Целью работы было проведение количественного анализа газо-воздушной среды в семьях пчел в зависимости от их физиологического состояния и факторов внешней среды на основе количественных масс-спектрометрических измерений, в том числе, измерений вариаций распространенностей стабильных изотопов углерода (13С/12С).

На первом этапе исследований нами разработана принципиально новая эффективная технология контроля физиологического состояния целостного пчелиного сообщества на внешние факторы. Масс-спектрометрический анализ позволяет улавливать вариации концентрации кислорода, азота, углекислого газа, аргона и других газов в сотые и тысячные доли процента.

Масс-спектрометрические исследования количественного состава газо-воздушной среды пчелиного улья производилось в Лаборатории масс-спектрометрии ИБФМ им. Г.К. Скрябина РАН, г. Пущино, под непосредственным руководством заведующего лабораторий д.б.н. Зякуна А.М. в 2013-2014 годах. У этого коллектива имелся обширный опыт подобных исследований различных биосистем (Зякун А.М., 2010).

Образцы газовой фазы в пчелиных ульях были получены путем забора воздуха в трёх повторностях из средней части улья в ампулы объемом 10мл. Для этого в необходимых местах стенок улья были просверлены отверстия диаметром 5мм, через которые в улей вводились трубки от капельниц и датчики температуры. Проба отбиралась при помощи шприца и затем перемещалась в ампулы методом вытеснения насыщенного раствора хлорида натрия. В эксперименте использовано 9 пчелиных семей различной силы в различные периоды года.

Сохранение содержания проб и их транспортировка к месту анализа осуществлялась вверх дном в герметично закрытых резиновыми пробками ампулах с газо-изолирующем водным затвором.

Ввод проб газа в масс-спектрометр проводили через тонкую иглу, соединенную с системой пробоподготовки масс-спектрометра.

Состав газовой фазы осуществляли путем измерения интенсивностей пиков молекулярных ионов в масс-спектре воздуха: азот с m/z 28, кислород с m/z 32, аргон с m/z 40 и углекислота с m/z 44. В качестве контроля служил состав воздуха, отобранного вблизи тестируемого улья. Ошибка измерений концентрации кислорода не превышала ±1 % (относительных).

Получены количественные зависимости изменения концентрации кислорода и углекислоты в ульях в зависимости от времени наблюдения в течение суток, температуры наружного воздуха и температуры внутри улья. Концентрация углекислого газа в наружном воздухе (контроль) составляла 0,03…0,05%, содержание О2 - 21,0…21,1%.

Так, 10.09.2013 при температуре наружного воздуха +10°С…+15°С, в семьях, завершающих активное выращивание расплода массовая доля СО2 колебалась от 0,3% до 0,6%.

В разгар зимовки 17.01.2014г. в улье №2 внутри улья при наружной температуре около –10°С внутри зимующего клуба пчёл отмечены колебания в течение суток СО2 от 0,16% до 0,35%, а кислорода - от 17,6% до 18,8%.

Отмечена линейная корреляция температуры внутри улья в течение суток из проб, взятых с интервалом в 2 часа (в ряду 29,6;31,9;29,9;27,9;26,0;24,8;23,8;25,0;29,2°С) как с содержанием СО2 (0,594; 0,357; 0,299; 0,353; 0,462; 0,566; 0,499; 0,558; 0,312%, соответственно), так и О2 (18,67; 19,45; 19,37; 19,36; 19,06; 19,06; 18,90; 18,77; 19,37%, соответственно). Расчеты показали высокую достоверность отличий по Стьденту (Р<0.0001).

Таким образом, показано, что количественные показатели, характеризующие дыхательную активность семей пчел, изменяются в зависимости от времени суток, температуры окружающей среды, температуры внутри улья и физиологического потенциала пчелиной семьи. Полученные абсолютные и относительные закономерности хорошо согласуются с данными одного из крупнейших специалистов отечественной пчеловодной науки Еськова Е.К.(1983 и др.) и его учеников, полученные хорошо известными химическими и физическими методами. Что доказывает жизнеспособность предложенной нами методики.

Для более детального изучения и регулирования микроклимата в семье зимующих пчел в лаборатории генетики и биоинженерии пчел Калужского государственного университета разработана и апробирована модель Программно-аппаратного комплекса, изготовленного на основе платформы Мега 2560 R3 (ATmega2560-16AU CH340G) и сетевого модуля Ethernet Shield W5100 R3 (Виноградский и др., 2018).

Масс-спектрометрия позволяет проводить локальный отбор проб газо-воздушной смеси, их накопление и хранение с последующим анализом без потери точности. Также несомненный интерес представляет параллельный анализ содержащихся в улье различных метаболитов пчёл (феромонов матки), например, в целях экспресспрогнозирования роения или выявления причин неблагополучия в семье.

Представляется возможным проводить анализ содержания газообразных продуктов жизнедеятельности патогенной микрофлоры для ранней диагностики заражения пчелосемей. Данный метод перспективен и для выявления отравления пчел пестицидами.

Еськов Е.К. Микроклимат пчелиного жилища.- М.: Россельхозиздат, 2-е изд. 1983 г.

Зякун А.М. Теоретические основы изотопной масс-спектрометрии в биологии. - Пущино: Фотон-век, 2010, 224с.

Виноградский В.Г., Кривов М.С., Кузьмичев В.Е. Проектирование информационной системы сбора статистических данных на пасеке в зимний период // Вестник Калужского госуниверситета, 2018, №3, С.58-62

The aim of the work was to conduct a quantitative analysis of the gas-air environment in bee families depending on their physiological state and environmental factors based on quantitative mass spectrometric measurements, including measurements of variations in the prevalence of stable carbon isotopes (13C/12C).

At the first stage of research, we have developed a fundamentally new effective technology for monitoring the physiological state of an integral bee community on external factors. Mass spectrometric analysis allows you to capture variations in the concentration of oxygen, nitrogen, carbon dioxide, argon and other gases in hundredths and thousandths of a percent.

Samples of the gas phase in bee hives were obtained by taking air in three repetitions from the middle part of the hive into ampoules with a volume of 10 ml. To do this, holes with a diameter of 5 mm were drilled in the necessary places of the walls of the hive, through which dropper tubes and temperature sensors were inserted into the hive. The sample was taken using a syringe and then moved into ampoules by displacing a saturated sodium chloride solution. In the experiment, 9 bee colonies of different strengths were used in different periods of the year.

Preservation of the content of samples and their transportation to the place of analysis was carried out upside down in ampoules hermetically sealed with rubber stoppers with a gas-insulating water gate.

Gas samples were injected into the mass spectrometer through a thin needle connected to the sample preparation system of the mass spectrometer.

The composition of the gas phase was carried out by measuring the peak intensities of molecular ions in the air mass spectrum: nitrogen with m/z 28, oxygen with m/z 32, argon with m/z 40 and carbon dioxide with m/z 44. The composition of the air sampled near the tested hive served as a control. The measurement error of oxygen concentration did not exceed ± 1% (relative).

Quantitative dependences of changes in the concentration of oxygen and carbon dioxide in hives depending on the observation time during the day, outdoor temperature and temperature inside the hive were obtained. The concentration of carbon dioxide in the outdoor air (control) was 0.03...0.05%, the O2 content was 21.0...21.1%.

So, on 10.09.2013, at an outdoor temperature of +10°C ... +15°C, in families completing active brood cultivation, the mass fraction of CO2 ranged from 0.3% to 0.6%.

At the height of wintering on 17.01.2014 in hive No. 2 inside the hive at an outdoor temperature of about -10 ° C inside the wintering bee club, fluctuations in CO2 during the day from 0.16% to 0.35%, and oxygen - from 17.6% to 18.8% were noted.

A linear correlation of the temperature inside the hive during the day was noted from samples taken at intervals of 2 hours (in a row 29,6;31,9;29,9;27,9;26,0;24,8;23,8;25,0;29,2° C) as with the CO2 content (0,594; 0,357; 0,299; 0,353; 0,462; 0,566; 0,499; 0.558; 0.312%, respectively), and O2 (18,67; 19,45; 19,37; 19,36; 19,06; 19,06; 18,90; 18,77; 19,37%, respectively). Calculations showed high reliability of differences in the Student (P<0.0001).

Thus, it is shown that quantitative indicators characterizing the respiratory activity of bee families vary depending on the time of day, ambient temperature, temperature inside the hive and the physiological potential of the bee family. The obtained absolute and relative regularities are in good agreement with the data of one of the largest specialists of the domestic beekeeping science, Eskov E.K. (1983, etc.) and his students, obtained by well-known chemical and physical methods. Which proves the viability of our proposed methodology.

For a more detailed study and regulation of the microclimate in a family of wintering bees, a model of a software and hardware complex based on the Mega 2560 R3 platform (ATmega2560-16AU CH340G) and the Ethernet Shield W5100 R3 network module (Vinogradsky et al.,2018) was developed and tested in the Laboratory of Genetics and Bioengineering of bees at Kaluga State University.

Mass spectrometry allows local sampling of the gas-air mixture, their accumulation and storage with subsequent analysis without loss of accuracy. Also of undoubted interest is the parallel analysis of various bee metabolites contained in the hive (uterine pheromones), for example, in order to express the prediction of swarming or to identify the causes of trouble in the family.

It is possible to analyze the content of gaseous waste products of pathogenic microflora for early diagnosis of infection of bee colonies. This method is also promising for detecting bee poisoning with pesticides.

Eskov E.K. Microclimate of a bee dwelling. - M.: Rosselkhoznadzor, 2nd ed. 1983.

Zyakun A.M. Theoretical foundations of isotope mass spectrometry in biology. - Pushchino: Photon-century, 2010, 224p.

Vinogradsky V.G., Krivov M.S., Kuzmichev V.E. Designing an information system for collecting statistical data at an apiary in winter // Bulletin of Kaluga State University, 2018, No.3, pp.58-62