Автоматизированная биотехническая система оценки безопасности пищевых продуктов и кормов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Черемных, Елена Григорьевна

• Черемных, Елена Григорьевна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Черемных, Елена Григорьевна

Введение

1. Актуальность разработки и совершенствования биологиче- 4 ской оценки безопасности пищевых продуктов и кормов

2. Цель и задачи исследования и разработки

3. Объекты и методы исследования

Глава I. Литературный обзор современных методов биологической оценки

1. Существующие биотесты

2. Биотестирование на инфузориях

2.1. Общие закономерности

2.2. Экология инфузорий

2.3. Адаптация простейших к изменению различных факторов внешней среды

2.4. Практические методики биологической оценки на 21 инфузориях

2.5. Математические модели изменения численности по- 24 пуляций инфузорий

3. Приборы для биотестирования

Глава II. Изучение инфузорий как тест-организмов автоматизированной системы биотестирования и разработка методов их культивирования

1. Функции простейших как тест-объектов

2. Выбор и идентификация видов инфузорий

3. Методы выделения из природной среды и культивирования 39 монокультур инфузорий

4. Математические модели изменения численности популяций Stylonychia mytilus и Paramecium caudatum

Глава III. Математическая модель и алгоритмы автоматизированного 45 управления биотестированием

1. Целевая функция

2. Математическая модель опыта

3. Алгоритмы автоматизированного управления биологического испытания на инфузориях

4. Оценка точности подсчета

Глава IV. Программа автоматизации биотестирования AutoCiliata

1. Назначение, задачи и основные принципы

2. Экранный интерфейс и структура программы AutoCiliata

3. Автоматизация исследований

3.1. Экспрессные режимы

3.2. Длительный режим 77 4. Руководство оператора уд

Глава V. Разработка аппаратной части автоматизированной системы биотестирования

1. Этапы проектирования

2. Разработка конструкции аппаратной части биотехнической системы

3. Компоновка элементов конструкции корпуса

4. Реализация способа контроля тест-объектов

5. Создание условий контрастного изображения

6. Выбор параметров планшетки

7. Узлы перемещения

8. Электронное согласующее устройство

9. Структурная схема АБСОБ

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизированная биотехническая система оценки безопасности пищевых продуктов и кормов»

1. Актуальность разработки и совершенствования биологической оценки безопасности пищевых продуктов и кормов

Изменения биосферы, обусловленные широкомасштабным промышленным и сельскохозяйственным производством и иной деятельностью человека, оказывают негативные воздействия на все живые организмы, в том числе и на самого человека. Эти воздействия осуществляются через объекты внешней среды - воду, воздух и пищу, являющуюся «.основным биохимическим мостиком между средой и организмом человека»*. Загрязнение пищевых и кормовых продуктов разнообразными ксенобиотиками зависит от содержания их во внешней среде, от нарушения технологии производства и от множества разнообразных факторов, которые заранее учесть практически невозможно.

Во всем мире ежегодно производится около 300 млн.т. химических продуктов из них около 20 млн.т. поступает в природную среду, а из нее в пищевые цепи [1]. Природа на протяжении многих десятилетий подвергается массированному воздействию факторов антропогенного происхождения и сейчас в биосфере циркулирует около 50-60 тыс. видов ксенобиотиков [2], которые, встраиваясь в естественный круговорот веществ, претерпевают различного рода изменения: окисляются, гидроксилируются, восстанавливаются, гидролизуются и изомеризуются. Достаточно часто масштабы угрозы для живых организмов нельзя предвидеть, а отдаленные последствия могут быть гораздо опаснее, чем воздействие изначально используемых химических факторов[3]. Так при трансформации искусственных веществ в почвенных и водных организмах - бактериях и простейших, в результате разнообразных биохимических реакций могут возникать вещества еще более токсичные, чем до биодеградации, например, ДЦТ и ДДЕ, ртуть и и метилртуть [4] и т.д.

Э.Г. Розанцев Курс лекций по биохимии МГУ lib

Весьма вероятно, что ксенобиотики и разнообразные продукты их трансформации могут присутствовать в пище. Кроме того, продукты питания содержат специальные добавки [5], к которым относятся:

1) пищевые красители и цветообразователи (около 60 видов);

2) ароматизаторы (около 20 видов);

3)регуляторы кислотности (около 30 видов);

4) эмульгаторы;

5) стабилизаторы;

6) консерванты (более 40 видов);

7) антиоксиданты (более 20 видов).

Всего в мировой пищевой промышленности используется более 2000 пищевых добавок, из которых только 600 находится в списке безопасных веществ [6].

В продуктах животноводства могут присутствовать остаточные количества ветеринарных препаратов, среди которых антибиотики и гормоны встречаются достаточно часто. Таким образом, при употреблении продукта на организм человека воздействует практически непрогнозируемая совокупность разнообразных веществ, находящихся в сложных и разнообразных связях друг с другом.

Традиционный способ контроля безопасности пищи состоит в определении концентраций тех или иных индивидуальных токсикантов с помощью физико-химических методов. Проблема определения воздействия всего пищевого продукта на организм может быть разрешена с помощью комплексного исследования безопасности пищи, первым этапом которого должны быть методы биологической оценки [7,8]. Научная мысль неоднократно обращалась к теме использования разнообразных живых организмов для получения интегральной оценки качества различных объектов. Еще в 1931 году Чижевский A.JI. писал: «.живая материя, те или иные клеточные образования являются чувствительнейшим реактивом по отношению к чрезвычайно малым дозам вещества и обнаруживают качественно и количественно различную возбудимость к различным веществам, в зависимости от их химического состава и физического состояния» [9].

Применительно к области контроля безопасности такие биологические исследования представляют собой способы определения степени токсичности продукта по реакции живых организмов - моделей, тест-организмов, или тест-объектов [10]. Определение степени безопасности объектов для получения качественной оценки с помощью живых организмов называют биотестированием или биотоксикологической оценкой.

В качестве организмов-моделей могут использоваться разнообразные живые системы. До недавнего времени это были в основном высшие животные: мыши, кролики и т.д. [11]. Токсикологические методы с применением таких моделей имеют длинную историю применения, они хорошо проработаны, но дороги, длительны и трудоемки. При глубоких исследованиях свойств новых продуктов или новых добавок в составе продукта такие методы необходимы, но в настоящее время существует возможность существенно уменьшить затраты на токсикологические испытания, используя на первом этапе комплексного исследования биотестирование на простейших организмах [12]. В связи с выше перечисленными факторами становятся весьма актуальными методы, сочетающие возможности биологических моделей и аналитических приборов. Обычно это методы, ранее апробированные в экологических исследованиях или в медицинской токсикологии, в них в качестве тест-организмов применяются культуры клеток тканей человека и животных и низшие организмы. Такие методы называются альтернативными [13], и это определение предполагает некоторое противопоставление традиционным токсикологическим подходам, использующим высших животных, поэтому, на наш взгляд, более корректным является обобщающий термин: биотестирование in vitro [14].

Традиционные исследования in vitro (без использования автоматизации) сопряжены с высокой трудоемкостью и необходимостью высокой квалификации исследователя. Поэтому, для повышения технологичности и расширения применения биотестирования, разработка автоматизированных систем с применением в качестве тест-организмов низших животных не только оправдана, но и совершенно необходима. Существующие примеры автоматизации проведения эксперимента с помощью биотестирования доказывают возможность сочетания современного технического оборудования с биологическими объектами, используемыми в качестве датчиков. Приборы для биологических исследований формализуют процесс проведения анализа. В качестве метода, обеспечивающего интерфейс между тест-организмом и технической подсистемой, в этих приборах используется фотометрия. Современные технические возможности позволяют создавать устройства на основе телеметрического способа, который расширяет возможности приборов для биотестирования, приближая их к полным автоматам.

Разработка таких устройств требует изучения биологических особенностей применяемых живых моделей для последующего синтеза эффективной технической системы их контроля.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Черемных, Елена Григорьевна

Результаты работы использованы в учебном процессе МГУПБ при подготовке дипломных работ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Черемных, Елена Григорьевна, 2004 год

1. Корте Ф., Бахадир М., Клайн В., Лай Я.П., Палар Г., Шойнер И. Экологическая химия // М., Мир, 1997, 396с.

2. Тинсли И. Поведение химических загрязнителей в окружающей среде // М., Мир, 1982, 281с.

3. Одум Ю. Основы экологии // М., Мир, 1986, 376с.

4. Донченко Л.В., Надыкта В.Д. Безопасность пищевой продукции // М., Пище-промиздат, 2001, 528с.

5. Булдаков А.С. Пищевые добавки. Справочник // СПб., «Ut»,1996, 240с.

6. Нечаев А.П., Кочеткова А.А., Зайцев А.Н. Пищевые добавки // М., Колос, 2001,256с.

7. Тихонов М.Н., Довгуша В.В., Кудрин И.Д. О необходимости разработки новой концепции в изучении факторов обитаемости // Гигиена и санитария, 1997, №4, с.34-37.

8. Чижевский А.Л. Космический импульс жизни: Земля в объятиях солнца. Ге-лиотараксия // М., Мысль, 1995, 49с.

9. Айвазова Л.Е., Гроздов А.О., Соколова С.А., Новосадова Т.Г., Трофимова М.Г. Метод биотестирования водной среды с использованием инфузорий // Методы биотестирования вод. Черноголовка 1988, с.37-42.

10. Справочник. Лабораторные исследования в ветеринарии. Под ред. Антонова Б.И. // М., ВО «Агропромиздат», 1991, 320с.

11. Беленький Н.Г. Проблема биологической оценки сырья и пищевых продуктов//М., 1976, 86с.

12. Лукьянов А.С., Лукьянова Л.Л., Чернавская Н.М., Гилязов С.Ф. Биоэтика. Альтернативы экспериментам на животных // М., Из-во МГУ, 1996, 256с.

13. Protist Data Base http://protist.i.hosei.ac.jp

14. Резниченко Г.Ю. Лекции по математическим моделям в биологии. Часть 1 // Москва-Ижевск, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002, 232 с.

15. Вентцель Е.С. Теория вероятностей // М., Высшая школа, 2001, 575с.

16. Шторм Р. Теория вероятностей. Математическая статистика. Статистический контроль качества // М., Мир, 1970, с.204-214

17. Архангельский А.Я. Delphi 6. Справочное пособие // М., ЗАО «ИздательствоБИНОМ», 2001, 1024с.

18. Сван Т. Delphi 4. Библия разработчика // Киев-СПб., Диалектика, 1998, 672с.

19. Пачеко К., Тейксейра С. Delphi 5. Руководство разработчика // М.-СПб.-Киев, Изд. дом «Вильяме», 2000, 832с.

20. Калверт Ч. Delphi 2. Энциклопедия пользователя // Киев, НИПФ «Диа-СофтЛтд.», 1996, с.549-557

21. Соколов В.Н. Педагогическая эвристика: Введение в теорию и методику эвристической деятельности // М., Аспект Пресс, 1995, с.164-173

22. Animal Cell Culture. A Practical Apprroach. Ed. by R.J. Treshney // Oxford-Washington D.C., YRL Press,1986, p.256-303

23. Qureshi А.А., Flood K.W. Comparison of a luminescent bacterial test with other bioassays for determining toxicity of pure compounds and complex // Aquatic Toxicity and Hazard Assessment: 5-th Conference, ASTM STP 768, Philadelphia, 1982, p. 179-195

24. Карасюк B.A., Гительзон И.И. Бактериальная биолюминесценция и биолюминесцентный анализ // Биофизика, 1982, т.27, вып.6, с.937-953

25. Рекомендации по определению токсичности производственных сточных вод с использованием рачка дафния магна // Утв.дир.ВНИИ ВОДГЕО С.Я. Яковлевым 21.06.83 УДК 577.472

26. Методика определения токсичности фуражного зерна, продуктов его переработки и комбикормов на рыбках гуппи // Минсельхоз СССР, 1980, 8с.

27. Метелев В.В., Канаев А.И., Дзасохова Н.Г. Водная токсикология // М., Колос, 1971,247с.

28. Бойкова Э.Я. Простейшие биомониторы морской среды // Рига, Зинатне, 1989,215с.

29. Полянский Ю.И. Температурные адаптации у инфузорий. Зависимость теплоустойчивости Paramecium caudatum от температурных условий существования // Зоол. ж., 1957, т.36, вып.11:1630-1645

30. Долгов В.А. Методические аспекты и практическое применение ускоренной биологической оценки кормов, продуктов животноводства и других объектов ветеринарно-санитарного контроля // Дисс. на соиск. степ. докт. вет. наук, М., 1992г

31. Edmiston С.Е. Evaluation of Carbamate Toxicity: Acute Toxicity in a Culture of Paramecium multimicronucleatum Upon Exposure to Aldicarb, Carbonyl and Mexacarbate as Measured by Waburg Respirometry and Acute Plate Assay // Euv.Res., 1985,36, p.338

32. Ose Y., Sato T. Testing for the toxicity of chemical Tetrahimena pyriformis // Sciens of Total Environment, 1985, 43, p. 149-157

33. Гроздов A.O. Токсикологическая характеристика некоторых видов зоопланктона в связи с биотестированием сточных вод и загрязняющих веществ//Автореф.канд.дисс. Москва, 1987

34. Розанцев Э.Г., Черемных Е.Г., Кузнецова JI.C. Управляемая биоприборная модель для разработки методик оценки качества различных объектов // Экология и промышленность России, №6, 2001, с.34-36

35. Беленький Н.Г. Биологическая ценность продуктов животного происхождения как основа выбора рациональной технологии их производства // в кн. Повышение качества продуктов животноводства, М., 1978, с.10-39

36. Серавин JI.H. Функциональные изменения Paramecium caudatum в процессе привыкания к химическим агентам // Дисс.на соиск. степ.канд.биол.наук, JI., 1958, с.84-87

37. Konopikowa L. Experiment to selected waste waters on Protozooa // Acta Univ.Carol.-Biol., 1973, №3-3, p.l 25-133

38. Суханова K.M. Температурные адаптации у простейших // JI., Наука, 1968, 139с.

39. Голубкова Э.Г. Экология Paramecium caudatum (Ehrenberg) в условиях острой и хронической интоксикации / Дисс.на соиск. ст. канд.биол.наук, Петрозаводск, 1980

40. Раилкин А.Н. Фагоцитоз и выбор пищи у инфузорий седиментаторов // Дисс.на соиск.степ.канд.биоло.наук, Л., 1975

41. Бурковский И.В. Основы экологии свободноживущих инфузорий // Дисс. на соиск. степ. док. биол. наук, М., 1985

42. Ирлина И.С. Температурные адаптации у простейших // Дисс. на соиск. степ. канд. биол. наук, Л., 1964

43. Богдан А.С. Методические рекомендации. Комплексная биологическая оценка объектов природного и искусственного происхождения на Tetrahi-mena pyriformis // МЗ Беларусь, 1996,14с.

44. Арифов С.С. Сравнительное изучение степени интоксикации у больных острым гнойным средним отитом. // М., Вестник отоларинг. 1998, №3, с.23-24.

45. Селивановская С.Ю., Маслов А.П., Наумова Р.П. Токсикологическое тестирование сточных вод, подлежащих биологической очистке, с помощью ресничных инфузорий Euplotes patella и Paramecium caudatum. //ж.Химия и технология воды, 1993, 15, 9-10, с.686-688.

46. Гроздов А.О. Определение общей токсичности на инфузориях парамециях // Комбикорма, №4,1994, с.24-26

47. ГОСТ 13496.7-97 «Зерно фуражное, продукты его переработки, комбикорма. Методы определения токсичности»

48. Виноходов Д.О. Токсикологические исследования кормов с использованием инфузорий//СПб, 1995, 80с.

49. Verhulst P.F. Notice sur la loi que la population suit dans son accroissement // Corr. Math. Et Phys. 10, 1838, 113-121

50. Варфоломеев С.Д., Гуревич К.Г. Биокинетика // М., ФАИР-ПРЕСС, 1998, 716с.

51. A.J. Lotka Elements of Physical biology // Williams and Wilkins, Baltimore, 1925

52. Вольтерра В. Математическая теория борьбы за существование // М., Наука, 1976

53. Колмогоров А.Н. Качественное изучение математических моделей динамики популяций //М., Проблемы кибернетики, 1972, Вып.5.

54. Ганшин В.М., Чебышев А.В., Фесенко А.В. Комплексные системы мониторинга токсикологической и экологической безопасности. // Специальная техника, 1998, № 4-5, с.2 10

55. Пожаров А.В., Попечителев Е.П. Возможности биотестирования при контроле промышленных загрязнений // Экологическая химия, 1996, 5(3), с.217-222

56. Захаров И. С. Метод и аппаратура для измерения концентрации инфузорий в медико-экологических исследованиях // Дисс. на соиск. канд. техн. наук,СПб., 1996

57. Еськов У.П. Метод токсикологической оценки полимерных материалов // Гигиена и санитария, 1985, №1, с.62-65

58. Маренков B.C. Разработка и использование люминесцентных методов для экологического мониторинга// Дисс. в виде науч.докл. на соиск.степ. канд.биол.наук., М., 1999, 30с.

59. Казанцев Г.Д., Курдячий М.И., Пустынский И.Н. Измерительное телевидение// М., Высшая школа, 1994,271с.

60. Batten С. Determining an Equilibrium Between P. caudatum Response to Negative Chemotaxis and Electrotaxis // Phoebus High School, 1993.

61. Leick V., Koppelhus U., Rosenberg J. Cilia-mediated oriented chemokinesis in Tetrahymena thermophila. J Eukaryot Microbiol 1994 Nov-Dec, 41,6, 546-553

62. Шарова И.Х. Зоология беспозвоночных. Учебник для вузов//М., Владос, 2002, с81-86

63. Eigner P. Evolution of Hypotrichida // J. Eukaryot. Microbiol., 48(1). 2001 pp. 70-79

64. Citation suggested: Brands, S.J. (сотр.) 1989-2002. Systema Naturae 2000. Amsterdam, The Netherlands/http://sn2000.taxonomy.nl/

65. Anmerman D., Schlegel M. Characterization of Two Sibling Species of Genus Stylonychia (Ciliata, Hypotricha): S. mytilus and S.lemnae/ Morphology and Reproductive Behavior// J.Protozool., 1983, 30(2), p.290-294

66. Berger, H. & Foissner, W. 1989. Morphology and biometry of some soil hy-potrichs (Protozoa, Ciliophora) from Europe and Japan. Bull. Br. Mus. Nat. Hist. (Zool.), 55:19 46.72. http://taxa.soken.ac.jp/http://taxa.soken.ac.jp

67. Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций // М., Наука, 1968,463с.

68. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения //М., Наука, 1991, 384с.

69. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников иинженеров I IM., Наука, 1978, с.584-606

70. Мейсон С., Клеменс Дж. Распознавание букв в экспериментальной читающей машине для слепых // в кн. Распознавание образов, М., Мир, 1970, с. 198-211

71. Елманова Н.З., Трепалин С.В. Delphi 4: технология Com // М., ДИАЛОГ-МИФИ, 1999, 320с.

72. Гроздов А.О., Цвылев О.П., Иванова Е.Г. Автобиоанализатор прибор для определения токсичности // Комбикормовая промышленность, 1996, №5, стр.16-17

73. Иванов А.С., Иванова Е.Г. (Черемных Е.Г.) Устройство для оценки качества продуктов живой и неживой природы // Патент № 2122025, БИ №3, 1998

74. Иванова Е.Г. (Черемных Е.Г.), Васильева А.В., Беленикина О.А., Кантере В.М., Мухамеджанова Биотест токсичности кормов // Птицеводство, 1999, №5, с.42-43

75. Иванова Е.Г. (Черемных Е.Г.), Васильева Н.В., Беленикина О.А. Способ и устройство для культивирования тест-организмов применяемых при оценке качества продуктов живой и неживой природы // Заявка №2000101016, БИПМ №3, от 2003

76. Розанцев Э.Г., Черемных Е.Г., Кузнецова Л.С. Автоматизированный биотест для токсикантов пищевых продуктов. // Мясная индустрия, №6,2001 г, с.37-39

77. Черемных Е.Г., Бахвалов С.А., Лукашевич М.Г. Прибор для автоматизации биологических исследований // Заявка №20001123566

78. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств // М., Высш. шк., 1988,475с.

79. Хрущев В.В. Электрические машины систем автоматики // Л., Энергоатом-издат, 1985, 363с.

80. Арменский Е.В., Фалк Г.В. Электрические микромашины // М.,Высш. шк., 1985, 230с.

81. Бабаков Н.А., Воронов А.А., Воронова А.А., Дидук Г.А., Дмитриева Н.Д., Ким Д.П., Менский Б.М., Попович П.Н. Теория автоматического управленияЧасть 1. Теория линейных систем автоматического управления // М., Высшая школа, 1986,367с.