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.

Похожие новости

  • 15/12/2020

    Международная команда физиков изучила радиационные свойства озона

    ​​Полученные результаты помогут осуществлять контроль качества озонового слоя, который участвует в формировании атмосферы и климата Земли, влияет на качество воздуха, охраняет планету от жесткого ультрафиолетового излучения.
    754
  • 29/12/2020

    Наталья Гусева: «2020 год потребовал самоотверженности и готовности к переменам»

    ​Директор Инженерной школы природных ресурсов ТПУ Наталья Гусева поделилась результатами, которых достиг коллектив школы в 2020 году, и рассказала о целях и задачах на будущий год.​   Уходящий год стал точкой отсчета новой реальности для всего мира, и, чтобы в нее «встроиться», нам пришлось многое пересмотреть и изменить в своей деятельности.
    1933
  • 11/12/2020

    Почему земля вкусная: ученые ТПУ ищут "рецепт" от загадочных болезней

    ​​​Ученые Томского политеха (ТПУ) отправились в экспедицию на Алтай, где будут методами биогеохимии изучать причины геофагии (поедания почвы) животных. Такие исследования прошли в Приморье и предстоят в Забайкалье, в комплексе они расскажут, как окружающая среда и геология местности влияют на живые организмы.
    736
  • 30/03/2021

    Превратить пластик в карбид титана: в ТГУ патентуют новую технологию

    Молодой ученый Томского государственного университета Яна Дубкова в рамках гранта «УМНИК» заканчивает реализацию собственного проекта «Разработка технологии переработки пластика в высокотехнологичные порошки карбида титана» и готовится патентовать эту технологию.
    597
  • 27/10/2020

    Новый сенсор в биоаналитике

    ​​Ученые Томского политехнического университета, Университета Глазго (Великобритания) и Университета химии и технологии (Чехия) первыми предложили использовать двухмерный материал — тонкие пленки из теллурида молибдена — в качестве сенсорa в биоаналитике.
    696
  • 26/07/2021

    «Движущая сила науки – интерес»: физик из США в Томске изучает озон

    ​Профессор университета Центральной Флориды (США) Вячеслав Кокоулин приехал в Томский госуниверситет для работы над проектом «Озон: радиационные свойства на пороге диссоциации, процессы формирования, релаксации и распада; спектроскопическое обеспечение для моделирования спутниковых наблюдений».
    488
  • 28/10/2020

    Российские ученые нашли экологически чистую замену углю

    Улучшить свойства доступных видов биотоплива смогли ученые Томского политехнического университета (ТПУ). По словам авторов, им удалось получить из торфа и отрубей экологически чистое топливо, не уступающее по эффективности бурому углю.
    1357
  • 10/12/2020

    Россия – «Страна – Почетный Гость» на Восемнадцатой Китайской международной конференции-выставке по обмену экспертами

    ​​Конференция-выставка стала центральным мероприятием в рамках Годов российско-китайского научно-технического и инновационного сотрудничества. Она проходила в онлайн-формате в период с сентября по декабрь 2020 года.
    793
  • 08/04/2021

    Ученые Красноярского научного центра СО РАН расскажут школьникам про профессии будущего и первые шаги в науку

    Краевой фонд науки подвел итоги конкурса по организации проведения мероприятий по профессиональной ориентации молодежи. Два проекта ученых КНЦ СО РАН, нацеленных на привлечение школьников в науку, получили поддержку фонда.
    667
  • 16/02/2021

    День российской науки — 2021

    Традиционно в честь Дня российской науки сибирские институты проводят просветительские мероприятия для студентов, школьников и всех, кто желает узнать чуть больше о большой науке. ​«Этот год был объявлен годом науки и технологий.
    7156