научная статья по теме МИКРОБНЫЕ БИОСЕНСОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ КИСЛОРОДА (ОБЗОР) Химия

Текст научной статьи на тему «МИКРОБНЫЕ БИОСЕНСОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ КИСЛОРОДА (ОБЗОР)»

ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2011, том 47, № 1, с. 5-15

УДК 602.4:628.35:664

МИКРОБНЫЕ БИОСЕНСОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ КИСЛОРОДА (ОБЗОР)

© 2011 г. O. H. Понаморева*, В. А. Арляпов*, В. А. Алфёров*, А. Н. Решетилов**

*Тульский государственный университет, Тула, 300600 e-mail: chem@tsu.tula.ru

**Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН, Пущино, 142290

e-mail: anatol@ibpm.pushchino.ru Поступила в редакцию 04.09.2009 г.

Рассмотрены последние достижения в применении биосенсоров для определения индекса биологического потребления кислорода (БПК) в воде. Особое внимание уделено принципам функционирования микробных БПК-сенсоров, суммирована информация о биораспознающих элементах таких систем и способах иммобилизации биокомпонентов в сенсорах пленочного типа. Подробно рассмотрены характеристики некоторых моделей БПК-сенсоров.

В результате бытовой активности и интенсивной промышленной деятельности человека в последнее время происходит нарастающее по масштабам загрязнение водоемов рек, озер и водохранилищ. Экспресс-оценка степени загрязнения объектов окружающей среды органическими соединениями является важным и, в некоторых случаях, жизненно необходимым компонентом экологического контроля. Учитывая постоянно растущий перечень веществ, поступающих как загрязнители в окружающую среду, можно констатировать, что выполнение полного химического анализа является сложной и дорогостоящей процедурой. Эффективным инструментом анализа оказываются методы, основанные на интегральной оценке органических компонентов. В этой связи значительное внимание уделяется разработке биосенсорных методов контроля, позволяющих выполнить интегральную оценку загрязненности, значительно повышающих оперативность анализа и снижающих его стоимость [1].

Важнейшей интегральной характеристикой качества воды является биохимическое потребление кислорода (БПК) — количество растворенного кислорода (мг), необходимое для окисления всех био-разлагаемых органических соединений, находящихся в 1 дм3 воды. Единица индекса БПК имеет обозначение мг О2/л или мг О2/дм3. Оценка БПК — это эмпирический тест, в котором используют стандартизованную лабораторную процедуру, чтобы определить потребление кислорода в анализируемых пробах воды. БПК определяют условно по изменению содержания кислорода до и после размещения и выдерживания в течение определенного периода времени образца воды в специальных герметично закрытых колбах. Стандартный метод определения БПК предполагает инкубирование насыщенной кислородом пробы воды, в которую вно-

сят активный ил (смесь различных микроорганизмов), в течение 5, 7, 10 или 20 сут (БПК5, БПК10, БПК7 или БПК20 соответственно) при 20°С [2]. Полученный результат характеризует суммарное содержание биохимически окисляющихся органических примесей в воде, а также способность воды к самоочищению. В поверхностных водах величины БПК5 изменяются обычно в пределах 0.5—4 мг/дм3 и подвержены сезонным и суточным колебаниям. Весьма значительны изменения величин БПК5 в зависимости от степени загрязненности водоемов. В зависимости от категории водоема величина БПК5 регламентируется следующим образом: не более 3 мг/дм3 для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования и не более 6 мг/дм3 для водоемов хозяйственно-бытового и культурного водопользования. Для морей (I и II категории рыбохозяйственно-го водопользования) БПК5 при 20°С не должна превышать 2 мг/дм3. БПК-тест находит также широкое применение на очистных сооружениях для оценки эффективности уменьшения биоразлагае-мых соединений в процессах очистки стоков. Традиционный БПК-тест имеет определенные преимущества, он является универсальным методом измерения большинства образцов сточных вод и водных объектов и, кроме того, не требует дорогостоящего оборудования. Он имеет, однако, серьезные ограничения по времени анализа. Отсутствие оперативности существенно снижает ценность традиционной методики. По указанной причине реально могут возникать экологически опасные ситуации, при которых остается "за кадром" поступление на водоочистные сооружения аварийно загрязненных вод или наоборот, не-доочистка их в процессе регенерации.

Для оперативного анализа разрабатываются методы оценки БПК, основанные на использовании биосенсорных анализаторов. Биосенсор — это инте-

грированное устройство, которое способно обеспечивать количественную и полуколичественную аналитическую информацию с использованием биологического распознающего элемента, находящегося в тесном контакте с преобразователем. Исследования по созданию БПК-биосенсоров проводятся с конца 70 годов прошлого века [3, 4], но разработки таких систем интенсивно продолжаются и в настоящее время [5, 6]. Следует отметить, что с помощью биосенсоров возможно быстрое определение БПК (БПКдс), которое коррелирует, но не всегда полностью идентично величине традиционного БПК5. В последнее время развиваются новые подходы в биосенсорном анализе БПК, которые позволяют достичь приемлемой корреляции между показаниями биосенсора и традиционных методов. Корреляция данных, полученных с помощью биосенсорного анализатора, с данными, полученными методом БПК5, могут иметь значения порядка 0.95—0.98 [7]. Так, для калибровки БПК-биосенсора используют специализированные синтетические сточные воды или биораспознающий элемент БПК-биосен-сора создают на основе специфических микроорганизмов, способных к эффективному окислению веществ конкретных стоков. Таким образом, целесообразно производить разработку биосенсоров, выбор соответствующих микроорганизмов и калибровочных растворов, которые обеспечивали бы наиболее эффективную детекцию БПК в соответствии с конкретным типом сточных вод, т.е. разрабатывать специализированные БПК-биосенсоры.

Распространенность и востребованность исследований по разработке биосенсорных систем определения БПК закономерно привели к коммерциализации и промышленному выпуску ряда моделей. БПК-сенсорные системы все еще имеют ряд ограничений, которые затрудняют их применение: недостаток стандартизации и недоработки законодательства в большинстве стран, сложные требования обслуживания и недостаточная устойчивость применяемых культур микроорганизмов к действию тяжелых металлов и различных токсичных веществ [6].

В обзорах по микробным биосенсорам [1], а также по применению биосенсоров для анализа объектов окружающей среды и экологическом мониторинге [6—8] приводятся примеры разработанных БПК-сенсоров. Отмечена важная роль биораспо-знающих элементов на основе эукариотических микроорганизмов в биосенсорах для решения проблем охраны окружающей среды, в том числе для определения БПК водных объектов [9]. Суммирована подробная информация о БПК-сенсорах, в основном тонкопленочного типа на основе кислородного электрода, а также о некоторых коммерчески доступных биосенсорных системах, разработанных до 2000 г. [5].

В настоящем обзоре обобщена информация о принципах функционирования, устройстве, анали-

тических характеристиках БПК-биосенсоров, свойствах биораспознающих элементов, приведены параметры функционирования и характеристик БПК-сенсоров разных типов.

ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БПК-БИОСЕНСОРОВ

Биосенсоры биопленочного типа на основе кислородного электрода. Большинство описанных БПК-сенсоров являются целоклеточными микробными сенсорами биопленочного типа, принцип функционирования которых основан на измерении скорости дыхания микроорганизмов, находящихся вблизи поверхности преобразователя. В 1977 г. Карубе с соавт. опубликовали работу, в которой впервые описали микробный сенсор для определения БПКдс [3] с использованием микроорганизмов, взятых из активного ила очистных сооружений. Особенностью таких биосенсоров является то, что между пористой (чаще всего, целлюлозной) и газопроницаемой (как правило, тефлоновой) мембраной кислородного электрода содержится слой микробной пленки в качестве биологического распознающего элемента (рис. 1).

Растворенный кислород диффундирует через аэрированный фосфатный буфер, сквозь диализную мембрану в слой иммобилизованных клеток, где часть кислорода расходуется иммобилизованными микроорганизмами на окисление органических соединений, содержащихся в пробе. Оставшийся кислород проникает через газопроницаемую тефлоно-вую мембрану и восстанавливается на катоде кислородного электрода. Сила тока в системе прямо пропорциональна количеству восстановившегося на электроде кислорода. После установления равновесия между диффузией кислорода и скоростью эндогенного дыхания иммобилизованных микроорганизмов в буферном растворе регистрируют равновесный ток (фоновый). Когда образец сточной воды вводят в измерительную кювету, органические вещества анализируемой пробы диффундируют через диализную мембрану и утилизируются иммобилизованными микроорганизмами, в результате увеличивается скорость дыхания микроорганизмов и потребление кислорода. В этом случае меньшее количество кислорода восстанавливается на электроде. Ток уменьшается до тех пор, пока не установится новое равновесие. При промывке измерительной кюветы буферным раствором восстанавливаются скорость эндогенного дыхания микроорганизмов и прежнее равновесие в системе. Так как процесс контролируется диффузией субстрата, сигнал сенсора будет в определенной степени пропорционален концентрации легко окисляемых субстратов в образце (рис. 2).

Для получения ответа биосенсора обычно используют два метода обработки: равновесный или динамический (определение по конечной точке) и

Рис. 1. Схема БПК-бенсора биопленочного типа на основе кислородного электрода Кларка.

кинетический (определение начальной скорости) [10]. В равновесном методе для определения БПК^ используется разность между током в двух равновесных состояниях. Время измерения составляет 15—30 мин с последующим восстановлением в течение 1 ч. В кинетическом методе в качестве ответа сенсора используют начальное изменение силы тока от времени после добавления образца. Этот параметр отображает ускорение скорости микробного дыхания и, в определенной степени, пропорционален концентрации субстрата. В этом сл

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»