Изучение планктона цифровой голографической камерой поможет экологии
10 Марта 2021

Ученые лаборатории радиофизических и оптических методов изучения окружающей среды РФФ ТГУ нашли способ определять загрязнения водоемов по планктону. Основной инструмент – цифровая голографическая камера. Она, находясь в воде, может определять размеры и форму планктонных и других частиц, их скорость, количество особей и другие параметры. Полученные данные, в свою очередь, служат основой для выводов о состоянии водоема и его биологическом разнообразии.

— Для записи голограммы нужно пучок лазерного излучения пропустить через объем среды и зарегистрировать на ПЗС-камеру — это и будет осевая голограмма этого объема среды, — объяснил первый проректор Томского государственного университета, заведующий лабораторией радиофизических и оптических методов изучения окружающей среды РФФ Виктор Дёмин. — От обычной фотографии она отличается тем, что мы можем полностью восстановить информацию о волне, прошедшей сквозь объём, а это значит – имеем всю информацию о маленьких частичках или организмах, которые в этой среде находились.

Голографическая установка

Как это работает

Из лазерного источника в расширитель направляется луч с излучением красного цвета. Расширитель формирует равномерный широкий пучок, который проходит через объем с частицами. То, что рассеивается на них, — предметная волна, она несет информацию об этих частицах. То, что проходит мимо, — это опорная волна, которая необходима, чтобы создавалась интерференционная картина, которую записывают на ПЗС-камеру в качестве голограммы.

Схема

Метод оптической голографии позволяет исследовать частицы различного происхождения в разных средах — аэрозоли, облачные частицы (самолетный вариант), неоднородности в оптических кристаллах, стеклах (в том числе самолетных), эритроциты и прочее. Сейчас радиофизики ТГУ занимаются голографированием морских частиц. Это может быть планктон, пузырьки газа, капли нефти — любые объекты, которые находятся в воде. Исследование планктона отвечает сразу на целый ряд вопросов.

1. Как развивается экосистема водоема?

По тому, какие виды планктона находятся в воде, как они себя ведут, можно понять, насколько эта экосистема динамична и движется она к расцвету или же деградирует. Это интересно и с точки зрения науки, и с точки зрения экологии.

2. Каково биоразнообразие водоема?

Где планктон — там и рыба, которая им питается. Поэтому по наличию и по типам планктона в водоеме можно определять разновидности других обитателей и даже спрогнозировать, какой будет улов у рыболовных судов.

3. В каком экологическом состоянии находится водоем?

Планктон питается, прокачивая большое количество воды, поэтому изменения в нем происходят уже при небольших загрязнениях акватории. Поэтому по поведенческим реакциям планктона, по тому, как он выглядит, сколько его и какой он, можно оценивать экологическое состояние водоема, причем, на ранних стадиях. Это очень важно в акваториях, например, атомных станций, газопроводов или нефтяных платформ — таких объектов, где может происходить загрязнение окружающей среды. Кроме того, голографическая камера может распознавать одиночные капли нефти или пузырьки газа в воде.

Погружная цифровая голографическая камера

При погружении цифровой голографической камеры в воду лазерный пучок выходит из одного герметичного корпуса, несколько раз отражается от призм и затем попадает во второй герметичный корпус, где находится камера. Это та же самая осевая схема, только в сложенном виде, чтобы уменьшить габариты оборудования. Под водой вместе с цифровой голографической камерой обычно устанавливаются и дополнительные датчики, например, температуры, давления и проводимости. Чем больше информации о среде обитания получается, тем более конкретные можно делать выводы и более комплексно исследовать проблему.

Сотрудники лаборатории

Фокус исследований

Одно из направлений деятельности лаборатории сейчас — изучение фототропной реакции планктона. Цифровая голографическая камера помещается в аквариум с водой, где находятся несколько видов планктона. Воду с планктоном освещают аттракторным (притягивающим) излучением зеленого цвета, планктон начинает реагировать на него и собирается в пучке привлекающего света. Зеленый свет используется для привлечения планктона, поскольку по цвету он похож на свет, рассеянный микроводорослями, которыми планктон питается.

Александра Давыдова рассказывает про эксперимент

— По тому, насколько быстро планктон начинает концентрироваться в световом пучке, мы можем определить степень фототропной реакции. Далее в эксперименте мы добавляем загрязнители, такие как дихромат калия или сырая нефть, планктон при этом начинает реагировать — и тогда скорость концентрирования уменьшается. Это зависит и от дозы загрязнителя. Таким образом, исследуя фототропную реакцию планктона, можно диагностировать загрязнение природных водоемов на ранней стадии, — рассказала научный сотрудник лаборатории радиофизических и оптических методов изучения окружающей среды РФФ ТГУ Александра Давыдова.

Зачем изучать планктон в Арктике

От лабораторных экспериментов томские радиофизики уже успели перейти к натурным исследованиям. Три месяца назад завершилась международная экспедиция на судне «Академик Мстислав Келдыш» в Карском, Восточно-Сибирском морях и море Лаптевых. Экспедиция продолжалась 40 суток, в ней участвовали ученые из Института океанологии РАН, Тихоокеанского океанологического института ДВЦ РАН, Томского государственного университета, Стокгольмского университета и других научных и образовательных организаций. Основной миссией экспедиции было исследование газогидратов при таянии вечной мерзлоты. Но у томских ученых был и собственный интерес — использовать оборудование и методы ТГУ для исследования особенностей планктонных и других частиц в окрестностях сипов (это зоны выхода метана на шельфе).

Корабль «Академик Мстислав Келдыш»

— В районе Восточно-Сибирского моря мы зарегистрировали пузырьки газогидрата, которые выходят со дна на поверхность. В них сконцентрирован метан, который создает парниковый эффект и влияет на глобальное потепление. Раньше это делали при помощи видеокамеры и не могли фиксировать пузырьки меньших размеров. Если их не учитывать, эмиссия метана может быть посчитана с ошибкой, — пояснил заместитель заведующего лабораторией радиофизических и оптических методов изучения окружающей среды РФФ ТГУ Алексей Ольшуков. — Сейчас одна из задач — проследить, как выбросы метана влияют на поведение планктона.

Представители ТГУ

Обычно исследование планктона происходит вне среды его обитания. Биологи забрасывают специальную сеть и собирают планктон в слое, например, от 150 до 100 метров. Таким образом исследуется планктон не в конкретной точке, а в этом 50-ти метровом слое, поэтому вместо конкретики получается обобщенный результат. Но при помощи цифровой голографической камеры можно исследовать планктон в среде обитания и четко определить, где именно проводятся измерения, а волоконная линия связи способна в реальном времени передать все измерения на корабль. За время последней экспедиции получено огромное количество голограмм, которые предстоит изучить и дополнить данными из следующих экспедиций. Ученым предстоит кропотливая работа, но как утверждают радиофизики, результаты они планируют получить уже через пару лет.