Экологический мониторинг — это система наблюдений, оценки и прогноза состояния окружающей среды.
Система выполняет важные функции, например, обеспечивает контроль влияния человека на экосистемы, измеряя концентрации загрязняющих веществ в воздухе, воде и почве. Полученные данные фиксируют экологическое состояние территорий, выявляют зоны риска, анализируют биоразнообразие и оценивают устойчивость компонентов экосистем к воздействиям.
Мониторинг особенно важен при оценке эффективности охраны природы и прогнозировании изменений экосистем под влиянием как природных, так и техногенных факторов. Информация, полученная в ходе мониторинга, служит основой для моделирования распространения загрязнений, принятия решений в области природопользования и реализации принципов устойчивого развития, обеспечивая баланс между экономическими потребностями и экологической безопасностью.
Сбор данных обычно выполняется с помощью метеостанций, оснащенных датчиками. Но для исследования обширных и труднодоступных регионов (например, заповедников или сельскохозяйственных полей) требуется много станций и создание дорогой инфраструктуры энергоснабжения и связи.
Разработана компактная система для отслеживания метеорологических показателей, таких как атмосферное давление, относительная влажность, pH, температура, концентрации загрязняющих веществ и другие параметры. В устройстве используется биоэлектрохимический источник питания, генерирующий энергию за счет метаболизма почвенных микроорганизмов в микробных топливных элементах. Информация передаётся дистанционно на расстояние до 10 километров. Инженер кафедры инженерной защиты окружающей среды СПбГЭТУ «ЛЭТИ» поделилась информацией. Яна Андреевна Хващевская.
Экологический мониторинг включает в себя батарею, модуль обработки информации и устройство передачи данных. В качестве источника энергии применяется МТЭ — герметичная камера с почвой внутри. Метаболизм электрохимически активных бактерий создаёт биоэлектричество с напряжением 0,4 В. Такая батарея экологичнее литий-ионных аккумуляторов из-за отсутствия токсичных компонентов: полимерных связующих, фторсодержащих электролитов, тяжёлых металлов и органических растворителей, что уменьшает нагрузку на окружающую среду при эксплуатации и утилизации устройства.
Модуль обработки информации требует напряжения не менее 0,4 вольта. Для этого в конструкции предусмотрены преобразователи DC-DC с низким напряжением входа и конденсаторы, работающие как накопитель энергии. Специальная микросхема отслеживает накопление энергии: при достижении 3 вольт запускается микроконтроллер – вычислительное устройство. С его помощью информация собирается с датчиков и передаётся на персональный компьютер оператора системы. Устройство оснащено модулем беспроводной передачи данных для этого.
В ходе испытаний на разных типах почв — среднеподзолистых и торфяных, в том числе в Удельном парке Петербурга и на болоте Селькясуо в Ленинградской области, ученые ЛЭТИ достигли успешного результата. Эксперименты продемонстрировали, что грунты болотистой местности демонстрируют больший уровень напряжения — почти на 1,5 раза больше, чем среднеподзолистые. Такая особенность обусловлена большим содержанием органических веществ в болотной почве, являющихся основным источником питания для микроорганизмов.
В настоящее время я совместно с научным руководителем, кандидатом наук, доцентом кафедры ИЗОС Ольгой Викторовной Рахимовой занимаемся патентованием системы экологического мониторинга. Среди областей практического применения – отслеживание метеорологических показателей и загрязнителей в труднодоступных районах заповедников и сельскохозяйственных земель. Благодаря невысокой стоимости устройства, компактным размерам и автономной работе предложенное решение интересно и для частного сектора: систему можно эффективно применять на приусадебных участках для оптимизации климатических условий в защищенном грунте. , – добавила Яна Андреевна Хващевская.
В рамках секции «Экобиотех» на форуме BIOTECH FORUM в Татарстане прошла презентация разработки. Молодые учёные ЛЭТИ проводят переговоры с индустриальными партнёрами о внедрении системы экологического мониторинга.
Информация и фотография предоставлены Санкт-Петербургским государственным электротехническим университетом «ЛЭТИ».