автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Информационная система для биомониторинга тяжелых металлов в акваэкосистемах

. О Ц - /ч / V : - О

^ ч/ ^ / ' Г*. М'

I

РОССИЙСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

На правах рукописи

Яценко Оксана Владимировна

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ Ю11ИТОРИШ А ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В АКВАЭКОСИСТЕМАХ.

05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук).

05.13.14 - Системы обработки информации и управления.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доц., к.т.н. Меньшутина Н.В., доц., к.х.н. Мещерякова Т. В.

Москва -1999

СОДЕРЖАНИЕ.

► СОДЕРЖАНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ 5

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ. 9

1.1. Тяжелые металлы приоритетные загрязнители окружающей среды,- 9 Как объект биомониторинга.

1.1.1. Источники поступления и миграция тяжелых металлах в ак-ваэкосистемах. 9

1.1.2. Формы существования металлов в акваэкосистемах 14

1.1.3. Физико-химические процессы, определяющие миграцию тяжелых металлов в акваэкосистемах 16

1.1.4. Роль биоты в миграции и трансформации тяжелых металлов

в акваэкосистемах 19

1.1.5. Токсическое воздействие тяжелых- металлов жизнедеятельность акваэкосистемных организмов: жчеловека 21

1.1.6. Биомониторинг тяжелых металлов в акваэкосистемах. Биотестирование и биоиндикация - интегральные методы Оценки качества акваэкоеиетем 29

1.2. Состояние компьютерных систем & области охраны окружающей

среды и моделирование загрязнений водной среды 34

1.3. Вопросы построения компьютерных- информационных систем в области биомониторинга 52

1.3.1. Организация интеллектуальных многофункциональных систем 52

1.3.2. Экспертная система - как составляющая современной многофункциональной системы 54

1.3.3. Системы управления и организация банка данных 1.4. Краткие выводы и постановка задач исследования.

57 63

И. РАЗРАБОТКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ БИОМОНИТОРИНГА ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В АКВАЭКОСИСТЕМАХ 65

11.1. Основные свойства информационной: системы для биомониторинга тяжелых металлов в акваэкосистемах 65

11.2. Архитектура информационной системы для биомониторинга тяжелых металлов в акваэкосистемах 68

11.3. Основные функции информационной системы для биомониторинга тяжелых металлов в акваэкосистемах 71

11.4. Характеристика программных модулей информационной системы для биомониторинга тяжелых металлов в акваэкосистемах 75

II. 5. Алгоритм использования информационной системы для

биомониторинга тяжелых металлов в- акваэкосистемах для решения различных задач 76

III. БАЗА ДАННЫХ «BION». 79

III. 1. Общая структура базы данных «BION» 79

III.2. Выбор аппаратного и программного обеспечения для построения базы данных «BION». 81

Ш.З. Организация системы баз данных. 84

111.4. Структура информационных потоков в базе данных «BION». 93

111.5. Программное обеспечение анализагданных. 96

IV. ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ВЫБОРА ОРГАНИЗМОВ-МОНИТОРОВ И МЕТОДИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И РАСЧЕТА КОНЦЕНТРАЦИЙ

г ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В АКВАЭКОСИСТЕМАХ. 102

IV. 1. Организмы-мониторы и методики, применяемые в экспертной

оценке качества акваэкосистем. 102

IV.2. Экспертные оценки для выбора организмов-мониторов

и методик 115

V. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МИГРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ

МЕТАЛЛОВ ПО ТРОФИЧЕСКИМ ПИЩЕВЫМ ЦЕПЯМ. 120

V.l. Математическая модель миграциштяжелых металлов

по трофическим пищевым цепям 123 V.2. Роль различных факторов & миграции тяжелых металлов по

трофическим цепям. 127

V.2.1. Роль трофической структуры в-миграции металлов 133

V.2.2. Потребление тяжелых металлов из среды обитания 136

V.2.3. Ассимиляция тяжелых металлов-из пищи- 140

V.2.4. Выведение тяжелых металлов из организма 142

ВЫВОДЫ 148

ЛИТЕРАТУРА 149

ПРИЛОЖЕНИЕ 159

С

ВВЕДЕНИЕ.

В настоящее время проблемы охраны окружающей среды волнуют все более широкие слои населения. Причины этого достаточно ясны. Вследствие увеличения объема промышленных выбросов и сбросов в окружающую среду; нарушений технологических режимов; перебоев с подачей сырья, топлива и энергии; отсутствия элементарных сооружений - экологическая обстановка во многих регионах планеты достигла критического состояния. Сегодня существует угроза не только исчезновения биологических видов, но и прямой опасности для здоровья человека.

В значительной степени эта угроза связана с загрязнением биосферы тяжелыми металлами и их соединениями.

В микроколичествах тяжелые металлы входят в состав энзиматических систем всех биологических видов и человека, участвуют в процессах переноса кислорода, энергии, передвижении электронов через мембраны клеток, влияют на синтез и передачу наследственной информации. Но накапливаясь в организмах в значительных количествах, они переходят из разряда необходимых, в разряд высокотоксичных.

Пути поступления тяжелых металлов в окружающую среду бывают как естественного происхождения - разрушение коренных пород континентов, вулканическая деятельность, так и антропогенного: стоки ЦБК, АЭС, предприятий лакокрасочной, косметической, лекарственной промышленности и т. п. Количество тяжелых металлов и многообразие их соединений, поступающих из антропогенных источников, уже давно превысило количество тяжелых металлов, поступающих из источников естественного происхождения и продолжает неуклонно расти.

В результате миграции тяжелых металлов в реках, озерах, морях и океанах (акваэкосистемах), химических процессов таких как: гидролиз,

комплексообразование, окислительно-восстановительные реакции, тяжелые металлы образуют устойчивые- органон-минеральные комплексы, подчас представляющие еще большую токсикологическую-опасность.

Для защиты акваэкосистем от тяжелых металлов необходимо повысить эффективность контроля при загрязнении-акваэкосистем тяжелыми металлами, то есть предлагается широко использовать метод биомониторинга, который который позволяет осуществить наблюдение, оценку и прогноз любых изменений в биоте, вызванных воздействием тяжелых металлов и дает интегральную оценку качества акваэкосистем.

В тоже время разрозненность и бессистемность информации по биомониторингу тяжелых, металлов указывает на необходимость создания компьютерных систем-, способных обрабатывать информацию по тяжелым металлам и предсказывать их воздействие на живые организмы.

В связи с этим задача разработки-^создания информационной системы биологического мониторинга тяжелых- металлов в акваэкосистемах, опирающейся на мощную информационную базу знаний в области биологического мониторинга тяжелых- металлов^ на экспертную систему для выбора организмов-мониторов № методик определения концентраций тяжелых металлов, содержащей расчетный- модуле для определения концентраций тяжелых металлов и прогнозирования их, накопления па трофическим пищевым цепям имеет актуальное научное и практическое значение.

Цель диссертационной работы: разработать архитектуру, информационное и прогностическое обеспечение информационной-системы (ИС) «Биомониторинг тяжелых металлов в акваэкосистемах»- («БТМАЭ»). Для достижения этой цели необходимо:

♦ разработать структуру и собрать фактографические данные-для базы данных «В1(Ж», являющейся информационной основой ИС;

♦ разработать экспертную: систему дота: выбора организмов-мониторов и методик определения концентраций тяжелых металлов- в- акваэкосиетемах;

♦ создать расчетный модуль для определения концентраций тяжелые металлов и прогнозирования: их: накопления: в шдробионтах :с. целью определения пищевой годности морскими рыбохозяйственных продуктов. Предлагаемая ИС «БТМАЭ» позволит не только существенно сократить

время, затрачиваемое: на: поиск качественной: оперативной: и эффективной информации по физико-химическим и токсикологические свойствам-металлов и их соединений, но и бьгетро оценить токсикологическую и биологическую опасность воздействия их на: акваэкасистему. Обеспечит сонетами и рекомендациями в выборе организма-монитора и методики определения концентрации и позволит спрогнозировать ее-в-морских и рыбохозяйственных продуктах, имеющих важное:прпиысшвое значение.

Диссертация состоит из- введения, обозначений, пят» глав, заключения, списка литературы и приложения.

Объем работы /¿У стр^втомчшше_рисунков: и. таблиц.

Список литературы содержит наименований.

Первая глава представляет собой аналитический обзор современных литературных данных: по проблемам: математического моделирования распределения и миграции тяжелых металлов- в- акваэкосиетемах. В ней также опубликованы маркетинговые- исследования всех существующие в- мире автоматизированных информационна-поишсовых систем- посвященных проблемам экологии. А также, рассматриваются этапы созданиякомпьютерных информационных систем.

Вторая глава посвящена вопросам разработки архитектуры и алгоритма использования многофункциональной ИС «БТМАЭ».

В третьей главе рассмотрены вопросы разработки и создания базы данных "ВКЖ", состоящей из: бязы данньпсТяжелые металлы" и базы: данных

"Организмы-мониторы и методики", а также сервисных функций их программной реализации. Для наполнения баз- данных были использованы первоисточники: отечественные и зарубежные книжные издания, статьи, справочники, научные публикации, аг так же информация из автоматизированных информационно-поисковых систем /АИПС/: ВИНИТИ, МЦНТИ, DATA STAR, STN-INTERNATIONAL (Ecoline, Toxline, Rtcx, Biosis, Chemline) и др.

Четвертая глава посвящена, разработке экспертных оценок и продукционных правил для выбора организмов-мониторов и методик определения концентраций.

Пятая глава посвящена моделированию миграции тяжелых металлов по трофическим пищевым цепям на примере Пелагического- сообщества озера «Байкал».

Основная часть экспериментальных и информационных исследований, представленных в главах II-V выполнена автором в Российском Химико-технологическом университете /РХТУ/ имени Д.И.Менделеева.

Результаты диссертационной работы использованы- в ТОО «Экосток», ООО «Диалинт» (г. Москва).

По теме диссертацшг опубликовано /1/ печатных работ как у нас в стране так и зарубежом.

Автор выражает глубокую признательность и искреннюю-благодарность руководителям: доц. Меньшутиной Н. В., доц. Мещеряковой Т. В., проф. Дорохову И. Н., проф. Гордееву JI. С. а так же коллективам кафедры КХ'ГП и НИЦ РХТУ за постоянный интерес к работу и благожелательное отношение к автору.

I.АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Проанализированы имеющиеся в литературе данные по проблемам математического моделирования поступления, распределения и миграции тяжелых металлов в акваэкосистемах. Проведены подробные маркетинговые исследования всех существующих информационных систем и источников. Проведен аналитический обзор современных методов и программно-технических средств проектирования информационных систем. На основании анализа современного состояния вопроса и сделанных выводов поставлены следующие задачи исследования.

1.1 .Тяжелые металлы, приоритетные загрязнители окружающей среды, - как объект биомониторинга.

1.1.1. Источники поступления и миграция тяжелых металлов в акваэкосистемах.

В настоящее время наблюдается постоянное возрастание внимания к экологическим аспектам всех сторон деятельности человека. Причины этого очевидны. Издавна возобновимые и невозобновимые ресурсы интенсивно и нерационально используются человечеством для удовлетворения своего «эго». И сейчас, все необходимое для жизни человек получает от природы: энергию, продукты питания, материала для строительства жилищ, создания машин и механизмов. И, наконец, природа является предметом эстетических наслаждений человека [1].

Позитивное преобразование природы человеком имеет и обратную (негативную) сторону. Негативные результаты антропогенных воздействий являются не неизбежным следствием развития человеческого общества, а

результатом допущенных ошибок в технической, экологической и информационной политике.

Попытки максимального использования природных ресурсов, неподкрепленные достаточным знанием возможностей природы - ее способностью к воспроизводству и саморегулированию только в гомеостатических пределах, так же ведут к серьезным экологическим последствиям негативного характера, с которыми биосфера не всегда в состоянии справиться, во всяком случае, быстро.

В первую очередь это относится к загрязнению биосферы ксенобиотками (сегодня их синтезировано более 2000000), которое приводит к серьезным нарушениям природных биогеохимических циклов.

Среди них, следует выделить тяжелые металлы, представляющие собой самую многочисленную группу элементов химического состава природных вод.

Известно, что под термином «тяжелые металлы» подразумевают 39 элементов, 18 из которых являются наиболее изученными.

Являясь в микроколичествах одним из самых главных природных ресурсов, необходимых для поддержания и развития современной цивилизации, в макроколичествах они представляют сильную токсикологическую опасность для биоты и человека (II класс) [2].

Источники поступления металлов в акваэкосистемы подразделяют на источники естественного и антропогенного происхождения.

Естественные: связаны в основном с разрушением коренных пород континентов, при этом металлы попадают как непосредственно в воду с поверхностными и подземными водами, так и через атмосферу с осадками и частицами пыли. Для океанов существенную роль играет вулканическая деятельность [3].

В результате антропогенной деятельности человека появились новые источники поступления тяжелых металлов в акваэкосистемы.

Источники антропогенного происхождения некоторых металлов представлены в Таблице 1.1.

Таблица 1.1. Некоторые антропогенные источники поступления металлов в окружающую среду [4, 5].

Металлы Источники поступления.

гп,сс!,рь,си Стоки рудников

гп.сс^рь.си Стоки сталеплавления

нд Стоки ЦБК,красок, косметики, лекарственного пр-ва и др.

Со,Зп Стоки атомных электростанций

Аэрь.Сг.Си.гп Бытовые и промышленные стоки

Ре.Мп.РЬ.Эп.гп Нд,Со,Са,1\И,Си Через атмосферу, при сжигании угля, нефти, газа, автомобильного горючего, из руд при выплавке металла, пр-во цемента

Если загрязнение промышленными и бытовыми сточными водами носит локальный характер, то поступление металлов в результате сжигания угля, нефти, газа, автомобильного горючего, а также руд при выплавке металла является глобальной проблемой.

Так, например, в результате сжигания угля в 1971 году в атмосферу выбрасывались тысячи тонн тяжелых металлов, в 1977 году уже - десятки тысяч тонн, а в 2000 году, по некоторым прогнозам, ожидается сотни тысяч тонн [5].

По оценке других авторов [6] уже сегодня, количество тяжелых металлов, выпадающих с дождями на территорию Европы и Северной Америки, достигает нескольких кг/1 км2.

Количество тяжелых металлов, поступающих из антропогенных источников, уже давно превысило количество тяжелых металлов, поступающих из естественных источников [7, 8, 9, 10]. Это обуславливает рост антропогенной нагрузки на акваэкосистемы и делает реальной возможность

существенного нарушения природного геохимического цикла в глобальном масштабе [11].

Системный анализ роли тяжелых металлов в акваэкосистемах требует привлечения большого числа естественно-научных данных из разных областей знаний (геологии, геохимии, гидрохимии, гидробиологии, экологии, экотоксикологии и т.п.). Обобщение и систематизация их позволяет глубже понять особенности поведения тяжелых металлов и оценить количественные характеристики основных процессов, определяющих распределение и миграцию этих веществ в акваэкосистемах.

Рассмотрим механизм миграции тяжелых металлов в акваэкосистемах, представленный на Схеме 1.1 [12,13, 14, 15, 16,17, 18].

Схема 1.1. миграции тяжелых металлов в водоеме позволяет выделить отдельные структуры, каждая из которых имеет более или менее самостоятельное значение.

Первая структура, определяемая физико-химическими процессами: «Растворенная форма металла (МРФ). - Взвешанная форма металла (МВФ). Металл в твердом осадке (МДО)».

Вторая структура, определяемая функционированием фитопланктона: «МРФ -Металл в клетках фитопланктона (МФ) - МДО».

Третья структура определяется миграцией металлов по пищевым цепям: «МФ-Металл в организме зоопланктона (МЗ). - Металл в планктофагах (МПФ) - Металл в хищниках (МХ) - Металл в бентофагах (МВФ) - Металл в организмах зообентоса (МЗБ)». Более подробно этот процесс рассмотрен в Главе 5.

Рассмотрим формы существования металлов в акваэкосистемах.

'1ии х . х

играция тяжелых металлов в аквоэкосистемах

растворенная форма металла (МРФ)

Флоккуляция

< Коагуляция * Десорбция

Адсорбция <Дестр. орг. в-в^

Потребление из среды (ПС) Выведение (Вы)

Металл в клетках фитопланктона (МФ)

ПОБ

Поток отмершей

биомассы (ПОБ) ФЭ

ПП

Металл в организме зоопланктона (МЗ)

�