В настоящее время экологический мониторинг приобретает особое значение для контроля антропогенного воздействия на экосистемы. Систематические измерения концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, водных объектах и почвенном покрове позволяют фиксировать текущее экологическое состояние территорий и выявлять зоны экологического риска. Для охвата протяженных и труднодоступных территорий требуется большое количество метеорологических станций, а также создание относительно дорогостоящей инфраструктуры энергообеспечения и связи. Ученые СПбГЭТУ «ЛЭТИ» разработали инновационную систему экологического мониторинга, в которой источником энергии выступают бактерии – устройство отличают низкая себестоимость, компактность и автономность работы.
Что такое экологический мониторинг
Экологический мониторинг представляет собой комплексную систему наблюдений, оценки и прогноза состояния окружающей среды, выполняющую ряд критически важных функций. Например, он обеспечивает непрерывный контроль антропогенного воздействия на экосистемы посредством систематического измерения концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, водных объектах и почвенном покрове. Полученные данные позволяют не только фиксировать текущее экологическое состояние территорий, но и выявлять зоны экологического риска, анализировать динамику биоразнообразия и оценивать устойчивость биотических компонентов экосистем к внешним воздействиям.
Мониторинг особенное важен для оценки эффективности природоохранных мероприятий и прогнозирования возможных изменений в экосистемах под влиянием как природных, так и антропогенных факторов. Данные, получаемые в ходе экологического мониторинга, используются для разработки моделей распространения загрязнений, принятия управленческих решений в сфере природопользования и реализации принципов устойчивого развития, обеспечивая баланс между экономическими потребностями общества и экологической безопасностью.
Метод ЛЭТИ – для отслеживания метеорологических показателей
Как правило, сбор данных проводится с метеостанций, которые снабжены комплексом датчиков. Однако для охвата протяженных и труднодоступных территорий (например, в заповедниках или на полях сельхозназначения) необходимо большое количество метеорологических станций, а также создание сравнительно дорогостоящей инфраструктуры энергообеспечения и связи.
Молодые ученые ЛЭТИ разработали компактную систему отслеживания различных метеорологических показателей: атмосферного давления, относительной влажности, водородного показателя (pH), температуры, фоновых концентраций загрязняющих веществ и других параметров.
Инженер кафедры инженерной защиты окружающей среды (ИЗОС) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Яна Хващевская прокомментировала разработку:
Ключевой особенностью устройства является применение биоэлектрохимического источника питания, где электроэнергия генерируется за счет метаболической активности почвенных микроорганизмов в микробных топливных элементах (МТЭ).
Устройство и принцип работы системы мониторинга
Система экологического мониторинга состоит из батареи, модуля обработки информации и устройства для передачи данных. В качестве энергетического элемента используется МТЭ, представляющий собой герметичную камеру, заполненную почвой. В процессе метаболической активности электрохимически активных бактерий происходит генерация биоэлектричества с выходным напряжением 0,4 вольта. Батарея такой конструкции является экологичной альтернативой более эффективных литий-ионных аккумуляторов, поскольку исключает использование токсичных компонентов, характерных для последних: полимерных связующих, фторсодержащих электролитов, тяжелых металлов и органических растворителей, что существенно снижает экологическую нагрузку при утилизации и эксплуатации устройства.
Поскольку 0,4 вольта недостаточно для питания модуля обработки информации, в его конструкции предусмотрены DC-DC преобразователи с низким напряжением входа и конденсаторы, выступающие промежуточным накопителем энергии. Накопление энергии отслеживается с помощью специальной микросхемы: как только напряжение достигает 3 вольт, запускается вычислительное устройство – микроконтроллер. С его помощью происходит автоматизированный сбор информации с датчиков, а затем их передача на персональный компьютер оператора системы – для этого устройство снабжено модулем беспроводной передачи данных. Информация с устройства передается дистанционно на дальность около 10 километров.
Полевые испытания и перспективы применения
Ученые ЛЭТИ провели успешные испытания в нескольких локациях на разных типах почв (среднеподзолистых и торфяных), в частности в Удельном парке Санкт-Петербурга, а также на б. Селькясуо в Ленинградской области. Эксперименты показали, что грунты болотистой местности показывают больший уровень напряжения (почти в 1,5 раза больше, чем среднеподзолистые). Это объясняется тем, что болотная почва содержит больше органических веществ, которые являются основным источником питания для микроорганизмов.
В настоящее время разработчики – инженер Яна Хващевская и руководитель проекта, доцент кафедры ИЗОС Ольга Рахимова – занимаются патентованием системы экологического мониторинга. Одновременно ведутся переговоры с потенциальными индустриальными партнерами по внедрению системы в практическое применение.
Перспективы применения устройства оценила Яна Хващевская:
В числе областей практического применения – мониторинг метеорологических показателей и загрязнителей в труднодоступной местности заповедников, а также на землях сельхозназначения. Благодаря низкой себестоимости устройства, компактным габаритам и автономности работы, предложенное решение представляет интерес и для частного сектора – система может быть эффективно использована в условиях приусадебных хозяйств для оптимизации климатических параметров в защищенном грунте.
Разработка молодых ученых СПбГЭТУ «ЛЭТИ» найдет применение в сфере автономного мониторинга метеорологических условий как в больших природных заповедниках и сельхозугодьях, так и в условиях маломасштабного частного землепользования.