Медузы выходят на дежурство: разработана новая система экологического мониторинга

Ученые Института биологии южных морей имени А.О. Ковалевского РАН создали недорогую систему биомониторинга, способную оперативно выявлять загрязнения в морской воде с помощью ушастых медуз (Aurelia aurita). Разработка анализирует частоту сокращений тела медуз, которая изменяется в зависимости от химического состава воды, и позволяет с высокой точностью обнаруживать загрязняющие вещества, в том числе нефтепродукты.

По данным исследователей, новая технология может использоваться для постоянного экологического контроля в портах, прибрежных зонах, районах отдыха и на морских фермах, где особенно важно своевременно выявлять ухудшение качества воды. Сегодня мониторинг морской среды в большинстве случаев основан на лабораторном химическом анализе проб. Несмотря на высокую точность, такой подход не позволяет получать данные в режиме реального времени. В качестве альтернативы ученые все чаще используют биоиндикаторы — морские организмы, чувствительно реагирующие на изменения окружающей среды.

Российские исследователи предложили использовать в этой роли ушастых аурелий. Эти медузы широко распространены в умеренных и тропических морях, включая Черное и Средиземное. Предыдущие исследования показали, что при воздействии тяжелых металлов, нефтепродуктов и микропластика частота сокращений их купола заметно меняется, однако до сих пор не существовало автоматизированной системы, способной надежно фиксировать такие изменения. Разработанная установка представляет собой автономный комплекс, который можно использовать непосредственно в полевых условиях без дорогостоящего лабораторного оборудования. Согласно концепции проекта, в контролируемой акватории устанавливается аквариум с медузами, через который непрерывно проходит морская вода. Система компьютерного зрения и алгоритмы искусственного интеллекта анализируют движения животных и оценивают состояние окружающей среды по изменениям их поведения. Для обучения алгоритма ученые записали поведение шести медуз в чистой морской воде, после чего добавили в аквариумы небольшое количество дизельного топлива — одного из наиболее распространенных загрязнителей прибрежных акваторий. Нейросеть анализировала 11 параметров, включая частоту пульсаций, интервалы между сокращениями и особенности движения каждой особи.

Испытания показали, что алгоритм со ста процентной точностью распознает изменения в поведении каждой медузы после появления загрязнителя. При этом исследователи отмечают, что реакция отдельных особей может отличаться, поэтому система сравнивает текущее состояние каждой медузы с ее собственными показателями в чистой воде, а не со средними значениями. Такой подход позволяет надежно выявлять признаки загрязнения даже при наблюдении всего за несколькими особями.

Руководитель проекта Елена Вышкваркова сообщила, что в дальнейшем ученые планируют расширить перечень загрязняющих веществ, которые сможет распознавать система. Кроме того, исследователи намерены провести аналогичные эксперименты с другими представителями черноморской фауны, в том числе с ракообразными, чтобы определить наиболее эффективных биоиндикаторов для мониторинга морских акваторий.

Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда. Результаты работы опубликованы в научном журнале Journal of Marine Science and Engineering.