2e - П312],
где П21 = П2/П1, П32 = П3/П2, П31 = П3/П1 - относительные показатели преломления.
Спектр СВО тонкой пленки может быть получен даже в том случае, когда П2 > П1.
Для оценки функционального состояния клеток в загрязненной нефтепродуктами среде в режиме «массивного образца» (d меньше толщины образца) клеточную суспензию осаждали при 6 тыс. об/мин, наносили в виде водной пасты на измерительный элемент ИК-спектрофотометра ИКС-29 и подсушивали (для измерений в ИК-диапазоне требуется максимально удалить воду).
Спектры получали на спектрофотометре ИКС-29 в диапазоне (1800 - 1200) см-1. В работе использовали измерительные элементы из материалов КО-2 (ZnS) с показателем преломления n ~ 2,2 и германия (Ge), с показателем преломления n ~ 4,0, инфракрасные стекла ИКС-25 и др. с показателями преломления, определяющими глубину проникновения светового потока в клетки, а также пленочную реплику-поляризатор на основе полиэтилена (1200 штрихов/мм), обладающую степенью поляризации 95-96% и пропусканием 46-48%.
Аналоговый сигнал прибора был преобразован в цифровой и затем обрабатывался в компьютерной программе «MICROSOFT EXCEL» для обсчёта площадей полос поглощения препарата на спектрограмме. Метод позволяет оценить количество и пространственное распределение в клетках основных молекул: липидов, белков, нуклеиновых кислот и углеводов.
Результаты и обсуждение
При сопоставлении спектров нефти и осадка можно заметить, что в спектре осадка левая полоса распадается на ряд составляющих, а в спектре нефти эта полоса интегральна. Та же картина наблюдается для остатка нефти, изолированной из среды гекса-ном для каждой из четырех ассоциаций. Можно предположить, что микробные ассоциации с различной эффективностью окисляют разные компоненты нефти. При стандартной химической методике определения остаточного содержания нефти в культуральной среде микробных ассоциаций необходимы большие объёмы токсичного растворителя.
Дополнительно активность микробных ассоциаций проверяли по изменениям Eh среды культивирования. Начало роста культур в контроле сопровождается снижением величины Eh среды от ~500-600 мВ и достигает в начале экспоненциальной фазы роста 220230 мВ, что может свидетельствовать о существенных физиологических изменениях, происходящих в клетке к началу интенсивного роста, значительных различий в характере и величине изменений Eh разных ассоциаций не наблюдается. В присутствии нефти и нефтепродуктов Eh снижается до 210- 160 мВ. Снижение величины Eh среды в начале экспоненциальной фазы роста культур обусловлено выделением из клеток низкомолекулярных SH-соединений [2]. Можно предположить, что восстановительные условия как внутри клеток, так и в среде культивирования в лаг-фазный период развития культур необходимы для последующего роста клеток и синтеза биологически активных соединений.
Увеличение Eh, начиная со 2-х сут до 320-350 мВ в контроле, может быть связано как с использованием тиоловых соединений на биосинтетические процессы в активно растущих клетках, так и с окислением тиолов кислородом воздуха, увеличение же Eh до 420-630 мВ в присутствии нефтепродуктов однозначно указывает на окисление углеводородов.
На рис. 1 и 2 представлены ИК-спектры культуры Micrococcus sp. №№7., выращенной на жидкой среде: 1) без добавления нефти, 2 - в присутствии нефти. При сравнении спектров наиболее заметные отличия характеристик наблюдаются в области амидных полос (амид 1 ~ 1660 см-1, амид 2 ~ 1550 см-1) и в областях (1450 - 1200) см-1. Таким образом, культура Micrococcus sp. №7 чувствительна к изменениям факторов среды, и в присутствии нефти активнее, чем культура, выращенная без нефти.
Рис. 1. а) и б) - спектры культуры Micrococcus sp. №7.на КО-2 для параллельно и перпендикулярно поляризованного светового потока соответственно; в) и г) - спектр культуры на Ge для параллельно и перпендикулярно поляризованного светового потока соответственно.
17051214
лл
17051215
17051217
VV
и
V
а) б) в) г)
Рис. 2. Спектр культуры Micrococcus sp. №7 в присутствии нефти. Остальные условия как на рис. 1.
2604122а
5
Л:
2604123а
-Ас
2604128а
2604129а
а) б) в) г)
Рис. 3. Спектр культуры Micrococcus sp. №7.в присутствии дизельного топлива. Остальные
условия как на рис. 1.
ч
лА IIIи
Л и
J
а) б) в) г)
Рис. 4. Спектр культуры Micrococcus sp. №7.в присутствии гептана.Остальные условия как на рис. 1.
На Рис. 3 и 4 представлены спектральные характеристики клеток, культивируемых на среде с дизельным топливом и гептаном соответственно. Проведенный анализ полученных результатов показал, что физиологическое состояние культуры клеток в опыте с дизельным топливом (Рис.3), существенно лучше, чем таковое в культурах, выращенных с ксилолом и гептаном (Рис.4). Это следует из более интенсивных полос поглощения в области амидных полос (1660 - 1550) см-1, что соответствует большему числу клеток культуры микроорганизмов в единице объема и подтверждается нефелометрической оценкой плотности клеточных суспензий. Спектры дизельного топлива, ксилола и гептана (не представлены) в данной области активных полос не имеют.
Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты:
Природные ассоциации нефтеразрушающих микроорганизмов, выделенные из различных мест обитаний, а также чистые культуры почвенных бактерий (на примере Micrococcus sp. №7) могут использоваться для утилизации нефти и нефтепродуктов.
Методика спектроскопии внутреннего отражения применима как для оценки утилизации нефти и нефтепродуктов (СВО в режиме «тонкой пленки»), так и при биотестировании загрязнений продуктами нефтедобычи водной среды (СВО в режиме «массивного образца»).
Однородные популяции микроорганизмов могут использоваться для токсикологической характеристики водной среды с нефтяными загрязнениями.
Литература
1. БарскийЕ.Л., СаванинаЯ.В., Королева С.Ю., КоролевЮ.Н., ЛобаковаЕ.С. 2012. Методология определения состояния культуры микроорганизмов по степени пространственной организации целых клеток и их внешних структур// Вестник Московского университета. Серия 16. Биология. М.: Изд-во Моск. ун-та. № 1. С. 20-27.
2. Барский Е.Л., Лебедева А.Ф., Саванина Я.В. 1999. Изменения окислительно-восстановительного потенциала среды культивирования устойчивой к тяжелым металлам бактерии Pseudomonas diminuta: взаимосвязь с выделением из клеток металлотионеинопо-добных белков. // Вестник Московского университета. Серия 16. Биология. М.: Изд-во Моск. ун-та. № 2. С. 11-15.
3. Харрик Н. Спектроскопия внутреннего отражения. М.: Мир, 1970. 345 с.
Effectiveness of microorganisms associations interaction with oil
Savanina Ya.V., PhD, Dolnikova G.A., Barsky E.L., PhD, Lobakova E.S., DS, prof.
School of Biology, M.V.Lomonosov Moscow State University,119899, Moscow, Leninskie Gori, 1, Bld 12, Tel: 8(495)9394169, e-mail: cordekor@list.ru
It is considered interaction control feature of microorganisms associations with oil when using ATR «thin film». It was carried out comparison of chemical («massive form») and spectral («thin film») method of residual oil content analysis and calculate the effective thickness of «thin films». The report provides comparative characteristics of residual oil in the environment for different communities of microorganisms.
Keywords: oil polluyion, microbiological utilization of hydrocarbon, water toxicology, microorganisms associations, biodetection, IF-spectroscopy of internal reflection.
