Оптоэлектронный измеритель планктона

ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ПЛАНКТОНА ДЛЯ ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

 

Яковленков Е.А., Рябов А.Н., Шилов И.Д.

АО «Гипрорыбфлот», Санкт-Петербург, Россия

 

Изучение планктона является важной экологической и хозяйственной задачей. Поэтому разработка новых способов оперативной идентификации, измерения размеров частиц, получения информации о распределении планктонных организмов в морях, позволяющих облегчить сбор и обработку данных, является одним из самых насущных направлений развития современной гидробиологии.

 

   Практическое и теоретическое значение планктона в морской среде широко известно. Планктон представляет собой объект питания планктоноядных рыб, в том числе промысловых: сельди, сардины, анчоуса, сайры, лососевых и других, а также молоди всех рыб, усатых китов, некоторых донных организмов. В то же время планктон – источник белка, жиров и витаминов. Он может быть непосредственно использован и в питании человека, и как сырье для пищевой и фармацевтической промышленности. Ни одна проблема, касающаяся изучения биологической продуктивности океанов и морей, не может быть в настоящее время решена без исследования планктона [1]

   Существует множество способов сбора информации о планктоне. Однако большинство из существующих приборов сконструированы без учета биологических особенностей планктона (зоопланктона), в связи с чем не эффективно облавливают наиболее подвижные формы гидробионтов. Помимо этого, традиционные устройства для лова планктона (планктонные сети) имеют много и других недостатков, основными из которых являются: 1) потеря фильтрации от закупоривания ячей сети сестоном; 2) вымывание планктона из сети при качке судна, с которого производится работа; 3) неполное смывание организмов с поверхности сети, особенно в зимнее время; 4) вымывание планктона из усеченного конуса сети при падении его после срабатывания закрывающего механизма; 5) задержки при закрывании сети посыльным грузом, в связи с чем гидробионты уходят из сети; 6) трудность использования сетей в проточных водоемах и применение их с движущегося судна; 7) невозможность точного учета воды, проходящей через сеть; 8) загрязнение сетей масло- и нефтепродуктами при работе в водоемах, принимающих в себя промышленные сточные воды, и т, д.

   Многие исследователи давно заметили несовершенство планктонных сетей и стали применять приборы, берущие строго определенный объем воды. Такими приборами были различные батометры, однако и они имеют свои недостатки, как, например: 1) наличие горизонтальных крышек, задерживающих водообмен и разгоняющих планктон; 2) малые входные и выходные отверстия; 3) отсутствие моментального закрывания и т. д. [2]

   За последние двадцать лет произошло развитие оптоэлектронных систем для определения размеров и концентрации мезопланктона in-situ. При этом не зависимо от размеров планктонных частиц они собирают количественные и качественные изображения содержимого определенного объема воды, дающие уникальную информацию о размерах, распределении, и поведении планктона, которые не могут быть достигнуты обычными системами отбора проб, такими как сетки и насосы.  Для определения типа планктона и его размерных характеристик  во ВНИРО  был разработан лазерный планктономер типа «ТРАП7» [3].  Этот  измеритель планктона использовал  теневой метод регистрации частиц. В качестве источника освещения в нем использовался импульсный лазерный модуль. В качестве приемного элемента использовались фотодиодные линейки шириной 0,125 мм, на которые с помощью лазерного излучателя проецировалась тень планктонной частицы, проходящей в потоке воды через измерительный объем. Размер частиц планктона определялся  количеством экранированных элементов линейки при прохождении частицы между излучателем и приемником.

   Один из более совершенных приборов разработал Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по развитию и эксплуатации флота — АО «Гипрорыбфлот» (ГРФ). Оптоэлектронный измеритель планктона – Планктономер ГРФ – позволяет получать данные о размерах и концентрации планктона с передачей информации по кабель-тросу в режиме реального времени, а также сохранять снимки во внутренней памяти прибора с последующим извлечением на бортовой компьютер.

   Планктономер предназначен для измерения размеров планктонных организмов в диапазоне 0,2-15,0 мм и концентрации (в экз/м3) кормового планктона с передачей информации на борт судна в реальном времени (или с записью во внутреннюю память) при выполнении вертикальных зондирований морской среды со скоростью примерно 1,0 м/сек до глубины 1000 метров при нахождении судна в дрейфе. Внешний вид прибора приведен на рис. 1.

image001

Рис. 1. Планктономер ГРФ.

 

   Прибор отличается от других разработок использованием матричного фотоприемника, позволяющего определить двухмерную размерность на тени случайно ориентированной частицы с возможностью фоторегистрации для качественной ориентировочной идентификации и оценки размеров. 

-    Результаты измерений  привязываются  к глубине и времени измерений, а также к географическим координатам места измерений.

- Предусмотрена возможность интегрирования (механическое крепление и программно-аппаратное сопряжение) погружаемого устройства на наиболее распространенных в рыбной области зондирующих (СТД-зонд с кассетой батометров) океанологических комплексах, так и работа в автономном режиме (рис. 3) с питанием по одножильному кабель-тросу или от встроенного блока питания.

image003

 Рис. 2. Планктономер ГРФ, закрепленный на

ограждающей раме СТД-зонда SBE-25.

 

image005

Рис. 3  Работа с планктономером ГРФ на Ладожском озере. 

 

    Испытания Планктономера проводились на Черном море в акватории г. Геленджик, на Ладожском озере, в проливе Бьеркезунд и в восточной части Финского залива, а также в пресноводных водоемах Ленинградской области.

 

image007

Рис. 4. Использование масштабной сетки для определения размера планктона.

 

   Результаты определения общей плотности планктона в режиме реального времени передавались на борт судна в аналоговом виде. Размерность и видовой состав планктона фиксировался во внутренней памяти Планктономера в виде снимков, которые считывались на бортовом компьютере с внутренней памяти после подъема прибора. Размерность планктона определена с помощью масштабирующей сетки (рис.4). Масштабирующая сетка представляет собой матрицу, состоящую из 30 вертикальных столбцов и 20 горизонтальных строк с размером ячейки 10H×10V пикселей, что достаточно для определения размеров планктонных частиц с требуемой точностью.

   Конструкция данного прибора позволяет собирать информацию о распределении и видовых особенностях на глубинах до 1000  метров без физического контакта с исследуемым планктоном. Это дает большое преимущество над приборами сбора планктона, т.к. позволяет исследовать многие хрупкие виды, которые могут быть повреждены при контакте с сетью  или другими средствами сбора.

 

image009

а) Личинки веснянки

 

image010

б) Веслоногий рачок

 

image012

в) Бокоплавы и Личинка поденки

 

image013

г) Личинки ручейника и Веслоногие рачки

 

image014

д)

 

image015

е)

 Рис.5. Результаты измерений (подводные фотоснимки), полученных с помощью Планктономера ГРФ, в  Финском заливе (пролив Бьеркезунд – б; Восточная часть Финского залива – е), Ладожском озере (д) и других пресноводных водоемах Ленинградской области (а, в, г).

 

   Результаты испытаний показали, что Планктономер значительно сокращает время и трудозатраты на сбор и обработку собранной информации, а также предоставляет данные в виде снимков, которые можно использовать без дополнительного специального оборудования для последующего изучения, обработки и анализа. 

   Выбранные и обоснованные разработчиком принцип и методы измерений  обеспечивают заданные параметры, а также при этом прибор не  распугивает планктон (возможное излучение сенсоров или гидродинамические характеристики прибора, или его габариты не изменяют реальные концентрацию и пространственное распределение планктона).

   

   В состав Планктономера  входит устройство для калибровки, а также обоснованная методика оценки его метрологических характеристик.

  На следующих этапах проектирования предусматривается решение вопросов по улучшению качества снимков, полученных с Планктономера и проработка возможности идентификации представителей планктона в автоматизированном режиме.

   Технические решения оптоэлектронного измерителя планктона запатентованы: Патент на полезную модель №131181. 

Список использованной литературы

 

1.      Зоологический институт АН СССР. Полевой определитель планктона, 1 том. 1972. С. 1.

2.      Справочник Экология. Дьяченко И.П. Новая методика сбора планктона, рекомендуемая при изучении загрязнения водоемов. http://ruecology.info/post/100982302900018/

3.      «ВНИРО – 75 лет наблюдений, исследований, открытий  1933-2008», М, ВНИРО, 2008 г.

 

Yakovlenkov E.A., Rjabov A.N.,  Shilov I.D. 

JSC “Giprorybflot”, Saint-Petersburg, Russia

 

Using of  optoelectronic plankton-measuring instrument for hydrobiological research

Plankton studying is the important ecological and economical task. That is why one of the key directions of modern hydrobiology development is development of new methods of quick acquisition of information regarding the plankton distribution in seas that will simplify data collection and processing.